呂梁山地形對(duì)氣候的影響分析

徐少雄 趙景波 杜卓群

摘要? ? 本研究以中尺度區(qū)域氣候差異與地形的關(guān)系為研究方向，對(duì)呂梁山東、西兩側(cè)近同一緯度區(qū)域的氣候要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。以榆林市、原平市、延安市、介休市為研究樣區(qū)，收集30年（1989—2018年）的年均氣溫和年均降水量數(shù)據(jù)，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)方法進(jìn)行氣候變化趨勢(shì)分析和氣候突變檢驗(yàn)。結(jié)果表明，北段、南段的東西側(cè)氣候變化趨勢(shì)和氣候突變具有差異性，但南北段東西兩側(cè)氣候變化不同步。由于南北段的東西側(cè)研究區(qū)域緯度地帶性和經(jīng)度地帶性影響很小，可見(jiàn)呂梁山地形對(duì)呂梁山東、西兩側(cè)的氣候產(chǎn)生了一定的影響。通過(guò)本研究，對(duì)于如何根據(jù)呂梁山具體地形條件分析氣候變化，進(jìn)一步合理配置農(nóng)、林、牧、副和旅游等產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

關(guān)鍵詞? ? 地形;氣候;Mann-Kendall檢驗(yàn);呂梁山

中圖分類(lèi)號(hào)? ? P461+.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? ? A

Abstract? ? This study took the relationship between climatic differences and topography in the mesoscale region as the research direction，and analyzed the climatic factor data of the same latitude area on the east and west sides of Lvliang Mountain. Taking Yulin City，Yuanping City，Yan′an City and Jiexiu City as research samples，annual average temperature and annual precipitation datas for 30 years（1989-2018） were collected，the climate change trend analysis and climate sudden change test were conducted by using the Mann-Kendall test method. The results showed that the climate change trend and climate change between the eastern and western sides of both north and south sections of Lvliang Mountain were different，but climate change difference of between the eastern and western sides was not synchronous in north and south sections of Lvliang Mountain. The zonal and longitude zonal impacts of the north-south study area were small，so the Lvliang Mountain terrain could have a certain impact on the climate of the eastern and western sides of Lvliang Mountain.This research has important significance to rationally allocate the industrial development of agriculture，forestry，animal husbandry，sidelines and tourism，according to the specific terrain conditions of Lvliang Mountain.

Key words? ? terrain;climate;Mann-Kendall test;Lvliang Mountain

近年來(lái)，伴隨著全球氣侯變暖，氣候由一種穩(wěn)定的狀態(tài)經(jīng)短時(shí)間跳躍式轉(zhuǎn)變成另一種穩(wěn)定氣候狀態(tài)形式[1]。氣候的這種變化對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)活動(dòng)以及生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響，如何快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)氣候突變，對(duì)于人們認(rèn)識(shí)氣候系統(tǒng)的變化以及預(yù)測(cè)未來(lái)氣候趨勢(shì)變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。部分學(xué)者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了氣候突變現(xiàn)象，符棕斌[2]著重討論了氣候突變的定義、氣候突變現(xiàn)象的研究;閆敏華等[3]通過(guò)運(yùn)用累積距平法和Jy參數(shù)法研究了三江平原氣候的突變情況，討論了引起三江平原氣候突變的原因;任玉國(guó)等[4]通過(guò)研究1951年以來(lái)的極端氣候，分析對(duì)比極端降水指數(shù)和極端氣溫指數(shù)，得到極端氣候發(fā)生的強(qiáng)度和頻率，同時(shí)指出研究極端氣候常用方法的某些不足及改進(jìn)方法。此外，部分學(xué)者也研究了氣候與地形的關(guān)系，例如，邱旭梅等[5]通過(guò)研究我國(guó)氣候分布情況分析得到，同一緯度由于地形不同從而導(dǎo)致不同的氣候類(lèi)型;山脈的迎風(fēng)坡與背風(fēng)坡的氣溫、降水有明顯的差異，向陽(yáng)坡比背陽(yáng)坡氣溫高，山地的迎風(fēng)坡比背風(fēng)坡多雨，并且某些地區(qū)地形對(duì)氣候狀態(tài)產(chǎn)生了影響。從已有的研究可以看出，許多學(xué)者研究氣候突變是通過(guò)對(duì)同一氣象站點(diǎn)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)得到氣候突變的結(jié)論，對(duì)于地形引起氣候突變的研究仍不足。本研究以榆林市、原平市、延安市、介休市為研究對(duì)象，收集這4個(gè)氣象站點(diǎn)的近30年年均溫度和年均降水量數(shù)據(jù)，借助Mann-Kendall檢驗(yàn)方法進(jìn)行氣候變化趨勢(shì)分析、氣候突變分析，找到呂梁山地形對(duì)氣候變化及氣候突變的影響。

1? ? 區(qū)域概況與研究方法

1.1? ? 區(qū)域概況

1.1.1? ? 地形區(qū)。本研究樣帶位于呂梁山，呂梁山脈位于山西西部，處在山西省中部斷陷盆地以西，北起管涔山，由北往南經(jīng)黑駝山、蘆芽山、云中山、關(guān)帝山、起云山、直至龍門(mén)山，這一系列山脈總稱(chēng)呂梁山脈。它和太行山脈為縱貫山西的2座山脈。呂梁山是中國(guó)黃土高原上的重要山脈之一，由于其呈東北—西南走向，不僅是黃河中游區(qū)域黃河干流與支流汾河的分水嶺，更由于整個(gè)山脈以主峰關(guān)帝山為中心中間全線(xiàn)突起，兩側(cè)的管涔山、蘆芽山、云中山、紫荊山、龍門(mén)山分別逐漸降低，整個(gè)地貌成穹隆狀，這樣連綿不斷的崇山峻嶺如同一條脊梁，縱貫三晉西部，延綿400 km以上;而且，呂梁山北段分為東西平行的2列，不少山峰高于2 700 m;呂梁山南段降低到1 000～1 500 m，中段氣溫比較高;因而整個(gè)呂梁山脈兩側(cè)氣候差異明顯。本文研究選取目標(biāo)場(chǎng)地為榆林市、原平市、延安市、介休市，該研究區(qū)域氣象數(shù)據(jù)易收集且海拔高度和地勢(shì)相同，榆林市和原平市、延安市和介休市分別位于近同一緯度地帶，通過(guò)對(duì)比這2對(duì)氣象數(shù)據(jù)可以得出研究結(jié)論。

1.1.2? ? 樣點(diǎn)。研究區(qū)域如圖1所示。

（1）北段。①呂梁山北段東坡一側(cè)的榆林市，地理坐標(biāo)：北緯36°57′～39°35′，東經(jīng)107°28′～111°15′。榆林位于中國(guó)陜西省的最北部，處于黃土高原與毛烏素沙地交界處，是黃土高原和內(nèi)蒙古高原的過(guò)渡區(qū);地勢(shì)總體由西向東傾斜，西南部平均海拔1 600～1 800 m，其他區(qū)域平均海拔1 000～1 200 m;屬大陸性季風(fēng)氣候中溫帶半干旱，四季分明冷暖干溫，年平均氣溫9.1 ℃，年平均降水量453.5 mm[6]。②呂梁山北段西坡一側(cè)的原平市，地理坐標(biāo)：北緯38°35′～39°09′，東經(jīng)112°17′～113°35′之間。原平市地勢(shì)起伏顯著，全境各地氣候差異甚大，一般年均氣溫8 ℃左右，年降雨量500 mm左右。

（2）南段。①呂梁山南段東坡一側(cè)的延安市，地理坐標(biāo)：北緯35°21′～37°31′、東經(jīng)107°41′～110°31′。延安位于黃河中游屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)，地貌以黃土高原和延安地貌丘陵為主，地勢(shì)西北高東南低，平均海拔1 200 m左右;屬于暖溫帶大陸性氣候，氣候較為干燥，早晚溫差較大，年均無(wú)霜期170 d，年均氣溫9.2 ℃，年均降水量在500 mm浮動(dòng)。②呂梁山南段西坡一側(cè)的介休市，地理坐標(biāo)：北緯36°50′～37°11′、東經(jīng)111°44′～112°10′。介休地處太原盆地與太岳山的結(jié)合部，位于太原盆地西南端、汾河南畔、太丘山北側(cè)。年平均氣溫10 ℃，降水量493 mm。

1.2? ? 數(shù)據(jù)來(lái)源

目標(biāo)場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，在其網(wǎng)站收集得到榆林市、原平市、延安市和介休市4個(gè)氣象站點(diǎn)30年（1989—2018年）年均溫度和年均降水量數(shù)據(jù)。

1.3? ? 研究方法

1.3.1? ? Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)。Mann-Kendall檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)，能有效區(qū)分某一自然過(guò)程是出于自然波動(dòng)還是存在確定的變化趨勢(shì)[7-9]。對(duì)于非正態(tài)分布的水文氣象數(shù)據(jù)，Mann-Kendall秩次相關(guān)檢驗(yàn)具有更加突出的適用性;在時(shí)間序列中無(wú)需指定是否是線(xiàn)性趨勢(shì)，通過(guò)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)可找到得到4個(gè)氣象站點(diǎn)年均氣溫和年均降水量的變化趨勢(shì)[7]。

1.3.2? ? 非參數(shù)Mann-Kendall法突變檢測(cè)。Mann-Kendall檢驗(yàn)不僅可以檢驗(yàn)時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，還可以檢驗(yàn)時(shí)間序列是否發(fā)生了突變，通過(guò)該方法可找到得到4個(gè)氣象站點(diǎn)年均氣溫和年均降水量的突變點(diǎn)[10]。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? Man-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)分析

為了檢驗(yàn)呂梁山氣候變化的顯著性特征，本研究選擇位于呂梁山南北段東、西兩側(cè)的4個(gè)氣象站點(diǎn)30年（1989—2018年）的年平均氣溫和年均降水量時(shí)間序列數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mann-Kendall方法對(duì)這4個(gè)氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行氣候變化趨勢(shì)檢驗(yàn)，在合適的置信水平區(qū)間下，對(duì)年平均氣溫（℃），年平均降水量（mm）序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)[12]。氣候變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，在合適的置信水平區(qū)間下，位于呂梁山東西側(cè)南北段的榆林市、原平市、延安市、介休市4個(gè)研究區(qū)域的年均氣溫30年來(lái)呈上升趨勢(shì)，并且都通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明研究區(qū)域的年均氣溫增加趨勢(shì)十分明顯。

在置信水平區(qū)間下，盡管榆林市、原平市、延安市、介休市氣象臺(tái)站的β均為正值，即近30年來(lái)各站臺(tái)的年均降水量均呈現(xiàn)出一定的上升趨勢(shì)，但以統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，呂梁山西側(cè)北段的榆林市、呂梁山東側(cè)北段原平市和呂梁山西側(cè)南段延安市未通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明這3座城市年均降水量增加趨勢(shì)不明顯。呂梁山東側(cè)南段介休市年均降水量通過(guò)了90%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明呂梁山東側(cè)南段介休市年均降水量增加趨勢(shì)比較明顯。

對(duì)比呂梁山東、西兩側(cè)南北段年均氣溫和年均降水量的變化趨勢(shì)，可以看出，分析比較位于呂梁山北部東西側(cè)氣象站點(diǎn)的年均氣溫檢驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)榆林市和原平市近30年的年均氣溫傾斜度β為正值，都通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明研究區(qū)域年均氣溫增加趨勢(shì)十分明顯。榆林市年均氣溫趨勢(shì)傾斜度β較原平市大，因而位于呂梁山以西的榆林市氣溫升高趨勢(shì)比原平市的較大。分析比較位于呂梁山北部東、西坡兩側(cè)氣象站點(diǎn)的年均降水量檢驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)榆林市和原平市近30年的年均降水量?jī)A斜度β為正值，榆林市年均降水量?jī)A斜度β高與原平市。榆林市和原平市都沒(méi)有通過(guò)了90%的顯著性檢驗(yàn)。

分析比較位于呂梁山南部東、西兩側(cè)氣象站點(diǎn)年均氣溫檢驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)延安市和介休市近30年的年均氣溫傾斜度β為正值，都通過(guò)了99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明研究區(qū)域年均氣溫增加趨勢(shì)十分明顯，且延安市年均氣溫趨勢(shì)傾斜度β較介休市大，因而介休市氣溫升高趨勢(shì)比延安市的較大。分析比較位于呂梁山南部東、西兩側(cè)氣象站點(diǎn)年均降水量檢驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)延安市和介休市近30年的年均降水量?jī)A斜度β為正值，延安市傾斜度β較原平市大，并且介休市通過(guò)了90%的顯著性檢驗(yàn)，而延安市未通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)。

2.2? ? 突變檢驗(yàn)結(jié)果分析

作為Mann-Kendall突變檢驗(yàn)方法的應(yīng)用實(shí)例，本研究為了檢驗(yàn)呂梁山氣候的突變性，選擇位于呂梁山東西坡內(nèi)4個(gè)氣象站點(diǎn)30年（1989—2018年）的年均氣溫和年均降水量時(shí)間序列數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mann-Kendall方法對(duì)這4個(gè)氣象觀測(cè)站數(shù)據(jù)進(jìn)行氣候突變檢驗(yàn)[13]。如圖2、3所示。

從圖2（a）可以看出，由UF曲線(xiàn)分析得到榆林市自1989年開(kāi)始，除1989年和1990年<0、1992年和1997年=0之外，其余值都>0;而且2000—2018年UF值都>0，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。進(jìn)一步觀察UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其位置在1998年，這表明榆林市氣象站的年均氣溫變化趨勢(shì)于1998年開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。從圖3（a）可以看出，由UF曲線(xiàn)分析得到榆林市自1989年開(kāi)始，除個(gè)別年份1992年、1998年、2016年、2017年、2018年>0，1989年、1997年、1999年、2015年=0之外，其值都<0;而且1999—2015年UF值都<0，呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)趨勢(shì)。進(jìn)一步觀察UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其位置在2014年，這表明榆林市氣象站點(diǎn)的年均降水量變化趨勢(shì)于2014年開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。

從圖2（b）可以看出，由UF曲線(xiàn)分析得到原平市自1989年開(kāi)始，其值都>0。進(jìn)一步觀察UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其位置在1994年，這表明原平市氣象站的年均氣溫變化趨勢(shì)于1994年開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。由圖3（b）可以看出，從UF曲線(xiàn)分析得到原平市1989—2008年，除1991年=0之外，UF曲線(xiàn)值都>0，且變化劇烈。進(jìn)一步觀察UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其位置在1992年、1993年、2009年，這表明原平市氣象站的年均降水量變化趨勢(shì)于1992年、1993年、2009年開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。

從圖2（c）可以看出，由UF曲線(xiàn)分析得到延安市自1989年開(kāi)始，除個(gè)別年份1989年、1990年、1991年外，其值都>0;而且從1991年開(kāi)始，UF值都>0，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。進(jìn)一步觀察UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其位置在1993年，這表明延安市氣象站的年均氣溫變化趨勢(shì)于1993年開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。從圖3（c）可以看出，由UF曲線(xiàn)分析得到延安市自1989年開(kāi)始，除個(gè)別年份（1992年、1998年、2017年、2018年）外，其值都<0;而且1999—2011年UF值都<0，呈現(xiàn)明顯的波動(dòng)趨勢(shì)。進(jìn)一步觀察UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其位置在2015年，這表明延安市氣象站的年均降水量變化趨勢(shì)于2015年開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。

從圖2（d）可以看出，由UF曲線(xiàn)分析得到介休市自1989年開(kāi)始，除個(gè)別年份（1989年、1996年、1997年、1998年、2000年）外，其他值都>0;而且從2000年開(kāi)始，UF值都>0，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。進(jìn)一步觀察UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其位置在1998年，這表明介休市氣象站的年均氣溫量變化趨勢(shì)于1998年開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。從圖3（d）可以看出，由UF曲線(xiàn)分析得到介休市自1989年開(kāi)始，除個(gè)別年份（1992年、2016年、2017年、2018年）>0外，其值都≤0;而且1993—2015年，UF值都<0，呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。進(jìn)一步觀察UF和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)其位置在2015年，這表明介休市氣象站的年均降水量變化趨勢(shì)于2015年開(kāi)始發(fā)生轉(zhuǎn)折，出現(xiàn)了突變。

由榆林市和原平市分析比較位于呂梁山北部東、西兩側(cè)氣象站點(diǎn)氣溫突變結(jié)果，發(fā)現(xiàn)榆林市近30年的年均氣溫突變年份比原平市的突變年份提前，原平市的UF和UB曲線(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)比較大;榆林市年均降水量趨勢(shì)的UF和UB曲線(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)比較大。榆林市年均降水量突變年份為2014年，年均氣溫突變年份發(fā)生在1998年，原平市年均降水量出現(xiàn)3次突變年份，分別為1992年、1993年、2009年。

由延安市和介休市分析比較位于呂梁山南部東、西坡兩側(cè)氣象站點(diǎn)氣溫突變結(jié)果，發(fā)現(xiàn)延安市近30年的年均氣溫突變年份比介休市的突變年份提前，而且介休市的UF和UB曲線(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)比較大;介休市年均降水量趨勢(shì)的UF和UB曲線(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)比較大，而且延安市與介休市年均降水量出現(xiàn)突變年份都在2015年。

3? ? 結(jié)論

（1）采用Mann-Kendall方法分析榆林市、原平市、延安市、介休市4個(gè)氣象站點(diǎn)30年（1989—2018年）的年均溫度和年均降水量數(shù)據(jù)，得到在年均溫度變化趨勢(shì)方面，4個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)都通過(guò)了99%顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明研究區(qū)域年均氣溫增加趨勢(shì)十分明顯。在年均降水量變化趨勢(shì)方面，4個(gè)氣象站點(diǎn)中介休市通過(guò)了90%顯著性檢驗(yàn)，榆林市、原平市、延安市均未通過(guò)90%顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明研究區(qū)域中介休市年均降水量增加趨勢(shì)比榆林市、原平市、延安市都顯著。在氣候突變方面，4個(gè)氣象站點(diǎn)的年均氣溫和年均降水量都找到了氣候的突變點(diǎn)和突變年份（氣候的突變點(diǎn)所在的年份即為氣候的突變年份）。

（2）通過(guò)研究對(duì)比呂梁山北段東側(cè)的原平市和呂梁山北段西側(cè)的榆林市年均溫度和年均降水量數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)榆林市的年均氣溫升高趨勢(shì)大于原平市。在年均降水量變化方面，榆林市年均降水量升高趨勢(shì)和原平市年均降水量升高趨勢(shì)未通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，因而不能得出年均降水量升高趨勢(shì)在榆林市和介休市哪個(gè)更顯著的結(jié)論。在氣候突變方面，對(duì)比得到榆林市年均氣溫和年均降水量突變點(diǎn)和突變年份，榆林市年均氣溫突變年份為1998年，榆林市年均降水量突變年份為2014年;以及原平市年均氣溫和年均降水量的突變點(diǎn)和突變年份，年均氣溫的突變年份為1994年，年均降水量的突變年份為1992年、1993年、2009年。

（3）通過(guò)對(duì)比研究呂梁山南段東側(cè)的介休市和呂梁山南段西側(cè)的延安市年均溫度和年均降水量數(shù)據(jù)，在年均氣溫變化方面，對(duì)比得到介休市的年均氣溫升高趨勢(shì)大于延安市。在年均降水量變化方面，介休市年均降水量升高趨勢(shì)通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，而延安市年均降水量未通過(guò)90%的顯著性檢驗(yàn)，因而得出介休市年均降水量升高趨勢(shì)比延安市顯著。在氣候突變方面，對(duì)比分析得到介休市年均氣溫和年均降水量突變點(diǎn)和突變年份，介休市年均氣溫突變年份為1998年，介休市年均降水量突變年份為2015年;以及延安市年均氣溫和年均降水量的突變點(diǎn)和突變年份，延安市的年均氣溫的突變年份為1993年，延安市年均降水量的突變年份為2015年。

（4）通過(guò)對(duì)比分析呂梁山北段東側(cè)（原平市）和西側(cè)（榆林市）區(qū)域的氣候變化和氣候突變，發(fā)現(xiàn)呂梁山北段東側(cè)和西側(cè)研究區(qū)域區(qū)域的氣候變化和氣候突變具有差異性;對(duì)比呂梁山南段東側(cè)（介休市）和西側(cè)（延安市）區(qū)域的氣候變化和氣候突變，同樣發(fā)現(xiàn)呂梁山南段東側(cè)和西側(cè)研究區(qū)域的氣候變化和氣候突變也具有差異性?？梢?jiàn)，呂梁山地形對(duì)其東西側(cè)區(qū)域的氣候變化和氣候突變產(chǎn)生了影響。

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