60年來(lái)渭河關(guān)中地區(qū)氣溫與降水變化及其原因

董晴晴++王會(huì)肖

摘要：基于渭河關(guān)中地區(qū)1951年-2013年氣溫和降水資料，運(yùn)用線性回歸、MannKendall 檢驗(yàn)、集中度和集中期等方法分析了60年來(lái)氣溫和降水的變化趨勢(shì)、突變特征，并探討了變化原因。結(jié)果表明：（1） 渭河關(guān)中地區(qū)平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，增幅為 0206 ℃/（10a），冬季對(duì)流域平均氣溫的變暖貢獻(xiàn)最大。全年及各季平均氣溫的突變時(shí)間均為20世紀(jì)90年代中期。（2） 降水呈不顯著減少趨勢(shì)，每年約減少05775 mm，春季和秋季對(duì)下降趨勢(shì)貢獻(xiàn)較大。降水量突變點(diǎn)較為復(fù)雜，在許多年份都有不同程度的突變。降水年內(nèi)分配較為穩(wěn)定，集中度基本維持在05～06，集中期為7月。（3） 渭河關(guān)中地區(qū)氣溫、降水變化的原因有自然因素和人為因素。自然因素主要有太陽(yáng)活動(dòng)、大氣環(huán)流、季風(fēng)影響，人為因素主要是溫室氣體排放以及土地覆被類型改變。

關(guān)鍵詞：渭河關(guān)中地區(qū)，MannKendall檢驗(yàn)；趨勢(shì)分析；年內(nèi)分配；變化成因

中圖分類號(hào)：P333.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16721683（2016）06003306

Variation and reason analysis of temperature and precipitation of Weihe River in Guanzhong area in the last 60 years

DONG Qingqing1，2，WANG Huixiao1

（1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；

2.Yellow River Zouping Bureau，YRCC，Binzhou 256200，China）

Abstract：The identification of changes and reasons for hydrological factors has practical significance for resource utilization and the ecological health of river basin.Based on the data from 1951-2013 of Weihe River in Guanzhong area，the trend and mutation of temperature and precipitation were analyzed with linear regression，MannKendall test，concentration degree and concentration time.The change reasons of temperature and precipitation were elaborated.The results were as follows：（1） The annual average temperature showed a significant increasing trend，with 0.206 ℃/（10a），and winter contributed most.Obvious mutations occurred in the mid1990s for the annual and seasonal mean temperature.（2） The annual precipitation showed an insignificant decrease of about 0.5775 mm per year.Spring and autumn contributed greatly to the downward trend.The mutations were complicated，with varying degrees in each era.The distribution of precipitation was stable，with concentration degree and concentration time remaining at 0.5～0.6 and in July，respectively.（3） The changes of temperature and precipitation were mainly the combined results of natural factors and human factors.Natural factors included solar activity，atmospheric circulation and monsoon impact，and the human factors were mainly greenhouse gas emissions and land cover changes.

Key words：Weihe River in Guanzhong area；MannKendall test method；trend analysis；annual distribution；reason for change

氣候變化使水文氣象要素發(fā)生變化，影響流域生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展。氣候變化加速水文循環(huán)，水文氣象要素等規(guī)律已不再隨氣候季節(jié)性變化而呈現(xiàn)出年內(nèi)/年際間的穩(wěn)態(tài)變化，因此，研究變化環(huán)境下流域水文氣象要素的變化情況，辨識(shí)原因，對(duì)認(rèn)識(shí)流域水文規(guī)律，科學(xué)規(guī)劃管理資源及保障生態(tài)健康具有重要意義。20世紀(jì)90年代以來(lái)，作為受氣候變化和人類活動(dòng)嚴(yán)重影響的渭河關(guān)中地區(qū)，用水量增加，流域水資源不斷減少，水文特征明顯變化，因此分析該地區(qū)氣候變化趨勢(shì)，研究突變發(fā)生的時(shí)間，探究原因[1]，對(duì)水資源的優(yōu)化配置和可持續(xù)管理尤為重要。

近年來(lái)，已有學(xué)者對(duì)渭河流域的氣溫、降水等要素展開(kāi)研究，和宛琳等[2]通過(guò) MannKendall方法對(duì)渭河流域1958年-1999年40年來(lái)的氣溫和蒸散發(fā)進(jìn)行研究，分析兩者的時(shí)空分布及變化趨勢(shì)；張宏利等[3]利用累積距平曲線和信噪比法從空間和時(shí)間兩方面分析了渭河流域1951年-2005年的氣溫變化特征；姚玉璧等[4]運(yùn)用線性回歸、Cubic 函數(shù)的方法分析了渭河源區(qū)降水和氣溫的變化特征，并對(duì)水資源變化特征進(jìn)行分析，以此研究水資源對(duì)氣候變化的響應(yīng)；牛最榮等[5]則對(duì)渭河流域氣溫、降水以及徑流的變化進(jìn)行研究，并著重從年際變化、年內(nèi)變化和空間特征三方面分析徑流的變化特征和趨勢(shì)；黃生志等[6]利用集中度與不均勻系數(shù)分析渭河徑流年內(nèi)分配變化，并采用啟發(fā)式分割法定量分解氣候變化與人類活動(dòng)的影響。上述研究多從年際變化分析水文氣象，對(duì)各個(gè)季節(jié)的時(shí)空分布規(guī)律及其差異性特征則較少關(guān)注，且對(duì)降水、氣溫的變化原因鮮有涉及。渭河關(guān)中地區(qū)位于干旱半干旱地區(qū)，加之灌區(qū)眾多，受人類活動(dòng)影響顯著，水文氣象要素季節(jié)性變化非常明顯，且年內(nèi)分配不均衡，因此需要對(duì)全年及四季水文要素的演變規(guī)律進(jìn)行深入分析，并探討其變化原因。

本文采用渭河關(guān)中地區(qū)11個(gè)氣象站1951年-2013年的氣溫和降水資料，運(yùn)用線性回歸、MannKendall 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)、集中度和集中期等方法，對(duì)該地區(qū)年尺度、季節(jié)尺度的氣溫和降水變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和顯著性檢驗(yàn)，分析其變化趨勢(shì)、突變特征以及年內(nèi)分配，并探討變化原因。

1數(shù)據(jù)及方法

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

采用渭河關(guān)中地區(qū)11個(gè)氣象站1951年-2013年的降水量和氣溫資料，包括洛川、銅川、天水、寶雞、武功、西安、華山、略陽(yáng)、佛坪、鎮(zhèn)安，各氣象站位置分布見(jiàn)圖1。數(shù)據(jù)資料由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（已經(jīng)過(guò)初步質(zhì)量控制）下載，并將氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)處理為全年、春、夏、秋和冬季五個(gè)序列，即1月-12月、3月-5月、6月-8月、9月-11月以及12月-翌年2月，分別從年尺度和季節(jié)尺度進(jìn)行趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)。

2.1.3氣溫變化原因分析

60年來(lái)渭河關(guān)中地區(qū)氣溫呈增加趨勢(shì)，冬季增溫尤為明顯，氣溫的突變主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代以后，變化原因主要有自然因素和人為因素。

在全球氣候變暖的大背景下，渭河關(guān)中地區(qū)作為全球增溫的組成部分，其氣溫變化與全球氣溫變化的趨勢(shì)基本一致。目前一般認(rèn)為大氣中溫室氣體濃度的增加，是20世紀(jì)全球氣候變暖的主要原因[14]。該結(jié)論是通過(guò)考慮自然強(qiáng)迫因子—例如太陽(yáng)活動(dòng)和火山活動(dòng)，與人類排放溫室氣體（作為人為因素），對(duì)20世紀(jì)全球年平均氣溫的變化進(jìn)行模擬，利用氣候模式檢測(cè)和歸因而得到。當(dāng)氣候模式只考慮自然強(qiáng)迫或只考慮人類活動(dòng)時(shí)，前者模擬不出20 世紀(jì)的全球變暖，后者可基本模擬全球變暖趨勢(shì)，但前50年模擬與觀測(cè)差異較大；在考慮所有輻射強(qiáng)迫的情況下，模擬與觀測(cè)的氣溫變化最為一致[15]。因此，通過(guò)以上三種情況對(duì)比得出，太陽(yáng)活動(dòng)、火山活動(dòng)和人類因素都對(duì)全球氣候變暖產(chǎn)生影響，其中，主要原因則是人類排放的溫室氣體濃度增加[15]。由于大氣環(huán)流的變異和調(diào)整，近50年來(lái)中國(guó)東部冬季風(fēng)明顯減弱，這也成為引起渭河關(guān)中地區(qū)冬季氣溫升高的直接影響因素[16]。

渭河關(guān)中地區(qū)氣溫升高同樣受到人為因素的影響。 一方面，隨著西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展，渭河關(guān)中地區(qū)人口經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，溫室氣體和氣溶膠的大量排放，一定程度促進(jìn)了氣溫上升；另一方面，地表植被覆蓋和土地利用方式的變化同樣對(duì)渭河關(guān)中地區(qū)氣溫變化產(chǎn)生影響。近年來(lái)，該地區(qū)開(kāi)展的退耕還林、退耕還草等工程措施，增加林地、草地面積，與之伴隨的也有因缺水、城市化導(dǎo)致的植被覆蓋的減少，建設(shè)用地增加，見(jiàn)表2。這些自然和人類因子或單獨(dú)作用、或相互結(jié)合，影響中國(guó)地區(qū)地氣系統(tǒng)的熱量收支，對(duì)近地面氣溫變化造成影響，一定程度上解釋了渭河關(guān)中地區(qū)氣溫上升現(xiàn)象。

2.2降水變化趨勢(shì)

2.2.1降水變化趨勢(shì)分析

對(duì)渭河關(guān)中地區(qū)1951年-2013年的全年及各季的降水序列作趨勢(shì)分析及突變檢測(cè)[1718]，該地區(qū)年均降水量的最大值和最小值分別出現(xiàn)在1983年和1995年，分別為9748 mm和43417 mm，兩者相差54063 mm。年均降水量整體呈現(xiàn)微弱下降趨勢(shì)，每年約減少0577 5 mm，但擬合度R2值只有0008，減小趨勢(shì)非常不顯著（圖4）。

如圖4所示，近60年來(lái)渭河關(guān)中地區(qū)降水量總體呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，降幅為0577 5 mm，而Zc=|-05931|<1649（表2），表明降水減少趨勢(shì)并不顯著。根據(jù)表2可以得出，渭河關(guān)中地區(qū)夏季降水量最多，占全年降水總量的478%，為32741 mm；春季和秋季次之，分別占全年降水量的206%和282%。冬季僅占到34%，為2321mm。參照MannKendall趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果可知，渭河關(guān)中地區(qū)除夏季降水有所上升外，其他季節(jié)降水均下降，但趨勢(shì)均不顯著；對(duì)比春、秋、冬季Z值，雖均呈不顯著下降趨勢(shì)，但春季下降趨勢(shì)較秋冬兩季明顯。

2.2.2降水變化突變分析

利用MannKendall法對(duì)1951年-2013年渭河關(guān)中地區(qū)年降水量的時(shí)間序列進(jìn)行突變分析，由圖5可知，UF和UB曲線的交叉點(diǎn)較氣溫突變曲線多，且所有點(diǎn)都在置信區(qū)域之間。1960年之前的突變點(diǎn)較多，曲線的起伏變化較大；1960年之后的突變點(diǎn)較少，分別是1961年、1968年、2008年和2012年。同時(shí)，UF和UB曲線都在臨界線以內(nèi)，說(shuō)明變化趨勢(shì)不顯著。

從圖5還可看出，1961年突變之后降水量呈現(xiàn)波動(dòng)式變化，在2010年前后又發(fā)生突變。有研究表明[19]，隨著渭河關(guān)中地區(qū)資源開(kāi)發(fā)利用，渭北大面積天然林被次生林代替；渭河河谷平原森林植被被農(nóng)田、經(jīng)濟(jì)林、綠化林等取而代之；秦嶺北坡在開(kāi)發(fā)后已形成大片的人工經(jīng)濟(jì)林、綠化林、農(nóng)田，以及人工建筑等。下墊面植被覆蓋度的改變，影響水文要素分布，對(duì)降水的突變產(chǎn)生影響。

圖5渭河關(guān)中地區(qū)降水量的MK突變檢驗(yàn)

Fig.5MK mutation test of precipitation in Guanzhong area

2.2.3降水年內(nèi)分配分析

研究對(duì)渭河關(guān)中地區(qū)的降水的年內(nèi)分配特征進(jìn)行分析。采用集中度與集中期為指標(biāo)，分析渭河關(guān)中地區(qū)60年來(lái)降水量年內(nèi)分布的特點(diǎn)。如圖6所示，渭河關(guān)中地區(qū)降水的集中度為05左右，說(shuō)明渭河關(guān)中地區(qū)的降水相對(duì)較為集中。同時(shí)集中期主要集中在7月。

渭河關(guān)中地區(qū)降水的集中度和集中期均沒(méi)有明顯的上升或下降的趨勢(shì)變化，60年來(lái)集中度基本維持在05～06，而集中期也集中在7月，沒(méi)有出現(xiàn)異常值?？梢哉J(rèn)為，渭河關(guān)中地區(qū)60年來(lái)的降水量年內(nèi)分配比較穩(wěn)定，并沒(méi)有發(fā)生很大的變化。圖6渭河關(guān)中地區(qū)60年來(lái)集中度與集中期

Fig.6The degree and time of concentration over 60 years in Guanzhong area

2.2.4降水變化原因分析

渭河關(guān)中地區(qū)降水整體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但趨勢(shì)不顯著，春季和秋季的下降趨勢(shì)貢獻(xiàn)較大，降水年內(nèi)分配較為穩(wěn)定。西北地區(qū)，作為氣候變暖最明顯地區(qū)之一，由于氣溫變暖將導(dǎo)致大氣中水汽變化[20]；渭河關(guān)中地區(qū)位于西北地區(qū)東部，水汽在春季和秋季明顯減少[20]，使得降水強(qiáng)度降低。有研究表明[21]，在全球變暖影響下，西北東部地區(qū)降水量呈減少趨勢(shì)，這與本研究的降水變化規(guī)律一致。林振耀等[22]指出，西北地區(qū)降水水汽的來(lái)源主要有兩方面：一是西風(fēng)環(huán)流，自西邊界呈緯向輸送；二是源自印度洋的南亞季風(fēng)。近年來(lái)大氣環(huán)流的調(diào)整，西北地區(qū)高空風(fēng)場(chǎng)變化，東部地區(qū)的北風(fēng)增強(qiáng)，來(lái)自東南方向的水汽輸送則被削弱，這可能是造成西北地區(qū)東部降水呈減少趨勢(shì)的主要原因。這也解釋了位于西北地區(qū)東部的渭河關(guān)中地區(qū)的降水減少原因。

同時(shí)，人類活動(dòng)也對(duì)降水產(chǎn)生重要影響。一是如寶雞峽等大型灌區(qū)和水庫(kù)的建設(shè)、水土保持、引水灌溉工程等改變了下墊面情況，影響降水量分布；二是由人類活動(dòng)導(dǎo)致的溫室氣體排放以及硫化物、氣溶膠增加等，增加了區(qū)域氣候變化的不確定性，從而影響區(qū)域降水等水文要素。要全面分析區(qū)域氣候變化原因，仍需要進(jìn)行多種要素的綜合或定量研究。

3結(jié)論

本文利用渭河關(guān)中地區(qū)60多年的資料，對(duì)不同時(shí)間尺度的氣溫和降水變化特征進(jìn)行趨勢(shì)分析和顯著性檢驗(yàn)，并利用集中度和集中期對(duì)降水年內(nèi)分配進(jìn)行分析，同時(shí)探討了氣溫、降水的變化原因。得到的主要結(jié)論如下。

（1）渭河關(guān)中地區(qū)年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，增幅為 0.206℃/（10a）。季節(jié)上，冬季對(duì)該地區(qū)氣溫變暖貢獻(xiàn)最大。全年及各季平均氣溫均發(fā)生明顯突變，突變時(shí)間在20世紀(jì)90年代中期，為1995年。

（2）渭河關(guān)中地區(qū)降水量總體上呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，每年約減少0577 5 mm，但并不顯著。季節(jié)上，春季和秋季的下降趨勢(shì)貢獻(xiàn)較大。降水突變點(diǎn)較復(fù)雜，在許多年份都有不同程度的突變。降水的年內(nèi)分配較為穩(wěn)定，集中度基本維持在05～06，集中期集中在7月。

（3）渭河關(guān)中地區(qū)氣溫、降水的變化主要有自然因素和人為因素。自然因素主要有太陽(yáng)活動(dòng)、大氣環(huán)流、季風(fēng)影響等；人為因素主要是排放溫室氣體以及改變流域植被和土地利用等，改變下墊面情況，影響水文要素分布。

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