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內蒙古烏蘭浩特市氣溫降水變化特征分析以1986—2015年為例

2019-10-21 03:14吳亞平張惜偉
農業(yè)與技術 2019年20期
關鍵詞:相關性降水量氣溫

吳亞平 張惜偉

摘 要:利用烏蘭浩特氣象站(區(qū)站號50838)1986—2015年的日平均氣溫和降水量數據,對研究區(qū)氣溫和降水進行趨勢分析、相關性分析、降水距平百分率分析。結果表明,近30a來,研究區(qū)年平均氣溫、年平均最高溫、年平均最低溫均處于增溫的趨勢,變化傾向率分別為0.247℃/10a、0.143℃/10a、0.315℃/10a。季節(jié)方面來看,春、夏、秋3個季節(jié)有升溫的趨勢;其中夏季升溫幅度最大,變化傾向率為0.618℃/10a,而冬季則有降溫的趨勢,變化傾向率為-0.429℃/10a。年際降雨量有下降趨勢,變化傾向率為-31.114mm/10a;干旱年份逐漸增加,30a中有13a為干旱年。季節(jié)方面,春季和冬季的年平均降水量有上升趨勢,變化傾向率分別為11.238mm/10a和2.557mm/10a;而夏季和秋季年平均降水量則有下降的趨勢,變化傾向率分別為-42.057mm/10a和-2.852mm/10a。年平均氣溫和降水量之間沒有明顯的相關性。季節(jié)方面,夏季和冬季的平均氣溫與降水量在0.01水平上呈負相關關系;在13a干旱季節(jié)主要集中在秋季和夏季,其中秋季占31%,夏季占29%,春季和冬季分別占14%、26%。

關鍵詞:氣溫;降水量;相關性;烏蘭浩特

中圖分類號:S161文獻標識碼:A DOI:10.19754/j.nyyjs.20191030061

全球氣候變暖是一種和自然有關的現象,是由于溫室效應不斷積累,導致地氣系統(tǒng)吸收與發(fā)射的能量不平衡,能量不斷在地氣系統(tǒng)累積,從而導致溫度上升,造成全球氣候變暖。氣候變化是全球變化的重要組成部分,與人類的生存息息相關。人類只有詳細的了解氣候變化的歷史、幅度、機制,才能更好的預測將來的氣候變化趨勢以及其對人類社會的影響。在全球變暖的背景下,內蒙古地區(qū)近幾十年來氣溫增暖特征明顯,并且增暖速率明顯加快。馬柱國、錢維紅等人的研究表明[1-2]:我國增溫的總體趨勢是北方大南方小,這與全球增溫分布一致,其中東北西部及內蒙古的東部增溫幅度最大[3],增溫率達到0.5℃/10a;在降水量的變化趨勢上,全國總的趨勢是東部減少,西部增加[4]。

目前,有關烏蘭浩特氣候變化已有一些研究,如梁潔、范海嬌等人研究指出烏蘭浩特市近43a(1971—2014年)年均氣溫,四季溫度都呈上升趨勢,其中年均氣溫的增溫速率為0.43℃/10a;年降水量呈減少趨勢,春季和冬季降水量增加,夏季和秋季降水量減少。[5]

本文利用內蒙古烏蘭浩特氣象站1986—2015年的日平均氣溫和降水量數據,對烏蘭浩特氣溫和降水進行趨勢分析、相關性分析、降水距平百分率分析,發(fā)現烏蘭浩特氣溫降水變化規(guī)律,并結合前人研究成果,對未來的演變趨勢進行預測,對合理利用氣候資源改善當地生態(tài)環(huán)境,促進農牧業(yè)及旅游業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏蘭浩特市位于內蒙古東北部,地理座標為N45°22′~46°18′,E121°51′~122°20′之間(圖1)。處于大興安嶺與松遼平原接合處,屬低山丘陵地貌。東與扎賚特旗、吉林省鎮(zhèn)賚縣相鄰,南與吉林省白城市洮北區(qū)、洮南市接壤,西南與吉林省洮南市相連,西、北與科爾沁右翼前旗相鄰,屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候區(qū)。南部是以旱地為主的耕地和草地;中北部大多為水田和水澆地;城區(qū)為工業(yè)和商業(yè)集中區(qū)。四季分明,冬季漫長寒冷,春季干旱多風,夏季溫熱短促,降水集中,雨熱同季。無霜期較短,日照充足,積溫有效性高,降水量偏少,蒸發(fā)量大。年降水量分布沒有明顯的地域特征,年平均降水量為433.4mm,主要集中在6—8月,占年降水量的75%。主要氣象災害有干旱、冰雹、霜凍、大風、洪澇、沙塵暴、寒潮等,其中干旱是影響農牧業(yè)最主要的氣象災害。

1.2 數據來源

本文利用的氣象數據為烏蘭浩特市氣象站(區(qū)站號50838)2000—2015年的逐月降水和氣溫記錄。氣象數據來自中國氣象科學數據共享網(http://data.cma.cn/)。文中所指的平均最高溫、平均最低溫為逐月最高溫、最低溫進行求和,并進行平均的結果。按照北方地區(qū)氣候特征及氣象研究特點,四季的劃分:3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月—次年2月為冬季。

1.3 分析方法

1.3.1 線性傾向估計

利用樣本容量為n的某一氣候變量yi,用xi表示yi所對應的時間,建立yi與xi之間的一元線性回歸yi=axi+b(i=1,2…,n)。氣候的趨勢變化用一元線性回歸方程來表示,式中xi為年份,a為氣候傾向率,用于定量描述氣候變量隨時間的變化趨勢特征,式中回歸系數a和常數b可以用最小二乘法進行計算。其公式為:

a=n∑xiyi-∑xi∑yin∑xi2-∑xi2[JY](1)

b=y[TX-]-ax[TX-][JY](2)

其中y[TX-]=1n∑ni=1yi,x[TX-]=1n∑ni=1xi[JY](3)

回歸系數a表示氣候變量y的傾向趨勢,a的值為正數,說明隨時間x的增加,氣候變量呈上升趨勢;當a的數值為負值時,則說明隨著時間x的推移,氣候變量呈現下降的趨勢。同時a值的大小還說明了氣候變量y上升和下降的速度。

1.3.2 相關性分析

本文基于SPSS軟件,對變量之間進行相關性分析。相關系數r可說明x與y的相關程度。當相關系數r為正數時,表示x與y之間為正相關,正相關是表示2個要素間呈同方向變化的相關,也就是y值隨x的增加而變大或隨x的減少而變小;負數時,表示x與y之間為負相關,負相關是表示2個要素間呈反方向變化的相關,即y隨x的增大而變小或隨x的減小而變大。相關系數的絕對值|r|越大,表示2個x與y相關程度越密切。當r=1時,為完全正相關;當r=-1時,為完全負相關;r=0時,則完全無關,r值介于-1≤r≤1之間。其公式為:

r=∑xy-∑x∑yn ∑x2-∑x2n∑y2-∑y2n[JY](4)

1.3.3 降水量距平百分率(pa)

降水距平百分率反映的是,某時段內的降水量相較常年偏多或偏少的標準之一,即某時段內的降水同平均狀態(tài)的偏離程度[6]。它可以反映降水異常而引起的干旱?!稓庀蟾珊档燃墶穂7]中規(guī)定降水量距平百分率pa的計算公式為:

Pa(%)=p-p[TX-]p[TX-]×100%[JY](5)

p[TX-]=1n∑ii=1pi[JY](6)

式中,p-為某段時段內降水量,p[TX-]-為計算某時段同期氣候平均降水量,n-為研究的年數,i=1,2,3,…,n。

1.3.4 干旱等級標準

根據《氣象干旱等級》[7]其旱澇標準(表1):

2 結果分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 年際變化特征

烏蘭浩特近30a(1986—2015年)的平均氣溫、平均最高溫、平均最低溫趨勢圖(圖2),可以得出,從1986—2015年烏蘭浩特年平均氣溫呈逐漸升高的趨勢,并于2008年達到最高值7.1℃,比30a平均氣溫(5.749℃)高1.351℃。1988年達到年平均氣溫最低值4.225℃,比30a平均氣溫低1.524℃。最低溫與最高溫之間相差2.875℃。

1986—2015年中烏蘭浩特平均最高溫與最低溫呈現升高的趨勢,于2008年平均最高溫達到最高值13.47℃,1988年平均最低溫達到最小值-1.2℃。30a間平均最高溫的變化幅動較小,其一元線性回歸模型為y=0.0143x-16.752,溫度變化速率為0.143℃/10a,即說明從1986—2015年間增溫0.143℃/10a;而平均最低溫的變化幅動較大,其一元線性回歸模型為y=0.0315x-62.746,溫度變化速率為0.315℃/10a,說明從1986—2015年間增溫0.315℃/10a。

2.1.2 季節(jié)變化特征

通過對烏蘭浩特1986—2015年各季節(jié)平均溫度、平均最高溫、平均最低溫進行趨勢分析(圖3),結果表明,烏蘭浩特1986—2015年30a以來,春、夏、秋3個季節(jié)的平均溫度、平均最高溫、平均最低溫呈上升趨勢,而冬季則呈下降趨勢。烏蘭浩特30a的春季平均氣溫為7.2463℃,夏季為22.149℃,秋季為5.829℃,冬季為-12.219℃。變化趨勢方面(表3),春季的平均氣溫變化傾向率為0.313℃/10a,夏季的平均氣溫變化傾向率為0.618℃/10a,秋季的平均氣溫變化傾向率為0.435℃/10a,冬季的平均氣溫變化傾向率為-0.429℃/10a。由此可見,春季的上升幅度最小,夏季的上升幅度最大,冬季則呈下降趨勢。

2.2 降水量變化特征

2.2.1 年際變化特征

根據烏蘭浩特1986—2015年的降水資料進行趨勢分析,并計算出一元線性回歸模型(圖4),結果顯示,在降水量方面,烏蘭浩特1986—2015年30a年均降雨量為434.153mm,最大年降雨量為1998年的822.4mm,最小年降雨量為2004年的157mm,最大降雨量與最小降雨量相差5倍多。30a間年均降水量有減少的趨勢,趨勢系數為-31.114mm/10a。烏蘭浩特屬中溫帶半干旱季風氣候,30a間超過400mm的年份有16a。

2.2.2 季節(jié)變化特征

通過對烏蘭浩特四季降水量進行線性擬合(圖5),發(fā)現春季和冬季變化有上升的趨勢,春季的上升傾向率為11.238mm/10a,冬季的上升傾向率為2.557mm/10a。夏季和秋季均呈下降趨勢,夏季下降傾向率為-42.057mm/10a,秋季下降傾向率為-2.852mm/10a,其中夏季降水量下降趨勢最顯著。

1986—2015年的30a間,春季平均降水量為 57.353mm,夏季平均降水量為318.366mm,秋季平均降水量為50.9966mm,冬季平均降水量為7.4366mm。春季降水量于2010年達到最高值139.6mm,2004年達到最低值5.2mm;夏季降水量在1998年達到最高值672.3mm,2004年為最低值116.8mm;秋季降水量于2012年達到最高值128.3mm,2007年為最低值16.8mm;冬季降水量于2012年達到最高值22.7mm,1996和2011達到最低值,分別為0.6mm,0.7mm。

經過對30a來烏蘭浩特季節(jié)降水量統(tǒng)計,發(fā)現研究區(qū)內降水主要集中在夏、春、秋3個季節(jié),春季平均降水量為57.353mm,夏季平均降水量為318.366mm,秋季平均降水量為50.996mm,冬季平均降水量為7.436mm。對全年降雨量貢獻最大的是夏季,占到全年降雨量的73%,其次是春季和秋季,分別占全年降雨量的13%和12%,冬季降雨稀少,只占全年降雨量的2%。

2.3 干旱時間特征變化

2.3.1 年尺度干旱特征

利用降水距平百分率計算烏蘭浩特1986—2015年降水距平百分率(圖6)。可以看出烏蘭浩特1986—2015年間的年降水距平百分率有減少的趨勢。1989年、1992年、1995—1997年、1999年、2000—2004年、2006—2009年、2011年降水距平百分率為負值,并根據干旱等級劃分標準(表1),1989、1992、1997、1999、2000、2001、2002、2004、2006、2007、2008、2009、2011年出現干旱(表7),其中2001、2004年達到特旱等級,這與烏蘭浩特實際干旱情況吻合。2001年和2004年的特旱使烏蘭浩特農業(yè)生產遭到了巨大損失。[8]

烏蘭浩特屬于對氣候變化反映敏感的脆弱區(qū),抵御各種自然災害的能力較弱,農業(yè)生產的不穩(wěn)定性很大,因此農業(yè)收成的好壞很大程度上取決于自然降水量的多少及其時空分布[8]。降水量多的年份,農業(yè)獲得豐收;干旱少雨季節(jié),農業(yè)欠收。[8]

2.3.2 季節(jié)尺度干旱特征

根據降水量距平百分率公式,計算1986—2015年烏蘭浩特各季節(jié)的降水距平百分率。利用表1干旱等級劃分得到表5。由表5可以看出,[JP2]發(fā)生輕旱的年份為1992年、2002年、2004年、2006—2009年、2011年。發(fā)生中旱的年份為1989年、1999年、2000年,于1997年發(fā)生重旱,2001年和2004年發(fā)生特旱。季節(jié)方面來看,在13a里(表4)干旱季節(jié)主要集中在秋季和夏季,其中秋季在干旱的13a里占31%,夏季占29%,

春季和冬季分別占14%、26%。

2.4 氣溫與降水量的相關性分析

2.4.1 年平均氣溫與年降水量的相關性

通過對烏蘭浩特近30a(1986—2015年)的年平均氣溫和降水量的相關性分析(表5)可知,烏蘭浩特年平均氣溫和降水量之間沒有明顯的相關性。即表示,氣溫與降水量增加趨勢的關系很復雜,除氣溫以外降水量還受地理環(huán)境、下墊面、海拔等因素的影響。

2.4.2 季平均氣溫與季降水量的相關性

通過對烏蘭浩特近30a(1986—2015年)的各季平均氣溫與降水量的相關性分析,與其它季節(jié)相比,夏季氣溫與夏季降水量的相關系數為r=-0.489,在0.01水平上呈負相關關系,表示隨著夏季氣溫的增高,夏季降水量逐漸減少;冬季氣溫與冬季降水量的相關系數為r=-0.552,在0.01水平上呈負相關關系,說明隨著冬季氣溫的減少,冬季降水量在逐漸增多。

3 討論

研究區(qū)近30a的氣溫總體呈上升趨勢,年際平均氣溫變化速率為0.247℃/10a,蔣春宇,張圣微[9]等人在40~50a的較大時間尺度上的研究表明,內蒙古全區(qū)氣溫增溫速率為0.41℃/10a,內蒙古東部地區(qū)氣溫上升速率為0.36℃/10a。因此,本文結果與前人研究結果基本吻合。降水量方面年均降水量有減少的趨勢,趨勢系數為-31.114mm/10a,這與前人研究的內蒙古全區(qū)30a(1981—2010年)的年降水變化趨勢系數-30.8mm/10a[10]基本一致。

在氣溫與降水量的相關性中,降水量除了受氣溫方面的影響外,還包括地形、植被、人類活動等等。對氣溫和降水量的變化趨勢的原因,因受數據所限,未對此作深入探討。

4 結論

本文利用內蒙古烏蘭浩特氣象站(區(qū)站號50838)1986—2015年的日平均氣溫和降水量數據,對烏蘭浩特近30a的氣溫和降水的變化趨勢進行分析。運用線性傾向估計、相關性分析、降水距平百分率分析等方法得出以下結論。

4.1 氣溫方面

平均氣溫、年平均最高溫、年平均最低溫均處于增溫的趨勢,變化傾向率分別為0.247℃/10a、0.143℃/10a、0.315℃/10a。極端天氣方面來看,極端最高溫與極端最低溫均有上升的趨勢;其中極端最高溫的變化幅度最大,達到了0.835℃/10a,極端最低溫的變化傾向率為0.445℃/10a。季節(jié)方面來看,春、夏、秋3個季節(jié)有升溫的趨勢;其中夏季升溫幅度最大,變化傾向率為0.618℃/10a,春季和秋季變化傾向率分別為0.313℃/10a、0.435℃/10a,而冬季則有降溫的趨勢,變化傾向率為-0.429℃/10a。

4.2 降水方面

年際降雨量有下降趨勢,變化傾向率為-31.114mm/10a。烏蘭浩特1986—2015年間干旱年份逐漸增加,30a中有13a為干旱年,其中2001、2004年達到特旱等級。季節(jié)方面來看,春季和冬季的年平均降水量有上升趨勢,變化傾向率為分別為11.238mm/10a和2.557mm/10a。而夏季和秋季年平均降水量則有下降的趨勢,變化傾向率分別為-42.057mm/10a和-2.852mm/10a。在13a干旱季節(jié)主要集中在秋季和夏季,其中秋季占31%,夏季占29%,春季和冬季分別占14%、26%。

4.3 年平均氣溫和降水量之間沒有明顯的相關性

季節(jié)方面來看夏季平均氣溫與夏季降水量在0.01水平上呈負相關關系,相關系數為r= -0.489;冬季的平均氣溫與降水量在0.01水平上呈負相關關系,相關系數為r=-0.552。

參考文獻

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作者簡介:

吳亞平(1997-),女,在讀碩士研究生。研究方向:土地資源可持續(xù)利用;

張惜偉(1980-),女,博士,副教授。研究方向:土地資源利用與評價。

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