坦桑尼亚半干旱区气候变率与季节性降雨转变：农牧系统的影响与适应启示

《Critical Insights in Climate Change》：Climate variability and seasonal rainfall shifts: implications for agro-pastoral systems in semi-arid regions of Tanzania

　　

摘要 理解局地气候变率对于管理半干旱地区的农牧系统至关重要。本研究利用坦桑尼亚气象局（Tanzania Meteorological Authority, TMA）站点（4.43°S， 37.15°E）获取的1994–2024年逐日及逐月降雨和气温数据，考察了坦桑尼亚北部Simanjiro District降雨和气温的趋势及季节性转变。研究人员采用线性回归、Mann-Kendall检验和Sen's斜率估计器识别长期趋势；同时，采用基于阈值的方法确定雨季的开始、结束及持续时间；核密度估计（Kernel Density Estimation）用于可视化季节性分布，相关分析用于探讨降雨与气温之间的关系。结果表明，年降雨量呈显著上升趋势（Sen's斜率 = 8.3 mm/年，p < 0.05），最低气温亦显著上升（Sen's斜率 = 0.0215 °C/年，p < 0.001），而最高气温保持稳定。雨季开始更早、持续时间更长，OND（10–12月）降雨正取代MAM（3–5月）降雨。降雨与最低气温之间存在中等程度的正相关（r = 0.54），表明在较湿润时期，大气水汽的增加导致夜间增温。此外，社会经济数据显示，近半数家庭以畜牧业为生，与反复出现的干旱和降雨变率相关的牲畜损失（45%）和作物减产（25%）直接威胁到农牧生计的韧性和长期可持续性。

坦桑尼亚半干旱区农牧系统面临的气候变率与季节性降雨转变：基于1994–2024年长期气象数据的实证分析

一、研究背景与问题提出

全球变暖背景下，极端气候事件如热带气旋、强降雨和持续干旱的发生频率被广泛认为正在增加。在撒哈拉以南非洲，多项研究记录了强降雨事件和持续干旱期的增加，尤其是在3–5月（MAM）这一对农牧民至关重要的播种季节。这些极端事件正日益威胁半干旱地区的农牧系统，其驱动因素既包括自然变率，也包括人为气候变化。中等排放情景下的最新预测表明，到21世纪末，非洲大部分地区的平均气温可能上升超过2 °C。

在局地尺度上，降雨季节的转变、降水格局的不规则性、持续干旱和气温上升正变得越来越明显。降雨的时间对于作物稳定发育和农业投入的高效利用至关重要。坦桑尼亚北部据报道在1980年至2004年间经历了降雨开始的转变。这些气候转变已导致显著的生计破坏，包括作物减产、生长季缩短和牧场可用性降低。东非和南部非洲的研究证实，主要雨季的时间和可靠性正在发生变化，许多地区经历延迟开始、提前结束和不可预测的季节内干旱期。这些模式影响种子萌发、缩短雨季，并常常导致作物完全歉收或牲畜饲料短缺。

Simanjiro District代表了坦桑尼亚一个高度气候脆弱的景观，其农牧生计高度依赖双峰降雨系统。近期传闻和社区报告的证据表明，该地区降雨模式变得越来越不稳定，短雨季（Vuli）经常延迟或完全失败，长雨季（Masika）比预期更早结束。尽管存在这些可观察的变化，但区级尺度的长期定量气候趋势和季节性降雨特征分析仍然有限。大多数现有研究依赖区域或国家数据集，对气候变率如何在做出生计决策的局地层面显现提供的见解有限。因此，本研究利用30年的站点降雨和气温数据，旨在：（i）分析Simanjiro District降雨和气温的长期趋势；（ii）检测雨季开始、结束和持续时间的变化；（iii）考察对农牧生计的影响。

二、研究设计与关键方法

研究人员采用定量方法，使用1994年至2024年的观测日值和月值数据，分析了Simanjiro District降雨和气温的长期趋势和季节性转变。数据来源于坦桑尼亚气象局（TMA）站点（4.43°S， 37.15°E），包括日降雨量、月总降雨量（mm）、月平均最高气温（°C）和月平均最低气温（°C）。研究区域Simanjiro District位于坦桑尼亚北部Manyara Region，面积20,591 km2，海拔560至2,123米，属半干旱气候，双峰降雨模式，年均降雨量650至700 mm，气温介于13 °C和30 °C之间。

研究采用的关键统计方法包括：线性回归用于估计变化方向和速率；非参数Mann-Kendall检验用于评估单调趋势的统计显著性；Sen's斜率估计器用于量化趋势幅度。雨季开始、结束和持续时间采用基于阈值的方法确定，该标准改编自联合国粮食及农业组织（FAO）框架。此外，采用Pearson相关系数评估降雨与气温之间的统计关系，并利用核密度估计（Kernel Density Estimation）可视化季节性分布。数据进一步按年代间隔（1994–2003、2004–2013、2014–2024）分组，以捕捉与农牧规划相关的长期变率。所有分析均在R版本4.4.3中完成。

三、主要研究结果

3.1 年际与年代际降雨趋势

年降雨量呈现显著上升趋势。线性回归显示统计显著的积极趋势（R2 = 0.66， p = 0.01008），估计斜率为10.44 mm/年。Mann-Kendall检验支持该结果（Kendall's tau = 0.3161， p = 0.01308），Sen's斜率估计器量化变化幅度为8.30 mm/年。年代际分析显示，最近时期（2014–2024）记录最高平均降雨量，超过500 mm。密度图显示，1994–2003年期间分布较窄且偏向较低降雨量，而2014–2024年期间分布更广且以较高降雨值为中心，表明近年变率增加和平均降雨量升高。

3.2 年际与年代际气温趋势

最高气温呈微弱上升趋势，但不具统计显著性（Sen's斜率 = 0.0181 °C/年， p = 0.1400）。相比之下，最低气温呈现更清晰、更显著的上升趋势，从1990年代中期的约15.7 °C上升至2024年的超过16.8 °C。线性回归模型产生统计显著的斜率0.0215 °C/年（R2 = 0.46），Mann-Kendall检验确认显著上升趋势（Kendall's tau = 0.4839， p = 0.0001）。年代际比较显示，最低气温从第一个十年的约15.8 °C上升至最近十年的约16.6 °C。

3.3 降雨与气温关系

月降雨量与最高气温之间存在统计显著的弱正相关（Pearson's r = 0.25， p < 0.001）。降雨与最低气温之间存在更强、更显著的正相关（r = 0.54， p < 0.001），表明较湿润月份与较温暖的夜间或清晨气温显著相关。

3.4 雨季特征与转变（1994–2024）

雨季开始日期呈显著提前趋势（Mann-Kendall τ = ?0.48， p = 0.03），而结束日期无统计显著趋势（τ = ?0.04， p = 0.58）。雨季持续时间呈正线性趋势（Sen's斜率 = 0.93天/年），2006年记录最长雨季（109天），1996年最短（16天）。2005年后较长雨季更为普遍，表明季节结构逐渐转变。开始日期的分布较窄，表明时间一致性较强，而结束日期分布较广，表明年际变率较高。

3.5 季节性转变及其对农牧社区系统的影响

四个气候季节（DJF、MAM、JJA、OND）的降雨分析显示，OND降雨变率尤为显著，频繁出现峰值和下降。雨季持续时间平均约80天，但范围从60天到近95天不等，表明条件不稳定。OND与MAM降雨量之差（OND ? MAM）呈正趋势，表明相对于MAM，OND降雨相对增加，可能延迟可靠降雨的开始，扰乱传统种植日历。开始月份影响雨季持续时间：10月和1月开始往往产生比11月或12月更长的季节。社会经济数据显示，畜牧业（47%）和农牧业（42%）是主要生计活动。气候相关损失中最常见的是牲畜死亡（约45%）、作物减产（25%）、储存食物和动物饲料损失（20%）以及农场收入降低（15%）。

四、讨论与结论

本研究揭示了1994年至2024年间Simanjiro District最低气温的显著上升以及雨季开始和持续时间的明显转变。观察到的变暖趋势，特别是最低气温，与东非区域分析一致。IPCC数据显示，1973年至2013年间东非平均地表温度上升约0.7–1.0 °C，近期研究确认变暖持续，2023年是非洲有记录以来最热的三个年份之一，坦桑尼亚和乌干达等国家经历了有记录以来最暖年份。降雨与夜间气温之间的正相关支持了较湿润时期往往具有增加的大气水汽和云量、抑制夜间降温的发现。季节性转变，特别是OND降雨日益主导于MAM，可能导致生态条件与传统生计实践之间的显著错配，破坏种植计划、减少饲料可用性并使水资源管理复杂化。家庭调查结果显示，45%的家庭经历牲畜死亡，25%报告作物减产，反映反复干旱、降雨时间改变和季节性不确定性增加的综合效应。这些损失破坏家庭粮食安全、收入稳定性和资产基础，降低农牧系统在连续气候冲击之间恢复的能力。研究结论强调，降雨量增加并不一定意味着气候风险降低，当降雨时间和季节分布发生变化时尤其如此。加强本地化气候咨询服务，帮助农牧社区调整种植日历、放牧策略、牲畜迁移和水资源管理以适应变化的季节条件，是应对这些挑战的关键方向。未来研究应纳入高分辨率卫星数据（如归一化植被指数NDVI、蒸散发和土壤湿度）以及本地化社会经济调查，以更全面地捕捉土地-气候-人类相互作用，为社区和区级气候韧性决策提供信息。