黑河流域1960-2015年氣溫時空變化特征

郭昆明, 頡耀文, 王曉云, 邱 天

(蘭州大學 資源環(huán)境學院, 蘭州 730000)

氣候變化影響著全球的自然生態(tài)系統(tǒng)，受到全世界各界人士的廣泛關注[1]。IPCC第5次評估報告指出，1983—2012年可能是自1400年以來最熱的30年；1980—2012年全球地表平均溫度升高0.85℃；2003—2012年平均溫度比1850—1900年上升0.78℃[2]。近100 a中國平均地表溫度上升約0.5～0.8℃，尤以西北干旱半干旱地區(qū)的變化比較顯著[3-4]。氣候變化會改變水資源量的時空分布，影響生態(tài)環(huán)境并制約社會經(jīng)濟發(fā)展，氣溫作為最基本的氣候要素，對生態(tài)環(huán)境的變化起著決定性作用[5-7]。眾多研究表明，全球氣溫變化區(qū)域差異明顯[8-11]。黑河流域處于絲綢之路經(jīng)濟帶的核心地段，地處我國西北干旱區(qū)，是對全球氣候變化響應最為敏感的地區(qū)之一[12-13]，研究該區(qū)域的氣溫變化對黑河流域的生態(tài)建設具有重要意義。目前，已有很多學者對黑河流域的地質地貌[14]、氣候[15-16]、水文[17]、土壤[18]、土地利用/覆蓋變化[19]、植被[20]、景觀[21]、冰川[22]和同位素[23]等進行了大量研究。已有文獻中，單純研究黑河流域氣溫變化的相對較少。

為了解黑河流域多年來氣溫變化的趨勢和特征，本文擬采用線性傾向率、滑動平均和Mann-Kendall(M-K)趨勢檢驗法分析黑河流域平均氣溫在不同時間尺度上的總體變化趨勢；應用M-K突變檢驗和滑動t檢驗法分析黑河流域平均氣溫的突變性；通過小波分析法分析黑河流域平均氣溫的周期性；并利用樣條函數(shù)法分析黑河流域平均氣溫的空間分布特征，以期深入認識黑河流域的氣溫變化狀況，所得結果對未來氣溫變化預測和生態(tài)環(huán)境建設具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域(98°00′—101°30′E，38°00′—42°00′N)是我國西北第二大內陸河，發(fā)源于祁連山北麓，流經(jīng)青海、甘肅和內蒙古3省(區(qū))，東鄰石羊河流域，西接疏勒河流域，北至內蒙古自治區(qū)額濟納旗境內的居延海，與蒙古人民共和國接壤，全長821 km，流域面積14.29萬km2(圖1)。黑河流域位于歐亞大陸中部，氣候干燥，降水稀少，晝夜溫差大[24]。鶯落峽以上為上游，地勢高峻，氣候嚴寒濕潤，是主要產流區(qū)，多年平均氣溫低于2℃，以牧業(yè)為主。鶯落峽和正義峽之間為中游，地勢平坦，光熱資源充足，晝夜溫差大，多年平均氣溫為6～8℃，是灌溉農業(yè)區(qū)。正義峽以下為下游，地勢平坦開闊，氣候干燥，是生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)，偶有極端天氣，極端最低氣溫低于-30℃，極端最高氣溫超過40℃，多年平均氣溫為8～10℃[25-26]。黑河流域植被類型的垂直分異明顯，自上游至下游可劃分為森林、灌叢、草原及荒漠4個植被帶。

1.2 數(shù)據(jù)來源

本文基于“中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”，選擇黑河流域內(額濟納旗、鼎新、金塔、酒泉、高臺、臨澤、托勒、肅南、野牛溝、張掖、民樂、祁連、山丹)及周邊(馬鬃山、拐子湖、玉門鎮(zhèn)、阿拉善右旗、永昌、剛察、門源)共20個氣象站點1960年1月—2015年12月的月平均資料(圖1)。四季劃分如下：12月—次年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

圖1 研究區(qū)氣象站點分布

1.3 研究方法

本文利用線性傾向率、滑動平均、M-K檢驗、滑動t檢驗、小波分析和樣條函數(shù)等方法，分析黑河流域1960—2015年的年和各季節(jié)平均氣溫的時空分布特征。

線性傾向估計方法通過建立線性回歸方程，根據(jù)回歸系數(shù)確定氣溫變化的趨勢與大小。滑動平均法對數(shù)據(jù)進行平滑和濾波處理，是一種通過平均方式消除序列中異常波動以顯示序列變化趨勢的方法[27]。M-K檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，既可進行趨勢檢驗，又可進行突變檢驗，其主要優(yōu)點是樣本可不服從正態(tài)分布[28-29]。M-K趨勢分析中，統(tǒng)計量Z>0，表明統(tǒng)計變量呈增加趨勢，反之則呈減少趨勢；M-K突變檢驗中，若正曲線UF(k)和反曲線UB(k)在置信曲線內有且僅有一個交點，則說明此交點所對應的年份為突變年份；若兩曲線在置信曲線內有多個交點或交點在置信曲線外，則不能確定其是否為突變點[29]。經(jīng)過M-K檢驗后，對其不能判斷是否為突變點的點，則用滑動t檢驗法[28]進行驗證以進一步確定其是否為突變點。小波分析法是一種具有信號、時頻多分辨率功能的方法，它可揭示在時間序列中的變化周期，反映在不同時間尺度上系統(tǒng)的變化趨勢，并對系統(tǒng)未來趨勢進行預測[30]。樣條函數(shù)差值在進行空間插值分析時可準確通過樣本點擬合連續(xù)光滑的表面，該方法在對氣候空間分異變化研究中已被國內外許多學者使用[9，31]。

2 結果與分析

2.1 年際和季節(jié)變化特征

1960—2015年，黑河流域的逐年和四季平均氣溫均呈上升趨勢，且均通過置信度為99%的M-K顯著性檢驗(圖2)。黑河流域多年平均氣溫為5.14℃，年平均最高和最低氣溫分別為13.09，-1.57℃(表1)，氣溫傾向率為0.354℃/10 a(圖2A)。近56年來，黑河流域的年平均氣溫升高了1.59℃。由5 a滑動平均結果可知，黑河流域20世紀60年代初—80年代，平均氣溫先有一段小幅上升期，后呈“降—升—降—升”的變化趨勢，且波動程度較大，在1967年達到最低值；90年代初，平均氣溫呈現(xiàn)小幅下降趨勢，90年代中后期平均氣溫大幅上升，增溫顯著；2000年之后，平均氣溫處于不斷波動變化的狀態(tài)，平均氣溫變化不大。

黑河流域春、夏、秋、冬四季多年平均氣溫分別為6.63，18.20，4.93，-9.20℃(表1)，氣溫傾向率分別為0.319，0.311，0.358，0.430℃/10 a(圖2)，其中，冬季的增溫幅度最大，秋季次之。由5 a滑動平均結果可知，黑河流域春季平均氣溫在20世紀60—70年代初呈小幅波動變化，整體上變化不大；20世紀70年代中后期，平均氣溫先大幅下降后上升；20世紀80—90年代中期，平均氣溫先緩慢下降，后緩慢上升，整體變化不大，90年代中后期，平均氣溫大幅上升；2000年之后平均氣溫波動上升。黑河流域夏季平均氣溫在20世紀60年代初呈下降趨勢，60年代中后期—80年代中期，氣溫不斷波動但變化微弱，80年代后期氣溫呈上升趨勢；20世紀90年代初，平均氣溫處于小幅波動狀態(tài)，整體呈下降趨勢，90年代中后期增溫顯著；2000年后，平均氣溫波動變化，但變化較小。黑河流域秋季平均氣溫在20世紀60—70年代初，先小幅上升，后顯著下降，之后又呈顯著上升趨勢；在20世紀70年代中后期—80年代中期，平均氣溫呈小幅波動變化，80年代后期氣溫突然升高后顯著下降；20世紀90年代初，氣溫基本不變，90年代中后期，氣溫呈波動上升趨勢；2000年之后，氣溫呈“降—升—降—升”的變化趨勢。黑河流域冬季平均氣溫在20世紀60年代初平均氣溫先降后升，在60年代中后期呈現(xiàn)一個大的“降—升”變化；20世紀70年代初平均氣溫緩慢下降；70年代中后期呈小幅波動上升趨勢；20世紀80年代初，平均氣溫先下降后顯著升高；20世紀90年代，平均氣溫呈“降—升—降—升”變化；2000年之后，平均氣溫呈波動下降趨勢。

表1 近56 a黑河流域多年年平均和多年季節(jié)平均溫度 ℃

2.2 年代際變化特征

距平分析結果表明，黑河流域的年平均氣溫持續(xù)升高，20世紀60年代—80年代，氣溫的年代距平值為負，氣溫低于近56 a的氣溫均值；90年代后，其年代距平值為正，氣溫高于56 a的氣溫均值；其中，1990s較1980s氣溫增幅最大，達到0.605℃(表2)。20世紀60—80年代，黑河流域四季氣溫的年代距平值均為負，氣溫低于近56 a的氣溫均值；90年代后，其年代距平值均為正，氣溫高于56 a的氣溫均值。其中，秋季氣溫的年代際變化同年平均氣溫趨勢一致，2000—2009年較1990s氣溫增幅最大。春季和夏季氣溫的距平值均呈現(xiàn)先下降后上升的變化特征，最低值均出現(xiàn)在70年代，2000—2009年較1990s的溫度增幅最大，分別為0.684，0.726℃。冬季氣溫距平值在21世紀前一直上升，進入21世紀后則緩慢下降，1970s較1960s氣溫增幅最大。

圖2 黑河流域年和四季平均氣溫的年際變化

表2 黑河流域年和四季年代際平均氣溫距平℃

2.3 氣溫突變時間分析

黑河流域的年平均氣溫(圖3A)在1960—1980年有下降趨勢但不明顯，自1980年之后呈現(xiàn)升高趨勢，在1992年與0.05顯著水平線相交，表明年平均氣溫在1992年后升高顯著；UF(k)曲線和UB(k)曲線在整個時間序列中雖有交點(1993年)，但此交點不在置信區(qū)間內，經(jīng)滑動t檢驗確定1993年是黑河流域的年平均氣溫突變點，通過0.01顯著性水平檢驗。黑河流域春季(圖3B)平均氣溫在1960—1975年不斷波動，1976—1997年UF(k)曲線小于0，表明春季平均氣溫呈下降趨勢；1998年之后氣溫呈升高趨勢，且在2005年超過0.05顯著性水平，增溫趨勢顯著；UF(k)曲線和UB(k)曲線在置信區(qū)間內有3個交點(2003年、2004年和2005年)，根據(jù)累積距平分析中極值的t檢驗確定春季平均氣溫在2003年發(fā)生突變。黑河流域夏季(圖3C)平均氣溫在1960—1996年呈下降趨勢，1964—1981年和1983—1986年，統(tǒng)計值超過0.05顯著水平的臨界線，下降趨勢顯著；1997年氣溫發(fā)生突變呈上升趨勢且在2002年后超過0.05顯著性水平，表明夏季平均氣溫在2002年后升高顯著。黑河流域秋季(圖3D)平均氣溫在1960—1964年和1967—1977年呈下降趨勢但不顯著，1978年之后氣溫呈上升趨勢，且在1999年超過0.05顯著性水平，表明秋季平均氣溫在1999年后升高顯著；UF(k)曲線和UB(k)曲線在置信區(qū)間內有3個交點(1996年、1998年和1999年)，根據(jù)累積距平分析中極值的t檢驗確定秋季平均氣溫在1998年發(fā)生突變。黑河流域冬季(圖3E)平均氣溫在1960—1980年呈下降趨勢但不顯著，1980年后氣溫呈上升趨勢且在1991年超過0.05顯著性水平，表明冬季平均氣溫在1991年后升高顯著；其氣溫突變點在1988年。

2.4 周期分析

采用Matlab軟件，對黑河流域近56 a的年和四季平均氣溫進行小波分析，結果見圖4—5。小波系數(shù)實部圖可以反映氣溫序列在不同時間尺度上的周期及其在時間域中的分布，進而判斷不同時間尺度上氣溫的未來變化趨勢。小波系數(shù)值為正，表示氣溫升高；反之表示氣溫降低。黑河流域近56 a的年平均氣溫在6，12～15，22，26～32 a左右尺度上存在震蕩周期(圖4)。

圖3 黑河流域年和四季平均氣溫的M-K突變檢驗

在26～32 a時間尺度上，氣溫發(fā)生了“升高—降低—升高”的7次冷暖交替變化，2015年后，黑河流域處于氣溫升高階段，表明未來幾年內黑河流域的氣溫將會升高。小波方差圖能反映氣溫信號的波動能量隨尺度的分布，可用來確定氣溫變化過程中存在的主周期。黑河流域年平均氣溫存在2個峰值，依次對應6 a和29 a的時間尺度(圖4)。其中，最大峰值對應著29 a的時間尺度，說明29 a時間尺度對小波的方差貢獻率最大，為黑河流域年氣溫變化的第1主周期；6 a時間尺度為第2主周期。

在26～32 a時間尺度上，黑河流域近56 a的春季(圖5A)、夏季(圖5C)和秋季(圖5E)平均氣溫均發(fā)生了“升高—降低—升高”的7次冷暖交替變化，與年平均氣溫(圖4)的變化一致。黑河流域近56 a春季平均氣溫在6，12，26～32 a左右尺度上存在震蕩周期，小波方差圖(圖5B)存在3個峰值，依次對應6，12，29 a的時間尺度。其中，最大峰值對應29 a的時間尺度，說明29 a時間尺度為黑河流域春季氣溫變化的第1主周期，12 a為第2主周期。黑河流域近56 a夏季平均氣溫在26～32 a左右尺度上存在震蕩周期，小波方差圖(圖5D)只存在1個峰值，對應29 a的時間尺度，說明29 a時間尺度為黑河流域夏季氣溫變化的第1主周期。黑河流域近56 a秋季平均氣溫在6，10～20，26～32 a左右尺度上存在震蕩周期，小波方差圖(圖5F)存在2個峰值，依次對應16 a和29 a的時間尺度。其中，最大峰值對應29 a的時間尺度，說明29 a時間尺度為黑河流域秋季氣溫變化的第1主周期，16 a為第2主周期。黑河流域近56 a冬季(圖5G)平均氣溫在6，12～15，18～20，26～32 a左右尺度上存在震蕩周期。在26～32 a時間尺度上氣溫發(fā)生了“降低—升高—降低”的7次冷暖交替變化。黑河流域冬季平均氣溫的小波方差圖(圖5H)存在4個峰值，依次對應6，14，19，30 a的時間尺度。其中，最大峰值對應30 a的時間尺度，說明30 a時間尺度為黑河流域冬季氣溫變化的第1主周期，19 a為第2主周期，14 a和6 a分別為第3和第4主周期。

2.5 空間變化特征

利用ArcGIS軟件中的空間分析工具箱，對黑河流域的年和四季的平均氣溫和氣溫傾向率進行樣條函數(shù)插值，結果顯示：黑河流域年平均氣溫從下游到上游隨海拔升高而逐漸降低(圖6A)，最低值為-6.86℃，最高為10.45℃，溫較差17.31℃。春季(圖6B)、夏季(圖6C)和秋季(圖6D)平均氣溫的空間分布與年平均氣溫的空間分布基本一致，溫較差分別為18.15，21.29，16.75℃。其中，春季和秋季平均氣溫與年平均氣溫差異較小，均在1℃以內。冬季(圖6E)平均氣溫最高的地區(qū)在中游的張掖、臨澤和中游的地區(qū)，其次為黑河流域的下游地區(qū)。

圖4 黑河流域年平均氣溫的小波系數(shù)實部等值線及小波方差

圖5 黑河流域各季節(jié)平均氣溫的小波系數(shù)實部等值線及其小波方差

圖6 黑河流域年和四季平均氣溫空間分布

1960—2015年，黑河流域年和四季的平均氣溫均呈上升趨勢(圖7)。黑河流域年平均氣溫傾向率為0.354℃/10 a，所有站增溫均較顯著(p<0.05)。從空間分布上來看，整體上由西向東氣溫增幅越來越大，增長趨勢最明顯的區(qū)域為中游的民樂和下游的額濟納旗附近，氣溫傾向率為0.505℃/10 a；最小增幅出現(xiàn)在中游的肅南和酒泉附近，氣溫傾向率為0.242℃/10 a。黑河流域春季的平均氣溫傾向率為0.319℃/10 a，所有站點均增溫顯著(p<0.05)。總體上，由西南向東北，氣溫增幅越來越大，增長趨勢最明顯的區(qū)域為中游的臨澤，氣溫傾向率為0.481℃/10 a，其次為黑河流域下游地區(qū)；上游地區(qū)的增長趨勢最小，氣溫傾向率為0.190℃/10 a。黑河流域夏季的平均氣溫傾向率為0.311℃/10 a，所有站點均增溫顯著(p<0.05)，除中游地區(qū)的張掖、下游的西北和東北地區(qū)氣溫增幅較大外，其他地區(qū)的氣溫增幅均較小。黑河流域秋季的平均氣溫傾向率為0.358℃/10 a，所有站點均增溫顯著(p<0.05)。整體來看，由西向東，氣溫增幅越來越大，增長趨勢最明顯的區(qū)域在中游的民樂和下游的額濟納旗附近，氣溫傾向率為0.551℃/10 a；增幅較小的地區(qū)為中游的肅南、高臺和酒泉，氣溫傾向率為0.247℃/10 a。黑河流域冬季的平均氣溫傾向率為0.430℃/10 a，除黑河流域周邊的馬鬃山站外，其他站點均增溫顯著(p<0.05)。整體而言，由西向東，氣溫增幅越來越大，增長趨勢最明顯的區(qū)域在中游的民樂和下游的額濟納旗附近，氣溫傾向率為0.780℃/10 a；增幅較小的地區(qū)為中游的肅南和酒泉，氣溫傾向率為0.290℃/10 a。綜上所述，冬季的平均氣溫傾向率最大且其氣溫變化趨勢與年氣溫變化趨勢基本一致，表明冬季對全年氣溫增溫趨勢的貢獻最大，其次為秋季。

圖7 黑河流域年和四季平均氣溫的氣溫傾向率空間分布

3 結 論

(1) 黑河流域近56 a逐年和四季平均氣溫均呈顯著升高趨勢，在季節(jié)尺度上，冬季增溫幅度最大，秋季次之。除春、夏兩季的最冷平均氣溫出現(xiàn)在20世紀70年代外，年和秋、冬氣溫的最低值出現(xiàn)在60年代。

(2) 黑河流域氣溫突變時間除春季發(fā)生在21世紀初，年和其他3季平均氣溫的突變則均發(fā)生在20世紀90年代，通過0.01顯著性水平檢驗。

(3) 黑河流域年平均氣溫在1960—2015年發(fā)生了“升高→降低→升高”的7次冷暖交替變化，且黑河流域的氣溫在未來幾年還會持續(xù)升高，29 a時間尺度為黑河流域年氣溫變化的第1主周期；6 a時間尺度為第2主周期。黑河流域春季、夏季和秋季平均氣溫在26～32 a時間尺度上與年平均氣溫變化一致，且均以29 a時間尺度為第1主周期。冬季平均氣溫在26～32 a時間尺度上則發(fā)生了“降低→升高→降低”的7次冷暖交替性變化。

(4) 黑河流域除冬季外，年和其他3季平均氣溫從下游到上游均隨海拔增高而逐漸降低。除冬季黑河流域周邊的馬鬃山站外，其他時間各站均增溫顯著(p<0.05)。就不同季節(jié)而言，冬季對增溫趨勢的貢獻最大，其次為秋季。

本文中氣溫變化的主周期和突變年份與趙一飛等[32]的研究略有差異，其主要是由于研究所用的時間序列和氣象站點數(shù)目不同所致。此外，黑河流域氣溫變化既受其地理位置和地形等因素的影響，也受人類活動影響，如土地利用方式的變化和溫室氣體的排放等[33]。今后應增加對影響氣溫變化的因素的研究，以期對未來生態(tài)環(huán)境建設做出更好規(guī)劃。