馮文文, 柳鳳霞, 錢 會(huì), 張瑜婷

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 西安 710054; 2.旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)安大學(xué), 西安 710054)

人口增長(zhǎng)和工業(yè)化進(jìn)程的加快，使得全球性氣候變暖問(wèn)題不斷加劇[1]。許多證據(jù)表明，全球變暖將加快冰雪消融，影響全球性(或區(qū)域性)的水文循環(huán)，增加極端天氣和氣候?yàn)?zāi)害發(fā)生的幾率[2]。大氣降水的變化特征越來(lái)越得到人們的重視[3]。

目前關(guān)于全球變暖對(duì)大氣降水影響因素的研究有很多，政府間氣候變化專業(yè)委員會(huì)(IPCC)在第4次評(píng)估報(bào)告[4]中指出全球變暖會(huì)使得高、低緯度地區(qū)降水顯著增多，而中緯度地區(qū)降水則會(huì)減少；林婧婧等[5]研究中國(guó)氣候變化特征及影響因素時(shí)，分析了氣候變化對(duì)降水的影響，認(rèn)為全球變暖導(dǎo)致中國(guó)降水呈減少趨勢(shì)；段安民等[6]研究青藏高原氣候變化特征時(shí)，指出全球變暖使得青藏高原降水增加。全球變暖會(huì)影響降水變化特征已是學(xué)者們的普遍共識(shí)，對(duì)于區(qū)域性的氣候變化與降水關(guān)系的研究，程肖俠等[7]研究陜西省近50 a降水的變化特征時(shí)，討論了降水對(duì)氣候變化的敏感性，認(rèn)為二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；陳太根等[8]在研究關(guān)中平原近49年來(lái)氣候變化特征時(shí)，將氣溫和降水結(jié)合對(duì)比分析，認(rèn)為氣溫升高顯著的地區(qū)，降水波動(dòng)變化的更加劇烈；徐盼盼等[9]研究西安市降水量變化趨勢(shì)時(shí)，指出全球變暖使得西安地區(qū)大氣降水呈現(xiàn)顯著的負(fù)增長(zhǎng)，并將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間。全球變暖對(duì)大氣降水特征的影響，仍是氣候變化特征研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

目前，氣候變化背景下的大氣降水特征多是以區(qū)域性研究居多，單個(gè)氣象站點(diǎn)的小范圍研究仍比較少[10]?；诖耍疚倪x擇武功氣象站1955—2015年61 a的逐月降水和氣溫實(shí)測(cè)資料，分析其變化規(guī)律掌握當(dāng)?shù)貧夂蜃兓奶卣?，為該地區(qū)優(yōu)化水資源配置和防災(zāi)抗旱提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1 研究區(qū)概況

武功縣位于關(guān)中平原西部腹地，渭河北部，面積約392 km2。氣候上屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫12.9℃，最高氣溫出現(xiàn)在7月，為26.1℃，最低氣溫出現(xiàn)在1月，為-1.2℃，最高與最低氣溫相差達(dá)27℃左右。研究區(qū)地貌類型復(fù)雜，由南到北依次排列著渭河階地、黃土塬及山前洪積扇和部分洼地，降水時(shí)空分布不勻，多年平均降水量為552.6～663.9 mm。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文選用中國(guó)氣象局武功站(108°13′N,34°15′E)1955—2015年的逐月平均降水量觀測(cè)資料，該數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)和《陜西省水資源公報(bào)》。

2 研究方法

2.1 線性趨勢(shì)估計(jì)

線性趨勢(shì)估計(jì)分析氣象要素的變化趨勢(shì)，主要是借助最小二乘法對(duì)原始數(shù)據(jù)xi與ti時(shí)間序列組成的二維數(shù)組，進(jìn)行一元線性回歸分析[11]。表示為：

(1)

式中：a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)。a和b由最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。當(dāng)b>0時(shí)，表明x隨著時(shí)間t的增加呈上升趨勢(shì)；當(dāng)b<0時(shí)，表明x隨著時(shí)間t的增加呈下降趨勢(shì)。

2.2 累積距平

累積距平是指距平值的累積，用實(shí)測(cè)降水?dāng)?shù)據(jù)的累計(jì)距平值與時(shí)間序列組成而繪制的曲線，稱之為累積距平曲線。當(dāng)曲線上升時(shí)，表明距平累積持續(xù)增大，該段時(shí)間內(nèi)降水實(shí)測(cè)值比平均值偏多；當(dāng)曲線穩(wěn)定下降時(shí)，表明距平累積持續(xù)減小，該段時(shí)間內(nèi)降水實(shí)測(cè)值比平均值偏小[12-13]。

(2)

2.3 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法是世界氣象組織推薦的，應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)序列趨勢(shì)變化及突變點(diǎn)檢驗(yàn)分析的方法[13-14]，基本原理如下：

以降水量的時(shí)間序列xi為基礎(chǔ)，構(gòu)造秩序列：

(3)

假設(shè)時(shí)間序列是獨(dú)立隨機(jī)的，定義統(tǒng)計(jì)變量：

(4)

式中：均值E(Dk)=k(k-1)/4，方差var(Dk)=k(k-1)(2k+5)/72，其中2≤k≤n。

將時(shí)間序列逆序xi排列，同時(shí)滿足：

給定顯著水平α，將UFk，UBk的值分別構(gòu)成兩條曲線，如果出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在置信區(qū)間線之間，則該交點(diǎn)為突變時(shí)間點(diǎn)；如果交點(diǎn)超過(guò)了置信區(qū)間線，可以通過(guò)與實(shí)際曲線相比較來(lái)確定是否為突變點(diǎn)[11,13-15]。

2.4 小波分析

連續(xù)小波變換是應(yīng)用最為廣泛的變化方法之一，適合分析各評(píng)價(jià)因子的周期性變化，對(duì)原始數(shù)據(jù)要求較低，適用性好[11,14,16]。本文采用的以Morlet小波為母小波的變化，此小波的形式為：

(5)

式中：ω0是無(wú)量綱頻率；i為虛部；t為時(shí)間。

基于Morlet小波基本形式，由小波變化方程計(jì)算得到小波系數(shù)和小波方差。小波系數(shù)實(shí)部等值線圖可用來(lái)反映不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間上的分布，以此來(lái)判斷不同時(shí)間尺度上的未來(lái)變化趨勢(shì)；小波方差可用來(lái)反映信號(hào)能量隨時(shí)間尺度的分布情況，以此來(lái)確定信號(hào)中不同種尺度變化的強(qiáng)弱以及信號(hào)變化的主周期[14,16-17]。

3 結(jié)果與分析

3.1 武功地區(qū)降水量年際分布特征

圖1為1955—2015年武功地區(qū)年降水量距平及累積距平示意圖，由圖可知，武功地區(qū)多年降水量以15.56 mm/10 a的平均速率在不斷減少，總體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。多年平均降水量為608.07 mm，其中年降水量極大值是1958年為978.3 mm，比多年平均降水量多了370.23 mm；極小值是1977年為326.70 mm，比多年平均降水量少了281.37 mm。

圖1 1955-2015年武功地區(qū)年降水量距平及累積距平

3.2 武功地區(qū)降水量年內(nèi)分布特征

從季節(jié)降水量多年變化趨勢(shì)來(lái)看(圖2)，四季降水量都呈減少趨勢(shì)，與多年降水量變化趨勢(shì)基本一致，其中以春夏減少為主，秋冬減少不大。

春季多年降水量平均值為135.37 mm，整體以5.30 mm/10 a的速度減少，1964年春季降水量為歷年最高值,達(dá)到了348.10 mm，1955年為歷年最低值，僅有31.90 mm，極差達(dá)316.2 mm。從圖2A可知，1963年以前和2005年以后降水量偏少，在此期間以1975年和1993年為界，增減趨勢(shì)發(fā)生兩次變化。

夏季多年降水量平均值為260.77 mm，整體以-6.29 mm/10 a的速度不斷下降，最大與最小值分別出現(xiàn)在1956年和1997年，降水量分別為592.30，54.90 mm，兩者相差達(dá)537.4 mm。結(jié)合圖2B分析，夏季降水變化趨勢(shì)比較復(fù)雜，1960年以前主要是增加的趨勢(shì)為主，1960之后年則主要呈減少的趨勢(shì),轉(zhuǎn)折點(diǎn)主要在1979年、1993年和2003年。

秋季多年降水量平均值為191.33 mm，整體以-4.09 mm/10 a的速度不斷減少，最大與最小值分別出現(xiàn)在2011年和1998年，極值降水量分別為523.90，75.20 mm。結(jié)合圖2C分析，秋季降水量主要在1965年之前和1985年之后為減少趨勢(shì)，在此期間則主要呈緩慢增加趨勢(shì)。

冬季多年降水量平均值為20.60 mm，整體以0.26 mm/10 a的速度不斷減少，最大與最小值分別出現(xiàn)在1989年和1960年，極值降水量分別為81.40，0.30 mm。結(jié)合圖2D分析，冬季降水量變化趨勢(shì)復(fù)雜多變，主要在1990年之前為緩慢減少，1990年之后則變?yōu)樵黾于厔?shì)。

圖2 1955-2015年武功地區(qū)季節(jié)降水量距平及累積距平

3.3 武功地區(qū)降水量多年突變性分析

圖3為基于M-K非參數(shù)檢驗(yàn)方法所得到的結(jié)果。武功地區(qū)多年降水量的檢驗(yàn)Z值為-1.73，且通過(guò)置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。在α=0.05顯著水平檢測(cè)限臨界值±1.96之間，年降水量統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)值UF與UB分別在1970年、1973年、1978年、1983年、2002年、2011年、2013年等附近有多個(gè)的突變交點(diǎn)，說(shuō)明年降水量在上述年份可能發(fā)生了突變。結(jié)合圖1年降水量距平和累積距平圖，可以看出1983年累積距平曲線達(dá)到峰值，曲線兩側(cè)變化趨勢(shì)也由上升變?yōu)橄陆?，因而，武功地區(qū)年降水量時(shí)間突變點(diǎn)應(yīng)是1983年。在1983年之前，武功地區(qū)降水量主要是以增加為主，1983年以后武功地區(qū)降水量則主要以減少為主，這與陳太根等[8]研究關(guān)中平原降水得出的結(jié)論基本一致。

圖3 1955-2015年年降水量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值曲線

對(duì)于各個(gè)季節(jié)在多年周期中的突變趨勢(shì)，圖4是運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法得到的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)曲線。春季降水量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值UF與UB曲線在臨界值±1.96之間有一個(gè)交點(diǎn)，在1982年附近，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量UB曲線超出了α=0.01的檢測(cè)水平限(圖4A)。為了確定春季降水在1982年是否發(fā)生突變，結(jié)合圖2A可以看出，1982年為累積距平谷值且在1982年兩側(cè)累積距平曲線變化趨勢(shì)由下降變?yōu)樯仙?，由此可得，春季降水量的時(shí)間突變點(diǎn)為1982年。

如圖4B所示，在α=0.01的檢測(cè)水平限下，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量UF與UB曲線，在臨界值±1.96兩側(cè)交點(diǎn)分別在1960年、1985年、2003年、2011年附近。結(jié)合圖2B，1958年、1985年和2011年夏季降水量距平值沒有出現(xiàn)顯著的增減性變化，而2003年之前夏季降水量以減趨勢(shì)為主，2003年之后降水量以增趨勢(shì)為主，發(fā)生顯著趨勢(shì)變化，因此夏季降水量變化趨勢(shì)時(shí)間突變點(diǎn)應(yīng)為2003年。

由圖4C可知，在臨界值±1.96內(nèi)，秋季降水量的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量UF和UB曲線分別交于1983年和1985年，但統(tǒng)計(jì)量UF曲線超出了α=0.01的檢測(cè)水平限；結(jié)合圖2C來(lái)看，秋季降水量在1975年和1985年距平值發(fā)生顯著的增減變化，1985年為累計(jì)距平峰值且在1985年以前秋季降水量以增加為主，1985年以后秋季降水量以減少為主，由此可得秋季降水量的突變時(shí)間點(diǎn)為1985年。

由圖4D可知，在臨界值±1.96之間，冬季降水量檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量UF與UB檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量曲線，交點(diǎn)分別在1958年、1962年、1971年、1977年、1982年、1986年、1991年、1995年、2005年、2014年附近，結(jié)合圖2D判斷，冬季降水距平值波動(dòng)較大沒有顯著的增減趨勢(shì)變化點(diǎn)，因此冬季降水量變化趨勢(shì)可能沒有發(fā)生顯著性突變。

圖4 1955-2015年武功地區(qū)四季降水量M-K檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值曲線

3.4 武功地區(qū)降水量多年周期性分析

圖5A為年降水量Morlet小波變化系數(shù)實(shí)部等值線圖，用來(lái)反映降水序列不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間域中的分布。一般來(lái)說(shuō)，實(shí)部系數(shù)為正則在圖中用實(shí)線表示，為負(fù)則用虛線表示。圖5A表明武功地區(qū)年降水量呈偏多、偏少不斷交替變化的趨勢(shì)，主要時(shí)間尺度集中在6，13，22 a這3個(gè)時(shí)間尺度上呈周期性變化。在時(shí)間分布上，6 a尺度的周期變化主要體現(xiàn)在1975—1984年，13 a尺度的周期變化主要體現(xiàn)在1961—1985年，22 a尺度的周期變化主要體現(xiàn)在1980—2000年。

圖5B為年降水量變化小波方差曲線，反映了周期性變化在時(shí)間尺度分布上的強(qiáng)弱，峰值越大，年降水量周期性越強(qiáng)烈。峰值對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度就是年降水量變化的主周期。年降水量主要存在3個(gè)主周期，第一主周期為22 a，第二、三主周期分別為13，6 a。

由圖5C可以看出，在22 a時(shí)間尺度上，武功地區(qū)年降水量經(jīng)歷了4次偏多—偏少的交替變化，其中2015年降水量偏多；在13 a的時(shí)間尺度上，年降水量共經(jīng)歷了7次偏多—偏少的交替變化，其中2015年降水量偏多；在6 a的時(shí)間尺度上，年降水量共經(jīng)歷了16次偏多—偏少的交替變化，其中2015年降水量偏少。此間，大尺度的時(shí)間周期變化包含了若干小尺度的豐—枯交替變化，如6 a尺度的豐枯(系數(shù)正負(fù))變化嵌套在10 a尺度的周期變化之中，10 a尺度的豐枯變化嵌套在22 a尺度的周期變化之中。

3.5 氣候變暖對(duì)降水量的影響

圖6A為武功地區(qū)1995—2015年氣溫距平值和累積距平曲線，可以看出武功地區(qū)年平均氣溫總體呈上升趨勢(shì)，其上升速率為0.22℃/10 a，低于全球平均氣溫的升高速率0.48℃/10 a[4]。從時(shí)間分布來(lái)看，1955—1994年累計(jì)距平曲線持續(xù)下降，氣溫多年距平值長(zhǎng)期為負(fù)，表明武功地區(qū)氣候?qū)儆谄淦冢?995—2015年之后累計(jì)曲線發(fā)生突變，由下降變?yōu)樯仙瑲鉁鼐嗥街底優(yōu)檎?，表明之后的武功地區(qū)氣候?qū)儆谄?。從累?jì)曲線上升和下降速度來(lái)分析，1995年之后氣候變化速度非?？?，升溫尤為明顯。

為了進(jìn)一步研究武功地區(qū)氣候變暖的背景下降水量變化特征，按照武功地區(qū)氣溫偏冷暖期繪制了1955—1994年和1995—2015年年降水量變化示意圖(圖6B)。在1955—1994年偏冷期，武功地區(qū)年降水量以39.49 mm/10 a的速度呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明氣候變冷使得武功地區(qū)年降水減少；在1955—2015年偏暖期，武功地區(qū)年降水量以98.63 mm/10 a的速度呈顯著上升趨勢(shì)，表明氣候變暖改變了武功地區(qū)自1954—1994年以來(lái)降水量減少的趨勢(shì)，說(shuō)明氣溫升高對(duì)武功地區(qū)降水量具有決定性作用。

圖5 1995-2015年武功地區(qū)Morlet小波周期性分析結(jié)果

從20世紀(jì)末武功地區(qū)經(jīng)濟(jì)迎來(lái)蓬勃發(fā)展，農(nóng)業(yè)種植面積擴(kuò)大，大量開采地下水、引渭河水用于灌溉，氣溫升高使得水面蒸發(fā)量、植物蒸騰散失量增大，導(dǎo)致年降水量不斷增加。在全年變暖的氣候背景下，全球性(或地區(qū)性)水循環(huán)和水汽輸送速度加快，使得武功地區(qū)空氣中水汽比例較以前明顯增多，易形成云團(tuán)帶來(lái)降水，也是導(dǎo)致武功地區(qū)年降水量增加的原因之一。

4 結(jié) 論

(1) 武功地區(qū)降水量分布極不均勻，年內(nèi)和年際分布變化都很大，年降水量以15.5 mm/10 a的下降速度在不斷減少，其中春、夏季降水量下降顯著，秋、冬季則較為平緩。

(2) 年和春、夏、秋、冬季降水量M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)的時(shí)間突變點(diǎn)均在1983年附近，表明各季節(jié)降水量突變時(shí)間點(diǎn)與年突變點(diǎn)基本一致，表明在20世紀(jì)90年代降水量變化趨勢(shì)發(fā)生突變，由上升轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆怠?/p>

圖6 武功地區(qū)年氣溫和累積氣溫分布及對(duì)降水影響

(3) 武功地區(qū)年降水量的主要存在22，13，6 a共3種周期性變化，其中22 a為第一主周期，13 a和6 a為第二、三主周期。在時(shí)間尺度上表現(xiàn)為，大尺度的時(shí)間周期變化包含了若干小尺度的豐—枯交替變化，如6 a尺度的豐枯(系數(shù)正負(fù))變化嵌套在10 a尺度的周期變化之中，10 a尺度的豐枯變化嵌套在22 a尺度的周期變化之中。

(4) 武功地區(qū)氣候偏冷期主要在1955—1994年，氣溫降低使得年降水量呈39.46 mm/10 a的減少趨勢(shì)；氣候偏暖期主要在1995—2015年，氣溫升高使得年降水量呈98.63 mm/10 a的增加趨勢(shì)；氣候冷暖變化通過(guò)影響蒸發(fā)量、蒸騰量和水汽輸送速度，來(lái)影響武功地區(qū)年降水量。

(5) 降水量增加在一定程度上緩解了武功地區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)缺水的現(xiàn)狀，有利于解決當(dāng)?shù)厮Y源短缺的問(wèn)題，同時(shí)極端高溫和降水量異?，F(xiàn)象也出現(xiàn)的更加頻繁，極易引發(fā)極端天氣和洪澇災(zāi)害，更加值得人們注意。