近42年榆中縣氣溫突變及周期變化

潘舟艷，閆麗娟，李 廣,3，聶志剛

(1.甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅農業(yè)大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070)

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近42年榆中縣氣溫突變及周期變化

潘舟艷1，閆麗娟2，李 廣1,3，聶志剛4

(1.甘肅農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，甘肅 蘭州 730070； 2.甘肅農業(yè)大學農學院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅農業(yè)大學林學院，甘肅 蘭州 730070； 4.甘肅農業(yè)大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070)

利用榆中縣1971-2012年的日平均氣溫，采用線性傾向率法、累積距平法、Mann-Kendall法和小波分析等方法，對榆中縣42年來的溫度變化和突變現(xiàn)象進行了研究。結果表明，近42年來，榆中縣年平均氣溫變化在5.73～8.04 ℃，年平均氣溫呈現(xiàn)升高趨勢，氣候傾向率為0.26 ℃·10 a-1，并且榆中縣年平均氣溫突變出現(xiàn)在1995―1996年；榆中縣四季平均氣溫表現(xiàn)為相同趨勢，其中冬季的氣候傾向率達到0.28 ℃·10 a-1，增幅最明顯；春季次之，為0.25 ℃·10 a-1。28 a時間尺度是榆中年平均氣溫的第一主周期，同時還有14和6 a時間尺度變化周期。榆中縣氣溫呈上升趨勢，且呈一定的周期和規(guī)律變化。

氣候變化；氣溫；突變檢測；小波分析；榆中

氣候變化是近年來全球環(huán)境問題研究的一個熱點[1]。政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次評估報告[2]指出,從1880年到2012年全球地表溫度持續(xù)變暖，已升高0.85 ℃(0.65～1.06 ℃)；過去30年是自1850年以來最溫暖的時期。近54年中國年平均氣溫上升趨勢非常明顯，變暖幅度約為1.3 ℃，增溫速率達0.25 ℃·10 a-1[3]，但各地區(qū)的氣溫區(qū)域性差異較大[4-5]。近年來，很多學者針對黃土高原區(qū)域氣候變化進行研究發(fā)現(xiàn)，黃土高原區(qū)域近50年來降水量逐漸減少[6]，氣溫逐漸上升[7]，為暖干型變化區(qū)。北方農牧交錯帶呈氣溫上升而降水減少的態(tài)勢[8]；有研究認為，近年來西安氣候向暖干化發(fā)展，蘭州等西北其它四大省會城市氣候向暖濕化發(fā)展[9]；黃河源區(qū)氣溫從20世紀80年代開始呈現(xiàn)增高的趨勢，降水也有所增加[10]。這些研究都是從宏觀層面上采用不同的方法和氣象要素資料對黃土高原地區(qū)開展的研究，掩蓋了氣候變化的空間小尺度差異，限制了對區(qū)域氣候變化成因的理解并減弱了區(qū)域氣候預測的可靠性。因此，在全球氣候變化的背景下，開展空間小尺度氣溫突變及周期變化研究，為揭示氣候變化區(qū)域性差異具有重要的意義。

榆中縣位于甘肅中部，屬于溫帶半干旱大陸性氣候，地處半干旱和干旱氣候區(qū)的過渡帶，生態(tài)環(huán)境脆弱，氣候變化敏感[4,11]。該縣南部為石質高寒山區(qū)，北部為黃土丘陵溝壑區(qū)，其中榆中北山為典型雨養(yǎng)農作區(qū)，還是榆中縣退耕還林還草的主要區(qū)域。農作物以馬鈴薯(Capsicumannuum)、玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)為主，干旱會直接影響到作物的生長，農牧業(yè)生產對氣候條件的依賴性很強,且該區(qū)為半干旱山區(qū)，氣溫變化引起的干旱缺水使其植被覆蓋度小，改造再利用的難度越來越大。為此，針對榆中縣1971―2012年年均氣溫，分析研究區(qū)近42年的氣候變化態(tài)勢與特征，開展黃土高原地區(qū)空間小尺度年均溫變化研究，探索黃土高原地區(qū)氣候變化區(qū)域性差異，以期提高區(qū)域氣候變化預測的有效性，并為適應氣候變化、防災減災、合理利用農業(yè)氣候資源以提高生產力發(fā)展及草地覆蓋率提供理論參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

榆中縣(35°34′-36°26′ N，103°50′-104°34′ E，海拔1 430～3 670 m)位于甘肅中部，地勢南高北低，中部凹，呈馬鞍形。南部為石質高寒山區(qū)，北部為黃土丘陵區(qū)，南北兩山之間是川塬丘陵溝壑區(qū)，屬于黃土高原區(qū)。年均氣溫6.7 ℃，降水量400 mm。近42年來最高氣溫為36.4 ℃(2010年7月30日)，最低氣溫為-27.2 ℃(1975年12月13日)；最高年降水量555.5 mm(2007年)，最低年降水量231.1 mm(1997年)，是溫帶半干旱大陸性氣候，即干旱少雨，冬冷夏熱，氣溫的日較差和年較差較大，降水集中，年降水量較小。

1.2 研究方法

本研究根據(jù)榆中縣氣象站1971―2012年逐日氣溫數(shù)據(jù)，采用Matlab 2010b軟件對榆中縣氣溫的季節(jié)、年和年代際變化進行了研究，主要基于Matlab的氣候傾向率、累積距平、Mann-Kendall突變和Morlet小波統(tǒng)計分析方法，其中，小波分析中主要采用Matlab小波工具箱中的信號延伸(signal extension)功能，對數(shù)據(jù)兩端進行對稱性延伸來消除邊界效應。

1.2.1 突變檢測 氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)的一個重要現(xiàn)象，本研究采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法來分析突變，該方法的優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[12]。

Mann-Kendall檢驗的基本原理[13]，設氣候序列為x1,x2,x3…xn,mi表示第i個樣本xi大于(1≤j≤i)xj的累積數(shù)，定義一個統(tǒng)計量：

在原序列隨即獨立等假設下，dk的均值和方差分別為：

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

var[dk]=k(k-1)(2k+5)/72 2≤k≤N

i′=N+1-i.i、i′=1，2，…,N

1.2.2 小波分析 小波分析(wavelet analysis)能清晰地反映出氣候序列的時頻信息，能對系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢進行估計。本研究采用Morlet復小波對榆中縣年均氣溫進行時間尺度分析。

對于時間序列函數(shù)f(t)，小波變換定義為:

式中：Wf(a,b)是小波系數(shù)，a是伸縮因子，決定小波寬度；b是平移因子，是反映小波位置移動的參數(shù)，Ψ是Ψ*的共軛函數(shù)。本研究選擇Matlab小波工具箱中的Morlet復小波函數(shù)[14]對延伸后的榆中氣候資料序列進行連續(xù)小波變換。其解析形式為:

小波方差為[15]：

Wp(a)=Wf(a，b)2.

小波方差表示時間序列在該尺度中周期波動的能量變化，可以從小波方差圖中確定主要時間尺度，即主周期[16]。

2 結果分析

2.1 氣溫的年際變化

榆中縣年平均氣溫近42年在5.73～8.04 ℃變化，年均氣溫逐步上升，氣候傾向率0.26℃·10a-1(圖1)，略高于全球氣候傾向率(0.13±0.03) ℃·10 a-1[17]和全國氣候傾向率0.22 ℃·10 a-1[18]。四季均溫表現(xiàn)出一致的變化趨勢，其中冬季的氣候傾向率達到0.28 ℃·10 a-1，為最大；春季達到0.25 ℃·10 a-1；夏季和秋季增溫幅度相差不大，為0.24 ℃·10 a-1(圖1)。而全國四季氣候傾向率分別為冬季0.36 ℃·10 a-1，春季0.23 ℃·10 a-1，秋季0.19 ℃·10 a-1，夏季0.12 ℃·10 a-1[18]，與全國氣溫趨勢相比較，榆中縣的氣溫趨勢基本相同，但冬季均溫略低于全國水平，年均溫、春季、夏季、秋季均溫都高于全國水平。

圖1 榆中縣年均溫和四季均溫變化Fig. 1 Average annual temperature and seasonal average temperature change in Yuzhong

2.2 氣溫的年代際變化

榆中縣年代際氣溫變化呈現(xiàn)先減少后增加的變化，20世紀70年代、80年代和90年代氣溫偏冷，但這30年中氣溫呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢；2000―2009年開始變暖，轉為迅速升高，上升幅度達到最大，出現(xiàn)暖冬，最為溫暖；2010―2012年氣溫也為上升趨勢，但上升幅度較2000―2009年下降。季節(jié)溫度的年代際變化也呈現(xiàn)偏冷轉為偏暖的趨勢，但四季的各個時段特征不同。20世紀70年代和80年代，榆中縣的四季距平均為負距平，說明氣溫較低。90年代秋季為正距平，冬季為零距平，春季、夏季和年距平為負距平，說明氣溫有變暖的微小波動。而21世紀以來，除2010、2011和2012年3年的冬季外，其余都為正距平，這說明，自21世紀以來，榆中縣氣溫變暖趨勢明顯，且2006年達到研究時段以來的最高值(8.04 ℃)(表1)。分析得出，榆中縣氣溫經歷了變冷―冷暖過渡(轉暖)―變暖的變化階段。

2.3 年均溫突變檢測

用M-K法對榆中縣近42年的年均溫進行突變分析(圖2)。正序特征曲線UF曲線在1971―1995年間小于0，可見這25年間并無增暖趨勢，在1975―1977年間UF線超過了臨界值(-1.96)，說明有變冷加劇的趨勢。從1996年后UF線呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，并且UF線開始大于0，并自2002年開始UF線超過了0.05的顯著性水平，說明1996年開始，氣溫開始增暖。根據(jù)置信區(qū)間內UF線和UB線的交點，可以判斷氣溫在1995―1996年間發(fā)生了一次突變。此后，榆中縣變暖的趨勢較為顯著。近42年榆中縣年均溫累積距平趨勢為先降后升，1971―1996年呈現(xiàn)下降趨勢上升，并在1996年出現(xiàn)最低值，之后由冷轉暖，1997-2012年經歷了上升的過程(圖3)。由M-K法和累積距平分析可得，榆中縣年平均氣溫在1995―1996年間發(fā)生了由冷到暖的突變。

表1 榆中年、季節(jié)溫度年代際距平Table 1 Annual and seasonal temperature of 10 a anomaly in Yuzhong

圖2 榆中縣年平均氣溫Mann-Kendall突變Fig. 2 Mann-Kendall mutation of annual average temperature in Yuzhong

圖3 榆中縣年平均氣溫累積年際距平Fig. 3 Annual average temperature of cumulative anomaly in Yuzhong

2.4 年均溫周期變化分析

小波實部等值線圖(圖4a)反映了氣溫序列在時間尺度上的分布，圖中的等值曲線為小波系數(shù)實部值，藍色表示低值區(qū)，即溫度偏冷；紅色表示高值區(qū)，即溫度偏暖。可以看出，榆中縣氣溫小波系數(shù)值在5―6年、13―15年和26―29年3個時間尺度上較為明顯，在27年左右有2個暖中心和3個冷中心，在14年的尺度上有4個偏暖中心和4個偏冷中心，在6年尺度上有多個偏暖和偏冷中心，但分布不明顯。年均氣溫小波方差圖(圖4b)中存在3個明顯峰值，分別為6年、14年和28年時間尺度，并且在28年尺度上的波動能量最大，即28年尺度為榆中縣年均溫變化過程中的第1主周期，14年和6年分別為榆中縣年均溫的第2和第3主周期。主周期趨勢圖(圖4c)可以顯示該尺度下氣溫的冷―暖變化過程，榆中縣年均溫相對偏高的階段出現(xiàn)在1974―1983年、1992―2001年和2010―2012年；年均溫相對偏低階段出現(xiàn)在1971―1973年、1984―1991年和2002―2009年。年均溫的突變年份為1974年、1983年、1992年、2002年和2010年。綜上分析，可得1995年為榆中縣年均溫突變點。

3 討論與結論

本研究中，榆中縣年平均氣溫總體呈上升趨勢，與全球變暖的響應越來越顯著，其增溫率略高于全國平均水平，尤其是冬季增溫幅度最大；該地氣溫經歷了變冷―冷暖過渡(轉暖)―變暖的變化階段，其中20世紀70年代、80年代和90年代氣溫偏冷，1995―1996年間年平均氣溫發(fā)生了由冷到暖的突變，21世紀以來，氣溫變暖趨勢明顯。

全球氣候變暖正在影響大氣環(huán)流特征的變化，而大氣環(huán)流特征的變化會影響區(qū)域氣候的變化；同時，高原地區(qū)氣溫升高時，青藏高原東部由偏南風異常環(huán)流控制，且與北半球極渦中心位置的相關性最強[19-20]，即當?shù)蛯佑信搅鹘涍^時，改變了大氣溫度，繼而改變了下墊面溫度，因此，全球氣候變暖影響大氣環(huán)流變化，進而對榆中年均溫上升的作用顯著。其次，榆中縣地勢南北兩山高中間低，呈馬鞍形，這樣的地形加劇了氣流匯聚，從而引起焚風效應，使榆中縣年均溫急劇升高。榆中縣年平均氣溫總體呈上升趨勢，與全球變暖的響應越來越顯著，這與孫奇等[21]得出的甘肅省近43年氣溫在波動中變暖，楊曉玲等[22]得出的烏鞘嶺、永登、古浪年平均氣溫呈上升趨勢，魏懷東等[23]得出的過去50年石羊河流域的全流域年均氣溫均為變暖趨勢，白冰等[24]得出的甘肅省年平均氣溫呈現(xiàn)增暖趨勢的研究結果相一致。

由于榆中地位于甘肅中部，遠離大海，其受內陸歐亞環(huán)流的影響較大，暖期西風環(huán)流增強而東亞大槽更為淺薄，槽后西伯利亞地區(qū)輻合下沉削弱，這使得該地區(qū)的海平面氣壓減弱，進而削弱了東亞冬季風，冷空氣更少侵入中國大陸地區(qū)，冬季溫度偏高，所以，榆中縣年平均氣溫總體上升，氣候傾向率略高于全國平均水平，尤其是冬季增溫幅度最大。這與梁蘇潔[25]、劉燕[26]得出的中國冬季氣溫自1960年以來有很強的增暖趨勢的研究結果一致。

圖4 年均溫小波系數(shù)實部等值線圖(a)、小波方差圖(b)、主周期小波系數(shù)圖(c)Fig. 4 The real part of Morlet Wavelet coefficients contour(a), wavelet variograms(b) and the main periodic wavelet coefficient(c) of the annual temperature

厄爾尼諾現(xiàn)象是導致環(huán)流異常和氣溫降水驟變的主要原因，盡管我國位于東亞季風區(qū)，并不直接受厄爾尼諾現(xiàn)象的影響，但是其對西南季風、東南季風和西太平洋副熱帶高壓等天氣系統(tǒng)影響較大，從而間接影響我國的氣溫、降水等氣候要素的變化[27]。因而，1994-1995年的厄爾尼諾暖事件的發(fā)生，很大程度上造成了榆中縣氣溫1995-1996年發(fā)生由低溫到高溫的突變，這與王文艷等[28]研究發(fā)現(xiàn)干旱半干旱典型過渡區(qū)定西市近19年來，年平均氣溫總體呈上升趨勢，突變時間為1996年的研究結果也一致。

通過對榆中1971-2012年氣溫變化特征的分析發(fā)現(xiàn)，其年平均氣溫總體呈上升趨勢，與全球變暖的響應越來越明顯，其增溫率略高于全國平均水平，尤其是冬季增溫幅度最大；近40年來，該地氣溫經歷了變冷-冷暖過渡(轉暖)-變暖的變化階段，21世紀以來，氣溫變暖趨勢明顯，以后可能向溫暖型變化。

1)榆中縣年平均氣溫總體呈上升趨勢，且四季變化趨勢不同。年平均氣溫變化在5.73～8.04 ℃，以0.26 ℃·10 a-1的氣候傾向率上升，年均溫整體上經歷了偏冷―偏暖的過程，并在1995年發(fā)生突變。四季氣溫表現(xiàn)為相同的趨勢，其中冬季的氣候傾向率達到0.28 ℃·10 a-1，增幅最明顯；春季次之，為0.25 ℃·10 a-1。對榆中年、季節(jié)均溫年代際研究發(fā)現(xiàn)，該區(qū)氣溫變化趨勢一致，均由冷變暖但變暖時間有所不同，秋、冬兩季均溫變暖時間要比年均溫、春、夏季均溫早10年。

2)榆中氣溫具有明顯的周期變化。年平均氣溫存在28年的強顯著周期，此外還有14年和6年尺度變化周期。

3)冷、暖階段差異顯著。榆中20世紀70年代、80年代和90年代氣溫偏冷，1995―1996年間年平均氣溫發(fā)生了由冷到暖的突變，2001年以來，氣溫呈明顯變暖趨勢，以后可能向溫暖型變化，農牧業(yè)生產活動則要注意氣溫的周期和規(guī)律變化，提前預測氣候災害的發(fā)生，做好氣候變化的防范與適應性對策。

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[28] 王文艷,張麗萍,吳東平,張芳芳,王小云.近19年干旱半干旱過渡區(qū)氣溫降雨變化特征分析.環(huán)境科學與技術,2012,35(61):57-61. Wang W Y,Zhang L P,Wu D P,Zhang F F,Wang X Y.Analysis on variation characteristic of temperature and precipitation in recent 19 years in Arid and Semi-Arid transition region.Environment Science and Technology,2012,35(61):57-61.(in Chinese)

(責任編輯 王芳)

2017年6月國際市場主要畜產品與飼料價格分析

6月國際飼料價格持續(xù)下跌，而畜產品價格普遍上漲。

一、除玉米、棉籽餅價格出現(xiàn)上漲外，其它飼料價格持續(xù)下跌

6月份美國大豆、高粱、豆粕、菜籽、豆粉和苜蓿粉市場平均價格分別為339.32、153.25、320.93、390.94、284.25和210.69 USD·t-1，環(huán)比分別下跌3.14%、0.76%、5.94%、2.43%、3.35%和7.59%。玉米和棉籽餅市場平均價格為146.98和234.69 USD·t-1，環(huán)比分別上漲1.72%和7.65%。

二、除雞肉價格出現(xiàn)下跌外，其它畜產品價格普遍持續(xù)上漲，其中羊羔肉價格漲幅最大，育肥牛漲幅最小

6月份美國瘦肉豬、育肥牛、牛奶、牛肉，新西蘭羊肉和羊羔肉以及歐盟豬肉市場平均價格分別為1.84、3.31、0.32、4.90、3.34、6.45和1.78 USD·kg-1，環(huán)比分別上漲10.46%、2.90%、5.01%、3.42%、11.26%、29.88%和18.24%，其中羊羔肉價格漲幅最大，育肥牛漲幅最小。雞肉市場平均價格為2.88 USD·kg-1，環(huán)比下跌7.06%。

圖1 2017年6月國際市場主要飼料與畜產品價格

數(shù)據(jù)來源：國際市場商品價格網http://price.mofcom.gov.cn/；中國農業(yè)信息http://www.agri.gov.cn/；雞肉http://www.indexmundi.com/；羊肉http://interest.co.nz/rural；牛肉http://www.thebeefsite.com/；豬肉http://www.thepigsite.com/；貨幣匯率 http://qq.ip138.com/hl.asp。

(蘭州大學草地農業(yè)科技學院 楊春濤 整理)

Mutations and cycle analysis of temperature in Yuzhong in recent 42 years

Pan Zhou-yan1, Yan Li-juan2, Li Guang1,3, Nie Zhi-gang4
(1.College of Resources and Environmental Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China；2.College of Agriculture, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China；3.College of Forestry Science, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China；4.College of Information Science and Technology, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China)

The characteristics of climate changes in Yuzhong was analyzed with the methods of the linear regression method, cumulative anomaly method, Mann-Kendall test method and Morlet wavelets analysis method based on daily average air temperature data observed at Yuzhong meteorological station from 1971 to 2012. The authors analyzed the climate changing characteristics and abrupt changes over the last 42 years in the area. The results showed that the climate in this region showed a warming trend, the annual mean temperature varied between 5.73 and 8.04 ℃, and the annual temperature has increased by 0.26 ℃·10 a-1in recent 42 years, and an abrupt change occurred in 1995-1996.In addition, the seasonal temperature showed the same trend, and the increase of temperature in winter were higher (0.28 ℃·10 a-1) than in the spring (0.25 ℃·10 a-1). The climate change interval analysis that the annual mean temperature fluctuated significantly with the interval of 28 years,14 years and 6 years. There is an upward trend of temperatures in Yuzhong, with a certain period and the regularity of variation.

climate change; temperature; abrupt change test method; wavelet analysis; Yuzhong County

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

2016-08-04 接受日期：2016-11-14

國家自然科學基金(31560378、31560343、31660348)；甘肅農業(yè)大學中青年導師基金項目(GAU-QNDS-201212)；干旱生境作物學重點實驗室開放基金(GSCS-2010-11)；甘肅省高等學?？蒲许椖?2014A-058)

潘舟艷(1990-)，女，浙江湖州人，在讀碩士生，研究方向為生態(tài)學。E-mail:panzy13@163.com

李廣(1971-)，男，內蒙古化德人，教授，博導，博士，主要從事農業(yè)系統(tǒng)工程等教學和科研工作。E-mail:lig@gsau.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0419

S162.3

A

1001-0629(2017)07-1374-09

潘舟艷,閆麗娟,李廣,聶志剛.近42年榆中縣氣溫突變及周期變化.草業(yè)科學,2017,34(7)：1374-1382.

Pan Z Y,Yan L J,Li G,Nie Z G.Mutations and cycle analysis of temperature in Yuzhong in recent 42 years.Pratacultural Science，2017,34(7)：1374-1382.