近50年湖北省气温、降水量变化趋势的时空分布特征研究

崔 杨,崔利芳

(1.黄冈师范学院 地理与旅游学院,湖北 黄冈 438000;2.安徽师范大学附属郑蒲港学校，安徽 马鞍山 238100)

随着人类社会的快速发展，气候变化已经成为全球变化不可缺少的一部分，气候变化严重影响人类的生存发展，从19世纪末开始有学者着手于对气候变化的研究[1-2]。现在，气候变化问题成为全世界各国政府和科学家共同关注的话题，近百年来，全球气候正经历以气温上升为主要特征的变化，全球变暖已成为不争的事实，所以研究区域的气候变化则显得更为重要[3-4]。近些年来我国众多学者对气候变化的研究已经取得了许多重大成果。刘琼等选取河西西部地区14个站点近50年的气温、降水和风速等气象数据，采用多元线性回归模型、空间插值法和Mann-Kendall等方法，对河西西部地区的气候变化的时空分布规律进行分析[5]。乐满等采用青藏高原东北部1957～2009年的气候数据资料进行了气候时空变化特征分析，表明位于青藏高原东北部的干旱区气温上升趋势更加的显著，湿润区的气温增加不明显[6]。叶金印等利用淮河流域1961～2010年间的145个气象站点观测数据，对近50年以来淮河流域的气象要素进行了时空变化趋势的分析[7]。

气候变化对人类具有重要的影响，现如今已经有不少的研究指出气候变化不仅会给人类带来巨大的经济损失，也会对人类的身体健康产生危害[8-9]。因此，分析湖北省气候变化的时空分布规律，掌握气候变化的规律和特点，对于防灾减灾以及科学的规划社会发展都具有特别重要的意义[10]。气温和降水是气候变化中最基本的要素，由于气温和降水的时空差异性从而引起的环境变化也会有所不同。所以，在了解全球气候变化特征的基础上，研究地理小尺度气候变化趋势是十分必要的。湖北省位于长江中下游，三面环山，属于东西、南北气候过渡带，依据《湖北省自然灾害历史资料》发现，20世纪以来湖北省旱涝出现次数有所增加，因此，研究湖北省区域气候变化的时空规律对于湖北省的防灾减灾具有重要的指导作用[11]。

1 研究区、数据与方法

1.1 研究区概况

湖北省位于中国中部，洞庭湖以北，地理位置的经纬度介于29°05'～30°20'N，108°30'～116°20'E之间，东西长约740公里，南北宽约470公里，全省土地总面积18.59万平方公里。地处于亚热带，位于典型的季风区内，全省除高山地区外，大部分为亚热带季风性湿润气候，主要气候特征是雨热同期，降水充沛，光照充足。

1.2 数据与方法

气象数据由中国气象局和中国气象科学数据共享服务网提供，所用资料的时间1960～2012年，选取湖北省23个气象观测站近50年的气温和降水的日值资料。其中季节划分按照3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12～次年2月为冬季。图1为湖北省23个气象站点的分布情况。

本文在分析湖北省近50年的区域时空变化规律的过程中运用了如下方法：

(1)线性回归法[12]。线性回归是利用数理统计中回归分析，来确定两种或两种以上变量间相互依赖的定量关系的一种统计分析方法，其应用的范围十分广泛。在处理气象数据时，由于某些气象站年份久远的原因，有些气象数据不能提供，此时就可以利用线性回归的方法，对于近10年的气温和降水趋势得出所缺失的气象数据。

(2)反距离加权插值法[13]。基于相近相似的原理：即两个物体离得近，它们的性质就越相似，反之，离得越远则相似性越小。它以插值点与样本点间的距离为权重进行加权平均，离插值点越近的样本点赋予的权重越大。

(3)线性倾向率法[14]。在进行气温或降水的气候趋势分析时，采用了线性倾向率，线性趋势倾向系数由最小二乘法求得，用一元线性回归方程Y=a*x+b描述气候趋势，气候倾向率为a*10，单位为℃/10a或mm/10a。符号a表示气候变量的趋势倾向，即a大于0时，说明随时间的增加x呈上升趋势；反之则下降，a值的大小反映了上升或下降的速率。

2 湖北省气温和降水的时间变化

2.1 气温和降水的年际变化

近50年来，湖北省的年平均降水量呈现上升趋势(图2a)，线性拟合率的倾向率为1.53 mm/10a，从五年的滑动平均曲线来看，降水量在1970～1983年呈现出平稳的上升趋势，1998～2001年则表现出明显的下降。其中最高值为1983年的437.88 mm，最低值为1970年的237.76 mm，二者之差为200.12 mm。

近50年来，湖北省的年平均气温也呈现出上升的趋势(图2b)，线性拟合率的倾向率为0.16 ℃/10a，从5年的滑动平均曲线来看，年平均气温下降明显时段为1961～1969年，其他时段均表现为上升趋势。从1976年开始，气温出现明显的升温趋势，最高值为 2006 年的17.07 ℃，而1969年的15.31 ℃则是气温的最低值，二者之差为1.76℃。

图2 湖北省降水量(a)和气温(b)的年际变化趋势图Fig.2 The interannual variation trend of precipitation and temperature in Hubei Province

2.2 气温和降水的季节变化

春季降水表现为明显的减少趋势(图3a)，平均值为479.38 mm，线性拟合的倾向率为-4.14 mm/10a，R2值为0.0075，从5年滑动平均曲线来看，1965～1977 年表现为上升趋势，2002～2004年为下降趋势，其他年份的波动不明显，最高值出现在1967年，为259.41 mm，最低值出现在2001年，为166.48 mm，二者之差是92.93 mm。夏季降水呈现出明显的上升趋势(图3b)，平均值为302.36 mm，线性拟合的倾向率为16.70 mm/10a，R2值为0.0378，从5年的滑动平均曲线来看，下降时段出现在1969～1970年，而1985～1996年表现为波动上升的趋势，最高值为1980年的874.17 mm，最低值为1970年的155.32mm ，二者之差为718.85mm。秋季降水呈现出下降的趋势(图 3c)，秋季平均降水的平均值228.79 mm，线性拟合的倾向率为-10.70 mm/10a，R2值为0.0656。从5年的滑动平均曲线来看，1989～1991年为下降时段，其他年份也都呈现不同程度的下降，其中最高值为1983年的515.85 mm，最低值为1991年的172.46 mm，二者之差为343.39 mm。冬季降水呈现不明显的上升趋势(图3d)，平均值为83.14 mm，线性拟合的倾向率为4.28 mm/10a，R2值为0.0437(图3)。

从5年滑动的平均曲线来看，1970～1989年是明显的上升时段，而下降趋势比较明显的阶段为1993～1999年，最高值为1989年的235.44 mm，最低值为1999年的101.10 mm，二者之差为134.34 mm。

春季气温呈现出明显的上升趋势(图4a)，平均值为15.87 ℃，线性拟合的倾向率为0.026 ℃/10a，R2值为0.2664，从5年滑动的平均曲线来看，气温从1991年开始上升，最高值出现在2008年，为17.73 ℃，最低值为1983年的14.46 ℃，二者之差为3.27 ℃。夏季气温的平均值为26.46 ℃，近50年来主要呈现出平稳的趋势(图4b)，线性拟合的倾向率为-0.017 ℃/10a，R2值为0.0016，从5年滑动平均曲线来看，气温呈现出平稳的趋势，最高值为1961年的28.14 ℃，最低值为1980年的25.08 ℃，二者之差为 3.06 ℃。秋季气温呈现出明显的上升趋势(图4c)，气温的平均值为17.07 ℃，线性拟合的倾向率为0.18 ℃/10a，R2值为0.1657，根据近5年滑动平均曲线看，除了1980～1981年出现了明显的下降，但之后气温又表现为快速的上升，最高值为1998年的18.76 ℃，最低值为1981年的15.12 ℃，二者之差为3.64 ℃。冬季气温呈现出平稳的增加趋势(图4d)，气温的平均值为4.93 ℃，线性拟合的倾向率为0.215 ℃/10a，R2值为0.1248，从5年滑动的平均曲线来看，气温呈现上升趋势，最高值为1999 年的7.01 ℃，最低值为1969年的2.51 ℃，二者之差为4.50 ℃。

图3 湖北省年平均降水量四季变化趋势Fig.3 The seasonal variation trend of precipitation in Hubei Province

图4 湖北省年平均气温四季变化趋势Fig.4 The seasonal variation trend of temperature in Hubei Province

3 湖北省气温和降水的空间变化

3.1 气温和降水量多年平均值的空间分布

从湖北省年平均降水量插值图中能够看出(图5a)，年降水量呈现出自东南向西北递减的趋势，整体来看，湖北省西南部降水偏多，西北部的恩施和东南部的英山为降水的高值中心，年平均降水量最高值为358.94 mm，西北的郧西和襄樊等地为年降水量的低值区域，年平均降水量的最低值为195.14 mm。从年平均降水量倾向率的插值图中可以看出(图5b)，整个区域的降水量呈现出分布不均趋势，增多趋势最明显的区域为中部的武汉，倾向率为10.07 mm/10a，年平均降水量减少最明显的区域为西南的恩施和来凤，倾向率为-7.15 mm/10a。

从湖北省年平均气温插值图中可以看出(图5c)，湖北省的南部为气温的高值分布区域，西部的巴东和东部的阳新也是相对高值中心，年平均气温最高值17.36 ℃，而低值区域主要在西北部和西南部，其中利川的12.85 ℃为气温的最低值，从湖北省总体来看，年平均气温是从东部向西部减少的趋势。从年平均气温倾向率插值图中可以看出(图5d)，气温在湖北省整个区域都呈现出上升趋势，分布于中部的武汉和北边的襄樊为气温上升趋势最明显的区域，倾向率分别为0.27 ℃/10a和0.33 ℃/10a，西南部的下降趋势明显，尤其是恩施和来凤，倾向率为-0.01 ℃/10a。

图5 湖北省气温和降水量及其变化率的空间分布Fig.5 The spatial distribution of temperature and precipitation and their variation trend in Hubei Province

3.2 气温和降水量四季变化的空间分布

春季降水量的空间分布具有明显的下降趋势(图6a)，湖北省南部的武汉和天门为降水的高值区，倾向率分别为8.51 mm/10a和3.23 mm/10a。北部的襄樊和枣阳、西南的来凤、东部的英山为降水量下降明显的区域，倾向率最低值为-15.52 mm/10a。夏季降水量的空间分布整体呈现上升趋势(图6b)，高值区出现在南部的宜昌，另外有东北部的麻城和中部的武汉降水量也呈增加的趋势，倾向率的最高值为39.80 mm/10a。降水量的减少趋势最明显的区域分布在东部的英山以及西部的来凤，倾向率的最低值为-6.27 mm/10a。秋季降水量具有下降的趋势，空间分布表现为由西向东增多的趋势(图6c)，西北部的郧西和东南部的阳新以及西部的宜昌是降水量减少较慢的分布区，而降水量下降幅度最小的地区分布在郧西，降水量的倾向率为-2.91 mm/10a。降水量下降幅度比较大的地区有西南的恩施、西部的巴东以及西北部的老河口，降水量的倾向率分别为-22.96 mm/10a、-18.56 mm/10a和-18.55 mm/10a。冬季降水量的空间分布总体呈现上升趋势(图6d)，区域内的降水量呈现出从东向西部逐渐的减少的趋势，东部的英山和阳新以及中部的武汉为降水的高值分布区域，降水量倾向率的最高值为10.29 mm/10a。降水量的低值区分布在西北部和西南部，降水量减少最明显的是巴东和兴山，降水量倾向率的最低值为-1.68 mm/10a。

图6 湖北省年四季平均降水量变化率的空间分布Fig.6 The spatial distribution of seasonal precipitation variation trend in Hubei Province

春季气温的空间分布(图7a)整体呈现上升趋势，其中北部的襄樊和枣阳的气温上升趋势最为明显，平均气温的倾向率分别为4.50 ℃/10a和3.67 ℃/10a，气温上升趋势最不明显的是东部的英山以及西部的恩施和巴东，气温的倾向率为0.04 ℃/10a。夏季气温的空间分布体现出(图7b)整体的下降趋势，区域内的气温自西向东逐渐上升，西北部的郧西和西部的巴东是气温下降趋势最明显的地区，气温的倾向率为-2.11 ℃/10a，气温的倾向率为1.66 ℃/10a和0.87 ℃/10a的武汉和天门则是气温上升较为明显的地区。秋季气温的空间分布为明显的下降趋势(图7c)，东部的阳新、麻城以及中部的武汉气温上升趋势显著，最高气温倾向率为1.66 ℃/10a，其中下降趋势较为明显的是西北部的郧西和西部的巴东，气温倾向率分别为-2.11 ℃/10a和-1.53 ℃/10a。冬季气温的空间分布表现为明显的升高趋势(图7d)，尤其是北部的襄樊和老河口，中部的武汉和麻城，气温倾向率最高值为2.63 ℃/10a，气温上升趋势比较不明显的是西南部的恩施和巴东以及东部的英山，气温倾向率的最低值是0.60 ℃/10a。

图7 湖北省年四季平均气温变化率的空间分布Fig.7 The spatial distribution of seasonal temperature variation trend in Hubei Province

4 结论与展望

本文利用湖北省近50年的气象数据，采用线性回归的方法得出缺失的数据，结合线性回归法、反距离加权插值法以及线性倾向率法，对湖北省近50年气温和降水量的时空变化进行分析。结果表明：(1)近50年来，湖北省年平均降水量表现为逐渐增多的趋势，线性拟合倾向率为1.53 mm/10a；年平均气温也呈现出上升趋势，线性拟合的倾向率为0.16 ℃/10a；(2)近50年来，湖北省降水量的四季变化较为复杂，降水量在春、秋呈现出减少的趋势，而在夏季和冬季表现出明显的上升趋势；气温的四季变化除夏季较平稳外，其他三个季节均呈上升趋势，尤其是春季的气温上升速率最快，线性倾向率为0.26 ℃/10a；(3)湖北省整个区域的降水量呈现出增多趋势，武汉是降水增多最明显的地区，恩施和来凤则是降水减少最明显的地区；(4)湖北省气温呈现出上升的趋势，武汉和襄樊是气温上升最明显的区域，线性拟合倾向率为0.27 ℃/10a 和0.33 ℃/10a，而下降趋势明显的区域是西南部的恩施和来凤。

由于目前没有收集到近几年湖北省各气象站点的气温和降水量数据及受篇幅的限制，本文只分析了气温和降水两个气象要素变化的时空分布，因此，计划在未来的工作中搜集近几年气温和降水量数据及其他气象数据，并分析各气象要素的突变特征和周期性特征，进一步深入研究湖北省气候变化特征及其驱动因素。