甘肅省定西市安定區(qū)1970-2010年下墊面氣候變化特征分析

郭林祥，李 廣，肖鴻民，閆麗娟

(1.西北師范大學數(shù)學與統(tǒng)計學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070)

前植物生產(chǎn)層

甘肅省定西市安定區(qū)1970-2010年下墊面氣候變化特征分析

郭林祥1，李 廣2，肖鴻民1，閆麗娟3

(1.西北師范大學數(shù)學與統(tǒng)計學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070)

為了揭示全球氣候變暖背景下甘肅省定西市安定區(qū)的氣候變化趨勢，根據(jù)安定區(qū)地面氣象站1970-2010年逐日氣溫和降水資料，利用線性回歸、滑動平均等方法分析了該地區(qū)近41年的氣候變化特征，并運用Mann-Kendall檢驗法對氣溫和降水量年際變化趨勢進行突變檢驗。結(jié)果表明，近41年來，安定區(qū)年均溫表現(xiàn)為顯著的增溫趨勢(P<0.05)，且增溫率明顯高于全國平均水平，并于1997年發(fā)生了突變性的升高；近41年來安定區(qū)年平均降水量呈減少趨勢，但不顯著(P>0.05)，也沒有發(fā)生突變，表明安定區(qū)氣候基本朝暖干化方向發(fā)展。

氣候變化；氣溫；降水；M-K檢驗；安定區(qū)

氣候作為人類賴以生存的自然環(huán)境和自然資源的一個重要組成部分，其任何變化都會對生態(tài)系統(tǒng)、社會經(jīng)濟及人們的日常生活產(chǎn)生重要的影響。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的第4次評估報告，最近100年(1906-2005年)全球表面空氣溫度上升了約0.74 ℃，近50年的線性增溫速率為0.3 ℃·10 a-1，約是過去100年的兩倍[1]。我國近百年來地面氣溫變化趨勢與全球的情況類似，變暖趨勢為0.2～0.8 ℃，近50年的變暖趨勢達到0.6～1.1 ℃，氣候變暖已成為一個不可爭辯的事實[2-3]。

安定區(qū)位于甘肅省定西市中部，氣候溫涼干燥，是典型的旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。干旱是該區(qū)最主要也是影響最嚴重的氣象災害，其特點是發(fā)生頻率高、影響范圍大、危害程度重，因此已成為制約該區(qū)農(nóng)業(yè)乃至整個區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展的重要因素[4-6]。前人雖然已對甘肅省[7-10]、甘肅省河東地區(qū)[11]、慶陽市[12]、定西市[13]及其他一些地區(qū)[14-15]的氣候變化做了研究，但對旱作雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)的定點氣候系統(tǒng)研究較少。本研究基于安定區(qū)1970-2010年逐日氣溫、降水資料，分析該地區(qū)氣候年際變化特征，為進一步研究該地區(qū)氣候演變規(guī)律提供可靠資料，同時也為干旱區(qū)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、水資源的合理開發(fā)利用與環(huán)境保護等提供一定參考。

1 材料與方法

1.1研究區(qū)概況

安定區(qū)(35°17′-36°02′ N，104°12′-105°01′ E，海拔1 671.3～2 577.3 m)位于甘肅省中部，地處祖厲河支流的關(guān)山河上游，屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，平均溝壑密度為2.4 km·km-2。光資源豐富，年總輻射量593.9 kJ·cm-2，日照時數(shù)2 500 h以上；年均降水量386.3 mm，年平均溫度7.9 ℃。最高年降水量564.5 mm(2003年)，最低年降水量245.7 mm(1982年)；極端最高溫度為35.1 ℃(2010-07-28)，極端最低溫度為-29.7 ℃(1991-12-26)，屬于典型的溫帶大陸性氣候，即夏季高溫，冬季寒冷，全年降水少，且主要集中在夏季。

1.2資料與計算方法

根據(jù)安定區(qū)氣象站1970-2010年逐日氣溫和降水數(shù)據(jù)，分別計算氣溫、降水的多年均值和不同年代的平均值，利用算術(shù)平均法得到年際氣溫與降水的變化情況。主要采用趨勢分析法、滑動平均法和Mann-Kendall突變檢驗法等方法對安定區(qū)近41年來的氣溫與降水變化特征進行研究。趨勢分析擬用一元線性回歸的方法求得，根據(jù)得到的氣象要素序列，以時間x(t)作為自變量，氣象要素y(t)作為因變量，建立一元線性回歸方程，利用其描述氣象要素的變化趨勢。年均溫和年降水的突變情況選用Mann-Kendall檢驗法，在MATLAB 7.0軟件環(huán)境下計算。

E(dk)=k(k-1)/4,

Var(dk)=k(k-1)(2k+5)/72,2≤k≤N.

2 結(jié)果與分析

2.1氣溫和降水年際和年代變化特征

2.1.1氣溫年際和年代變化特征 以安定區(qū)1970-2010年年平均氣溫數(shù)據(jù)為依據(jù)，對近41年的年際均溫進行線性回歸擬合(圖1)發(fā)現(xiàn)，41年來安定區(qū)年平均氣溫總體呈現(xiàn)上升的趨勢，但有一定幅度的波動，其增溫速率為0.503 ℃·10 a-1，明顯高于全國平均的增溫速率(0.25 ℃·10 a-1)[16]。利用P值檢驗法得到P=6.939e-09≈0，通過顯著性檢驗(P<0.01)，說明年均溫線性上升趨勢極為明顯。再根據(jù)5年滑動平均曲線，可以看到20世紀90年代以來安定區(qū)年平均溫度有明顯的增加趨勢。另外，41年來年均溫呈上升趨勢，20世紀70年代和80年代，安定區(qū)氣溫為負距平(表1)，說明20世紀70-80年代氣溫偏低，但80年代氣溫較70年代有小幅度的提升。90年代以后，年均溫高于41年的平均值，距平值為正，說明近20年是安定區(qū)的快速升溫階段，特別是進入21世紀后，氣溫上升幅度更大，且2006年達到了研究以來的最高值(9.4 ℃)。

圖1 安定區(qū)1970-2010年平均溫度變化趨勢Fig.1 The trend of the average annual temperature in Anding district from 1970 to 2010

2.1.2降水年際和年代變化特征 年降水量變化趨勢仍采用線性趨勢分析和5年滑動平均趨勢分析。安定區(qū)年降水量在波動變化中呈減少趨勢(圖2)，遞減速率為5.625 mm·10 a-1。對回歸系數(shù)進行顯著性檢驗，得到P=0.5476，沒有通過顯著性檢驗(P>0.05)，說明年降水量的減少趨勢并不顯著。安定區(qū)近41年來降水最多、最少的年份分別為2003年564.5 mm，1982年245.7 mm。結(jié)合5年滑動平均曲線(圖3)和氣溫降水均值及距平值(表1)可知，安定區(qū)年均降水量有明顯的年代際變化特征，20世紀70年代，降水量達到整個研究階段的最高值；80-90年代，降水距平值為負，低于41年平均降水量；進入21世紀后，降水量又有所回升，但幅度不大，說明近41年來安定區(qū)降水量呈現(xiàn)出先減后增特征，但從總體上講，年均降水量仍呈減少趨勢。

表1 安定區(qū)不同年代氣溫和降水均值及距平統(tǒng)計表Table 1 The means and anomalies of temperature and precipitation in different decades in Anding District

2.2氣候突變分析

對于年平均溫度，正序特征曲線UF于1970年至1987年，多為負值，1988年后由負變正(圖3)，說明1988年以前安定區(qū)年均溫總體較低，之后氣溫開始上升，尤其是1993年以后年均溫迅速上升。正序特征曲線UF與逆序特征曲線UB在1996年有一個明顯的交點，之后，UF曲線還于2006年突破了(α=0.05)分界線1.96，說明近41年安定區(qū)年均溫在1996年發(fā)生了突變性的升高，突變后(1997-2010年)的年平均溫度達到8.5 ℃，比突變前(1970-1996年)上升了1.3 ℃。對降水來說(圖4)，其UF曲線僅在1975年、1977—1981年、1983—1987年高于零界線，說明這些年內(nèi)降水量有所增加。另外，雖然特征曲線UF與UB有多個交點，但沒有突破分界線1.96，說明近41年來安定區(qū)的年降水量并沒有發(fā)生突變。

3 討論

近年來，很多學者對甘肅省氣候變化進行研究，結(jié)果均表明了甘肅省氣候的變化與我國甚至與全球的變化趨勢具有相當?shù)囊恢滦訹7]，即具有明顯的暖干化趨勢。本研究表明，近41年來，定西市安定區(qū)年平均溫度呈顯著上升的趨勢，并于1997年發(fā)生了由低到高的突變，且增溫率明顯高于全國平均水平[16]。研究安定區(qū)氣溫的年代際變化特征發(fā)現(xiàn)，進入20世紀90年代后，氣溫明顯上升，說明近20年是整個安定區(qū)氣候的快速升溫階段。而眾多學者對甘肅或西北區(qū)域氣候進行研究，指出包括隴南南部、隴東、隴東中部、河西走廊平原區(qū)等地在內(nèi)的甘肅省絕大多數(shù)地區(qū)氣溫從1960-2012年都有明顯升高[8-9]。另外，對中國西北地區(qū)近50年的氣候變化發(fā)現(xiàn)，整個地區(qū)氣溫從1959-2008年有明顯上升趨勢，且20世紀90年代以后上升更明顯[17-18]。因此本研究與前人研究結(jié)果一致。造成安定區(qū)氣溫顯著上升的原因可能是：1)安定區(qū)所處的地理位置和地形條件的匯聚特征，由其引起的焚風效應和夏季青藏高原上空下沉氣流的影響，疊加近年來人為活動溫室氣體排放量的增加，導致安定區(qū)地面溫度升高。2)安定區(qū)本身水資源短缺，加之人們對水資源的不合理利用造成地下水位不斷下降，導致地表植被枯萎、減少，植被覆蓋率下降，土地荒漠化程度不斷加劇，從而引起氣候變暖。3)近年來安定區(qū)人口數(shù)量不斷上漲，環(huán)境不斷受到污染與破壞，以及城市化進程不斷加快而帶來的熱島效應，是安定區(qū)氣溫上升的又一個重要原因。

圖4 安定區(qū)年降水量Mann-Kendall突變檢驗Fig.4 Mann-Kendall test of the sudden change of precipitation in Anding District

對安定區(qū)近41年降水量的研究發(fā)現(xiàn)，安定區(qū)年均降水量在波動中呈減少趨勢，但不顯著，也沒有發(fā)生突變。另由降水距平可以看出，安定區(qū)的降水情況也呈現(xiàn)明顯的年代際變化特征，20世紀80-90年代，降水量較之前明顯減少，進入21世紀后，又稍有回升，但增幅不大，總體來看，仍呈減少趨勢。很多學者對甘肅省降水的研究也有類似結(jié)論，除河西走廊平原區(qū)局部地區(qū)、北山中山區(qū)降水量有所增加外，大部分地區(qū)降水量有所減少[8,10]；定西市年均降水量呈逐漸減少的特征[11]。另外，西北地區(qū)中西部降水量呈增加趨勢，而東部區(qū)域降水呈減少趨勢，具體包括青海南部，甘肅黃河以東，寧夏、陜西等地[16-17]。由此看出本研究與其他研究結(jié)果一致。

降水減少的原因在很大程度上與溫度升高的原因類似：1)由于安定區(qū)本身位于典型的半干旱區(qū)，屬于溫帶大陸性氣候，全年降水量本來就少。2)20世紀80年代以來，人口數(shù)量的不斷增長導致糧食的匱乏，使得當?shù)厝藗儾粩嗫撤淠?、開荒種地，導致植被破壞嚴重、森林面積下降、土地荒漠化現(xiàn)象加重，因而造成降水量減少。3)也有研究稱，溫度的不斷升高在一定程度上也影響了降水量的變化趨勢[19-20]。

4 結(jié)論

根據(jù)安定區(qū)1970-2010年氣象數(shù)據(jù)，對氣溫和降水的年平均變化趨勢進行研究，得出如下主要結(jié)論：

1)近年來，安定區(qū)年平均氣溫呈極為顯著的上升趨勢，增溫速率為0.503 ℃·10 a-1，并于1996年發(fā)生了由低到高的突變，突變后較突變前，年平均氣溫升高了1.3 ℃。研究氣溫年代際變化特征發(fā)現(xiàn)，近20年是該地區(qū)的快速升溫階段。其變化特征與我國總體變化特征相一致，造成安定區(qū)溫度升高的原因在于當?shù)厮幍牡乩砦恢煤铜h(huán)境條件，以及近年來城市化進程的加快和人口數(shù)量的不斷上升。

2)安定區(qū)年平均降水量在波動中呈減少趨勢，遞減速率為5.625 mm·10 a-1，但減少趨勢并不顯著，也沒有發(fā)生突變。降水年代際的變化特征體現(xiàn)為，20世紀70年代降水較多，80-90年代呈減少趨勢，進入21世紀后有小幅度增加，總體呈減少趨勢，與我國大部分地區(qū)降水量呈增多的變化特征相反，和甘肅省河東地區(qū)降水量減少的特征相一致，究其原因，主要是由當?shù)氐淖匀粴夂驐l件以及當?shù)貙χ脖坏钠茐脑斐伞?/p>

總之，安定區(qū)年平均溫度的上升和降水量的減少，表明了安定區(qū)的氣候正在朝暖干化方向發(fā)展，這就需要人們認清其變化趨勢，從而為減輕、避免其危害采取一些必要的措施。

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(責任編輯 張瑾)

ClimatechangecharacteristicsofunderlyingsurfaceinAndingDistrict,DingxiinGansuProvincefrom1970to2010

GUO Lin-xiang1, LI Guang2, XIAO Hong-min1, YAN Li-juan3

(1.College of Mathematics and Statistics, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, China; =2.College of Forestry Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China；3.College of Agronomy, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

In order to reveal the climate change characteristics in Anding District, Dingxi in Gansu under the background of global warming, the climate changing characteristics over the last 41 years (from 1970 to 2010) in this area were analyzed by means of linear regression and moving average with the temperature and precipitation data from Anding District meteorological stations.Mann-Kendall test was also employed to identify the mutation point and inter-annual variability tendency in temperature and precipitation.In the recent 41 years, annual temperature in Anding District significantly increased(P<0.05)and the increase rates were significantly higher (P<0.05) than that of national average.The mutation tests showed that the annual mutation points of temperature was 1997.The annual precipitation decreased without significance and did not have a mutation point.All of these results revealed that the climate of Anding District was becoming warmer and drier.

climate change; temperature; precipitation; Mann-Kendall test; Anding District

LI Guang E-mail:lig@gsau.edu.cn

2014-03-18 接受日期：2014-09-04

國家自然科學基金項目(71261023)；甘肅省科技支撐計劃(144NKCA038)；甘肅省自然科學基金(1308RJZA272)；甘肅省高等學?；究蒲袠I(yè)務費專項；干旱生境作物學重點實驗室開放基金(GSCS-2010-11)

郭林祥(1990-)，男，甘肅臨洮人，在讀碩士生，研究方向為應用統(tǒng)計。E-mail:guolinxiang23@163.com

李廣(1971-)，男，內(nèi)蒙化德人，教授，博導，博士，研究方向為集約農(nóng)作制度理論與技術(shù)。E-mail:lig@gsau.edu.cn

P467

：A

：1001-0629(2014)11-2015-06

10.11829j.issn.1001-0629.2014-0116