李香顏，張金平（新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng)453003）

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基于GIS的新鄉(xiāng)市春季氣候變化特征分析

李香顏，張金平
（新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng)453003）

摘要：基于新鄉(xiāng)市1971—2014年8個(gè)氣象站點(diǎn)3—5月逐日溫度、降水量和日照時(shí)數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用線性傾向估計(jì)法、累積距平法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法，結(jié)合GIS技術(shù)，探討和分析新鄉(xiāng)市春季氣候的變化趨勢(shì)和時(shí)空分布特征，以期為當(dāng)?shù)胤罏?zāi)減災(zāi)和氣候變化研究工作提供科學(xué)參考。結(jié)果表明：新鄉(xiāng)市春季氣溫呈上升趨勢(shì)，平均增幅為0.035℃/a，并且在1998年發(fā)生顯著增溫突變，北部地區(qū)增溫幅度高于南部地區(qū)；春季降水呈現(xiàn)微弱增多趨勢(shì)，平均增幅為0.220 mm/a，變化不明顯且年際間波動(dòng)性較大，降水增幅整體上呈“北多南少”趨勢(shì)；春季日照時(shí)數(shù)以平均1.216 h/a的速率呈減少趨勢(shì)，并且在1984年發(fā)生顯著遞減突變，北部地區(qū)日照時(shí)數(shù)的減幅明顯高于其他地區(qū)。全球變暖已造成本地區(qū)氣候變異性明顯增大。

關(guān)鍵詞：氣候變化；時(shí)空分布；特征分析；GIS

0　引言

20世紀(jì)以來，全球和中國(guó)氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化[1]，政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第四次評(píng)估報(bào)告指出，1906—2005年全球平均氣溫升高(0.74±0.18)℃[2]。氣候變化問題逐漸被列為全球十大環(huán)境問題之首，并且日益成為國(guó)際社會(huì)的熱門話題[3]。氣候作為人類賴以生存的自然環(huán)境的一個(gè)重要組成部分，其變化將會(huì)對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響[4]。氣候變化成為當(dāng)前人地關(guān)系研究中的重要前沿領(lǐng)域[5]，近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的探索和研究[6-9]。楊勇等[10]利用線性傾向估計(jì)法、滑動(dòng)平均法和M-K突變分析法，對(duì)忻州地區(qū)近50年的氣候變化特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析；祝小梅等[11]采用累積距平法和M-K突變檢驗(yàn)及周期分析等方法，對(duì)新疆伊犁地區(qū)暴雨日時(shí)空變化特征進(jìn)行了分析研究；張紅衛(wèi)等[12]利用地理信息系統(tǒng)GIS技術(shù)和數(shù)學(xué)方法，研究分析了河南省春季降水及日照時(shí)數(shù)的時(shí)空變化特征。由于氣候變化具有顯著的地域性和季節(jié)性，有漸變和突變等特點(diǎn)，因此開展小區(qū)域、小范圍、分季節(jié)的氣候變化研究更具針對(duì)性和現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前氣候變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)，而關(guān)于新鄉(xiāng)地區(qū)氣候變化的研究報(bào)道還比較有限，針對(duì)新鄉(xiāng)春季氣候變化趨勢(shì)的研究更是少見。因此，筆者選取新鄉(xiāng)全區(qū)近44年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，擬找出新鄉(xiāng)春季氣候變化的特點(diǎn)和規(guī)律，以期為當(dāng)?shù)乜茖W(xué)開展氣候變化應(yīng)對(duì)研究、部署決策防災(zāi)減災(zāi)工作等方面提供參考和依據(jù)。

1　資料與方法

1.1資料來源

研究數(shù)據(jù)來自新鄉(xiāng)市、輝縣、獲嘉、衛(wèi)輝、原陽(yáng)、封丘、延津、長(zhǎng)垣8個(gè)氣象觀測(cè)臺(tái)站1971—2014年的地面氣象觀測(cè)資料，主要涵蓋氣溫、降水和日照時(shí)數(shù)等要素?cái)?shù)據(jù)。使用的地理信息資料采用國(guó)家基礎(chǔ)地理信息中心提供的1:25萬新鄉(xiāng)地區(qū)基礎(chǔ)地理背景數(shù)據(jù)。

1.2研究方法

（1）采用線性傾向估計(jì)法[13]分析1971—2014年新鄉(xiāng)全區(qū)春季溫度、降水和日照時(shí)數(shù)的年際變化趨勢(shì)，通過趨勢(shì)擬合后的線性傾向系數(shù)，判定研究區(qū)內(nèi)各氣象要素的變化情況。

線性傾向系數(shù)由最小二乘法求得[14]，采用一次直線方程來描述溫度、降水和日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)。見公式(1)。

式中：t為時(shí)間（1971—2014年），Y(t)為氣象要素，a1為趨勢(shì)變化率。a1為正值時(shí)，表明該氣象要素變化為上升趨勢(shì)，a1為負(fù)值時(shí)，表明該氣象要素變化呈下降趨勢(shì)。

（2）利用Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法[15]和累積距平法[16]進(jìn)行各氣象要素的突變分析和檢驗(yàn)。Mann-Kendall法是突變分析中常用的檢測(cè)方法，為驗(yàn)證各突變點(diǎn)的真?zhèn)?，可繪制各氣象要素的累積距平曲線，通過曲線的形狀和走勢(shì)對(duì)檢測(cè)到的突變點(diǎn)作進(jìn)一步驗(yàn)證[17-18]。

（3）通過GIS技術(shù)（地理信息系統(tǒng)）制圖，實(shí)現(xiàn)研究區(qū)內(nèi)春季各氣候要素變化特征的時(shí)空分布表達(dá)。

2　結(jié)果與分析

2.1春季氣溫

2.1.1春季氣溫變化特征統(tǒng)計(jì)新鄉(xiāng)市8個(gè)氣象站點(diǎn)1971—2014年3—5月平均氣溫的基礎(chǔ)上，通過線性趨勢(shì)擬合后，得到各縣市春季氣溫的變化特征（見表1），利用GIS技術(shù)，通過Kriging空間插值法，得到春季氣溫變化趨勢(shì)的時(shí)空分布表達(dá)（見圖1）。

圖1　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季氣溫變化趨勢(shì)時(shí)空分布圖

由表1可以看出，新鄉(xiāng)地區(qū)春季氣溫變化在全區(qū)范圍內(nèi)呈明顯上升趨勢(shì)，平均增幅為0.035℃/a，北部輝縣地區(qū)春季增溫趨勢(shì)最顯著，變化趨勢(shì)為0.064℃/a；南部原陽(yáng)地區(qū)增溫趨勢(shì)相對(duì)微弱，變化趨勢(shì)為0.012℃/a。由圖1可知，春季氣溫升高幅度市區(qū)明顯高于大部分縣（市）區(qū)，這可能與市區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口密度增大以及汽車擁有量的逐漸增多有關(guān)；新鄉(xiāng)北部山區(qū)春季氣溫變幅高于南部平原地區(qū)，全球變暖已造成該地區(qū)春季氣溫地域變異性明顯增大。

表1　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季溫度變化趨勢(shì)　℃/a

2.1.2春季氣溫突變分析氣候突變是指氣候從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍式的轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)。Mann-kendall法是一種常用的數(shù)據(jù)突變檢測(cè)方法，它不需要樣本遵從一定的分布，也不受少量異常值的干擾，并且可以明確突變開始的時(shí)間和突變區(qū)域。在臨界值內(nèi)，UF和UB曲線的交點(diǎn)即為突變點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間即為突變開始的年份，若突變點(diǎn)后UF曲線超出了α=0.05或者α=0.01的臨界值，則認(rèn)為該氣象要素突變特征顯著，超出區(qū)域即為突變具體發(fā)生區(qū)域。若2條曲線出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)，則可通過累計(jì)距平法綜合判斷氣象要素各個(gè)突變點(diǎn)的真?zhèn)巍?/p>

按照上述方法，通過對(duì)新鄉(xiāng)市春季氣溫計(jì)算，得到圖2。由UF曲線可知，春季氣溫自20世紀(jì)90年代初開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且在2004年左右上升趨勢(shì)超過了α=0.05的臨界線(μ0.05=±1.96)，呈顯著上升趨勢(shì)。自2007年開始UF超過了α=0.01的臨界值(μ0.01=±2.56)，呈極顯著上升趨勢(shì)。根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置，確定春季氣溫上升是一種突變現(xiàn)象，具體突變發(fā)生時(shí)間為1998年。

圖2　新鄉(xiāng)市春季氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量

2.2春季降水

2.2.1春季降水變化特征統(tǒng)計(jì)新鄉(xiāng)市各站點(diǎn)3—5月降水量的基礎(chǔ)上，通過一元線性回歸方法進(jìn)行降水趨勢(shì)擬合，結(jié)果如表2所示。通過ArcGIS技術(shù)制圖，得到新鄉(xiāng)全區(qū)春季降水變化趨勢(shì)的時(shí)空分布特征（見圖3）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：春季降水變化在新鄉(xiāng)全區(qū)范圍內(nèi)呈不明顯增加趨勢(shì)，平均增幅為0.220 mm/a；新鄉(xiāng)東部長(zhǎng)垣縣增幅最大，變化趨勢(shì)為0.544 mm/a；其次為北部輝縣地區(qū)，降水增幅為0.441 mm/a；南部地區(qū)原陽(yáng)縣春季降水增幅最小，變化趨勢(shì)為0.017 mm/a。氣候變化造成該地的春季降水呈現(xiàn)明顯的“北多南少”態(tài)勢(shì)。

2.2.2春季降水突變分析通過Mann-Kendall法和累積距平法對(duì)春季降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析，結(jié)果如圖4所示。

表2　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季降水變化趨勢(shì)mm/a

圖3　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季降水變化趨勢(shì)時(shí)空分布圖

圖4　新鄉(xiāng)市春季降水Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量

由圖4可知，UF與UB在1972年和1976年出現(xiàn)了2個(gè)交點(diǎn)，說明春季降水在此可能出現(xiàn)突變。通過繪制春季降水累積距平曲線（見圖5）進(jìn)行突變點(diǎn)真?zhèn)悟?yàn)證后發(fā)現(xiàn)，降水量在1972年和1976年均未出現(xiàn)相對(duì)低值和高值，說明春季降水未發(fā)生突變現(xiàn)象。由UF曲線走勢(shì)可以看出，春季降水在1982—1994年間呈增多趨勢(shì)，此期降水充沛。在2009—2014年呈直線下降趨勢(shì)，處于少雨期，近年來溫度的持續(xù)升高和降水的持續(xù)偏少導(dǎo)致本地區(qū)春旱現(xiàn)象發(fā)生頻繁，對(duì)春作物尤其是冬小麥生長(zhǎng)造成一定不利影響。

圖5　新鄉(xiāng)市春季降水累積距平

2.3春季日照時(shí)數(shù)

2.3.1春季日照時(shí)數(shù)變化特征日照是一種重要的氣候因子，也是可供人類開發(fā)利用的一種重要的可再生資源，更是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育不可缺少的氣候條件，因而探討日照時(shí)數(shù)的變化具有重要意義[19-20]。統(tǒng)計(jì)新鄉(xiāng)全區(qū)各站點(diǎn)3—5月日照時(shí)數(shù)的基礎(chǔ)上，通過一元線性回歸分析法對(duì)春季日照時(shí)數(shù)變化進(jìn)行趨勢(shì)擬合（見表3）。通過GIS技術(shù)，利用Kriging空間插值法計(jì)算后，得出新鄉(xiāng)地區(qū)春季日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)的時(shí)空分布特征（見圖6）。結(jié)果顯示：日照時(shí)數(shù)變化在全區(qū)范圍內(nèi)以平均1.216 h/a的速率呈減少趨勢(shì)；北部地區(qū)輝縣減幅最大為2.359 h/a，其次是東北部衛(wèi)輝地區(qū)，中東部延津地區(qū)減幅最小，變化趨勢(shì)為0.174 h/a；北部山區(qū)春季日照時(shí)數(shù)的減少幅度明顯高于中部地區(qū)。

表3　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季日照變化趨勢(shì)　h/a

圖6　新鄉(xiāng)市1971—2014年春季日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)時(shí)空分布圖

2.3.2春季日照時(shí)數(shù)突變分析通過Mann-Kendall法對(duì)新鄉(xiāng)全區(qū)春季日照時(shí)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖7所示。從UF曲線可知，春季日照時(shí)數(shù)在1973年和1984年左右出現(xiàn)了交點(diǎn)，日照時(shí)數(shù)在此年份可能發(fā)生了突變。

圖7　新鄉(xiāng)市春季日照時(shí)數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量

經(jīng)過繪制累積距平曲線（見圖8）發(fā)現(xiàn)，日照時(shí)數(shù)僅在1984年出現(xiàn)了相對(duì)高值，由于此交點(diǎn)出現(xiàn)在臨界值(±1.96)內(nèi)，且交點(diǎn)之后UF曲線超過了α=0.05的臨界值(μ0.05=±1.96)，因此可判定春季日照時(shí)數(shù)在1984年發(fā)生了顯著的遞減突變。

3　結(jié)論與討論

（1）隨著全球變暖，新鄉(xiāng)地區(qū)春季氣候已經(jīng)發(fā)生了明顯變化。春季氣溫在全區(qū)范圍內(nèi)呈上升趨勢(shì)，并且在1998年發(fā)生顯著增溫突變，全區(qū)平均增幅為0.035℃/a，增溫幅度呈“北高南低”態(tài)勢(shì)；春季降水呈現(xiàn)微弱增多趨勢(shì)，平均增幅為0.220 mm/a，變化不明顯且年際間波動(dòng)性較大，降水增幅整體上呈“北多南少”趨勢(shì)；春季日照時(shí)數(shù)以平均1.216 h/a的速率在全區(qū)呈減少趨勢(shì)，并且在1984年發(fā)生顯著遞減突變，北部輝縣地區(qū)日照時(shí)數(shù)減幅最大。

圖8　新鄉(xiāng)市春季日照時(shí)數(shù)累積距平

（2）春季日照時(shí)數(shù)在全區(qū)的顯著減少趨勢(shì)可能與本地區(qū)霧霾天氣的不斷增多有一定關(guān)系。北部山區(qū)輝縣、衛(wèi)輝地區(qū)的日照時(shí)數(shù)遞減趨勢(shì)明顯高于其他地區(qū)，這可能與北部山區(qū)較多以及降水的增多趨勢(shì)有一定關(guān)系。

（3）研究區(qū)春季氣候已發(fā)生顯著變化，但針對(duì)氣候變化應(yīng)對(duì)措施的研究還比較有限，氣候變化對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及作物產(chǎn)量的影響和評(píng)估還需進(jìn)行深入分析和探討，這是當(dāng)前亟待研究和解決的焦點(diǎn)問題。

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Climatic Change Characteristics in Xinxiang in Spring Based on GIS

Li Xiangyan,Zhang Jinping
(Xinxiang Meteorological Bureau,Xinxiang 453003,Henan,China)

Abstract:Based on the data of daily temperature,precipitation and sunshine hours from March to May of 8 meteorological stations in Xinxiang from 1971 to 2014,the authors used linear tendency estimate method, accumulative anomaly method and Mann-Kendall method with GIS technology,discussed and analyzed the climate change trend and spatial-temporal distribution features in spring in Xinxiang,in order to provide reference for disaster prevention and mitigation.The results showed that the spring temperature in Xinxiang had an increasing trend with an average growth rate as 0.035℃/a,and a significant mutation of temperature increase happened in 1998,the warming rate of the north was higher than that of the south.The spring precipitation presented a weak increasing trend with an average increase rate as 0.220 mm/a,and the change was not obvious and the interannual volatility was relatively large.The increase trend of precipitation was more in the north than that in the south overall.The sunshine hours in spring had a decreasing tendency with an average rate of 1.216 h/a,and a significant decline mutation happened in 1984,the sunshine hours reduction in the north was obviously higher than that in other regions.The global warming had caused obviously regional climate variability in Xinxiang.

Key words:Climate Change;Spatial-temporal Distribution;Characteristics Analysis;GIS

收稿日期：2015-11-10，修回日期：2016-01-11。

作者簡(jiǎn)介：第一李香顏，女，1981年出生，河南南陽(yáng)人，工程師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)氣象研究。

通信地址：453003河南省新鄉(xiāng)市紅旗區(qū)平原路牌坊街1號(hào)，Tel：0373-5808895，Email：594813343@qq.com。

基金項(xiàng)目：新鄉(xiāng)市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(14SF01)。

中圖分類號(hào)：P467

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A論文編號(hào)：cjas15110008