基于溫濕變量的仁懷市氣候變化特征與趨勢分析

楊雨蒙　楊熠　張莉　羅晨藝　吳新豪　駱海順　梅可遠　穆彪

摘要：基于ERA5資料（ECMWF Reanalysis v5，歐洲中期天氣預報中心第五代大氣再分析數據），從濕度、熱力等方面對1979—2022年間仁懷市周邊地區做氣候分析，結合西南地區氣候時空態分解劃分氣候變化敏感區。結果表明：赤水河流域及周邊地區不同要素氣候變化趨勢相似：春季增濕（溫），夏季達到頂峰，秋季開始回落。仁懷市受喇叭口地形及季風影響，5—6月降水達最大值。年最高溫度出現在7—8月，高溫降水錯峰導致赤水河流域中段徑流量減少。REOF（Rotated Empirical Orthogonal Function，旋轉經驗正交函數分解）分析發現，西南地區四季溫度呈年代際變化。春冬、夏秋降水有明顯季節差異，前者為年際變化，后者為準年代際。自2000以后西南地區發生氣候態位相轉變，仁懷市處于全年增暖、夏秋少雨的氣候敏感區內，該地干熱復合事件出現概率上升。

關鍵詞：氣候變暖；REOF；赤水河流域

中圖分類號：P466文獻標識碼：A

文章編號：1008－0457（2023）06－0009－09國際DOI編碼：10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2023.06.002

氣候變化不僅是全球變化的主要組成部分，對人類的經濟、社會、環境還有十分重要的影響。IPCC第六次評估報告指出，過去十年全球平均氣溫比1850—1900年高出約1.1 ℃，RCP8.5（不進行任何減排活動，一直依賴化石能源發展經濟的假設情景）下，全球平均氣溫將升高2.6～4.8 ℃（相較1985—2005年）［1］。全球氣候變暖導致極端事件發生的概率顯著增加，大部分地區極端高溫熱浪事件發生頻率和持續時間不斷增加，強度創下新高［2-3］。未來一些地區的干旱將更加嚴重，如東亞、北美西部、西歐和中歐［4-7］。氣候變化敏感區氣溫［8-10］、降水序列的演變特征及其空間分布［11］已成為學者關注的熱點問題。

與全球氣候變化相比，區域氣候的變化更為復雜，影響因素更多。貴州位于第一、二級階梯過渡帶，海拔變化差異大，具有十分復雜的地形地貌。受青藏高原、西南季風和東南季風等多重季風環流、西太平洋副熱帶高壓帶交互影響。形成了復雜多變的天氣氣候，旱澇災害多發［12-14］，目前已有關于貴州地區氣候變化及模擬［15-18］、氣候異常及成因剖析［19-21］等方面的研究。但西南地區以0.12 ℃/10a的增溫速率變化，高于全球平均溫度上升速率，降水在半世紀以來呈下降趨勢，氣候較歷史發生了較大變化［22-23］。

仁懷市位于貴州-四川交界，是中國醬香型白酒的發祥地。目前關于茅臺酒產地氣候特征的文獻較少。主要研究對象僅局限于氣溫、降水等物理量的分析［24-27］，未能從多個描述溫、濕等方面的物理量著手來確定仁懷市地區氣候變化特征。本文將圍繞仁懷市地區溫、濕度等氣候特征及演變規律的科學問題展開研究，更好地為地方生態環境建設、災害性天氣防御等提供科學依據。

1材料與方法

1.1研究區概況

赤水河流域位于云貴高原向四川盆地過渡的斜坡地帶。流域地勢為西南高東北低（圖1），丘陵縱橫，赤水河由地勢較高的云南向北流動。仁懷市位于流域中段，地勢東高西低，高低差顯著，西部海拔高度在600 m以下，東部多高山丘陵，最高在1200 m以上。仁懷市近地面高度接近850 hPa高度層。西側為喇叭口地形，受地形影響，常有局地輻合系統產生，為水汽創造良好的抬升條件［28-29］。夏季受青藏高原下游南支槽、四川東部西南渦的共同影響，在流域中下游易產生短時強降水天氣［30-31］。

1.2數據資料

本文所使用的資料包括：

（1）ERA5資料。水平分辨率為0.25°×0.25°的地面逐月再分析資料：2 m溫度場；水平分辨率為0.1°×0.1°的地面逐月再分析資料：2 m溫度場，降水，比濕。時間范圍：1979—2022年［32］。

（2）由中國科學院計算機網絡信息中心地理空間數據云平臺（http：//www.gscloud.cn）提供的地形高度DEM高程數據，空間分辨率250 m。

（3）國家青藏高原數據中心提供的水平分辨率為0.25°×0.25°的中國天然徑流量估算量月值格點數據集CNRD v1.0，時間范圍：1979—2018年［33］。

1.3分析方法

（1）水汽通量散度計算

（2）非絕熱加熱率計算

（3）REOF方法

REOF是在EOF（Empirical Orthogonal Function，經驗正交函數分解）分析的基礎上，截取累計解釋方差達到特定標準的若干特征向量，進行方差極大旋轉 （正交旋轉） 轉換，旋轉后的典型模態結構清晰，可將原始場上與主成分信息高度相關的值集中在較小區域，極大地提高了所分離空間結構的辨識性［35］。與EOF分析相比，REOF取樣誤差小，可有效簡化變量場空間結構，彰顯局部特征，且其分離出的空間結構能有效反映不同地域空間分布的相關性，故REOF在氣候診斷研究中得到了更廣泛地應用。

2結果與分析

2.1降水特征

為探究水汽條件對降水的影響，分析850 hPa各月比濕及水汽通量散度（圖2～3）。發現流域濕度隨季節變化明顯，春末5月增濕，7月達到極值，8月濕度大值區向西偏移，水汽含量較7月有所減弱。仁懷市比濕場季節差異性強，夏季比濕約為冬季的3倍。歷史個例發現8月較7月短時強降水出現頻率減小。從水汽通量散度（圖3）分析水汽輸送變化發現，受喇叭口地形影響，仁懷市全年為水汽通量輻合，春季中期（4月）加強，7月最強，秋季（9月）減弱，冬季最弱，變化趨勢與比濕一致。季風季節變化導致仁懷市水汽出現明顯季節差異。冬季受東北冷渦影響，850 hPa常有偏北風回流至貴州北部。冷空氣降低溫度露點差，使空氣更易達到水汽飽和。1月底至4月中旬，南海、南亞夏季風建立，由東南風向西南風過渡［36-38］，850 hPa偏南風輸送南海、孟加拉灣水汽，通量散度較秋、冬季節更強，濕度條件好。

5月增濕為降水創造有利條件。7月南亞高壓加強，促使西太平洋副熱帶高壓在西伸過程中斷裂，四川東部高空常為兩高切變形勢，動力條件良好，該地降水增多［39-41］。降水場（圖4）顯示5—6月雨量大值區集中在仁懷市東部，7月西移，位于四川東南部。仁懷市雨量大值出現在6—7月，月降水在180～210 mm。雨量場與比濕、水汽通量散度場月變化趨勢一致，春末發展，夏中達到鼎盛，秋初開始衰減，與當地氣象局劃分的5—9月汛期一致。

2.2溫度特征分析

仁懷市主體位于28°N附近，取緯向平均（106～106.5°E），計算非絕熱加熱率（圖5），發現大氣各層結加熱中心主體位于仁懷市上空。冬季，大陸吹偏北風，氣流經習水爬坡，空氣水汽凝結蒸發，至仁懷市下沉增溫，該地秋末-春初近地面層加熱明顯；對流層高層受短波槽影響常有西北干冷氣流，使高層降溫。4月南海季風建立，流域逐漸轉為偏南風，南部地形高低落差小，焚風效應不顯著，近地面層加熱減弱。5月，仁懷市受青藏高原熱源發展影響，對流層中高層被加熱［42-45］。7月西太副高位于仁懷市上空，以下沉增溫運動為主，仁懷市自上而下一致加熱。11月大陸高壓重新建立，轉為偏北風，焚風效應引發近地面層顯著加熱。

溫度圖（圖6）與降水月分布圖（圖4）相似，月差異顯著。5月增溫，7—8月溫度最高達26 ℃，10月回落。與非絕熱加熱結果對比發現，秋冬近地面層加熱明顯，但中高層的冷卻效應導致該地區增溫并不顯著。5—8月受南亞高壓和西太副高影響近地面層加熱雖較弱，但整個大氣層一致增暖對地面溫度升高的貢獻更大。

仁懷市盛夏雨量偏少且伴隨高溫出現，高溫干旱信號加強。復合干熱事件發生概率上升。通過河流徑流量可側面估測高溫干旱天氣居多（圖7）。徑流量月分布與雨量相似，汛期開始時間對應河流豐水期。仁懷市地處赤水河中段，流量6月最高，但在60 mm以下。赤水河較其余河流流量偏低，原因在于赤水河河谷高溫天氣與降水錯峰，盛夏河流蒸騰作用顯著，降水對流量補充作用小。徑流量減少導致蒸發總量降低，進一步影響當地氣候穩定性。

氣候研究應選較大范圍地區長時間段的氣象狀況作為對象。仁懷市位于黔北，與四川毗鄰，根據溫度及降水情況，選取西南三省一市作為主體，研究近44年間的氣候變化情況，并劃分氣候敏感區域。對西南地區近44年各季節溫度做REOF分析（圖8），結果表現為一致增暖，有明顯的東西區域差異。春季除四川西部、云南西南部為變冷趨勢以外，其他區域表現為增暖趨勢。顯著區（0.6以上打點區域）位于四川東部、重慶、貴州等地，序列圖呈準年代際變化，2000年前后轉為偏暖模態，近十年最暖春季出現在2018年。夏季除昆明以南，其余地區均增暖，顯著區域較春季有所北移，至四川中東部、重慶、貴州北部。序列圖為準年代際變化，2000年發生突變。秋、冬兩季節增暖顯著區與春季分布類似，在西南地區東部。冬季冷區最明顯，冷暖、東西界限分明。

四季在四川東部、重慶、貴州北部的顯著區都有反映，夏、秋季西南地區呈一致增暖，顯著暖區位置有所偏差。春冬兩季模態能看出微弱冷區和暖區共存，顯著暖區分布一致，在四川東部、重慶、貴州一帶。4個模態均反映2000年前后發生模態轉換，準年代際變化趨勢更為穩定，夏秋兩季反映2022年的極端高溫事件為近十年最強。

降水場（圖9）與溫度場結果都是正、反相間分布。表明西南地區氣候變化并非一致增暖或轉干。區別在于，降水顯著區隨季節變化大，季節變化明顯，春冬、夏秋存在明顯季節偏差。春季四川南、云南對應成都中部、貴州降水反相變化，冬季成都中部、云南、貴州等地與四川北部反位相；夏季重慶周邊地區為顯著旱區，昆明以南多雨，秋季顯著旱區位于重慶南部、貴州等地，四川、云南北部多雨。時間變化上春、冬季節序列呈年代際變化，模態場年際變化差異大，云南顯著干旱信號不明顯。夏、秋兩季為準年代際變化，2000年后總體趨勢向正相模態轉變，重慶夏旱、貴州秋旱趨勢逐年上升。注：打點區域為0.6以上大值區；RPC序列（虛線），趨勢（實線）。

根據REOF結果劃分西南地區氣候敏感區（圖10）。溫度RPC為準年代際變化，顯著區范圍較接近。選取4個季節共同顯著區作為表征西南地區2000年后異常增暖的氣候敏感區，區域位于四川東部、重慶、貴州北部、云南東北部的三省一市交界處，云南受影響較小。位于黔北、四川交界的仁懷市處于增暖敏感區內。

降水場各季節呈現不一致的變化趨勢，顯著區差異大。選擇相似性較高的春冬、夏秋兩季分別劃分，春、冬季呈年際交替變化，四川南、云南大部分區域降水年際變化大，旱澇交替出現，最長持續時間5年。2000年后云南等地干旱事件出現頻次增多。夏秋季節敏感區位于重慶、貴州交界，2000年以后干旱少雨天氣發生頻次增加。結合溫度敏感區結果發現，2000年后位于黔渝交界的仁懷市溫度逐年上升，降水減少，2022年發生了近10年來顯著的高溫干旱事件。從氣候趨勢上看，未來仁懷市該類型復合干熱事件發生概率將會上升。

3結論與討論

本文使用再分析資料通過計算水汽通量散度、非絕熱加熱率等物理量，從水汽，熱力等物理量方面對赤水河流域地區近44年間的氣候變化進行分析。結果表明：

仁懷市所處地理位置，夏季受高空兩高切變、四川西南渦共同影響，動力條件良好。其西側為喇叭口地形，易產生局地輻合系統，在水汽條件良好的情況下，當地易產生強降水天氣。最大月降水出現在6月，達210 mm。流域比濕、水汽通量散度與降水場變化規律一致：春季加強，夏季最強，秋季減弱。季風對流域水汽季節變化影響較大：冬季受大陸高壓及東北冷渦共同影響，850 hPa冷空氣回流至貴州北部，使空氣溫度露點差降低，更容易達到水汽飽和；4—5月南海、南亞季風建立，偏南風自孟加拉灣、南海向流域地區輸送水汽，流域水汽條件增強，配合抬升產生降水。

仁懷市南北地勢較高，處于“V”字口地形底部，該特殊地勢影響冬季近地面層加熱。冬季流域盛行大陸性偏北風，氣流經北部地形抬升爬坡后在仁懷市下行。焚風效應引起氣流下沉增溫，近地面層非絕熱加熱顯著。但冬季仁懷市高空系統主要為短波槽，槽后冷平流輸送使高空以冷卻為主。夏季青藏高原熱源增強，下游地區高空加熱效應顯著。西太平洋副熱帶高壓西伸控制流域，下沉運動進一步加熱底層大氣，低層至高空為一致加熱。流域溫度5月增溫，7—8月最強，10月回落，與降水場月變化一致。但仁懷市夏季雨期與最高溫出現時間錯峰，引發赤水河中段徑流量減少。

分析近44年西南地區溫度、降水等氣候背景場發現，2000年前后氣候態位相轉換。東部溫度升高，成都-重慶-黔北為異常顯著區。降水場存在春冬、夏秋季節差異。春冬，云南旱澇交替，2000年后干旱事件發生概率上升；夏秋，黔北、重慶少雨趨勢逐年增加。仁懷市位于黔北、四川交界，處于全年增溫，夏秋少雨的顯著區內。

本研究關注于醬香酒核心產區氣候調查，理清當地溫度、降水等氣候變化趨勢。在全球氣候變暖背景場下，仁懷市近44年氣象要素變化較大，屬氣候變化敏感區，對醬香酒核心產區氣候獨特性研究具有一定意義。但本文對極端事件探究較少，對于仁懷地區極端事件變化規律成因研究暫未涉及。青藏高原如何影響下游地區溫度及降水變化，人類活動在氣候變化中所作貢獻等問題暫不明了，后續針會對極端事件變化機理做進一步研究。

（責任編輯：嚴秀芳）參考文獻：

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Analysis on the Characteristics and Trend of Climate Change in Renhuai City Based on Temperature and Humidity Variables

Yang Yumeng Yang Yi Zhang Li Luo Chenyi Wu Xinhao Luo Haishun Mei Keyuan Mu Biao

（1.Guizhou Meteorological Disaster Prevention Technology Center，Guiyang 550081，Guizhou，China; 2.Zunyi Meteorological Bureau of Guizhou Province，Zunyi 563000，Guizhou，China; 3.Renhuai Branch of Zunyi Ecological Environment Bureau，Renhuai 564500，Guizhou，China; 4.Renhuai Meteorological Bureau of Guizhou Province，Renhuai 564501，Guizhou，China; 5.College of Life Sciences，Guizhou University，Guiyang 550025，Guizhou，China）

Abstract：Based on the ERA5 data（ECMWF Reanalysis v5），the humidity and heating climate around Renhuai city were analyzed from 1979 to 2022，and the? sensitive areas of climate change were divided according to the temporal-spatial state decomposition of climate in Southwest China.The results showed that the climate change trends of different elements around Chishui River basin were similar，with humidification（temperature）in Spring，peaks in Summer，and decline in Autumn.Renhuai city was affected by the trumpet topography and monsoon，and the precipitation reached its maximum value in May-June.The annual maximum temperature occurred in July-August，the staggered high temperature and precipitation lead to the decrease of runoff in the middle part of Chishui River basin.The results of REOF（Rotated Empirical Orthogonal Function）analysis showed that the four seasons temperature in Southwest China was inter-decadal，and there were apparent seasonal differences in precipitation between spring and winter，summer and autumn，with inter-annual variations in the former，quasi-inter-decadal in the latter.Since 2000，a climate phase shift has occurred in Southwest China.Renhuai was in the climate-sensitive area with year-round warming and low rainfall in summer and autumn，the probability of dry-heat composite events in the area has increased.

Keywords：climate warming; REOF; Chishui River basin