崔 楊,崔利芳

(1.黃岡師范學院 地理與旅游學院,湖北 黃岡 438000;2.安徽師范大學附屬鄭蒲港學校，安徽 馬鞍山 238100)

隨著人類社會的快速發(fā)展，氣候變化已經(jīng)成為全球變化不可缺少的一部分，氣候變化嚴重影響人類的生存發(fā)展，從19世紀末開始有學者著手于對氣候變化的研究[1-2]?，F(xiàn)在，氣候變化問題成為全世界各國政府和科學家共同關注的話題，近百年來，全球氣候正經(jīng)歷以氣溫上升為主要特征的變化，全球變暖已成為不爭的事實，所以研究區(qū)域的氣候變化則顯得更為重要[3-4]。近些年來我國眾多學者對氣候變化的研究已經(jīng)取得了許多重大成果。劉瓊等選取河西西部地區(qū)14個站點近50年的氣溫、降水和風速等氣象數(shù)據(jù)，采用多元線性回歸模型、空間插值法和Mann-Kendall等方法，對河西西部地區(qū)的氣候變化的時空分布規(guī)律進行分析[5]。樂滿等采用青藏高原東北部1957～2009年的氣候數(shù)據(jù)資料進行了氣候時空變化特征分析，表明位于青藏高原東北部的干旱區(qū)氣溫上升趨勢更加的顯著，濕潤區(qū)的氣溫增加不明顯[6]。葉金印等利用淮河流域1961～2010年間的145個氣象站點觀測數(shù)據(jù)，對近50年以來淮河流域的氣象要素進行了時空變化趨勢的分析[7]。

氣候變化對人類具有重要的影響，現(xiàn)如今已經(jīng)有不少的研究指出氣候變化不僅會給人類帶來巨大的經(jīng)濟損失，也會對人類的身體健康產(chǎn)生危害[8-9]。因此，分析湖北省氣候變化的時空分布規(guī)律，掌握氣候變化的規(guī)律和特點，對于防災減災以及科學的規(guī)劃社會發(fā)展都具有特別重要的意義[10]。氣溫和降水是氣候變化中最基本的要素，由于氣溫和降水的時空差異性從而引起的環(huán)境變化也會有所不同。所以，在了解全球氣候變化特征的基礎上，研究地理小尺度氣候變化趨勢是十分必要的。湖北省位于長江中下游，三面環(huán)山，屬于東西、南北氣候過渡帶，依據(jù)《湖北省自然災害歷史資料》發(fā)現(xiàn)，20世紀以來湖北省旱澇出現(xiàn)次數(shù)有所增加，因此，研究湖北省區(qū)域氣候變化的時空規(guī)律對于湖北省的防災減災具有重要的指導作用[11]。

1 研究區(qū)、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

湖北省位于中國中部，洞庭湖以北，地理位置的經(jīng)緯度介于29°05'～30°20'N，108°30'～116°20'E之間，東西長約740公里，南北寬約470公里，全省土地總面積18.59萬平方公里。地處于亞熱帶，位于典型的季風區(qū)內(nèi)，全省除高山地區(qū)外，大部分為亞熱帶季風性濕潤氣候，主要氣候特征是雨熱同期，降水充沛，光照充足。

1.2 數(shù)據(jù)與方法

氣象數(shù)據(jù)由中國氣象局和中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供，所用資料的時間1960～2012年，選取湖北省23個氣象觀測站近50年的氣溫和降水的日值資料。其中季節(jié)劃分按照3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12～次年2月為冬季。圖1為湖北省23個氣象站點的分布情況。

本文在分析湖北省近50年的區(qū)域時空變化規(guī)律的過程中運用了如下方法：

(1)線性回歸法[12]。線性回歸是利用數(shù)理統(tǒng)計中回歸分析，來確定兩種或兩種以上變量間相互依賴的定量關系的一種統(tǒng)計分析方法，其應用的范圍十分廣泛。在處理氣象數(shù)據(jù)時，由于某些氣象站年份久遠的原因，有些氣象數(shù)據(jù)不能提供，此時就可以利用線性回歸的方法，對于近10年的氣溫和降水趨勢得出所缺失的氣象數(shù)據(jù)。

(2)反距離加權插值法[13]。基于相近相似的原理：即兩個物體離得近，它們的性質就越相似，反之，離得越遠則相似性越小。它以插值點與樣本點間的距離為權重進行加權平均，離插值點越近的樣本點賦予的權重越大。

(3)線性傾向率法[14]。在進行氣溫或降水的氣候趨勢分析時，采用了線性傾向率，線性趨勢傾向系數(shù)由最小二乘法求得，用一元線性回歸方程Y=a*x+b描述氣候趨勢，氣候傾向率為a*10，單位為℃/10a或mm/10a。符號a表示氣候變量的趨勢傾向，即a大于0時，說明隨時間的增加x呈上升趨勢；反之則下降，a值的大小反映了上升或下降的速率。

2 湖北省氣溫和降水的時間變化

2.1 氣溫和降水的年際變化

近50年來，湖北省的年平均降水量呈現(xiàn)上升趨勢(圖2a)，線性擬合率的傾向率為1.53 mm/10a，從五年的滑動平均曲線來看，降水量在1970～1983年呈現(xiàn)出平穩(wěn)的上升趨勢，1998～2001年則表現(xiàn)出明顯的下降。其中最高值為1983年的437.88 mm，最低值為1970年的237.76 mm，二者之差為200.12 mm。

近50年來，湖北省的年平均氣溫也呈現(xiàn)出上升的趨勢(圖2b)，線性擬合率的傾向率為0.16 ℃/10a，從5年的滑動平均曲線來看，年平均氣溫下降明顯時段為1961～1969年，其他時段均表現(xiàn)為上升趨勢。從1976年開始，氣溫出現(xiàn)明顯的升溫趨勢，最高值為 2006 年的17.07 ℃，而1969年的15.31 ℃則是氣溫的最低值，二者之差為1.76℃。

圖2 湖北省降水量(a)和氣溫(b)的年際變化趨勢圖Fig.2 The interannual variation trend of precipitation and temperature in Hubei Province

2.2 氣溫和降水的季節(jié)變化

春季降水表現(xiàn)為明顯的減少趨勢(圖3a)，平均值為479.38 mm，線性擬合的傾向率為-4.14 mm/10a，R2值為0.0075，從5年滑動平均曲線來看，1965～1977 年表現(xiàn)為上升趨勢，2002～2004年為下降趨勢，其他年份的波動不明顯，最高值出現(xiàn)在1967年，為259.41 mm，最低值出現(xiàn)在2001年，為166.48 mm，二者之差是92.93 mm。夏季降水呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(圖3b)，平均值為302.36 mm，線性擬合的傾向率為16.70 mm/10a，R2值為0.0378，從5年的滑動平均曲線來看，下降時段出現(xiàn)在1969～1970年，而1985～1996年表現(xiàn)為波動上升的趨勢，最高值為1980年的874.17 mm，最低值為1970年的155.32mm ，二者之差為718.85mm。秋季降水呈現(xiàn)出下降的趨勢(圖 3c)，秋季平均降水的平均值228.79 mm，線性擬合的傾向率為-10.70 mm/10a，R2值為0.0656。從5年的滑動平均曲線來看，1989～1991年為下降時段，其他年份也都呈現(xiàn)不同程度的下降，其中最高值為1983年的515.85 mm，最低值為1991年的172.46 mm，二者之差為343.39 mm。冬季降水呈現(xiàn)不明顯的上升趨勢(圖3d)，平均值為83.14 mm，線性擬合的傾向率為4.28 mm/10a，R2值為0.0437(圖3)。

從5年滑動的平均曲線來看，1970～1989年是明顯的上升時段，而下降趨勢比較明顯的階段為1993～1999年，最高值為1989年的235.44 mm，最低值為1999年的101.10 mm，二者之差為134.34 mm。

春季氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(圖4a)，平均值為15.87 ℃，線性擬合的傾向率為0.026 ℃/10a，R2值為0.2664，從5年滑動的平均曲線來看，氣溫從1991年開始上升，最高值出現(xiàn)在2008年，為17.73 ℃，最低值為1983年的14.46 ℃，二者之差為3.27 ℃。夏季氣溫的平均值為26.46 ℃，近50年來主要呈現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢(圖4b)，線性擬合的傾向率為-0.017 ℃/10a，R2值為0.0016，從5年滑動平均曲線來看，氣溫呈現(xiàn)出平穩(wěn)的趨勢，最高值為1961年的28.14 ℃，最低值為1980年的25.08 ℃，二者之差為 3.06 ℃。秋季氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(圖4c)，氣溫的平均值為17.07 ℃，線性擬合的傾向率為0.18 ℃/10a，R2值為0.1657，根據(jù)近5年滑動平均曲線看，除了1980～1981年出現(xiàn)了明顯的下降，但之后氣溫又表現(xiàn)為快速的上升，最高值為1998年的18.76 ℃，最低值為1981年的15.12 ℃，二者之差為3.64 ℃。冬季氣溫呈現(xiàn)出平穩(wěn)的增加趨勢(圖4d)，氣溫的平均值為4.93 ℃，線性擬合的傾向率為0.215 ℃/10a，R2值為0.1248，從5年滑動的平均曲線來看，氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，最高值為1999 年的7.01 ℃，最低值為1969年的2.51 ℃，二者之差為4.50 ℃。

圖3 湖北省年平均降水量四季變化趨勢Fig.3 The seasonal variation trend of precipitation in Hubei Province

圖4 湖北省年平均氣溫四季變化趨勢Fig.4 The seasonal variation trend of temperature in Hubei Province

3 湖北省氣溫和降水的空間變化

3.1 氣溫和降水量多年平均值的空間分布

從湖北省年平均降水量插值圖中能夠看出(圖5a)，年降水量呈現(xiàn)出自東南向西北遞減的趨勢，整體來看，湖北省西南部降水偏多，西北部的恩施和東南部的英山為降水的高值中心，年平均降水量最高值為358.94 mm，西北的鄖西和襄樊等地為年降水量的低值區(qū)域，年平均降水量的最低值為195.14 mm。從年平均降水量傾向率的插值圖中可以看出(圖5b)，整個區(qū)域的降水量呈現(xiàn)出分布不均趨勢，增多趨勢最明顯的區(qū)域為中部的武漢，傾向率為10.07 mm/10a，年平均降水量減少最明顯的區(qū)域為西南的恩施和來鳳，傾向率為-7.15 mm/10a。

從湖北省年平均氣溫插值圖中可以看出(圖5c)，湖北省的南部為氣溫的高值分布區(qū)域，西部的巴東和東部的陽新也是相對高值中心，年平均氣溫最高值17.36 ℃，而低值區(qū)域主要在西北部和西南部，其中利川的12.85 ℃為氣溫的最低值，從湖北省總體來看，年平均氣溫是從東部向西部減少的趨勢。從年平均氣溫傾向率插值圖中可以看出(圖5d)，氣溫在湖北省整個區(qū)域都呈現(xiàn)出上升趨勢，分布于中部的武漢和北邊的襄樊為氣溫上升趨勢最明顯的區(qū)域，傾向率分別為0.27 ℃/10a和0.33 ℃/10a，西南部的下降趨勢明顯，尤其是恩施和來鳳，傾向率為-0.01 ℃/10a。

圖5 湖北省氣溫和降水量及其變化率的空間分布Fig.5 The spatial distribution of temperature and precipitation and their variation trend in Hubei Province

3.2 氣溫和降水量四季變化的空間分布

春季降水量的空間分布具有明顯的下降趨勢(圖6a)，湖北省南部的武漢和天門為降水的高值區(qū)，傾向率分別為8.51 mm/10a和3.23 mm/10a。北部的襄樊和棗陽、西南的來鳳、東部的英山為降水量下降明顯的區(qū)域，傾向率最低值為-15.52 mm/10a。夏季降水量的空間分布整體呈現(xiàn)上升趨勢(圖6b)，高值區(qū)出現(xiàn)在南部的宜昌，另外有東北部的麻城和中部的武漢降水量也呈增加的趨勢，傾向率的最高值為39.80 mm/10a。降水量的減少趨勢最明顯的區(qū)域分布在東部的英山以及西部的來鳳，傾向率的最低值為-6.27 mm/10a。秋季降水量具有下降的趨勢，空間分布表現(xiàn)為由西向東增多的趨勢(圖6c)，西北部的鄖西和東南部的陽新以及西部的宜昌是降水量減少較慢的分布區(qū)，而降水量下降幅度最小的地區(qū)分布在鄖西，降水量的傾向率為-2.91 mm/10a。降水量下降幅度比較大的地區(qū)有西南的恩施、西部的巴東以及西北部的老河口，降水量的傾向率分別為-22.96 mm/10a、-18.56 mm/10a和-18.55 mm/10a。冬季降水量的空間分布總體呈現(xiàn)上升趨勢(圖6d)，區(qū)域內(nèi)的降水量呈現(xiàn)出從東向西部逐漸的減少的趨勢，東部的英山和陽新以及中部的武漢為降水的高值分布區(qū)域，降水量傾向率的最高值為10.29 mm/10a。降水量的低值區(qū)分布在西北部和西南部，降水量減少最明顯的是巴東和興山，降水量傾向率的最低值為-1.68 mm/10a。

圖6 湖北省年四季平均降水量變化率的空間分布Fig.6 The spatial distribution of seasonal precipitation variation trend in Hubei Province

春季氣溫的空間分布(圖7a)整體呈現(xiàn)上升趨勢，其中北部的襄樊和棗陽的氣溫上升趨勢最為明顯，平均氣溫的傾向率分別為4.50 ℃/10a和3.67 ℃/10a，氣溫上升趨勢最不明顯的是東部的英山以及西部的恩施和巴東，氣溫的傾向率為0.04 ℃/10a。夏季氣溫的空間分布體現(xiàn)出(圖7b)整體的下降趨勢，區(qū)域內(nèi)的氣溫自西向東逐漸上升，西北部的鄖西和西部的巴東是氣溫下降趨勢最明顯的地區(qū)，氣溫的傾向率為-2.11 ℃/10a，氣溫的傾向率為1.66 ℃/10a和0.87 ℃/10a的武漢和天門則是氣溫上升較為明顯的地區(qū)。秋季氣溫的空間分布為明顯的下降趨勢(圖7c)，東部的陽新、麻城以及中部的武漢氣溫上升趨勢顯著，最高氣溫傾向率為1.66 ℃/10a，其中下降趨勢較為明顯的是西北部的鄖西和西部的巴東，氣溫傾向率分別為-2.11 ℃/10a和-1.53 ℃/10a。冬季氣溫的空間分布表現(xiàn)為明顯的升高趨勢(圖7d)，尤其是北部的襄樊和老河口，中部的武漢和麻城，氣溫傾向率最高值為2.63 ℃/10a，氣溫上升趨勢比較不明顯的是西南部的恩施和巴東以及東部的英山，氣溫傾向率的最低值是0.60 ℃/10a。

圖7 湖北省年四季平均氣溫變化率的空間分布Fig.7 The spatial distribution of seasonal temperature variation trend in Hubei Province

4 結論與展望

本文利用湖北省近50年的氣象數(shù)據(jù)，采用線性回歸的方法得出缺失的數(shù)據(jù)，結合線性回歸法、反距離加權插值法以及線性傾向率法，對湖北省近50年氣溫和降水量的時空變化進行分析。結果表明：(1)近50年來，湖北省年平均降水量表現(xiàn)為逐漸增多的趨勢，線性擬合傾向率為1.53 mm/10a；年平均氣溫也呈現(xiàn)出上升趨勢，線性擬合的傾向率為0.16 ℃/10a；(2)近50年來，湖北省降水量的四季變化較為復雜，降水量在春、秋呈現(xiàn)出減少的趨勢，而在夏季和冬季表現(xiàn)出明顯的上升趨勢；氣溫的四季變化除夏季較平穩(wěn)外，其他三個季節(jié)均呈上升趨勢，尤其是春季的氣溫上升速率最快，線性傾向率為0.26 ℃/10a；(3)湖北省整個區(qū)域的降水量呈現(xiàn)出增多趨勢，武漢是降水增多最明顯的地區(qū)，恩施和來鳳則是降水減少最明顯的地區(qū)；(4)湖北省氣溫呈現(xiàn)出上升的趨勢，武漢和襄樊是氣溫上升最明顯的區(qū)域，線性擬合傾向率為0.27 ℃/10a 和0.33 ℃/10a，而下降趨勢明顯的區(qū)域是西南部的恩施和來鳳。

由于目前沒有收集到近幾年湖北省各氣象站點的氣溫和降水量數(shù)據(jù)及受篇幅的限制，本文只分析了氣溫和降水兩個氣象要素變化的時空分布，因此，計劃在未來的工作中搜集近幾年氣溫和降水量數(shù)據(jù)及其他氣象數(shù)據(jù)，并分析各氣象要素的突變特征和周期性特征，進一步深入研究湖北省氣候變化特征及其驅動因素。