天水市36年來氣候變化的時空特征分析

王莉霞，賈玉峰

（天水師范學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院，甘肅 天水 741001）

氣候變化已經(jīng)成為人類關(guān)注的熱點問題。[1]IPCC在第五次評估報告（AR5）中指出，全球氣候系統(tǒng)變暖的事實毋庸置疑，1880～2012年全球平均溫度已升高0.85℃（0.65～1.06℃），1951～2012年氣溫上升的速率幾乎是1880年以來的2倍，過去3個連續(xù)10年比之前自1880年以來任何一個10年都暖。[2]已有研究表明，中國氣候變暖與全球氣候變暖基本同步。[3]我國西北地區(qū)氣溫持續(xù)攀升，年平均氣溫以0.32℃/10 a的幅度升高，年降水量變化趨勢存在顯著的區(qū)域差異。[4]天水位于西北內(nèi)陸地區(qū)，降水稀少，氣候干旱，是我國氣候變化的過渡區(qū)、敏感區(qū)和生態(tài)環(huán)境的脆弱區(qū)、重點監(jiān)測區(qū)，主要氣象要素具有獨特的地域性，對全球氣候變暖的響應(yīng)幅度更大,也更敏感。[5]在全球氣候變化的大背景下，我國學(xué)者做過許多相關(guān)的研究，取得不錯的成果。在空間分析上，張立偉等[6]用Mann-Kendall突變檢驗和Kinging插值法分析了南嶺南北地區(qū)氣溫的時空變化特征；任永建等[7]考慮了氣溫序列的非均一性，通過對資料進行插補然后對武漢區(qū)域近百年地表氣溫變化趨勢進行了研究；在時間分析上，李淼等[8]對北京地區(qū)近300a降水變化進行了趨勢和突變檢驗，并采Morlet小波函數(shù)開展了降水變化的多時間尺度周期性變化分析。綜合來看，中國對氣候變化的研究都以大區(qū)域為主，而小尺度的研究比較少，通過對天水市的各氣候要素多年時空規(guī)律的研究，可探討天水市氣候變化對全球變暖的區(qū)域響應(yīng)，提高對天水市氣候變化規(guī)律的認識，為天水市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)與保護提供理論依據(jù)，可以預(yù)測未來氣候變化趨勢，減小氣象災(zāi)害帶來的影響。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

天水市位于東經(jīng)104°35′～106°44′、北緯34°05′～35°10′之間，轄武山、甘谷、秦安、清水、張家川回族自治縣五縣和秦州、麥積兩區(qū)，地勢西北高，東南低，海拔在1000～2100米之間，屬半干旱與半濕潤氣候的過渡帶，[9]年平均溫度為7.8℃～11.1℃，年降水量為432～546mm.[10]自然條件南北、東西差異性大，是典型的農(nóng)、林、牧業(yè)交錯混合區(qū)。[5]

1.2 研究方法

（1）累積距平法。累計距平是判斷某一氣候要素變化趨勢的方法。先求出每一年各氣候要素的距平值，再算出累積距平值，做出36年累積距平變化曲線，曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的地方則可能為突變點，再結(jié)合M-K檢驗和滑動t檢測，確定突變點。

（2）Mann-Kendall突變檢驗。氣候突變的普適定義為：氣候從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象，它表現(xiàn)為氣候在時空上從一個統(tǒng)計特性到另一個統(tǒng)計特性的急劇變化。[11]采用Mann-Kendall非參數(shù)檢法來分析突變，其優(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]在M-K突變檢測中，給定顯著性水平α=0.05，則臨界值U0.05=±1.96，將UF(原氣象序列)和UB(反向氣象序列)曲線圖與±1.96的2條臨界直線繪在一張圖上。若UF或UB超過臨界直線，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。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應(yīng)的時刻便是突變開始時間。[13]

（3）小波分析法。近些年以來，小波分析技術(shù)逐漸被應(yīng)用到水文、氣象等時間序列的周期性分析中。[14-17]小波方差圖是小波方差隨尺度變化過程在圖像上顯示出來的，反映了波動能量隨尺度的分布情況，用來確定一個時間序列中存在的主要周期成分。[18-21]用Matlab軟件做出天水市主要氣象要素的周期變化圖，分析其變化的主周期、次周期。

（4）克里金插值法。Kriging插值法廣泛地應(yīng)用于地下水模擬、土壤制圖等領(lǐng)域，是一種很有用的地質(zhì)統(tǒng)計格網(wǎng)化方法。[22]利用ARCGIS中的空間分析工具并用協(xié)同克里金插值法對天水市主要氣象要素做空間分析，得到空間插值圖，分析氣候變化的空間特征。

2 結(jié)果分析

2.1 天水市氣候變化時間特征分析

2.1.1氣候要素的年際變化

從圖1(a)可以看出，在研究時段內(nèi)，天水市年平均氣溫呈波動上升趨勢，36a平均氣溫為10.3℃，年平均氣溫以0.5℃/10a的幅度升高，比西北地區(qū)（0.32℃/10a）的變化率大，說明氣溫變化高于西北地區(qū)的平均狀況。從氣溫變化的過程來看，在研究時段內(nèi)，可分為兩個階段，第一階段為1981～1995年，平均氣溫為9.7℃，比36a平均氣溫低；第二階段為1996～2016年，平均氣溫為10.7℃，比36a平均氣溫高。已有研究表明，20世紀80年代后期至90年代是氣溫迅速升高的時期，[24]筆者所得結(jié)果與已有研究結(jié)果基本一致。

從圖1(b)可以看出，1981～2016年，天水市年均降水量呈減少趨勢，36a平均降水量為488mm，逐年變化大，年平均氣溫以8.5mm/10a的幅度下降。從降水量變化的過程來看，在研究時段內(nèi)，可分為兩個階段，第一階段為1981～1993年，平均降水量為521mm，比36a平均降水量高；第二階段為1994～2016年，平均降水量為469mm，比36a平均降水量低。

圖1 天水市各氣候要素變化趨勢

從圖1(c)可以看出，1981～2016年，天水市年平均日照時數(shù)呈波動上升趨勢，36a平均日照時數(shù)為2037h，年平均日照時數(shù)以35h/10a的幅度上升。從日照時數(shù)變化的過程來看，在研究時段內(nèi)，可分為兩個階段，第一階段為1981～1992年，平均日照時數(shù)為1948h，比36a平均日照時數(shù)低；第二階段為1993～2016年，平均日照時數(shù)為2083h，比36a平均日照時數(shù)高。

從圖1(d)可以看出，1981～2016年，天水市年平均相對濕度呈減少趨勢，36a平均相對濕度68%，年平均相對濕度以1%/10a的幅度下降。從相對濕度變化的過程來看，在研究時段內(nèi)，可分為兩個階段，第一階段為1981～1993年，平均相對濕度為69%，比36a平均相對濕度高；第二階段為1994～2016年，平均相對濕度為67%，比36a相對濕度低。

2.1.2氣候要素的季節(jié)變化

圖2 1981～2016年天水市平均氣溫季節(jié)變化

從圖2可以看出，1981～2016年天水市各個季節(jié)平均氣溫呈上升趨勢，春季平均氣溫傾向率為0.7℃/10a，夏季平均氣溫傾向率為0.5℃/10a，秋季平均氣溫傾向率為0.3℃/10a，冬季平均氣溫傾向率為0.4℃/10a，從而可以得出結(jié)論，春季升溫幅度最明顯，春、夏、冬較秋季明顯。

從圖3可以看出春秋兩季降水量呈增加趨勢，降水量傾向率為0.14mm/10a、0.004mm/10a，增加幅度較??；夏冬兩季降水量呈減少趨勢，降水量傾斜率分別為-3.5mm/10a和-0.2mm/10a，由此可看出，夏季、冬季降水量的減少幅度比春秋季的增加幅度大。

從圖4可以看出秋季相對濕度呈增加趨勢，相對濕度傾斜率為0.2%/10a，春、夏、冬三季均呈下降趨勢，相對濕度傾向率分別為-2.4%/10a、-1.5%/10a、-0.5%/10a，春夏季的下降幅度比冬季較大。

2.1.3氣候要素的突變性分析

圖3 1981～2016年天水市平均降水量季節(jié)變化

筆者選擇氣象要素中的降水說明突變點的確定過程，其余氣象要素突變點的確定與降水相似。圖5(b1)顯示年降水的UF曲線全程都在信度線之內(nèi)，因此其增減趨勢都不顯著。UF、UB曲線在信度線內(nèi)存在包括1986年、2002年等在內(nèi)的多個交點，說明1986年等可能是突變點。由圖5(b2)知，降水累積距平曲線總體上表現(xiàn)出了先升后降再升的趨勢，但曲線波動頻繁、形狀不規(guī)則，表明降水存在劇烈的年際變化，整體的下降趨勢比較明顯。曲線在1986年、1990年、1993年存在三個峰值，在2002年存在一個低值，1982～1986年以上升趨勢為主，2002～2016年波動中略有上升，1993～2002年呈急劇下降趨勢，因此1986年、2002年是兩個可能的突變點?；瑒觮檢驗結(jié)果顯示1986年跟2002年都通過了0.05的顯著性檢驗。根據(jù)三種方法的結(jié)果可判斷：天水市年降水存在1986年、2002年兩個突變點。

圖4 1981～2016年天水市平均相對濕度季節(jié)變化

圖5天水市各氣候要素Mann-Kendall檢測及累積距平曲線

圖5 顯示：年均溫UF、UB曲線（圖5(a1)）在信度線內(nèi)交于1993年，其累積距平曲線（圖5(a2)）總體呈現(xiàn)“U”字形，在1996年取得最小值，在1993年取得次小值。且滑動t檢驗表明1993年通過了0.01的顯著性檢驗，因此，年均溫在1993年發(fā)生了由升溫到顯著升溫的突變。日照時數(shù)UF、UB曲線(c1)在信度線內(nèi)存在包括1982、1987、1992、2014等多個交點，其累積距平曲線（圖5(c2)）在2014年取得最大值，在1992年取的最小值，且1992年通過了顯著性水平為0.01的滑動t檢驗，因此，日照時數(shù)在1992年發(fā)生了由減少到增加的突變。相對濕度UF、UB曲線（圖5(d1)）在信度線內(nèi)交于1994年、1998年、2008年，其累積距平曲線（圖5(d2)）在1994年出現(xiàn)峰值，僅1994年通過了0.01顯著性水平的滑動t檢驗。因此，相對濕度在1994年發(fā)生了突變。

2.1.4氣候要素的周期性分析

圖6天水市各氣候要素小波分析結(jié)果

圖6 為天水市主要氣象要素的周期波動，圖中用小波系數(shù)的大小表示信號的強弱。從圖6（a1）小波系數(shù)的變化分析來來看，氣溫的年際變化比較明顯，小波系數(shù)等值線在 10～15a、18～20a、30～33a比較密集，而圖6（a2）小波方差圖顯示小波方差在32a、14a、19a出現(xiàn)極值，由此可知天水市年平均氣溫在36a尺度內(nèi)存在14a的周期變化，此外可能還會存在更大時間尺度變化周期；從圖6（b1）小波系數(shù)的變化分析來看，小波系數(shù)等值線在 5～10a、15～20a、28～32a 比較密集，而且圖 6（b2）小波方差圖顯示小波方差在30a、15a、7a出現(xiàn)極值，由此可知天水市年平均降水量在36a尺度內(nèi)存在15a的周期變化；圖6（c1）日照時數(shù)小波系數(shù)等值線在9～12a、15～17a比較密集；圖6（c2）小波方差圖顯示小波方差在16a、11a出現(xiàn)極值，由此可知天水市年平均日照時數(shù)在36a尺度內(nèi)存在16a的顯著主周期、11a次周期變化；圖6（d1）相對濕度小波系數(shù)等值線在24～27a、6～8a比較密集；圖6（d2）小波方差圖顯示小波方差在25a、8a出現(xiàn)極值，由此可知天水市年平均相對濕度在36a尺度內(nèi)存在8a的周期變化。

2.2 氣候要素的空間分布特征

在對各氣象要素進行插值時，是先計算各地區(qū)站點多年平均水平作為樣點數(shù)據(jù)，并沒有分年度對各氣象站點的數(shù)據(jù)分別插值，[24]并利用天水市行政邊界對插值得到的柵格圖進行裁剪，最后得到天水市主要氣象要素的空間插值圖。

圖7分別為天水市年均溫、年均降水量、年均日照時數(shù)、年均相對濕度的空間插值圖。從插值結(jié)果來看，天水市氣溫的變化范圍為7.8～11.6℃.從分布來看，總體呈現(xiàn)中間高，兩邊低的態(tài)勢。秦州區(qū)，麥積區(qū)西北部，秦安縣，甘谷縣等多年平均溫度高，麥積區(qū)東南部，武山縣溫度較低，張家川回族自治縣多年平均氣溫最低，區(qū)域差異性較明顯；降水量的區(qū)域最大值為586.3mm，區(qū)域最小值為404.6mm，表現(xiàn)出明顯的地域性特征，從區(qū)域分布上看，東部多，西部少，這與我國降水量的空間分布特征一致，越往西部，水汽來源越少，降水量越少；年平均日照時數(shù)的區(qū)域最大值為2241.4h，區(qū)域最小值為1948.6h，區(qū)域差異性比較明顯。日照時數(shù)最高的為武山縣，最低的為秦州區(qū)、秦安縣、麥積區(qū)的大部分區(qū)域，區(qū)域最低值為1948.6h，其它區(qū)域則介于中間；相對濕度表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性，從區(qū)域分布上看，表現(xiàn)為由東向西遞減的趨勢。區(qū)域最大值為71%，出現(xiàn)在天水市的東北方向，此區(qū)域降水量多，氣溫低，所以蒸發(fā)量少，相對濕度較大。越往西，相對濕度越越小，越干燥。區(qū)域最小值為66%.

圖7 天水市各氣候要素的空間分布

3 結(jié) 論

通過對天水市1981～2016年主要氣象要素的變化特征進行分析，得出1981～2016年天水市氣溫呈上升趨勢，年降水量、相對濕度呈減少趨勢，年日照時數(shù)波動變化，這與全球變暖背景下中緯度地區(qū)的氣候的變化具有一致性。

在時間特征上，36a來，天水市年平均氣溫為10.28℃，氣溫總體呈升高趨勢，但波動比較平緩；年平均降水量為487.79mm，降水量在36a間呈減少趨勢，但波動比較大；年平均日照時數(shù)2038h，波動變化；年平均相對濕度為68%，也呈現(xiàn)出下降趨勢。氣象要素的季節(jié)變化與年平均變化趨于一致。

通過用Morlet小波分析天水市主要氣象要素得知，天水市年平均氣溫在36a尺度內(nèi)存在14a的周期變化；降水量在36a尺度內(nèi)存在15a的周期變化；年平均日照時數(shù)在36a尺度內(nèi)存在16a的顯著主周期，11a次周期變化；年平均相對濕度在36a尺度內(nèi)存在8a的周期變化。

通過累積距平和M-K檢測，得到天水市氣溫、降水、日照時數(shù)、相對濕度分別在1993年，1986年、2002年，1992年，1994年發(fā)生突變。

在空間特征上，氣溫與日照時數(shù)的空間差異性較大，沒有明顯的地域性特征，這可能與多種因素的綜合影響有關(guān)，而降水量與相對濕度的空間變化地域性很明顯，總體表現(xiàn)為由東向西遞減的趨勢