周北平，薛華星，茍 尚，陳 挺，許曉珂，劉達寶

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院氣象臺，江蘇南京210044；2.民航深圳空中交通管理站氣象臺，廣東深圳518128；3.蘭州中心氣象臺，甘肅蘭州730020；4.中國氣象局氣象探測中心，北京100081)

1960年～ 2012年長江下游流域氣候變化特征分析

周北平1，薛華星2，茍 尚3，陳 挺4，許曉珂1，劉達寶2

(1.南京信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院氣象臺，江蘇南京210044；2.民航深圳空中交通管理站氣象臺，廣東深圳518128；3.蘭州中心氣象臺，甘肅蘭州730020；4.中國氣象局氣象探測中心，北京100081)

利用1960年～2012年長江下游地區(qū)34個氣象站逐日資料，采用線性回歸、bootstrap、Mann-Kendall檢驗、樣條插值等方法，分析長江下游地區(qū)的極端氣溫和極端降水的變化特征。結(jié)果表明，1987年后極端低溫日數(shù)開始減少，極端高溫日數(shù)開始增加，且極端高溫和極端低溫都呈現(xiàn)顯著上升趨勢，極端低溫的上升趨勢更為明顯；長江下游極端降水頻次和強度存在明顯的年代際差異，2000年以后極端降水頻次有所減少但強度并未減弱。城市化對于城市降雨量的影響呈現(xiàn)出逐年變大的趨勢，也使得城市周邊地區(qū)的降水也出現(xiàn)一定的增大趨勢。

特征分析；氣候；極端氣溫；極端降水；變化趨勢；長江下游流域

氣候變化背景下，長江水系極端氣候、水文事件頻率和強度可能增加，加劇長江水系水資源系統(tǒng)的脆弱性，影響現(xiàn)有水利工程和水災(zāi)害應(yīng)急管理系統(tǒng)[1-2]。舒衛(wèi)民等[3]從三峽水庫降雨和徑流的相關(guān)分析得出徑流與降雨的相關(guān)性較好，降雨與徑流基本具有相同的變化趨勢的結(jié)論。郭堅[4]對雅礱江錦屏二級水電站建立了局地氣候與海拔高程、河流水面寬度之間的關(guān)系方程。經(jīng)驗證，三者具有較好的相關(guān)性。由于長江水系遼闊，不同地區(qū)在地形、地理位置、氣候條件上的差異性明顯，國內(nèi)諸多學(xué)者針對長江水系的不同區(qū)域范圍的氣候特征進行研究主要集中在長江上游、長江中下游、江淮流域等較大區(qū)域范圍，單獨對長江下游流域的極端氣候特征的研究相對較少。鑒于此，本文利用長江流域下游34個氣象站1960年～2012年的逐日降水資料，探究過去53年來長江下游地區(qū)極端氣溫和極端降水的變化趨勢，并且以上海為例，探討城市化對長江下游流域地區(qū)氣候特征的影響。

1 資料與方法

1.1 資料

長江下游地區(qū)作為本文的研究區(qū)域包含江蘇全省、浙江杭嘉湖地區(qū)、上海市以及安徽省的合肥、蕪湖、滁州、馬鞍山和銅陵五個地級市所轄區(qū)域。所用資料為地面氣象觀測資料，來源于國家氣象信息中心，選取長江下游地區(qū)共34個觀測站(站點分布圖略)，序列均一性都已經(jīng)過檢驗。本文的研究時段為1960年1月1日到2012年10月31日共53年。

1.2 研究方法

氣候變化對水資源的影響主要表現(xiàn)為降水事件在時空分布上的不均勻性和不穩(wěn)定性以及氣溫升高導(dǎo)致的蒸散發(fā)量以及水文應(yīng)對氣候變化的脆弱性。因此，研究主要從極端氣溫和極端降水兩方面展開分析。

本文主要用到的方法有bootstrap[5]、Mann-Kendall[6-7]方法、一元線性回歸和樣條插值等方法；文中極端高溫、極端低溫、極端高溫日數(shù)、極端低溫日數(shù)都是本文定義的用于反映氣溫氣候變化的要素。對于極端高(低)溫，首先用bootstrap方法求出當年日極端高溫(低溫)的閾值(閾值選取為95%)，當日平均氣溫大于日極端高溫(小于極端低溫)閾值時，即為日極端高溫(低溫)，然后對當年的日極端氣溫做平均，得出當年的極端高溫(低溫)；對于極端高溫(低溫)日數(shù)，首先用bootstrap方法求出所求年份的日極端高溫(低溫)的閾值(閾值選取為95%)，然后根據(jù)閾值求得每年的極端高溫(低溫)日數(shù)；極端降水指數(shù)則選取極端降水頻次、極端降水總量和R95T。其中，R95T為Frich等[8]提出的定義降水極端的指數(shù)，表示超過95%百分位降水占總降水量的百分率，是極端降水量與降水量比值的百分數(shù)。

城市化分析所用方法如下：首先將上海龍華站作為城市，吳縣東山站作為區(qū)域氣候背景；在計算上海龍華站(58367)和吳縣東山站(58358)的年平均降水量后，根據(jù)所得結(jié)果選取基準年。其余年份與基準年的變化值為該年平均降雨量變化率，因此城市化對上海降雨量的影響值ΔR可由下式[9]計算。即

ΔR=ΔRa-ΔRb

(1)

式中，ΔRa為上海龍華站各年份降水量與基準年的變化值；ΔRb為吳縣東山站各年份降水量與基準年的變化值。之后再計算上海龍華站年降水變化率ΔRax與吳縣東山站的年降水變化率ΔRbz，二者的差值得到增雨率ΔR=ΔRaz-ΔRbz。由此可由下式得到城市化對于降水增加的貢獻率

P=|ΔR/ΔRaz|×100%

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫的變化特征

本文對長江下游流域的極端高溫日數(shù)、極端低溫日數(shù)、極端高溫和極端低溫4個要素進行分析(見圖1)。

圖1 長江下游流域地區(qū)極端氣溫日數(shù)的MK檢驗

從圖1可以看出，極端高溫日數(shù)與極端低溫日數(shù)在1987年附近都有一個明顯的突變點，并且從極端高溫日數(shù)與極端低溫日數(shù)的變化趨勢看，其變化趨勢剛好是相反的，極端高溫日數(shù)在1987年以前沒有很明顯的變化，而1987年以后開始顯著增加，并且在2000年后通過了95%的顯著性檢驗，而極端低溫日數(shù)則相反，在1987年以前雖然也呈現(xiàn)變化不明顯的情況，但在1987年以后極端低溫日數(shù)開始顯著減少，并且在20世紀90年代初期就已經(jīng)通過了95%的顯著性檢驗。由此也可以看出，全球變暖效應(yīng)在長江下游流域地區(qū)的極端氣溫日數(shù)上有一致的體現(xiàn)。

圖2為長江下游流域地區(qū)極端氣溫的年際變化及其線性回歸，可以看出，無論是極端高溫還是極端低溫，都有升高的趨勢，通過了95%的顯著性檢驗。其中極端高溫最高的5年分別是2003年、1966年、2010年、1978年和2007年，而2000年以后占了3年，其中2003年達到了38°C以上；極端低溫最低的5年分別是1969年、1980年、1976年、1967年及1972年。可以看出，20世紀90年代以后極端低溫和高溫都偏高，而且其增長趨勢也非常明顯。因此，從極端氣溫中也可看出，長江下游流域的極端氣溫上升趨勢與全球變暖趨勢非常一致。

圖2 長江下游流域地區(qū)極端氣溫的年際變化及線性回歸

2.2 降水的變化特征

由于前人對降水的研究較多，長江下游流域地區(qū)降水的變化特征在這里僅作較為簡略的概述。長江下游流域地區(qū)的極端降水強度與極端降水頻次的年際變化較為相似，在20世紀60年代初期，極端降水強度與極端降水頻次都處于較大值，20世紀60年代后期到20世紀70年代初期卻都處于較小值。其中，1978年是1960年～2012年中降水最少的年份；20世紀80年代初期極端降水強度和頻次均處于上升期，80年代末期到90年代初期呈現(xiàn)先下降后上升的走勢；20世紀90年代中后期以后到21世紀的2012年極端降水頻次變化幅度較小，而極端降水強度在2005年以及2007年有較大值。

近53年來R95T的變化與極端降水量、極端降水頻次具有較為相似的年際變化特點(見圖3)。R95T較大年份與極端降頻次、極端降水量較大年份相對應(yīng)，其最小值為1978年的21.5%，最大值為1962年的41.2%。53年中R95T的變化傾向率為0.7%/10a，并通過了95%的顯著性檢驗。這些說明長江下游流域地區(qū)的降水正變得更為異常。

圖3 長三角地區(qū)R95T的時間變化曲線

2.3 城市化對氣候變化的貢獻

城市化改變了城市下墊面熱力和動力性質(zhì)，從而對局地的氣溫、降水等氣候因素產(chǎn)生影響。上海市是我國的特大城市，城市化率全國最高，是城市化效應(yīng)影響最為明顯的城市之一。本文采用城郊對比法，選取上海龍華站作為城市化效應(yīng)最明顯的代表站，選取同緯度距離較近的東山站作為城市化效應(yīng)不明顯的對比站，討論城市化對氣候變化的貢獻。

2.3.1 城市化對氣溫變化的貢獻

由東山站和上海龍華站的高溫日數(shù)、極端高溫、低溫日數(shù)、極端低溫的年際變化可以看出(見圖4)，郊區(qū)與市區(qū)站有比較一致的波動和年際變化規(guī)律；變化趨勢上市區(qū)站的升溫趨勢更為顯著，氣候傾向率也明顯大于郊區(qū)站。

高溫日數(shù)、極端高溫在20世紀80年代以前市區(qū)站基本低于郊區(qū)站，而從80年代開始市區(qū)站便逐漸追平郊區(qū)站并在90年代開始超過郊區(qū)站，2000年以后市區(qū)站與郊區(qū)站的差距不斷擴大；極端低溫日數(shù)在20世紀60年代到80年代市區(qū)站基本高于郊區(qū)站，90年代開始市區(qū)站低溫日數(shù)減少的速率加快并在2000年以后已基本低于郊區(qū)站；極端低溫表現(xiàn)上，市區(qū)站20世紀80年代以前都基本低于郊區(qū)站，隨著時間變化兩者之差不斷縮小，到20世紀90年代以后市區(qū)站和郊區(qū)站的極端氣溫變化幾乎同步。

由此可知，上海城市化效應(yīng)對極端高溫和極端低溫都有影響。假設(shè)東山的極端氣溫變化為氣候背景變化的結(jié)果，則城市化效應(yīng)使得上海極端高溫和低溫上升更快，表現(xiàn)為市區(qū)站高溫日數(shù)、極端高溫和極端低溫上升速率快于郊區(qū)站，低溫日數(shù)下降速率快于郊區(qū)站(見表1)。

從上海城市化效應(yīng)所引起的高溫日數(shù)、極端高溫、低溫日數(shù)以及極端低溫的年際變化(圖略)可知，20世紀80年代以后城市化效應(yīng)引起的高溫日數(shù)和極端高溫上升最為明顯和穩(wěn)定，低溫日數(shù)減少最明顯的時段也是在這一時期內(nèi)，正好對應(yīng)上海市高速發(fā)展期。由計算結(jié)果可知上海城市化效應(yīng)所引起的氣候傾向率(見表1)。近53年間，由于上海的城市化效應(yīng)使得上海的高溫日數(shù)增加了18.5 d，極端高溫上升了2.8 ℃，低溫日數(shù)減少了18.5 d，極端低溫上升了1.1 ℃。由此計算出城市化效應(yīng)所引起的氣候傾向率變化分別占總體變化的85%、77%、61%和37%。

圖4 郊區(qū)東山站和市區(qū)龍華站的極端溫度年際變化

高溫日數(shù)趨勢/d·(10a)-1極端高溫趨勢/℃·(10a)-1低溫日數(shù)趨勢/d·(10a)-1極端低溫趨勢/℃·(10a)-1氣候傾向率4.10.66-5.70.51城市化效應(yīng)引起的氣候傾向率3.50.51-3.50.19

2.3.2 城市化對降水變化的貢獻

從1956年到2012年的年平均降水值可以看出，城市降雨量隨時間的變化與區(qū)域背景降雨量隨時間的變化趨勢還是有些許差別。上海龍華站的降水量隨著年代的推移而逐漸增加，尤其是到了1990年以后漲幅明顯增加。吳縣東山站的降水量在1966年至1970年達到年際變化最低值，之后逐漸上升，在1996年至2000年達到峰值，而后又下降，總體呈現(xiàn)隨年代波動增加。另外，上海龍華站的年降水量自1970年之后，在2000年至2005年達到峰值，年均漲幅為9.67 mm/a，而吳縣東山站自1970年后至達到降水量峰值的年均漲幅為10.61 mm/a。因此，從年均降水量來分析，上海城市和區(qū)域氣候背景降水量從1970年開始都有了明顯的增幅。

為了進一步來探究城市化發(fā)展對城市降水量的影響，通過各年份與基準年的變化值得出城市化對上海城市化的影響，圖5給出了城市化和區(qū)域氣候背景對上海城市降水量的影響。由圖5可看出，1960年到1970年間城市化與區(qū)域氣候背景對降雨量的影響都為負效應(yīng)，而1980年后城市化與區(qū)域氣候背景對城市降雨量的影響逐漸為正效應(yīng)。這與20世紀80年代改革開放后，城市的迅速發(fā)展有關(guān)。同時，吳縣東山站，也就是區(qū)域氣候背景的影響明顯要高于城市化。這是因為在長江下游流域地區(qū)這樣一個經(jīng)濟相對發(fā)達區(qū)域，其周邊農(nóng)村郊區(qū)的城市化進程相較于已經(jīng)發(fā)展起來的大城市是稍快的，因此對于城市降水也會有很大的影響。尤其是在20世紀90年代，在圖中也得到了對應(yīng)。

圖5 1956年至2012年上海城市化和區(qū)域氣候?qū)邓康挠绊?/p>

通過式(1)計算得出了城市化影響對上海降雨量的影響值，再將其進行線性擬合得到了如圖6所示的結(jié)果。從圖6可以明顯看出，城市化對于城市降雨量的影響呈現(xiàn)出逐年變大的趨勢，尤其是1975年以后，影響值大于零，這與年均降水量的統(tǒng)計表格也有很好的對應(yīng)。與此同時通過對增雨率的計算顯示，城市化對于降雨量的增加也起著很大的作用，降雨量的增加比例逐年增加，增雨率以大約1.3%的速率逐年遞增。通過式(2)又得到城市化對降水量的貢獻值為40.01%。

圖6 城市化影響值及其擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

溫帶地區(qū)水文情勢對溫度、降水的變化都較敏感，研究長江下游流域地區(qū)極端氣溫和極端降水的氣候特征能夠為長江下游流域地區(qū)的水利工程、合理開發(fā)利用氣候資源等提供科學(xué)依據(jù)。因此，本文根據(jù)長江下游流域地區(qū)1960年～2012年逐日資料，對長江下游流域地區(qū)的極端氣候進行分析，結(jié)論如下：

(1)極端低溫日數(shù)在1987年后開始減少，極端高溫日數(shù)在1987年后開始增加，并且極端高溫和極端低溫都呈現(xiàn)顯著的上升趨勢，極端低溫的上升趨勢更為明顯。

(2)極端降水頻次和強度存在明顯的年代際差異，20世紀60年代初期到70年代初極端降水事件減少、強度減弱，80年代后期兩者都緩慢上升，2000年以后極端降水頻次有所減少但強度并未減弱，降水變得更為異常。

(3)20世紀80年代以前上海市區(qū)的高溫日數(shù)和極端高溫低于上海郊區(qū)，從80年代開始市區(qū)高溫日數(shù)和極端高溫開始超過郊區(qū)站，2000年以后差距不斷擴大；可以看出，城市化效應(yīng)使得上海極端高溫和低溫上升更快，表現(xiàn)為市區(qū)高溫日數(shù)、極端高溫上升速率快于郊區(qū)。

(4)從降水上看，1960年到1970年之間城市化與區(qū)域氣候背景對降雨量的影響都為負，在1980年后城市化與區(qū)域氣候背景對城市降雨量的影響逐漸為正效應(yīng)?？梢钥闯觯鞘谢瘜τ诔鞘薪涤炅康挠绊懗尸F(xiàn)出逐年變大的趨勢，使得城市周邊地區(qū)的降水也出現(xiàn)一定的增大趨勢。

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CharacteristicsofExtremeClimateinDownstreamCatchmentofYangtzeRiverduring1960-2012

ZHOU Beiping1, XUE Huaxing2, GOU Shang3, CHEN Ting4, XU Xiaoke1, LIU Dabao2

(1. Weather Forecast Training Center, Institute of Atmospheric Sciences, NUIST, Nanjing 210044, Jiangsu, China;2. Meteorological Observatory of Shenzhen Air Traffic Management Station, Shenzhen 518128, Guangdong, China;3. Lanzhou Central Meteorological Observatory, Lanzhou 730020, Gansu, China;4. Meteorological Observation Centre, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)

The daily temperature and precipitation data of 34 meteorological stations during 1960-2012 in downstream catchment of Yangtze River are based to analyze the characteristics of extreme temperature and precipitation in downstream catchment of Yangtze River by using linear regression, bootstrap, Mann-Kendall test and spline interpolation method. The results show that: (a) the extreme low temperature days began to decrease and the extreme high temperature days began to increase after 1987, the extreme high temperature and extreme low temperature also has a significant upward trend and the extreme low temperature trend is more obvious; (b) the frequency and intensity of extreme precipitation has significant diffidence between decades, the frequency of extreme precipitation after 2000 has decreased but the intensity has not weakened; and (c) the impact of urbanization on urban rainfall is increasing year by year, and the precipitation in surrounding areas of city is also increasing．

characteristics analysis; climate; extreme temperature; extreme precipitation; variation tendency; downstream catchment of Yangtze River

P446

A

0559- 9342(2017)09- 0026- 05

2017- 01- 04

中國氣象局氣象探測中心項目(KLAS201103)，國家自然科學(xué)基金資助項目( 41005047)

周北平(1982—)，男，江蘇徐州人，工程師，碩士，主要從事多元資料融合與分析； 薛華星(通訊作者)．

(責(zé)任編輯陳 萍)