楊 倩，劉登峰，孟憲萌，黃 強(qiáng)，林 木

(1.西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074;3.中央財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)學(xué)院，北京 100081)

在全球氣溫不斷升高的背景下，氣候變化對(duì)中國(guó)水資源的時(shí)空分布產(chǎn)生了很大的影響，引起了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注[1-3]。降水和氣溫是主要的氣候因子，分析其時(shí)空變化具有重要意義。受全球變暖和人類活動(dòng)等多種因素的共同影響，導(dǎo)致很多地區(qū)降水呈減少趨勢(shì)，而氣溫卻呈升高趨勢(shì)，這種趨勢(shì)長(zhǎng)期下去，勢(shì)必會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生很大的破壞。欒金凱等[4]采用線性趨勢(shì)估計(jì)和滑動(dòng)平均法對(duì)山東省1961—2015年的降水量進(jìn)行了趨勢(shì)分析，表明山東省降水量呈減少趨勢(shì)。趙路偉等[5]對(duì)河南省1961—2014年的降水和氣溫進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)降水呈略微減少趨勢(shì)，減少速度為7.62 mm/10a，氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，上升速度為0.18℃/10a。王月紅[6]對(duì)陜西省1960—2013年的氣象資料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)年降水量以8.78 mm/10a的速度下降，氣溫以0.23 ℃/10a的速度上升。王心睿等[7]采用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法對(duì)陜北荒漠區(qū)榆林站1951—2013年的降水量進(jìn)行趨勢(shì)分析，發(fā)現(xiàn)降水量呈不顯著遞減趨勢(shì)。

山西省是中國(guó)重要的能源和化工基地，大氣污染防治形勢(shì)嚴(yán)峻，而氣象條件對(duì)于大氣污染防治具有重要影響。在山西省降水和氣溫變化的研究中，趙桂香等[8]采用滑動(dòng)平均法對(duì)山西省1957—2003年的降水和氣溫變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)降水總體呈減少趨勢(shì)，遞減率為17.3 mm/10a，氣溫呈增加趨勢(shì)，增長(zhǎng)率為0.15 ℃/10a；張國(guó)宏等[9]采用趨勢(shì)系數(shù)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和小波分析法對(duì)山西省1961—2005年的降水資料進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)年降水量呈顯著下降趨勢(shì)，具有明顯的周期振蕩，從1977年發(fā)生突變，由多雨時(shí)段轉(zhuǎn)為少雨時(shí)段；張麗花等[10]分析了山西省1961—2012年的氣溫變化，發(fā)現(xiàn)氣溫以0.33℃/10a的速率上升，極端最低氣溫的上升速率高于極端最高氣溫，極端最低氣溫在山西省氣溫上升中起主要作用。對(duì)比趙桂香等[8]及張麗花等[10]的研究成果，發(fā)現(xiàn)水文序列長(zhǎng)度增加了10 a，氣溫增加率卻從0.15 ℃/10a變?yōu)?.33 ℃/10a。水文資料序列的長(zhǎng)度會(huì)影響分析結(jié)果，需要采用盡量長(zhǎng)的序列進(jìn)行分析[11]。目前，有關(guān)2012年以后山西省氣象要素變化的研究很少，對(duì)每個(gè)氣象站點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)、突變分析的研究也很少，而近幾年的氣象條件對(duì)于整體規(guī)律的分析可能具有一定影響。

本文利用山西省18個(gè)氣象站近58 a來的年降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)，采用空間插值法、滑動(dòng)平均法、Kendall秩次檢驗(yàn)、有序聚類分析法、累積距平法、R/S分析法方法，對(duì)山西省的降水、極端最高(低)氣溫和平均氣溫的空間分布、趨勢(shì)變化、突變及持續(xù)性進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)

本文選用山西省18個(gè)氣象站1960—2017年的降水量、極端最高(低)氣溫、平均氣溫?cái)?shù)據(jù)均來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，其中長(zhǎng)治站缺測(cè)1960—1972年的氣象數(shù)據(jù)，采用相關(guān)分析法對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)，以保證數(shù)據(jù)的完整性。山西省DEM圖和氣象站點(diǎn)分布見圖1，地勢(shì)東北高西南低，氣象站點(diǎn)在研究區(qū)內(nèi)分布比較均勻。

2 研究方法

2.1 趨勢(shì)識(shí)別與檢驗(yàn)

本文先選用滑動(dòng)平均法對(duì)降水和氣溫序列進(jìn)行趨勢(shì)分析，再用Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量:

(1)

(2)

(3)

圖1 山西省DEM和氣象站點(diǎn)分布

2.2 突變成分識(shí)別

識(shí)別檢驗(yàn)突變點(diǎn)的方法眾多，如M-K值秩和檢驗(yàn)、游程檢驗(yàn)法、有序聚類分析法、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、累積距平法等，不同的分析方法可能會(huì)得出不一樣的結(jié)果，方法使用不當(dāng)，也有可能得出錯(cuò)誤的結(jié)論[12-14]。因此，在進(jìn)行突變分析時(shí)，可以選擇多種方法進(jìn)行比較分析[15]。本文選用有序聚類分析法和累積距平法對(duì)降水、極端最高(低)氣溫和平均氣溫進(jìn)行突變識(shí)別與檢驗(yàn)。累積距平法是計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的距平值，并繪制累積距平曲線，根據(jù)起伏情況可以大致判斷出突變點(diǎn)[16]。有序聚類分析法的實(shí)質(zhì)是通過尋求最優(yōu)分割點(diǎn)，以使同類之間離差平方和最小，而類與類之間離差平方和最大，從而來推斷水文序列最有可能的突變點(diǎn)[12,17]?？傠x差平方和為：

Sn(τ)=Vτ+Vn-τ

(4)

2.3 持續(xù)性分析

重標(biāo)極差分析法通過計(jì)算赫斯特指數(shù)H來表示水文序列的持續(xù)性，0

3 結(jié)果分析

3.1 降水和氣溫的空間分布

以18個(gè)國(guó)家基本氣象站的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用空間反距離權(quán)重插值法，對(duì)山西省58 a的年均降水量、極端最高氣溫、極端最低氣溫、年平均氣溫進(jìn)行空間插值，得到對(duì)應(yīng)的空間分布(圖2)。

從圖2a整體上可以看出，山西省東部地區(qū)年均降水量明顯大于西部地區(qū)，具有明顯的經(jīng)向性，五臺(tái)山站海拔高達(dá)2 208.3 m，具有獨(dú)特的地勢(shì)，是降水量最多的站點(diǎn)，年均降水量為750 mm，陽城站、長(zhǎng)治站的降水量次之，年均降水量分別為595、573 mm，位于山西省西北部的大同站、右玉站和河曲站降水量則相對(duì)很少，利用泰森多變形法求出山西省多年平均降水量為506 mm。從圖2b極端最高氣溫分布情況可以看出，分布在山西省西南部的運(yùn)城、侯馬、臨汾是極端最高氣溫最高的3個(gè)站，由于這些地區(qū)夏季受太平洋暖氣流控制，盛行東南季風(fēng)，多年平均極端最高氣溫均高達(dá)38.7 ℃，五臺(tái)山年均極端最高氣溫僅為20.2 ℃，山西省多年平均極端最高氣溫為34.8 ℃，極端最高氣溫整體上從西南向東北遞減。圖2c極端最低氣溫的空間分布情況與圖2b極端最高氣溫的分布情況大體一致，即極端最低氣溫從西南部向東北部遞減，具有明顯的緯向性，有隨緯度的增加而減少的趨勢(shì)，五臺(tái)山、五寨、右玉極端最低氣溫均小于-30℃，為冬季極端寒冷區(qū)，山西省的多年極端最低氣溫為-20.6 ℃。圖2d多年平均氣溫分布也是從西南向東北遞減，山西省的多年平均氣溫為9℃。

3.2 降水和氣溫變化趨勢(shì)分析

采用滑動(dòng)平均法和Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)法分析出來的山西省18個(gè)氣象站點(diǎn)的降水量和氣溫變化趨勢(shì)見圖3。大同、五寨、興縣、原平4個(gè)站的降水量呈增加趨勢(shì)，但趨勢(shì)都不顯著，其它站的降水量呈減少趨勢(shì)，僅有五臺(tái)山的降水量減少趨勢(shì)顯著。除了原平和長(zhǎng)治的極端最高氣溫呈減少趨勢(shì)外，其他站的最高氣溫呈增加趨勢(shì)，且五臺(tái)山、太原、隰縣3個(gè)站增加趨勢(shì)顯著。河曲、榆社、隰縣的極端最低氣溫呈減少趨勢(shì)，其他站的最低氣溫都呈增加趨勢(shì)，且河曲、榆社的最低氣溫呈顯著降低趨勢(shì)，五臺(tái)山、五寨、原平、離石、太原、臨汾、運(yùn)城、侯馬、陽城呈顯著上升趨勢(shì)。所有站點(diǎn)的年平均氣溫都呈增加趨勢(shì)，除了榆社、河曲增加趨勢(shì)不顯著外，其他站都顯著增加。

a)山西省多年平均降水量空間分布

c)山西省多年平均極端最低氣溫空間分布

b)山西省多年平均極端最高氣溫空間分布

d)山西省多年平均氣溫空間分布

圖2山西省多年平均降水和氣溫空間分布

a)山西省年降水量變化趨勢(shì)

c)山西省年極端最低氣溫變化趨勢(shì)

b)山西省年極端最高氣溫變化趨勢(shì)

d)山西省年平均氣溫變化趨勢(shì)

圖3山西省降水量和氣溫變化趨勢(shì)

1960—2017年山西省多年降水量介于310～760 mm之間，降水量呈下降趨勢(shì)，遞減率為9.6 mm/10a，下降趨勢(shì)不顯著。但其降水量遞減速率大于與之臨近的河南省[5](7.62 mm/10a)和陜西省[6](8.78 mm/10a)。1964年是58 a中降水量最多的一年，達(dá)760 mm，1997年是降水量歷年來最少的一年，僅為312 mm，極端最低氣溫介于-24℃～-15℃之間，多年平均極端最低氣溫為-20.6 ℃，最低極端氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，上升速率為0.5 ℃/10a。1998年是極端最低氣溫最低的年份，2007年是極端最低氣溫最高的年份。極端最高氣溫介于32℃～39 ℃之間，多年平均最高氣溫為34.8 ℃，最高氣溫也呈顯著上升趨勢(shì)，上升速率為0.243 ℃/10a，極端最高氣溫最高是2005年，最低是1964年。年均氣溫在7.2 ℃～10.5 ℃之間，也呈顯著上升趨勢(shì)，上升速率為0.34 ℃/10a，超過了中國(guó)平均溫升幅度(0.25 ℃/10a)，也明顯高于臨近的河南省[5](0.18 ℃/10a)和陜西省[6](0.23 ℃/10a)。平均氣溫最高和最低的一年分別是1999年和1984年。極端最低氣溫的上升速率明顯高于極端最高氣溫，說明山西省極端最低氣溫的上升在全省氣溫上升中起重要作用。

3.3 突變分析

采用累積距平法和有序聚類分析法對(duì)降水資料和氣溫資料進(jìn)行突變分析，綜合兩種方法，可知降水資料在1978年發(fā)生顯著性突變，最高氣溫在1996年發(fā)生突變，最低氣溫在1985年發(fā)生突變，平均氣溫在1996年發(fā)生突變。采用同樣方法對(duì)每個(gè)氣象站的降水和氣溫觀測(cè)資料進(jìn)行突變分析，結(jié)果見圖4。發(fā)現(xiàn)78%的降雨站點(diǎn)在20世紀(jì)60—80年代發(fā)生突變，僅有4個(gè)站在2000年以后發(fā)生突變。極端最高氣溫站點(diǎn)突變時(shí)間分布較有規(guī)律，晉西南部(三大盆地)、中西部、東北部地區(qū)站點(diǎn)在90年代發(fā)生突變，3個(gè)站點(diǎn)在2000年以后出現(xiàn)突變。各站點(diǎn)極端最低氣溫突變時(shí)間與極端最高氣溫突變時(shí)間完全不同，有7個(gè)站點(diǎn)在70年代發(fā)生突變，6個(gè)站點(diǎn)在2000年以后突變。80.33%左右的站點(diǎn)在20世紀(jì)90年代平均氣溫發(fā)生突變，多集中在1996年，這與山西省平均氣溫在1996年出現(xiàn)突變一致。

a)降水

c)極端最低氣溫

b)極端最高氣溫

d)平均氣溫

圖4山西省氣象要素突變分析

3.4 持續(xù)性分析

采用R/S分析法分別對(duì)山西省年降水量、年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、平均氣溫進(jìn)行持續(xù)性分析，赫斯特系數(shù)分別為0.314、0.247、0.346、0.475，均小于0.500，表明山西省未來年降水量可能會(huì)呈增加趨勢(shì)，年極端最高(低)氣溫和年平均氣溫可能會(huì)呈減小趨勢(shì)。

4 結(jié)論

本文對(duì)山西省1960—2017年平均降水量、極端最高氣溫、極端最低氣溫和平均氣溫進(jìn)行空間分析，并對(duì)每個(gè)氣象站的降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)分析、顯著性檢驗(yàn)及突變分析，最后對(duì)降水和氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)性分析，并得出如下結(jié)論。

a)山西省多年平均降水量空間分布為東部明顯大于西部，具有明顯的經(jīng)向性，五臺(tái)山站因其海拔優(yōu)勢(shì)，是降水量最豐富的站點(diǎn)；多年平均極端最高(低)氣溫和平均氣溫空間分布大體一致，具有明顯的緯向性，緯度越高氣溫越低。

b)近年來，山西省年平均降水量呈不顯著下降趨勢(shì)，在18個(gè)氣象站中僅有4個(gè)站的降水量呈不顯著上升趨勢(shì)，其余站的降水量都呈減少趨勢(shì)。年極端最高、低氣溫和年均氣溫都顯著上升趨勢(shì)，上升速率分別為0.243、0.500、0.340℃/10a。大部分站點(diǎn)的極端最高氣溫和極端最低氣溫呈增加趨勢(shì)，且有50%的站點(diǎn)極端最低氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，所有站點(diǎn)平均氣溫都呈上升趨勢(shì)。

c)降水量在1978年發(fā)生顯著性突變；極端最高氣溫和年平均氣溫在1996年發(fā)生突變；極端最低氣溫在1985年發(fā)生突變。不同氣象站的降水和氣溫突變時(shí)間有所不同。

d)山西省未來降水量可能出現(xiàn)上升趨勢(shì)，氣溫可能出現(xiàn)下降趨勢(shì)。