河南省主要流域气象要素变化特征分析

李荣 栗士棋 程芳芳 王国庆

摘 要：在全球变暖背景下，对近40多a来河南省及其主要流域降水量和气温的时空变化及突变特性进行了分析研究。基于179个气象站1973—2016年逐日降水量数据和1972—2018年日平均气温资料，采用M-K秩相关检验等方法，分析研究了河南省四大流域降水量和气温时空变化特征。结果表明：空间分布上，河南省气温自西向东呈降低—升高态势，河南省降水量自西向东呈增加—减少—增加态势;全省气温显著升高，海河区、黄河区、长江区、淮河区气温分别呈现三阶段、两阶段、三阶段、三阶段变化;全省年降水量呈不显著上升趋势，除淮河区外，海河区、黄河区、长江区年降水量下降，降水量大小年交替出现，降水量总体呈阶段性变化;全省气温于2000年发生突变，北部流域突变幅度大于南部流域;河南省年降水量于2008年发生突变，北部流域突变时间较南部流域早。

关键词：气温;降水;主要流域;空间分布;河南省

中图分类号：TV125;S161.2+2

文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.12.015

引用格式：李荣，栗士棋，程芳芳，等.河南省主要流域气象要素变化特征分析[J].人民黄河，2021，43（12）：74-79.

Abstract： Under the background of global warming， the temporal and spatial changes and abrupt changes of rainfall and air temperature in Henan Province and its main watersheds in the past 40 years were studied. Based on the daily precipitation data from 1973-2016 and the daily mean temperature data from 1972-2018 at 179 meteorological stations in Henan Province， the spatial and temporal variations of precipitation and temperature in four basins of Henan Province in recent 40 years were analyzed by using Mann-Kendall rank correlation test， cumulative anomaly method and inverse distance weighted spatial interpolation method. The results show that the spatial distribution of temperature in Henan Province in recent 40 years shows an increase-decrease trend from west to east. In recent 40 years， precipitation in Henan Province shows a trend of decreasing and increasing from west to east. The temperature is increased significantly in the whole province. The temperature in the regions of Haihe River， Yellow River， Yangtze River and Huaihe River shows the changes of three stages， two stages， three stages and three stages respectively. Except Huaihe River region， the annual precipitation in Haihe River region， Yellow River region and Yangtze River region is decreased. The annual precipitation alternates between wet and dry years and the overall precipitation shows a phased change. The abrupt change of temperature in the whole province occurs in 2000 and the abrupt change in the northern basin is greater than that in the southern basin. The abrupt change of annual precipitation in Henan Province occurs in 2008 and the abrupt change time in the northern basin is earlier.

Key words： temperature; precipitation; major watershed; spatial distribution; Henan Province

政府间气候变化专业委员会（IPCC）第五次报告指出[1]，近130 a全球平均气温升高0.85 ℃，1971—2010年气温升高速率达到0.09～0.13 ℃/10 a，同時预测未来全球变暖仍将持续。在全球变暖背景下，水文循环及其通量发生改变[2]，气象要素时间序列变化特征及其对水资源的影响成为研究热点，引起国内外学者的关注[3-6]。气候变化正在多层次、多尺度、多方位地影响着人类的生产与生活环境。因此，开展区域气候变化下气象要素变化规律研究，有助于探明区域未来气候变化趋势，为科学应对气候变化、支撑区域经济社会高质量发展提供借鉴。

目前，关于区域气象要素演变规律研究的成果有很多，孙桂凯等[7]对广西壮族自治区年降水量及不同历时降水的发生率变化趋势和空间分布进行研究认为，短时降水发生率下降，长时降水发生率上升;叶金印等[8]对1961—2010年淮河流域气象要素进行时空分析认为，流域平均气温有升高趋势、气压有降低趋势、流域相对湿度西部增大东部减小、流域南部降水量较多;罗万琦等[9]对西北地区气象因子时空变化规律的研究表明，风速、辐射、相对湿度呈下降趋势，降水、气温呈上升趋势，各气象因子分布存在空间差异;闫军辉等[10]对1951—2015年河南省气温进行研究表明，河南省气温呈显著上升趋势，气温存在2.3 a和3.8 a的周期变化，气温于1994年發生突变。

河南省地跨我国长江、淮河、黄河和海河四大水系，对近40多a来河南省主要流域气温、降水等气象因子的变化趋势及空间分布特征进行研究，以期为河南省科学应对全球变暖、全省水资源开发利用以及流域生态保护与高质量发展提供借鉴。

1 资料与方法

1.1 研究区概况及数据资料

河南省地处华北平原南部与黄河中下游地区，与鲁、皖、陕、晋、冀、鄂6省接壤，河南省西部、北部多为山地，中东部为黄淮海冲积平原，西南部为南阳盆地，全省面积16.7万km2，人口10 722万人，是我国农业大省，粮食、芝麻产量居全国首位。全省多年平均水资源量403.53亿m3，人均水资源量仅376 m3，远低于全国平均水平。河南省大部分处于暖温带，豫南地区处于亚热带，属大陆性季风气候区。全省年平均气温为10.5～16.7 ℃（自北向南），年平均降水量407.7～1 295.8 mm（自北向南），6—8月降水量较大（降水形成的径流量可达全年的70%）。黄河干流（711 km）与淮河干流（360 km）流经省内，流域面积大于100 km2的河流约有560条，水系众多、河网发达。

选取179个气象站的资料（包括河南省附近气象站），依据主要流域将河南省划分为海河区（面积占比9.3%）、黄河区（面积占比21.8%）、长江区（面积占比16.8%）、淮河区（面积占比52.1%），见图1。各气象站资料序列不尽相同，考虑各站序列的一致性，选取1973—2016年逐日降水和1972—2018年日平均气温资料进行时空变化及突变特性研究。

1.2 研究方法

采用线性回归法与M-K非参数趋势检验法对河南省气象要素变化趋势进行分析并检验其显著性。线性回归法可以直观看出降水、气温序列是否具有递增或递减趋势，其方程斜率可以表征降水、气温序列的平均变化率[11]。M-K方法中变量可以不遵从正态分布，对于某一要素序列，能够区分其是否存在确定变化趋势。针对数据序列及其次序构造统计量M-K秩次相关系数，首先假定序列无趋势，当统计量M-K值介于给定显著水平α（一般取0.05）的临界值±1.96之间时，接受原假设，表明趋势不显著;当统计量M-K值超出给定显著水平α（一般取0.05）的临界值±1.96之间时，拒绝原假设，则趋势显著。目前，该方法广泛应用于水文、气象序列的变化趋势检验[12]。

2 结果与分析

2.1 河南省气温和降水的空间分布特征

1972—2018年河南省气温M-K检验值空间分布见图2。由图2可知：河南省气温由西向东呈先降低后升高趋势，豫北地区升温幅度最大，豫西大部分区域气温呈下降趋势;海河区气温总体呈升高趋势，整个区域出现了3个较为明显的较小值中心，分别位于内黄、修武和汤阴;黄河区自西向东气温由降低变为升高，东部地区气温升高中心位于长垣和封丘，下游气温高于上游;长江区大部分区域气温呈升高态势，东北部气温略有下降，研究区气温以新野、唐河为中心向外逐渐升高;淮河区北部气温升高幅度最大，升温中心位于新密，南部地区气温以下降趋势为主，鲁山、叶县下降最为明显。

1973—2016年河南省降水M-K检验值空间分布见图3。由图3可知：河南省年降水量自西向东呈现增加—减少—增加态势，全省大部分地区年降水量增加，豫东地区增加幅度最大;海河区，西北部降水量减少，东南部降水量增多，年降水量由西北向东南表现出先减少后增加的趋势;黄河区降水量呈现从中部向两翼递增的趋势，中部地区降水量减少，东部降水量增加，最大值位于原阳站;长江区西部降水量较多，东部降水量减少，降水量减少的地区集中在流域东南部;淮河区大部分地区降水量呈现增加趋势，降水量减少地区集中在流域西北部和西南部分地区。

2.2 气温演变趋势

采用179个气象站1972—2018年实测气温数据，对河南省及其主要流域气温序列进行M-K趋势分析，结果见表1（显著性水平为0.05），河南省、黄河区、淮河区年均气温变化过程见图4。河南省年均气温呈上升趋势，上升速率为0.031 0 ℃/a，年均气温最高值15.35 ℃出现在2017年，最低值13.10 ℃出现在1984年，多年均值为14.30 ℃;海河区年均气温呈上升趋势，上升速率为0.033 8 ℃/a，最高值14.65 ℃出现在2018年，最低值12.01 ℃出现在1984年，多年均值为13.40 ℃;黄河区年均气温呈上升趋势，上升速率为0.030 9 ℃/a，最高值14.70 ℃出现在2013年，最低值12.33 ℃出现在1984年，多年均值为13.65 ℃;长江区年均气温呈上升趋势，上升速率为0.026 1 ℃/a，最高值16.30 ℃出现在2016年，最低值14.25 ℃出现在1984年，多年均值为15.28 ℃;淮河区年均气温呈上升趋势，上升速率为0.031 7 ℃/a，最高值15.61 ℃出现在2017年，最低值13.39 ℃出现在1984年，多年均值为14.53 ℃。

2.3 降水量演变趋势

采用179个气象站1973—2016年实测降水量数据对河南省及其主要流域年平均降水量序列进行M-K趋势分析，结果见表2（显著性水平为0.05），河南省、黄河区、淮河区年降水量变化过程见图5。河南省年降水量呈上升趋势，但上升趋势不显著，上升速率为0.345 5 mm/a，且年代际变化较大，最大年降水量（1 064.90 mm，2003年）约为最小年降水量（517.31 mm，1997年）的2.06倍。河南省年降水量呈自然波动—增加—减少态势，20世纪末21世纪初降水量较大，之后降水量减少，2012—2016年降水量略有回升。海河区年降水量呈下降趋势，但下降趋势不显著，下降速率为0.104 7 mm/a;最大降水量815.20 mm出现在2003年，最小降水量328.40 mm 出现在1997年，最小降水量仅为最大降水量的约40%。海河区降水量呈自然波动—增加—减少态势，20世纪80年代中期到21世纪初降水量偏多偏少年交替出现。黄河区年降水量呈下降趋势，但下降趋势不显著，下降速率为0.196 4 mm/a，降水量年代际变化较大，最大年降水量915.57 mm出现在2003年，最小年降水量351.3 mm出现在1997年，最大年降水量是最小年降水量的2.6倍。黄河区降水量以自然波动为主，20世纪80年代后降水量呈缓慢减少态势，在1995—2000年降水量丰枯年交替出现。长江区年降水量呈下降趋势，但下降趋势不显著，下降速率为0.605 0 mm/a，最大年降水量（1 098.8 mm，1996年）约为最小年降水量（570.6 mm，1978年）的1.93倍，年际变化较大。长江区总体表现为降水量偏多偏少年交替出现。淮河区年降水量有上升趋势，但上升趋势不显著，上升速率为0.861 6 mm/a，年代际波动较大，最大降水量为1 208.3 mm，最小降水量为554.9 mm，分别出现在2003年、1978年。淮河区降水量呈较为明显的5阶段波动，即降水量呈减少—增加—减少—增加—减少趋势，两次增加分别发生在20世纪80年代中期和21世纪初，2012—2016年降水量略有回升。

2.4 河南省气象要素突变特征

（1）气温。采用M-K突变分析法对河南省及其主要流域1972—2018年平均气温进行突变点检验，对突变前后各研究区气温进行分析，河南省、黄河区、淮河区突变点检验结果见图6（其中：data1为零刻度线，data2、data3为正负1.96刻度线，0.05显著水平线与data1和data2重合），突变前后气温见表3。河南省平均气温于2000年发生突变，突变后气温较突变前上升了5.3%;海河区平均气温于2003年发生突变，突变后气温较突變前上升了5.9%;黄河区平均气温于1999年发生突变，突变后气温较突变前上升了6.1%;长江区平均气温于1997年发生突变，突变后气温较突变前上升了5.2%;淮河区平均气温于1998年发生突变，突变后气温较突变前上升了5.9%。综上所述，河南省及其主要流域气温突变后气温升高，其中河南省北部突变后气温升高幅度较大，南部地区平均气温高于北部。

（2）降水。采用M-K突变分析法对河南省及其主要流域1973—2016年降水序列进行突变点检验，并根据突变点检验结果，分析突变前后年降水量序列，河南省、黄河区、淮河区突变点检验结果见图7，突变前后降水量见表3。河南省年平均降水量于2008年发生突变，突变后降水量较突变前减少3.4%;海河区年平均降水量于2003年发生突变，突变后降水量较突变前增加5.7%;黄河区年平均降水量于1999年发生突变，突变后降水量较突变前减少5.2%;长江区年平均降水量于2008年发生突变，突变后降水量较突变前减少3.7%;淮河区年平均降水量于2010年发生突变，突变后降水量较突变前减少6.8%。总的来看，河南省主要流域突变后降水量自北向南由增加变为减少，突变时间上，北部流域（海河、黄河）突变早于南部流域（长江、淮河）。

2.5 讨 论

河南省近40多a平均气温为14.30 ℃，呈显著上升趋势（倾向率为0.031 0 ℃/a），这与全球变暖的趋势一致[1]。全球变暖成因较为复杂，目前认为太阳能在大气圈层的不同分配是导致气温升高的主要原因之一[13]，人类活动产生的温室气体、树木的过量砍伐等也对能量分配产生影响，进而导致全球升温。河南省北部地区海河流域升温幅度较大，倾向率达到0.033 8 ℃/a，这与王永财等[14]的研究结论相符。豫北地区海河流域地处华北平原，工业、农业较为密集，较强的人类活动产生大量温室气体，对于区域升温产生一定影响[11]。黄河流域河南段气温西部较低、东部较高，上游低、中下游高，这与潘攀等[15]的研究结论相符。河南省黄河区气候变化除了受全球气温普遍升高影响外，20世纪80年代中期和90年代末东亚季风的两次年代际变率对黄河流域气温变化也有贡献[16]。长江区气温主要呈现上升趋势，但存在一定的空间差异，这与钟晨晨等[17]的研究结论一致。影响长江区气温变化的因素较为复杂，一是长江流域作为我国经济的重要增长极，沿线城市发达、人口密度大，人类活动强度极大;二是三峡大坝等水利工程的兴建影响流域内土壤湿度及植被的蒸腾作用，进而使气温发生变化[18];三是受全球普遍升温影响[1]。淮河区气温呈显著上升趋势，这与叶金印等[8]的研究结果一致。在全球升温大背景下，淮河流域农业活动强度较大，树木砍伐变为耕地，导致流域气温升高[19]。

河南省近40多a降水量呈不显著上升趋势，上升速率为0.345 5 mm/a，这与史佳良等[20]的研究结果一致。对于海河区，年降水量呈下降趋势，这与马梦阳[21]的研究结果相符。海河流域降水受厄尔尼诺南方涛动（SOI）和太平洋年代波动（IPO）影响，SOI与海河流域降水量正相关，IPO与海河流域降水量负相关[22]。黄河区年降水量呈不显著下降趋势，与赵建华等[23]的研究结果一致。黄河流域降水量减少与东亚夏季风减弱密切相关[24]。长江区年降水量呈减少趋势，减少速率为0.605 0 mm/a，与陈婷等[25]的研究结果一致。淮河区年降水量呈增加趋势，这与赵丹等[26]的研究结果相符。

3 结 论

海河区北部升温幅度大于南部，黄河区气温西低东高，长江区气温由西北向东南递增，淮河区北部气温升高，南部气温降低，从全省来看，气温由东向西呈先降低后升高趋势，西部降水量减少、东部降水量增加。

M-K检验表明，近40多a河南省及其主要流域气温呈显著上升趋势，气温上升约为1 ℃，海河区、黄河区、长江区、淮河区气温分别呈三阶段、两阶段、三阶段、三阶段变化。M-K检验对降水量分析表明，降水量年际变化较大，全省年降水量呈不显著上升趋势。淮河区年降水量增加，海河区、黄河区、长江区年降水量减少，变化趋势均不显著，全省降水量大小年交替出现，降水呈阶段性变化。

全省气温突变发生在2000年，四大流域气温突变后升高，海河区、黄河区突变后气温升高幅度较大，长江区、淮河区平均气温较高。全省降水量突变发生在2008年，北部的海河、黄河流域突变时间早于南部的长江、淮河流域。

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【责任编辑 吕艳梅】