孫 朋，金燕婷，郭忠臣，劉 娜，蘇海民

（宿州學(xué)院 環(huán)境與測繪工程學(xué)院， 安徽 宿州 234000）

0 引 言

全球氣候變化特點及其影響效應(yīng)已經(jīng)成為當(dāng)前的重要研究熱點[1]。自然條件以及生產(chǎn)生活排放大量溫室氣體如CO2、CH4等，使全球溫室效應(yīng)加劇，促進大量學(xué)者探索其對地球氣候要素的影響[2-5]，也激發(fā)學(xué)者在全球氣候變化的背景下對于溫室效應(yīng)的思考與討論[6]。氣候變化影響全球降水分布格局，從而造成區(qū)域水文響應(yīng)差異[7-8]。水資源豐厚地區(qū)持續(xù)降水容易形成水澇災(zāi)害，水資源相對匱乏地區(qū)長期干旱會發(fā)生旱災(zāi)，自然災(zāi)害會使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受到影響，也會影響區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展。

我國地域遼闊，受復(fù)雜下墊面和水熱分布差異的影響，隨著降水時空分布特征研究熱度持續(xù)不減[9-11]，李娜等[12]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)西安地區(qū)多年降水呈下降趨勢；孫善磊等[13]發(fā)現(xiàn)淮海地區(qū)有明顯的周期性震蕩及降水突變現(xiàn)象存在。安徽省位于我國南北氣候過渡帶，氣候類型具有特殊性，具溫帶和亞熱帶氣候特征，頗受學(xué)者關(guān)注。謝五三等[14]研究發(fā)現(xiàn)安徽省各站點不同時段降水特征類似差別小。黃勇等[15]研究發(fā)現(xiàn)安徽省降水南多北少，隨緯度及海拔的增加，雨日及降雨量也會增加，影響安徽省降水因子主要有濕度、風(fēng)速、溫度、地形及地貌；在空間尺度上，研究發(fā)現(xiàn)安徽省降水具有較強的區(qū)域差異性；童金等[16]研究發(fā)現(xiàn)皖南山區(qū)短時間強降水發(fā)生比例則比較均勻，淮北平原短時最容易形成強降水；唐寶琪等[17]研究發(fā)現(xiàn)，皖北地區(qū)旱澇頻率由南往北呈遞減趨勢，皖南地區(qū)旱澇頻率高但差異小，江淮區(qū)域西部干旱頻率明顯高于東部，東西差異大也有學(xué)者研究洪澇對于農(nóng)業(yè)方面的影響[18-19]。學(xué)者們對于安徽省降水及其影響方面的研究比較寬泛，時空尺度差異較大，研究熱點多集中在年降水不同強度、不同時序和空間分布方面。夏季降水作為東部季風(fēng)區(qū)最重要降水構(gòu)成組分，同時也是旱澇災(zāi)害頻發(fā)的誘因，而其時空分布特征與影響要素研究相對匱乏。

安徽省屬于溫帶和亞熱帶過渡地區(qū)，復(fù)雜多樣的地形條件使氣候特征表現(xiàn)出特殊性和復(fù)雜性特點，故開展降水時空變化研究尤其是夏季降水的研究具有非常重要的意義。研究夏季降水時空分布變化特點、分配特征及變化規(guī)律，對于安徽省夏季降水的變化趨勢及發(fā)展動態(tài)預(yù)測具有重要意義，對預(yù)防農(nóng)業(yè)災(zāi)害，促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

安徽省分布 114°54′—119°37′E 與 29°41′—34°38′N之間，屬華東地區(qū)（圖1）。北連山東省，南鄰江西省，東靠江蘇省，西接河南省和湖北省，全域面積為13.96×104km2。安徽省氣候類型屬南暖溫帶和北亞熱帶過渡地區(qū)，四季分明，夏季高溫多雨，平均降水量在800～1 800 mm，安徽省年均氣溫在4～17 ℃之間，平均日照時間1 800～2 500 h左右，無霜期200～250 d左右。每年6、7月，東南季風(fēng)不斷加強北上，北方冷空氣減弱北退，在長江中下游地區(qū)相互交匯形成較長期的梅雨天氣。淮河和長江橫貫安徽，將安徽省劃分為淮北平原區(qū)、江淮丘陵區(qū)和皖南山區(qū)三大自然區(qū)域。安徽省地勢西高東低、南高北低：淮河以北地形平坦，以平原為優(yōu)勢地形；長江沿岸屬于長江中下游平原，地形以平原和丘陵為主，河網(wǎng)密集水資源充沛；江淮之間的地形西邊多山東邊多丘陵，地形較復(fù)雜；而皖南地區(qū)崇山峻嶺為主，黃山最為典型山體地形，丘陵為優(yōu)勢地形。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。選取安徽省16個氣象站點的完整資料，數(shù)據(jù)年限為1959—2017年，數(shù)據(jù)連續(xù)性和真實性均能滿足研究需求，安徽省具備典型的過渡性地理特征，淮河、長江穿境而過，將安徽至北向南劃分為皖北平原、江淮丘陵與皖南山地三大區(qū)域，各站點區(qū)域布局與研究區(qū)概況如圖1所示。

1.3 研究方法

1.3.1 氣候傾向率

為研究安徽省降水量的年變化與夏季變化規(guī)律，本文采用一元線性回歸方程的線性傾向率來表示降水變化特征，計算式為：

式中：xi為年份序列號（i=1，2，3，…，n）；b為常數(shù)；a為回歸系數(shù)，a>0表明降水量y在研究時段內(nèi)呈線性增加趨勢，a<0表明降水量y在研究時段內(nèi)呈線性減弱趨勢；a×10稱為氣候要素（降水量）的氣候傾向率（降水傾向率）。降水傾向率可用來分析研究區(qū)域時段內(nèi)降水量長期變化趨勢并預(yù)測未來降水變化趨勢與走向。

圖1 研究概況與氣象站點分布圖Fig.1 Geographical location of the study area and the distribution of meteorological stations

1.3.2 滑動平均法

一元回歸模型能直觀判斷降水量的整體變化趨勢，能夠較好地反映降水量在較長時間尺度內(nèi)平均值的動態(tài)變化，計算式為：

式中：yk為原始數(shù)據(jù)，m為平滑周期，m=2n+1，本文中取m=5，即以5 a為滑動周期，建立滑動平均曲線來表示降水量在5 a內(nèi)的平滑趨勢，更直觀地分析安徽省全年和夏季降水量隨時間的變化趨勢。同時作出每個年份夏季降水量占年總降水量的百分比折線圖，分析夏季降水特點及規(guī)律。

1.3.3 Mann-Kendall（M-K）突變檢驗

在氣候各要素如氣溫、降水、水文的研究中突變檢驗極其普遍。目前最常用 Mann-Kendall法檢驗氣候突變，此法可以用來預(yù)測氣候要素隨時間的長期變化趨勢。Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗計算式為：

1.3.4 克里金插值法

在眾多克里金插值法中，普通克里金插值法運用最基礎(chǔ)廣泛，其計算式為：

式中：k為權(quán)重系數(shù)；Z(xi)為xi實際測量值；n為站點數(shù)。利用克里金空間插值法生成安徽省平均降水和夏季降水空間分布圖，同時作出安徽省 1959—2017年降水空間變化率圖，分析研究時段內(nèi)安徽省夏季降水空間分布變化特點及規(guī)律。

2 結(jié)果與分析

2.1 1959—2017年安徽省夏季降水時間變化特征分析

圖2為安徽省1959—2017年夏季和年平均降水量變化曲線和滑動平均曲線圖。由圖 2可知，1959—2017年安徽省夏季降水量變化范圍在275.7～1 137.0 mm之間，夏季平均降水量為540.1 mm；年降水量變化范圍在689.6～1 630.0 mm之間，年平均降水量為1 175.6 mm。夏季和年平均降水量都是呈波動上升趨勢，由5 a滑動平均曲線可知，1959—1991年夏季降水波動幅度較大，1992—2017年變化幅度相對平穩(wěn)；1959—1980年，年降水變化曲線波動幅度大，1981—2017年降水變化曲線幅度相對較小。夏季降水平均每年增加值為2.30 mm，年降水平均每年增加值為2.13 mm，可見夏季降水增加量是年降水增加量的主要貢獻者。

圖2 1959—2017年安徽省平均降水量變化趨勢Fig.2 Variation trend of average precipitation in Anhui province from 1959 to 2017

1991年夏季降水量在研究時段最大，占年降水量的70%，1978年夏季降水量在研究時段最小值，占年降水量的40%。1991年夏季降水量達到最大值，為 1 137.0 mm，1978年夏季降水量達到最小值為275.7 mm。年降水量在2016年達到1 630.0 mm，為研究時段內(nèi)降水量最大值；在1978年達到最小值，僅689.6 mm?？梢娊邓孔畲笾蹬c最小值所在年份和年與夏季平均降水圖上所展示的降水最值年份保持一致。研究區(qū)夏季降水與年降水具有一致的波動趨勢。相鄰年份之間，夏季降水量的變化幅度較年平均降水量?。幌噜從攴葜g降水量變化較大，大部分呈現(xiàn)高-低-高-低特征。降水變化趨勢圖中均有體現(xiàn)夏季降水增加幅度較年降水增加幅度略大。

圖3為1959—2017年安徽省夏季降水占年降水百分比變化趨勢圖。由圖3可知，夏季降水是年降水極大值的最主要構(gòu)成。1991年夏季降水占全年降水比例最大，為70%；而在1967年，夏季降水占全年降水29.6%，為最低比例。由趨勢線可知，夏季降水占年降水的百分比增加趨勢明顯，而平均增加幅度約為0.13%/a。夏季降水量占年平均降水總量的45.9%，夏季降水是安徽省降水的主要貢獻者。

圖3 1959—2017年安徽省夏季降水占年降水百分比Fig.3 Percentage of summer precipitation in Annual precipitation from 1959 to 2017

圖4 1959—2017年安徽省Mann-Kendall突變檢驗圖Fig.4 Map of mann-kendall mutation test in Anhui province from 1959 to 2017

2.2 1959—2017年安徽省夏季降水突變檢驗分析

利用 Mann-Kendall檢驗方法對安徽省 1959—2017年夏季降水及年降水進行突變分析，臨界線在-1.96～1.96之間。圖 4（a）為安徽省夏季降水突變檢驗曲線圖，圖4（b）為安徽省年降水突變檢驗曲線圖。1959—2017年安徽省夏季平均降水UF曲線呈顯著趨勢，1969年及以后均為正值。在臨界線范圍內(nèi)，UF與UB存在多個交點，在1975存在顯著突變，20世紀(jì)70年代末到20世紀(jì)90年代中期突變情況復(fù)雜多變，存在多個突變年份。2011年達到1.96臨界線，于2015年突破置臨界信線+1.96。

近60 a安徽省年均降水UF曲線一直呈波動變化，1970年以后均為正值。研究時段內(nèi)UF值并未突破臨界線范圍。在臨界線范圍內(nèi)，UF與UB存在多個交點，在1963、1965年存在顯著突變點，20世紀(jì)70年代到20世紀(jì)80年代突變情況比較復(fù)雜存在多個突變點，20世紀(jì)80年代中后期到20世紀(jì)90年代前期也存在多個突變點，突變情況均不顯著，最后一個顯著突變點在2014年。對比夏季降水和年均降水突變檢驗圖，不難發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)70年代末到20世紀(jì)90年代末這個時間段內(nèi)突變情況最為復(fù)雜。

2.3 1959—2017年安徽省夏季降水空間分布及其變化特征分析

通過對各區(qū)域氣象站點降水?dāng)?shù)據(jù)的采集與提取，運用Arcgis10.2軟件，利用克里金插值法生成安徽省近60年夏季和年平均降水空間分布圖。由圖5和圖6可知，安徽省夏季降水空間分布南北差距較大，自皖南山區(qū)到江淮丘陵再到淮北平原降水呈梯度減少，皖南山區(qū)夏季降水量變化區(qū)間為550～1 000 mm，江淮丘陵夏季降水量主要集中在500～550 mm之間，淮北平原夏季降水量主要集中在400～500 mm之間，可見不同區(qū)域降水量差別明顯。淮北平原地區(qū)和江淮丘陵北部地區(qū)表現(xiàn)為東部降水多西部降水少；江淮丘陵南部地區(qū)東西降水量基本保持一致；皖南地區(qū)降水量整體表現(xiàn)為以黃山為環(huán)形中心向四周降水逐漸減少。安徽省年降水量南北差距較大，由皖南山區(qū)到江淮丘陵再到淮北平原降水呈減少趨勢，皖南山區(qū)年均降水量變化區(qū)間在1 100～2 300 mm之間，江淮丘陵年均降水量主要集中在950～1 100 mm之間，淮北平原年均降水量主要集中在800～950 mm之間，降水量在東西方向略呈對稱，淮北平原東部降水稍多?；幢逼皆浇辞鹆甑酵钅仙絽^(qū)地勢逐漸增高，皖南黃山站點地勢最高，夏季降水和年降水分布圖均有展現(xiàn)：黃山年降水量和夏季降水量均為最大值；宿州、亳州、蚌埠、阜陽及壽縣等地區(qū)降水在全省偏低。在江淮丘陵區(qū)，霍山和桐城2地降水相對其他地區(qū)降水偏多。800 mm等降水量線在淮河附近，800～950 mm降水區(qū)域主要包括宿州、阜陽、蚌埠、壽縣地區(qū)。對比夏季和年平均降水空間分布圖，均不難發(fā)現(xiàn)皖南山區(qū)降水偏多，江淮丘陵和淮北平原降水偏少；同時皖南地區(qū)降水量變化曲線比較密集，說明皖南地區(qū)降水變化幅度大。

圖5 安徽省1959—2017夏季降水量空間分布圖Fig.5 Summer precipitation spatial distribution map of Anhui province from 1959 to 2017

圖6 安徽省1959—2017下架降水量空間分布圖Fig.6 Precipitation spatial distribution map of Anhui province from 1959 to 2017

圖7為安徽省1959—2017年夏季降水變化率空間分布圖。安徽省1959年和2017年夏季降水空間分布變化趨勢較為明顯，不同地區(qū)降水空間變化率不同：皖南山區(qū)變化率在2～18 mm/a之間；江淮丘陵地區(qū)變化率在-2～2 mm/a之間，江淮丘陵北部變化率在-2～0 mm/a之間，江淮丘陵南部變化率在 0～2 mm/a之間；淮北平原變化率在-2～0 mm/a之間。不難發(fā)現(xiàn)由南往北降水增加幅度逐漸變小，表現(xiàn)為皖南降水增加量大于江淮丘陵南部地區(qū)，而淮北平原以及江淮丘陵北部地區(qū)降水有減少的趨勢。皖南以黃山為中心降水增加幅度最大，往四周降水增加量逐漸減少。線性趨勢變化表明，皖北平原與江淮丘陵中北部地區(qū)夏季降水呈現(xiàn)是持續(xù)濕潤趨勢，其變化幅度略弱于皖南山區(qū)。

圖7 安徽省1959—2017年夏季降水空間變化率圖Fig.7 Spatial change rate of precipitation in Anhui province from 1959 to 2017

3 討 論

安徽省夏季降水量占年降水量的29.6%～70.0%，夏季降水量占年均降水總量45.9%，夏季降水同樣為年降水極值的最重要構(gòu)成。厄爾尼諾現(xiàn)象指太平洋東部和中部熱帶海洋海水溫度異常增高，使世界氣候發(fā)生變化，使局部地區(qū)氣候干旱而有些區(qū)域降水異常增多，并將其與南方濤動合稱為ENSO；拉尼娜現(xiàn)象與厄爾尼諾現(xiàn)象恰恰相反，是指太平洋東部和中部海面溫度持續(xù)異常偏冷現(xiàn)象[20]。其對中國氣候也產(chǎn)生重要影響[21]，有研究發(fā)現(xiàn)安徽省降水與南方濤動均有直接的關(guān)系[22]。1959—2017年間有14個厄爾尼諾年[23]。而本研究發(fā)現(xiàn)，在年平均降水圖中1991年、2003年、2016年降水異常偏多，1978年降水異常偏少；夏季平均降水圖中1991年降水異常偏多，1966年、1967年、1968年降水異常減少。降水異常偏多的年份在厄爾尼諾年份前后，降水異常偏少年份在拉尼娜年份前后，這說明降水異常變化與厄爾尼諾現(xiàn)象和拉尼娜有直接關(guān)系。夏季降水呈增加趨勢，在1975存在顯著突變，年降水也呈增加趨勢，在1963年、1965年、2014年存在顯著突變，突變發(fā)生在厄爾尼諾年份前后，這說明降水突變性與厄爾尼諾現(xiàn)象有直接關(guān)系。研究區(qū)夏季降水存在突變性，突變年份較多且比較集中，夏季降水在1975存在顯著突變，年降水在1963年、1965年、2014年存在顯著突變，突變年份也發(fā)生在厄爾尼諾年份左右，這與相關(guān)學(xué)者針對厄爾尼諾現(xiàn)象影響降水量的觀點一致[21]。

安徽省降水量自南向北逐漸減少。海拔高度對降水量的影響會因為區(qū)域不同而有不同的影響效應(yīng)[24]，一般表現(xiàn)為降水量隨海拔高度增加而增多[25-26]。分析安徽省站點近60 a夏季降水量年平均降水量與海拔高度關(guān)系（圖8），夏季降水與海拔高度R2為0.695 8，年降水與海拔高度的R2為0.678 9，夏季降水與年降水變化與海拔高度分別呈現(xiàn)y=1.51x+426.63和y=6x+799.47的量化關(guān)系，降水量會隨著海拔的增高而增加。安徽省降水由南往北逐漸減少，這與安徽省地形由南往北是山地向丘陵再向平原過渡、與海拔高度逐漸變低有關(guān)。此外，由于中國處于亞歐大陸東部，安徽省處于華東地區(qū)，由于海陸熱力性質(zhì)差異使安徽省受季風(fēng)影響顯著。安徽省冬季亞歐大陸受蒙古西伯利亞冷高壓控制吹東北風(fēng)，冬季干冷空氣由南往北性質(zhì)逐漸減弱；夏季亞歐大陸受印度熱低壓影響安徽省吹東南風(fēng)，來自海洋的東南風(fēng)由南往北吹送途中潮濕度逐漸降低，造成降水由南往北逐漸減少，同時氣團潮濕度影響地區(qū)植被覆蓋度，使安徽省植被覆蓋度由南往北逐漸變低，又進而影響了安徽省降水空間分布。故皖南黃山降水為安徽省之最主要受海拔、地形和季風(fēng)影響。這說明由于研究區(qū)域的過渡性和地形條件的復(fù)雜性，造成降水差異顯著。

圖8 安徽省1959—2017 年降水量與海拔高度散點圖Fig.8 Precipitation and elevation scatter chart of Anhui province from 1959 to 2017

由于安徽省具有典型區(qū)域過渡性[15]，地形條件和復(fù)雜下墊面加劇了降水區(qū)域分宜。地形高低影響降水多寡，地勢高降水多，地勢低降水少。安徽地形由南往北是山區(qū)向丘陵向平原逐漸過渡，地勢變低降水逐漸減少。安徽省降水空間分布差異同時受季風(fēng)影響顯著，夏季表現(xiàn)最為強烈，來自海洋的東南風(fēng)在由南往北吹送的途中，潮濕度逐漸降低，形成降水南多北少的格局，降水差異造成了安徽省植被覆蓋度差異，進一步驗證降水南多北少的分布特征[16-17]。本文對安徽省夏季降水變化特征及影響因素進行了初步探索，安徽省夏季降水的線性趨勢變化特征初步量化研究區(qū)夏季降水變化趨勢，在日益劇烈的環(huán)境變化下[27-28]，地表水熱過程的復(fù)雜性加劇了地表對全球過程響應(yīng)研究的挑戰(zhàn)，如何探究全球變化多模式水熱情境下，夏季降水與水旱災(zāi)害研究的量化驅(qū)動成為目前研究需要持續(xù)深入開展的切入點。

4 結(jié) 論

1）安徽省 1959—2017年的降水量總體上呈增加趨勢，夏季降水的增加量為23.01 mm/10 a，年平均降水量為21.31 mm/a，夏季降水增加量是年降水增加量的主要貢獻者。夏季平均降水量占年均降水量的45.9%，說明安徽省降水具有集中性，主要集中在夏季。

2）安徽省夏季降水在1991年異常偏多，年降水量在1991年和2016年異常偏多，異常偏多年份在厄爾尼諾年前后，說明安徽省降水受厄爾尼諾現(xiàn)象和拉尼娜現(xiàn)象影響顯著。

3）安徽省降水空間南多北少。夏季不同區(qū)域降水量差別明顯：淮北平原和江淮丘陵北部地區(qū)降水東多西少；江淮丘陵南部地區(qū)東西降水量基本一致；皖南地區(qū)表現(xiàn)為以黃山為環(huán)形中心向四周降水逐漸減少。年降水量南北差距較大，降水南多北少，東西略對稱，淮北平原東部降水稍多。降水的空間變化率表現(xiàn)為由南往北降水增加幅度逐漸變小，皖南山區(qū)在2～18 mm/a之間；江淮丘陵在-2～2 mm/a之間；淮北平原變化率主要在-2～0 mm/a之間。這說明皖南山區(qū)和江淮丘陵南部地區(qū)降水呈增加趨勢，江淮丘陵北部地區(qū)和淮北平原地區(qū)降水呈減少趨勢，降水量增加幅度由南往北逐漸減小。