葉秣麟， 秦寧生，2，3， 白愛(ài)娟， 李金建， 李媛媛， 趙 藝

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225;2.中國(guó)氣象局成都高原氣象研究所，四川 成都610072;3.四川省氣候中心，四川成都610072;4.四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，四川成都610072)

0 引言

黃河源位于青海省南部，青藏高原腹地，具體位置為 95°50＇E ～103°30＇E，32°30＇N ～36°12＇N ，源區(qū)內(nèi)以山地為主，地勢(shì)起伏大且地形復(fù)雜，其北部為布爾汗布達(dá)山和布青山，東部被阿尼瑪卿山包圍，南部是巴顏喀拉山，它是黃河流域的源頭，流域內(nèi)一半以上的水量出自該地區(qū)，所以黃河源區(qū)氣候、環(huán)境、生態(tài)等方面的變化不僅對(duì)流域周邊區(qū)域造成影響，還能對(duì)流域中下游的西北和華北地區(qū)帶來(lái)生態(tài)、氣候和社會(huì)等各方面產(chǎn)生作用［1-3］。近年，由于氣候變暖和頻繁的人類活動(dòng)等因素影響，源區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了冰川融化速度加快，雪線上升明顯，地下水位下降，凍土層變薄等一系列生態(tài)和環(huán)境惡化現(xiàn)象，給整個(gè)黃河流域的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、資源的利用、生態(tài)環(huán)境以及人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)嚴(yán)重的威脅［4-6］，因此，對(duì)黃河源區(qū)歷史氣候變化規(guī)律進(jìn)行探討，加深對(duì)該區(qū)域氣候變化的了解，有利于源區(qū)的資源利用和生態(tài)保護(hù)工作。在已重建好的黃河源區(qū)1618～2009年最高氣溫序列的基礎(chǔ)上對(duì)該序列進(jìn)行突變及周期分析，對(duì)過(guò)去近400年黃河源區(qū)溫度突變的產(chǎn)生、升溫降溫的持續(xù)過(guò)程和序列周期等相關(guān)方面進(jìn)行探究。

1 序列重建

1．1 資料來(lái)源及重建過(guò)程

黃河源區(qū)平均海拔在3700 m以上，山地河谷地形居多，由于高原地區(qū)寒冷的氣候使樹(shù)木生長(zhǎng)緩慢且不易腐爛，因此源區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)著許多數(shù)百年以上樹(shù)木［7］，而這些樹(shù)中祁連圓柏占據(jù)大量的比例［8］。采集時(shí)多選擇距離水源較遠(yuǎn)的樹(shù)木以減小其他因素對(duì)重建結(jié)果的影響。

圖1 重建序列和11a滑動(dòng)平均曲線

重建過(guò)程中使用的站點(diǎn)資料數(shù)據(jù)包括黃河源區(qū)內(nèi)果洛、興海、同德和瑪多4個(gè)氣象站點(diǎn)各氣候要素逐月數(shù)據(jù)，以及利用源區(qū)內(nèi)的祁連圓柏樹(shù)輪寬度所計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)化年表。4個(gè)站點(diǎn)各氣候要素算術(shù)平均值代表整個(gè)源區(qū)，經(jīng)過(guò)一系列的計(jì)算發(fā)現(xiàn)5～6月最高氣溫與標(biāo)準(zhǔn)化年表相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.650，因此選擇5～6月最高氣溫作為重建的氣候要素，重建方程

方程中y代表源區(qū)5～6月最高氣溫，x表示標(biāo)準(zhǔn)年表，方程方差解釋量為42.2%，各種方程檢驗(yàn)量表明重建方程式穩(wěn)定、可靠的。根據(jù)式(1)可以推測(cè)出近400年黃河源區(qū)5～6月最高氣溫，圖1表示1618～2009年5～6月最高氣溫序列以及11a滑動(dòng)平均序列，可初步地從11a滑動(dòng)平均曲線看出，在17世紀(jì)中期，20世紀(jì)初期和20世紀(jì)末期有較為明顯的突變產(chǎn)生，前兩處的突變均為由低溫值向高溫值變化，20世紀(jì)末期的突變則表現(xiàn)為氣溫的驟降。

1．2 重建序列的空間代表性

圖2 實(shí)測(cè)最高氣溫和重建最高氣溫與CRU格點(diǎn)C5C6最高氣溫(1960～2009年)空間相關(guān)性圖

為探索此次重建結(jié)果在更大空間尺度上的變化響應(yīng)特征，利用 Climate Research Unit(CRU TS 3.22，0.5°×0.5°)格點(diǎn)數(shù)據(jù)中1960～2009年5～6月平均最高氣溫與黃河源區(qū)實(shí)際測(cè)量的同期最高氣溫及同期重建最高氣溫作相關(guān)分析。圖2(a)為實(shí)際測(cè)量的最高氣溫與格點(diǎn)資料相關(guān)系數(shù)空間分布圖，在黃河源地區(qū)及周邊高原地區(qū)相關(guān)系數(shù)值較大，基本在0.5以上，正相關(guān)性顯著，圖2(b)則是重建的最高氣溫序列與格點(diǎn)數(shù)據(jù)相關(guān)分布，相關(guān)系數(shù)在青藏高原地區(qū)與圖2(a)分布基本一致，數(shù)值也在0.5以上，說(shuō)明重建的5～6月最高氣溫序列對(duì)黃河源區(qū)乃至整個(gè)高原區(qū)域都具有很好的空間代表性。

2 重建序列分析

2．1 突變分析

圖3 突變曲線

為了觀察研究重建序列在1618～2009年間的突變特征，采用Cramer檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、M-K檢驗(yàn)和Yamamoto檢驗(yàn)方法對(duì)序列作突變分析并相互對(duì)比，如圖3所示。圖3(a)采用Cramer檢驗(yàn)法對(duì)整條重建序列進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)序列總共產(chǎn)生3次突變，包括2次負(fù)突變和1次正突變，其中，2次負(fù)突變分別發(fā)生在20世紀(jì)中前期(1934年)和21世紀(jì)初期(2004年)，正突變出現(xiàn)在20世紀(jì)初期(1911年)。滑動(dòng)t檢驗(yàn)的原理與Cramer檢驗(yàn)方法類似，但它要根據(jù)兩段子序列的平局值間的顯著差異來(lái)判斷突變是否產(chǎn)生［9］，曲線如圖3(b)所示，滑動(dòng)步長(zhǎng)取值取10，從圖上直接反映出超出α=0.01顯著性檢驗(yàn)線的突變有很多，總共有10個(gè)，其中正突變4次，負(fù)突變6次，正突變分別出現(xiàn)在17世紀(jì)中期(1643年)，18世紀(jì)中前期(1730年)以及20世紀(jì)初期(1913年)和末期(1990年)，負(fù)突變分別在17世紀(jì)中期(1634年和1654年)，18世紀(jì)中期(1749年)及末期(1799年)，19世紀(jì)末期(1883年)以及20世紀(jì)中前期(1934年)。較為顯著的突變都是正突變，分別出現(xiàn)在1913年和1643年附近?；瑒?dòng)t檢驗(yàn)曲線中1913年的正突變和1934年附近的負(fù)突變與Cramer檢驗(yàn)結(jié)果相一致，可以推測(cè)出，在20世紀(jì)初期，黃河源地區(qū)經(jīng)歷了由冷向暖的轉(zhuǎn)變過(guò)程，之后氣溫一直回升，到了20世紀(jì)30年代，溫度回升已超過(guò)顯著性水平，在1934附近年產(chǎn)生突變，源區(qū)又經(jīng)歷一次由暖向冷的變化，這與前面重建序列11a滑動(dòng)平均曲線變化相一致。圖3(c)為M-K檢驗(yàn)，UF與UB曲線在17世紀(jì)初期及21世紀(jì)初期均有交錯(cuò)點(diǎn)，說(shuō)明重建序列在這兩個(gè)時(shí)間段都有顯著突變產(chǎn)生，其中17世紀(jì)初的突變與滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果相一致，氣溫迅速降低，21世紀(jì)初的突變則在Cramer曲線中也被檢測(cè)出。圖3(d)采用Yamamoto檢驗(yàn)法，發(fā)現(xiàn)序列中超出α=0.01顯著性水平線的有3處，分別是17世紀(jì)中期(1634年和1643年)以及20世紀(jì)前期(1913年)，這3個(gè)突變點(diǎn)在圖3(b)滑動(dòng)t檢驗(yàn)中也分別被捕獲，進(jìn)一步證明了這幾個(gè)突變點(diǎn)的可信性。

綜合以上4種突變檢驗(yàn)方法，得出重建的最高氣溫序列在過(guò)去近400年間產(chǎn)生6次突變，包括3次正突變和3次負(fù)突變，在17世紀(jì)中前期(1634年)，溫度急劇下降，但持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)，到了17世紀(jì)中期(1643年)，氣溫下降的趨勢(shì)結(jié)束，溫度值有所回升。在20世紀(jì)氣溫變化趨勢(shì)也有所類似，在初期(1911～1913年)溫度值驟然上升，一直持續(xù)到20世紀(jì)中期(1934年)過(guò)后，氣溫開(kāi)始呈下降趨勢(shì)。另外，在20世紀(jì)末期(1990年)氣溫值也產(chǎn)生過(guò)驟然上升的趨勢(shì)，持續(xù)時(shí)間10年左右，到了2004年，上升的趨勢(shì)結(jié)束，氣溫開(kāi)始下降。

以上幾次氣溫突變及氣溫持續(xù)變化過(guò)程在其他重建序列或在文獻(xiàn)［10-13］也有印證，17世紀(jì)中期氣溫由高向低的變化過(guò)程在X.Gou等［10］重建的青藏高原東北部過(guò)去700年夏半年最高氣溫序列中有所體現(xiàn)，17世紀(jì)中前期到中期的降溫過(guò)程以及20世紀(jì)初期至中期的氣溫持續(xù)上升過(guò)程與段建平重建的青海高原南部春季最高氣溫序列［11］冷暖期的劃分相一致(1916～1934年為暖期，1632～1643年為冷期)。據(jù)文獻(xiàn)［12-13］研究結(jié)果表明，20世紀(jì)初期存在由冷向暖的轉(zhuǎn)變過(guò)程，證實(shí)了該時(shí)期突變的可靠性。

2．2 周期分析

圖4 重建序列Morlet小波變換系數(shù)模

小波分析在頻域時(shí)域上都具有很好的局部性質(zhì)［14］，根據(jù)重建結(jié)果(圖1)可明顯看出該序列具有明顯的波動(dòng)特征，采用小波分析的方法對(duì)本次重建的最高氣溫序列進(jìn)行周期分析，圖4為重建序列小波變換系數(shù)模，可以發(fā)現(xiàn)重建序列在低頻和高頻段都存在一定的周期變化，2～4a的周期出現(xiàn)在整個(gè)序列中，6～8a，20～24a周期也較為明顯，而32～40a周期最明顯，具有較高的能量。

所有的信號(hào)周期中，2～4a的周期極值中心在1650～1660年，1700年，1750年，1770年，1820～1830年，1900年，1940～1960年及2000年這些年份附近出現(xiàn)，涵蓋的時(shí)段范圍包括17世紀(jì)初期到20世紀(jì)末期，2～4 a周期的出現(xiàn)較為普遍，與“準(zhǔn)兩年振蕩”［15］和ENSO［16］周期基本一致，與這二者間有很大的聯(lián)系。6～8 a的周期主要在17世紀(jì)初期和18世紀(jì)中后期顯著，19世紀(jì)40、70年代和20世紀(jì)30年代雖也有極值出現(xiàn)，但不如前面時(shí)期那么顯著。20～24 a周期與太平洋年代際振蕩(PDO)和北大西洋濤動(dòng)(NAO)存在關(guān)系［17-18］，在17世紀(jì)中期還有20世紀(jì)初期較為顯著。最為顯著的周期32～40 a，極值中心出現(xiàn)在20世紀(jì)中期，極有可能跟太陽(yáng)黑子周期長(zhǎng)度(SCL)有關(guān)［19］。

結(jié)合功率譜的方法對(duì)小波分析周期進(jìn)行驗(yàn)證，在計(jì)算過(guò)程中，最大滯后系數(shù)取重建序列長(zhǎng)度三分之一，即130 a，功率譜計(jì)算結(jié)果曲線如圖5所示，譜曲線中有3處明顯的峰值超過(guò)了95%的置信度檢驗(yàn)，分別在t=7，t=78和t=99處，根據(jù)周期計(jì)算關(guān)系，周期為2 m/t，得出顯著周期分別有2.6年、3.3年以及37.1年左右，這跟小波分析結(jié)果基本相一致，對(duì)于未檢測(cè)出6～8 a和20～24 a周期，這可能是由于功率譜原理你是將序列拆分為各周期成分之和［20］，對(duì)于周期成分的乘積并不能予準(zhǔn)確檢測(cè)出。另外通過(guò)與青藏高原地區(qū)其他文獻(xiàn)［11，21］比較證實(shí)這次周期檢驗(yàn)的可信性，2～4 a的高頻振蕩與32～40 a的低頻振蕩在青海高原南部近450年春季最高氣溫序列中研究中有所體現(xiàn)［11］，24 a左右周期在 Eryuan Liang［21］的文中也有提及。

圖5 重建序列功率譜分析圖

3 結(jié)果與討論

重建黃河源區(qū)1618～2009年5～6月最高氣溫具有一定的穩(wěn)定性和可靠性?？臻g相關(guān)分析結(jié)果表明，實(shí)際值和重建值與格點(diǎn)資料的相關(guān)性在青藏高原地區(qū)均為顯著正相關(guān)，說(shuō)明重建的5～6月最高氣溫序列對(duì)黃河源區(qū)甚至整個(gè)青藏高原地區(qū)都具有很好的空間代表性。用Cramer、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、M-K和Yamamoto 4種檢驗(yàn)方法對(duì)重建序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，經(jīng)對(duì)比驗(yàn)證后得出過(guò)去近400年間序列產(chǎn)生6次突變，包括3次正突變和3次負(fù)突變。正突變發(fā)生在17世紀(jì)中期(1643年)，20世紀(jì)初期(1911～1913年)以及20世紀(jì)末期(1990年)，負(fù)突變產(chǎn)生在17世紀(jì)中期(1643年)，20世紀(jì)中期(1934年)和21世紀(jì)初期(2004年)。重建的最高氣溫序列經(jīng)小波周期檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)存在2～4 a、6～8 a、20 ～24 a和32 ～40 a的顯著周期，其中2 ～4 a周期出現(xiàn)頻率高，而能量極值出現(xiàn)在20世紀(jì)中期，對(duì)應(yīng)周期為32～40a，經(jīng)功率譜檢驗(yàn)后以上周期基本可靠。另外，根據(jù)一些關(guān)于災(zāi)害的歷史資料記載［22］，氣溫的周期性變化跟個(gè)別的極端事件也有體現(xiàn)，如在1762年，記錄有“巴燕戎格廳冰雹、霜凍成災(zāi)”，給當(dāng)時(shí)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重影響。

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