劉明霞 ，劉友存 ，劉燕 ，許燕穎 ，劉正芳 ，喬麗潘古麗·吐爾洪，鄒杰平

（江西理工大學(xué)，a. 建筑與測繪工程學(xué)院；b. 資源與環(huán)境工程學(xué)院，江西 贛州 341000）

20 世紀(jì)50 年代以來，全球氣候發(fā)生急劇變化，氣溫升高，氣候變暖十分明顯[1-2]。 IPCC 第5 次評估報告指出：1880—2012 年全球平均地表溫度升高0.85 ℃[3]，1998—2008 年出現(xiàn)了全球變暖趨緩現(xiàn)象[4]，但近幾年全球氣溫呈明顯上升趨勢。 氣候變暖增加極端天氣與氣候事件的發(fā)生頻率、強(qiáng)度和持續(xù)時間[5-6]。如2003 年和2010 年夏季的歐洲熱浪，2008 年中國南方雪災(zāi)，以及 2010 年中國西南大旱等，給人類活動帶來極大的影響[7]。 世界銀行研究表明，如果人類不采取措施來應(yīng)對氣候變化，到 2030 年將有 1 億氣候難民，而到2050 年主要作物的產(chǎn)量將比現(xiàn)在減少25%，發(fā)展中國家將可能遭受每年1.7 萬億美元的經(jīng)濟(jì)損失[8-10]。

國家氣候變化評估報告指出，近100 年來中國年平均溫度上升了0.5~0.8 ℃，尤其是近50 年來的增溫速率高于全球平均值，降水變化趨勢不明顯，但年際波動較大[11]。 Song 等[12]研究發(fā)現(xiàn)中國大部分地區(qū)的地表相對濕度呈減小趨勢。作為鄱陽湖流域最大的支流，贛江從南到北貫穿整個江西省，為省內(nèi)最大的河流。目前，已有一些學(xué)者對贛江流域進(jìn)行了研究，張余慶等[13]指出贛江流域1966—2005 年發(fā)生了6 次中旱和7 次中澇事件。 劉衛(wèi)林等[14]基于CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) 模式和 SDSM (Statistical Down Scaling Model )對贛江流域的天氣過程和極端降水進(jìn)行了預(yù)測。 劉璇等[15]認(rèn)為在不同溫室氣體排放情況下，贛江流域年降水量和年蒸發(fā)量及年徑流量將呈顯著增加趨勢。 總之，對贛江流域的水文過程已開展了一系列的研究工作[16-18]，并取得了較好的研究成果。 然而針對贛江流域氣候特征的分析研究，尤其是對氣象因子變化特征及其驅(qū)動機(jī)制的研究還不多見。本文基于贛江流域逐日氣象資料和氣候指數(shù)數(shù)據(jù)，分析研究了在全球氣候變化背景下，贛江流域氣象因子的時空變化特征及其驅(qū)動因素，從而為流域氣象災(zāi)害防治和水資源評價提供數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

贛江干流長766.0 km，并有13 條主要的支流匯入[16]。 贛江是長江的主干支流之一，位于長江中下游南岸，發(fā)源于贛閩交界的武夷山西麓，自南向北縱貫江西省。 地理位置 113°30′~116°40′E，24°29′~29°11′N，流域集水面積 80,948 km2，如圖 1 所示。 整個贛江流域呈現(xiàn)山地丘陵為主體的地貌格局，山地丘陵占流域面積的64.7%，崗地占31.5%，平原和水域等僅占3.9%[16]。 屬于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，氣候溫和，雨量豐沛[15]。 多年平均氣溫 17.8 ℃，南部高北部低；多年平均降水量1600.0 mm，春、夏之交降水多，秋、冬季節(jié)降水少[13]。 上半年降水多易洪澇，下半年降水少易干旱。

圖1 贛江流域位置及氣象站點(diǎn)分布

2 資料與研究方法

2.1 資料來源

選取贛江流域1959—2017 年11 個主要國家氣象站點(diǎn)（宜春、吉安、井岡山、遂川、贛州、南昌、樟樹、廣昌、長汀、南雄和尋烏）的逐日氣象資料，包括氣溫(TEM)、降水（PRE）、蒸發(fā)（EVP）和相對濕度（RHU）等。 資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。 AO、NAO 、Ni?o 3.4、PDO、SOI、WP 和 NOI氣候指數(shù)數(shù)據(jù)來自美國國家海洋與大氣管理局（http://www.esrl.noaa.gov/psd/data/climateindices/list/）。EASMI、SASMI 氣候指數(shù)數(shù)據(jù)來自李建平教授的個人主頁http://ljp.lasg.ac.cn/dct/page/65540 及其已發(fā)表的研究論文[19]，四季劃分參照氣候?qū)W的劃分方法，春季（3—5 月）、夏季（6—8 月）、秋季（9—11 月）和冬季（12 月—翌年 2 月）。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall 檢驗(yàn)

Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)是非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，采用該方法對不符合一定分布規(guī)律的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，可減少異常值和定量分析時間變化趨勢。 因此，運(yùn)用M-K 檢驗(yàn)方法對贛江流域氣象因子進(jìn)行時間序列的趨勢分析和突變檢驗(yàn)。 M-K 檢驗(yàn)公式[20]：

其中，xk和xt為樣本數(shù)據(jù)值；n 為數(shù)據(jù)集合長度；t為時間序列。

2.2.2 小波分析

小波分析是用一簇小波函數(shù)來逼近某一信號或函數(shù)，從而得到原始信號在不同尺度上的周期性變化特征。交叉小波變換是將小波變換與交叉譜分析相結(jié)合，從多時間尺度研究兩個時間序列在時頻域中的相互關(guān)系，它是一種新的信號分析技術(shù)。 運(yùn)用交叉小波變換能較好地分析氣象要素對大尺度氣候指數(shù)的響應(yīng)機(jī)制及原因[20]。 對于任意兩個時間序列X 和Y 之間的交叉小波功率譜（XWT）定義為[21]：

3 結(jié)果與分析

3.1 贛江流域氣象因子變化趨勢

贛江流域1959—2017 年各氣象因子的年變化趨勢如圖2。近60 年來年平均氣溫為18.3 ℃，氣溫呈微弱上升趨勢，傾向率為 0.17 ℃·（10 a）-1。1998 年以前氣溫多為負(fù)距平，嗣后多為正距平，說明近20年來氣候變暖加快。 1959—1970 年氣溫呈下降趨勢，1971—2017 年呈波動上升趨勢。 年平均降水量為1625.18 mm，降水量呈上升趨勢，傾向率為17.48 mm·（10a）-1。其正負(fù)距平相間分布，表明降水量年際波動較大，整體上呈波動上升趨勢。 年平均蒸發(fā)量為 1186.86 mm，傾向率為-127.63 mm·（10 a）-1，整體上呈顯著下降趨勢，只有在1965—1978 年呈上升趨勢。而在1988 年以前蒸發(fā)量多為正距平，嗣后為負(fù)距平，表明1988 年以后蒸發(fā)量下降趨勢更加顯著。年平均相對濕度為78.82%，相對濕度呈微弱下降趨勢，傾向率為-0.27%·（10 a）-1。在 2003 年以前相對濕度正負(fù)距平相間分布，而在2003—2015 年為負(fù)距平，2015 年以后為正距平。

3.2 贛江流域氣象因子突變分析

應(yīng)用M-K 檢驗(yàn)方法對贛江流域1959—2017 年各氣象因子的時間變化特征進(jìn)行了突變檢驗(yàn)，UF為各氣象因子的順序統(tǒng)計(jì)曲線 （實(shí)線），UB 為各氣象因子的逆序統(tǒng)計(jì)曲線（虛線），并給定顯著性水平α＝0.05，臨界線 U=±1.96，如圖 3 所示。

圖3 1959—2017 年贛江流域各氣象因子M-K 突變檢驗(yàn)

圖3（a）為氣溫的M-K 檢驗(yàn)，可以看出氣溫的突變年份為2004 年。 1959—1976 年呈現(xiàn)下降趨勢，其余年份呈現(xiàn)上升趨勢。 圖3（b）為降水量的M-K 檢驗(yàn)，可以看出降水量在 1962—1967 年、1984—1991 年和 2002—2014 年 3 個時間段呈下降趨勢，其余年份呈現(xiàn)上升趨勢。突變年份為1991 年、2001 年和 2014 年。 1991 年后呈現(xiàn)上升趨勢，2001 年后呈現(xiàn)下降趨勢，2014 年后再次呈現(xiàn)上升趨勢。圖3（c）為蒸發(fā)量的M-K 檢驗(yàn)，可以看出蒸發(fā)量在1963—1967 年和 1983—2017 年 2 個時間段呈下降趨勢，其余年份呈現(xiàn)波動上升趨勢，突變年份為1990 年。 圖 3（d）為相對濕度的 M-K 檢驗(yàn)，可以看出相對濕度在1961—1963 年和2002—2014 年2個時間段呈現(xiàn)下降趨勢，其余年份呈現(xiàn)波動的上升趨勢。 突變年份為 1964 年和 2002 年，1964 年后呈現(xiàn)波動的上升趨勢，而在2002 年后呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

3.3 贛江流域氣象因子空間分布特征

贛江流域1959—2017 年各氣象因子空間分布如圖4 所示。 從圖4 中可以看出，流域內(nèi)東部和南部年平均氣溫較高，西北部較低。 其中井岡山地區(qū)最低為14.52 ℃，井岡山氣象站海拔843 m，遠(yuǎn)高于其他氣象站海拔，海拔每升高100 m，氣溫下降0.6 ℃，因此年平均氣溫最低。 流域內(nèi)東部和西北部年平均降水量偏多，中部和西南部偏少。 而贛江中游地區(qū)為全流域降水量低值區(qū)，近60 年來吉泰盆地和贛南幾乎沒有發(fā)生過大暴雨和洪澇災(zāi)害。流域降水量山區(qū)大于中部丘陵盆地，東部大于西部。流域內(nèi)東部和南部年平均蒸發(fā)量較大，西北部較小。 而鄱陽湖湖濱地區(qū)蒸發(fā)最強(qiáng)，吉泰盆地和贛南腹地次之，山區(qū)最弱。 流域內(nèi)東部和西北部年平均相對濕度較大，西南部和東北部較小。 山區(qū)的相對濕度高于丘陵盆地。

3.4 贛江流域氣象因子與氣候指數(shù)的關(guān)系

3.4.1 贛江流域氣象因子與氣候指數(shù)的相關(guān)性分析

氣溫和降水作為反映一個地區(qū)氣候變化的重要因素，又直接受到區(qū)域性的大氣環(huán)流影響。 因此，選取 AO、NAO、ENSO（Ni?o 3.4）、NP、PDO、SOI、WP、NOI、EASMI （The East Asian Summer Monsoon Index）和SASMI（The South Asian Summer Monsoon Index）氣候指數(shù)，分析贛江流域四季及全年的氣溫和降水量與各個氣候指數(shù)的相關(guān)性。表1 為氣溫與各氣候指數(shù)的相關(guān)系數(shù)，贛江流域春季氣溫與AO 指數(shù)呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，當(dāng)AO 處于正相位時，北極的冷空氣很難向南擴(kuò)展，因而流域內(nèi)春季氣溫偏高[22]。夏季氣溫與Ni?o 3.4 指數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)，而與NOI 和SOI 指數(shù)分別呈現(xiàn)顯著和極顯著的正相關(guān)。厄爾尼諾現(xiàn)象影響我國春、夏季節(jié)的氣候形勢，使我國南方地區(qū)多降水，氣溫偏低。因此，夏季氣溫與Ni?o 3.4 指數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)[23]。 由于 Ni?o 3.4與SOI 呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，所以SOI 指數(shù)與夏季氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)。 而NOI 指數(shù)越高，拉尼娜現(xiàn)象越活躍，使我國易出現(xiàn)熱夏和冷冬，亦使贛江流域夏季氣溫偏高。秋季氣溫與PDO 指數(shù)呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)。冬季氣溫與Ni?o 3.4 呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，而與WP 指數(shù)呈現(xiàn)極顯著的正相關(guān)。 當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時，亞洲季風(fēng)偏弱，而氣溫冬高夏低。 因此，Ni?o 3.4 指數(shù)與冬季氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)。 在WP 指數(shù)高值年，我國的冬季風(fēng)變?nèi)?，使冬季氣溫偏高?因此，WP 指數(shù)與冬季氣溫呈現(xiàn)正相關(guān)[24]。 全年平均氣溫與各氣候指數(shù)無顯著的相關(guān)性。

圖4 1959—2017 年贛江流域各氣象因子空間分布

表1 氣溫與各氣候指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

表2 為降水量與各氣候指數(shù)的相關(guān)系數(shù)。 從表2 可以看出，贛江流域春季降水量與NAO 和SOI 指數(shù)呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)，與AO 指數(shù)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)，與Ni?o 3.4 和 PDO 指數(shù)呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時，我國南方地區(qū)多降水，因而Ni?o 3.4 指數(shù)與流域內(nèi)春季降水量呈現(xiàn)正相關(guān)。 由于Ni?o 3.4 與PDO 和 SOI 分別呈現(xiàn)正相關(guān)和負(fù)相關(guān)，所以PDO 和SOI 指數(shù)與春季降水量分別呈現(xiàn)正相關(guān)和負(fù)相關(guān)。夏季降水量與各氣候指數(shù)的相關(guān)性不顯著。秋季降水量與Ni?o 3.4 指數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。 冬季降水量與 NAO 和 Ni?o 3.4 指數(shù)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，而與SOI 指數(shù)呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)。 冬季NAO 指數(shù)偏高，可導(dǎo)致西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)減弱，使贛江流域冬季降水量增加[25]。 因此，冬季降水量與NAO 指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)。 當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時，我國南方地區(qū)多降水。 由于 Ni?o 3.4 指數(shù)和SOI 指數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，冬季降水量與SOI 指數(shù)也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)[26]。 全年平均降水量與各氣候指數(shù)無顯著的相關(guān)性。

3.4.2 氣溫和降水與氣候指數(shù)的交叉小波分析

選擇表1 和表2 中與氣溫和降水量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)的氣候指數(shù) AO、SOI、PDO 和 Ni?o 3.4，采用交叉小波分析了贛江流域氣溫和降水量與同期大尺度氣候指數(shù)的關(guān)系。 圖5 為氣溫和降水量與氣候指數(shù)的交叉小波功率譜，氣溫與AO 在1964—1968 年存在1.0～2.0 a 的負(fù)位相顯著共振關(guān)系，即負(fù)相關(guān)。氣溫與 AO 在 1978—2002 年存在 2.0～5.0 a 的顯著共振周期，平均位相角右上接近45°，氣溫略滯后于AO，表現(xiàn)出一定的正位相共振關(guān)系，即正相關(guān)。 氣溫與 AO 在 2009—2012 年存在 2.5～4.0 a 的顯著共振周期，平均位相角左下接近45°，氣溫略提前于AO，表現(xiàn)出一定的負(fù)位相共振關(guān)系，即負(fù)相關(guān)。 氣溫與 SOI 在 1975—2002 年存在 2.0～5.5 a的顯著共振周期，平均位相角右下接近45°，氣溫略提前于SOI，表現(xiàn)出一定的負(fù)位相共振關(guān)系，即負(fù)相關(guān)。 氣溫與 SOI 在 2009—2013 年存在 2.0～3.0 a 的顯著共振關(guān)系，平均位相角垂直向下90°，氣溫提前于SOI。氣溫與PDO 在1981—2001年存在2.0~6.0 a 的負(fù)位相的顯著共振關(guān)系，即負(fù)相關(guān)。 氣溫與PDO 在2008—2011 年存在2.5~3.5 a 的正位相顯著共振關(guān)系，即正相關(guān)。 氣溫與 Ni?o 3.4 在1976—2002 年存在2.0~6.0 a 的正位相顯著共振關(guān)系，即正相關(guān)。氣溫與 Ni?o 3.4 在 2009—2013 年存在2.0~3.0 a 的顯著共振關(guān)系，平均位相角垂直向上 90°，說明氣溫滯后于 Ni?o 3.4。

表2 降水量與各氣候指數(shù)的相關(guān)系數(shù)

圖5 氣溫和降水量與氣候指數(shù)的交叉小波功率譜

降水量與AO 在2004—2009 年存在3.5~5.0 a顯著的共振周期，平均位相角垂直向下，說明降水量提前于 AO。 降水量與 AO 在 2009—2014 年存在0.5~1.5 a 的顯著共振周期，平均位相角左下接近45°，說明降水量略超前于AO，表現(xiàn)出一定的負(fù)位相共振關(guān)系，即負(fù)相關(guān)。降水量與SOI 在1969—1974 年存在0.5~3.5 a 的顯著共振周期，平均位相角垂直向下，說明降水量提前于SOI。 降水量與SOI 在 1998—2002 年存在 3.5~5.0 a 的負(fù)位相顯著共振關(guān)系，即負(fù)相關(guān)。 降水量與SOI 在2010—2013 年存在0.5~2.5 a 的顯著共振周期，平均位相角左下接近45°，降水量略超前于SOI，表現(xiàn)出一定的負(fù)位相共振關(guān)系，即負(fù)相關(guān)。 降水量與PDO在1992—2001 年存在3.5~5.0 a 的顯著共振周期，平均位相角右上接近45°，降水量略滯后于PDO，表現(xiàn)出一定的正位相共振關(guān)系，即正相關(guān)。 降水量與 Ni?o 3.4 在 1969—1974 年存在 0.5~4.0 a 的顯著共振周期，平均位相角垂直向上，降水量滯后于Ni?o 3.4。 降水量與 Ni?o 3.4 在 1997—2003 年存在3.5~5.0 a 的正位相顯著共振關(guān)系，即正相關(guān)。

4 結(jié) 論

1）近60 年來贛江流域氣溫、降水量、蒸發(fā)量和相對濕度分別呈現(xiàn)微弱上升、顯著上升、顯著下降和微弱下降的變化趨勢。 氣溫突變點(diǎn)為2004 年，降水量突變點(diǎn)為 1991 年、2001 年和 2014 年，蒸發(fā)突變點(diǎn)為1990 年，相對濕度突變點(diǎn)為1964 年和2002 年。

2）贛江流域東部和南部年平均氣溫較高，西北部較低。 東部和西北部年平均降水量偏多，中部和西南部偏少。 東部和南部年平均蒸量發(fā)較大，西北部較小。 東部和西北部年平均相對濕度較高，西南部和東北部較低。贛江流域降水量山區(qū)大于中部丘陵盆地，蒸發(fā)量鄱陽湖湖濱地區(qū)、吉泰盆地和贛南腹地最大，山區(qū)蒸發(fā)量最小，而相對濕度山區(qū)高于丘陵盆地。

3）AO、SOI、PDO、Ni?o 3.4 與贛江流域的氣溫和降水量呈現(xiàn)極顯著相關(guān)。 交叉小波分析表明，氣溫與 AO、SOI、PDO 和 Ni?o 3.4 指數(shù)在 1981—2001 年和2009—2011 年間分別存在2.0~5.0 a 和2.0~3.0 a的主共振周期，而降水量與4 個氣候指數(shù)不存在明顯的主共振周期。