李春燕，鄧偉,2，齊靜,2，唐燕秋，丁佳佳，孫榮，宋丹

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 400020；2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建廈門(mén) 361021)

基于長(zhǎng)時(shí)間序列的北方生態(tài)脆弱區(qū)氣候演變分析

李春燕1，鄧偉1,2，齊靜1,2，唐燕秋1，丁佳佳1，孫榮3，宋丹1

(1.重慶市環(huán)境科學(xué)研究院，重慶 400020；2.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044；3.華僑大學(xué)化工學(xué)院，福建廈門(mén) 361021)

以北方典型生態(tài)脆弱區(qū)榆林市為例，利用1951—2012年地面氣象觀測(cè)站統(tǒng)計(jì)的氣象資料，結(jié)合趨勢(shì)分析和距平累積分析方法，對(duì)過(guò)去60年間該地區(qū)的氣溫和降水變化趨勢(shì)進(jìn)行了定量分析。研究結(jié)果顯示：(1)過(guò)去60年間，研究區(qū)氣溫變暖趨勢(shì)明顯，年平均氣溫增加傾向率為0.20 ℃/a。(2)研究區(qū)降水在劇烈波動(dòng)變化中趨于減少，研究時(shí)段內(nèi)年降水量減少傾向率為-8.4 mm/a。(3)榆林市經(jīng)歷了由冷濕氣候向暖干氣候的轉(zhuǎn)變。(4)氣溫的升高對(duì)榆林市風(fēng)沙天氣和旱災(zāi)等氣象災(zāi)害的發(fā)生有一定加劇作用，而降水的減少進(jìn)一步增加了榆林市生態(tài)系統(tǒng)脆弱性程度。

生態(tài)脆弱區(qū)；榆林市；趨勢(shì)分析；距平累積；氣候演變

氣候變化是生態(tài)脆弱區(qū)重要的自然制約因子，影響著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定性[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)展了大量關(guān)于榆林市氣候變化的研究；劉曉瓊等[2]對(duì)榆林市近30年來(lái)年際、季節(jié)及個(gè)年代的氣候變化進(jìn)行了定量分析，認(rèn)為榆林從20世紀(jì)70年代到21世紀(jì)由偏冷濕時(shí)期逐漸演變?yōu)榕蓵r(shí)期；楊強(qiáng)等[3]基于1970—2010年氣象資料對(duì)榆林地區(qū)氣溫、降水和太陽(yáng)輻射的年際和季節(jié)性變化進(jìn)行了定量分析，得出時(shí)段內(nèi)榆林地區(qū)氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，降水先減少后逐漸回升，太陽(yáng)輻射呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的結(jié)論；劉海英[4]分析認(rèn)為榆林地區(qū)經(jīng)歷了暖—冷—暖三個(gè)時(shí)期，其中20世紀(jì)60年代最冷，90年代最暖，并預(yù)測(cè)1999—2000年溫度仍有偏高的趨勢(shì)。大量研究結(jié)論顯示，榆林市在過(guò)去幾十年內(nèi)均呈氣候變暖趨勢(shì)。本文基于榆林市1951—2012年地面氣象觀測(cè)站統(tǒng)計(jì)的氣象資料，利用趨勢(shì)分析和距平累積分析方法，對(duì)榆林市氣溫和降水在過(guò)去60年間的變化趨勢(shì)進(jìn)行定量分析，以揭示該區(qū)域氣候變化特征，有利于進(jìn)一步理解氣候變化對(duì)北方生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，也對(duì)榆林市制定有效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)戰(zhàn)略提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法與材料

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)集由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(China Meteorological Data Sharing Service System，http://cdc.cma.gov.cn/)提供。數(shù)據(jù)集為榆林市及其周邊省市14個(gè)基準(zhǔn)地面氣象月值數(shù)據(jù)，包括月均氣溫(℃)和月降水量(mm)；空間范圍涵蓋榆林市及周邊各省市，以便后期空間插值時(shí)能覆蓋整個(gè)研究區(qū)(表1，圖2)，時(shí)間序列為1951年1月—2012年12月。氣象數(shù)據(jù)中個(gè)別月份存在缺失數(shù)據(jù)現(xiàn)象，利用多年同期月值平均值進(jìn)行替代。

1.2研究方法

1.2.1一元線性回歸模型

本文用y表示樣本量n的某一氣候變量，用x表示y所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立y和x之間的一元線性回歸。采用一元線性回歸模型描述氣候要素的變化趨勢(shì)，即：

表1 氣象臺(tái)站信息

yi=a+bxi

(1)

式中，a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)。用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)：

(2)

(3)

線性回歸結(jié)果主要是回歸系數(shù)b，即氣候變量的傾向趨勢(shì)。當(dāng)b>0時(shí)，說(shuō)明y隨時(shí)間x的增加呈上升趨勢(shì)；當(dāng)b>0時(shí)，說(shuō)明y隨時(shí)間增加呈下降趨勢(shì)。b值的大小直接反映上升或下降的速率，即傾向斜率[5]。

1.2.2距平累積法

距平累積法是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法。對(duì)于序列X，其某一時(shí)刻t的累積距平可以表示為[6]：

(4)

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析。累積距平曲線呈上升趨勢(shì)，表示距平值增加，呈下降趨勢(shì)則表示距平值減小。從曲線明顯的上下起伏，可以判斷其長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化，甚至還可以診斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間。從曲線的小波動(dòng)變化可以考察其短期的距平值變化。根據(jù)距平有正有負(fù)的特點(diǎn)，當(dāng)距平累積持續(xù)增大時(shí)，表明該時(shí)段內(nèi)距平持續(xù)為正；當(dāng)距平累積持續(xù)不變，表明該時(shí)段距平持續(xù)為零即保持平均；當(dāng)距平累積持續(xù)減少時(shí)，表明該時(shí)段距平持續(xù)為負(fù)。據(jù)此，可以比較直觀而準(zhǔn)確地確定數(shù)據(jù)序列的年序變化階段。

1.2.3信號(hào)與噪聲比檢驗(yàn)方法

突變檢驗(yàn)采用Yamamot[7]氣候突變的定義和檢測(cè)方法定義的信號(hào)(S)與噪聲(N)比檢驗(yàn)方法確認(rèn)階段性劃分。基本思想為：如果兩個(gè)階段均值的平均值之差超過(guò)正常波動(dòng)范圍，用標(biāo)準(zhǔn)差表達(dá)，那么可以認(rèn)為發(fā)生了突變。當(dāng)信號(hào)(S)與噪聲(N)的比值>1.0時(shí)，即存在突變。用公式表達(dá)為：

(5)

式中，x為階段平均值；s為階段標(biāo)準(zhǔn)差。如果S/N>1.0，表明突變存在，即階段性明顯。

2 結(jié)果與分析

2.1氣溫演變特征分析

2.1.1總體特征

從表2來(lái)看，榆林市1951—2012年年平均氣溫為9.0 ℃，春、夏、秋、冬四季的平均氣溫分別為10.7 ℃、22.5 ℃、9.0 ℃、-6.1 ℃。其中，冬季平均氣溫最低值為-9.4 ℃，出現(xiàn)在1967年，夏季平均氣溫最高值為24.0 ℃，出現(xiàn)在1999年夏季。從季節(jié)性特征來(lái)看，榆林市氣溫季節(jié)性差異顯著，冬冷夏熱，夏季與冬季平均氣溫溫差達(dá)28.6 ℃；冬季標(biāo)準(zhǔn)差最大，夏季最小，說(shuō)明歷年冬季冷空氣活動(dòng)頻繁、波動(dòng)較大，夏季冷空氣活動(dòng)較弱、相對(duì)穩(wěn)定。歷史極端月平均最低氣溫為-13.7 ℃，出現(xiàn)在1955年1月；歷史極端月平均最高氣溫26.0℃，出現(xiàn)在2001年7月。

表2 榆林市1951—2012年氣溫統(tǒng)計(jì)量

2.1.2演變規(guī)律分析

根據(jù)圖1(a)可以看出，1951—2012年，榆林市年均氣溫從1951年的8.5 ℃增加到了2012年的8.7 ℃，呈明顯上升趨勢(shì)，年平均氣溫傾向率為0.20 ℃/a，通過(guò)ɑ趨勢(shì)系數(shù)極顯著水平檢驗(yàn)。其中最高年均氣溫為10.6 ℃，出現(xiàn)在1998年；最低年均氣溫8.0 ℃，出現(xiàn)在1956年。

從各個(gè)年代來(lái)看，20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初平均氣溫明顯高于前期，分別達(dá)到了9.4 ℃和9.8 ℃，比歷年年均氣溫高出0.4～0.8 ℃；而20世紀(jì)50—80年代平均氣溫均低于歷年平均溫度，尤其是50年代，平均氣溫僅有8.6℃?？傮w來(lái)看，榆林市氣候變暖現(xiàn)象顯著；90年代前平均氣溫均低于歷年平均溫度，90年代后，氣溫上升速率增加，年均氣溫最高值出現(xiàn)在1998年(圖1(b))。

根據(jù)圖2榆林市四季平均氣溫逐年變化趨勢(shì)可以看出，1951—2012年，春季和冬季平均氣溫增加明顯，平均氣溫傾向率分別為0.25 ℃/a和0.36 ℃/a，其中冬季氣溫升幅最為顯著。夏季氣溫升幅最小，平均氣溫傾向率僅為0.08 ℃/a。

2.1.3氣溫變化階段性演變特征

根據(jù)榆林市年均氣溫距平累積變化特征，可以劃分為1951—1989、1990—1999、2000—2012三個(gè)階段(圖3)。1951—1989年，平均氣溫為8.7 ℃，年均氣溫較為穩(wěn)定、起伏較小，距平累積大多以負(fù)距平為主；1990—1999年，平均氣溫為9.1 ℃，年均氣溫波動(dòng)較大、增長(zhǎng)趨勢(shì)顯著，顯著增加主要發(fā)生在1996—1999年，傾向率為1.50 ℃/a，距平累積主要以正距平為主；2000—2012年，年均氣溫出現(xiàn)明顯的下降，2000—2010年年均氣溫下降了0.9 ℃。

圖1 榆林市年均氣溫逐年變化趨勢(shì)(a)及年代平均氣溫變化特征(b)Fig.1 Average annual temperature change trend year by year(a), and decadal average temperature variation characteristics(b) of Yulin City

圖2 榆林市1951—2012年春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均氣溫逐年變化特征Fig.2 The average temperature changes year by year in Yulin City from 1951 to 2012

圖3 基于距平累積的年均氣溫變化階段劃分Fig.3 Steps dividing of annual average temperature variations in the Yulin City based on accumulative curve of anomaly

總的來(lái)說(shuō)，榆林市平均氣溫經(jīng)歷了由冷變暖的演變過(guò)程，氣溫的變化趨勢(shì)具有明顯的階段性，冷暖交替變化出現(xiàn)。即1951—1989年屬于偏冷期；1989—1999年持續(xù)偏暖，特別是在1996—1999年年平均氣溫增加顯著；1999年以后年均氣溫又略有下降，但相比1951—1989年仍略有增加。榆林市氣溫變化三個(gè)階段信號(hào)與噪聲比S/N均>1.0，全部通過(guò)突變檢驗(yàn)(表3)。

表3 氣溫變化階段劃分突變檢驗(yàn)

2.2降水變化特征分析

2.2.1總體特征

根據(jù)表4，榆林市1951—2012年多年平均年降水量為409.8 mm，總體偏少。其中春、夏、秋、冬四季的多年平均降水量分別為65.1 mm、237.6 mm、97.7 mm、9.0 mm，降水主要集中在夏季，尤其是在1959年夏季，降水量達(dá)到了406.6 mm，其次是秋季和春季，冬季降水量極少，尤其是1967年冬季，僅降水0.3 mm。從各個(gè)月份來(lái)看，榆林市歷史極端最高降水出現(xiàn)在1959年8月，月降水量達(dá)到246.2 mm。

2.2.2降雨量歷史變化規(guī)律

根據(jù)圖4可以看出，1951—2012年，榆林市年際間降水量變化顯著，總體呈微弱減少趨勢(shì)，年降水量?jī)A向率為-8.4 mm/a，通過(guò)ɑ趨勢(shì)系數(shù)通過(guò)極顯著水平檢驗(yàn)。從各個(gè)年代來(lái)看，20世紀(jì)70—90年代，榆林市降水量出現(xiàn)較大的下降趨勢(shì)，尤其是80和90兩個(gè)年代，平均降水量均低于400 mm。各季節(jié)中，降水量降幅最大的是夏季，傾向率為-7.0 mm/a；其次是春季，傾向率為-2.4 mm/a；降幅最低的是冬季，傾向率僅為-0.1 mm/a(圖5)。

2.2.3降水變化階段性劃分

根據(jù)榆林市年降水量距平累積變化特征，可以劃分為1951—1970年、1971—1989年、1990—2012三個(gè)階段(圖6)。1951—1970年，年降水量呈明顯上升趨勢(shì)，傾向率為19.1 mm/a，距平累積基本上以正距平為主，此階段平均年降水量為450 mm，顯著增加主要發(fā)生在1957年以后；1971—1989年，年降水量呈緩慢下降趨勢(shì)，波動(dòng)幅度較小，此階段平均年降水量為398.5 mm；1990—2012年，榆林市年降水量出現(xiàn)較大幅度下滑，尤其表現(xiàn)在1991—2000年，此階段平均年降水量為385.0 mm。

表4 榆林市1951—2012年降水統(tǒng)計(jì)量

圖4 榆林市1951—2012年間年均降水量逐年變化趨勢(shì)(a)及年代平均降水量變化特征(b)Fig.4 Average annual precipitation change trend year by year(a), and decadal average rainfall variation characteristics of Yulin City from 1951 to 2012

圖5 榆林市1951—2012年春季a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)間降水量逐年變化特征Fig.5 Rainfall annual variation characteristics of Yulin city from 1951 to 2012

圖6 基于距平累積的年降水量變化階段劃分Fig.6 Steps dividing of annual precipitation variations in the Yulin City based on accumulative curve of anomaly

總的來(lái)說(shuō)，榆林市在1951—2012年年降水量呈現(xiàn)微弱的減少趨勢(shì)，但降水量逐年分配不均，波動(dòng)幅度較大。全市降水變化三個(gè)階段信號(hào)與噪聲比S/N均>1.0，全部通過(guò)突變檢驗(yàn)(表5)。

表5 降水變化階段劃分的突變檢驗(yàn)

3 討論與結(jié)論

榆林市過(guò)去60年的氣溫變化趨勢(shì)表明，全市氣候變暖趨勢(shì)明顯，年均氣溫增加傾向率為0.2 ℃/a，氣溫升高主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代以后；四季氣溫變化中，冬季升溫趨勢(shì)較為明顯，其次為春季和秋季，夏季升溫趨勢(shì)最為微弱；冬季和春季氣溫的升高是榆林市氣候變暖的主要貢獻(xiàn)因子。降水變化表明，全市降水在劇烈波動(dòng)變化中趨于減少，年降水量減少傾向率為-8.4 mm/a。四季降水變化中，夏季降水量減少趨勢(shì)最為明顯，其次為春季，冬季降水減少趨勢(shì)最為微弱，夏季降水減少是榆林市氣候變干旱的主要貢獻(xiàn)因子?？偟膩?lái)說(shuō)，榆林市在1951—2012年間經(jīng)歷了由冷濕氣候向暖干氣候的轉(zhuǎn)變，其中20世紀(jì)50和60年代為冷濕氣候期，70和80年代為轉(zhuǎn)型過(guò)渡期，1990年和2000年以后為暖干氣候期。

榆林市地處大陸內(nèi)部，屬暖溫帶和溫帶半干早大陸性季風(fēng)氣候。冬季為西伯利亞反氣旋控制，天氣睛燥，多北風(fēng)。春季天氣很不穩(wěn)定且有突變，空氣干燥，風(fēng)沙大，成為最干旱的季節(jié)。夏季為東南季風(fēng)最盛、空中水汽最多的季節(jié)，但降水量逐年變化大，且多暴雨。秋季地面逐漸冷卻，常有暖高壓脊駐留，天氣晴朗而且穩(wěn)定。本區(qū)氣候特點(diǎn)是冬寒夏涼，降水量少且分配不均，春季多風(fēng)沙，霜凍時(shí)間長(zhǎng)。氣溫升高對(duì)榆林市生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了較大的影響。直接影響為氣溫升高加劇了風(fēng)沙天氣和旱災(zāi)等氣象災(zāi)害的發(fā)生，間接性影響為對(duì)植被生長(zhǎng)條件的影響，延長(zhǎng)植物生長(zhǎng)周期，降低植被生產(chǎn)力。而降水減少，對(duì)于干旱半干旱地區(qū)來(lái)說(shuō)，影響無(wú)疑是較大的，容易引起干旱災(zāi)害的發(fā)生，農(nóng)作物產(chǎn)量降低，影響地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，進(jìn)一步增加榆林市生態(tài)系統(tǒng)脆弱性程度。

[1] 李克讓, 曹明奎, 於琍, 等. 中國(guó)自然生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化的脆弱性評(píng)估[J]. 地理研宄, 2005, 24(5): 653- 663.

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Characteristics of Climate Factor Change in Ecological Fragile Area of North China During1951-2012

LI Chun-yan1, DENG Wei1,2, QI Jing1,2, TANG Yan-qiu1, DING Jia-jia1, SUN Rong3, SONG Dan1

(1.Chongqing Academy of Environmental Science, Chongqing 400020, China; 2.State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 3.Institute of Chemical Industry, Huaqiao University, Xiamen 361021, China)

The temperature and precipitation changes in Yulin city from 1951 to 2012 are studied based on the meteorological data using trend and accumulated variance analysis. The results indicate that: (1) The change of temperature shows that the warming trend of Yulin city is obvious, the annual average temperature increase tendency rate is 0.20 ℃/a. (2) The change of precipitation display that the precipitation in the strong changes tend to be less, the annual precipitation reduce tendency rate is 8.4 mm/a. (3) Yulin city experienced the moist-cold climate transformed into the dry-warm during 1951-2012. (4) The rise of temperatures contributed to the sandstorm weather and drought in Yulin city, and the occurrence of meteorological disasters. With reduced precipitation, to further enhance the degree of ecosystem vulnerability of Yulin city.

ecological fragile area; Yulin City; trend analysis; accumulated variance analysis; climatic change

10.14068/j.ceia.2017.05.017

X21

： A

： 2095-6444(2017)05-0078-06

2017-06-28

國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2013ZX07104-004-05)；國(guó)家社科基金(16XJY017)

李春燕(1972—)，女，重慶人，主要從事環(huán)境規(guī)劃與政策研究，E-mail：309223899@qq.com

鄧偉(1983—)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)遙感研究，E-mail：20112001027@cqu.edu.cn