長(zhǎng)江源區(qū)氣溫序列趨勢(shì)變化及突變年份識(shí)別

馬 蓮，楊 穎，劉增輝，司劍華，盧素錦*，高云鶴， 祁 玥，金 誠(chéng)，繆 言，哈妍暉，寇啟超，李紅梅

(1.青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，青海 西寧 810016； 2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016； 3.青海省氣候中心，青海 西寧 810001)

聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告中指出，21世紀(jì)全球氣溫將會(huì)不斷升高，全球變暖的程度將繼續(xù)不斷增大[1]。在全球變暖趨勢(shì)日益加強(qiáng)的背景下，中國(guó)近一個(gè)世紀(jì)的氣溫在不斷上升[2]，變暖過(guò)程具有一定的波動(dòng)性，在空間、時(shí)間上存在顯著的不同[3]。氣溫是氣候變化最基礎(chǔ)的研究指標(biāo)之一，其與氣候的預(yù)測(cè)、氣候的模式等研究有著十分重要的聯(lián)系[3]。

長(zhǎng)江源區(qū)地處青藏高原腹地(33°43′56″N～35°34′57″N，92°07′05″E～94°01′27″E)，孕育了長(zhǎng)江流域，具有極其重要的生態(tài)地位。由于氣候變暖及人類(lèi)活動(dòng)的加劇，源區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了冰川融化、雪線(xiàn)高度上升、地下水水量減少等現(xiàn)象，對(duì)長(zhǎng)江流域可持續(xù)發(fā)展、資源開(kāi)發(fā)利用、動(dòng)植物生存環(huán)境以及人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)了嚴(yán)重的威脅[4]。韓國(guó)軍[2]研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原氣溫呈上升趨勢(shì)，年均氣溫、極端高溫和極端低溫均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，區(qū)域極端降水呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。葉秣麟等[5]通過(guò)對(duì)已重建的黃河源區(qū)1618—2009年5—6月最高氣溫序列的代表性空間、突變及周期的分析，揭示了其長(zhǎng)時(shí)間尺度的變化規(guī)律。齊冬梅等[6]研究發(fā)現(xiàn)，從20世紀(jì)60年代開(kāi)始，長(zhǎng)江源區(qū)年及四季氣溫呈顯著增溫趨勢(shì)，預(yù)計(jì)到2050年，源區(qū)氣溫以及降水量會(huì)不斷增加。長(zhǎng)江源區(qū)氣溫增加會(huì)導(dǎo)致降水量增大、冰山面積不斷縮減[6]。探索長(zhǎng)江源區(qū)氣候變化規(guī)律，了解該源區(qū)的氣溫特點(diǎn)和趨勢(shì)，對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)氣候變化的應(yīng)對(duì)和生態(tài)環(huán)境的保護(hù)具有重要意義。由于近幾年有關(guān)長(zhǎng)江源區(qū)氣溫序列趨勢(shì)及突變年份變化的研究相對(duì)較少，本文以長(zhǎng)江源區(qū)9個(gè)具備代表性的站點(diǎn)(沱沱河、五道梁、曲麻萊、玉樹(shù)、安多、雜多、治多、囊謙和清水河)為研究對(duì)象，對(duì)59年(1961—2019年)來(lái)各站點(diǎn)的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究源區(qū)氣溫序列趨勢(shì)和突變規(guī)律，為長(zhǎng)江源區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化政策的制定提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)整理與監(jiān)測(cè)

圖1 長(zhǎng)江源區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Distribution of weather stations in the source region of the Yangtze River

(1)1961—2015年氣溫?cái)?shù)據(jù)。本研究選取1961—2015年9個(gè)站點(diǎn)(沱沱河、五道梁、曲麻萊、玉樹(shù)、雜多、治多、囊謙和清水河站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)由青海氣候研究中心提供，安多站點(diǎn)氣溫?cái)?shù)據(jù)由西藏氣候中心提供)。數(shù)據(jù)按月分為月均、月均最高和月均最低氣溫3個(gè)指標(biāo)。將研究的9個(gè)站點(diǎn)分成3個(gè)地區(qū)，分別是低緯度區(qū)(曲麻萊、清水河和五道梁)，中緯度區(qū)(雜多、囊謙和沱沱河)和高緯度區(qū)(治多、玉樹(shù)和安多)。

(2)2016—2019年氣溫?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。2016—2019年的氣溫?cái)?shù)據(jù)由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到，分別在9個(gè)氣象站點(diǎn)進(jìn)行365 d連續(xù)的氣溫監(jiān)測(cè)，主要數(shù)據(jù)有每日平均氣溫、每日平均最高氣溫和每日平均最低氣溫。站點(diǎn)氣溫采集使用型號(hào)為L(zhǎng)DX-RM-lx014的干、濕溫度計(jì),最高、最低溫度用型號(hào)為CRM8-XH-202溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)定。將溫度計(jì)安裝在百葉箱中，放置在水平位置。利用溫度計(jì)測(cè)定時(shí)，一端距離地面保持 1.5 m。

1.2 分析方法

采用線(xiàn)性回歸法[7]、Spearman相關(guān)檢驗(yàn)法[7-8]、ArcGIS地圖法[5-8]對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)氣溫趨勢(shì)進(jìn)行分析，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法[7-9]進(jìn)行氣溫突變點(diǎn)識(shí)別。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel表格對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，對(duì)年均氣溫、年均最高氣溫和年均最低氣溫?cái)?shù)據(jù)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析；采用SPSS軟件進(jìn)行Spearman相關(guān)檢驗(yàn)，分析其是否存在顯著性；采用ArcGIS地圖法對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)各氣溫進(jìn)行空間變率分析；基于Mann-Kendall檢驗(yàn)法，利用Matlab語(yǔ)言分析突變年份。

2 結(jié)果與分析

2.1 1961—2019年長(zhǎng)江源區(qū)不同緯度氣溫變化趨勢(shì)分析

(1)低緯度區(qū)氣溫變化趨勢(shì)分析。近59年來(lái)，曲麻萊、清水河和五道梁3個(gè)站點(diǎn)的3種氣溫趨勢(shì)均為波動(dòng)性上升，氣溫最高的是曲麻萊，最低的是五道梁。曲麻萊和清水河氣溫在2017年有較大的增長(zhǎng)，五道梁的年均最高溫度在2017年明顯下降。曲麻萊和清水河的年均最低氣溫的增溫幅度大致相同，在2016年大幅度提高，五道梁呈下降趨勢(shì)(圖2)。

圖2 低緯度區(qū)不同氣溫變化趨勢(shì)(1961—2019年)Fig.2 Different temperature changes in low latitudes(1961—2019)

采用Spearman相關(guān)檢驗(yàn)法，對(duì)曲麻萊、清水河和五道梁的氣溫進(jìn)行顯著性分析(表1)， 3個(gè)站點(diǎn)的年均氣溫、年均最高氣溫和年均最低氣溫變化都具有顯著性(P<0.05)，且都為上升趨勢(shì)，其中年均氣溫和年均最低氣溫變化較明顯(P<0.05)。

(2)中緯度區(qū)氣溫變化趨勢(shì)分析。近59年來(lái)，雜多、囊謙和沱沱河3個(gè)站點(diǎn)的3種氣溫都為上升趨勢(shì)，并且具有一定的波動(dòng)性，氣溫最高的是囊謙，最低的是沱沱河。除囊謙外，雜多和沱沱河都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；雜多、囊謙和沱沱河3個(gè)站點(diǎn)的升溫幅度大致相同(圖3)；對(duì)雜多、囊謙和沱沱河的年均、年均最高和年均最低氣溫進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(表1)發(fā)現(xiàn)，3個(gè)站點(diǎn)的年均、年均最高、年均最低氣溫隨時(shí)間變化具有顯著性(P<0.05)，且都呈上升趨勢(shì)。

圖3 中緯度區(qū)不同氣溫變化趨勢(shì)(1961—2019年)Fig.3 Different temperature changes in mid-latitudes(1961—2019)

(3)高緯度區(qū)氣溫變化趨勢(shì)分析。近59年來(lái),治多、玉樹(shù)和安多的氣溫波動(dòng)較為穩(wěn)定，玉樹(shù)的氣溫在2015年達(dá)到了較高點(diǎn)，之后迅速下降,造成了明顯的氣溫差，治多呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢(shì)；治多和玉樹(shù)的年均最高氣溫也呈上升趨勢(shì)，波動(dòng)較為穩(wěn)定，玉樹(shù)在2015年出現(xiàn)了最低溫度。安多在1994年和2006年溫度較高，其余年份波動(dòng)穩(wěn)定；1992年安多出現(xiàn)了最低溫度，之后處于逐步上升趨勢(shì)(圖4)。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)，治多、玉樹(shù)和安多3個(gè)站點(diǎn)的氣溫都隨時(shí)間變化具有顯著上升趨勢(shì)(P<0.05)(表1)。

圖4 高緯度區(qū)不同氣溫變化趨勢(shì)(1961—2019年)Fig.4 Different temperature changes in high latitudes(1961—2019)

2.2 1961—2019年長(zhǎng)江源區(qū)氣溫變化趨勢(shì)比較

2016—2019年，長(zhǎng)江源區(qū)的氣溫都呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。其中，年平均氣溫波動(dòng)比較穩(wěn)定，年均最高氣溫在1995年之后波動(dòng)變化明顯，年均最低氣溫?zé)o較大的波動(dòng)，較為穩(wěn)定(圖5)。經(jīng)顯著性檢驗(yàn)(表1)，長(zhǎng)江源區(qū)的年均氣溫、年均最高氣溫、年均最低氣溫隨時(shí)間改變都具有顯著性(P<0.05)，年均最低氣溫呈現(xiàn)出極顯著趨勢(shì)(P<0.01)。

圖5 長(zhǎng)江源區(qū)不同氣溫變化趨勢(shì)(1961—2019年)Fig.5 Different temperature changes in the source region of the Yangtze River(1961—2019)

表1 長(zhǎng)江源區(qū)氣溫趨勢(shì)顯著性分析(1961—2019年)

長(zhǎng)江源區(qū)的年均氣溫和年均最高氣溫分別為-0.90 ℃和14.62 ℃，其中，囊謙的年均氣溫和年均最高氣溫最高，分別為4.24 ℃和21.8 ℃，五道梁的年均氣溫最低，為-5.10 ℃和10.43 ℃；長(zhǎng)江源區(qū)的年均最低氣溫為-15.31 ℃，最低氣溫在清水河，為-22.72 ℃，最高氣溫在雜多，為-13.56 ℃(表2)。

長(zhǎng)江源區(qū)氣溫升高趨勢(shì)一致，但增溫幅度有所不同。其中，年均氣溫最大傾向率在曲麻萊(1.09 ℃/10a)，年均最高氣溫和年均最低氣溫的最大傾向率均在沱沱河，分別為1.28 ℃/10a和1.17 ℃/10a；年均氣溫的最小傾向率在囊謙和治多，均為0.44 ℃/10a，年均最高氣溫和年均最低氣溫的最小傾向率均在囊謙，分別為0.48 ℃/10a和0.30 ℃/10a(表2)。

表2 長(zhǎng)江源區(qū)氣溫趨勢(shì)比較(1961—2019年)

2.3 1961—2019年長(zhǎng)江源區(qū)氣溫空間變率分布比較

圖6為由9個(gè)站點(diǎn)的氣溫傾向率得出長(zhǎng)江源區(qū)的年均氣溫、年均最高氣溫、年均最低氣溫的空間變率分布圖。研究區(qū)站點(diǎn)的年均氣溫變化值為低緯度區(qū)>中緯度區(qū)>高緯度區(qū)，最高的傾向率出現(xiàn)在玉樹(shù)，最低的傾向率出現(xiàn)在五道梁及沱沱河；研究區(qū)西南及西部的最高氣溫的傾向率要高于北部站點(diǎn)地區(qū)，其中，清水河以及玉樹(shù)溫度傾向率最高，五道梁氣溫傾向率最低；年均最低氣溫的傾向率依次為東部、北部和西部站點(diǎn)地區(qū)，最高的傾向率是位于玉樹(shù)，最小的在五道梁(圖6)。

圖6 長(zhǎng)江源區(qū)氣溫空間變率分布(1961—2019年)Fig.6 Distribution of spatial variability of temperature in the source region of the Yangtze River(1961—2019)

2.4 1961—2019年長(zhǎng)江源區(qū)氣溫變化突變檢驗(yàn)

應(yīng)用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)的年均氣溫、年均最高氣溫、年均最低氣溫進(jìn)行突變分析(圖7)。源區(qū)的年均最高氣溫在1968年發(fā)生突變；年均最低氣溫在2000年發(fā)生氣溫升高突變；年均氣溫沒(méi)有明顯的突變現(xiàn)象。

圖7 長(zhǎng)江源區(qū)氣溫突變檢驗(yàn)(1961—2019年)Fig.7 Mutation test of temperature in the source region of the Yangtze River(1961—2019)

對(duì)各站點(diǎn)氣溫用Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行突變識(shí)別(表3)，長(zhǎng)江源區(qū)的9個(gè)氣象檢測(cè)分布點(diǎn)中，曲麻萊、沱沱河和雜多的年均氣溫的突變年份均在2000年之前，而治多、玉樹(shù)和囊謙在2000年之后存在突變現(xiàn)象，其他3個(gè)站點(diǎn)由于氣溫一直保持上升狀態(tài)，沒(méi)有明顯的突變現(xiàn)象；年均最高氣溫，有突變的站點(diǎn)年份均在2000年之前，其中清水河、五道梁和安多3個(gè)站點(diǎn)突變年份比較接近；曲麻萊和安多年均最低氣溫突變年份在1995年之前，清水河在2014年發(fā)生突變，其他站點(diǎn)的氣溫變化趨勢(shì)無(wú)明顯突變。

表3 長(zhǎng)江源區(qū)各站點(diǎn)的突變情況(1961—2019年)

3 討論與結(jié)論

強(qiáng)安豐等[10]研究長(zhǎng)江源區(qū)氣溫變化顯示，長(zhǎng)江源區(qū)氣溫變化明顯，年平均最高氣溫具有較大的傾向率，氣溫傾向率表現(xiàn)出高海拔站點(diǎn)大于低海拔站點(diǎn)。本研究中高緯度地區(qū)氣溫增加幅度大于低緯度地區(qū)，這與強(qiáng)安豐的研究結(jié)果一致。唐見(jiàn)等[11]的研究表明，長(zhǎng)江源區(qū)氣溫比較穩(wěn)定，而本研究中長(zhǎng)江源區(qū)氣溫存在著突變點(diǎn)，其原因可能與選取的氣象站點(diǎn)不同有關(guān)。本研究選取的安多站點(diǎn)隸屬于西藏地區(qū)，氣溫比源區(qū)其他站點(diǎn)的氣溫偏低，導(dǎo)致本研究中長(zhǎng)江源區(qū)的氣溫存在明顯的突變點(diǎn)[12-14]，與唐見(jiàn)等[11]的研究相比較，氣溫走向偏低。本研究中氣溫變化有兩次高峰期，這與楊建平等[15]的研究結(jié)果一致，氣溫與降水趨勢(shì)高峰期時(shí)間相近，這與降水過(guò)后氣溫有較大的回升，造成的溫差較大[16-21]有關(guān)。

楊建平等[15]在研究長(zhǎng)江源區(qū)1964—2014年的氣溫突變情況中發(fā)現(xiàn)，最高氣溫升幅明顯大于最低氣溫，其中沱沱河具有明顯的突變，這與本研究結(jié)果一致。齊冬梅等[5]研究得出的長(zhǎng)江源區(qū)年均氣溫?zé)o較大的波動(dòng)性，這與本研究結(jié)果基本一致。但齊冬梅等[5]得出的曲麻萊地區(qū)的最高氣溫有較大變化的結(jié)果，與本研究結(jié)果相反，這可能與其只選取了一個(gè)站點(diǎn)的氣溫?cái)?shù)值有關(guān)。

陳芳等[19]對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)的研究表明，1962年氣溫逐漸增加，到1970年氣溫上升趨勢(shì)顯著，在1975年后有一段時(shí)間氣溫較低，1984—1985年前后氣溫上升明顯。但本研究發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)江源區(qū)氣溫在1968年出現(xiàn)急劇升溫現(xiàn)象，與陳芳等[19]的研究結(jié)果有出入。陳芳等[19]的研究選取了6個(gè)站點(diǎn)(沒(méi)有序列較短的治多站點(diǎn))，且只分析了1961—2004年的氣溫?cái)?shù)據(jù)，本研究選取的9個(gè)站點(diǎn)，采用了1961—2019年的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析，時(shí)間序列更長(zhǎng)，站點(diǎn)更全面。

本研究通過(guò)對(duì)長(zhǎng)江源區(qū)9個(gè)具有代表性站點(diǎn)1961—2019年的氣溫?cái)?shù)據(jù)變化趨勢(shì)以及突變的研究分析，得出如下結(jié)論：

(1)長(zhǎng)江源區(qū)站點(diǎn)的氣溫都呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，但是增溫幅度有所差異，傾向率最高是1.28 ℃/10a，出現(xiàn)在年平均最高氣溫；年均氣溫和年均最低氣溫的最高傾向率均在1.10 ℃/10a左右。

(2)長(zhǎng)江源區(qū)9個(gè)站點(diǎn)中，年均氣溫的傾向率數(shù)值大多在0.30～0.90 ℃/10a，年均最高氣溫?cái)?shù)值變化波動(dòng)集中在0.61～0.67 ℃/10a，年均最低氣溫大多在0.30～0.65 ℃/10a。

(3)長(zhǎng)江源區(qū)的年均最高氣溫在1968年發(fā)生突變、年均最低氣溫在2000年發(fā)生突變，年均氣溫穩(wěn)定變化，沒(méi)有明顯的突變現(xiàn)象。

(4)長(zhǎng)江源區(qū)9個(gè)站點(diǎn)中，曲麻萊、沱沱河和雜多以及治多、玉樹(shù)和囊謙的年均氣溫發(fā)生突變的年份在2000年左右；1974—1999年最高氣溫發(fā)生突變的頻率最大；年均最低氣溫突變現(xiàn)象少有發(fā)生。

(5)長(zhǎng)江源區(qū)氣溫隨著年份變化不斷上升，氣溫趨勢(shì)呈現(xiàn)出中緯度地區(qū)>高緯度地區(qū)>低緯度地區(qū)。

(6)1961—2019年長(zhǎng)江源區(qū)的氣溫均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)。因此，提出應(yīng)對(duì)氣候變化的方法和策略迫在眉睫。