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。

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。

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。

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。

参考文献