1618～2009年黃河源區(qū)夏季最高氣溫變化規(guī)律分析

葉秣麟， 秦寧生，2，3， 白愛娟， 李金建， 李媛媛， 趙 藝

(1.成都信息工程大學大氣科學學院，四川 成都610225;2.中國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)內以山地為主，地勢起伏大且地形復雜，其北部為布爾汗布達山和布青山，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流域周邊區(qū)域造成影響，還能對流域中下游的西北和華北地區(qū)帶來生態(tài)、氣候和社會等各方面產生作用［1-3］。近年，由于氣候變暖和頻繁的人類活動等因素影響，源區(qū)內出現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)境惡化現象，給整個黃河流域的經濟的發(fā)展、資源的利用、生態(tài)環(huán)境以及人類的生產生活帶來嚴重的威脅［4-6］，因此，對黃河源區(qū)歷史氣候變化規(guī)律進行探討，加深對該區(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上對該序列進行突變及周期分析，對過去近400年黃河源區(qū)溫度突變的產生、升溫降溫的持續(xù)過程和序列周期等相關方面進行探究。

1 序列重建

1．1 資料來源及重建過程

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)寒冷的氣候使樹木生長緩慢且不易腐爛，因此源區(qū)內生長著許多數百年以上樹木［7］，而這些樹中祁連圓柏占據大量的比例［8］。采集時多選擇距離水源較遠的樹木以減小其他因素對重建結果的影響。

圖1 重建序列和11a滑動平均曲線

重建過程中使用的站點資料數據包括黃河源區(qū)內果洛、興海、同德和瑪多4個氣象站點各氣候要素逐月數據，以及利用源區(qū)內的祁連圓柏樹輪寬度所計算出的標準化年表。4個站點各氣候要素算術平均值代表整個源區(qū)，經過一系列的計算發(fā)現5～6月最高氣溫與標準化年表相關性最好，相關系數達到-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表示標準年表，方程方差解釋量為42.2%，各種方程檢驗量表明重建方程式穩(wěn)定、可靠的。根據式(1)可以推測出近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滑動平均序列，可初步地從11a滑動平均曲線看出，在17世紀中期，20世紀初期和20世紀末期有較為明顯的突變產生，前兩處的突變均為由低溫值向高溫值變化，20世紀末期的突變則表現為氣溫的驟降。

1．2 重建序列的空間代表性

圖2 實測最高氣溫和重建最高氣溫與CRU格點C5C6最高氣溫(1960～2009年)空間相關性圖

為探索此次重建結果在更大空間尺度上的變化響應特征，利用 Climate Research Unit(CRU TS 3.22，0.5°×0.5°)格點數據中1960～2009年5～6月平均最高氣溫與黃河源區(qū)實際測量的同期最高氣溫及同期重建最高氣溫作相關分析。圖2(a)為實際測量的最高氣溫與格點資料相關系數空間分布圖，在黃河源地區(qū)及周邊高原地區(qū)相關系數值較大，基本在0.5以上，正相關性顯著，圖2(b)則是重建的最高氣溫序列與格點數據相關分布，相關系數在青藏高原地區(qū)與圖2(a)分布基本一致，數值也在0.5以上，說明重建的5～6月最高氣溫序列對黃河源區(qū)乃至整個高原區(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、滑動t檢驗、M-K檢驗和Yamamoto檢驗方法對序列作突變分析并相互對比，如圖3所示。圖3(a)采用Cramer檢驗法對整條重建序列進行檢驗，發(fā)現序列總共產生3次突變，包括2次負突變和1次正突變，其中，2次負突變分別發(fā)生在20世紀中前期(1934年)和21世紀初期(2004年)，正突變出現在20世紀初期(1911年)?；瑒觮檢驗的原理與Cramer檢驗方法類似，但它要根據兩段子序列的平局值間的顯著差異來判斷突變是否產生［9］，曲線如圖3(b)所示，滑動步長取值取10，從圖上直接反映出超出α=0.01顯著性檢驗線的突變有很多，總共有10個，其中正突變4次，負突變6次，正突變分別出現在17世紀中期(1643年)，18世紀中前期(1730年)以及20世紀初期(1913年)和末期(1990年)，負突變分別在17世紀中期(1634年和1654年)，18世紀中期(1749年)及末期(1799年)，19世紀末期(1883年)以及20世紀中前期(1934年)。較為顯著的突變都是正突變，分別出現在1913年和1643年附近。滑動t檢驗曲線中1913年的正突變和1934年附近的負突變與Cramer檢驗結果相一致，可以推測出，在20世紀初期，黃河源地區(qū)經歷了由冷向暖的轉變過程，之后氣溫一直回升，到了20世紀30年代，溫度回升已超過顯著性水平，在1934附近年產生突變，源區(qū)又經歷一次由暖向冷的變化，這與前面重建序列11a滑動平均曲線變化相一致。圖3(c)為M-K檢驗，UF與UB曲線在17世紀初期及21世紀初期均有交錯點，說明重建序列在這兩個時間段都有顯著突變產生，其中17世紀初的突變與滑動t檢驗結果相一致，氣溫迅速降低，21世紀初的突變則在Cramer曲線中也被檢測出。圖3(d)采用Yamamoto檢驗法，發(fā)現序列中超出α=0.01顯著性水平線的有3處，分別是17世紀中期(1634年和1643年)以及20世紀前期(1913年)，這3個突變點在圖3(b)滑動t檢驗中也分別被捕獲，進一步證明了這幾個突變點的可信性。

綜合以上4種突變檢驗方法，得出重建的最高氣溫序列在過去近400年間產生6次突變，包括3次正突變和3次負突變，在17世紀中前期(1634年)，溫度急劇下降，但持續(xù)時間不長，到了17世紀中期(1643年)，氣溫下降的趨勢結束，溫度值有所回升。在20世紀氣溫變化趨勢也有所類似，在初期(1911～1913年)溫度值驟然上升，一直持續(xù)到20世紀中期(1934年)過后，氣溫開始呈下降趨勢。另外，在20世紀末期(1990年)氣溫值也產生過驟然上升的趨勢，持續(xù)時間10年左右，到了2004年，上升的趨勢結束，氣溫開始下降。

以上幾次氣溫突變及氣溫持續(xù)變化過程在其他重建序列或在文獻［10-13］也有印證，17世紀中期氣溫由高向低的變化過程在X.Gou等［10］重建的青藏高原東北部過去700年夏半年最高氣溫序列中有所體現，17世紀中前期到中期的降溫過程以及20世紀初期至中期的氣溫持續(xù)上升過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)。據文獻［12-13］研究結果表明，20世紀初期存在由冷向暖的轉變過程，證實了該時期突變的可靠性。

2．2 周期分析

圖4 重建序列Morlet小波變換系數模

小波分析在頻域時域上都具有很好的局部性質［14］，根據重建結果(圖1)可明顯看出該序列具有明顯的波動特征，采用小波分析的方法對本次重建的最高氣溫序列進行周期分析，圖4為重建序列小波變換系數模，可以發(fā)現重建序列在低頻和高頻段都存在一定的周期變化，2～4a的周期出現在整個序列中，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，涵蓋的時段范圍包括17世紀初期到20世紀末期，2～4 a周期的出現較為普遍，與“準兩年振蕩”［15］和ENSO［16］周期基本一致，與這二者間有很大的聯系。6～8 a的周期主要在17世紀初期和18世紀中后期顯著，19世紀40、70年代和20世紀30年代雖也有極值出現，但不如前面時期那么顯著。20～24 a周期與太平洋年代際振蕩(PDO)和北大西洋濤動(NAO)存在關系［17-18］，在17世紀中期還有20世紀初期較為顯著。最為顯著的周期32～40 a，極值中心出現在20世紀中期，極有可能跟太陽黑子周期長度(SCL)有關［19］。

結合功率譜的方法對小波分析周期進行驗證，在計算過程中，最大滯后系數取重建序列長度三分之一，即130 a，功率譜計算結果曲線如圖5所示，譜曲線中有3處明顯的峰值超過了95%的置信度檢驗，分別在t=7，t=78和t=99處，根據周期計算關系，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，這跟小波分析結果基本相一致，對于未檢測出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］，對于周期成分的乘積并不能予準確檢測出。另外通過與青藏高原地區(qū)其他文獻［11，21］比較證實這次周期檢驗的可信性，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［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。空間相關分析結果表明，實際值和重建值與格點資料的相關性在青藏高原地區(qū)均為顯著正相關，說明重建的5～6月最高氣溫序列對黃河源區(qū)甚至整個青藏高原地區(qū)都具有很好的空間代表性。用Cramer、滑動t檢驗、M-K和Yamamoto 4種檢驗方法對重建序列進行突變檢驗，經對比驗證后得出過去近400年間序列產生6次突變，包括3次正突變和3次負突變。正突變發(fā)生在17世紀中期(1643年)，20世紀初期(1911～1913年)以及20世紀末期(1990年)，負突變產生在17世紀中期(1643年)，20世紀中期(1934年)和21世紀初期(2004年)。重建的最高氣溫序列經小波周期檢驗發(fā)現存在2～4 a、6～8 a、20 ～24 a和32 ～40 a的顯著周期，其中2 ～4 a周期出現頻率高，而能量極值出現在20世紀中期，對應周期為32～40a，經功率譜檢驗后以上周期基本可靠。另外，根據一些關于災害的歷史資料記載［22］，氣溫的周期性變化跟個別的極端事件也有體現，如在1762年，記錄有“巴燕戎格廳冰雹、霜凍成災”，給當時的社會經濟發(fā)展帶來了嚴重影響。

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