引言

IPCC(2007) 报告指出^[1-2]，全球气候呈现以变暖为主要特征的显著变化，近50年平均线性增暖速率(0.13 ℃/10 a)几乎是近100年来的2倍，北半球高于南半球，中国增温主要发生在20世纪80年代中期后，北方增温比其他地区显著。20世纪90年代以来，气候变化及其影响已成为世界科学界的重要研究课题，同时区域性气候也已经引起人们的普遍关注^{[3-6, 17-18]}。华北平原地处北半球中纬度，位于大陆性季风气候区，气候脆弱带，又是我国重要的农业生产基地。目前，对于华北平原气候变化方面已有不少研究，林学椿等^[7]指出，1951—1989年我国年平均气温以0.04 ℃/10 a的速率上升，东北和华北地区增温最快，除湖北、四川部分地区外，全国降水都呈减少趋势；丁一汇等^[8]对中国近百年来温度变化的研究结果进行了综述，得到我国增暖主要在东北、华北和西北西部地区，并且，增温主要在冬季的结论；王遵娅等^[9]揭示了近50年来中国气候变化的一些新特征：全国平均气温在20世纪80年代以后上升更为明显，年降水量波动略有减少，但90年代以后夏季降水增加明显，尤其是长江以南地区，而华北、东北地区降水显著减少。但以往研究主要是分析气候年代、年际变化特征，而对各月气候要素长期变化特征和演变趋势研究较少。由于华北平原处于暖温带半湿润气候区，光热资源相对丰富，水资源不足是限制该地区农业和经济发展的最主要因素，因此，目前对华北平原气候变化的研究主要集中在降水上^[10-13]，对光热资源变化特征的详细研究尚为少见。为此，本文将在对华北平原近45年气候年际变化研究的同时，进一步对各月气候要素长期变化趋势以及由气候变化所引发的热量资源变化特征进行研究，以便全面认识当地气候资源，并为农业部门在气候变化背景下合理安排农业生产，以及各级政府合理的利用当地气候资源提供参考和科学依据。

1 资料与方法 1.1 资料来源

文中所用资料为华北平原(北京、天津、河北、河南、山东)53个气象站1961—2005年逐日4次观测平均气温、逐日降水量和日照时数。

1.2 主要研究方法

本文确定气候要素突变年采用Mann-Kendall法^[14]。具体方法如下：

对于x₁，x₂，…，x_n的时间序列变量，n为时间序列的长度，构造一个秩序列：

$ {s_k} = \sum\limits_{i = 1}^k {{r_i}} \;\;\;\;\;\;\;(k = 2, 3, \cdots, n) $

(1)

式中

$ {r_i} = \left\{ \begin{array}{l} + 1\;\;\;\;\;\;\;当{x_i} > {x_j}\\ 0\;\;\;\;\;\;\;\;\;当{x_i} \le {x_j} \end{array} \right.\;\;\;\;\;\;\left( {j = 1, 2, \cdots, i} \right) $

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量：

$ U{F_k} = \frac{{\left[{{s_k}-E\left( {{s_k}} \right)} \right]}}{{\sqrt {Var\left( {{s_k}} \right)} }}\;\;\;\;\;\;\;(k =1, 2, \cdots, n) $

(2)

式中UF₁=0，E(s_k)、Var(s_k)是累计数s_k的均值和方差，在x₁，x₂，…，x_n相互独立，且有相同连续分布时，可由下式算出：

$ E\left( {{s_k}} \right) = \frac{{n(n + 1)}}{4} $

(3)

$ Var\left( {{s_k}} \right) = \frac{{n(n-1)(2n-5)}}{{72}} $

(4)

UF_i为标准正态分布，它是按时间序列x₁，x₂，x₃, …, x_n计算出的统计量序列，给定显著性水平α，若|UF_i|＞U_α，则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列x逆序x_n，x_n-1, …，x₃，x₂，x₁，再重复上述过程，同时使UB_k=-UF_k(k=n，n-1，…，1)，UB₁=0。分析绘出的UF_k、UB_k曲线，当它们超过临界线时，表明上升或下降趋势显著。如果UF_k、UB_k两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

2 结果与分析 2.1 年气候要素变化特征 2.1.1 气温

图 1为1961—2005年华北平原年平均气温时间分布序列及M-K突变检验。图 1显示，华北平原近45年年平均气温为12.2 ℃，线性倾向率为0.25 ℃/10 a，变暖趋势相当明显。1961—1987年华北平原年平均气温偏低，阶段平均值为11.9 ℃，比多年平均值低0.3 ℃；1988年开始，气温持续升高(UF＞0)，并于1996年超过了显著性水平0.05临界线，1997年气温升高到13.0 ℃，此后8年一直维持在此高位，1998年最高为13.4 ℃。在显著性水平0.05的临界线之间，UF、UB曲线相交，交点在1992年，是华北平原年平均气温突变的开始。年平均气温突变后与突变前相差0.79 ℃，此增幅若以全球近50年的增暖速率增长需60年^[1-2]。

华北平原年平均气温在地域上大致呈南高北低的纬向分布特征。图 2显示，各地年平均气温线性倾向率在-0.06~0.49 ℃/10 a之间，96.2%的站点线性倾向率为正值，其中，88.3%通过0.05水平的显著性检验。年平均气温线性倾向率随地域变化的规律是东北部＞中部＞西南部。可见，45年来，华北平原南北温差表现为减小趋势。

2.1.2 降水量

由图 3可见，45年来华北平原年降水量总体变化趋势不显著(未通过0.1显著性水平检验)。20世纪60年代降水量较多，尤其是1964年，年降水量高出多年平均值394.5 mm，是严重的洪涝年；20世纪70年代至80年代中后期，年降水量略有减少，但仍为降水量偏多时期，此阶段年降水量距平平均值为3.7 mm；80年代中后期至90年代末，年降水量平均值比多年平均值少32.2 mm，为45年中降水量最少的阶段；2000—2005年年平均降水量又增加到多年平均水平。以上分析表明，20世纪80年代中后期开始，年降水量为负距平的年份增多，华北平原已由多雨期转为少雨期。

综合年平均气温和年降水量的变化来看，可以认为近45年来，华北平原气候经历了一个以20世纪80年代中后期为分界的“冷湿-暖干”的变化过程，尤其是进入90年代后，“暖干”特征尤其突出，与我国北方大部分地区的气候变化特征相同^[15]。值得注意的是，21世纪初，年降水量有了从“干”到“湿”的变化趋势，这是否会对降水量一直缺乏的华北平原在农业生产、环境等方面产生很大影响，还有待于进一步研究。

华北平原降水量地域上大致呈南多北少的纬向分布特征，东部略多于西部。图 4显示，华北平原83.0%的站点年降水量线性倾向率为负值，即大部分地区降水量表现为减少趋势，山东半岛减少趋势较其他地区明显。年降水量表现为增加趋势的站点主要分布在华北平原东南部，这使得华北平原年降水量差异在东西间有缓和、在南北间有增大的趋势。

2.1.3 日照时数

华北平原年日照时数的多年平均值为2459.2 h，由图 5可知，近45年来，年日照时数线性倾向率为-79.8 h/10 a，减少趋势十分明显，1961—1968年光照资源充足，1968年后日照时数开始减少，且减少趋势十分明显。地域上，年日照时数呈明显的纬向分布特征，北部多于南部，南北相差-1063.0 h，差异十分显著。45年间，52个站点年日照时数都呈减少趋势，河北南部、山东西部以及除西部外的河南大部分地区日照时数减少最明显，减少幅度都大于区域平均值(图略)，可见，华北平原年日照时数南北差异呈增大趋势。

2.2 月气候要素变化特征 2.2.1 温度

华北平原逐月平均气温呈单峰型分布，峰值出现在7月(25.5 ℃)，1月(-2.7 ℃)、12月(-0.7 ℃)气温最低，年较差较大。图 6a显示：1—4月、9月和12月月平均气温升高趋势明显，其他月份气温升高趋势不显著，8月月平均气温表现为略微下降的趋势，但未通过0.1显著性水平检验。可见，华北平原升温主要体现在月平均气温较低的冬春季，这使得气温年较差表现为减小的趋势。

2.2.2 降水量

华北平原各月降水量分配极不均匀，全年59.2%的降水都集中在6，7，8月。45年来各月降水量线性倾向率差异明显(图 6b)，月降水量线性倾向率为正值的月份有1—3、5、6、12月，主要集中在少雨的冬春季，但只有6月通过了0.1水平的显著性检验；4月、7—11月线性倾向率为负值，其中，4月和降水量最多的7月和8月减少趋势明显。这种变化特点使得华北平原年内降水量分配趋于平均。

2.2.3 日照时数

图 7显示，华北平原日照时数年内分布呈双峰型，峰值出现在5月和8月，5月大于8月，达到253.5 h，7月受华北雨季影响，云量较多，日照时数明显减少，日照时数最小值出现在12月，为167.0 h。45年来各月日照时数线性倾向率显示(图 6c)：5—8月、12月、1月和3月减少趋势十分明显，其它月份无明显减少趋势，4月日照时数线性倾向率为正值，但未通过显著性检验。可见，夏季和冬春季日照时数减少明显是华北平原光照变差的主要原因。

2.3 年积温变化特征

≥0 ℃活动积温代表一个地区农事季节内的热量资源，春季日平均气温稳定通过0 ℃的时间，大致与积雪融化、土壤解冻的日期相当，耐寒作物如小麦等可以播种，农耕开始；日平均气温稳定通过10 ℃，玉米、水稻等喜温作物开始播种与生长，多数作物进入生长旺盛期。年平均气温升高，必然对两者产生影响。

经计算，年≥0 ℃、≥10 ℃活动积温的多年平均值分别为4759.7 ℃和4326.6 ℃，45年间增加趋势十分明显(通过0.01水平显著性检验)。图 8显示，1961—1988年属于热量贫乏期，此阶段年≥0 ℃、≥10 ℃活动积温的平均值分别为4695.5 ℃和4272.1 ℃，相应的阶段平均值比多年平均值少64.2 ℃和54.5 ℃；1989年开始，两者都持续增加，并分别在1999年和2000年超过了显著性水平0.05临界线，在显著性水平0.05的临界线之间，年≥0 ℃、≥10 ℃活动积温的UF、UB曲线分别相交于1993年和1997年，是两者突变的开始。年≥0 ℃活动积温的突变年份早于≥10 ℃活动积温的突变年份，说明年≥0 ℃活动积温增加更快，尤其在20世纪90年代。年平均气温发生突变以后，年≥0 ℃、≥10 ℃活动积温平均值比年平均气温突变前阶段分别增加208.8 ℃和179.8 ℃，可见，随着年平均气温的升高，华北平原热量资源明显增加。

华北平原年≥0 ℃、≥10 ℃活动积温与年平均气温在地域上的分布一致(图略)，南多北少。经统计，45年来，两者线性倾向率随地域的变化规律是东北部＞中部＞西南部，这使得华北平原南北间热量资源的差异呈减小趋势。

3 结论

(1) 华北平原1961—2005年45年间增温趋势十分明显，20世纪80年代中期以前属于低温期，持续增温开始的年份为1988年，与北半球年平均气温发生突变的时间一致^[16]，年平均气温在1992年发生突变，突变后与突变前阶段年平均气温相差0.79 ℃，增幅相当大；年降水量无明显变化趋势，从20世纪80年代中后期开始，华北平原由多雨期转为少雨期，2000年以后，降水量恢复到多年平均水平；日照时数减少明显，尤其在1968年以后。地域上，华北平原南北间温差呈现减小趋势，年降水量、年日照时数南北差异为增加趋势。华北平原近45年来气候变化经历了一个“冷湿-暖干”的过程。

(2) 各月温度、降水量的年内分布均呈单峰型，峰值均出现在7月，月日照时数年内分布呈双峰型，峰值出现在5月和8月，5月大于8月。增温主要表现在1—4月、9月，12月次之，8月平均气温表现为略下降趋势，这种变化特征使得温度年较差呈减小趋势；4月和降水量最多的7、8月减少趋势明显，6月降水量呈增加趋势，这种变化特点使得华北平原各月降水量趋于平均；夏季和冬春季日照时数减少明显是华北平原光照变差的主要原因。

(3) 气候变暖使得热量资源更加丰富。≥0 ℃活动积温、≥10 ℃活动积温从1989年开始持续增加，与年平均气温发生持续增暖的时间基本一致，两者发生明显突变分别在1993年和1997年，≥10 ℃活动积温发生突变的时间延后于≥0 ℃活动积温发生突变的时间，说明≥0 ℃活动积温在20世纪90年代增加更快。45年来，华北平原南北之间热量分配趋于平均。