近60年淮河流域典型等值界线时空分布特征研究
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作者:芮广军 张玲玲 杨会宁
摘 要：为揭示淮河流域典型等值界线时空分布规律，以淮河流域1959—2018年气象观测数据为基础，选用1月0℃等温线和800mm等降水量线，通过线性回归、MK突变检验分析等时间序列分析方法，利用ArcGIS平台，进行过渡带等值界线年代尺度的时空特征分析。结果表明：（1）1959—2018年年均温总体呈上升趋势，气温变化范围为13.3～15.8℃，气温倾向率为0.226℃/10a，1月气温变化范围为-2.41～3.65℃，倾向率高于年均温。（2）近60年降水量均值为878.64mm，呈现缓慢上升趋势（2.97mm/10a），变化范围为567.22～1243.93mm。（3）从空间年代际分布特征来看，等值线整体震荡范围位于淮河以北地区，0℃等温线由中部向北部迁移，800mm等降水量线整体向西北移动。等降水量线从西向东呈放射状分布，降水的空间变率较大。（4）MK突变分析表明研究区水热变化趋势不同步，降水量变化更为复杂。
关键词：淮河流域;等值线;MK检验;变化趋势
中图分类号 P467 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）22-0139-06
Abstract：This study is based on the meteorological observation data of the Huaihe River basin from 1959 to 2018，choose 1 month 0 ℃ isothermal line and 800 mm rainfall，by linear regression，MK mutation test analysis，time series analysis methods，such as using ArcGIS platform，carries on the transitional zone contour line s scale characteristics of space and time analysis，reveals the Huaihe River Basin is a typical contour line space-time distribution rule.The results showed that ：（1）from 1959 to 2018，the average annual temperature showed an overall rising trend，the temperature range was 13.3～15.8℃，the temperature trend rate was 0.226℃/10a，the temperature change range in January was -2.41～3.65℃，the trend rate was higher than the average annual temperature.（2）In recent 60 years，the average precipitation was 878.64mm，showing a slowly rising trend（2.97mm/10a），and the variation range was 567.22～1243.93mm.（3）From the perspective of spatial decadal distribution characteristics，the oscillation range of the contour line as a whole is located in the area north of Huaihe River，the 0 ℃ isotherm migrates from the middle to the north，and the 800mm isothermal line moves to the northwest as a whole.The iso-precipitation line is radially distributed from west to east，and the spatial variability of precipitation is large.（4）MK mutation analysis showed that the hydrothermal change trend in the study area was out of sync，and the precipitation change was more complex.
Key words：Huaihe River Basin;Isoline;Mann-Kendal mutation test;Changing trend
气候变化不仅是全球普遍关注的环境问题，也是影响世界政治经济的重要问题。由对IPCC第五次评估报告的分析可知，过去一个世纪，我国平均地表温度上升了1.20℃，近半个世纪，我国地表温度的上升趋势为0.23℃/10a，总上升温度和上升趋势均高于全球平均水平（0.85℃和0.12℃/10a）[1]。同时，对我国水循环也造成了改变，对干湿条件下的气候分布格局产生了重要影响，甚至可能引起重要轉变，从而影响到区域尺度的干湿格局和气候边界变化[2-5]。
淮河流域不仅是南北气候过渡、海陆相和高低纬度3种过渡地带的交叠地区，也是农业耕作水田旱地的交错分布区，水热资源时空分布不均，地表水热过程差异显著。在全球变暖背景下，淮河流域气候变化具有显著的气候响应[6-8]。作为典型的南北气候过渡带，其水热变化也是近年来的研究热点[9-13]。对淮河流域气温和降水的研究也表明，流域年均温普遍上升，年降水量略有减少，降水日数明显减少[11，13]。然而，目前的研究大多集中在气候变化的时空过程上，对某一气候因子即温度或降水的分析，对气候变化的总体规律、变化趋势、变化周期和未来变化规律的研究较少。 全球变化的加剧，区域干湿边界变化的响应过程不平衡，势必对淮河流域水资源管理和灌溉系统造成影响，对区域经济社会可持续发展造成桎梏。因此，本文以1959—2018年的观测资料为基础，研究了淮河流域不同尺度气候因子等效变化的时空特征，为淮河流域水资源管理和规划提供了理论依据和数据支持，加强流域应对气候变化战略制定。
1 研究区概况及数据来源
淮河流域位于我国东部，地处111°55′～121°20′E、30°55′～36°20′N，位于黄河和长江流域之间，流域面积27万km2，我国1月0℃等温线、800mm等降水量线穿区而过，是我国南北气候、高低纬度和海陆相3种过渡地带的重叠区（图1）。属暖温带半湿润和亚热带湿润季风气候，年均温为11～16℃，气温变化由南向北、由陆向海递减，无霜期约为200～240d。多年平均降水量约为877mm，分布格局由北向南递增，季节分配上冬春少雨干旱、夏秋多雨闷热，雨热同期，冷暖、早涝变化急剧。
为保证研究数据的连贯性、统一性、科学性，选取1960—2018年淮河流域27个地面实时气象站气温、降水观测资料，对淮河流域不同时间尺度的气温、降水序列数据进行了处理。数据来源为中国气象局国家气象信息中心编撰制作的中国地面气候资料日值数据集（http：//data.cma.cn）。缺测数据利用相邻月的数据平均值进行插补，依据气象学标准及便于年际变化研究的原则对季节进行划分。
UFi为标准正态分布，它是按时间序列x顺序x1，x2，…，xn计算出的统计量序列，给定显著性水平α，查正态分布表，若|UFi|>Ua，则表明序列存在明显的趋势变化。
按时间序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重复上述过程，同时使UBk=–UFk，k=n，n–1，…，1），UB1=0。这一方法的优点在于不仅计算简便，而且可以明确突变开始的时间，并指出突变区域。因此，是一种常用的突变检测方法[16]。
3 結果与讨论
3.1 1959—2018年淮河流域水热要素年际变化特征
3.1.1 年际温度 从1959—2018年淮河流域年均温时间序列（图2a）看出，淮河流域年均温呈波动上升趋势，倾向率为0.226℃/10a，年均温为14.6℃，气温变化范围为13.3℃～15.8℃。图2b显示年均温在1994年前后距平差异较大。1959—1993年间，流域年均温多为负距平，其中有31年的距平为负，占1959—2018年的51.6%，只有4年为正距平;而1994—2018年间，负距平为3年，正距平为21年，占1959—2018年的35%。可见，1994年前后淮河流域年均温差异较大，呈现出前低后高的趋势。
1959—2018年，淮河流域1月均温时间序列显示（图3a），1月均温呈波动上升趋势，上升速度为0.238℃/10a，多年1月均温为0.6℃。温度范围为-2.41℃～3.65℃。距平变化（图3b）显示流域年均温在1994年前负距平值较大，正距平距平值小;在1994年后正距平值较大，负距平距平值小。1959—1994年间，流域一月均温其中有15年的距平为负，占1959—2018年的25%，20年为正距平;而1995—2018年间，负距平为4年，正距平为20年，占1959—2018年的33%。年均温变化趋势剧烈，1994年前后距平差异较大，但1月均温正距平所占比例较大。年均温和1月均温以不同的形式反映了全球变暖的区域响应。
3.1.2 年代际温度 从不同年代看（图2、表1），各年代的气温均值在14.08～15.21℃之间，差值为1.13℃;20世纪50～80年代，均温呈下降趋势，在80年代后均温呈上升趋势。各年代气温最小值变化在-6.4～3.85℃之间，差值为2.55℃，无明显的升降趋势。气温最大值变化在34.37～32.73℃，差值为1.64℃，无明显变化趋势。一月均温来看（图3、表1），各年代一月均温在0.02～1.12℃之间，差值为1.1℃，且呈明显的上升趋势。而各年代的一月最小值在-6.4～-3.85℃，差值为2.55℃，且在2010—2018年之前，一月气温最小值上升趋势显著。从一月最大值来看，在2.06～4.03℃之间，差值为1.97℃，无明显变化趋势。气候倾向率在-0.06～0.2℃/10a之间，差值为0.26℃/10a，20世纪50～80年代上升趋势显著，80年代后倾向率变化无明显升降趋势。
3.1.3 年际降水 从1959～2018年淮河流域年均降水量时间序列（图4a）可以看2出，淮河流域年均降水量为缓慢上升特征。年均降水量879mm，其中年均降水量最大值为2003年的1243.93mm，最小值为1966年的567.22mm，倾向率为2.97mm/10a，降水距平变化（图4b）波动较大。1959—2018年，有27年出现负距平，比例为45%;有33年出现正距平，比例为55%，说明降水变化剧烈，水热波动频繁。
3.1.4 年代际降水 从不同年代看（图4、表2），各年代的降水均值在851～928mm之间;各年代降水最小值除2000—2009年外，其余均小于1mm;降水最大值变幅225～358mm，差值为133mm，降水变化剧烈。从800mm降水差值来看，除了2000—2009年的差值较大，其他年代都在50～80mm，相差不大，且所有差值皆为正值，说明近年来淮河流域整体降水丰沛。20世纪80年代的年均降水量为各年代最低;2000—2009年的年均降水量最高。
3.2 典型等值分界线空间变化特征
3.2.1 等值线空间分布特征 根据1959—2018年1月淮河流域气温分布（图5），等温线一般与纬线平行，气温由北向南降低，显示出较强的温度分带性。最低气温为沂源的-2.87℃，最高气温为六安的2.67℃，相差5.54℃。受淮河流域局部小气候的影响，等温线总体向北突出。因北部沂蒙山区的地形影响，等温线在北部分布较为密集，气温变化较大;中部为淮河塑造的平原地区，等温线稀疏，气温变化小。 根据1959—2018年的降水等值空间分布（图6），等降水量线值由东南向西北降低，与季风降水方向一致。降水量最小值为开封的616mm，最大值为霍山的1370mm，相差754mm。从降水分布图上可以看出，淮河流域南部地区受山地地形影响，等降水线密集，降水空间变化大;中部为平原，等降水线稀疏，空间变化小。淮河流域总体气候空间变化较小，部分地区受山地影响，气候变化强烈。
3.2.2 等值线年代际空间分布特征 20世纪60年代1月0℃等温线位于淮河流域中部，途经郑州、亳州、苏州。受地形影响，山地附近等温线向南突出，整体与纬线平行。与20世纪60年代相比，70年代1月0℃等温线整体向北移动，并穿过平原地区，因此等温线相对平缓。80年代，0℃等温线继续向北移动，经过郑州、开封、砀山、徐州附近。1990—1999年，0℃等温线向北移动，曲线明显弯曲。经过日照，等温线与东部边缘区域一致。2000—2009年，0℃等温线相比90年代西部及中部部分南移，东部发生北移，经过砀山、日照，整体等温线向南倾斜。2010—2018年，0℃等温线向南倾部分发生北移，与90年代的0℃等温线多次相交，呈W型曲线。从不同年份1月0℃等温线分布来看，东北地区受山地地形影响，等温线密集。整个等温线向北移动，气温呈上升趋势，反映了淮河流域对全球变暖的区域响应，0℃等温线自淮河流域中部向北移动。
1959—1969年的800mm等降水量线位于淮河流域北部地区，经过砀山、沂源附近。与60年代相比，70年代的800mm等降水量线，发生南移，弯曲程度加大，经过亳州、驻马店、徐州附近。上世纪80年代，平衡水线进一步向南移动到淮河流域中部地区，曲线变缓，经过西华、苏州、赣榆。90年代的等降水量发生北移，与70年代的等降水量线发生部分重合，弯曲程度较大，经过莒县。2000—2009年的等降水量继续北移，为各年代800mm等降水量位置最北部，西部曲線有弯曲，东部区域较为平滑。2010—2018年，800mm等降水量线发生南移，与20世纪90年代和60年代的曲线相似，弯曲程度一样，经过徐州、临沂、莒县附近。总的来说，800mm等降水量线整体向西北方向移动，等降水量线由西向东辐射。东南至西南地区受山区地形影响，雨量较大。等降水量水线密集，区域降水总体差异增大，降水空间变化增大。
3.3 温度变化趋势 根据1959—2018年1月均温的Mann-Kendal突变检验图（图9a），1975—1985年之间UF和UB有5个曲线交点，表明1975—1985年流域1月气温呈突变上升和下降趋势。1984年以后，流域气温呈上升趋势。1959—2018年的均温如图9b所示，UF和UB的曲线交点在1998年出现。在置信区间内，UF曲线在1998年以后向正方向变化，表示1998年后淮河流域的年均温出现了突发性的气温上升，与全球气候变暖相一致。由图9b可知，UF与UB的曲线交点为8个，流域内降水趋势多次发生突变，呈现出上升与下降的交替状态。
在1978年前，一月均温和年均温均为下降趋势，在1988年后，一月均温和年均温均为上升趋势，体现了气温变化的一致性。从图9c可知，降水量处于上升下降的交替状态，与气温变化不具有一致性，说明了淮河流域水热变化复杂性的加剧，易造成旱涝灾害。
4 结论
（1）年均气温总体呈波动上升趋势，1994年前后淮河流域年均气温距平差异较大，呈现出前低后高的趋势。从1月气温来看，均值在2010—2018年之前整体呈上升趋势，2010—2018年突然下降，总体为上升趋势。
（2）年平均降水量呈缓慢上升趋势，降水距平变化显示流域年平均降水量并未产生明显差异。
（3）从等值线空间分布来看，淮河流域整体气候空间变化小，部分地区受山区地形影响，气候变化剧烈。从不同年代的1月0℃等温线分布来看，东北部地区受山区地形影响，等温线密集。整体等温线北移，气温呈上升趋势，体现淮河流域对全球气候变暖的区域响应，0℃等温线由淮河流域中部移至北部。800mm等降水量线整体向西北移动，多条等降水量线呈现从西向东的放射状，东南和西南地区受山地影响，多地形雨，等降水量线密集，整体区域降水差值变大，降水的空间变化加大。
（4）年均气温的升高，1月0℃等温线的北移，体现了淮河流域对全球气候变暖的气温响应。降水的空间变化变大，且MK突变检验分析出降水量趋势发生多次突变，处于突变上升和突变下降的交替状态，说明了淮河流域水热变化复杂性的加剧，体现了全球气候变化的极端性。
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