1957—2016年環(huán)縣氣候變化趨勢(shì)及周期特征分析

李巧霞++張永霞

摘要 利用1957—2016年環(huán)縣站常規(guī)地面資料，分析該縣溫度、降水及日照的長(zhǎng)期氣候變化特征及其周期變化特征。結(jié)果表明，溫度的長(zhǎng)期變化特征表現(xiàn)為明顯的上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.35 ℃/10年；降水則呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，氣候傾向率為-7.4 mm/10年；日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)持平的變化趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.7 h/10年。從小波分析周期性變化規(guī)律來看，環(huán)縣氣溫、降水及年日照時(shí)數(shù)均有一個(gè)28～30年的長(zhǎng)時(shí)間周期，短時(shí)間周期各要素隨時(shí)間變化較大。根據(jù)各要素主周期的變化特征，環(huán)縣目前處于降水、溫度和日照時(shí)數(shù)的減弱期，在未來5年內(nèi)三者均有所下降，之后將有所上升。

關(guān)鍵詞 氣候；變化趨勢(shì)；周期特征；小波分析；甘肅環(huán)縣；1957—2016年

中圖分類號(hào) P467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）23-0211-02

20世紀(jì)80年代以來，氣候變化及其影響成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告指出，全球地表溫度在過去100年來升高0.74 ℃，自20世紀(jì)90年代以來變暖幅度明顯增加。我國(guó)大部分縣市氣溫、降水分別呈明顯升高、減少趨勢(shì)[1-5]。目前，研究多著眼于較大區(qū)域的氣候變化規(guī)律，針對(duì)小區(qū)域氣候變化的研究還不是很全面和深入，而小區(qū)域的氣候變化對(duì)該區(qū)域內(nèi)人民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及氣象災(zāi)害發(fā)生、發(fā)展都具有重要的作用。環(huán)縣地處毛烏素沙漠邊緣的丘陵溝壑區(qū)，屬溫和半濕潤(rùn)溫帶大陸性季風(fēng)氣候，旱、雹、風(fēng)、凍、蟲五災(zāi)俱全，尤以旱災(zāi)為重。環(huán)縣畜牧產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大，且是主要的糧食和蔬菜生產(chǎn)基地，研究其氣候變化趨勢(shì)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)合理布局和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

利用1957—2016年環(huán)縣觀測(cè)資料分析該縣的氣候變化，以期對(duì)環(huán)縣氣候變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)及氣象防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考[7]。環(huán)縣位于甘肅省東部、慶陽地區(qū)西北部，南北長(zhǎng)約127 km，東西寬約124 km。東臨華池縣、陜西定邊縣，南靠慶陽、鎮(zhèn)原縣，西接寧夏固原、同心縣，北連寧夏鹽池縣。全縣總面積3.44萬hm2，耕地0.328萬hm2，總?cè)丝?5.31萬人。年平均氣溫9.2 ℃，歷史極端最高氣溫38.6 ℃，最低氣溫-25.1 ℃；年平均降水量409.5 mm，最大降水量812.9 mm，最小為258.1 mm；年均日照時(shí)數(shù)為2 527.0 h，最多（5月）為312.4 h，最少（10月）為9 h；年均無霜期168 d。環(huán)縣氣象站是國(guó)家基本站，位于城鎮(zhèn)遠(yuǎn)郊，觀測(cè)環(huán)境變化小，能夠反映本地自然環(huán)境的演變，可以代表氣候變化的基本事實(shí)。

1 資料與方法

資料為1957—2016年環(huán)縣國(guó)家基本氣象站經(jīng)過質(zhì)控的逐月數(shù)據(jù)，選取逐年平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)等氣象要素原始資料。采用5點(diǎn)滑動(dòng)平均、線性趨勢(shì)擬合方法和小波分析方法，研究環(huán)縣氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)的年際變化趨勢(shì)規(guī)律、傾向率及其周期性變化特征。

2 年際變化

從圖1可以看出，1957—2016年，環(huán)縣平均溫度為8.9 ℃，極大值為10.4 ℃（2006年、2016年），極小值為6.5 ℃（1967年），變化趨勢(shì)為較明顯的振蕩上升，氣候傾向率為0.35 ℃/10年；年代際間的變化趨勢(shì)及變化幅度有所不同，呈現(xiàn)4個(gè)較為明顯的變化區(qū)間（上升—下降—振蕩持平—持續(xù)上升）。1960—1968年溫度逐年持續(xù)回落，變冷趨勢(shì)較明顯；從20世紀(jì)70年代到90年代初期，表現(xiàn)為振蕩持平略上升；90年代開始至2012年，溫度上升趨勢(shì)最為明顯，年平均溫度超過10 ℃的年份均出現(xiàn)在這一時(shí)期，其中2006年和2016年達(dá)到了10.4 ℃的歷史最高值，該時(shí)期增暖最明顯的時(shí)期是1992—2007年，其間溫度氣候傾向率達(dá)到了0.8 ℃/10年。

從年降水量的變化趨勢(shì)可以看出，1957—2016年總體表現(xiàn)為年降水量減少趨勢(shì)，與其他研究結(jié)論基本一致。環(huán)縣年平均降水量為409.5 mm，極大值為812.9 mm（1964年），極小值為258.1 mm（2006年），氣候傾向率為-7.4 mm/10年；年代際間變化趨勢(shì)有4個(gè)較為明顯的變化階段（增多—減少—增多—減少）。1957—1964年表現(xiàn)為年降水量增多的變化趨勢(shì)；之后至80年代中期，表現(xiàn)為持續(xù)減少的趨勢(shì)，多個(gè)年份年降水量只有300 mm左右；自1988年開始，降水量開始突增，但增多的趨勢(shì)未維持太久；自1991年開始一直到2016年，年降水量又開始振蕩減少，大部分年份年降水量均在氣候平均值以下，只有個(gè)別年份值在500 mm以上，總體維持減少的趨勢(shì)。

對(duì)日照時(shí)數(shù)的氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，可以看出，相比于溫度明顯增溫的趨勢(shì)和降水緩慢減少的趨勢(shì)，日照變化幅度不大，總體呈現(xiàn)微弱減少趨勢(shì)，氣候變化傾向率為 -0.7 h/10年。環(huán)縣平均年日照時(shí)數(shù)為2 545.6 h，最大值為2 929.6 h（1965年），最小值為1 875.4 h（1989年），這2個(gè)極值與降水的相對(duì)較少年份和較多年份是相對(duì)應(yīng)的，說明降水和日照存在明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系（相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.3）。1957—2016年，年日照時(shí)數(shù)經(jīng)歷了“增多—振蕩減少—持平”3個(gè)變化階段。1957年至20世紀(jì)60年代中期，日照時(shí)數(shù)增多明顯；其后至80年代末期，振蕩回落較為明顯；而進(jìn)入90年代后有比較清楚的增多趨勢(shì)。因此，總體在過去60年間基本保持略微減少的趨勢(shì)。

3 周期變化

Morlet小波分析具有多時(shí)間尺度分辨率分析的特點(diǎn)，優(yōu)于傳統(tǒng)的Fourier分析，近年來被廣泛應(yīng)用于多尺度氣候分析研究，并取得了較好的效果。為了研究1957—2016年環(huán)縣各氣象要素的周期變化趨勢(shì)，對(duì)其時(shí)間序列的多時(shí)間尺度特征，采用基小波Morlet連續(xù)復(fù)小波變換分析。用Matlab小波分析工具箱進(jìn)行分析。

3.1 小波實(shí)部等值線分析

分析1957—2016年各氣象要素各時(shí)間尺度的周期變化特征（圖2）。年降水變化周期在70年代中期之前存在一個(gè)5年左右的短時(shí)間周期和15年左右的周期，之后至今5年和15年的周期明顯增長(zhǎng)，分別達(dá)到了6～9年和18～20年，但在整個(gè)60年間一直存在一個(gè)較為穩(wěn)定的25～27年的長(zhǎng)時(shí)間周期，從這幾個(gè)周期的能量看（圖3），25～27年的長(zhǎng)時(shí)間周期能量較強(qiáng)，并且比較穩(wěn)定，18～20年周期能量也較為穩(wěn)定，短時(shí)間周期的5～9年周期能量較弱且多變，分別有5年和8年的2個(gè)能量峰值，這也是和70年代中期的周期突變有關(guān)。

1957—2016年，溫度的各時(shí)間尺度的周期特征表現(xiàn)為4個(gè)較為明顯和穩(wěn)定的周期，即5～6年、12～13年、22～23年和27～28年周期。各周期在60年間的變化中總體變化較為穩(wěn)定，但5～6年的短時(shí)間周期在進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來有周期縮短、能量減弱的趨勢(shì)；12～13年周期在80年代后期有略增長(zhǎng)的趨勢(shì)；其他2個(gè)長(zhǎng)時(shí)間周期表現(xiàn)較為穩(wěn)定，能量也較強(qiáng)。

1957—2016年，年日照時(shí)數(shù)的周期變化特征表現(xiàn)為3個(gè)周期，即11～12年、22～23年和27～28年周期。11～12年的周期在20世紀(jì)90年代之前表現(xiàn)較為明顯和穩(wěn)定，雖然有縮短的趨勢(shì)，但總體表現(xiàn)較強(qiáng)；在90年代之后，該周期突變較為明顯，表現(xiàn)為能量急劇減弱，尤其1990—2000年，基本沒有明顯的周期變化特征。進(jìn)入21世紀(jì)后，出現(xiàn)一個(gè)弱能量的5～6年短時(shí)間周期，而該短時(shí)間周期在1957—1967年間也有所表現(xiàn)。22～23年的周期能量較強(qiáng)，進(jìn)入90年代后，該周期有逐漸縮短的趨勢(shì)。27～28年的長(zhǎng)時(shí)間周期在60年間總體表現(xiàn)出穩(wěn)定而能量較強(qiáng)，沒出現(xiàn)明顯的變化。

3.2 主周期變化趨勢(shì)分析

對(duì)1957—2016年環(huán)縣溫度的長(zhǎng)期變化過程中28～30年長(zhǎng)時(shí)間尺度周期進(jìn)行疊加分析，目前處于該周期的下降時(shí)期，估計(jì)在未來5年內(nèi)年平均溫度仍有所下降。5～6年短時(shí)間尺度周期變化在環(huán)縣降水量長(zhǎng)期變化過程中較明顯，對(duì)該尺度周期和19年的次周期進(jìn)行疊加分析，目前為短時(shí)間周期的降水減弱期，降水將在未來5年呈減少趨勢(shì)，之后有所增多。從長(zhǎng)時(shí)間尺度28～30年周期的疊加分析環(huán)縣日照時(shí)數(shù)可知，目前為該周期的下降時(shí)期，日照時(shí)數(shù)將在未來5年內(nèi)略有下降，之后出現(xiàn)10年左右的上升期。

4 結(jié)論

（1）1957—2016年，環(huán)縣氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，其氣候傾向率為0.35 ℃/10年；降水量與日照時(shí)數(shù)呈略減少趨勢(shì)，其氣候傾向率分別為-7.4 mm/10年和-0.7 h/10年。

（2）從周期性變化規(guī)律來看，1957—2016年環(huán)縣氣溫、降水及日照時(shí)數(shù)均有一個(gè)28～30年的長(zhǎng)時(shí)間周期，短時(shí)間周期各要素隨時(shí)間變化較大。

（3）根據(jù)各要素主周期的變化特征，環(huán)縣目前處于降水、溫度和日照的減弱期，在未來5年內(nèi)三者均有所下降，之后將有所上升。

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