石羊河流域氣候變化特征及干旱變化趨勢分析

魏邦憲　苗婷　雷瑜

摘要 本文以1961—2015年石羊河流域的武威和民勤氣象站氣溫和降水氣象數(shù)據(jù)為基礎，利用線型趨勢分析法和距平值法分析了河西走廊石羊河流域氣候的年際變化和季節(jié)變化特征，用氣候干旱指數(shù)綜合分析了該流域不同地區(qū)不同年代干旱情況。結果表明，近55年來，石羊河流域年均氣溫總體呈上升趨勢，其中20世紀90年代至21世紀初氣溫升高幅度較大。降水總體也呈相對增多趨勢，但存在較大的年際變化和豐枯交替現(xiàn)象。同時，石羊河流域氣候干旱指數(shù)也趨于增大。氣候越來越干旱，而民勤的干旱化趨勢會更加明顯。

關鍵詞 干旱；氣溫；降水；干旱指數(shù)；變化趨勢；石羊河流域

中圖分類號 P467 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）15-0220-03

近年來，隨著全球氣候的變暖，干旱化趨勢尤其在中國北方已經(jīng)成為了一個非常突出而又嚴重的環(huán)境問題。石羊河流域因常年缺水，生態(tài)極其脆弱，環(huán)境的自我調(diào)節(jié)能力較低，因此深入研究該流域的氣候變化特征和干旱變化趨勢對于及時調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結構和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義[1]。許多學者針對干旱和半干旱地區(qū)的干旱化趨勢開展了相關研究，研究范圍涵蓋全球[2]、全國[3]和各區(qū)域[4-6]等，但對石羊河流域氣候要素的變化特征以及干旱化趨勢進行系統(tǒng)分析的研究還比較鮮見。本文圍繞干旱這一問題，對石羊河流域近55年來氣溫、降水的變化特征進行詳細分析，并采用氣候干旱指數(shù)探討石羊河流域的干旱演變趨勢，以期為科學認識干旱區(qū)氣候變化機制提供理論指導。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東段，地勢南高北低，是典型的大陸性氣候。流域自南向北大致可劃分為3個氣候區(qū)：南部祁連山高寒半干旱濕潤區(qū)，中部走廊平原溫涼干旱區(qū)，北部溫暖干旱區(qū)，其中民勤北部接近騰格里沙漠邊緣地帶，石羊河流域是甘肅省內(nèi)陸河流中用水量大、生態(tài)環(huán)境問題突出的地區(qū)，水資源的短缺已經(jīng)成為制約其經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸，其中下游民勤縣的生態(tài)惡化形勢最為嚴重。

1.2 數(shù)據(jù)來源與分析方法

本文利用1961—2015年涼州區(qū)、民勤縣2個氣象站的氣溫、降水的氣象數(shù)據(jù)，采用氣象學中常用的線型趨勢分析法和距平值進行氣候的干旱變化特征分析。主要從年際和季節(jié)2個時間尺度，重點以季節(jié)為單位對該區(qū)氣候的變化特征進行分析。其中，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至次年2月為冬季。另外，采用氣候干旱指數(shù)進行對石羊河流域的干旱變化趨勢進行探討。

2 結果與分析

2.1 石羊河流域的氣溫特征

2.1.1 氣溫的年變化。從圖1可以看出，近55年來石羊河流域平均氣溫總體呈升高的趨勢，尤其是20世紀90年代開始到21世紀初氣溫升高幅度較大。其中涼州區(qū)、民勤縣近55年的年平均增溫率分別為0.76、0.78 ℃/10年，民勤縣氣溫增速比涼州區(qū)大，但其氣溫增速都遠遠高于北半球陸地平均氣溫的上升趨勢（0.064 ℃/10年）以及全國水平（0.076 ℃/10年）[6]。由此可見，石羊河流域具有明顯的氣溫升高氣候變暖特征。

20世紀60—80年代氣溫增長呈負距平，其中涼州區(qū)的氣溫距平從-0.50 ℃下降到-0.58 ℃，民勤縣的氣溫距平則從-0.72 ℃上升到-0.33 ℃；90年代以來，氣溫增長開始呈現(xiàn)正距平，其中涼州區(qū)從-0.58 ℃增長到-0.08 ℃，民勤縣距平從-0.33 ℃增長到0.37 ℃。80—90年代的升溫幅度民勤縣的高于涼州區(qū)。21世紀初，氣溫增長幅度較大，氣溫距平為正，涼州區(qū)氣溫距平從-0.08 ℃上升到1.92 ℃，民勤縣距平從0.37 ℃升高到1.43 ℃，21世紀初涼州區(qū)的氣溫增速則高于民勤縣，究其原因，與近55年來涼州區(qū)的人口迅速增加和城市化進程加快的現(xiàn)狀密切相關。總之，在全球氣候變暖的背景下，石羊河流域的氣溫也有較為明顯的增長，符合最近50年中國氣溫的上升趨勢[7-8]。

2.1.2 氣溫的季節(jié)變化。從季節(jié)變化可以看出，石羊河流域四季氣溫均有上升，但上升的幅度不同。通過表1可以看出，石羊河流域四季氣溫上升最快的為冬季，涼州區(qū)為0.52 ℃/10年，民勤縣為0.54 ℃/10年；其次是秋季，其中涼州區(qū)為0.39 ℃/10年，民勤縣為0.30 ℃/10年；春季涼州區(qū)為0.28 ℃/10年，民勤縣為0.30 ℃/10年；夏季最小，涼州區(qū)為0.23 ℃/10年，民勤縣為0.20 ℃/10年。由此說明，石羊河流域氣候變暖是由冬季和秋季的氣溫升高幅度較大所致。

此外，春、夏、秋、冬4季氣溫距平均呈增加趨勢，且春、夏、秋3季涼州區(qū)距平增長速率要高于民勤縣，而冬季民勤縣距平增長速率高于涼州區(qū)。其中春季涼州區(qū)從-0.18 ℃/年增加到1.21 ℃/年；民勤縣則從-0.43 ℃/年增加到1.06 ℃/年。夏季氣溫距平與其他季節(jié)相比，增幅最小，涼州區(qū)從-0.03 ℃/年增加到1.11 ℃/年；民勤縣從-0.26 ℃/年增加到0.75 ℃/年。冬季與其他季節(jié)相比，增幅最大，涼州區(qū)從-1.37 ℃/年增加到1.22 ℃/年，民勤縣從-1.76 ℃/年增加到0.95 ℃/年。

2.2 石羊河流域的降水特征

2.2.1 降水量的年際變化。圖2反映的是石羊河流域近55年來的降水變化特征，總體上來看，降水呈相對增多的趨勢，降水的年際變化不同地區(qū)呈現(xiàn)出不同的特點。通過線性擬合統(tǒng)計出55年各站降水量的增長率，涼州區(qū)為3.02 mm，民勤縣為2.91 mm。55年來，流域降水呈現(xiàn)出豐枯交替的變化趨勢，涼州區(qū)降水經(jīng)歷了“多—少—多”的變化過程，20世紀60年代、90年代呈上升趨勢，90年代上升較為顯著，這主要是全球氣候變暖促使南方熱帶海洋水汽向北輸送的結果[2]。1993年降水量最大，為251.3 mm，偏多48.1%；2013年降水最少，為85.2 mm，偏少49.8%，是涼州區(qū)歷年降水最少的年份。民勤降水經(jīng)歷了“少—多—少—多”的變化過程，60年代和80年代呈減少趨勢，其中80年代減少較為明顯。70年代、90年代和21世紀初呈上升趨勢，70年代上升比較顯著。1994年降水量達202.0 mm，偏多75.7%，為歷史最大值；1962年降水量最小，為42.2 mm，偏少63.3%，為歷史最小值?？傊蚝恿饔蚪邓靠傮w呈增多趨勢，與西部降水量相對增加的趨勢一致。同時，該流域下墊面的變化和風向的轉變，加上地勢阻擋，使水汽集聚，導致降水增多。endprint

2.2.2 降水量的季節(jié)變化。從降水量的季節(jié)變化可以看出，流域內(nèi)降水一般集中在春、夏、秋3季，其中夏季降水最多，秋季次之，春季較少，冬季最少，與溫帶大陸性氣候的降水特征相吻合。從表2可以看出，各年代降水季節(jié)變化不同。

近55年春季降水量涼州區(qū)呈“增—減—增—減”趨勢，其中20世紀60年代增加最為明顯，70年代減少明顯；民勤縣20世紀60年代、80年代和21世紀初降水增多，70年代和90年代初降水減少。夏季涼州區(qū)呈“減—增—減”的趨勢，其中20世紀80年代和90年代降水增多，20世紀60年代、70年代和21世紀初降水減少；民勤縣降水量20世紀70年代和21世紀初降水增多，60年代、80年代和90年代降水減少。秋季涼州區(qū)呈“增—減—增”的趨勢，其中20世紀60年代、70年代和21世紀初降水增加，20世紀80年代和90年代降水減少；民勤縣降水量20世紀70年代和21世紀初降水增多，20世紀60年代、80年代和90年代降水減少。冬季涼州區(qū)呈“增—減—增”的趨勢，其中20世紀60年代和21世紀初降水增多，20世紀70年代、80年代和90年代降水減少；民勤縣降水量則為20世紀80年代和21世紀初降水增多，20世紀60年代、70年代和90年代降水減少。

總體來看，石羊河流域降水60年代春季和歷史降水量相持平，夏秋季減少，春冬增多；70年代春、冬季降水減少，夏秋季增多；80年代春、夏、冬季降水都增多，秋季減少；90年代春、夏季增多，秋、冬季減少；21世紀初春、秋、冬季增多，夏季減少。

2.3 石羊河流域干旱變化特征分析

為了綜合反映石羊河流域的干旱變化情況，采用氣候干旱指數(shù)[9]加以描述：

DIi=PIi+TIi（1）

式（1）中，DIi為第i年的干旱指數(shù)，DIi值越大，表示氣候越干旱；PIi是第i年的降水距平指數(shù)，TIi為第i年的溫度距平指數(shù)。

由（1）式可得到石羊河流域歷年的DI值平均值為0。從涼州區(qū)的DI值歷年演變來看，20世紀60年代、70年代和80年代氣候較濕潤，DI值分別為-6.25%、-12.69%和 -13.04%；90年代初氣候較為濕潤，DI值較小，為4.51%，隨著降水減少，其余年份以干旱為主，最干旱的年份出現(xiàn)在2002年和2014年，DI值分別為5.79%和5.73%。民勤縣的DI值也呈增加趨勢，但氣候變化幅度比涼州區(qū)大。其中60年代和80年代氣候比較濕潤，DI值分別為-16.04%和-12.25%，其后除1983年、1985年、1994年和1996年較濕潤外，其余以干旱為主[10]。其中，從圖3可以看出，有幾個明顯干旱的年份，分別為1973年，DI值為55.83%；1978年，DI值為47.02%；1994年，DI值為75.62%，為近55年以來最干旱的年份；2002年，DI值為47.07%，2003年，DI值為35.28%?？梢?，民勤氣候干旱程度總體上呈增加趨勢，變得越來越干旱，與涼州區(qū)相比，干旱變化幅度較大?？傮w來看，石羊河流域的氣候干旱程度在不斷增加，氣候干旱化趨勢較為明顯。

3 結論與討論

（1）近55年來，從氣溫年際變化看，石羊河流域內(nèi)平均氣溫呈逐年升高的趨勢，特別是從20世紀90年代開始到21世紀初氣溫升高幅度較大，且民勤縣氣溫增速比涼州區(qū)大。從氣溫的季節(jié)變化看，石羊河流域四季氣溫均有不同程度的上升，但從總體來看，秋、冬2季氣溫上升較快，特別是冬季氣溫升高幅度最大，春、夏2季氣溫上升較慢，夏季最小。

（2）石羊河流域近55年以來降水存在較大的年際變化和豐枯交替現(xiàn)象。但從總體上來說，降水呈相對增多的趨勢，但各站各年份增加幅度不相同，降水分布不均。石羊河流域降水一般集中在春、夏、秋3季，冬季降水最少，這與大陸性氣候的降水規(guī)律相一致。

（3）石羊河流域內(nèi)的氣候干旱指數(shù)主要反映流域的干旱變化趨勢，干旱指數(shù)呈增加趨勢。氣候干旱指數(shù)最大值出現(xiàn)在民勤地區(qū)。但從總體上來看，整個流域內(nèi)氣候干旱指數(shù)呈增加趨勢，氣候會越來越干旱，并且民勤的干旱化趨勢會比武威的更加明顯。

干旱是較為復雜的自然現(xiàn)象之一，是大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈綜合作用的結果[11-12]，本文僅從氣溫和降水2個氣候要素進行了研究，沒有考慮地表的水文過程以及人類活動等其他因素對干旱的影響[1]，這將是本研究今后須進一步深入進行的工作。

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