張曉曉, 張 鈺, 徐浩杰

(蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

1961-2010年白龍江流域氣溫和降水量變化特征研究

張曉曉, 張 鈺, 徐浩杰

(蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

以1961—2010年白龍江流域氣溫和降水量資料為基礎，綜合運用線性趨勢分析、多項式回歸、Mann-Kendall趨勢性檢測和突變分析、復Morlet小波分析和R/S分析等數(shù)理統(tǒng)計方法，在季節(jié)和年際尺度上研究了氣溫和降水量的趨勢性、波動性、突變性、周期性和持續(xù)性。結果表明：在研究時段內(nèi)四季和年平均氣溫均呈顯著上升趨勢，20世紀80年代中期之前升溫緩慢，90年代以來升溫速率明顯加快并發(fā)生暖突變。年降水量呈“多—少—多—少”的波動變化，整體微弱減少。春季和冬季降水量分別呈“多—少—多”和“少—多—少”變化，整體微弱增加。夏季和秋季分別呈“多—少—多—少”和“多—少”變化，整體微弱減少。氣溫和降水量存在7，11，22 a左右的準周期變化。未來一段時間內(nèi)，四季和年平均氣溫將可能繼續(xù)升高，夏季和冬季降水量將可能增加，而春季、秋季和年降水量將可能減少。

白龍江; 氣候變化; 趨勢; 突變; 周期

氣候是自然環(huán)境的重要組成部分，其變化對人類生存、經(jīng)濟社會發(fā)展等將產(chǎn)生極其深遠的影響。近百年來全球氣候正經(jīng)歷以變暖為主要特征的顯著變化，自1860年以來全球地表溫度升高了0.74℃，變暖幅度自20世紀90年代以來明顯加速，未來100 a全球氣溫可能升高1.1～6.4℃[1]。伴隨氣溫的顯著變化，全球降水量的時空變化格局亦發(fā)生明顯改變，熱帶地區(qū)和高緯度地區(qū)降水量趨于增多，副熱帶地區(qū)降水量趨于減少[2]。在全球氣候變化背景下，我國氣候也發(fā)生了顯著而深刻的變化。近百年來我國地表溫度氣溫升高約0.5～0.8℃，略高于同期全球升溫幅度平均值，且近50 a來增暖尤為明顯[3]。于此同時，我國年降水量呈微弱減少趨勢，其中西部地區(qū)(特別是西北地區(qū))降水量增加趨勢明顯，而西南地區(qū)降水量呈一定的減少趨勢[4]。

在大氣環(huán)流控制下，受地形、自然條件、人類活動的影響，氣候變化存在時空異質(zhì)性，加強區(qū)域氣候變化研究，對于評估區(qū)域氣候變化現(xiàn)狀、原因及其影響，指導區(qū)域經(jīng)濟社會和生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[5]。白龍江流域地處青藏高原與川西北高原交錯帶，是中國西部亞熱帶和暖溫帶的分界線。受地形和氣候變化影響，區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，自然災害頻發(fā)，氣候系統(tǒng)的穩(wěn)定性嚴重影響著該區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護[6]。白龍江流域氣溫變化20世紀80年代之前趨勢不明顯，80年代至90年代之間波動明顯，呈下降趨勢，90年代中后期氣溫年際變化呈顯著上升趨勢，增溫率以冬季最大[7-8]。降水量年際變化90年代中期之前上下波動趨勢不顯著，90年代中期以后呈下降趨勢，并以夏季降水量遞減為主[7-8]。白龍江流域徑流受氣候變化和人類活動影響，年際變化趨勢逐步減少[8]。目前關于白龍江流域氣候變化的研究較少，且多集中于氣象站點尺度的分析。由于研究內(nèi)氣象站點分布稀少且空間分布不均勻，若干站點平均結果難以準確反映研究區(qū)氣溫和降水量的整體變化情況。因此本文基于1961—2010年白龍江流域氣象站點資料，對氣溫和降水量進行空間插值并計算流域氣溫和降水量的空間平均值，對其季節(jié)和年際變化特征進行線性趨勢分析、平滑預測分析、周期性分析、突變分析和持續(xù)性分析，以揭示氣溫和降水量的變化特征，對理解氣候過渡帶氣候變化過程具有重要意義，可服務于該區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展和自然災害預警等諸多方面。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

白龍江屬長江二級支流，嘉陵江一級支流，河流全長535 km，流域面積32 810 km2，發(fā)源于甘肅省碌曲縣與四川省若爾蓋縣交界的郎木寺鄉(xiāng)，向東流經(jīng)碌曲、若爾蓋、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣、青川及廣元9個縣(市)，于昭化縣舊城北部匯入嘉陵江，主要支流包括岷江、白水江、達拉河、大團峪河、拱壩河和清江河。白龍江流域位于秦巴山地西部，青藏高原東緣，橫跨甘肅和四川兩省，受構造運動和流水侵蝕作用影響，該區(qū)多高山峽谷地貌，地貌類型包括山地、丘陵和盆地，地理位置介于102°31′—105°45′E，32°10′—34°23′N，海拔介于450～4 900 m，相對高差1 000～2 000 m，地勢由西北向東南遞減。白龍江流域氣候類型復雜多樣，具有明顯的季風氣候特征。武都水文站(104°55′E，33°24′N)以上流域為白龍江上游，屬溫帶濕潤氣候區(qū)。武都至碧口水文站(105°15′E，32°45′N)流域為白龍江中游，屬暖溫帶濕潤氣候區(qū)。碧口水文站以下流域為白龍江下游，屬于北亞熱帶濕潤氣候區(qū)。流域年平均溫度約8～10℃，年降水量約500～900 mm，由東南向西北遞減，4—9月降水量約占全年降水量的85%，多為強降水形式。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

選取1961—2010年白龍江流域及其周邊區(qū)域20個氣象站(連續(xù)觀測且未遷站)的月平均氣溫和月降水量數(shù)據(jù)，具體包括瑪曲、碌曲、臨潭、卓尼、岷縣、郎木寺、迭部、宕昌、若爾蓋、禮縣、西和、成縣、武都、南坪、文縣、康縣、平武、青川、廣元、劍閣。由于研究內(nèi)氣象站點分布稀少且空間分布不均勻，站點平均結果難以準確反映研究區(qū)氣溫和降水量的整體變化情況。本文根據(jù)各氣象站點的經(jīng)度、緯度、海拔信息，逐年逐月對各氣象站點氣溫(降水量)和經(jīng)度、緯度、海拔進行多元線性回歸，并對殘差值(真實值與擬合值之差)進行樣條插值，得到時空分辨率為月與1 km的氣象柵格數(shù)據(jù)[9]。運用ArcGIS空間統(tǒng)計模塊，逐年逐月統(tǒng)計白龍江流域氣溫和降水量的空間平均值(研究區(qū)內(nèi)若干柵格數(shù)據(jù)平均值)。采用交叉檢驗法，以誤差平均值和誤差標準差為指標，對插值前后的數(shù)據(jù)進行t檢驗，結果表明在99%的置信度下絕大部分數(shù)據(jù)的顯著性概率均大于0.01，插值結果可靠。

按照3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月—翌年2月為冬季進行季節(jié)劃分，研究白龍江流域氣溫和降水量的季節(jié)變化特征。運用線性回歸和6次多項式擬合法，研究氣溫和降水量的多年變化趨勢及年際波動規(guī)律。運用Mann-Kendall(MK)法[10]和滑動t檢驗法[11]研究氣溫和降水量變化趨勢的顯著性及其突變性。運用復Morlet小波分析[12]研究氣溫和降水量的周期變化。為了反映各準周期的顯著性，本文采用0.05信度紅/白噪聲標準譜進行檢驗[13]。運用R/S分析法[14]預測氣溫和降水量在未來一段時間內(nèi)可能的變化趨勢。

1.2.1 Mann-Kendall法 當時間序列x1，x2，…，xn相互獨立并具有相同連續(xù)分布時，定義統(tǒng)計量：

(1)

式中：k=2,…,n；n——樣本數(shù)；UFk——MK統(tǒng)計量，且UF1=0；秩序列Sk——第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)；E(Sk)和var(Sk)——累計數(shù)Sk的均值和方差。

利用MK統(tǒng)計值進行趨勢顯著性檢驗時，通過兩尾檢驗于正態(tài)分布表中查出一定顯著性水平下的臨界檢驗值u(u0.05=±1.96，u0.01=±2.57 )。當MK統(tǒng)計值大于臨界檢驗值時，認為時間序列變化趨勢顯著，同時MK統(tǒng)計值為正時表示序列呈上升趨勢，否則呈下降趨勢。MK統(tǒng)計值的絕對值越大，表明序列變化趨勢越顯著。將時間序列逆序，再重復MK計算過程，得到逆序列MK統(tǒng)計值UBk。在UFk曲線超過臨界值的前提下，若2組統(tǒng)計值僅有1個交叉點且位于臨界值之間，這點便是突變點的開始。若交叉點位于臨界值之外，或者是存在多個明顯的交叉點，則不確定是否為突變點，需利用其它方法檢測突變點顯著性。

1.2.2 Morlet小波分析法 對于時間序列f(t)，Morlet小波分析的母函數(shù)為：

ψ(t)=π-1/4eiω0te-t2/2

(2)

式中：ω0是角頻率，取ω0=6。

離散小波變換公式：

(3)

式(3)中：“*”——復共軛；a——尺度因子(與周期和頻率有關)；b——平移因子(時間位置)；Wf(a,b)——小波系數(shù)；δt為資料序列時間間隔。

小波方差為：

Wp(a)=Wf(a,b)2

(4)

在一定的時間尺度下，小波方差表示時間序列在該尺度中周期波動的強弱，小波方差隨尺度的變化過程能反映時間序列中所包含的各種時間尺度及其強弱隨尺度的變化特征，對應峰值處的尺度即為該序列的準周期。

1.2.3R/S分析法 給定一時間序列Xi(i=1,2,…,n)，對于任意正整數(shù)n，定義均值序列：

(5)

累積離差序列：

(6)

極差序列：

Rξ=maxYξ-minYξ(ξ=1,2,…,n)

(7)

標準差序列：

(8)

(9)

則表明所分析的時間序列存在Hurst現(xiàn)象，H稱為Hurst指數(shù)。若0.5

2 結果與分析

2.1 氣溫和降水量的年際變化特征

白龍江流域多年平均氣溫為8.85℃。從年平均氣溫的線性變化趨勢來看(圖1)，1961—2010年年平均氣溫呈極顯著上升趨勢，年際變化率為+0.197℃/10a，且在未來一段時間內(nèi)增溫還將持續(xù)(表1)。多項式函數(shù)擬合的年平均氣溫曲線顯示，1961—1985年氣溫多年平均值為8.59℃，與整個研究時段相比處于低溫期，且呈微弱下降趨勢，年際變化率為-0.046℃/10a，其年際波動呈“降低(1961—1965)—升高(1966—1972)—降低(1973—1985年)”變化。1985年以后，氣溫急劇上升，年際變化率為+0.374℃/10a，1986—2010年的年平均氣溫較1961—1985年偏高0.52℃。從氣溫的年代際變化來看(圖1)，20世紀60年代平均氣溫最低，70年代和80年代基本相當且增溫緩慢，90年代以后氣溫快速升高，21世紀以來升溫速率進一步加快，其平均氣溫較60年代偏高0.84℃。

圖1 年平均氣溫的年際變化

從氣溫的季節(jié)變化來看(圖2)，春季平均氣溫在1961—1988年呈先升高(1961—1967年)再降低(1968—1988年)的波動變化，1988年以后氣溫快速上升，2007年以后出現(xiàn)一定回落。夏季平均氣溫在1961—1986年呈“降低(1961—1965年)—升高(1966—1972年)—降低(1973—1985年)”的波動變化，1986年以后氣溫快速升高，2001年以后趨于平穩(wěn)。秋季平均氣溫除在上世紀60年代中期以前出現(xiàn)短暫降溫以外，其余時間段均呈上升趨勢。冬季平均氣溫在整個研究時段內(nèi)均呈上升趨勢。從氣溫的線性變化趨勢及顯著性來看(圖2和表1)，冬季升溫速率最快，其次是秋季、夏季和春季，其年際變化率分別為+0.335，+0.165，+0.158，+0.127℃/10a。冬季氣溫變化趨勢最為顯著，其次是夏季、秋季和春季。從四季氣溫的Hurst指數(shù)來看，未來一段時間內(nèi)四季氣溫仍將可能顯著上升(表1)。四季氣溫的年代際變化結果表明，四季平均氣溫自1990s以來快速增加，春季、夏季、秋季和冬季平均氣溫分別在1980s，1980s，1970s和1960s最低，春季、夏季、秋季和冬季平均氣溫在2000s最高(表2)。

圖2 四季平均氣溫的年際變化表1 氣溫變化趨勢定量檢驗與預測

氣溫Mann-Kendall秩次相關系數(shù)M值趨勢Mα=0.05Mα=0.01顯著性Hurst指數(shù)未來趨勢春季2.1665升高±1.96±2.57顯著0.7271升高夏季2.9026升高±1.96±2.57極顯著0.6904升高秋季2.5346升高±1.96±2.57顯著0.6402升高冬季4.2577升高±1.96±2.57極顯著0.7383升高全年4.3916升高±1.96±2.57極顯著0.8252升高

白龍江流域降水量的多年平均值為684.5 mm。從年降水量的線性變化趨勢來看(圖3)，1961—2010年白龍江流域降水量呈微弱減少趨勢，其年際變化率為-9.7 mm/10 a，且減少趨勢在未來一段時間內(nèi)還將持續(xù)(表3)。降水量在上世紀60年代偏多，70年代偏少，80年代有所回升，90年代和2000年以來再次偏少(表2)。多項式函數(shù)擬合的年降水量曲線顯示，白龍江流域年降水量經(jīng)歷了“多—少—多—少”的波動變化。1961—1964年降水量整體偏多；1965—1973年降水量整體偏少，在1967年出現(xiàn)降水高值，在1965年出現(xiàn)降水低值；1974—1989年降水量整體偏多，在1981年出現(xiàn)降水量高值，在1986年、1987年出現(xiàn)降水低值；1990—2010降水量整體偏少，在1998年、2003年和2005年出現(xiàn)降水量高值，在1997年、2002年、2006年出現(xiàn)降水量低值。

圖3 年降水量的年際變化

從降水量的季節(jié)變化來看(圖4)，春季、夏季、秋季、冬季降水量分別約占全年降水量的21.46%，52.06%，24.35%和2.13%。春季降水量在1961—1978年偏多，1979—1995年偏少，1996—2010年再次偏多，在1967年、1973年出現(xiàn)降水高值，在1962年、1979年出現(xiàn)降水低值。夏季降水量的年際波動形式與年降水量十分一致，表明夏季降水量對年降水量影響顯著。秋季降水量在1961—1983年偏多，1984—2010年偏少，在1967，1975，1978年出現(xiàn)降水高值，在1972，1976，1987年出現(xiàn)降水低值。冬季降水量在1961—1982年偏少，1983—2005年偏多，2006—2010年再次偏少，在1990，1991，1994年出現(xiàn)降水高值，在1987，1999，2010年出現(xiàn)降水低值。從降水量的線性變化趨勢及顯著性來看，春季和冬季降水量呈微弱上升趨勢，其年際變化率分別為+1.31，+0.8 mm/10 a，夏季和秋季降水量呈微弱下降趨勢，其年際變化率為-5.1，-6.8 mm/10 a，春季降水量增加幅度最大，秋季降水量減少幅度最大。從四季降水量的Hurst指數(shù)來看，未來一段時間內(nèi)春季、秋季和年降水量將可能呈減少趨勢，夏季和冬季降水量將可能呈增加趨勢(表2)。

表3表示氣溫和降水量的年代際變化，從表3可以看出，四季降水量的年代際變化結果表明，春季降水量在1990s最低，2000s最高；夏季降水量在2000s最低，1980s最高；秋季降水量在1990s最低，1960s最高；冬季降水量在1970s最低，1990s最高。

圖4 四季降水量的年際變化表2 降水量變化趨勢定量檢驗與預測

降水量Mann-Kendall秩次相關系數(shù)M值趨勢Mα=0.05Mα=0.01顯著性Hurst指數(shù)未來趨勢春季0.5939增加±1.96±2.57不顯著0.2069減少夏季-0.6943減少±1.96±2.57不顯著0.4587增加秋季-1.7315減少±1.96±2.57不顯著0.5960減少冬季1.4973增加±1.96±2.57不顯著0.5907增加全年-0.9787減少±1.96±2.57不顯著0.5173減少

表3 氣溫和降水量的年代際變化

2.2 氣溫和降水量的突變特征

從氣溫和降水量Mann-Kendall突變檢測結果來看(圖5)，四季和年平均氣溫的正序列曲線分別在2008年、2003年、2006年、1990年和2000年左右超過顯著性為0.05的置信度曲線，同時在置信度曲線區(qū)間內(nèi)僅存在一個交叉點，表明春季、夏季、秋季、冬季、年平均氣溫分別在2002年、1993年、1994年、1990年、1996年發(fā)生暖突變。四季和年降水量在置信度曲線區(qū)間內(nèi)存在多個交叉點，運用5年滑動t檢驗對交叉點進行顯著性為0.05的置信度檢驗，結果表明在研究時段內(nèi)除冬季降水量在1972年發(fā)生由少到多的顯著性突變外，其余時段降水量不存在顯著突變特征。

圖5 氣溫和降水量的Mann-Kendall突變分析

2.3氣溫和降水量的周期變化特征

氣溫和降水量小波方差顯著性檢驗結果表明氣溫和降水量不存在顯著變化周期，僅存在準周期(圖6)，其中春季平均氣溫準周期為11 a，夏季平均氣溫準周期為13 a，此外6～8 a的周期也比較明顯，秋季平均氣溫準周期為8 a，冬季平均氣溫準周期為11 a，此外6 a和22 a周期也較為明顯，年平均氣溫準周期為12 a，其次還存在一個6 a左右的次級周期。春季降水量準周期為7 a，夏季降水量準周期為25 a，此外還存在6 a和15 a左右的次級周期，秋季降水量準周期為13 a，次級周期為6 a，冬季和年降水量準周期分別為18 a和25 a，同時也存在6～8 a的小周期。

圖6 氣溫和降水量的Morlet小波方差

3 結論與討論

通過對白龍江流域1961—2010年氣溫和降水量的變化特征分析，氣溫呈顯著上升趨勢，降水量總體呈波動變化，但有微弱減少趨勢，總體氣候趨于暖干，對全球變化響應明顯。

(1) 白龍江流域年平均氣溫上升趨勢顯著，年際變化率為0.197℃/10 a，其中1961—1985年氣溫呈微弱下降趨勢，1985年以后氣溫急劇上升，并在1996年左右發(fā)生暖突變，突變后升溫速率進一步加快。從年平均氣溫的年代際變化來看，20世紀60年代平均氣溫最低，70年代和80年代基本相當且增溫緩慢，90年代以后氣溫快速升高，21世紀以來升溫速率進一步加快。四季平均氣溫均呈顯著上升趨勢，冬季升溫速率最快，其次是秋季、夏季和春季，其年際變化率分別為0.335，0.165，0.158，0.127℃/10 a。春季、夏季、秋季、冬季平均氣溫分別在2002年、1993年、1994年、1990年發(fā)生暖突變。四季平均氣溫分別在1980s、1980s、1970s和1960s最低，在2000s最高。

(2) 白龍江流域年降水量線性變化趨勢不明顯，但有微弱減少趨勢，年際變化率為-9.7 mm/10 a。年降水量經(jīng)歷了“多—少—多—少”的波動變化。1961—1964年降水量整體偏多；1965—1973年降水量整體偏少，在1967年出現(xiàn)降水高值，在1965年出現(xiàn)降水低值；1974—1989年降水量整體偏多，在1981年出現(xiàn)降水量高值，在1986年、1987年出現(xiàn)降水低值；1990—2010降水量整體偏少，在1998年、2003年和2005年出現(xiàn)降水量高值，在1997年、2002年、2006年出現(xiàn)降水量低值。春季和冬季降水量呈微弱增加趨勢，夏季和秋季降水量呈微弱減少趨勢。春季降水量在1990s最低，2000s最高；夏季降水量在2000s最低，1980s最高；秋季降水量在1990s最低，1960s最高；冬季降水量在1970s最低，1990s最高，且在1972年發(fā)生由少到多的顯著突變。

(3) 白龍江流域氣溫主要存在8 a、11～13 a和22 a左右的準周期，降水量主要存在7 a、13～18 a和25 a左右的準周期。

(4) 未來一段時間內(nèi)，白龍江流域四季和年平均氣溫仍將可能繼續(xù)升高，夏季和冬季降水量將可能微弱增加，而春季、秋季和年降水量將可能微弱減少。

近50 a來白龍江流域氣溫顯著升高，降水量微弱減少，這在一定程度上加劇了白龍江流域的暖干化發(fā)展態(tài)勢，將影響到區(qū)域的經(jīng)濟發(fā)展、生態(tài)與環(huán)境等諸多方面，首先是水資源，干旱化趨勢引起地表徑流減少，將進一步影響區(qū)域的水資源配置與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[15]。其次，氣候變暖使該區(qū)生態(tài)環(huán)境發(fā)生著變化[16]，氣候變暖使蒸騰蒸發(fā)量增大，降水變率增大，極端降水事件(旱澇災害)的頻率和強度增加，自然災害發(fā)生的可能性進一步增加[17]。

；

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VariationCharacteristicsofTemperatureandPrecipitationintheBailongRiverBasinduring1961-2010

ZHANG Xiao-xiao, ZHANG Yu, XU Hao-jie

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Based on temperature and precipitation datasets in the Bailong River basin during 1961—2010, the seasonal and inter-annual variation characteristics including tendency, fluctuation, mutation, period and persistence of temperature and precipitation were analyzed by using linear tendency and polynomial regression model, Mann-Kendall test, complex Morlet wavelet and R/S analysis. The results showed that the seasonal and annual mean temperature had a significant increasing trend during 1961—2010; the weak warming trend was detected before mid-1980s; the increasing rate of temperature was accelerated after a warming mutation in 1990s; the annual precipitation mainly experienced ‘high—low—high—low’ fluctuations. The seasonal precipitation had similar fluctuations except for the winter. The precipitation increased weakly in the spring and winter, while decreased insignificantly in the summer, autumn and year. The temperature and precipitation had periodic variation of 7, 11, 22 a.The potential trend of seasonal and annual mean temperature would persistent. The precipitation in the summer and winter will increase, but decrease in the spring, autumn and year in the near future.

Bailong River; climate change; tendency; mutation; period

2013-09-12

：2013-10-03

國家自然科學基金項目“黑河上游土壤水文異質(zhì)性觀測試驗及其對山區(qū)水文過程的影響”(91125010)

張曉曉(1988—),女,黑龍江齊齊哈爾人,碩士研究生,主要研究方向為工程水文學。E-mail:xxzhang2011@lzu.edu.cn

張鈺(1963—),男,甘肅平?jīng)鋈?博士,副教授,主要研究方向為水資源規(guī)劃論證評價和水土保持。E-mail:gszhangyu@126.com

P467

：A

：1005-3409(2014)04-0238-08