河西走廊東部近60年氣候時空變化特征

羅曉玲，李巖瑛，，楊 梅，聶 鑫

（1.甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威 733000；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所/干旱氣候變化與減災重點開放實驗室/甘肅省干旱氣候變化與減災重點實驗室，蘭州 730020）

氣候變化、全球變暖已成為世界關注熱點。IPCC 第五次評估報告指出［1］，1901—2012 年全球平均氣溫百年升高了0.89℃，大于第四次報告中的0.74℃，近年來變暖速度明顯加快，中國近百年來也升高了 0.5～0.8 ℃［2，3］，與全球氣候變化趨勢基本相同，特別是20世紀80年代、90年代升溫迅速，西部地區(qū)的變暖程度則遠高于全國［4］。已有研究表明［5］，華北地區(qū)強降水事件趨于減少，但西北地區(qū)強降水事件趨于增多［6］，且20世紀80年代后期西北地區(qū)由暖干向暖濕轉型現(xiàn)象明顯，祁連山及其北側中西段氣候轉型較為顯著［7-9］。

武威市位于甘肅省河西走廊東部，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，地形復雜，氣候差異大，是典型的干旱半干旱氣候，也是全球氣候變化的敏感區(qū)。靳生理等［10］認為，河西地區(qū)降水變率大且均勻度較差。有學者［11-16］對河西走廊氣溫、降水、大風和沙塵暴等氣候要素變化特征進行了分析，但隨著時間序列變長，各要素均發(fā)生了較明顯的變化。但針對該地區(qū)小區(qū)域氣候變化的研究還可以更詳細一點。因此，本研究以河西走廊東部為研究對象，用各站近60年的氣溫、降水、大風和沙塵暴數(shù)據(jù)，從時間和空間2個角度對其變化特征進行較為全面的分析，旨在揭示其氣候變化規(guī)律，為地方經(jīng)濟發(fā)展以及防災減災工作提供決策參考。

1 研究區(qū)概況、資料來源與方法

1.1 研究區(qū)概況

武威市地處甘肅省河西走廊東部，位于東經(jīng)101°41′—104°16′、北緯 36°29′—39°27′，共轄民勤、涼州、古浪、天祝4個縣（區(qū)），地勢西南高、東北低。其海拔高度為1 300～3 100 m，年降水量為110～410 mm，年蒸發(fā)量為1 500～2 700 mm。區(qū)內(nèi)氣候干旱少雨且溫差大，隨著海拔的升高，由東北向西南氣溫呈下降趨勢，降水則相反。特別是位于最北面的民勤縣，北、東、東南3面被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠所包圍，大風和沙塵暴頻發(fā)。

1.2 資料來源

所用氣象要素數(shù)據(jù)來源于武威市涼州、民勤、古浪、天祝4個氣象站的觀測記錄。

1.3 統(tǒng)計與分析方法

采用武威市4個觀測站1959—2018年的氣溫、降水、大風和沙塵暴年序列資料，利用線性傾向率［17］方法進行氣候要素的變化趨勢分析，通過滑動t檢驗方法檢驗是否存在顯著突變，經(jīng)小波和功率譜分析求得各序列的顯著周期。

通過 Excel 2007、SPSS 22.0、VB6.0 等軟件，對資料進行統(tǒng)計、處理和分析。

2 結果與分析

2.1 氣候時間變化特征

2.1.1 氣溫時間變化特征 1959—2018年氣溫年際變化（圖1）顯示，武威市年平均氣溫呈上升趨勢，增溫速度為 0.39℃/10年（P＜0.001），高于中國（0.24 ℃/10 年）［18］、西北地區(qū)（0.32 ℃/10 年）［19］、河西走廊（0.27℃/10年）［11］和河西走廊西部（0.25℃/10年）［20］的增溫速度。氣溫年代際變化表明（表 1），20世紀60—80年代氣溫偏低，90年代為氣溫轉折點，由降溫變?yōu)樯郎兀?999—2008年增溫最快，增溫速度為0.80℃/10年。

圖1 武威市年平均氣溫變化趨勢

表1 武威市各縣（區(qū)）氣溫距平年代際變化 （單位：℃）

四季氣溫均有上升，增溫速度是冬季＞秋季＞春季＞夏季（圖略）。冬季增溫速度最大，年際傾向率為 0.49℃/10年（P＜0.001），20世紀 60年代后期出現(xiàn)下降，1968年出現(xiàn)最低值，平均氣溫為-11.4℃，之后迅速上升，80年代后期短暫下降后，上升趨勢逐漸明顯，特別是近30年升溫顯著。春季增溫速度為 0.38℃/10年（P＜0.001），20世紀 70年代、80年代略有下降，90年代開始呈持續(xù)升溫狀態(tài)。夏季增溫速度最小，為 0.33℃/10年（P＜0.001），20世紀80年代和90年代前期略有下降，90年代后期開始持續(xù)升溫。秋季增溫速度為 0.42℃/10年（P＜0.001），60年代后期出現(xiàn)短暫下降，直線下降至最低值（1967年的3.4℃），之后呈波浪式上升。

滑動t檢驗檢測結果表明（圖略），武威市年平均氣溫在1967年為最低，2013年為最高，在這2年發(fā)生了顯著突變（通過了α=0.05水平的置信度檢驗）。春、夏、秋、冬四季氣溫分別在1970年、2013年、2018年，2013年、2016年、2018年，1967年，1968年、2017年存在突變。

經(jīng)小波和功率譜分析求得年平均氣溫存在顯著的周期振蕩，20世紀60年代主要存在2～3年的周期，70年代和80年代主要表現(xiàn)為5～6年的周期，90年代至2018年則是3～4年的周期（圖略）。2～3年、3～4年的周期通過了α=0.05水平的置信度檢驗（紅噪聲檢驗）。

2.1.2 降水量時間變化特征 1959—2018年武威市年降水量變化（圖2）顯示，降水量呈波動增加趨勢，年際傾向率為6.1 mm/10年（P＞0.05）。年代際變化（表2）表明，1959—1968年是近60年來的最干旱期，也是降水年際變化最劇烈期，1961年降水量次多，為325.1 mm，1962年降水量最少，為152.2mm；1969—1978年較濕潤，1979—1998年逐漸轉變?yōu)檩^干旱期，1999—2018年是顯著濕潤期，近10年尤為顯著。降水存在3個轉折點，1969—1978年由干旱轉為較濕潤，1979—1998年由較濕潤轉為較干旱，1999—2008年由較干旱轉為濕潤。

圖2 1959—2018年武威市年平均降水量變化趨勢

表2 武威市各縣（區(qū)）降水量距平百分率年代際變化（單位：%）

各季降水變化趨勢表明（圖略），秋季降水呈持平狀態(tài)，其他季節(jié)呈增加趨勢。其中，冬季降水量年際傾向率最小，為 0.6 mm/10年（P＞0.05），1960—1981年、1984—1987年降水量在平均值以下波動，1988年以后則在平均值以上波動，近10年增加較明顯，但也是波動最大的10年。冬季降水量1971年最少，為1.3 mm；2006年最多，為20.4 mm。春季降水量年際傾向率為1.5 mm/10年（P＞0.05），1968—1981年降水量在平均值以下波動，其他時間均在平均值上下波動。春季降水量1968年最少，為18.9 mm；1964年最多，為39.8 mm。夏季降水量年際傾向率為 3.0 mm/10年（P＞0.05），1962—1967年降水量在平均值以下波動，其他時間均在平均值上下波動。夏季降水量1962年最少，為53.6 mm；1994年最多，為76.8 mm。

滑動t檢驗檢測結果顯示（圖略），年降水量變幅較大，呈波浪式上升趨勢，在1962年發(fā)生了顯著突變（通過了α=0.05水平的置信度檢驗），從最小值開始波浪式增加。春、夏、秋、冬四季降水量分別在1964年和1967年、1962年和1994年、1971年、2006年存在突變。

應用小波和功率譜分析求得年降水量存在顯著的周期振蕩（圖略），20世紀60年代至70年代初期存在2～5年短周期，70年代中期至90年代中期存在3～4年的短周期，90年代后期至21世紀前15年存在2年的短周期；20世紀60年代至80年代末存在6～8年的長周期，90年代中期至21世紀前18年存在8～10年的長周期。紅噪聲檢驗發(fā)現(xiàn)，2年、3～4年的短周期和8～10年的長周期通過了α=0.05水平的置信度檢驗。

綜合氣溫和降水量變化特征，武威市氣候有暖濕化趨勢，特別是近20年比較顯著。

2.1.3 大風時間變化特征 1959—2018年武威市年大風日數(shù)變化（圖3）顯示，年大風日數(shù)呈減少趨勢，年際傾向率為-0.4 d/10年（P＞0.05）。年代際變化（表3）表明，1959—1968年是近60年來大風日數(shù)最少期，1967年大風日數(shù)最少，為8.3 d；1969—1978年則是最多期，1973年大風日數(shù)最多，為40.3 d，這10年也是大風日數(shù)轉折點，由偏少期轉為偏多期，之后逐漸減少，近10年減少幅度降低。

各季大風日數(shù)變化趨勢表明（圖略），春季大風日數(shù)呈略減少趨勢，年際傾向率為-0.1 d/10年（P＞0.05），1960—1968 年、2012—2017 年大風日數(shù)在平均值以下波動，1967年大風日數(shù)最少，為3.3 d；1959年大風日數(shù)最多，為17.8 d。夏季大風日數(shù)呈顯著減少趨勢，年際傾向率為-0.4 d/10年（P＜0.05），1960—1965年、1998—2012年大風日數(shù)在平均值以下波動，2005年大風最少，為1.8 d；1969—1975年、1980—1984年大風日數(shù)在平均值以上波動，1973年大風日數(shù)最多，為16.3 d；其他時間則在平均值上下波動。秋季大風日數(shù)呈持平狀態(tài)，1960—1968年、2005—2009年大風日數(shù)在平均值以下波動，1964年和1967年大風最少，為0.5 d；其他時間則在平均值上下波動，1987年和1996大風日數(shù)最多，為6.8 d。冬季大風日數(shù)呈略增加趨勢，年際傾向率為0.2 d/10年（P＞0.05），1961—1968年、1989—1993年大風日數(shù)在平均值以下波動，1968年大風日數(shù)最少，為 0.8 d；1976—1979年、2014—2018年大風日數(shù)在平均值以上波動；其他時間則在平均值上下波動，1988年大風日數(shù)最多，為10.0 d。春季大風日數(shù)的減少抵消了冬季大風日數(shù)的增多，減輕了對全年大風日數(shù)的影響程度，夏季大風日數(shù)對全年大風日數(shù)的貢獻最大。

圖3 1959—2018年武威市年大風日數(shù)變化趨勢

表3 武威市各縣（區(qū)）大風日數(shù)距平年代際變化（單位：d）

滑動t檢驗檢測結果顯示（圖略），年大風日數(shù)呈波浪式下降趨勢，在1967年和1973年發(fā)生了顯著突變（通過了α=0.05水平的置信度檢驗）。春、夏、秋、冬四季大風分別在1959年和1967年、1973年和1974年、1972年、1988年和2011年存在突變。

2.1.4 沙塵暴時間變化特征 1959—2018年武威市年沙塵暴日數(shù)變化（圖4）顯示，年沙塵暴日數(shù)呈顯著減少趨勢，年際傾向率為-2.8 d/10年（P＜0.001）。年代際變化（表4）表明，1959—1998年沙塵暴日數(shù)持續(xù)減少，1999—2008年較前10年略有增加，近10年減少最顯著。1959—1968年是最多期，1959年最多，為21.8 d；2017年最少，全年未出現(xiàn)。

四季沙塵暴均顯著減少（圖略），減少速度是春季＝夏季＞冬季＞秋季。春季沙塵暴日數(shù)年際傾向率為-1.2 d/10年（P＜0.001）；1959—1977年、1979—1987年沙塵暴日數(shù)在平均值以上波動，1959年沙塵暴最多，為 10.8 d；1988—1999 年、2003—2018 年在平均值以下波動；其他時間則在平均值上下波動，2015年、2018年未出現(xiàn)沙塵暴。夏季沙塵暴日數(shù)年際傾向率為-1.2 d/10年（P＜0.001）；1959—1984年沙塵暴日數(shù)在平均值以上波動，1966年沙塵暴日數(shù)最多，為7.3 d；1988—2018年在平均值以下波動；其他時間則在平均值上下波動，有8年未出現(xiàn)沙塵暴。秋季年際傾向率為-0.3 d/10年（P＜0.001）；1959—1966年、1981—1986年沙塵暴日數(shù)在平均值以上波動，1959年沙塵暴日數(shù)最多，為 4.0 d；1992—2018年在平均值以下波動，其他時間則在平均值上下波動，有21年未出現(xiàn)沙塵暴。冬季沙塵暴日數(shù)年際傾向率為-0.6 d/10年（P＜0.001）；1960—1983年沙塵暴日數(shù)在平均值以上波動，1963年沙塵暴日數(shù)最多，為5.5 d；1989—2018年在平均值以下波動；其他時間則在平均值上下波動，其中有9年未出現(xiàn)沙塵暴。

圖4 1959—2018年武威市年沙塵暴日數(shù)變化趨勢

表4 武威市各縣（區(qū)）沙塵暴日數(shù)距平年代際變化（單位：d）

滑動t檢驗檢測結果顯示（圖略），年沙塵暴日數(shù)呈顯著下降趨勢，在1959年發(fā)生了顯著突變（通過了α=0.05水平的置信度檢驗）。春、夏、秋、冬四季沙塵暴日數(shù)分別在1959年和1979年、1966年和1973年、1966年和1979年、1963年和1972年存在突變。

2.2 氣候空間變化特征

武威市地形南高北低，從北向南海拔高度相差1 800 m，受此影響，氣象要素差異較大。年平均氣溫從南向北依次為天祝0.2℃、古浪5.6℃、涼州8.4℃、民勤8.6℃，南北最大相差8.4℃。近60年各地氣溫均呈上升趨勢，增溫速度為（涼州0.43℃/10年）＞民勤＝古浪（0.42℃/10年）＞天祝（0.27℃/10年）。年降水量從南向北依次為天祝406.7 mm、古浪358.2 mm、涼州 168.6 mm、民勤 115.0 mm，最大相差291.7 mm。各地降水量呈增加趨勢，年際傾向率為天祝（14.2 mm/10年）＞民勤（4.1 mm/10年）＞涼州（3.7mm/10年）＞古浪2.3 mm/10年。年大風日數(shù)從南向北依次為天祝64.7 d、古浪3.8 d、涼州 10.0 d、民勤20.3 d，呈南北多、中間少的特點。近60年大風日數(shù)變化規(guī)律為天祝呈增加趨勢，年際傾向率為5.4 d/10年，其他地區(qū)呈減少趨勢，年際傾向率為民勤（-3.3 d/10年）＞涼州（-2.9 d/10年）＞古浪（-0.5 d/10年）。年沙塵暴日數(shù)從南向北依次為天祝0.8 d、古浪2.4 d、涼州5.7 d、民勤22.2 d，民勤由于特殊的地理位置（三面被沙漠包圍），成為沙塵暴的多發(fā)區(qū)。隨著時間變化各地沙塵暴日數(shù)呈減少趨勢，年際傾向率為民勤（-7.1 d/10年）＞涼州（-2.8 d/10年）＞古浪（-1.1 d/10年）＞天祝（-0.4 d/10年）。由于全球劇烈變暖促使南方海洋水汽向北輸送，致使河西走廊東部近60年來年降水量總體呈緩慢增加趨勢，加上區(qū)域生態(tài)的重建和恢復，使得該區(qū)沙塵暴日數(shù)呈顯著減少態(tài)勢，民勤尤為顯著，平均以7.1 d/10年的速度減少。

3 小結

1）武威市氣溫呈上升趨勢，增溫速度為0.39℃/10年，1999—2008年增溫最快；氣溫在1967年和2013年發(fā)生了顯著突變，存在 2～3年、3～4年的周期振蕩。四季氣溫均有上升，增溫速度為冬季＞秋季＞春季＞夏季?？臻g分布上呈南部低、北部高的特點；隨著時間的變化，各地氣溫均顯著上升，增溫速度是涼州＞民勤＝古浪＞天祝。

2）武威市降水量呈波動增加趨勢，年際傾向率為6.1 mm/10年，存在3個轉折點，1969—1978年由干旱轉為較濕潤，1979—1998年由較濕潤轉為較干旱，1999—2008年由較干旱轉為濕潤；在1962年和1991 年發(fā)生了顯著突變，存在 2～3 年、3～5 年、8～10年的周期振蕩。四季降水量除秋季持平外，其他季節(jié)呈增加趨勢，增幅為夏季＞春季＞冬季?？臻g分布上為南部降水量比北部多2.5倍，近60年變化特點是各地呈略增加趨勢，增幅為天祝＞民勤＞涼州＞古浪。

3）武威市年大風日數(shù)呈減少趨勢，年際傾向率為-0.4 d/10年。1959—1968年是近60年來大風日數(shù)最少期，1969—1978年則是最多期；在1967年和1973年發(fā)生了顯著突變；春季和夏季大風日數(shù)呈略減少趨勢，秋季呈持平狀態(tài)，冬季則呈略增加趨勢；春季大風日數(shù)的減少抵消了冬季大風日數(shù)的增多，夏季大風日數(shù)對全年大風日數(shù)的變化貢獻最大。年大風日數(shù)空間分布上呈南北多、中間少的特點；近年來變化規(guī)律為天祝呈增加趨勢，其他3個地區(qū)呈減少趨勢。

4）武威市年沙塵暴日數(shù)呈顯著減少趨勢，年際傾向率為-2.8 d/10年，近10年減少最明顯。1959年有顯著突變發(fā)生。四季沙塵暴日數(shù)減少速度為春季＝夏季＞冬季＞秋季。年沙塵暴日數(shù)空間分布上呈南少、北多的特點；變化規(guī)律是各地均呈減少趨勢，減少速度為民勤＞涼州＞古浪＞天祝。

綜合來看，近60年來武威市氣候暖濕化趨勢明顯，隨著石羊河流域綜合治理力度加大，大風日數(shù)和沙塵暴日數(shù)顯著減少，生態(tài)環(huán)境得到改善。