渭河流域氣候變化與區(qū)域分異特征

焦彩強 ，王 飛，2 ，穆興民，2 ，李 銳，2

(1.西北農(nóng)林科技大學資源環(huán)境學院，陜西楊凌712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100)

氣候是一個地區(qū)在一定時期內(nèi)的平均天氣狀況。所謂氣候變化，從氣象學角度看是指一個特定地點、區(qū)域或全球長時間的氣候轉(zhuǎn)換或改變，是以某些或所有的與平均天氣狀況有關的特征，如溫度、風和降水量等要素的變化來度量的，其中極端氣候變化對水土流失、沙塵暴、農(nóng)業(yè)生態(tài)等影響很大。自從工業(yè)革命以來，全球規(guī)模的氣候變化逐漸引人注目，并且這種變化與人類的生產(chǎn)、生活密切相關。目前，國際社會普遍認為，在氣候自然變化的同時，人類活動也改變了大氣的化學成分，導致今天的氣候變化，而這種變化反過來又困擾著人類社會的發(fā)展，阻礙了社會的進步和發(fā)展，甚至影響人類的生存[1]。自20世紀80年代以來，氣候變暖對地球自然環(huán)境和人類社會環(huán)境及各種經(jīng)濟活動都會產(chǎn)生一系列的影響，造成嚴重的后果，所以氣候變化成為全球關注的熱點問題。氣候變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境都會產(chǎn)生影響，制約著社會、經(jīng)濟和生態(tài)的發(fā)展[2]。大量研究表明我國年降水量以-12.66 mm的速度減少[3-4]。20世紀90年代，我國相繼提出了“西部大開發(fā)”和“可持續(xù)發(fā)展”兩大戰(zhàn)略，因此，研究西北地區(qū)氣候變化對我國區(qū)域經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)建設及自然資源的合理開發(fā)利用具有非常重要的現(xiàn)實意義。渭河流域地處我國西北地區(qū)東部生態(tài)環(huán)境脆弱帶，自然災害多發(fā)，其中旱災發(fā)生最為頻繁，程度最重，危害最大，成為制約該地區(qū)國民經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要因素。因此，筆者研究了渭河流域57 a來的氣候變化特點及區(qū)域分異規(guī)律，以期對減緩或適應氣候變化及西北地區(qū)的水土流失防治，環(huán)境保護和生態(tài)建設有一定的指導意義。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

渭河位于東經(jīng) 103.5°—110.5°和北緯 33.5°—37.5°，發(fā)源于甘肅省渭源縣西南的鳥鼠山北側(cè)，自西向東流經(jīng)甘肅省和陜西省13個地(市)的86個縣，干流全長818 km，是黃河最大的支流，流域面積1.348×105km2，由北洛河、涇河2大支流和渭河干流組成，其中陜西境內(nèi)就有千里之長，流域面積6.75×104km2，沿途注入渭河的支流有30余條，在潼關境內(nèi)流入黃河。渭河流域地處大陸性季風氣候區(qū)、干旱地區(qū)和濕潤地區(qū)的過渡地帶，春暖干旱，受西太平洋副熱帶高壓影響，夏季熱而多雨且有伏旱，秋涼濕潤，冬季受蒙古高壓控制，氣候干燥寒冷，降水稀少[5]。受地形等因素影響，流域降水分布由東南向西北遞減，南部秦嶺山麓降水充沛，最大年降水量在1 000 mm以上，隨地勢降低降水量驟減，平原地區(qū)年降水量約為500 mm。降水量年際變化大且年內(nèi)分配不均，最大年降水量約為最小年降水量的2.5倍，汛期降水量約占年降水量的65%，并多以暴雨或秋季連陰雨出現(xiàn)[6]。渭河流域最冷月平均氣溫為-1℃～-3℃，最熱月平均氣溫為23℃～26℃，氣溫年較差一般為26℃～28℃[7]。流域性土壤以黃土為主，黃土平均粒徑從西北向東南逐漸減小。地貌特征空間差異較大，包括黃土丘陵溝壑區(qū)、黃土高原溝壑區(qū)、黃土塬區(qū)、土石山區(qū)、黃土階地區(qū)、河谷沖積平原區(qū)等。渭河南岸的支流較多，但較大支流都集中在北岸，水系呈扇狀分布，集水面積1 000 km2以上的支流有14條[8]。涇河是渭河最大的支流，北洛河為渭河第2大支流，流域面積分別占渭河流域面積的33.7%和20.0%。渭河流域是黃河流域降水量比較多的區(qū)域之一[9]。

1.2 基礎資料

數(shù)據(jù)資料來源為:中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)—中國地面國際交換站氣候資料年值數(shù)據(jù)(1951—2007)。為保證資料的統(tǒng)一性和完整性，選取渭河流域地面國際交換站中氣候要素比較完備，建站時間比較長，分布在渭河流域不同方位的交換站。并剔除連續(xù)缺3 a以上數(shù)據(jù)和時間序列小于45 a的站點，從統(tǒng)計意義上來講，這樣長的時間序列能夠獲得比較可信的分析結(jié)果。選取位于渭河流域4個方位的蘭州、延安、平?jīng)觥⑽靼仓袊孛鎳H交換站。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用距平分析和Mann—Kendall檢驗的處理方法，分析研究1951—2007年渭河流域風、氣溫、降水量、相對濕度、日照等氣候要素變化特點及區(qū)域分異規(guī)律。其中Mann—Kendall檢驗用 Hydrospect軟件分析，距平分析用Excel軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 風速變化特征及區(qū)域變異規(guī)律

風具有促進大氣水分循環(huán)，改善農(nóng)田小氣候的作用，但風速過大會產(chǎn)生破壞作用，特別是風沙化地區(qū)，大風會吹起流沙，促使沙粒堆積形成“沙漠”。北方地區(qū)沙地起沙風速一般4 m/s左右[10]。

故風速的變化對西北地區(qū)的生態(tài)建設，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，環(huán)境保護有很大的影響。

從圖1a，1b可以看出，4個站的氣候變化存在著區(qū)域分異。對氣候要素風來說，1951—1962年間，蘭州站年平均風速距平呈逐年上升趨勢;1963—1992年間，蘭州站年平均風速距平累積總體成下降趨勢，但1968—1976年間，蘭州站年平均風速距平累積變化平緩，也就是說，在這期間蘭州站的年平均風速基本與平均值相等。1992年，蘭州站年平均風速達到最小值0.7 m/s，之后一直到1998年，蘭州站的年平均風速距平累積逐漸增加;1998—2007年間蘭州站年平均風速距平變化趨于平緩。1951—1985年間，蘭州站最大風速距平累積逐年增加，1985年最大風速達到最大值13 m/s;1986—2007年間，蘭州站最大風速距平累積又逐年下降。對于延安站，1951—1970年間，年平均風速距平累積也呈逐年上升趨勢，1970年年平均風速達到最大值2.1 m/s;在971—1987年年平均風速都比較接近平均值，1988—2007年間，年平均風速距平累積逐年下降。最大風速距平累積1971—1992年總體是增加的，1983年達到最大值15 m/s。對于平?jīng)稣荆?956—1965年間，年平均風速距平累積逐漸上升，1972年，年平均風速達到最大值2.4 m/s;1965—1967年間，年平均風速距平累積呈下降趨勢，1967年年平均風速達到最小值1.7 m/s。1968—1982年間，年平均風速距平累積呈上升趨勢，年平均風速均大于平均風速，1982年年平均風速達到最大值18 m/s。1982—2003年間，年平均風速距平累積呈下降趨勢，2003年年平均風速達到最小值1.7 m/s;年最大風速在1973年達到最大值18 m/s，1993年以前年最大風速都大于平均值;1993年以后，年最大風速都小于平均值，2003年達到最小值9.7 m/s。對于西安站，1951—1954年間，年平均風速小于平均值;1955—1975年間，年平均風速都大于平均值，其中1956年年平均風速達到最大值2.6 m/s;1976—1993年間，年平均風速都小于平均值;1994—1997年間年平均風速都大于平均值;1998—2007年間，2002年年平均風速達到最小值0.9 m/s。最大風速在1963年達到最大值23.3 m/s，1961—1971年間，最大風速都大于平均值;1972—1977年間，最大風速均小于其平均值，在1978—1980年間，均大于其平均值;1981—1987年間，其最大風速基本與平均值一致，自1988—2007年其最大風速都小于其平均值，2004—2005年達到最小值7.7 m/s。

圖1 渭河流域風、降水、日照、相對濕度等氣候要素距平累積分析

2.2 降水量變化特征及區(qū)域分異規(guī)律

渭河流域生態(tài)環(huán)境脆弱，自然災害多發(fā)，其中旱災發(fā)生最為頻繁，程度最重，危害最大，成為制約該地區(qū)國民經(jīng)濟特別是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟和農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的主要因素。降水的多寡是決定干旱嚴重程度的重要指標[11]。

自1987年氣候突然變化開始的西北氣候轉(zhuǎn)型，降水量顯著增加。我國西北地區(qū)主要是西部和中部降水量顯著增加[12]。而處于西北區(qū)東部的渭河流域降水量變化卻有明顯不同，從圖2可以看出4個地面交換站的降水量1987年前的降水量平均值明顯高于1987—2007年降水量的平均值，4個站分別減少了4.2%(13.5 mm)，10.1%(55.6 mm)，4.4%(22.2 mm)，(36.5 mm)。從地理位置上可以看出，渭河流域西部的2個站蘭州和平?jīng)霰葨|部的2個站(延安站和西安站)降水量減少的要多。從圖1c可以看出，近年來渭河流域日降水量≥0.1 mm的日數(shù)均小于研究期間的平均值，但是不同區(qū)域開始小于平均值的年份并不一致，蘭州站、延安站、平?jīng)稣?、西安站開始的時間分別為1990年 、1990 年 、1993年 、1993 年 。

圖2 渭河流域降水量變化

從圖2可以看出，研究期間，渭河流域57 a來降水量年際變化量比較大但是變化趨勢不明顯;最大日降水量也表現(xiàn)出相同規(guī)律。在4個站中，蘭州站與其它站相比，年降水量最小，其它3個站年降水量相差不顯著。

從表1可以看出，研究期間，渭河流域57 a來年降水量表現(xiàn)出區(qū)域變異規(guī)律:在同一緯度水平上，自西向東平均年降水量呈現(xiàn)出增加的趨勢;在同一經(jīng)度水平上表現(xiàn)為，自北向南平均年降水量呈現(xiàn)出增加的趨勢。最大年降水量也表現(xiàn)出相同規(guī)律，最小年降水量不符合這個規(guī)律。4個站的最大、最小年降水量出現(xiàn)的年份卻并不一致。

表1 渭河流域不同地區(qū)年降水量

2.3 氣溫變化特征及區(qū)域分異規(guī)律

近100 a來的全球氣候變暖已經(jīng)是一個無可爭辯的事實[13]，并日益深刻地影響著人類社會的可持續(xù)發(fā)展[14-16]。

從圖3可以看出，4個站的氣溫變化規(guī)律，年平均氣溫距平累積曲線均為先降低而后逐漸上升。不同的是4個站年平均氣溫開始大于平均值的時間有所不同，位于渭河流域北部的蘭州站和延安站從1986年開始，而位于渭河流域南部的平?jīng)稣竞臀靼舱緩?992年才明顯開始，這與施雅風等[12]提出的西北氣候轉(zhuǎn)型的時間1987年有所出入。最高氣溫和最低氣溫也表現(xiàn)出相似規(guī)律，但最高氣溫4個站大于平均值開始的時間相同;最低氣溫4個站大于平均值開始的時間并不一致，除西安站為1993年，其它3個均為1986年。極端最高氣溫和極端最低氣溫距平累積曲線呈現(xiàn)出相反的變化趨勢，極端最高氣溫是先下降而后上升，極端最低氣溫卻是先上升后下降的變化趨勢。近些年來，極端最高氣溫均大于平均值，而極端最低氣溫卻是均小于平均值，氣溫的極差增大了。

從表2可以看出，渭河流域的年氣溫基本是在1951年是最低的，渭河北部年平均氣溫在1998年達到最大值 11.4℃～11.5℃，南部年平均氣溫在2006—2007年達到最大值10.60℃～15.60℃，隨著經(jīng)度的增加，年平均氣溫最大值也呈現(xiàn)出增加的趨勢;渭河流域自西向東年平均氣溫增加。年平均氣溫變化分別為:0.544 ℃/10 a，0.509 ℃/10 a，0.386℃/10 a，0.667 ℃/10 a，均高于西北區(qū)域整體年平均氣溫的變化幅度0.37℃/10 a[17]，遠大于全球近50 a來0.13℃/10 a的平均增溫速率[18]。從表3可以看出，在研究期間，渭河流域4個站的氣溫M—K檢驗值均大于0，表明渭河流域氣溫呈上升趨勢。

表2 渭河流域年氣溫變化

2.4 日照時數(shù)和相對濕度變化特征及區(qū)域分異規(guī)律

日照時數(shù)表示一個地方直接受太陽光照射的實有時數(shù)，是太陽輻射最直接的表現(xiàn)，受云、霧、空氣污染物等多種因素影響。日照時數(shù)的變化與氣溫和降水有直接關系，也是導致氣候變化的重要因素之一，對人們的生產(chǎn)生活和動植物生長起著重要作用[19]。

從圖1d可以看出，渭河流域4個不同方位的日照時數(shù)變化呈現(xiàn)出區(qū)域分異規(guī)律。1951—1974年期間，蘭州站日照時數(shù)距平累積呈現(xiàn)出上升趨勢，1975—1980年期間變化不明顯，1981—1996年期間，蘭州站日照時數(shù)距平累積呈現(xiàn)出下降趨勢，1997—2007年期間，又緩慢上升。研究期間，延安站有2個變化劇烈階段:1982—1986年和 1996—2007年。1982—1986年期間，延安站日照時數(shù)距平累積呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，1996—2007年期間，呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢;其它時間延安站日照時數(shù)累積變化均不明顯。研究期間，平?jīng)稣救照諘r數(shù)距平累積變化波動比較頻繁。1951—1964年期間，平?jīng)稣救照諘r數(shù)均小于平均值，日照時數(shù)累積呈現(xiàn)出下降趨勢;1965—1981年期間，平?jīng)稣救照諘r數(shù)均大于平均值，日照時數(shù)累積曲線呈上升趨勢;1982—1992年期間，日照時數(shù)均小于平均值，日照時數(shù)累積曲線呈下降趨勢;1993—2007年期間，日照時數(shù)均大于平均值，日照時數(shù)累積曲線呈上升趨勢。西安站日照時數(shù)變化階段最明顯，1951—1980年期間，日照時數(shù)距平累積呈現(xiàn)出一直上升趨勢，都大于平均值;1981—2001年期間，日照時數(shù)距平累積呈現(xiàn)出一直下降趨勢，均小于平均值;2001—2007年期間，日照時數(shù)又有所緩慢增加。

從表3中4個站的日照時數(shù)M—K檢驗值可以看出，渭河流域日照時數(shù)呈現(xiàn)出區(qū)域分異規(guī)律，研究期間，其中東北部日照時數(shù)呈現(xiàn)出增加趨勢，而其它區(qū)域則呈現(xiàn)出減少趨勢。

從圖1e可以看出，渭河流域4個站的相對濕度距平累積曲線變化并不一致。除蘭州站外其它3個站的距平累積曲線變化階段并不明顯。1951—1954年期間，蘭州站相對濕度距平累積曲線呈上升趨勢，相對濕度均大于平均值;1954—1957年期間，相對濕度均小于平均值;1957—1979年期間，蘭州站相對濕度均大于平均值，相對濕度距平累積曲線呈上升趨勢;1980—2007年期間，相對濕度均小于平均值。其它3個站1951—1954年期間，相對濕度均大于平均值;近年來均小于平均值，但是4個站相對濕度累積曲線下降開始的時間有所不同，延安站從1994年開始下降，平?jīng)稣緩?994年開始，西安站從1993開始。從表3可以看出，在研究期間，4個站的相對濕度M—K檢驗值均小于0，表明4個站相對濕度呈現(xiàn)出減少趨勢。

圖3 渭河流域氣溫距平累積分析圖

表3 渭河流域氣候要素Mann—Kendall檢驗

3 結(jié)論

(1)渭河流域年平均風速和年最大風速均呈現(xiàn)出減小的趨勢，近年來年平均風速和年最大風速沒有明顯變化，且均小于平均值。

(2)渭河流域年降水量沒有明顯的突變年份，但是總體上，1987年后的年降水量平均值明顯小于1987年前的年降水量平均值。日降水量≥0.1 mm日數(shù)自1993年后均小于平均值，但是在1993—2007年期間沒有明顯變化。

(3)渭河流域年平均氣溫和最低氣溫均呈現(xiàn)出明顯上升趨勢，年氣溫極差增大。

(4)渭河流域日照時數(shù)呈現(xiàn)出區(qū)域分異特點，不同地區(qū)的日照時數(shù)變化也有所不同，東北部日照時數(shù)呈現(xiàn)出增加趨勢，其它區(qū)域則呈現(xiàn)出減少趨勢。

(5)渭河流域相對濕度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。

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