中国中部典型半湿润半干旱区近40 年来气候变化特征
摘要: 以新密市为例对中国中部典型半湿润半干旱区近40 年来的气候变化特征进行分析。针对新密市1971－2010 年年、季平均气温、蒸发量及降水量采用线性倾向估计、累积距平、Mann－Kendall 检验方法进行趋势变化及突变分析。得出近40 年来中国中部典型半湿润半干旱区气候变化特征表现为年、季平均气温持续上升，年平均气温线性变化率为每10 年0．44℃，平均气温约上升了1．8℃; 年、季平均蒸发量反而呈波动式减少趋势; 年平均降水量并没有明显的增加或减少趋势，各季节降水量变化趋势各异。这些变化特征与全球变暖背景下我国范围内整体的气候变化趋势基本一致，但是各季节气候特征的年代际变化稍有差异。
关键词: 半湿润半干旱区; 气温; 蒸发量; 降水量; 变化特征
中图分类号: P461 文献标识码: A 文章编号: 1672-643X(2012) 03-0034-07
1 概述
气温、蒸发、降水是重要的气候要素，是表征气候变化的重要因素。近年来，以气候变暖为代表的全球环境问题已越来越受到各界的关注，全球地表温度均表明一致的变暖趋势，近50 年的变暖(0．13± 0．03) ℃ /10 a 几乎是近百年的两倍［1］。由于人类活动的影响与自然气候驱动因子的变化，加剧了气候变化的速度［2］，认识区域性气温变化对正确估计和理解全球变暖的原因与趋势至关重要。全球性陆面蒸散对大气环流和降水均有重要影响，进行蒸散(发发变化研究对深入了解气候变化规律及探讨其变化原因具有十分重要的意义［3］。大气降水是重要的气候资源，其年际和长期变化对我国社会经济生活具有重要影响，在气候变化中降水量变化的研究十分重要［4］。
多年来人们对气候变化特征进行了大量研究，但是研究区域多是集中于全国各大流域及干旱区，关于典型半湿润半干旱区近40 年气候变化特征的研究成果相对较少。在半湿润半干旱地区，降水量年内分配很不均匀，且气候干燥，日照时间长，蒸发量较大，土壤地表干燥，植被较差［5］。我国半湿润半干旱地区主要分布在华北、东北和青藏高原的中东部，面积约占我国国土面积的52%，同时这些地区的经济目前还相对落后，自然变化和人类活动带来气候变化，导致洪水和干旱，进而影响到社会经济发展，威胁粮食生产和生命安全［6］，这些地区的经济发展在我国占据重要地位，深入地研究半湿润半干旱区的气候变化特征具有重要科学价值和实际意义。
新密市位于河南省中部的嵩山东麓，隶属省会郑州，属典型的半湿润半干旱气候区，其多年(时段) 平均气温14．7℃，多年平均降水量约为663mm，1971－2010 年干旱指数为1．1 ～ 4．4，处于半干旱半湿润气候带［7］。本文以新密市为例对中国中部典型半湿润半干旱区近40 年来的年、季气候变化特征进行分析。
2 资料来源及研究方法
资料来源于新密市气象局监测的1971－2010年的逐月平均气温、蒸发量及降水量。
研究方法采用线性倾向估计法［8］和累积距平［9］进行气温、蒸发、降水时间序列的趋势分析，Mann－Kendall 突变检验法［8］对其进行突变分析，并进一步阐述气候变化趋势。线性倾向估计和累积距平是分析变化趋势的常用方法。在时间序列分析中，Mann－Kendall 检验是世界气象组织推荐并已广泛使用的非参数检验方法，它不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用于水文、气象等非正态分布的数据，计算简便［10］。该方法揭示了降水、径流、气温等要素时间序列序列的趋势特征，着重从定量的角度分析序列在某一时间段内的趋势特征，而且能反映该序列是上升趋势还是下降趋势［11－12］，同时可以明确突变开始的时间，并指出突变区域，是一种常用的突变检测方法。
(1) 线性倾向估计法［8］。将气候要素的趋势变化用一次性线性方程表示，即:
式中: b 为常数; a 为回归系数。
要素序列与其对应的观测时间t 之间的相关系数表示为:
确定显著性水平α，若| r | ＞ ra，表明要素序列x随时间t 的变化趋势是显著的，否则表明变化趋势不显著。
(2) 累积距平［9］。对于序列x，其某一时刻t 的累积距平表示为:
式中: 
，将n 个时刻的累积距平值算出，进行趋势分析。
(3) Mann－Kendall 突变检验法［10－12］。对于具有n 个样本量的时间序列x，构造一秩序列
其中:
可见，秩序列Sk是第i 时刻数值大于j 时刻数值个数的累计数。
在时间序列随机独立的假定下，定义统计量
式中: UF1 = 0，E(Sk) ，Var(Sk) 是累计年数Sk的均值和方差。
UFi为标准正态分布，它是按时间序列x 顺序计算出来的统计量序列，给定显著性水平α。若| UFi | ＞Uα，则表示序列存在明显的趋势变化。同理，可按时间序列x 逆序计算出UBk，且使UBk =－UKk(k = n，n－1，…，1) ，UB1 = 0。分析绘出UFk和UBk曲线图。
3 结果与讨论
3．1 气温变化
3．1．1 气温趋势分析
近40 年新密市年平均气温整体明显呈上升趋势，其线性变化率为每10 年0．44℃，平均气温约上升了1．8℃，并通过了α = 0．001 的显著性检验，如图1 及表1 所示。年平均气温累积距平表明，年平均气温从1971 年到1993 年一直低于多年平均气温，年累积距平一直下降，到1993 年达到最低谷，从1993 年后年平均气温呈逐年上升趋势。
从季节变化看，1971－2010 年新密市各季平均气温整体呈上升趋势，如图2 所示。全区春季平均气温变暖最为显著，气温增幅高达每10 年0．63℃，为四季中最大，40 年间春季平均气温约上升了2．5℃，并通过了α = 0．002 的显著性检验; 夏季全区平均气温升温幅度每10 年达0．20℃，为四季中最小，但未通过显著性检验; 秋季全区平均气温的增长率为每10 年0．34℃，低于年平均气温线性变化率，通过α = 0．02 的显著性检验; 冬季全区平均气温升高每10 年0．59℃，较夏、秋季速率明显增加，且通过α = 0．001 的显著性检验，表明春、冬两季的升温对年平均气温的升高是主要贡献。
相关系数r 表明(表1) ，春、冬两季及年平均气温的︱r︱较大，说明各个时段的气温与时间的线性相关较好，其中年平均气温的︱r︱最大，接近0．7，夏、秋两季的︱r︱都较小，且夏两季的︱r︱未通过显著性检验，说明各个时段的气温与时间的线性相关较差，线性趋势的可信度有限，但可作为参考值来使用。
3．1．2 气温突变分析
新密市1971－2010 年四季及年平均气温Mann－Kendall 突变检验结果见图3。
从图3(e) 中可知，1971 年至1993 年这22 年的时间里，有很长的一段时间序列UF 值大于零，虽有所波动但总体有增大的趋势，说明在这段时间新密市年平均气温总体呈上升趋势。在0．05 显著性水平下，年平均气温UF 和UB 曲线相交于1993 年，该年份是年平均气温突变开始的年份，且1993 年之后UF 值均大于零，并一直有增大趋势，同时由于UF 曲线超过显著水平0．05 临界线，说明1993 年之后新密市年平均气温呈现逐渐上升趋势，并且上升趋势显著，这与年平均气温累积距平结果一致。
各季节UF 和UB 曲线显示，该时期春季气温变化呈上升趋势，尤其在20 世纪90 年代中期以来出现了明显的增温趋势，1997 年为春季增温突变年份，20 世纪初以来是春季气温出现突变的时间区域(图3a) ; 20 世纪90 年代以来夏季气温呈现增加趋势，1994 年为气温上升的突变点，但因UF 曲线均未超过0．05 显著水平置信线，说明夏季气温未出现突变的时间区域(图3b) ; 20 世纪70 年代后期以来秋季气温呈现显著的增加趋势，1987 年为气温上升的突变年份，21 世纪初期以来是增温突变的时间区域(图3c) ; 该时期冬季气温整体上升趋势显著，1990年为增温的突变点，20 世纪中期以来为增温突变的时间区域(图3d) 。
通过以上分析发现，近40 年来我国中部典型半湿润半干旱区气温变化特征为年、季平均气温持续上升，特别是冬、春两季增温明显，春季增暖幅度最大，为夏季的3 倍。20 世纪80 年代到90 年代无论是年平均气温还是各季平均气温增幅表现都较为明显，20世纪90 年代以来为年平均气温突变的时间区域，1993 年是年平均气温由低变高的突变年份。我国中部半湿润半干旱区气温变化对全球变暖相应显著且具有鲜明的区域特色，而且与整个中国的气温变化趋势相似，这也与近30 年来全球变暖的最大增温幅度出现在北半球中高纬度地区的结论相符［13］。
近40 年来，我国中部半湿润半干旱区年平均气温约上升了1．8℃，平均气温升率为每10 年0．44℃，春季增暖幅度最大、冬季次之，我国干旱区秋、冬季升温显著［2］，而全球地表冬季平均气温升高最为显著，尤其是北半球中高纬度地区更为明显，春季次之，秋季最弱［14］。全球、全国及各区域冬季气温上升的事实［2，14］，证明了暖冬的出现，而本文的研究结果也与其相一致。
3．2 蒸发变化
3．2．1 蒸发量变化趋势分析
新密市多年平均蒸发量为1 661 mm，且年际变化不大。图4 中新密市年蒸发量的逐年变化曲线显示，1986 年以前大部分年份年蒸发量高于平均值，1986 年以后大多低于平均值。1971 年蒸发量2 225 mm 为近40 年来最高，超出平均值34%，最小值为2003 年的1 228 mm。年蒸发量累积距平表明，蒸发量从1971 年到1983年一直高于多年平均蒸发量，年累积距平一直上升，到1983 年达到顶峰，之后略有下降，到1986 年仍然处于高峰期，从1986 年后蒸发量呈逐年下降趋势，到2010 年处于最低值。
由图5 及表1 中可知，新密市各季蒸发量随年代均呈现波动式下降趋势，夏季下降幅度最大、春季次之、冬季最小，春、夏、秋、冬四季递减率分别为4．80、6．29、3．73、3．12。从相关系数r 及显著性水平α的检验情况来看，各时间序列的︱r︱都较大，且都通过α = 0．001 的显著性检验，说明各个时段的蒸发量与时间的线性相关较好，四季及年平均蒸发量减少趋势的研究结论可靠性较大。
3．2．2 蒸发量突变分析
新密市1971 年～ 2010年四季及年蒸发量Mann－Kendall 突变检验结果，见图6。
在0．05 显著性水平下，年蒸发量UF 和UB 两条曲线相交于1983 年，说明1983 年是新密市年蒸发量突变开始的年份。1971 年至1983 年这12 年的时间里新密市年蒸发量总体呈减少趋势。1983年之后UF 曲线超过显著水平0．05 临界线，说明1983 年之后为突变的时间区域，该时间区域内新密市年蒸发量呈现逐渐减少趋势，且减少趋势显著，1983 年是新密市年蒸发量由多变少的突变年份，这与年蒸发量累积距平结果一致(图6e) 。
各季节UF 和UB 曲线显示，该时期春季蒸发量变化呈减少趋势，尤其在20 世纪80 年代中期以来减少趋势显著，1984 年为春季蒸发量减少的突变年份，80 年代中后期以来是蒸发量出现突变的时间区域(图6a) ; 20 世纪80 年代以来夏季蒸发量呈减少趋势，1983 年为蒸发量减少的突变点，且UF 曲线超过0．05 显著水平置信线，说明1983 年以来是蒸发量出现突变的时间区域(图6b) ; 秋季蒸发量整体呈现显著的减少趋势，1984 年为发生突变年份且1984年以来是蒸发量减少突变的时间区域(图6c) ; 20世纪80 年代中期以来冬季蒸发量减少趋势显著，1986 年突变点，20 世纪90 年代末以来为突变的时间区域(图6d) 。
以上分析表明，近40 年来我国中部典型半湿润半干旱区蒸发变化特征为年、季平均蒸发量呈波动式减少趋势，四季中春、夏两季平均蒸发量较大，且减少幅度较为明显。20 世纪80 年代以来为年蒸发量突变的时间区域，1983 年是年蒸发量由多变少的突变年份。
长期以来，气候变化学界一般认为，气温增暖会引起更强的蒸发，容易造成干旱［15］。本文的分析不支持这一流行观点。近40 年来我国中部半湿润半干旱区年蒸发量呈现明显的波动式下降趋势，与全国1956－2000 年蒸发量呈明显减少趋势相符［16］。在蒸发的年内和年纪尺度变化上，气温的影响的确非常显著，但是至少在过去的半个世纪，气温对我国大部分地区水面蒸发量趋势变化的影响没有太阳辐射和风速等因子重要［16］。我国中部半湿润半干旱区夏季蒸发量变化幅度最大，这与全国水面蒸发量夏季变化最为显著［10］保持一致。
3．3 降水变化
3．3．1 降水变化趋势分析
近40 年来新密市降水量并没有明显的增加或减少趋势(图7) ，处于相对稳定状态。降水量累积距平显示，1971－1983 年段、1986－2003 年段年降水量累积距平均低于多年平均降水量，处于枯水期，2004－2010 年段年降水量累积距平高于多年平均降水量，处于丰水期。
新密市各季降水量随年代均呈现波动式变化。多年来，夏季平均降水量呈现增加趋势，在四季中变化幅度最大，春、秋两季平均降水量有一定减小趋势，但变幅不大，冬季平均降水量并没有明显的增加或减少趋势，整体来看，四季及年平均降水量均呈现较弱的的变化趋势，处于相对稳定状态，如图8 及表1 所示。从相关系数r 及显著性检验来看，四季及年平均降水的︱r︱都较小，且都未通过显著性检验，说明各个时段的降水量与时间的线性相关较差，线性趋势值的可信度有限。
3．3．2 降水突变分析
对新密市年降水量时间序列进行突变检验和分析，结果如图9 所示。
年降水量UF 曲线20 世纪70 年代在零值线附近波动，无明显增减趋势，80 年代中期至90 年代中期在零值线以上活动，表明降水量呈增加趋势，21世纪初以来又呈现出弱的上升趋势。在0．05 显著性水平下，可以发现UF 和UB 两条曲线相交于多个点，综合分析各交点位置后判断，新密市年降水量出现两次较为明显的增加突变，一次是发生在80 年代初期，具体是1982 年，第二次发生在20 世纪末，具体是1999 年。由于UF 曲线未超过0．05 显著水平置信线，年降水量未出现突变的时间区域(图9e) 。
各季节UF 和UB 曲线显示，20 世纪70 年代至21 世纪初春季降水量呈现较弱的上升趋势，21 世纪初以来有弱的减少，变化趋势不明显，1999 年和2003 年为降水量减少的突变年份(图9a) ; 夏季降水量整体呈增加趋势，1998 年为降水量增加的突变年份(图9b) ; 秋季降水量整体呈现减少趋势，1976年为降水量减少的突变点(图9c) ; 20 世纪70 年代至90 年代初期冬季降水量呈现减少趋势，此后出现增加趋势，1997 年为降水量增加的突变点(图9d) 。
由于四季UF 曲线都未超过0．05 显著水平线，因此各季节均未出现突变的时间区域。
分析表明，近40 年来我国中部半湿润半干旱区降水变化特征为年平均降水量并没有明显的增加或减少趋势，处于相对稳定状态，四季中夏季平均降水量增幅较为明显。近40 年来，年降水量并未出现突变的时间区域。
近40 年来我国中部半湿润半干旱区降水相对稳定，虽有波动，但变化趋势不明显，与全国平均降水量没有显著变化趋势一致。无论是干旱区、半湿润半干旱区还是全国范围，在进入20 世纪80 年代后都呈现降水显著增加的趋势［4］。我国中部半湿润半干旱区夏季降水量在上世纪80 年代及本世纪初有所增加，这与近47 年来我国夏季降水量在90年代有所增加的变化［17］不相一致，但春秋两季降水量变化趋势与全国大范围降水减少趋势一致，未来可以加强这两个季节的抗旱工作。
4 结语
本文通过对新密市这一中国中部典型半湿润半干旱区1971－2010 年的气温、蒸发、降水进行趋势分析及突变分析，得出近40 年来中国中部典型半湿润半干旱区气候变化特征表现为年、季平均气温持续上升，但是随着温度的上升年、季平均蒸发量反而呈波动式减少趋势，年平均降水量并没有明显的增加或减少趋势。这些变化特征与全球变暖背景下我国范围内整体的气候变化趋势基本一致，但是各季节气候特征的年代际变化稍有差异，可能是由于纬度、海拔、太阳辐射和风速等因子不同所造成的，这有待于以后进一步进行研究。
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作者简介: 毛翠翠(1988-) ，女，河南登封人，硕士研究生，研究方向: 水文学及水资源。
