河南省主要流域氣象要素變化特征分析

李榮 栗士棋 程芳芳 王國慶

摘 要：在全球變暖背景下，對近40多a來河南省及其主要流域降水量和氣溫的時空變化及突變特性進(jìn)行了分析研究?；?79個氣象站1973—2016年逐日降水量數(shù)據(jù)和1972—2018年日平均氣溫資料，采用M-K秩相關(guān)檢驗(yàn)等方法，分析研究了河南省四大流域降水量和氣溫時空變化特征。結(jié)果表明：空間分布上，河南省氣溫自西向東呈降低—升高態(tài)勢，河南省降水量自西向東呈增加—減少—增加態(tài)勢;全省氣溫顯著升高，海河區(qū)、黃河區(qū)、長江區(qū)、淮河區(qū)氣溫分別呈現(xiàn)三階段、兩階段、三階段、三階段變化;全省年降水量呈不顯著上升趨勢，除淮河區(qū)外，海河區(qū)、黃河區(qū)、長江區(qū)年降水量下降，降水量大小年交替出現(xiàn)，降水量總體呈階段性變化;全省氣溫于2000年發(fā)生突變，北部流域突變幅度大于南部流域;河南省年降水量于2008年發(fā)生突變，北部流域突變時間較南部流域早。

關(guān)鍵詞：氣溫;降水;主要流域;空間分布;河南省

中圖分類號：TV125;S161.2+2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.015

引用格式：李榮，栗士棋，程芳芳，等.河南省主要流域氣象要素變化特征分析[J].人民黃河，2021，43（12）：74-79.

Abstract： Under the background of global warming， the temporal and spatial changes and abrupt changes of rainfall and air temperature in Henan Province and its main watersheds in the past 40 years were studied. Based on the daily precipitation data from 1973-2016 and the daily mean temperature data from 1972-2018 at 179 meteorological stations in Henan Province， the spatial and temporal variations of precipitation and temperature in four basins of Henan Province in recent 40 years were analyzed by using Mann-Kendall rank correlation test， cumulative anomaly method and inverse distance weighted spatial interpolation method. The results show that the spatial distribution of temperature in Henan Province in recent 40 years shows an increase-decrease trend from west to east. In recent 40 years， precipitation in Henan Province shows a trend of decreasing and increasing from west to east. The temperature is increased significantly in the whole province. The temperature in the regions of Haihe River， Yellow River， Yangtze River and Huaihe River shows the changes of three stages， two stages， three stages and three stages respectively. Except Huaihe River region， the annual precipitation in Haihe River region， Yellow River region and Yangtze River region is decreased. The annual precipitation alternates between wet and dry years and the overall precipitation shows a phased change. The abrupt change of temperature in the whole province occurs in 2000 and the abrupt change in the northern basin is greater than that in the southern basin. The abrupt change of annual precipitation in Henan Province occurs in 2008 and the abrupt change time in the northern basin is earlier.

Key words： temperature; precipitation; major watershed; spatial distribution; Henan Province

政府間氣候變化專業(yè)委員會（IPCC）第五次報告指出[1]，近130 a全球平均氣溫升高0.85 ℃，1971—2010年氣溫升高速率達(dá)到0.09～0.13 ℃/10 a，同時預(yù)測未來全球變暖仍將持續(xù)。在全球變暖背景下，水文循環(huán)及其通量發(fā)生改變[2]，氣象要素時間序列變化特征及其對水資源的影響成為研究熱點(diǎn)，引起國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注[3-6]。氣候變化正在多層次、多尺度、多方位地影響著人類的生產(chǎn)與生活環(huán)境。因此，開展區(qū)域氣候變化下氣象要素變化規(guī)律研究，有助于探明區(qū)域未來氣候變化趨勢，為科學(xué)應(yīng)對氣候變化、支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展提供借鑒。

目前，關(guān)于區(qū)域氣象要素演變規(guī)律研究的成果有很多，孫桂凱等[7]對廣西壯族自治區(qū)年降水量及不同歷時降水的發(fā)生率變化趨勢和空間分布進(jìn)行研究認(rèn)為，短時降水發(fā)生率下降，長時降水發(fā)生率上升;葉金印等[8]對1961—2010年淮河流域氣象要素進(jìn)行時空分析認(rèn)為，流域平均氣溫有升高趨勢、氣壓有降低趨勢、流域相對濕度西部增大東部減小、流域南部降水量較多;羅萬琦等[9]對西北地區(qū)氣象因子時空變化規(guī)律的研究表明，風(fēng)速、輻射、相對濕度呈下降趨勢，降水、氣溫呈上升趨勢，各氣象因子分布存在空間差異;閆軍輝等[10]對1951—2015年河南省氣溫進(jìn)行研究表明，河南省氣溫呈顯著上升趨勢，氣溫存在2.3 a和3.8 a的周期變化，氣溫于1994年發(fā)生突變。

河南省地跨我國長江、淮河、黃河和海河四大水系，對近40多a來河南省主要流域氣溫、降水等氣象因子的變化趨勢及空間分布特征進(jìn)行研究，以期為河南省科學(xué)應(yīng)對全球變暖、全省水資源開發(fā)利用以及流域生態(tài)保護(hù)與高質(zhì)量發(fā)展提供借鑒。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)資料

河南省地處華北平原南部與黃河中下游地區(qū)，與魯、皖、陜、晉、冀、鄂6省接壤，河南省西部、北部多為山地，中東部為黃淮海沖積平原，西南部為南陽盆地，全省面積16.7萬km2，人口10 722萬人，是我國農(nóng)業(yè)大省，糧食、芝麻產(chǎn)量居全國首位。全省多年平均水資源量403.53億m3，人均水資源量僅376 m3，遠(yuǎn)低于全國平均水平。河南省大部分處于暖溫帶，豫南地區(qū)處于亞熱帶，屬大陸性季風(fēng)氣候區(qū)。全省年平均氣溫為10.5～16.7 ℃（自北向南），年平均降水量407.7～1 295.8 mm（自北向南），6—8月降水量較大（降水形成的徑流量可達(dá)全年的70%）。黃河干流（711 km）與淮河干流（360 km）流經(jīng)省內(nèi)，流域面積大于100 km2的河流約有560條，水系眾多、河網(wǎng)發(fā)達(dá)。

選取179個氣象站的資料（包括河南省附近氣象站），依據(jù)主要流域?qū)⒑幽鲜澐譃楹：訁^(qū)（面積占比9.3%）、黃河區(qū)（面積占比21.8%）、長江區(qū)（面積占比16.8%）、淮河區(qū)（面積占比52.1%），見圖1。各氣象站資料序列不盡相同，考慮各站序列的一致性，選取1973—2016年逐日降水和1972—2018年日平均氣溫資料進(jìn)行時空變化及突變特性研究。

1.2 研究方法

采用線性回歸法與M-K非參數(shù)趨勢檢驗(yàn)法對河南省氣象要素變化趨勢進(jìn)行分析并檢驗(yàn)其顯著性。線性回歸法可以直觀看出降水、氣溫序列是否具有遞增或遞減趨勢，其方程斜率可以表征降水、氣溫序列的平均變化率[11]。M-K方法中變量可以不遵從正態(tài)分布，對于某一要素序列，能夠區(qū)分其是否存在確定變化趨勢。針對數(shù)據(jù)序列及其次序構(gòu)造統(tǒng)計量M-K秩次相關(guān)系數(shù)，首先假定序列無趨勢，當(dāng)統(tǒng)計量M-K值介于給定顯著水平α（一般取0.05）的臨界值±1.96之間時，接受原假設(shè)，表明趨勢不顯著;當(dāng)統(tǒng)計量M-K值超出給定顯著水平α（一般取0.05）的臨界值±1.96之間時，拒絕原假設(shè)，則趨勢顯著。目前，該方法廣泛應(yīng)用于水文、氣象序列的變化趨勢檢驗(yàn)[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省氣溫和降水的空間分布特征

1972—2018年河南省氣溫M-K檢驗(yàn)值空間分布見圖2。由圖2可知：河南省氣溫由西向東呈先降低后升高趨勢，豫北地區(qū)升溫幅度最大，豫西大部分區(qū)域氣溫呈下降趨勢;海河區(qū)氣溫總體呈升高趨勢，整個區(qū)域出現(xiàn)了3個較為明顯的較小值中心，分別位于內(nèi)黃、修武和湯陰;黃河區(qū)自西向東氣溫由降低變?yōu)樯?，東部地區(qū)氣溫升高中心位于長垣和封丘，下游氣溫高于上游;長江區(qū)大部分區(qū)域氣溫呈升高態(tài)勢，東北部氣溫略有下降，研究區(qū)氣溫以新野、唐河為中心向外逐漸升高;淮河區(qū)北部氣溫升高幅度最大，升溫中心位于新密，南部地區(qū)氣溫以下降趨勢為主，魯山、葉縣下降最為明顯。

1973—2016年河南省降水M-K檢驗(yàn)值空間分布見圖3。由圖3可知：河南省年降水量自西向東呈現(xiàn)增加—減少—增加態(tài)勢，全省大部分地區(qū)年降水量增加，豫東地區(qū)增加幅度最大;海河區(qū)，西北部降水量減少，東南部降水量增多，年降水量由西北向東南表現(xiàn)出先減少后增加的趨勢;黃河區(qū)降水量呈現(xiàn)從中部向兩翼遞增的趨勢，中部地區(qū)降水量減少，東部降水量增加，最大值位于原陽站;長江區(qū)西部降水量較多，東部降水量減少，降水量減少的地區(qū)集中在流域東南部;淮河區(qū)大部分地區(qū)降水量呈現(xiàn)增加趨勢，降水量減少地區(qū)集中在流域西北部和西南部分地區(qū)。

2.2 氣溫演變趨勢

采用179個氣象站1972—2018年實(shí)測氣溫數(shù)據(jù)，對河南省及其主要流域氣溫序列進(jìn)行M-K趨勢分析，結(jié)果見表1（顯著性水平為0.05），河南省、黃河區(qū)、淮河區(qū)年均氣溫變化過程見圖4。河南省年均氣溫呈上升趨勢，上升速率為0.031 0 ℃/a，年均氣溫最高值15.35 ℃出現(xiàn)在2017年，最低值13.10 ℃出現(xiàn)在1984年，多年均值為14.30 ℃;海河區(qū)年均氣溫呈上升趨勢，上升速率為0.033 8 ℃/a，最高值14.65 ℃出現(xiàn)在2018年，最低值12.01 ℃出現(xiàn)在1984年，多年均值為13.40 ℃;黃河區(qū)年均氣溫呈上升趨勢，上升速率為0.030 9 ℃/a，最高值14.70 ℃出現(xiàn)在2013年，最低值12.33 ℃出現(xiàn)在1984年，多年均值為13.65 ℃;長江區(qū)年均氣溫呈上升趨勢，上升速率為0.026 1 ℃/a，最高值16.30 ℃出現(xiàn)在2016年，最低值14.25 ℃出現(xiàn)在1984年，多年均值為15.28 ℃;淮河區(qū)年均氣溫呈上升趨勢，上升速率為0.031 7 ℃/a，最高值15.61 ℃出現(xiàn)在2017年，最低值13.39 ℃出現(xiàn)在1984年，多年均值為14.53 ℃。

2.3 降水量演變趨勢

采用179個氣象站1973—2016年實(shí)測降水量數(shù)據(jù)對河南省及其主要流域年平均降水量序列進(jìn)行M-K趨勢分析，結(jié)果見表2（顯著性水平為0.05），河南省、黃河區(qū)、淮河區(qū)年降水量變化過程見圖5。河南省年降水量呈上升趨勢，但上升趨勢不顯著，上升速率為0.345 5 mm/a，且年代際變化較大，最大年降水量（1 064.90 mm，2003年）約為最小年降水量（517.31 mm，1997年）的2.06倍。河南省年降水量呈自然波動—增加—減少態(tài)勢，20世紀(jì)末21世紀(jì)初降水量較大，之后降水量減少，2012—2016年降水量略有回升。海河區(qū)年降水量呈下降趨勢，但下降趨勢不顯著，下降速率為0.104 7 mm/a;最大降水量815.20 mm出現(xiàn)在2003年，最小降水量328.40 mm 出現(xiàn)在1997年，最小降水量僅為最大降水量的約40%。海河區(qū)降水量呈自然波動—增加—減少態(tài)勢，20世紀(jì)80年代中期到21世紀(jì)初降水量偏多偏少年交替出現(xiàn)。黃河區(qū)年降水量呈下降趨勢，但下降趨勢不顯著，下降速率為0.196 4 mm/a，降水量年代際變化較大，最大年降水量915.57 mm出現(xiàn)在2003年，最小年降水量351.3 mm出現(xiàn)在1997年，最大年降水量是最小年降水量的2.6倍。黃河區(qū)降水量以自然波動為主，20世紀(jì)80年代后降水量呈緩慢減少態(tài)勢，在1995—2000年降水量豐枯年交替出現(xiàn)。長江區(qū)年降水量呈下降趨勢，但下降趨勢不顯著，下降速率為0.605 0 mm/a，最大年降水量（1 098.8 mm，1996年）約為最小年降水量（570.6 mm，1978年）的1.93倍，年際變化較大。長江區(qū)總體表現(xiàn)為降水量偏多偏少年交替出現(xiàn)?；春訁^(qū)年降水量有上升趨勢，但上升趨勢不顯著，上升速率為0.861 6 mm/a，年代際波動較大，最大降水量為1 208.3 mm，最小降水量為554.9 mm，分別出現(xiàn)在2003年、1978年?；春訁^(qū)降水量呈較為明顯的5階段波動，即降水量呈減少—增加—減少—增加—減少趨勢，兩次增加分別發(fā)生在20世紀(jì)80年代中期和21世紀(jì)初，2012—2016年降水量略有回升。

2.4 河南省氣象要素突變特征

（1）氣溫。采用M-K突變分析法對河南省及其主要流域1972—2018年平均氣溫進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)，對突變前后各研究區(qū)氣溫進(jìn)行分析，河南省、黃河區(qū)、淮河區(qū)突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果見圖6（其中：data1為零刻度線，data2、data3為正負(fù)1.96刻度線，0.05顯著水平線與data1和data2重合），突變前后氣溫見表3。河南省平均氣溫于2000年發(fā)生突變，突變后氣溫較突變前上升了5.3%;海河區(qū)平均氣溫于2003年發(fā)生突變，突變后氣溫較突變前上升了5.9%;黃河區(qū)平均氣溫于1999年發(fā)生突變，突變后氣溫較突變前上升了6.1%;長江區(qū)平均氣溫于1997年發(fā)生突變，突變后氣溫較突變前上升了5.2%;淮河區(qū)平均氣溫于1998年發(fā)生突變，突變后氣溫較突變前上升了5.9%。綜上所述，河南省及其主要流域氣溫突變后氣溫升高，其中河南省北部突變后氣溫升高幅度較大，南部地區(qū)平均氣溫高于北部。

（2）降水。采用M-K突變分析法對河南省及其主要流域1973—2016年降水序列進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)，并根據(jù)突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果，分析突變前后年降水量序列，河南省、黃河區(qū)、淮河區(qū)突變點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果見圖7，突變前后降水量見表3。河南省年平均降水量于2008年發(fā)生突變，突變后降水量較突變前減少3.4%;海河區(qū)年平均降水量于2003年發(fā)生突變，突變后降水量較突變前增加5.7%;黃河區(qū)年平均降水量于1999年發(fā)生突變，突變后降水量較突變前減少5.2%;長江區(qū)年平均降水量于2008年發(fā)生突變，突變后降水量較突變前減少3.7%;淮河區(qū)年平均降水量于2010年發(fā)生突變，突變后降水量較突變前減少6.8%?？偟膩砜矗幽鲜≈饕饔蛲蛔兒蠼邓孔员毕蚰嫌稍黾幼?yōu)闇p少，突變時間上，北部流域（海河、黃河）突變早于南部流域（長江、淮河）。

2.5 討 論

河南省近40多a平均氣溫為14.30 ℃，呈顯著上升趨勢（傾向率為0.031 0 ℃/a），這與全球變暖的趨勢一致[1]。全球變暖成因較為復(fù)雜，目前認(rèn)為太陽能在大氣圈層的不同分配是導(dǎo)致氣溫升高的主要原因之一[13]，人類活動產(chǎn)生的溫室氣體、樹木的過量砍伐等也對能量分配產(chǎn)生影響，進(jìn)而導(dǎo)致全球升溫。河南省北部地區(qū)海河流域升溫幅度較大，傾向率達(dá)到0.033 8 ℃/a，這與王永財?shù)萚14]的研究結(jié)論相符。豫北地區(qū)海河流域地處華北平原，工業(yè)、農(nóng)業(yè)較為密集，較強(qiáng)的人類活動產(chǎn)生大量溫室氣體，對于區(qū)域升溫產(chǎn)生一定影響[11]。黃河流域河南段氣溫西部較低、東部較高，上游低、中下游高，這與潘攀等[15]的研究結(jié)論相符。河南省黃河區(qū)氣候變化除了受全球氣溫普遍升高影響外，20世紀(jì)80年代中期和90年代末東亞季風(fēng)的兩次年代際變率對黃河流域氣溫變化也有貢獻(xiàn)[16]。長江區(qū)氣溫主要呈現(xiàn)上升趨勢，但存在一定的空間差異，這與鐘晨晨等[17]的研究結(jié)論一致。影響長江區(qū)氣溫變化的因素較為復(fù)雜，一是長江流域作為我國經(jīng)濟(jì)的重要增長極，沿線城市發(fā)達(dá)、人口密度大，人類活動強(qiáng)度極大;二是三峽大壩等水利工程的興建影響流域內(nèi)土壤濕度及植被的蒸騰作用，進(jìn)而使氣溫發(fā)生變化[18];三是受全球普遍升溫影響[1]。淮河區(qū)氣溫呈顯著上升趨勢，這與葉金印等[8]的研究結(jié)果一致。在全球升溫大背景下，淮河流域農(nóng)業(yè)活動強(qiáng)度較大，樹木砍伐變?yōu)楦?，?dǎo)致流域氣溫升高[19]。

河南省近40多a降水量呈不顯著上升趨勢，上升速率為0.345 5 mm/a，這與史佳良等[20]的研究結(jié)果一致。對于海河區(qū)，年降水量呈下降趨勢，這與馬夢陽[21]的研究結(jié)果相符。海河流域降水受厄爾尼諾南方濤動（SOI）和太平洋年代波動（IPO）影響，SOI與海河流域降水量正相關(guān)，IPO與海河流域降水量負(fù)相關(guān)[22]。黃河區(qū)年降水量呈不顯著下降趨勢，與趙建華等[23]的研究結(jié)果一致。黃河流域降水量減少與東亞夏季風(fēng)減弱密切相關(guān)[24]。長江區(qū)年降水量呈減少趨勢，減少速率為0.605 0 mm/a，與陳婷等[25]的研究結(jié)果一致?；春訁^(qū)年降水量呈增加趨勢，這與趙丹等[26]的研究結(jié)果相符。

3 結(jié) 論

海河區(qū)北部升溫幅度大于南部，黃河區(qū)氣溫西低東高，長江區(qū)氣溫由西北向東南遞增，淮河區(qū)北部氣溫升高，南部氣溫降低，從全省來看，氣溫由東向西呈先降低后升高趨勢，西部降水量減少、東部降水量增加。

M-K檢驗(yàn)表明，近40多a河南省及其主要流域氣溫呈顯著上升趨勢，氣溫上升約為1 ℃，海河區(qū)、黃河區(qū)、長江區(qū)、淮河區(qū)氣溫分別呈三階段、兩階段、三階段、三階段變化。M-K檢驗(yàn)對降水量分析表明，降水量年際變化較大，全省年降水量呈不顯著上升趨勢?；春訁^(qū)年降水量增加，海河區(qū)、黃河區(qū)、長江區(qū)年降水量減少，變化趨勢均不顯著，全省降水量大小年交替出現(xiàn)，降水呈階段性變化。

全省氣溫突變發(fā)生在2000年，四大流域氣溫突變后升高，海河區(qū)、黃河區(qū)突變后氣溫升高幅度較大，長江區(qū)、淮河區(qū)平均氣溫較高。全省降水量突變發(fā)生在2008年，北部的海河、黃河流域突變時間早于南部的長江、淮河流域。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】