文水县近43 a来气候变化特征分析

常耀杰，马明璐，范耀秀，王文忠

（太原师范学院地理科学学院，山西晋中030619）

文水县近43 a来气候变化特征分析

常耀杰，马明璐，范耀秀，王文忠

（太原师范学院地理科学学院，山西晋中030619）

运用文水县气象站1972—2014年的气温、降水量数据，通过计算气候倾向率和均方差，以及采用Cubic曲线拟合等方法对文水县近43 a来的气温和降水变化特征进行分析。结果表明，从温度总体变化来看，文水县近43 a来年均温以0.32℃/10 a的速度上升，尤其是20世纪90年代后增温剧烈；从季节变化来看，全年各月气温都在上升，但冬春季升温幅度剧烈，夏秋季升温幅度较弱。从降水变化来看，整体上43 a来年降水量呈现明显下降趋势，尤其从20世纪90年代开始降水量急剧下降；从季节降水来看，秋季降水量略有增加，其他3个季节降水量都呈现减少趋势。综合气温和降水变化情况，文水县气候经历了由暖湿到暖干的变化过程。

文水县；气候变化；气温；降水

2013年IPCC第五次评估报告（AR5）指出，1880—2012年，全球平均地表温度升高了0.85℃，并预计21世纪末全球平均地表温度在1986—2005年的基础上将升高0.3～4.8℃[1]，气候变化已经成为一个公认的事实，引起了国内外的普遍关注。在20世纪90年代就有学者研究发现，在过去100多年中，全球平均气温上升了0.3～0.6℃[2]，雷Wen等[3]通过研究发现，在1951—1990年，中欧、美国、澳大利亚、俄罗斯等地的气温有明显的上升趋势，大量的冰雪消融，使得全球海平面在20世纪平均上升了0.1～0.2m。我国近百年气温变化与全球相似，也有明显的升温趋势[4-6]，但是不同的区域气候变化存在很大的差异。如李又双等[7-9]研究发现，20世纪50—80年代末，我国东北、华北、西北的西部地区均出现了增温趋势，但增温幅度不尽相同，而在青藏高原以东的地区气温却有所下降[10]。已有的研究多为大尺度范围的气候变化分析，而对小尺度空间区域的研究较少。而针对某一小区域的气候变化进行研究，能够更加准确地把握在全球气候变暖背景下的局部小气候的变化特征，为该地区的生态安全和经济发展提供科学依据。

文水县位于山西省中部，汾河盆地西缘，吕梁山东麓，西高东低。总面积1 064.5 km2，是典型的黄土地貌区。属温带大陆性季风气候，年平均降水量为457mm，降水主要集中在7，8月；光照充足，年平均日照时数为2 252 h，平均日照率为58%；年平均气温为10.1℃。夏季炎热多雨，多洪涝灾害，冬季寒冷干燥，多寒潮。据研究，气候变化会对农作物产生一些影响[11-15]，文水县农作物以冬小麦、玉米为主，经济果木以梨、葡萄、苹果为主，是典型的农业县，显然，气候变化对该县经济发展有着决定性作用。

利用1972—2014年的气温和降水资料对文水县气候变化特征进行长时间序列的分析，旨在更好地指导该区的农业、工业生产活动，为文水县的农业生产和经济发展提供科学依据。

1 数据来源和研究方法

1.1 数据来源

数据来源于文水县地面气象站（地理坐标为：37°27′N，112°03′E），利用1972—2014年逐月的平均气温和降水量数据分别从年际、年代际、季节3个不同的时间尺度对文水县43 a的气温和降水变化进行系统的分析，旨在分析文水县这一县域小气候对全球气候变化的响应。

季节划分：春季（3—5月），夏季（6—8月），秋季（9—11月），冬季（12月至次年2月）。

1.2 研究方法

1.2.1 气候倾向率 气候倾向率是分析长时间序列的某一气候要素的变化速率，一般用一次方程来表示。

1.2.2 Cubic函数曲线拟合 用Cubic函数曲线，将气候某要素写成关于时间t的非线性函数。

式中，b0，b1，b2，b3为经验系数，是针对实际资料利用最小二乘法求出的。通过三次函数（Cubic函数）曲线拟合，可以直观地反映气候某要素随时间序列的阶段性波动状况和变化特征，适合于几年到几十年相对短期的气候变化特征分析。根据Cubic图像上的阶段性极值可分析某一气候要素变化的转化特征。其中，极大值表示要素变化由上升趋势转化为下降，极小值则相反。

1.2.3 气候标准差和方差 标准差（均方差）和方差是分析某一气候要素偏离平均状态的重要指标，对于序列xi，其标准差表示如下。

2 结果与分析

2.1 温度变化分析

2.1.1 气温的年际变化特征 根据文水县1972—2014年逐年的月平均气温数据，计算出这43 a来逐年年均温，用每年年均温值减去这43 a的年均温作为对应年份的年均温距平值。绘制年均温及距平值的变化趋势如图1所示。

由图1可知，文水县近43 a来的年平均气温呈现波动上升趋势，尤其是1996年以来升温趋势非常明显。从图1线性趋势变化曲线可以看出，文水县43 a来的年平均气温的气候倾向率为0.32℃/10 a。

拟合Cubic曲线方程为：y＝-0.001x3＋0.01x2－0.169x＋10.62，其线性化后的复相关系数R＝0.718，通过检验，说明文水县的年平均气温呈现先下降后上升的趋势十分显著。从逐年的距平值变化图可以看出，在1996年以前主要为负距平，气温明显低于年均气温，且在1984年年均温出现43 a来的最低值（9.01℃）；在1996年以后则以正距平为主（1996年累积距平达到最小，为-10.5℃），气候变化显著，具有跳跃上升的特点，在2006年达到近43 a来的最高值，为11.7℃。总之，43 a来文水县的年平均气温与全国变暖趋势一致[16]。

由表1可知，文水县1972—2014年各月、年平均气温的倾向率、均方差以及Cubic函数R值变化均呈上升趋势，其中，气温倾向率由公式（1）求得，均方差由公式（3）求得，Cubic函数R值由公式（2）拟合而来，采用自由度为n-2、信度为0.05的t检验，当时显著相关，认为气候的波动变化不是随机发生的，而是具有明显的趋势。从表1可以看出，各月和年平均温度的气温倾向率均为正数，说明这43 a来每月气温均呈现上升趋势，但其上升幅度有所不同，上升幅度最大的是2月，上升幅度最小的是8月，冬季升温幅度高于夏季；年较差的气温倾向率为负值，说明气温年较差有减小趋势。Cubic函数R值除1，11月外，其余月份和年均温的可靠性均通过信度为0.05的检验，达到了显著水平，且为正相关，可以认为，43 a来，各月平均气温和年均温均出现了显著波动上升趋势；但1，11月的波动趋势显著较小；另外，年较差的Cubic函数R值为-0.377，达到显著负相关水平，表明年较差呈显著的波动性下降趋势。从各月气温的均方差看，2月的均方差最大，为1.946；7月的均方差最小，为0.841，由此可见，43 a来2月的平均气温波动变化范围较大，7月的平均气温波动变化范围较小。虽然各月和年均温都有上升趋势，但年均温的气温倾向率较大（0.32℃/10 a）、均方差较小（0.650），表明年均温与时间序列联系最为密切，43 a中同期波动幅度小，上升趋势明显。

表1 文水县1972—2014年各月平均气温倾向率及均方差

2.1.2 气温的年代际变化特征 为了具体反映气温的阶段性变化特征，本研究分为20世纪70年代（1972—1979年）、80年代（1980—1989年）、90年代（1990—1999年），21世纪初（2000—2009年）、2010—2014年5个阶段，计算了不同年代各月的平均气温（表2）。在计算1972—2014年各年代际的气温倾向率时，由于1970，1971年数据的短缺，用20世纪70年代的均温进行补充（表3）；将2000—2014年这15 a看成进入21世纪后的一个年代。由表2，3可知，与我国整体从70—80年代气温上升趋势相反[17]，文水县气温在20世纪70年代呈下降趋势，到80年代气温达到近40年来的最低水平，年均温为9.85℃，但仍有微弱的上升趋势；90年代以后气温上升幅度明显，年均温比80年代高0.55℃，气温倾向率达到1.72℃/10 a，各月气候倾向率也均为正值，说明在20世纪90年代各月的气温都出现了上升趋势；进入21世纪以后气温持续升高，但升高幅度有所减缓。总体来说，20世纪80年代，文水县处于相对寒冷期，而70年代和90年代以后处于相对温暖期。

表2 文水县1972—2014年各年代际平均气温 ℃

表3 文水县1972—2014年各年代际气温倾向率 ℃/10 a

气温年较差是最热月平均温度和最冷月平均温度之差。从表3可以看出，在20世纪80年代和21世纪以来气温年较差变化趋势和年均温变化趋势相反，都呈现出气温升高、年较差减小的趋势；而在20世纪70年代和90年代，二者的变化趋势一致。说明年内各月气温变化并不一致，存在季节性差异。20世纪70年代冬季（12，1，2月）气温是上升的，但春季、夏季、秋季气温呈下降趋势；80年代平均气温变化不明显，但冬季各月气温上升幅度很大，夏季气温却是下降的，这也是80年代气温年较差最小的原因；90年代各月气温都是升高的，其中春季和夏季升温趋势明显，秋冬升温趋势较小，这是导致90年代气温年较差增大的主要原因；进入21世纪后气温在20世纪90年代的基础上略有升高，但变化幅度不大。总体来说，文水县43 a来的年均温是上升的，但并不是持续上升，20世纪70年代气温下降，从80年代起气温开始上升，90年代上升幅度达到最大，其中冬季增温幅度要大于夏季。

2.1.3 气温的季节变化特征 采用1972—2014年文水县逐月气温观测数据，依据季节划分方法计算出逐年的春、夏、秋、冬四季的月均温，绘制这四季的气温变化曲线如图2所示。

从图2可以看出，文水县近43 a来的春、夏、秋、冬四季的均温都呈上升趋势；其中，春季增温最为剧烈，其线性倾向率为0.48℃/10 a，高于全国春季气温倾向率0.272℃/10 a[18]，这种情况与全国冬季升温最为剧烈的状况有所差异[19]；其次，冬季的增温也非常明显，增温幅度为0.45℃/10 a，小于全国的0.532℃/10 a；再次是夏季，其气温倾向率为0.20℃/10 a，与全国夏季增温幅度一致；增温幅度最小的季节为秋季，气温倾向率为0.19℃/10 a。

从图2的四季Cubic曲线拟合来看，文水县春季均温从20世纪70年代到80年代中期呈下降趋势，在1984年达到了一个低谷，之后处于一直上升阶段；夏季均温分3个变化阶段，即1972—1982年呈下降趋势，在1982年到达极小值，1982—2008年为上升阶段，到2008年到达一个小高峰，2008年以后又有所下降；秋季均温在20世纪70年代是下降的，在1979年时为小低谷，之后一直缓慢上升，直至2009年达到一个小高峰，之后缓慢下降。总之，秋季均温的升高趋势不明显；冬季均温的变化与夏季一样也经历的3个阶段，第1阶段（1972—1978年）缓慢下降，在1978年达到低谷；第2阶段（1979—2008年）处于增温状态，尤其是1996年后增温十分迅速，在2008年达到高峰；第3阶段（2008—2014年）均温有所下降。总体来说，这4个季节的均温都呈现了先下降后上升的趋势，且低谷除秋季外，均出现在20世纪80年代，高峰出现在21世纪的前10 a，之后气温除春季外都有回落的趋势。

2.2 降水变化分析

2.2.1 降水量的年际变化特征 降水量距平百分率是降水量距平值与多年同期平均降水量的百分比，通过计算降水量的距平百分率可以直观地看出降水量的变化趋势（图3）。

从图3可以看出，文水县43 a来的降水量年际波动变化非常明显，降水量最大的年份是1973年，为646.4 mm；降水量最小的年份为1999年，为249.5 mm，其最大值是最小值的2.59倍，最大值是多年平均值的1.45倍，通过线性趋势线可得递减速率为18.32 mm/10 a。年降水量Cubic曲线函数为：y＝-0.024x3－1.531x2＋23.74x＋396.1，其线性化后的复相关系数R＝0.402，通过了a＝0.01检验，说明文水县的年降水量的波动下降趋势十分明显；1996年之前距平百分率以正值为主，均值为7%，降水量较多，气候偏湿润；1996—2010年距平百分率多为负，均值为-16.22%，降水量较少，气候偏干燥；2011—2014年距平百分率为正值，降水量有所增加。

2.2.2 降水量的年代际变化特征 从表4可看出，20世纪70年代的年均降水量最大，为490.5 mm；21世纪前10 a的年均降水量最小，为413.7 mm，二者相差76.8mm。年代际降水量变化以20世纪90年代为转折点，20世纪70，80年代年降水量均以正距平为主，年降水量高于多年平均降水量，降水较多，其中70年代的年均降水量比43 a平均降水量多10.3%，80年代的年均降水量比43 a的平均降水量多5.73%；20世纪90年代至2014年的降水量距平值为负，降水量低于多年平均水平，说明这段时期比较干旱，尤其是21世纪的前10 a降水量比多年均值少7%。从各月降水量来看，最冷月（1月）降水波动较大，2010—2014年1月年均降水量最小，为1.1 mm，2000—2009年1月年平均降水量最大，为4.8 mm，前者比后者少77.1%；最热月（7月）降水波动较小，2000—2009年7月年均降水量最小，为76.4mm，2010—2014年7月年平均降水量最大，为136.5mm，前者比后者少44.0%。

表4 文水县1972—2014年各年代际平均降水量 mm

2.2.3 降水量的季节变化特征 采用文水县1972—2014年逐月降水量观测数据，依据季节划分标准，计算文水县近43 a来每年的四季降水量，并分别绘制文水县1972—2014年春、夏、秋、冬四季的降水量分布图（图4）。

从图4可以看出，文水县43 a来的春、夏、冬季降水量呈减小趋势，但是减少幅度有所不同，从各季的降水趋势线来看，夏季减少程度最大，大约每年减少2.379 mm，春季每年减少0.04 mm，冬季减少速度最缓慢，每年大约减少0.034 mm；而秋季降水量却有所增加，大约每年增加0.623mm。

另外，从图4中Cubic拟合曲线还可以看出，春季降水量在20世纪70—80年代中期有所增加，到1985年达到一个峰值，之后减少，在2005年达到最低，2005年后缓慢增加；夏季降水量在1977年达到最高峰，之后呈现出减少趋势，到2003年达到最低；秋季降水量，1972—1978年呈增加趋势，到1978年达到一个小高峰，之后缓慢下降，在1998年达到了低谷，之后又出现了上升趋势；冬季降水量从1972年到80年代中期呈现下降趋势，在1983年达到低谷，之后上升，但上升趋势缓慢。

四季的降水变化幅度和时间不一致，有的季节降水减少，有的季节降水增加，但年均降水量总体呈现减少趋势。

3 结论

本研究结果表明，文水县近43 a来气温总体上呈上升趋势，年均温以0.32℃/10 a的幅度升高，气温变化可分为2个暖期（20世纪70年代和90年代后）和一个冷期（20世纪80年代）；90年代后升温显著，尤其是在21世纪前10 a年均温达到了最高，但气温的上升仍有季节差异，冬、春季升温剧烈，夏、秋季升温较弱，这是导致气温年较差减小的原因。

文水县近43 a来降水量呈总体下降趋势，降水倾向率为-18.32mm/10 a。尤其在20世纪90年代以后年降水量下降幅度明显，在21世纪前10 a降水量达到了最小；从降水量的季节变化来看，春、夏、冬季的降水量都有减少趋势，减少速率大小为：夏季>春季>冬季；而秋季的降水量却有所增加。

文水县气侯呈现出暖湿-冷湿-暖干的变化趋势。文水县气温在20世纪70年代处于相对偏暖期，80年代气温急剧下降，达到了多年来的最低值，为相对偏冷期；在90年代气温明显上升直到21世纪前10 a达到了最高，为相对偏暖期。降水量以20世纪90年代为转折，90年代以前年均降水量高于43 a平均值，距平百分率以正值为主，雨水较丰富；从90年代开始年均降水量低于43 a平均值，距平百分率以负值为主，降水较少。综合气温和降水变化趋势来看，文水县43 a的气候经历了由20世纪70年代的暖湿到80年代的冷湿再到90年代后暖干的态势，但值得注意的是，2011—2014年这5 a来的年均温有所下降，降水量也有所增加，暖干化趋势减缓。

气候变化对自然生态系统和社会经济系统均会产生深刻的影响[20]，文水县是以农业为主的区域，气温和降水的变化对农作物的生长、产量等产生重要的影响。因此，在开展各项经济活动时，还必须注意气候环境的分析评价，保证该区生态安全和经济的可持续发展。

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Analysis on Climatic Change Characteristics of Wenshui County in Recent 43 Years

CHANG Yaojie，MA Minglu，FANYaoxiu，WANG Wenzhong
（College ofGeographical Sciences，Taiyuan Normal University，Jinzhong030619，China）

According to the dataof temperature and precipitation in 1972-2014 from Wenshui Weather Station,thispapergives the analysis of the characteristics of temperature and precipitation change in the recent 43 years by measuring climatic tendency rate and mean square deviation and adopting other methods like cubic curve fitting.The results shows that from the general temperature change, the annual temperature of Wenshui county in the recent 43 years goes up at a rate of 0.32℃/10 a,especially fiercely in the late 1990s. Form the seasonal change,the monthly temperatures are all rising throughout the year,but sharply in spring and winter and weakly in summerand autumn.As for the precipitation change,the annual precipitation in the past43 yearsgenerally declined obviously,especially sharply from the1990s.From the seasonal change,precipitation hasa slightincreasewhilea decrease in other three seasons.Considering the conditions of both temperature and precipitation,it has been a process form being warm and wet to being warm and dry in Wenshui County.

Wenshui county;climatic change;temperature;precipitation

467

A

1002-2481（2016）07-0995-07

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.07.24

2016-03-07

常耀杰（1990-），女，山西文水人，在读硕士，研究方向：自然资源评价与开发。王文忠为通信作者。