張掖市1960—2016年氣溫和降水特征及突變分析

柴小軍,齊廣平

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000;2.甘肅農(nóng)業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

氣候及水文要素作為人類賴以生存的自然環(huán)境的重要組成部分，其任何變化都會對自然生態(tài)系統(tǒng)以及社會經(jīng)濟系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。而對于干旱半干旱地區(qū)，氣候及水資源是制約其社會經(jīng)濟發(fā)展、影響生態(tài)安全的關(guān)鍵要素。目前全球升溫已經(jīng)得到實測資料的證實，氣溫持續(xù)上升加速了全球水循環(huán)，導致水資源的重新分配[1- 3]。氣候與降水變化引起的水資源量時空分布的改變，將使干旱區(qū)水資源與生產(chǎn)力分布空間不匹配的特性進一步突出，黑河流域作為我國西北干旱區(qū)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域之一，氣候及降水特征的變化將會直接影響該區(qū)域的水資源安全及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[4- 5]。作為全球變暖速度最快的北半球中緯度地區(qū)和我國西北干旱區(qū)，黑河流域中上游是對全球氣候變化響應最為敏感的地區(qū)之一，研究該區(qū)域氣候、降水的變化對未來經(jīng)濟發(fā)展[6- 10]，乃至“一帶一路”的建設(shè)具有重要意義。雖然前人對黑河流域以及張掖市氣候及降水研究取得諸多進展，但多是基于空間分布特征的研究，對單點尺度上的特征分析較少[11- 14]。因此，本文以地處中國西北干旱區(qū)、黑河流域中上游的張掖市為例，選取1960—2016年的氣溫及降水資料，通過統(tǒng)計學分析、趨勢分析及M-K趨勢分析和突變檢驗，對該市的氣溫及降水特征進行分析，以期為西北干旱區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

張掖市位于甘肅省西部，祁連山區(qū)北部，河西走廊終端，屬于黑河上游中上部分，地理位置為37°28′N～39°57′N，97°20′E～102°12′E之間，平均海拔1770m。該區(qū)域多年平均天然徑流量為2.475×109m3，鶯落峽出山口徑流量在本市可以被利用的水資源量為1.58×109m3。全市人均占有水量1250m3，屬于資源型缺水地區(qū)。該區(qū)域氣候要素復雜多變，時空分布不均，冬季干燥寒冷、降水極少，春季風沙大，降水少，夏季涼爽、降水集中，屬于溫帶大陸性干旱氣候。該區(qū)域年平均氣溫7.55℃，年蒸發(fā)量2010.5mm，年均降水量128.50mm(1960—2016年數(shù)據(jù))，干旱指數(shù)為15[3]。該區(qū)域地形屬于河西走廊沖洪積平原，總面積39，436km2，農(nóng)業(yè)人口占85%，屬于典型的農(nóng)業(yè)區(qū)。

1.2 數(shù)據(jù)來源

資料來源于中國氣象科學共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)及黑河數(shù)據(jù)網(wǎng)，采用張掖市氣象站1960年1月—2016年12月逐月氣溫、降水數(shù)據(jù)，對水文氣象要素變化特征與趨勢的分析計算主要采用線性傾向回歸分析法、滑動分析法、Man-Kendall趨勢分析和突變分析，分別進行趨勢分析、突變分析，以揭示近57a以來張掖市氣溫和降水的變化特征及其相互響應關(guān)系。為研究方便，將季節(jié)劃分為：春(3—5月)、夏(6—8月)、秋(9—11月)、冬(12月—次年2月)。

1.3 研究方法

(1)Mann-Kendall趨勢檢驗法(M-K法)

M-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，變量可以不具有正態(tài)分布特征，因此適用于水文氣象變量的趨勢檢驗。M-K方法介紹：假定X1，X2，…，Xn為時間序列變量，n為時間序列的長度，則M-K法定義了統(tǒng)計量S：

(1)

其中，

(2)

式中，Xj，Xk—分別為j，k年的相應測量值，且k>j。

(3)

式中，Z—一個正態(tài)分布的統(tǒng)計量，Var(s)—方差。

在給定的α置信水平上，如果|Z|≥Z1-α/2，則拒絕原假設(shè)，即在α置信水平上，時間序列數(shù)據(jù)存在明顯的上升或下降趨勢。其變化趨勢的大小可用β表示，計算如下：

(4)

β>0，說明呈增大趨勢；β<0，說明呈減小趨勢。

(2)Mann-Kendall突變分析法

利用Mann-Kendall法進行突變點分析，對具有n個樣本的時間序列x，構(gòu)造一個秩序列：

(5)

(6)

秩序列Sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)，在時間序列上隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

(7)

式中，UF1=0，E(Sk)，Var(Sk)—累積數(shù)Sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨立且有相同連續(xù)分布時，計算如下：

E(Sk)=n(n+1)/4

(8)

Var(Sk)=n(n-1)(2n+5)/72

(9)

UF系列為標準整體分布，它是按時間序列x順序x1，x2，…，xn計算出來的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。按照時間序列x逆序xn，xn-1，…，x1，再重復上述過程，同時使UBk=-UFk，k=n，n-1，…，1，UB=0。分析繪出的UFk和UBk曲線圖，若UFk或UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢；小于0，則表明序列呈下降趨勢；當二者之一超過臨界線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域；若UFk和UBk兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻為突變開始的時間。

2 結(jié)果分析

2.1 統(tǒng)計學特征分析

表1為張掖市多年平均氣溫及降水量統(tǒng)計值。從氣溫來看，多年平均氣溫的方差為0.77℃，說明年平均氣溫與多年平均氣溫的離散程度在0.77℃，氣溫分布較為均勻，極端最低氣溫發(fā)生在1967年.，為5.98℃，極端最高氣溫發(fā)生在2009年，為9.10℃，二者極差為3.13℃，偏度系數(shù)為0.30，說明該分布具有較右側(cè)的長尾部；峰度系數(shù)為負，說明年平均氣溫的分布與正態(tài)分布相比較為平坦，為平頂峰。從年降水量特征來看，年總降水量標準差為32.68mm，說明年降水量與多年平均降水量的離散程度大，降水極不均勻；降水極端最小值發(fā)生在1962年，為69.1mm，極端最大值發(fā)生在2007年，為216.3mm，極差為147.2mm，極差大于多年降水量平均值；另外，峰度系數(shù)為正，表示年降水量分布的集中程度高于正態(tài)分布。

表1 張掖市1960—2016年年平均氣溫及年降水量統(tǒng)計特征值

對比氣溫極值發(fā)生的時間與降水極值發(fā)生的時間，發(fā)現(xiàn)氣溫極大值及極小值發(fā)生的時間均滯后于降水極值發(fā)生的時間，說明在氣溫與降水存在一定的統(tǒng)計學關(guān)系。

圖1為張掖市年均氣溫變化趨勢。線性趨勢分析表明，57年來年均氣溫升溫明顯，氣溫升溫率為3.75℃/100a。另外，5年滑動平均顯示氣溫呈現(xiàn)明顯的升高趨勢。圖2為1960—2016年年降水變化趨勢。由圖可見，降水呈現(xiàn)波動變化，但從降水及其5年滑動平均趨勢可見，自1960年以來，降水呈現(xiàn)微弱增加趨勢，線性增加率為18mm/100a。

圖1 張掖市1960—2016年年均氣溫變化趨勢及回歸分析

另外，根據(jù)M-K趨勢檢驗，降水的Z值為0.54，小于1.28，說明變化趨勢不明顯，β值為：0.14mm/a；氣溫的Z值為6.44大于2.32，說明變化趨勢明顯，超過0.99的置信度，β值為：0.04℃/a。M-K趨勢檢驗結(jié)果說明：氣溫與降水均有增加的趨勢，但是氣溫Z值大于α=0.01的置信度，說明增加趨勢較為明顯，而降水Z值小于α=0.1的置信度，說明降水增加趨勢不明顯。

為了對比分析氣溫與降水之間的關(guān)系，將二者的變化趨勢進行對比如圖3所示。由圖3可見，氣溫與降水的變化具有一致性，如1960—1962年、1985—1990年，氣溫下降，同時降水也呈下降趨勢。從長時間序列來看，氣溫呈現(xiàn)增加趨勢，降水也呈現(xiàn)微弱增加趨勢。

圖2 張掖市1960—2016年年降水總量變化趨勢及回歸分析

圖3 張掖市1960—2016年年均氣溫與年降水總量變化趨勢對比分析

2.2 各年代際月均氣溫和降水變化趨勢分析

表2為張掖市1960—2016年各年代際月均氣溫變化。該地區(qū)自11月起，月均氣溫降為負溫，至次年3月起恢復正溫。其中，最低氣溫發(fā)生在1月份，最高氣溫發(fā)生在7月份。從氣溫年代際變化趨勢看，自1960年以來，各月月均氣溫基本上呈上升趨勢。對比2010—2016年與1960s期間的月均氣溫，11月高1.0℃，12月高1.47℃，1月高1.06℃，2月高1.58℃，而在3—9月相應的增溫均不大于1.0℃。這就是說，近57a來，年均氣溫升高主要是由于冷季氣溫升高影響的，這與前人研究結(jié)果相一致[15- 16]。

表2 張掖市各年代際逐月月均氣溫/℃

表3 張掖市氣象站各年代際逐月降水量/mm

表3為張掖市1960—2016年各年代際月總降水量變化。張掖市降水主要集中在5—9月，11月至次年3月降水極少。而且，對比2010—2016年，6月降水增加了6.85mm，7月為4.24mm，8月為2.84mm，9月為4.19mm。即雖然相對于氣溫而言，6—9月增溫較少，但是由于冷季氣溫上升導致的全年氣溫上升，在6—9月相應降水量呈現(xiàn)增加趨勢。

表4為張掖市1960—2016年各月月均氣溫與月總降水量M-K趨勢檢驗結(jié)果。從結(jié)果可見，氣溫在2—10月|Z|均高于2.32，說明1960—2016年以來，氣溫在2—9月通過了99%的顯著性檢驗；而11、12、1月|Z|均高于1.28，說明在上述3個月通過了90%的顯著性檢驗，其中除了8月份氣溫增加率較低為0.02℃/a，其余各月在0.03～0.05℃/a范圍內(nèi)變動。從降水M-K趨勢檢驗結(jié)果可見，張掖市降水除了1、12月通過了90%的顯著性檢驗，其余各月均未通過，這說明，1960—2016年以來，降水在1、12月份呈現(xiàn)出較為明顯的增加趨勢，2—11月降水增加趨勢不明顯，其中2、4、8月降水量減小，7月降水量增加較大為0.08mm/a，其次為9月，為0.06mm/a。

表4 張掖市各年逐月月均氣溫及降水M-K趨勢檢驗

2.3 氣溫和降水突變檢驗

根據(jù)M-K突變點分析方法，繪制年均氣溫、年降水總量正向統(tǒng)計量Uf和反向統(tǒng)計量Ub曲線，并給出顯著性水平α=0.05時臨界值Z=±1.96，如圖4(年平均氣溫)和圖5(年降水量)所示。

由圖4可見，Uf曲線除了在1964—1967年小于0之外，其余時間均大于0，這說明除1964—1967年存在略微的氣溫下降外，57a以來氣溫呈上升趨勢，Uf在1985年與1.96信度線相交，說明氣溫在1985年之后上升趨勢明顯；而在Uf和Ub曲線在57a內(nèi)雖有相交，但是并未交到信度線之間，說明氣溫未發(fā)生明顯突變。

圖4 張掖市1960—2016年年均氣溫突變檢驗

由圖5可見，Uf在時間段范圍內(nèi)均大于0，這說明，降水總體存在增加趨勢；而Uf值在1974—1979、1983—1986及2005年超出了1.96置信度線，說明上述時間段降水增加較為明顯，其余時間段內(nèi)均未超出1.96置信度線，說明上述時間段增加不明顯。值得注意的是，Uf和Ub在1963年相交，說明降水在該年份發(fā)生了突變。

圖5 張掖市1960—2016年年降水量突變檢驗

3 結(jié)論

(1)張掖市年平均氣溫在1960—2016年均呈現(xiàn)增加趨勢，年平均氣溫的分布與正態(tài)分布相比較為平坦，為平頂峰，氣溫傾向率為3.75℃/100a；降水也呈現(xiàn)增加趨勢，降水傾向率為18mm/100a，年降水量分布的集中程度高于正態(tài)分布。

(2)張掖市1960—2016年各月均氣溫基本上呈上升趨勢，11月份高1.0℃，12月份高1.47℃，1月份高1.06℃，2月份高1.58℃，而在3—9月，相應的增溫均不大于1.0℃，M-K趨勢分析結(jié)果顯示：氣溫在2—9月呈現(xiàn)明顯的增加趨勢，通過了99%的顯著性檢驗；年均氣溫升高主要是由于冷季氣溫升高影響的。張掖市降水主要集中在春季末至夏季，秋季末至冬季降水極少。1960s期間對比2010—2016年，6月降水增加了6.85mm，7月為4.24mm，8月為2.84mm，9月為4.19mm，在6—9月相應降水量呈現(xiàn)增加趨勢。M-K趨勢分析結(jié)構(gòu)顯示，降水在1、12月呈現(xiàn)出較為明顯的增加趨勢，2—11月降水增加趨勢不明顯。

(3)張掖市年均氣溫和年降水量在1960—2016年的變化未發(fā)生明顯突變。其中，氣溫在1964—1967年存在略微的氣溫下降外，57a以來氣溫呈上升趨勢，Uf在1985年與1.96信度線相交，說明氣溫在1985年之后上升趨勢明顯；降水Uf在時間段范圍內(nèi)均大于0，總體存在增加趨勢；而Uf值在1974—1979、1983—1986及2005年超出了1.96置信度線，說明上述時間段降水增加較為明顯，其余時間段內(nèi)均未超出1.96置信度線，說明上述時間段增加不明顯。