張麗 葉丹 張翠 李芳 陳章 譚思陽

摘要：為了掌握三峽庫首典型山區(qū)縣氣溫和降水氣候要素變化特征和規(guī)律，選取湖北省興山縣作為代表縣，利用1958～2022年國家地面氣象觀測站、2012～2022年區(qū)域氣象觀測站逐日溫度和降水氣象數(shù)據(jù)，采用混合插值法、線性傾向評估法、5 a滑動平均法、累計距平法、Mann-Kendall突變檢驗法對平均氣溫、平均最高（最低）氣溫、高溫（低溫）日數(shù)、降水量、降水（暴雨）日數(shù)等氣候要素進行時空特征分析。結(jié)果表明：① 興山縣具有春秋氣溫舒適、河谷暖冬低溫少、高山趨于暖濕化、雨量四季豐沛、夏季降水集中、雨熱同季、立體氣候特征顯著的特點。② 氣溫呈現(xiàn)“河谷高山地低”的空間分布特征，氣溫高值區(qū)主要出現(xiàn)在午后14：00～16：00；但低溫日數(shù)趨于減少，冬季平均氣溫逐步上升，且年平均最低溫度的增幅快于年平均最高溫度，一定程度上表明寒冷程度趨于減弱。③ 降水呈現(xiàn)“西多東少、高山多于峽谷”的空間分布特征，隨著海拔高度的升高，降水呈增加趨勢，夏季增加幅度最大;6～8月為暴雨多發(fā)期，降水的時間跨度變小，出現(xiàn)短時強降水的概率增加。研究成果可為當?shù)亻_展氣象防災(zāi)工作減災(zāi)提供科學依據(jù)，以發(fā)揮三峽庫首區(qū)生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能。

關(guān) 鍵 詞：氣候變化； 降水特征； 趨勢分析； 突變檢驗； 興山縣

中圖法分類號： P426.6；P423

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.003

0 引 言

氣候作為自然環(huán)境的重要組成部分，它的變化直接影響人類生產(chǎn)生活、經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定［1-2］。20世紀80年代以來，溫度、降水等要素的氣候變化成為全球性熱點話題［3-4］。目前，國內(nèi)外學者運用滑動平均、線性傾向估計和回歸分析等多種方法開展相關(guān)研究，研究發(fā)現(xiàn)，不同區(qū)域的降水分布情況趨于復(fù)雜［5］：霍山縣溫度和降水均表現(xiàn)為增加趨勢［6］；慶陽市氣候由寒旱向暖濕轉(zhuǎn)化［7］；呂梁山區(qū)氣候趨向暖干［8］；南水北調(diào)中線總干渠沿線地區(qū)冬季氣溫具有顯著升溫趨勢［9］，氣候變暖的貢獻主要來自最低氣溫的升高［10］。綜上所述，不同地形地貌使得水熱分布存在顯著的地域差異。此外，在全球氣候變化的大背景下，極端天氣氣候事件趨多趨強［7，11］，山區(qū)是氣象災(zāi)害高發(fā)區(qū)和災(zāi)害防御薄弱區(qū)［12］，表現(xiàn)尤為明顯，暴雨洪澇［13］、低溫霜凍［14］、高溫干旱［15］、降水異常事件［16-17］等嚴重影響當?shù)亟?jīng)濟社會發(fā)展穩(wěn)定。目前針對氣候變化的研究主要集中在全國［18-19］和區(qū)域［2-4］等大中型尺度，對山區(qū)精細氣候變化特征研究相對較少。因此，研究山區(qū)溫度、降水等氣候要素變化特征，可以為當?shù)亻_展氣象防災(zāi)減災(zāi)工作提供科學依據(jù)。

三峽水庫庫首區(qū)是因長江三峽工程興建而形成的一個特殊區(qū)域，位于鄂西山地。作為三峽庫首山區(qū)縣之一的興山縣，屬秦嶺大巴山體系，山區(qū)占全縣總面積的90%以上，建有34座全國綠色小水電示范站，香溪河、良斗河、南陽河和高嵐河等大小溪河156條貫穿全境，在三峽庫首生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能中發(fā)揮了重大作用。當前針對興山縣氣象要素變化特征的研究成果較少，僅何曉旭等［20］基于興山國家地面氣象觀測站開展了1960～2009年氣候資源分析，研究區(qū)域僅到單點，研究方法較為單一，研究年份較為久遠，且關(guān)于氣象災(zāi)害特征的研究還處于空白階段。因此，選取興山縣作為三峽庫首的典型山區(qū)縣，開展相關(guān)研究。

為了深入了解和掌握三峽庫首典型山區(qū)縣興山縣的氣溫和降水氣候要素變化特征和規(guī)律，本文運用混合插值法、線性傾向評估法、5 a滑動平均法、累計距平法、Mann-Kendall突變檢驗法，開展基于柵格的興山縣氣溫、降水量時空變化特征研究，為提升產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局、城市建設(shè)發(fā)展、應(yīng)對氣候變化能力和科學防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

興山縣位于宜昌市西北部，地跨東經(jīng)110°25′～111°06′、北緯31°04′～31°34′之間，東西長66 km，南北寬54 km。興山縣山脈走向從東向西伸展，總地勢為東西北三面高，南面低，垂直高差達2 317.4 m。全縣地貌可劃為3種類型（圖1）：海拔500 m以下的低山河谷區(qū)，該區(qū)面積355.09 km2，占總面積的15%，分布在古夫鎮(zhèn)、昭君鎮(zhèn)、南陽鎮(zhèn)、峽口鎮(zhèn)等河谷區(qū)；海拔500～1 200 m的中山區(qū)，該區(qū)面積575.85 km2，占總面積的25%，分布在高橋鄉(xiāng)東北部、西南部，黃糧鎮(zhèn)大部，水月寺鎮(zhèn)中南部、東部等地區(qū)；海拔1 200 m以上的緩坡、平淌高山區(qū)，該區(qū)面積1 397.06 km2，占總面積的60%，主要分布在榛子鄉(xiāng)、黃糧鎮(zhèn)北部、水月寺鎮(zhèn)東北部、高橋鄉(xiāng)、南陽鎮(zhèn)西北部等地區(qū)，區(qū)內(nèi)山峰復(fù)巒，山脊眾多。

1.2 數(shù)據(jù)來源

選取1958～2022年興山國家地面氣象觀測站、2012～2022年16個區(qū)域氣象觀測站逐日溫度和降水氣象數(shù)據(jù)，以及經(jīng)度、緯度、海拔高度等地理數(shù)據(jù)，資料來自湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制。興山縣DEM分布數(shù)據(jù)通過地理空間數(shù)據(jù)云平臺下載，空間分辨率為90 m。本文插圖所涉及的矢量邊界基于審圖號為宜昌市S（2020）006號標準地圖制作，底圖無修改。

1.3 研究方法

1.3.1 空間分布特征

針對空間插值，目前常見方法有普通克里金法、反距離加權(quán)法、樣條插值法等［21］。張麗等［22］采用克里金插值法開展了宜昌市氣候要素空間插值模擬，氣溫和降水模擬的平均相對誤差均在2.1%以下，表明此研究方法在地形復(fù)雜的宜昌市具有可行性。因此，基于GIS平臺，使用混合插值法（多元線性回歸+殘差克里金）開展溫度與降水空間分布特征分析。建立1958～2022年興山縣逐年平均溫度和年降水量與宏觀地理因子的推算模型［23］：

Y=Fλ，ψ，h

（1）

式中：Y為溫度或降水量的變量值；F為宏觀地理因子（經(jīng)度、緯度、海拔高度）影響的溫度或降水量的柵格點變量值;λ表示經(jīng)度，（°）;ψ表示緯度，（°）；h表示海拔高度，m。

1.3.2 時間分布特征

按照季節(jié)劃分法［24］，12月至次年2月為冬季、3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季。

運用線性傾向評估法［8］、5 a滑動平均法［2］、累計距平法［7］對1958～2022年興山縣平均氣溫、平均最高（最低）氣溫、高溫（低溫）日數(shù)、降水量、降水（暴雨）日數(shù)等氣象要素從不同時間尺度進行特征分析。

利用Mann-Kendall突變檢驗法對興山縣溫度和降水量氣象要素突變情況進行分析［5，8］。對于多年平均氣溫和降水量的時間序列，將滿足Xi＞Xj（1≤j≤i）的樣本累計數(shù)定義為序列ri，方法如下：

Sk=ki=1ri （k=2，3，…，n）

（2）

E（Sk）=k（k-1）4

（3）

Var（Sk）=k（k-1）（2k+5）72 （2≤k≤4）

（4）

UFk=Sk-E（Sk）Var（Sk）（k=1，2，…，n）

（5）

UBk=-UFk（k=n，n-1，…，1）

（6）

式中：Sk為第i個時刻數(shù)值大于j個時刻數(shù)值時，數(shù)值個數(shù)ri的累加；

n為樣本量；E（Sk）和Var（Sk）分別是Sk的均值和方差；

UFk和UBk為統(tǒng)計量。在顯著性水平為0.05的條件下，臨界值為±1.96。

UFk＞0表明序列呈上升趨勢，反之序列呈下降趨勢；

UFk超過臨界線表明上升或下降趨勢顯著，

UFk和UBk在臨界線之間交點對應(yīng)的時刻是突變開始時間。

2 結(jié)果與分析

2.1 興山縣氣溫變化特征

2.1.1 氣溫年度變化特征

從空間分布來看（圖2），興山縣年平均氣溫、年平均最高（低）氣溫均呈現(xiàn)“河谷高山地低”的空間分布特征，與其特殊地形密切相關(guān)，體現(xiàn)了立體氣候特征明顯的特點。興山縣區(qū)域氣象站年平均氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年平均氣溫為9.6 ℃（榛子）～18.0 ℃（峽口），不同海拔高度氣溫差異懸殊（表1）：500 m以下香溪河谷地區(qū)年平均氣溫為15.4～18.0 ℃，500～1 200 m中山區(qū)年平均氣溫為13.2～14.6 ℃，海拔1 200 m以上高山區(qū)年平均氣溫為9.6～12.5 ℃。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年平均最高氣溫為15.1 ℃（榛子）～23.6 ℃（南陽），其中500 m以下年平均最高氣溫為22.4～236 ℃，500～1 200 m年平均最高氣溫為19.0～21.6 ℃，1 200 m以上年平均最高氣溫為15.1～16.8 ℃。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年平均最低氣溫為6.0℃（榛子）～14.3℃（峽口），其中500 m以下年平均最低氣溫為11.2～15.3 ℃，500～1 200 m年平均最低氣溫9.0～10.8 ℃，1 200 m以上年平均最低氣溫為6.0～9.1 ℃。

從時間變化來看（圖3），1958～2022年興山縣（興山國家基本氣象站，下同）年平均氣溫為17.1 ℃，以0043 ℃/10 a的速率逐步升高，但增溫速率遠低于全國平均氣溫增溫速率（0.23 ℃/10 a）［25］，一定程度上表明，受高植被覆蓋影響，增暖變化不顯著。年平均氣溫最大值出現(xiàn)在2022、2013年和1966年（17.9 ℃），年平均氣溫最小值出現(xiàn)在1989年（16.0 ℃）。年平均最高氣溫23.0 ℃，年平均最低氣溫12.8 ℃，分別以0.091 ℃/10 a和0.097 ℃/10 a的速率升高，最低氣溫的增速快于最高氣溫，一定程度上表明寒冷程度趨于減弱。從平均氣溫年代際特征來看（表2），20世紀80～90年代氣溫累計距平為負值，氣溫明顯偏低，21世紀后氣溫上升明顯。利用M-K法對1958～2022年興山縣年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫序列進行突變檢驗，研究發(fā)現(xiàn)，僅最低氣溫通過P＜0.05的顯著性檢驗，故僅對最低氣溫開展M-K突變檢驗。結(jié)果表明，最低氣溫20世紀80年代以后呈現(xiàn)上升趨勢，1980年發(fā)生突變。

2.1.2 氣溫季節(jié)變化特征

興山縣四季平均氣溫與全年平均氣溫的空間分布特征相同，呈現(xiàn)“河谷高山地低”的分布特征，山脈阻擋河谷冬暖特征顯著。夏季平均氣溫最高，春秋季次之，冬季最低。從興山縣不同海拔高度四季平均氣溫變化特征來看（表1），低山河谷、半高山和高山四季平均溫差達2.9～3.5 ℃，立體氣候特征顯著，其中 500 m以下春季、夏季、秋季和冬季平均氣溫分別為17.0，26.2，17.6 ℃和7.2 ℃；500～1 200 m分別為14.0，23.1，14.2 ℃和3.7 ℃；1 200 m以上分別為110，202，11.3 ℃和0.7 ℃。

從時間變化來看，1958～2022年興山縣四季平均氣溫變化趨勢差異較大，夏季呈現(xiàn)下降趨勢，其余季節(jié)呈現(xiàn)上升趨勢。具體而言，春季平均氣溫為10.0～17.9 ℃，以0.121 ℃/10 a的速率上升，20世紀90年代中期以后上升態(tài)勢顯著（圖4）。夏季平均氣溫為18.9～27.4 ℃，以0.072 ℃/10 a的速率下降，尤其20世紀80～90年代下降趨勢明顯。秋季平均氣溫為10.3～18.6 ℃，冬季平均氣溫為-0.6～8.0 ℃，分別以0.052 ℃/10 a和0.092 ℃/10 a的速率緩慢上升。利用M-K法對1958～2022年興山縣四季平均氣溫進行突變檢驗，研究發(fā)現(xiàn)，僅春季平均氣溫通過P＜005的顯著性檢驗，因此對春季平均氣溫開展M-K突變檢驗。結(jié)果表明：春季平均氣溫在20世紀80年代以前整體較為平穩(wěn)，20世紀90年代突破0.05顯著水平，下降顯著，21世紀進入上升態(tài)勢，并于2006年發(fā)生突變。

2.1.3 氣溫月（日）變化特征

從興山縣平均氣溫、平均最高（低）氣溫月度變化特征來看（圖5），氣溫變化趨勢一致，呈現(xiàn)“單峰”分布特征。其中，平均氣溫極大值出現(xiàn)在7月（27.7 ℃），極小值出現(xiàn)在1月（5.5 ℃）；平均最高氣溫的極大值出現(xiàn)在7月和8月（34.2 ℃），極小值出現(xiàn)在1月（10.5 ℃）；平均最低氣溫的極大值出現(xiàn)在7月（23.2 ℃），極小值出現(xiàn)在1月（1.9 ℃）。從興山縣平均氣溫日變化特征來看，氣溫變化存在明顯的峰值和谷值，其中氣溫的高值區(qū)一般出現(xiàn)在午后的14：00～16：00，低值區(qū)一般出現(xiàn)在清晨05：00～07：00。

2.1.4 高溫（低溫）變化特征

從日最高氣溫≥35 ℃的天數(shù)來看（圖6），興山縣平均高溫日數(shù)43.3 d，主要出現(xiàn)在夏季，占高溫總數(shù)的87.0%，以7月（14.4 d）和8月（15.6 d）最多。高溫過程累積日數(shù)最大值為74 d（2022年），高溫過程累積日數(shù)最小值為19 d（1983年）。1958～2022年高溫日數(shù)整體雖以0.272 d/10 a的速率逐步下降，但20世紀90年代以后呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，與全國年平均氣溫自1993年開始明顯變暖的結(jié)論基本一致［21］。從日最低氣溫≤0 ℃的天數(shù)來看，興山縣平均低溫日數(shù)16.5 d，主要出現(xiàn)在冬季，占低溫總數(shù)的97.2%，以1月最多（8.6 d），其次為2月（3.8 d）和12月（3.4 d）。1958～2022年低溫日數(shù)以0.906 d/10 a的速率逐步下降，主要有2個下降時段，分別出現(xiàn)在20世紀80年代以前和21世紀10年代以后。

2.2 興山縣降水變化特征

2.2.1 降水年度變化特征

受季風氣候和地形影響，興山縣年降水變化空間差異大，整體呈現(xiàn)“西多東少、高山多于峽谷”的空間分布特征（圖7）。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年降水量為812.1 mm（高陽）～1 333.8 mm（榛子）。從興山縣不同海拔高度降水分布特征來看（表1），隨著海拔高度的升高，降水呈現(xiàn)增加趨勢，夏季增加幅度最大。其中500 m以下年降水量為812.1～1 208.7 mm，500～1 200 m年降水量為1 003.1～1 189.8 mm，1 200 m以上年降水量為1 070.5～1 333.8 mm。從時間變化來看，1958～2022年興山縣年降水量為982.6 mm，以3364 mm/10 a的速率下降，其中年降水量最大值出現(xiàn)在1963年（1 356.9 mm），年降水量最小值出現(xiàn)在1966年（615.4 mm）。

2.2.2 降水季節(jié)變化特征

從空間分布來看（圖8），四季略有差異，整體空間分布特征表現(xiàn)為春夏秋三季“西多東少、高山多于峽谷”，冬季“南多北少”。夏季平均降水量最大，春秋季其次，冬季最少。其中春季、夏季、秋季和冬季平均降水量分別為213.2～349.4 mm、351.6～593.7 mm、187.5～306.0 mm和42.2～88.4 mm。從時間變化來看，1958～2022年興山縣四季降水量變化趨勢差異較大，除夏季降水量以7.677 mm /10 a的速率呈現(xiàn)增長趨勢外，其余季節(jié)均呈現(xiàn)下降態(tài)勢，以秋季降水量下降趨勢最為明顯（7.643 mm/10 a），一定程度上說明降水期趨于集中。因四季降水量均未通過0.05的顯著性檢驗，故未對其開展M-K突變檢驗。

2.2.3 降水月變化特征

興山縣氣溫和降水分配同位相變化，雨熱同季，呈現(xiàn)“單峰”分布特征（圖9）。具體而言，7月降水量最多（154.7 mm），8月降水量次之（144.8 mm）；12月降水量最少（7.3 mm），1月降水量次之（14.4 mm）。月降水日數(shù)和年降水日數(shù)類似，呈現(xiàn)“單峰”分布特征（圖10），月降水日數(shù)從7.2（1月）～14.7（7月）d不等，從冬季到夏季逐步增多，后期又緩慢下降，與雨帶位置關(guān)系顯著。

2.2.4 暴雨變化特征

暴雨與洪澇災(zāi)害是對宜昌市危害嚴重的氣象災(zāi)害。暴雨易導致山洪暴發(fā)、河水泛濫、崩山滑坡和泥石流等自然災(zāi)害。從多年日最大降水量的年變化特征來看（圖10），1958～2022年興山縣暴雨日數(shù)達132 d，并以0.119 d/10 a的速率逐步上升，過程持續(xù)1～2 d，主要發(fā)生在夏季。日最大平均降水量74.9 mm，介于暴雨（日降水量≥50.0 mm）和大暴雨（日降水量≥100.0 mm）之間。其中最大日降水量超過150.0 mm的有兩次，分別是160.8 mm（1982年7月20日）和153.8 mm（2003年7月4日）。從時間變化來看，日最大降水量以1.52 mm/10 a的速率上升，其中20世紀80年上升明顯并出現(xiàn)降水極端峰值。從多年日最大降水量的月變化特征來看，1958～2022年興山縣日最大降雨量呈現(xiàn)“單峰”分布特征。6～8月為暴雨多發(fā)期，日最大降水量7月為160.8 mm，8月為144.3 mm。整體而言，興山縣年降水量變化幅度不大，但降水日數(shù)和日最大降水量均呈現(xiàn)上升趨勢，一定程度上表明隨著全球氣候變化，降水時間跨度變小，集中在短期強降雨。

3 結(jié)論與討論

氣溫變化是氣候變化的重要影響因素［10］，全球氣候變暖又影響地球水循環(huán)，進而導致中國各地降水時空分布規(guī)律發(fā)生顯著變化，嚴重影響區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展［5］。為提高全球氣候變化大背景下三峽庫首典型山區(qū)縣的氣候應(yīng)對能力，以興山縣為代表縣，基于1958～2022年氣溫和降水量數(shù)據(jù)對氣候變化時空分布特征進行分析。興山縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年平均氣溫為9.6～18.0 ℃，平均降雨量為812.1～1 333.8 mm，有春秋氣溫舒適、河谷暖冬低溫少、四季潤澤、夏季降水集中、雨熱同季資源配置好的氣候特點。低山河谷、半高山和高山四季平均溫差29～3.5 ℃，降水量隨海拔高度增加而增加，立體氣候特征顯著。

興山縣年平均氣溫呈現(xiàn)“河谷高山地低”的空間分布特征，香溪河流域（古夫鎮(zhèn)、昭君鎮(zhèn)、峽口鎮(zhèn)、南陽鎮(zhèn)）年平均氣溫為17.1 ℃，并以0.043 ℃/10 a的速率升高。平均高溫日數(shù)為43.3 d，以7月和8月最多，氣溫高值區(qū)出現(xiàn)在午后14：00～16：00。平均低溫日數(shù)為16.5 d，以1月最多。年平均最低溫度的增幅（0097 ℃/10 a）快于年平均最高溫度（0.091 ℃/10 a），年低溫日數(shù)以0.906 d/10 a的速率下降，且冬季平均氣溫以0.092 ℃/10 a的速率上升，一定程度上表明興山縣冬季寒冷程度趨于減弱。植被指數(shù)受溫度影響高于降水，同時春季氣溫的顯著增加對植被生長有很大的促進作用［26］，興山縣春季氣溫以0.121 ℃/10 a的速率上升，在一定程度上表明植被指數(shù)趨于轉(zhuǎn)好，利于發(fā)揮其在三峽庫首區(qū)的生態(tài)屏障作用。

興山縣年降水量整體呈現(xiàn)“西多東少、高山多于峽谷”的空間分布特征，各季節(jié)略有差異。隨著海拔高度的升高，降水呈增加趨勢，夏季增加幅度最大，且21世紀10年代以來，年降水量增加趨勢明顯。平均日最大降水量為74.9 mm，平均暴雨日數(shù)為2.0 d，6～8月為暴雨多發(fā)期。整體表現(xiàn)出降水量變化幅度不大，但降水的時間跨度變小，集中在短期內(nèi)降雨，出現(xiàn)短時強降水的概率增加。各氣候要素中對河流徑流存在極顯著相關(guān)關(guān)系的為降水［27］，近60 a以來，興山縣降水量以3.364 mm/10 a的速率下降，長此以往可能導致香溪河流域水位下降、流速減緩、富營養(yǎng)化加強等，此外短時強降水概率增加，可能導致水庫防洪風險加大，并導致水土流失、土壤侵蝕等［28］，這也是后續(xù)需要關(guān)注的重點。

本文通過長時間序列、網(wǎng)格化的手段精細地分析了60余年來興山縣氣溫和降水的氣候變化特征，有利于結(jié)合風險普查成果開展典型山區(qū)精細氣象防災(zāi)減災(zāi)工作。但沒有考慮日照、濕度、風等其他氣候要素特征，且氣候變化成因及對社會經(jīng)濟的影響有待進一步探明。

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（編輯：謝玲嫻）