1958~2017年京津冀地区气候干旱变化特征

Climate Drought Characters in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1958-2017

摘要: 基于降水和气温实测数据，分析了半干旱半湿润半干旱半湿润过渡区——京津冀地区1958~2017年降水、温度的变化及干旱化趋势，并采用Pettitt检验法对研究区的降水、温度和干旱化序列的突变时间进行评估，结果表明：1) 研究区降水量明显减少，减少速率为1.2 mm/yr，气温显著上升，上升速率为0.03℃/yr，干旱趋势明显；2) 7个时期降水量和干旱指数呈现减少–增加–减少–增加的波动，温度总体呈上升趋势；3) 降水量序列和干旱指数序列分别在1979年和1996年发生两次显著突变，温度序列在1988年发生显著突变。

Abstract: Based on the precipitation and temperature data, the trend of precipitation, temperature and drought of the Beijing-Tianjin-Hebei urban agglomeration from 1958 to 2017 was analyzed. The method of Pettitt was used to detect the abrupt change of the series of precipitation, temperature and drought. The results show that: 1) the precipitation was decreased with a rate of 1.2 mm/yr, the temperature was increased significantly with a rising rate of 0.03℃/yr, and the drought had an aggravation tendency; 2) the variation of decrease-increase-decrease-increase in seven periods was found in the series of precipitation and drought index, the temperature in seven periods showed an upward trend; 3) the twice abrupt changes had occurred in 1979 and 1996 in the series of precipitation and drought index, the abrupt change had occurred in 1988 in the series of temperature.

1. 引言

全球气候变化及其影响已经引起社会各界的高度关注。近百年，全球气候变化以升温为主，2013年IPCC第五次评估报告显示，近100年(1906~2005年)全球地表平均温度升高0.85℃。全球增温背景下频发的极端天气事件，如洪水、干旱、海啸、沙尘暴对生命安全、生态系统及社会经济发展等造成极大危害。干旱由于影响范围广、持续时间长，是影响最严重的极端气候事件。2001年IPCC第三次评估报告指出，全球干湿区域两极分化严重，干旱地区干旱化趋势，湿润地区却越来越湿润。在全球气候变暖背景下，干旱造成粮食产量下降，干旱缺水日益严重，沙漠化和生态退化加剧。据统计，中国平均每年受旱耕地面积约2231.6万公顷，每年损失粮食约0.1亿吨 [1]。因此研究气候干旱变化，能够为相关部分制定应对措施提供科学基础，有效促进自然环境和人类社会的可持续协调发展。

目前世界上对干旱尚未有统一的定义，学术界通常采用干旱指数评估区域干旱化趋势和程度。降水和气温是干旱指数考虑最多的两个气象因子。由于气候变化的不确定性，全球不同地区的气温、降水呈现的波动和趋势存在差异(NOAA，2017) [2]，因此干旱趋势和程度也存在差异。IPCC第三次报告指出，全球干旱趋势增加，干旱半干旱区表现尤为显著(IPCC，2003) [3]。中亚、东南亚、非洲、北美、欧洲南部、澳大利亚东部等均有明显的干旱化趋势(Magadza 2000；Cook等2004；Zarghami等2011；Dai 2012) [4] [5] [6] [7]。Peter等(2014) [8] 发现在东亚、西地中海、澳大利亚东部小部分地区和非洲等地的干湿过渡地带，气候也有干旱化趋势；王菱等(2004) [9] 、刘波等(2007) [10] 也发现在中国北方干湿过渡地带，半干旱区面积扩大，半湿润区面积缩小，气候趋向干旱化。然而，程善俊等(2018) [11] 却发现全球整体呈现干旱化趋势，半湿润区干旱化最为显著，其次为极端干旱区、湿润区和半干旱区，而干旱区表现为变湿趋势；姜江等(2017) [12] 发现中国湿润区和极端干旱区逐渐缩小，半湿润区、半干旱区和干旱区则显著扩大，气候敏感区域在扩张。

从目前研究成果看 [13] - [18]，研究者较多关注干旱地区的干旱变化趋势，对位于半湿润半干旱地区的过渡地带关注较少。然而，半湿润半干旱地区的过渡地带是生态脆弱区域之一，生态环境对气候变化敏感，是生态保护的重点关注区域。气候干旱化将导致或者加重这部分区域荒漠化程度，对生态环境造成不可逆转的影响。京津冀地区位于半湿润半干旱的过渡地带，降水年际变化较大，20世纪50年代以来，降水量呈下降趋势，温度呈升高趋势 [19] [20] [21]。20世纪80年代以来，气象灾害给河北造成巨大经济损失，90年代以来，平均每年的损失达上百亿 [22]，而气候干旱造成的损失占到一半 [1]。以京津冀地区为研究对象，在分析降水、温度变化的基础上，对研究区干旱化趋势进行评估，并对研究区气候突变进行分析，研究成果能够为相关规划、管理部门提供参考，有利于降低气候灾害在研究区的风险。

2. 数据与方法

2.1. 研究区概况

京津冀地区位于东北亚中国地区环渤海心脏地带(36˚01'~42˚37'N, 113˚04'~119˚53'E) (见图1)，是中国的“首都经济圈”，行政范围包括北京市、天津市及河北省。京津冀地区是中国北方经济规模最大、最具活力的地区，是国家发展战略的重要指向区，也是北方生态文明建设先行区和生态环境治理重点区。区域人口约1.1亿，总面积21.8万km²。该区位于温带半湿润半干旱大陆性气候区，多年平均降水量522 mm，多年平均气温10℃，降水量自东南向西北递减地势由西北向东南倾斜，地貌类型多样，以平原为主，根据2015年土地利用图，该地区耕地约20.6万km²，林地约8.99万km²，草地约6.7万km²，水域约1.23万km²。

Figure 1. The meteorology station location inside and around of the study area

图1. 研究区及周边气象站点

2.2. 数据来源与处理

本文所用的降水量、温度数据来自于中国气象数据共享网。采用张家口、北京、天津地区及周边的32个国家气象站点1958年以来年平均降水量和温度数据，分析研究区降水量、温度变化趋势，气象站点位置及名称如图1。利用ArcGIS软件泰森多边形法及克里格插值法，计算了研究区1958~2017年共60年面平均降水量、面平均温度。

2.3. 研究方法

通过绘制降水量、温度、干旱指数的趋势线，分析了1958~2017年降水量、温度、干旱指数等3个因子趋势变化，并采用T检验法检验趋势变化的显著性。采用Pettitt检验法，对研究区1958~2017年降水量、温度、干旱指数等序列进行突变分析。

1) De Martonne (DE)干旱指数

采用De Martonne (DE)干旱指数 [23] 对研究区气候干旱化趋势进行分析，De Martonne干旱指数公式为：

$I=P/\left(T+10\right)$ (1)

式中：I为干旱指数；P为降水量，mm；T为温度，℃。

2) Pttitt检验法

Pettitt检验法是A. N. Pettittt提出的用于检验时间序列突变点的非参数检验方法 [24]，该检验法通过检验时间序列要素均值变化的时间，来确定序列跃变时间，假设序列无变异点，使用Mann-Whitney的统计量U_t，N来检验同一个总体x(t)的两个样本，并使用统计量KN检验突变点的显著性，统计量U_t，N、KN和相关概率的显著性检验公式如下：

$U_{t,N}=U_{t-1,N}+\underset{j=1}{\overset{N}{{\displaystyle \sum }}}\mathrm{sgn}\left(x_t-x_j\right),t=2,3,\cdots ,N$ (2)

$K_{t,N}=\text{Max}\left|U_{t,N}\right|,\left(1\le t\le N\right)$ (3)

$p\cong 2\exp \left\{-6{\left(K_{t,N}\right)}^2/\left(N^3+N^2\right)\right\}$ (4)

若 $x_t-x_j>0$，则 $\mathrm{sgn}\left(x_t-x_j\right)=1$，若 $x_t-x_j=0$，则 $\mathrm{sgn}\left(x_t-x_j\right)=0$，若 $x_t-x_j<0$，则 $\mathrm{sgn}\left(x_t-x_j\right)=-1$。

若p ≤ 0.5，则认为t点为显著变异点。由此检验出序列的一级变点，后以变点为界将原系列分为两个序列，继续检测新的变点，由此可检验出多级变点，最后根据具体成因分析，确定序列x(t)变异点。

3. 结果与讨论

3.1. 干旱化趋势

采用趋势线法分析1958~2017年降水量、温度及干旱指数的变化趋势，各因子的变化趋势见图2。

1958~2017年研究区降水量总体呈下降趋势，下降速率为1.2 mm/yr，表明研究区降水量平均每年减少1.2 mm，T检验ρ = 0.078 > 0.05，说明趋势变化不显著。在1958年以来的60年中，1964年年均降水量最大，为801 mm，1999年年均降水量最小，为345 mm。1958~2017年研究区温度总体呈上升趋势，上升速率为0.03℃/yr，表明研究区温度平均每年上升0.03℃，T检验ρ = 0 < 0.05，说明温度上升趋势显著。60年来，1998年年均降水量最大，为11.4℃，1969年年均降水量最小，为8.3℃。1958~2017年研究区干旱指数总体呈下降趋势，下降速率为0.1/yr，T检验ρ = 0.07 > 0.05，说明干旱趋势不显著。

为了分析各年代降水量、温度、干旱指数的变化情况，对1958~2017年的序列分为7个时期进行统计分析，见表1。

Figure 2. Trend of precipitation, temperature and aridity index in 1958-2017

图2. 1958~2017降水量、温度、干旱指数变化趋势

Table 1. The variation of precipitation, temperature and aridity index in different periods

表1. 各年代降水量、温度、干旱指数的变化

从表1中各年代数据可见：7个时期降水量呈现减少–增加–减少–增加的波动，90年代的降水量最接近60年的平均值，80年代和00年代的降水量均小于60年的多年平均降水量，降水量50年代~80年代呈下降趋势，90年代降水量突然增加，后再减少至7个时期多年平均最近值475.5 mm，10年代降水量又增加至527.8 mm，50年代降水量最高，00年代降水量最低；7个时期温度总体呈上升趋势，50年代~80年代的多年平均温度均小于60年的多年平均温度，90年代以来的3个时期，多年平均温度均高于60年的多年平均温度，60年代的多年平均温度最低，00年代的多年平均温度最高；与降水量的波动趋势相同，干旱指数在7个时期也呈现减少–增加–减少–增加的波动，50年代干旱指数最大，00年代干旱指数最小，50年代~80年代，干旱指数呈下降趋势，90年代干旱指数突然增加，后迅速下降，至7个时期多年平均最低值，10年代多年平均干旱指数又增加至25.7。

综上可见研究区降水量呈明显减少趋势，气温上升趋势显著，干旱趋势明显。

3.2. 突变特征分析

从上文分析可以看出，降水量、温度和干旱指数在90年代均存在突然变化，因此采用Pettitt检验法对研究区1958~2017年共60年的降水量、温度和干旱指数长时间序列进行检测，分析结果见图3。

Figure 3. Statistical results of the runoff abrupt change in 1958-2017

图3. 1958~2017年降水量、温度、干旱指数突变分析结果

Pettitt检验法是通过检验时间序列要素均值变化的时间，分别构造变异点前后两个样本的统计量，根据统计量U及K的变化及ρ值显著性水平检验，确定序列跃变时间，若p(τ) ≤ 0.5，则认为τ点为显著变异点。计算K值见图3。

由图3可见，降水量K值曲线在1979年和1996年有转折，同样可看出序列明显被分为3段，1958~1979年、1980~1996年、1997~2017年，经显著性水平检验，1979年显著性检验ρ = 0.34 < 0.5，1997年显著性检验ρ = 0.47 < 0.5，因此1971年和1997年为降水量序列的显著变异点。温度K值曲线在1988年有转折，序列明显被分为2段，1958~1988年、1989~2017年，经显著性水平检验，1988年显著性检验ρ = 4.29 × 10⁻⁸ = 0.5，因此1988年为温度序列的显著变异点。干旱指数K值曲线在1979年和1996年有转折，与降水量序列突变点相同，序列明显被分为3段，1958~1979年、1980~1996年、1997~2017年，经显著性水平检验，1979年显著性检验ρ = 0.1 < 0.5，1997年显著性检验ρ = 0.08 < 0.5，因此1979年和1996年为干旱指数序列的显著变异点。

综上所述，降水量序列和干旱指数序列在1979年和1996年发生显著突变，温度序列在1988年发生显著突变。

研究区降水量呈明显减少趋势，气温上升趋势显著，干旱趋势明显，并且降水量序列和干旱指数序列在1979年和1996年发生显著突变，温度序列在1988年发生显著突变。与本文结果相似，向辽元等 [25] 通过分析中国大陆20世纪五十年代以来降水变化，同样发现华北地区年平均降水量明显减少，突变时间出现在20世纪70年代中期。但是孙东磊等 [26] 等通过分析河北棉区自20世纪六十年代以来的降水、温度变化，发现温度在1996年发生了突变，降水在1986年前后发生突变。冯新灵等 [27] 认为中国北方降水量的突变主要发生在20世纪八十年代初和八十年代末。阿多等 [28] 认为华北平原气候突变发生在1991~1994年。另外，赵鸣 [29] 认为北方降水减少和温度升高是造成北方干旱的原因，刘剑锋等 [30] 也发现近50年河北省气候干旱化趋势加重，谢坤 [31] 、杨建平等 [32] 近50a华北地区干旱化趋势明显，梁泽学 [33] 、胡子瑛等 [34] 发现1960~2014年中国北方地区整体呈变干趋势，孟猛等 [35] 发现我国半湿润半干旱气候面积大幅增加。

4. 结论

本文以京津冀地区及周边气象站点的降水、温度数据为基础，采用趋势分析法及T检验法对京津冀地区1958~2017年降水、温度的变化及干旱变化趋势及显著性进行分析，并采用Pettitt检验法对研究区降水、温度及干旱指标序列进行突变分析。研究结果表明：1) 过去60年来，京津冀地区降水量呈现明显减少趋势，但趋势变化不显著，减少速率为1.2 mm/yr；2) 研究区气温呈现显著上升趋势，上升速率为0.03℃/yr；3) 研究区干旱化程度加剧，但趋势不显著；4) 1958~2017年划分的7个时期降水量和干旱指数波动相同，呈现减少–增加–减少–增加的波动，温度在7个时期总体呈上升趋势；5) 多年平均降水量在21世纪前十年最低，20世纪50年代最高；6) 多年平均温度在20世纪60年代最低，21世纪前十年最高；7) 干旱指数在20世纪50年代最大，21世纪前十年最小；8) 降水量序列和干旱指数序列分别在1979年和1996年发生两次显著突变，温度序列在1988年发生显著突变。

基金项目

感谢国家水体污染控制与治理科技重大专项(2017ZX07101001)、中国科学院A类战略性先导科技专项“地球大数据科学工程”(XDA19040102)、中国气象局气象数据共享网对本研究的支持。

参考文献

NOTES

^*通讯作者。