1961—2020年我国中...地区气温和降水时空变化特征_程书波.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.6程书波,李冲,岳颖,等.19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征J.水利水电技术(中英文),2023,54(6):75-86.CHENG Shubo,LI Chong,YUE Ying,et al.Temporal and spatial variation characteristics of temperature and precipitation in central China from 1961 to 2020J.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(6):75-86.19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征程书波1,李 冲1,岳 颖1,刘 玉2(1.河南理工大学 应急管理学院,河南 焦作 454000;2.中国科学院空天信息创新研究院,北京 100101)收稿日期:2022-11-12;修回日期:2022-12-05;录用日期:2023-01-03;网络出版日期:2023-02-09基金项目:国家社会科学基金项目(20BJY043);国家自然科学基金面上项目(41771393)作者简介:程书波(1979),男,副教授,博士,主要从事自然灾害和水文水环境研究。E-mail:shubohpu 通信作者:李 冲(1997),男,硕士研究生,主要从事自然灾害和水文水环境研究。E-mail:2126487919 Editorial Department of Water Resources and Hydropower Engineering.This is an open access article under the CC BY-NC-ND license.摘 要:【目的】为揭示气温和降水变化信号对我国中部地区的响应特征,科学配置水资源,指导防汛抗旱工作,【方法】基于中部地区104 个气象站点19612020 年的逐月气温和降水数据,利用线性回归、累计距平、Mann-Kendall 突变检验、Morlet 小波分析、反距离权重插值(IDW)等方法对中部地区气温和降水的时空变化特征进行了探究。【结果】结果表明:(1)19612020 年中部地区年均温呈现显著上升趋势,上升速率为 0.23 /10 a,与全球气温变化一致。冬季增温幅度最大,为0.48 /10 a。19912000 年气温发生了从低温向高温的突变。年降水量呈现波动性上升趋势,上升速率为 1.24 mm/10 a。秋季降水量增幅最大为 1.74 mm/10 a,冬季增幅最小,为 0.78 mm/10 a,春季降水量呈减少趋势,减少幅度为 0.58 mm/10 a。降水量年代际分布不均,19912000 年、20112020 年降水量高于多年平均降水量,且各年代均发生不同程度的突变。(2)在空间分布上,中部地区年均温总体上呈现出由南向北递增,山西省气温上升幅度最大,增幅最小为湖南省。年降水量地区分布不均,且呈现由西北向东南递增趋势。年降水量增幅最大在江西、安徽等地,山西、河南等地降水量趋于减少。(3)由 Morlet 小波分析表明,年均温存在由 32 a 强周期和 7 a、15 a 的小尺度变化周期,年降水量存在 32 a 强周期和 10 a、15 a 的小尺度变化周期。【结论】总体来说,我国中部地区气候呈现出增温增湿态势。关键词:中部地区;气温;降水量;Morlet 小波;气候变化DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.06.007开放科学(资源服务)标志码(OSID):中图分类号:P467文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)06-0075-12Temporal and spatial variation characteristics of temperature and precipitation in central China from 1961 to 2020CHENG Shubo1,LI Chong1,YUE Ying1,LIU Yu2(1.School of Emergency Management,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,Henan,China;2.Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100101,China)57程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期Abstract:ObjectiveTo reveal the response characteristics of temperature and precipitation change signals to the central region of China,to allocate water resources scientifically,and to guide the work of flood and drought management.MethodsBased on the month-by-month temperature and precipitation data of 104 meteorological stations in the central region from 1961 to 2020,the spatial and temporal characteristics of temperature and precipitation in the central region are explored using linear regression,cumulative distance level,Mann-Kendall mutation test,Morlet wavelet analysis,and inverse distance weight interpolation(IDW).ResultsThe result show that:(1)The annual mean temperature in the central region shows a significant upward trend from 1961 to 2020,with an increase rate of 0.23 /10 a,which is consistent with the global temperature change.The greatest warming in winter is 0.48 /10 a.A sudden change from low to high temperature occurred from 1991 to 2000.The an-nual precipitation shows a fluctuating upward trend with an increase rate of 1.24 mm/10 a.The maximum increase in precipitati-on is 1.74 mm/10 a in autumn,the minimum increase is 0.78 mm/10 a in winter,and the decrease in precipitation in spring is 0.58 mm/10 a.The interdecadal distribution of precipitation is uneven,with the precipitation in 19912000,20112020 being higher than the multi-year average.The inter-decade distribution of precipitation is uneven,with precipitation during 19912000,2011,2020,and 2020 being higher than the multi-year average precipitation,and different degrees of abrupt changes occurring in each decade.(2)In terms of spatial distribution,the annual average temperature in the central region gen-erally shows an increase from south to north,with the largest increase in Shanxi Province and the smallest increase in Hunan Province.The regional distribution of annual precipitation is uneven and shows an increasing trend from northwest to southeast.The largest increase in annual precipitation is in Jiangxi and Anhui,and the precipitation tends to decrease in Shanxi and Henan.(3)The Morlet wavelet analysis shows that the annual mean temperature exists in a strong cycle of 32 a and a small-scale varia-tion cycle of 7 a and 15 a,and the annual precipitation exists in a strong cycle of 32 a and a small-scale variation cycle of 10 a and 15 a.ConclusionIn general,the climate of central China shows a warming and humidifying trend.Keywords:central region;temperature;precipitation;Morlet wavelet;climate change0 0 引引 言言 根据 IPCC 第六次评估报告,21 世纪以来,全球气候地表平均气温比 18501900 年上升 1.09,并指出未来全球升温将达到 1.5 或以上1。中国气候变化蓝皮书(2022)指出,我国近几十年来的升温速率明显高于同期全球平均水平。中部地区横跨我国南北过渡带,受地形、纬度、海陆位置和复杂的气候系统等综合影响,区域内年降水量分布不均匀,气温季节性变化明显,是我国极端气候事件易发多发的重灾区以及我国气候变化的敏感区之一2-3。最新数据显示,2019 年中部地区因涝受灾人口、农作物面积以及直 接 经 济 损 失 分 别 占 全 国 损 失 的 45.19%、25.14%和 27.73%,农作物因旱受灾面积占全国比重为 34.33%,致灾因子危险性大,承灾体易损性和脆弱性高,成灾损失严重且防范难度大,严重影响人类生命财产、生产活动及社会经济发展,加剧人水关系及人与生态系统失衡,使中部地区发展陷入“短板”效应,制约中部地区崛起4-5。气温和降水是衡量气候变化的重要指标6。近年来,诸多学者基于不同的气候数据资料和研究方法对我国中部及其周边区域气候变化进行了研究,并取得了一定进展。一是关于该区域气候变化时空特征分析的研究。有的聚焦在单一气象要素的时空特征分析。例如张晨等7利用逐月降水数据,对汾河流域不同流域尺度的年和四季降水量进行了时空和趋势分析。ZHANG8等对 19612015 年秦巴山区降水量的时空特征进行分析,表明在研究期内秦巴山区年降水量呈明显下降趋势,降水量空间分布差异明显。随着研究的深入,研究视角逐渐从单一的气象要素向多要素转变。例如,史佳良等9通过研究河南省气温和降水的时间趋势变化和空间分布,得出近 50 a 来河南省气候增温增湿趋势明显。不断变化的气候环境提升着极端性灾害事件的发生频率。CHEN10等基于极端气候指数研究了湖南省在过去几十年中,气温变暖明显,极端降水的强度和数量上升,且存在显著的周期震荡特征。QIN11等结合日降水数据,运用线性趋势法、Mann-Kendall 检验、累计异常法、交叉小波变换等对汉江流域的 10 个极端降水指数进行特征分析。张卉12等利用线性倾向估计法和集合经验模态分解(EEMD)组合法分析了洞庭湖流域极端降水变化特征。二是探讨该区域气候变化的驱动机制。汪甫等13探究了 ENSO 是导致江西省夏季降水年代际变化的物理机制。刘引鸽等14分析了渭河流域的气候变化主要受区域自然环境和人类活动的影响。三是关于气候变化产生的影响,主要集中在农业15、植67程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期被16、土壤17等方面。此外,由气候变化引发的旱涝等灾害的响应及趋势预测也有研究18-19。例如,陈前江20等利用线性回归和标准化降水指数(SPI)对湖北省气候变化时空变化及旱涝响应特征进行分析。结果表明,近 40 a 湖北省气候暖干化趋势明显,且呈现旱涝交替的周期性变化特征。上述研究为探索我国中部地区气候变化响应提供了研究方法和理论借鉴,对于正确认识中部地区气候变化规律具有重要意义。然而,首先大部分研究集中在该区域局部省份或城市以及特定流域,气象站点少且缺乏全域性气温和降水的研究,在变化环境下中部地区气温和降水变化是否存在南北差异值得探讨;其次,大多关注在气温和降水“量”的变化,或体现在极端天气事件发生的频率和强度,以及气温和降水变化驱动因子分析等方面,而对该区域气温和降水多时间尺度和空间分异特征的系统性解读较为缺乏。因此,本文通过利用中部地区 104 个站点最新的、较长时间序列的逐月气温和降水数据,借助线性回归、累计距平、Mann-Kendall 检验、Morlet 小波分析以及反距离权重插值法,从多时空角度解读整个区域的气温和降水的趋势性、突变性、周期性以及空间分布变化特征,对于准确把握我国气候敏感区域乃至全球气候敏感区气候变化信号,科学管理和配置水资源,指导水利基础设施建设,缓解防汛抗旱矛盾具有重要的现实意义。1 1 研研究究资资料料与与方方法法1.1 研究区概况 中部地区(见图 1)位于 24 38N40 44N,10847E11937E,包括山西、河南、江西、安徽、湖北和湖南 6 个省份,跨越黄河流域、长江中下游流域、江淮地区。研究区域面积约为 1.02 106 km2,平均海拔在 100 至 1 300 m 左右,地形地貌复杂。从南至北为亚热带季风气候、暖温带与亚热带过渡地带和温带大陆性季风气候,分别穿过 800 mm 和400 mm 等降水量线,横跨湿润、半湿润气候区,年平均气温在-4 19.5,年降水量在 400 1 700 mm,大部分地区气温和降水四季分明,降水多集中于夏季。截至 2019 年底,中部地区有常住人口约3.72 亿人,占全国人口的 26.6%,生产总值约 21.9万亿元,占全国生产总值的 22.1%。1.2 数据来源 本文选取中部省份 19612020 年 104 个站点数据,包括逐月平均气温和降水量等资料,数据来源于图 1 中部地区研究区概况及气象站点分布Fig.1 Overview of the study area and distribution of meteorological stations in the central region中国气象数据网(http:/)。为保证数据的完整性和长时间的连续性,采用线性插值法对各站点缺测数据进行补充。季节的划分按照气象学方法,将 12 月翌年 2 月定义为冬季,35 月定义为春季,68 月定义为夏季,911 月定义为秋季。1.3 研究方法1.3.1 气候倾向率气候倾向率用来反映气候要素的变化趋势。一般是通过一元线性回归方程求得,即通过最小二乘法计算气候要素与时间序列之间的回归方程。表达式为yi=a+bxi(i=1,2,n)(1)xj=1kkixi+j-1(j=1,2,n-k+1)(2)式中,yi表示气候要素值,xi表示时间序列值。a 为常数,一般用 10 b 表示气候倾向率,用/10 a 或mm/10 a 表示。1.3.2 累计距平累计距平值是距平值的累加。距平值是指时间序列的当年值减去某段时间序列的平均值。通过计算累计距平值,绘制累计距平曲线,可以直观地表征出气候要素的累年变化趋势。当要素的累计距平值持续增大,则表示该时段内各年要素值均大于平均值。某一时间序列的累计距平表示为X=ti=1xi-?x (t=1,2,n)(3)77程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期?X=1nni=1xi(4)式中,X 为第 i 年的累计距平值;Xi为第 i 年的要素值;?X 为要素一定时期内的平均值。1.3.3 Mann-Kendall 突变检验气候突变是指气候从一种稳定持续的变化趋势跳跃式地转变到另一种稳定持续的变化趋势的现象,表现为气候在时空上从一个统计特性到另一个统计特性的急 剧 变 化21。Mann-Kendall 突 变 检 验(简 称“M-K”检验)是一种采用在气象研究中的非参数检验方法,适用于时间序列中对气候要素进行突变检验,其不受异常值干扰,且不需要样本遵从一定的分布,被广泛应用到气象研究中。M-K 检验的具体计算步骤见参考文献22。1.3.4 Morlet 小波分析本文采用复值 Morlet 小波分析方法研究中部地区年均温和年降水量的周期变化规律。时间序列上小波变换函数为Wf(a,b)=1a-f(t)t-ba()dt(5)式中,Wf(a,b)为小波系数;a 是尺度因子,决定小波宽度;b 是平移因子,反映小波位置移动的参数,为复共轭函数。采用 Matlab 小波分析工具箱中的Morlet 小波对中部地区气温和降水资料进行连续小波变换,公式为(t)=ce-x22cos5x(6)结合 sufer 软件绘制小波变换实数部等值线图。2 2 结结果果与与分分析析2.1 时间变化特征2.1.1 气温和降水的年际变化对近 60 a 的数据处理分析可知,中部地区多年平均气温为 15.09,最高年平均气温出现在 1998年和 2007 年,为 16.02,最低年平均气温出现在1984 年,为 14.02,年最高均温和最低均温相差2.01,年际间气温差异较大。从图 2 中部地区的年均温线性变化趋势来看,近 60 a 呈现显著上升趋势,暖干化明显,其上升速率为 0.23 /10 a,高于全国近 50 a 平均增温速率(0.22 /10 a)。从不同阶段的气温变化情况来看,中部地区在 19611990 年的年均温增温不明显,波动性较小,在 19902020年年均温超过多年平均值,呈波动上升趋势,增温显著。从中部地区的季节均温可知,四季均温都呈现出上升 趋 势,其 中,冬 季 增 温 最 为 显 著,增 速 为0.48 /10 a,高于全国冬季增温速率(0.36 /10 a);夏季增温幅度较小,为 0.05 /10 a,但高于全国夏季增温速率(0.12 /10 a);春季为 0.22 /10 a,低于全国春季增温速率(0.23 /10 a);秋季为0.23 /10 a,高于全国秋季增温速率(0.19 /10 a)。由此可见,中部地区季节均温变化趋势同全国均温变化趋势较为一致23,除春季低于全国增温速率外,其他三季均高于全国增温速率。中部地区近 60 a 的年平均降水量为 1 138.48 mm,在波动变化中上升。降水量最多为 1 455.75 mm,出现在 2020 年,最少为 864.68 mm,出现在1978 年。最多降水量年与最少降水量年相差 591.08 mm,降水年际分布不均。从图 2 年降水量线性趋势变化来看,中部地区近 60 a 降水量的气候倾向率为1.24 mm/10 a,降水量呈现出增加趋势,与全国平均降水量波动下降趋势相反。中部地区的季节降水量变化差异性明显。冬、夏和秋季降水量呈现增多趋势,且秋季降水量增幅最大为 1.74 mm/10 a,夏季次之,为 1.19 mm/10 a,冬季增幅最小,为 0.78 mm/10 a。春季降水量呈现减少趋势,减少幅度为 0.58 mm/10 a。因此,从中部地区年、季气候变化趋势看,气温上升趋势明显,降水量呈波动性变化,且年际、季节性差异明显。中部地区对全球气候变化较为敏感,气候变化下水旱灾害发生的可能性较大。2.1.2 气温和降水的年代际变化从表 1 年均温的气候倾向率趋势来看,我国中部地区平均气温的年代际呈现出波动性上升趋势,增温显著。19611970 年、19711980 年、19811990年距平值为负,气温偏冷。19912000 年气温开始变暖,且呈逐渐增温趋势,20112020 年的年均温最高。降水量的年代际变化趋势较为显著,年代际降水量整体呈现上升趋势。从年代际降水量气候倾向率变化来看,各年代间降水量差异较为明显。其中,19811990 年降水量下降幅度最大为-36.99 mm/10 a,20112020 年降水量上升幅度最大为 270.91 mm/10 a。19611970 年、19711980 年、20012010 年的降水量距平值为负,且降水量均值均低于 60 a 降水量均值,属 于 降 水 量 偏 少 年 份。19912000 年、20112020 年降水量距平值为正,其中 20112020年降水量最多为 1 189.88 mm,降水量均值高于 60 a降水量均值(1 138.48 mm),属于降水量偏多年份。87程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期 图 2 中部地区气温和降水的年、季变化趋势Fig.2 Annual and seasonal variation trend of temperature and precipitation in the central region97程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期表 1 近 60 a 中部地区气温和降水量年代际变化Table 1 Interdecadal variation of temperature and precipitation in the central region in recent 60 years项 目年 份196119701971198019811990199120002001201020112020年均温年降水量每 10 a 气候倾向率-0.950.320.411.080.040.85R20.510.100.160.450.000.50距平值-0.34-0.41-0.430.060.510.62每 10 a 气候倾向率49.997.09-36.9979.4719.33270.91R20.020.000.000.120.000.25距平值-16.91-23.69-13.5925.58-22.7851.392.2 空间分布特征 采用 Arcgis10.3 中的反距离权重插值法对中部地区 19612020 年 104 个站点的气温和降水量的年、季气候倾向率进行插值处理,得到中部地区气温和降水量多年年际和季节变化空间分布图,如图 3 所示。从 19612020 年多年平均气温变化看,中部地区年均温总体上由南向北上升,平均增温 0.23 /10 a。气温上升幅度较大的省份为山西,平均达 0.36 /10 a。山西、河南等地的增温速率明显高于湖北西部以及湖南。湖北中部地区、江西东北地区以及安徽东南地区增温较为明显。增温幅度最小的为湖南省,平均0.18 /10 a。中部地区降水量分布呈现出西北向东南递增的趋势,且地区降水分布不均匀。年降水量平均增速为 1.24 mm/10 a,其中有 47 个站点的年降水量气候倾向率在平均增速以上。年降水量增幅最大的在江西和安徽等地,平均增速 31.58 mm/10 a。山西大部分以及河南北部地区降水量呈现明显减少趋势。19612020 年中部地区春季平均增温速率为0.22 /10 a。春季增温变化趋势和年均温的增温趋势大致相同。春季增温中心在山西省北部的五台山,增温速率达 1.47 /10 a。长江中下游地区也有明显的增温趋势,长江上游以及湖南、江西南部增温速率呈现下降趋势。中部地区春季降水量呈现出减少趋势,且 降 水 量 地 区 空 间 分 布 不 均,平 均 减 少-0.58 mm/10 a。降水量减少幅度最强省份在湖南和江西等地,平均减少幅度达 4.57 mm/10 a。19612020 年中部地区夏季多年均温增温幅度自南向北呈现出高低高分布,总体上呈现增加趋势,平均增速 0.05 /10 a。气温增幅较大的地区位于山西东北部地区,增温中心出现在五台山,增温速率达 1.20 /10 a。秦淮河沿线地区夏季气温呈现减少趋势。中部地区夏季年降水量总体上自西北东南递增,呈现出增加趋势,地区降水分布不均,平均增速为 1.19 mm/10 a。降水量增速较强的区域大部分位于江淮地区,平均增速为 6.69 mm/10 a。湖南、湖北西部、河南南部以及山西东部区域呈现减少趋势。19612020 年中部地区秋季多年均温平均增速为 0.23 /10 a。增温速率较强的地区位于山西和江西等地。其中,山西北部的五台山是增温中心,极值为 1.52 /10 a;沿秦淮河区域以及湖北、湖南西部区域增温不明显,甚至出现减少趋势。从中部地区秋季年降水量变化来看,东南方向呈现增强趋势,西北方向呈现减弱趋势,总体呈现出上升趋势,平均增温速率为 1.74 mm/10 a。其中,年降水量增速中心在江西省,平均增速为 6.40 mm/10 a;长江以北,特别是黄河流域沿线降水量呈现出减少趋势。19612020 年中部地区冬季多年均温平均增速为 0.48 /10 a。增温幅度较强的为北部地区。其中,山西省增温幅度最大,极值出现在山西东北部的五台山地区,为 1.75 /10 a。长江沿线地区气温增幅较为缓慢。从中部地区近 60 a 年降水量变化来看,沿长江流域的中部呈增加趋势,南部和北部均呈减少趋势,但总体呈上升趋势,平均增速为0.78 mm/10 a。年降水量增速中心集中在湖北和安徽等地,平均增速1.75 mm/10 a。湖南南部以及江西南部均有明显减少的趋势。2.3 气温和降水的突变检测 为了解中部地区近 60 a 气温的变化突变情况,利用 Mann-Kendall 突变性检验法对中部地区 19612020 年的年均温和年降水量进行突变检验。若统计量 UF 0,气温和降水量呈上升趋势;若统计量UF0,气温和降水量呈下降趋势;若统计量 UF 和UB 曲线在 0.05 显著水平的置信区间相交,交点处即为突变时间。检验结果如图 4、图 5 所示。由图 4(a)的历年气温 M-K 检验曲线可以看出,UF 曲线在 1970 年以前总体呈现波动下降趋势,之后呈现出波动上升趋势,在 2001 年超过了 0.05 的显著性置信水平。UF 和 UB 曲线在置信区间内有 3 个交点,均在 19902000 年之间。图 4(b)累计距平结果08程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期 图 3 19612020 年中部地区气温和降水变化趋势Fig.3 Variation trend of temperature and precipitation in the central region from 1961 to 202018程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期表明,19612020 年年均温累计距平总体呈“W”形变化,19611993 年呈下降趋势,19931995年呈上升趋势,19951996 年呈下降趋势,19962020 年呈上升趋势。气温变化点分别为 1993 年、19941995 年、1996 年。结合两种方法的分析结果,中部地区年均温在 19902000 年之间发生了气 温 突 变,晚 于 全 国 年 均 温 的 突 变 时 间(1987 年)24。由图 5(a)的历年降水量 M-K 检验曲线可以看出,UF 曲线在 1966 年以前呈出波动下降趋势,1966年以后呈波动上升趋势。其中,UF 和 UB 曲线在置信区间内有 23 次相交,突变年份较多。但在 19612020 年均没有超过 0.05 显著性置信水平,说明中部地区近 60 a 年降水量变化趋势不显著。由图 5(b)降水量累计距平分析得出,在 1964 年、1977 年、1983年和 2003 年降水量经历了明显地由多变少的突变,2013 年下降至最低值。在 1968 年、1979 年、2001年、2013 年和 2019 年降水量经历了明显地由少变多的突变。相比较气温的累计距平曲线,降水量累计距平曲线波动较大。2.4 气温和降水量的周期性变化 图 6(a)绘制出了中部地区年均温的 Morlet 小波变换系数的实部时频变化,正值区域代表气温偏高,负值区域代表气温偏低。由图 6(a)可以看出,在部分年份发生了小波系数高、低值中心的变化。其中,年均温小波系数等值线在 510 a 左右的时间尺度较为密集,中心尺度在 7 a 附近,1990 年以后存在中心尺度为 15 a 的周期变化,时间尺度上最为密集的且发生了小波系数高、低值中心交替变化的在 32 a 左右,为第一主周期。突变点中心位置位于 1990 年左右,与中部地区年均温突变发生在 90 年代的突变检验和累计距平结果一致。因此,可以得出中部地区年均温在 60 a 尺度内存在 32 a 的强显著周期,此外还有 7 a 和 15 a 的尺度变化周期。图 6(b)为中部地区年降水量的 Morlet 小波变换系数的实部时频变化图。正值区域代表降水偏多,负值区域代表降水偏少。年降水量在小波系数等值线在517 a 时间尺度上较为密集,且发生了小波系数高、低值中心的变化,其中心尺度在 10 a 左右。19611990 年左右,出现 15 a 正值、负值交替的周期变化。图 4 19612020 年中部地区年均温 M-K 曲线和累计距平曲线Fig.4 Average annual temperature m-k curve and cumulative anomaly curve in the central region from 1961 to 2020图 5 19612020 年中部地区年降水量 M-K 曲线和累计距平曲线Fig.5 M-K curve and cumulative anomaly curve of annual precipitation in the central region from 1961 to 202028程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期图 6 19612020 年中部地区气温和降水小波变换系数实部等值线图Fig.6 Wavelet transform coefficients real part contour maps of temperature and precipitation in the central region from 1961 to 2020此外,在中心尺度在 32 a 附近变化最为显著,为第一主周期。年降水量在 60 a 内正负交替明显,中部地区年降水量增减变化波动较大,存在 32 a 的强周期和 10 a、15 a 左右尺度的周期变化。3 3 讨讨 论论 本研究表明中部地区年降水量以 1.24 mm/10 a 的速率上升,与秦巴山区年降水量以-21.1 mm/10 a的速率下降趋势相反8,其主要是因为研究时段、区域尺度以及站点多寡等差异。中部地区年降水量呈现由西北向东南递增趋势,该结果与秦岭南北降水量呈现由南向北减少特征趋于一致16。中部地区年均温气候倾向率为 0.23 /10 a,总体呈现出上升趋势,且冬季增温最大,气温在 90 年代发生突变,这与刘可群25的研究较为吻合,空间上呈现由南向北显著升温趋势,与刘凯等26得出的 15 等温线在秦巴淮河段逐年向北移动较为符合。中部地区气温和降水总体呈现增温增湿特点,这与全国气候表现出的暖湿化趋势较为一致26,表明中纬度的气候变化会对全国气候变化产生影响,具体影响机制有待进一步探讨。从整个时间序列的气温和降水变化情况来看,气温年际上升趋势较为明显,降水量年际波动上升,目前处在相对丰水期,这种暖湿化特征会对自然环境产生冲击,加大旱涝等极端灾害事件的频率和强度,威胁生态系统。因此,一方面要注重改善植被涵养,调节河道径流,合理配置水资源,提高水资源利用率;另一方面要加快防汛抗旱标准建设,完善水利基础设施,加强河道维护等。区域气候变化的驱动因子异常复杂。例如,中部地区受东亚夏季风强弱和海温异常等影响,夏季降水呈现出多时间尺度变化27。中纬度地区的的海温异常是造成江西夏季降水异常的主要原因13;河南郑州 720 暴雨也是由地形抬升、大气环流、台风叠加不合理的人为因素等综合导致了极端降水事件28。地形地貌和和东亚夏季风的强弱变化,与山西省北部29、河南省东西部30、秦岭-大巴山31降水量多寡密切相关。此外,ENSO 事件对我国中部地区气候产生一定的影响,江西及安徽等地的气温上升和年降水量增多与厄尔尼诺事件密切相关32。厄尔尼诺年,中部地区春季降水偏多,夏季和全年偏少;拉尼娜年则相反。除了受纬度、大气环流、厄尔尼诺、太阳辐射、海拔等因素影响外,人类活动以及快速城市化等因素的叠加,导致下垫面性质发生改变,地表辐射量增大,也是造成中部地区气温持续上升的原因33。然而,需要说明的是,各个区域的地形地貌、社会经济发展状况等风格迥异,不同区域的不同季节下,气温和降水的时间和空间变化的原因也会有所不同34。因此,有必要深入开展有关区域季节性气温和降水变化的驱动因素研究。4 4 结结 论论 对中部地区 19612020 年均温和年降水量的时空变化特征进行分析,近 60 a 中部地区气温呈现显著上升趋势,降水量呈现波动性上升趋势,总体气候增温增湿特征明显。(1)中部地区年均温呈现显著上升趋势,上升速率为 0.23 /10 a。同时,中部地区季节均温变化与全国季节均温变化较为一致,且夏秋冬季均高于全球增温速率。从年代看,19902000 年以后气温逐渐上升。从气温变化的空间分布来看,总体呈现出由南向北递增的趋势。其中,山西省气温增幅较大,为 0.36 /10 a;湖南省气温增幅较小,为0.18 /10 a。(2)中部地区的年降水量呈现出波动性上升趋38程书波,等/19612020 年我国中部地区气温和降水时空变化特征水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 6 期势,上升速率为