近60 年天津海岸带地区降水与气温的演变规律

李 锐，郭乂瑄，郭长城，张 兵，张文江，王义东，王中良

（1.天津师范大学天津市水资源与水环境重点实验室，天津300387；2.天津师范大学地理与环境科学学院，天津300387；3.四川大学 水利水电学院，成都四川610065）

天津地区位于华北平原，是海河五大支流汇合和入海处，具有重要的战略地位，然而该区域水资源严重短缺，2013 年人均水资源占有量101 m3，为全国平均水平的1/9[1].近年来，天津市不断加强对水资源的保护和合理利用，水资源问题得到明显改善，2016 年引滦入津和其他河流入津后人均水资源量达到370 m3[2].但目前天津市仍属于严重缺水地区，这对农业、工业和社会经济影响重大.此外，由于全球变暖的影响，流域的降雨量[3]、极端降雨事件[4]和潜在蒸散发[5]等水循环要素的变化均对天津市水资源管理和农业产生影响[6]，尤其是在作物关键生长期的春季（3—4 月份），降雨量减少但蒸发量增加，造成冬小麦生长期延长[7-9]，导致植物需水量和需水时段的改变.因此，研究全球变暖背景下降雨与气温的变化规律对于农业、工业和社会生产水资源的合理规划和利用具有重要意义[10].

目前，已有研究对天津地区降雨和气温的变化规律展开分析，从降雨的年际变化来看，天津地区年降雨量自1960 年代起呈现显著减少趋势[11-13]，现正处于周期底部、降雨偏少阶段，2001 年后，年降雨量呈现增加趋势，但仍处于偏少阶段[14-15].从季节变化来看，夏季降雨量自1996 年后呈显著减少趋势，其他季节无明显变化，而季节降雨与年降雨量间的提前或滞后关系机制尚不明确[16-17].从地区差异来看，降雨的总趋势由太行山和燕山迎风区分别向西北和东南两侧逐渐减少[18].从气温的年际和季节变化来看，海河流域年平均气温在20 世纪90 年代后呈明显升高趋势，且冬季和春季升温速率高于夏季的升温速率，突变点为1986 年[17]，且气温从东南向西北逐渐降低.海河流域气温升高、降雨量减少以及空间上的反向特征对农业生产以及水资源的开发与利用造成不利影响[18].从降雨与气温的相互关系看，目前相关研究较少，且均从年尺度上讨论，如张兵等[19]认为天津市所在地区年尺度降雨量与气温在多时间尺度上主要为非线性关系，而在季节尺度上的降雨量和气温的协同变化关系并不清楚.

近年来的研究主要针对整个天津市降水量和气温二者各自的变化规律，对于生态环境脆弱、水资源短缺的天津海岸带地区降水量和气温的长期协同变化关系，特别是春旱背景下春季与全年的同步研究鲜有涉及.因此，本研究利用线性趋势、小波分析和小波相干性对天津海岸带地区降水量与气温的协同变化问题进行分析.

1 数据与方法

1.1 研究区域概况

本文选取天津海岸带地区作为研究区域.该区域位于华北沿海地区平原地带东部，紧邻渤海湾，北起涧河南至岐口，位于38°40′N～39°10′N，117°36′E～117°52′E；海岸线全长153 km，总面积为1337.84 km2，由原汉沽区、塘沽区和大港区组成，海河流域下游为海河五大支流南运河、子牙河、大清河、永定河和北运河的汇合处和入海处.气候属于温带大陆性季风气候，受季风影响，四季分明，春季干旱多风，冷暖多变，极易发生春旱，近年来春旱程度逐渐加重，范围也有所扩大[20]；夏季受副高暖高压加强的影响，气温高，湿度大，雨量集中，易发生旱涝急转事件；秋季天高云淡；冬季寒冷干燥、少雪.天津市年平均气温为11～12 ℃，年降雨量为360～970 mm，夏季6—9 月降雨量占全年降雨量的60 %～75 %，春季降雨量不足全年降雨量的10 %. 由于4 月是主要农作物冬小麦重要的拔节期—抽穗期[21]，因此春季降水量的变化对农作物的生长极其重要.气候变化的敏感性以及人类活动的活跃性对海岸带的影响造成天津海岸带地区生态环境非常脆弱，洪水、风暴潮以及城市内涝加剧，进而影响农业、工业和社会经济的发展[22].

1.2 数据来源与处理

气象数据来源于中国气象局提供的1961—2018 年的天津滨海塘沽站（39.05 °E，117.72 °N）流域范围内的日平均气温和日降水量观测数据.经过对气象数据进行统计，1961—2018 年58 a 的日均气温和降水数据完整，可以计算得到气温全年累积值和降水全年累积值.此外，基于气象行标[23]的要求，依据连续5 d 平均气温为10～22 ℃时为春季来划分、计算和统计春季气温值和春季降水量，进而分析气温与降水的变化规律和相互关系.

1.3 分析方法

1.3.1 回归分析法

回归分析又称线性回归，基本思路为因变量y 随着自变量x 的变化而线性变化，模型方程式为y=ax+b，其中y 为分析对象，x 为时间因子，a 和b 为待定系数.变化程度与趋势取决于一次方程的斜率a，a>0 表示增加（上升）趋势；a<0 表示下降（减少）趋势.

1.3.2 小波分析

小波变换（wavelet transform）是21 世纪80 年代发展起来的信号分析工具，它将信号与一个在时域和频域均具有良好局部化性质的函数族进行卷积分，从而把信号分解成一组位于不同频带和时段内的分量；具有时频局部化和多分辨率特性，能够较为准确地判断出水文时间序列中时间尺度（周期）的具体时段.

给定小波函数φa，b（x），时间序列f（x）∈L2（R）的连续小波变化（continuous wavelet transform，CWT）为

式（1）中：尺度因子a 反映小波的周期长度；平移因子b 反映时间上的平移.CWT 所得结果为一系列小波系数Wf（a，b），用以表示该部分信号与小波的近似程度.地学中大部分研究对象的信号为非连续变化的离散信号.设函数f（x）=f（kΔt），其中k=1，2，3，…，n，Δt 为取样间隔，则式（1）的离散小波变换为

常用的小波函数有Morlet 小波、Mexican Hat 小波和Haar 小波等，其中Morlet 小波的波形与降雨和气温时间序列的波形相近，且在时频域局部性较好，故本研究采用Morlet 小波对降水与气温时间序列进行小波分析.

式（3）中：w0为常数；i 为虚数. 傅里叶变换为φ（x）=Morlet 小波的时间尺度a 与周期T 存在以下关系：

利用小波变换方程得到小波系数.小波系数实部图中，等值线的闭合中心对应气温与降水变化中心，正值表示增多，负值表示减少；小波系数实部的零点对应气温与降水的突变点；小波系数的模方相当于小波能量谱，可以从小波系数模方图看出不同周期的振荡能量；小波方差（wavelet variance）是小波系数的平方值在b 域上的积分，表达式为

小波方差图可以反映水文时间序列波动能量随时间尺度a 的分布情况，用来确定水文时间序列中存在的主周期[24-25].Morlet 小波的离散小波变换为

1.3.3 小波相干性分析

与传统小波变换相比，小波相干性（wavelet coherence，WTC）分析可以用来分析时间序列间在时频上的互相关性.时间序列小波谱和小波互谱分别为

根据式（7）和式（8）定义小波互相关系数Wp（a，τ）为

小波互相关可以描述非平稳时间序列在不同时间尺度上和不同滞下的互相关关系，克服传统互相关的局限性，有助于对时间序列互相关关系进行全面细致的定量分析[26].

2 研究结果

2.1 年和春季降水量变化特征

2.1.1 降水量趋势分析

图1 1961—2018 年天津海岸带地区全年和春季降水量的变化趋势Fig.1 Annual and spring precipitations trend of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

图1 为天津海岸带地区年和春季降水趋势分析.

由图1 可知，天津市海岸带地区1961—2018 年年降水量呈显著的下降趋势（p ＜0.01），降雨倾向率为-10.9 mm/（10 a）；春季降水量则无明显变化.

2.1.2 降水量小波实部时频分析

图2 为天津海岸带地区1961—2018 年全年和春季降水量的小波系数实部图.

图2 1961—2018 年天津海岸带地区全年和春季降水量的小波实部分析Fig.2 Wavelet real part analysis of annual and spring precipitations of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

由图2（a）可以看出，年降水量存在4～6 a、10～15 a及20～30 a 共3种时间尺度的周期变化规律.其中，4～6 a 尺度主要为1970—1975 年稳定的丰枯交替的准两次振荡；10～15 a 尺度为1975—2000 年稳定的丰枯准三次振荡；而20～30 a 尺度准周期在1990 年前明显，且从30 a 以上的周期可以看出目前正处于丰水年.

由图2（b）可以看出，春季降水量存在4～6 a、7～10 a 和23～32 a 共3种时间尺度的周期变化规律.其中，4～6 a 尺度分为1980—1998 年稳定的准五次丰枯交替变化以及2010—2016 年的准两次丰枯交替变化；7～10 a 尺度分为1961—1970 年的准两次丰枯交替周期变化和2003—2010 年的准两次周期变化规律；23～32 a尺度的丰枯交替变化表现清晰且振荡分布规律明显.

2.1.3 降水量小波能量多时间尺度特征

图3 为天津海岸带地区1961—2018 年全年和春季降水量小波系数多时间尺度的模方能量特征图.

图3 1961—2018 年天津海岸带地区年和春季降水量小波模方分析Fig.3 Wavelet modular analysis of annual and spring precipitations of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

由图3（a）可以看出，20～32 a 时间尺度的模方值最大，在1980 年前和2010 年后20～30 a 时间尺度周期最显著，其他时间尺度模方值均较小且存在局部性，周期变化较小或不显著.

由图3（b）可以看出，春季降水量4～6 a 时间尺度的模方值在1980—1997 年和2010—2017 年最大，周期最显著，故4～6 a 尺度的周期性具有局部性；7～10 a尺度在1961—1970 年尺度能量较强，周期较显著，在2000—2010 年尺度能量较弱，周期性不显著，说明7～10 a 尺度的周期在最前列显著；25～30 a 时间尺度的能量虽然不强但占据了整个时频区域.

结合图2（b）和图3（b）可知，30 a 以上时间尺度周期的小波实部值为正值且图中右边界没有闭合，同时30 a 以上时间尺度周期小波系数模方值较小. 因此，目前春季为降水量上升的丰水年，但上升幅度不明显.

2.1.4 降水量小波方差主周期分析

1961—2018 年天津海岸带地区降水量小波系数主周期特征如图4 所示.

图4（a）中有4 个峰值，分别对应5、13、23 和29 a的时间尺度，第一峰值为23 a 尺度，说明23 a 左右周期振荡最强，为年降水量的第一主周期.第二至第四主周期依次为29、13 和5 a.图4（b）中存在3 个峰值，分别为5、8 和27 a 左右的时间尺度，其中5 a 左右和27 a 左右时间尺度的小波方差值相同，同为第一峰值，因此，春季降水量的第一主周期有2 个，分别为5 a 左右和27 a 左右.第二主周期为8 a 左右.

图4 1961—2018 年天津海岸带地区全年和春季降水量小波方差分析Fig.4 Wavelet variance analysis of annual and spring precipitations of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

因此，天津海岸带地区年降水量呈现显著下降趋势，而春季降水量无明显变化，小波分析全时域主周期中，年降水量的主周期为23 a 左右，春季降水量主周期为27 a 左右；年尺度的主周期比春节主周期提前约4 a，说明春季降水量的变化要延后于年降水量.

2.2 年气温和春季气温变化特征分析

2.2.1 气温趋势分析

对1961—2018 年天津海岸带地区全年和春季的气温趋势特征进行统计，结果如图5 所示.由图5 可以看出，年和春季气温均呈显著上升趋势（p ＜0.01），达到了99%的置信水平，气温倾向率分别为16.2 ℃/（10 a）和3.39 ℃/（10 a）.

2.2.2 气温小波变换实部时频变化分析

图6 为1961—2018 年天津海岸带地区年和春季气温的小波系数实部时频特征.

图5 1961—2018 年天津海岸带地区全年和春季的气温变化趋势Fig.5 Trends of annual and spring air temperatures of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

图6 1961—2018 年天津海岸带地区全年和春季气温小波实部分析Fig.6 Wavelet real part analysis of annual and spring air temperature of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

由图6 可以看出，年气温与春季气温具有基本类似的周期规律，均存在25～30 a 时间尺度的丰枯两次准周期振荡周期变化规律.此外，30 a 尺度的周期小波实部值为正值，且图中右边界没闭合，说明目前正处于偏暖时期.

2.2.3 气温小波能量多尺度特征

天津海岸带地区1961—2018 年年和春季气温小波系数多尺度模方特征如图7 所示.

图7 1961—2018 年间天津海岸带地区全年和春季气温小波模方分析Fig.7 Wavelet modular analysis of annual and spring air temperatures of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

由图7 可知，年和春季气温均在20～30 a 时间尺度的模方值较大，但年尺度在1961—1980 年和1985—2000 年的模方值较大，而春季尺度模方值则在整个时域均较大.

2.2.4 气温小波方差的主周期分析

1961—2018 年天津海岸带地区年和春季气温小波系数方尺主周期特征如图8 所示.由图8（a）可知，年尺度小波方差图中只有一个峰值，为27 a 左右，而春季小波方差图（图8（b））中有2 个峰值，分别为7 a和27 a 左右，其中27 a 左右为第一周期.因此，年和春季气温的主周期均为27 a 左右.

此外，由图8 可知，天津海岸带地区年和春季气温均呈现极显著的上升趋势，且年累积气温的上升趋势大于春季，同时年和春季气温具有相同的27 a 尺度的小波主周期，因此，在气温上春季和年尺度是同步变化的.

图8 1961—2018 年间天津海岸带地区全年和春季气温小波方差分析Fig.8 Wavelet variance analysis of annual and spring air temperatures of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

2.3 年和春季降水量与气温相干性分析

天津海岸带地区年和春季降水和气温的小波相干谱如图9 所示，其中粗实线区域表示通过显著性水平α=0.05 条件下的红噪声标准谱的检验，小波影响锥（图9 中细弧线）以内为有效谱值，影响锥外为受边界效应的影响.箭头表示两者的位相关系，→降水与气温间为同相位，说明两者间为正相关关系；←表示降水与气温为反相位，说明两者为负相关.↑表示气温变化超降水变化90°（1/4 个周期，非线性关系）.↓表示气温变化落后降水变化90°（1/4 个周期，非线性关系）.

由图9（a）可知，在0～4 a 周期内年降水与气温在1965—1970 年存在着很强的0～2 a 周期的负相关（箭头基本为向左），相关系数数值达到0.9，通过95%置信区间的检验（高能区，显著相关），在1970—1975 年存在着很强的3～5 a 周期的负相关（箭头向左），相关系数数值达到0.8，通过了95%的置信度；在8～10 a 周期区间，两信号序列在1975—1995 年存在着相关系数数值达到0.6 的负相关（箭头向左），通过了95%的置信区间.因此，在整个时间域上，1995 年以前年降水量与气温为显著负相关，1995 年以后年降水量与气温主要为非线性关系.

由图9（b）可知，3～5 a 周期区间的春季降水量和气温两序列在1985—1995 年和2005—2010 年箭头方向均为↑，由此可知，在95%置信区间下，1985—1995年和2005—2010 年的春季气温周期比降水周期落后1 a 左右，且1985—1995 年比2005—2010 年显著（能量较大，相关系数较大），故春季降水与气温为非线性关系.

图9 1961—2018 年间天津海岸带地区全年和春季降水量与气温小波相干谱图Fig.9 Annual and spring precipitation-temperature wavelet-coherent spectrum of Tianjin coastal zone from 1961 to 2018

3 讨论

3.1 全年和春季降水量

由本研究中1961—2018 年年和春季降水量的变化特征可知，天津海岸带地区年降水量下降趋势显著，而春季降水量无明显变化. 张金堂等[27]和郝春沣等[17]研究表明海河流域年降水量的减少主要因为全球变暖导致的副高系统太平洋高压脊线偏南和西北气流盛行，使南方暖湿气流无法进入北方以及海陆间水汽输送受阻造成的夏季降雨量减少. 高新甜等[28]对华北地区季节性降水在空间上的变化特征进行分析，研究表明天津年降水量的变化主要受夏季降水量的影响最大.此外，对比前人利用线性趋势对塘沽站的研究可知，本文年降水量每10 a 减少10.9 mm 的结果小于前人14.11～15.86 mm 的研究结果[19，29].导致计算所得年降水量降水倾向率比前人研究结果小的原因可能与选取的研究时段以及热岛效应导致的城市中心降雨增加有关[29-30].

进一步分析天津所在地区1961—2018 年全年和春季降水量的周期变化特征可知，年降水量的主周期为23 a 左右，春季降水量主周期为27 a 左右，均与前人研究结果相近[31]；年尺度的主周期比春季主周期提前约4 a，提前的原因可能与厄尔尼诺-南方涛动等环流异常的3～7 a 周期有关[32].

3.2 全年和春季气温

对比天津所在地区年和春季气温可以看出，年和春季气温均显著升高，气温线性倾向率为16.2 ℃/（10 a）和3.39 ℃/（10 a），转换成平均值和前人的研究结果0.29 ℃/（10 a）和0.23 ℃/（10 a）相近[28].对比全球平均增温速率0.12（0.08～0.14）℃/（10 a）[33]可知，海河流域年平均气温增温趋势与全球增温趋势一致，但大于全球平均增温速率[34].这说明天津地区气温升高的原因可能不仅与全球变暖有关，周雅清等[35]研究表明城市热岛效应对平均气温具有明显的增强效果，故气温升高幅度大于全球平均值可能与城市热岛效应有关.对于年内气温的变化，已有研究表明海河流域1、2、3、4 和9月气温上升最显著[36]，因此春季（3 月—5 月）气温升高将导致植物和农作物在此生长关键期水分需求量的增加.

3.3 年和春季降水量与气温的关系

气温升高和降水量减少会导致天津市地区干旱情况加重，进而影响植物生长期对水分的需求量；同时降水量和气温在1995 年后呈非线性关系[19]的原因可能是20 世纪90 年代后社会工业化的快速发展以及多种气象因素（环流、副热带高压和降雨频率等）对降水影响的结果[37]，有研究表明海河流域小雨占降雨的类型比重最大，但暴雨对降雨量的贡献最大，说明降雨量强度越强对降雨量的影响越大[38]；同时降水量频率与温度的关系更符合线性关系，说明频率对温度更敏感，温度升高造成降雨频率减少，进而导致降雨量的变化[39].环流因子中的副热带高压系统变强使暖湿气流往北推进至海河流域南部、东北冷涡活动偏多使“干冷”气团向南推进至海河流域北部以及海陆间水汽运输循环的加强均会导致降水量增加[40-44].人为因素的城市热岛效应使城市上空气流上抬，导致降水量从城中心到郊区逐渐减少[29].此外，春季降水量无明显变化的同时在1985—1995 年和2005—2010 年与气温存在显著非线性相关性，且在此时间段内3～5 a 周期区间降水量周期比气温周期提前1 a，说明春季降水量对气温在全时域上的变化敏感度不高.已有学者研究表明夏季降水与气温呈显著负相关性，说明与春季相比，夏季降雨对气温的变化更敏感[45-46]，更容易形成干旱后马上洪涝的现象，故造成对生态环境、工业和社会经济的影响加剧.因此，要更加准确详细地了解天津海岸带地区降水特征（量、频率和强度）的变化规律与气温的关系，需要进一步对夏季进行分析.

4 结论

本研究针对天津海岸带地区春旱所导致的生态环境、工业和社会经济问题，采用线性趋势、小波分析和小波相干性分析等研究方法对天津海岸带地区全年和春季尺度上降水与气温的长期协同演变规律进行研究，得到以下结论：

（1）1961—2018 年，天津海岸带地区全年降水量呈显著下降趋势，而春季降水量无明显趋势，年和春季气温均呈显著上升趋势，气候总体呈“暖干化”趋势.

（2）天津海岸带地区年降水量主周期（23 a）比气温和春季降水主周期（27 a）提前4 a 左右；年和春季气温主周期同步，均为27 a，气温与春季降水的不同步将可能加剧春旱问题.

（3）小波相干性结果表明天津海岸带地区年降水量与气温在1995 年前为负相关；3～5 a 周期区间内春季降水量周期比气温周期在1985—1995 年和2005—2010 年提前1 a 左右，全年和春季降水与气温在多时间尺度上主要为非线性关系，说明气温与降水为某种耦合关系，而非同步关系，这可能会导致春旱问题更加多变.