丁彩霞，延軍平，方興義，李敏敏，吳夢初

（1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安710062；2.寧夏師范學(xué)院 政法學(xué)院，寧夏 固原756000）

IPCC第4次評估報告指出1906—2005年全球地表溫度上升了0.74±0.18℃，變暖幅度自1900年以來明顯加速［1］。我國氣候變化趨勢與全球氣候變化基本一致，近50a平均地表氣溫升高0.5～0.8℃，增溫速率0.1～0.2 ℃／10a［2－3］，增溫幅度略高于全球。氣候變化存在明顯的地區(qū)差異，西北、華北、東北地區(qū)變暖趨勢較為明顯，西北變暖的強度高于全國平均值，長江以南地 區(qū)變暖不顯著［3］。施雅風(fēng)［4－5］等提出我國西北氣候可能從20世紀的暖干型向暖濕型轉(zhuǎn)變。李棟梁等［3］的研究結(jié)果顯示，我國西北地區(qū)的氣候呈現(xiàn)出西濕東干的分布型態(tài)。隨著時間的推移，西北地區(qū)的氣候變化有可能進一步加劇，其引起的極端天氣和氣象災(zāi)害的頻率和強度也將持續(xù)增大。

寧夏地區(qū)處于季風(fēng)邊緣帶，是中國典型的農(nóng)牧交錯區(qū)、生態(tài)脆弱區(qū)，獨特的地理位置和地貌格局使該區(qū)對氣候變化的敏感性更高，水資源供需矛盾更加突出。氣候變化導(dǎo)致的極端天氣和氣象災(zāi)害勢必會對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生極大影響［6］。目前對于寧夏地區(qū)氣候變化與旱澇災(zāi)害方面的探討還相對較少，且多集中在旱澇歷史演變規(guī)律的分析，對未來旱澇災(zāi)害趨勢的分析較少，關(guān)注寧夏地區(qū)氣候變化及旱澇災(zāi)害演變特征具有十分重要的現(xiàn)實意義。本研究以寧夏地區(qū)為研究對象，選取了1961—2012年的氣溫和降水資料。綜合運用趨勢線法、Mann—Kendall突變檢驗法、Z指數(shù)法、馬爾科夫模型從不同時間尺度和層面上對寧夏氣候變化特征和旱澇趨勢進行了分析與研究，以期為該地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展及生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

選取了寧夏地區(qū)11個氣象站1961—2012年的逐月氣溫和降水數(shù)據(jù)，資料均來源于寧夏氣象局，采用的氣象數(shù)據(jù)具有較好的代表性和連續(xù)性。本研究季節(jié)劃分按3—5月份為春季，6—8月份為夏季，9—11月份為秋季，12月至翌年2月為冬季。

1.2 研究方法

運用氣候傾向率法和Mann—Kendall突變檢驗法［7］對寧夏地區(qū)近52a氣侯變化特征進行分析，運用Z指數(shù)分析了寧夏地區(qū)旱澇變化情況，并運用馬爾可夫模型對該地未來5a旱澇災(zāi)害進行趨勢判斷。

1.2.1 Z指數(shù)法 Z指數(shù)指標法是用來表示旱澇的空間分布和旱澇程度的一種數(shù)學(xué)方法，它消除了降水量平均值不同的影響，是通過對降水量進行處理而得到的服從標準正態(tài)分布的序列，對旱澇程度具有一定的反映能力［8］。對寧夏地區(qū)11個氣象站點1961—2012年的Z指數(shù)進行分析后，發(fā)現(xiàn)每級實際頻率和理論頻率基本接近（表1），表明Z指數(shù)等級劃分標準能夠反映實際情況，可以用于研究寧夏地區(qū)的旱澇變化特征。

表1 Z指數(shù)旱澇等級標準與寧夏旱澇實際頻率對比

1.2.2 馬爾可夫模型 在事件的發(fā)展過程中，如果每次狀態(tài)的轉(zhuǎn)移都只僅與前一時段的狀態(tài)有關(guān)，而與過去的狀態(tài)無關(guān)，或者說狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程是無后效性的，則這樣的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程就稱為馬爾可夫過程。許多地理事件發(fā)展過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)移是具有無后效性的，對于這樣一些事件發(fā)展過程，就可以用馬爾可夫過程來描述。

在事件的發(fā)展過程中，從某一種狀態(tài)出發(fā)，下一時刻轉(zhuǎn)移到其它狀態(tài)的可能性，稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。根據(jù)條件概率的定義，由狀態(tài)Ei轉(zhuǎn)為狀態(tài)Ej的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率P（Ei→Ej）就是條件概率P（Ej／Ei），即

假定某一事件的發(fā)展過程有n個可能的狀態(tài)，即E1，E2，…，En。記Pij為狀態(tài)Ei轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)Ej的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣為：

狀態(tài)概率πj（k）表示事件在初始（k＝0）狀態(tài)為已知的條件下，經(jīng)過k次狀態(tài)轉(zhuǎn)移后，在第k個時刻處于狀態(tài)Ej的概率。根據(jù)概率的性質(zhì)，顯然有：

從初始狀態(tài)開始，經(jīng)過k次狀態(tài)轉(zhuǎn)移后到達狀態(tài)Ej這一狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，可以看作是首先經(jīng)過（k－1）次狀態(tài)轉(zhuǎn)移后到達狀態(tài)Ei（i＝1，2，…，n），然后再由Ei經(jīng)過一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移到達狀態(tài)Ej。根據(jù)馬爾可夫過程的無后效性及Bayes條件概率公式，有：

若記行向量π（k）＝〔π1（k），π2（k），…，πn（k）〕，則由公式（4）可以得到逐次計算機狀態(tài)概率的遞推公式：

式中：π（0）＝〔π1（0），π2（0），…，πn（0）〕為初始狀態(tài)概率向量［9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)氣溫變化特征

2.1.1 研究區(qū)氣溫的年際變化 1961—2012年寧夏地區(qū)氣溫在波動中呈顯著上升趨勢（圖1），多年平均氣溫為8.32℃，上升速率為0.36℃／10a，遠高于西部平均變暖率（0.2℃／10a）［4－5］。通過對寧夏地區(qū)1961—2012年氣溫進行Mann—Kendall突變檢驗分析發(fā)現(xiàn)（圖2），1961—1979年正向時間序列統(tǒng)計值UF多在0值以下，說明此時段氣溫呈波動下降趨勢，1979年后UF＞0，氣溫回升，1986年以后氣溫上升速率加快，1994年UF超出顯著性水平0.05信度線，說明氣溫顯著增加［10］。UF和UB在±1.96臨界線內(nèi)相交于1991年，表明寧夏地區(qū)年均溫在1991年前后發(fā)生了由冷到暖的突變。

圖1 寧夏地區(qū)1961－2012年平均氣溫變化特征

1997—2012年與1961—1986年相比，寧夏地區(qū)年平均氣溫升高了1.39℃，20世紀60年代初期到80年代中期處于一個較長的冷期，80年代中期至今進入了一個氣溫較高的暖期［11］，氣溫變化大致可以劃分為3個階段。第一階段：1961—1986為冷濕期，年氣溫距平以負值為主，溫度上升速度較緩，多年平均氣溫為7.78℃，多年平均降水量為269.98mm；第二階段：1987—1996為暖濕期，年氣溫距平正負交替出現(xiàn)，氣溫波動上升，多年平均氣溫為8.4℃，多年平均降水量為269.81mm；第三階段：1997—2012為暖干期，年氣溫距平均為正距平，增溫趨勢明顯加快，多年平均氣溫為9.2℃，多年平均降水量為244mm。

圖2 寧夏地區(qū)1961－2012年平均氣溫Mann－Kendall檢驗

2.1.2 氣溫的季節(jié)變化 1961—2012年寧夏地區(qū)四季氣溫均呈上升趨勢（表2），冬季氣溫上升最快，增溫速率為0.49℃／10a，其次是春季，增溫速率為0.35℃／10a，秋季增溫速率為0.31℃／10a，夏季氣溫上升較緩，增溫速率為0.24℃／10a。夏季均溫最低值出現(xiàn)在1976年為19.31℃，最高值出現(xiàn)在2006年為22.71℃，相差3.4℃；冬季均溫最低值出現(xiàn)在1967年為－10.13℃，最高值出現(xiàn)在2000年為－3.32℃，相差6.81℃。近52a間冬季氣溫的增加對寧夏地區(qū)多年平均氣溫增加的貢獻最大。

表2 寧夏地區(qū)1961－2012年四季氣溫變化特征

2.2 降水量的變化

2.2.1 降水的年際變化 1961—2012年寧夏地區(qū)降水量總體呈下降趨勢，下降速率為9.94mm／10a。52a平均降水量為261.23mm。年降水量最大值出現(xiàn)在1964年，為447.15mm，年降水量最小值出現(xiàn)在1982年，為150.58mm，相差296.57mm。由6階擬合曲線看出，20世紀60—70年代降水波動下降，20世紀70—90年代末降水趨于穩(wěn)定，2000年以后降水負距平增加，降水波動下降趨勢加大（圖3）。

圖3 寧夏地區(qū)1961－2012年降水變化特征

2.2.2 降水的季節(jié)變化 1961—2012年寧夏地區(qū)春、夏、秋三季降水呈下降趨勢，冬季降水小幅增加（表3）。春季降水下降速率為0.64mm／10a，20世紀60—70年代降水減少，70—90年代降水增加，90年代至今降水持續(xù)下降，近52a間春季降水變化不穩(wěn)定，波動特征明顯。夏季降水下降速率為0.64 mm／10a，20世紀60—80年代降水持續(xù)減少，80—90年代有所增加，90年代至今降水顯著減少。秋季降水變化幅度較大，20世紀60—90年代急劇下降，90年代至今呈平緩上升趨勢，52a間秋季降水幅度大，整體呈減少趨勢。冬季降水變化不明顯，20世紀60—90年代緩慢上升，90年代至今緩慢下降，總體略有增加。四季中秋季降水減少最為明顯，下降速率為0.94mm／10a，冬季降水略有增加，上升速率為0.1 mm／10a，說明近52a來秋季降水減少對寧夏地區(qū)多年平均降水量的減少貢獻率最大。

表3 寧夏地區(qū)1961－2012年四季降水變化特征

2.3 寧夏地區(qū)旱澇變化特征

由圖4可以看出，近52a間寧夏地區(qū)旱澇災(zāi)害頻發(fā)，總體呈增加趨勢。20世紀60年代以澇災(zāi)為主，進入70年代以后旱澇災(zāi)害交替發(fā)生，80年代旱災(zāi)發(fā)生頻率較高，90年代降水較豐，出現(xiàn)4次澇年，2000—2012年旱災(zāi)事件頻發(fā)，2005年旱情嚴重［12－15］，52a來旱災(zāi)與澇災(zāi)發(fā)生總頻次相等。從6階擬合曲線看出，20世紀60—80年代中期氣溫變化不明顯，旱澇趨勢穩(wěn)定，80年代中期到2006年氣溫大幅上升，旱澇災(zāi)害同步增加，2006—2012年增溫趨勢有所減緩，旱澇災(zāi)害相應(yīng)減少，旱澇災(zāi)害發(fā)生頻次與氣溫變化具有一定的同步性。

圖4 1961－2012年寧夏地區(qū)旱澇等級與平均氣溫變化對比

統(tǒng)計1986年（氣溫發(fā)生顯著變化）前后旱澇等級出現(xiàn)年份數(shù)及所占比例詳見表4。分析可知，旱所占比例由30.6%減少到22.1%，減少了8.5%，澇的比例由34.4%減少到22.9%，旱澇災(zāi)害呈現(xiàn)減少趨勢，減少了11.5%，降水處于“正?！钡哪攴菰黾?，所占比例由35%增加到54%。大澇比例由之前的7.7%減少為0，重澇比例由19%減少為3.9%，偏澇比例有所增加，正常年份比例增加幅度最大，大旱與偏旱比例均減少。雖然對比1986年前后旱澇災(zāi)害有所減少，但是近52a年寧夏地區(qū)旱澇災(zāi)害整體仍呈增加趨勢。

表4 1986年前后寧夏地區(qū)旱澇等級出現(xiàn)年數(shù)及所占比例

2.4 旱澇趨勢判斷

根據(jù)寧夏地區(qū)1961—2011年降水量數(shù)據(jù)，確定了該地旱澇變化包括七個狀態(tài)，即“重澇”、“大澇”、“偏澇”、“正常”、“偏旱”、“大旱”、“重旱”。記 E1為“重澇”狀態(tài)，E2為“大澇”狀態(tài)，E3為“偏澇”狀態(tài)，E4為“正?！睜顟B(tài)，E5為“偏旱”狀態(tài)，E6為“大旱”狀態(tài)，E7為“重旱”狀態(tài)。根據(jù)公式1可以計算出寧夏旱澇狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣為：

根據(jù)上述矩陳就可以求得2012—2017年可能出現(xiàn)的各種狀態(tài)概率（表5）。分析表5可以得出，2012—2017年降水量狀態(tài)處于“正常”的概率較大。而2012年的實測降水量為270.1mm，處于正常狀態(tài)，所以預(yù)測值準確，從2013—2017年7種狀態(tài)的變化可知，寧夏地區(qū)未來5a降水基本處于正常狀態(tài)。

表5 寧夏地區(qū)2012－2017年降水量狀態(tài)概率預(yù)測值

3 結(jié)論

（1）近52a來寧夏地區(qū)氣候暖干化趨勢明顯，氣溫上升速率為0.36℃／10a，遠高于西部平均變暖率。20世紀60—80年代中期處于一個較長的冷期，1986年以后氣溫上升速度加快，20世紀80年代中期至今處于一個氣溫較高的暖期，進入21世紀氣溫正距平值顯著增多，平均氣溫在1991年發(fā)生突變。

（2）近52a來寧夏地區(qū)降水呈波動下降趨勢，下降速率為9.94mm／10a，52a平均降水量為261.23 mm。20世紀60—70年代降水波動下降，70—90年代末降水趨于穩(wěn)定，2000年以后降水負距平增加，降水波動下降趨勢加大。降水的季節(jié)變化特征表現(xiàn)為春、夏、秋三季降水呈下降趨勢，秋季降水減少最為明顯，冬季降水略有增加。

（3）氣候暖干化的大背景下，近52a來寧夏出現(xiàn)重旱3次，大旱2次，重澇2次，大澇6次，旱災(zāi)、澇災(zāi)發(fā)生頻率基本相同。旱澇災(zāi)害發(fā)生頻次與氣溫變化具有一定的同步性，20世紀60—80年代中期氣溫變化不明顯，旱澇趨勢穩(wěn)定，80年代中期到2006年氣溫大幅上升，旱澇災(zāi)害同步增加，2006—2012年增溫趨勢有所減緩，旱澇災(zāi)害相應(yīng)減少。在寧夏地區(qū)氣候呈明顯暖干化趨勢影響下，其受干旱災(zāi)害威脅的概率和程度都進一步的加大，希望相關(guān)部門采取適當?shù)拇胧﹣頊p少氣候變化帶來的負面影響，從而實現(xiàn)社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。

（4）根據(jù)Z指數(shù)旱澇等級劃分標準，對近52a寧夏地區(qū)的降水量進行等級劃分，運用馬爾科夫模型對未來5a的旱澇狀態(tài)進行的預(yù)測表明，2013—2017年該地區(qū)降水處于“正?！钡母怕瘦^大。

（5）由于區(qū)域水熱關(guān)系復(fù)雜，且存在所選空間站點較少、時間序列相對較短的問題，今后仍需要做進一步完善。同時，本研究只揭示了氣候變化與旱澇災(zāi)害的時間變化特征，對其空間變化特征并未進行分析說明，區(qū)域氣候變化特征受自然和人文因素的共同影響，本研究對這種變化的內(nèi)在機制和動因提及甚少。未來隨著溫室氣體排放量的增加，寧夏地區(qū)水資源供需矛盾的進一步加劇，該地區(qū)的旱澇災(zāi)害將持續(xù)引起社會的關(guān)注，因此必須加強區(qū)域預(yù)防旱澇災(zāi)害體系建設(shè)，盡可能減少旱澇災(zāi)害對區(qū)域社會、經(jīng)濟的負面影響。

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