大柴旦地區(qū)降雨、溫度及蒸發(fā)變化特征分析

齊 燕

大柴旦地區(qū)降雨、溫度及蒸發(fā)變化特征分析

齊 燕

（長安大學 水利與環(huán)境學院，西安 710061）

【】探索影響雨養(yǎng)農業(yè)生產的關鍵氣象要素溫度、降水和蒸發(fā)的變化特征。以大柴旦1956—2017年的逐月降水量、溫度、蒸發(fā)量數據為基礎，采用線性傾向估計法、Mann-Kendall突變檢驗法、Morlet小波分析方法對該地區(qū)的降水量、溫度、蒸發(fā)量進行了系統(tǒng)分析。大柴旦地區(qū)降水量呈增多趨勢，溫度呈增高趨勢，蒸發(fā)量呈減小趨勢；通過改進的Mann-Kendall突變檢驗法確定2001—2002年為降水量序列上升突變點，溫度序列未發(fā)生突變，1998—1999年為蒸發(fā)量序列的減少突變點。降水量序列存在8、19 a和29 a左右的變化周期；溫度序列存在5、9、14 a和19 a左右的周期；蒸發(fā)量序列存在10 a和18 a左右的周期。預測大柴旦地區(qū)未來幾年降水量處于小周期減少期，溫度處于增高階段，蒸發(fā)量將處于減少期。

降水；溫度；蒸發(fā)；Mann-Kendall檢驗；Morlet小波函數；大柴旦

0 引言

【研究意義】氣候變化問題持續(xù)受到各界的關注。農業(yè)生產與氣候條件息息相關，溫度、降雨、蒸發(fā)等氣候因子的變化對農作物生長、農業(yè)生產活動產生巨大影響。適時認識氣候規(guī)律、氣象變化，及時采取有效的預防措施，是確保農業(yè)生產效率的重要途徑之一。

【研究進展】IPCC第5次氣候變化評估報告指出，1880—2012年全球表面平均溫度升高了0.85 ℃，變暖最為顯著[1]。我國在1909—2011年平均增溫0.9～1.5 ℃，其中北方增暖大于南方，內陸大于沿海，并且這種趨勢仍在延續(xù)[2]。受人為活動、大氣環(huán)流、地形等因素的影響，我國不同地區(qū)氣溫和降水的變化幅度有所不同[3-5]，表明響應全球變暖的過程和程度具有地域性和空間差異[6]。大柴旦位于青海省西北部、柴達木盆地北緣，干旱少雨，溫差較大，降水主要集中在夏季，屬于典型的內陸高原生態(tài)環(huán)境脆弱地帶[7]。自然降水是該區(qū)農業(yè)生產水分供給的直接來源，而以氣候變暖、降水量減少為主要特征的氣候變化會對雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)的種植結構及功能有著廣泛而顯著的影響[8]。蒸發(fā)是熱量和水資源平衡的重要組成部分，同時有調節(jié)相對濕度、溫度的作用[9]，蒸發(fā)量的變化對作物的蒸騰作用和水分利用率有重要影響。因此，深入研究大柴旦地區(qū)溫度、降水與蒸發(fā)的演變趨勢對農業(yè)發(fā)展及生態(tài)建設具有重要意義。

氣候變化引起的相關問題已經成為當前研究的熱點[10-11]，很多的學者對全球變暖背景下降水量、溫度和蒸發(fā)量的變化進行了研究。岳永杰等[12]分析了根河流域1980—2017年氣候的變化，結果表明該流域1980—2017年降水量沒有很大的變化，但是氣溫卻呈迅猛上升趨勢。馬日新等[13]分析了格爾木河流域近60年降水、蒸發(fā)及溫度的變化特征，表明該流域氣候由冷干向暖濕轉變，研究區(qū)降雨和溫度呈波動上升趨勢，而蒸發(fā)呈下降趨勢；李環(huán)環(huán)等[14]對腰壩綠洲降雨、蒸發(fā)序列進行了周期演變及趨勢預測，表明該地區(qū)降雨量呈增多趨勢，蒸發(fā)量呈顯著減少趨勢；何慶龍等[15]分析了延安市降水的年內和年際空間變化特征，結果表明年內汛期降雨占全年降雨的70%，且分布極為不均勻，年際降雨呈現“增-減-增”的波動減少趨勢。Bradley等[16]根據降雨量的伽馬分布分析了1850—1980年北半球陸地的年、季降雨的長期變化，結果表明中緯度降雨顯著增加，而低緯度降雨同時減小。Diza等[17]分析了1890—1986年沿各緯度帶及全球平均降雨指數，結果表明南半球自20世紀40年代以來除南方夏季外均呈正異常增加，而北半球的降雨指數幾乎沒有與時間的相關性。國內外學者對蒸發(fā)量的變化也做了大量研究，Golubev等[18]發(fā)現1950—1990年美國和蘇聯(lián)的蒸發(fā)量呈逐漸下降的趨勢。唐凱等[19]研究潮州市蒸發(fā)變化特征，發(fā)現年平均蒸發(fā)量有明顯的減少趨勢；邱新法等[20]和謝平等[21]分別研究黃河和東江流域蒸發(fā)量的變化也得到同樣的規(guī)律。

【切入點】以往對大柴旦雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)氣候變化的研究大多是討論降雨、溫度或者溫度、蒸發(fā)2種氣候因子，而對3種因子都討論的研究較少。此外，研究還存在選取時間序列短，也沒有分析未來氣候變化的趨勢等問題?！緮M解決的關鍵問題】因此，本文選用大柴旦氣象站1956—2017年的氣象資料，在分析降雨、溫度、蒸發(fā)序列線性趨勢變化的基礎上，利用Mann-Kendall檢驗法和小波分析法對降雨、溫度、蒸發(fā)序列進行突變與周期性分析，并預測未來氣象變化趨勢，以提高對大柴旦地區(qū)氣候變化趨勢的認識，揭示干旱半干旱區(qū)氣候變化區(qū)域差異性，對保護農業(yè)生產與生態(tài)環(huán)境建設具有十分重要意義。

1 數據與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青海省西北部，柴達木盆地北緣的大柴旦盆地內，地勢由山前洪積扇到洪積平原或湖積平原逐漸降低，地形由北向南傾斜。氣候類型屬于典型的內陸盆地氣候，冬季寒冷，夏季涼爽，晝夜溫差大，多年平均氣溫2.04 ℃，多年平均降雨量88.87 mm，多年平均蒸發(fā)量1 938 mm。

大柴旦地區(qū)總面積約有210萬hm2。該區(qū)可利用的農業(yè)用地1.3萬hm2；草場面積為39.16萬hm2，草場可利用面積為20.01萬hm2；林地面積為4.53萬hm2，其中灌木林地面積為3.73萬hm2，占林地面積的82.3%。研究區(qū)農作物主要有春小麥、冬小麥、青稞、馬鈴薯、油菜和線椒等。

1.2 數據來源

降水、溫度、蒸發(fā)數據為大柴旦氣象站氣象要素的月平均觀測資料，時間為1956年1月—2017年12月。

1.3 研究方法

采用一元線性回歸[21-22]模擬合方法分析氣候要素的變化趨勢，用氣候傾向率表征氣象要素變化程度；應用Mann-Kendall[23-25]非參數統(tǒng)計檢驗法對氣候要素進行突變檢驗，排除雜點，確定1956—2017年降水量、溫度、蒸發(fā)量因子的突變期；在以上2種方法的基礎上使用小波分析[26-29]確定氣候變化的周期性，不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示其變化的時間段，并預測氣候要素未來的變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 降水量、溫度及蒸發(fā)量變化特征

2.1.1 降水量變化特征

圖1為1956—2017年大柴旦年降水量變化曲線和月平均降水量分布圖。從圖1（a）可以看出，大柴旦地區(qū)降水量年際變化較大，最小年降水量為33.7 mm（1976年），最大降水量為168.2 mm（2017年），多年平均降水量為88.86 mm，降水量趨勢方程為=0.55+71.43，其相關系數為0.08（<0.05），變化傾向率為5.54 mm/10 a，表明1956年以來大柴旦地區(qū)降水量呈逐漸增加趨勢。

從圖1（b）可以看出，1956—2017年大柴旦地區(qū)降水量年內分配不均勻，降雨主要集中在6月和7月，分別占全年降水量的24.36%、24.83%；其次為5、8、9月，分別占全年降水量的12.93%、15.61%、8.33%；其余各月僅占全年總降水量的13.94%。

2.1.2 溫度變化特征

圖2為1956—2017年大柴旦溫度變化曲線和月平均溫度變化圖。從圖2（a）可以看出，大柴旦地區(qū)多年平均溫度呈上升趨勢，年溫度趨勢變化方程為=0.055+0.31，變化傾向率為0.55 ℃/10 a，相關系數為0.77（<0.01）。多年平均溫度為0.24℃，最大平均溫度為4.84 ℃（2009年），最小平均溫度為-0.34 ℃（1956年）。

從圖2（b）可以看出，與我國大多數地區(qū)溫度變化相似，大柴旦地區(qū)7、8月溫度最高，12、1月溫度最低，年內溫度變化幅度大，變化幅度可達29 ℃。

圖2 1956—2017年大柴旦溫度變化曲線和月平均溫度變化

2.1.3 蒸發(fā)量變化特征

圖3為1956—2017年大柴旦蒸發(fā)量變化曲線和月平均蒸發(fā)量變化圖。從圖3（a）可以看出，大柴旦地區(qū)的年蒸發(fā)量呈下降趨勢，其趨勢方程為=-14.95+2 409.1，其相關系數為0.49（<0.01），變化傾向率為-149.5 mm/10 a，多年平均蒸發(fā)量為1 938.2 mm，最大年蒸發(fā)量為2 369.1 mm（1973年），最小蒸發(fā)量為1 105 mm（2005年）。2000年之前，蒸發(fā)量變化較為穩(wěn)定，2000年以后，蒸發(fā)量急劇變小，產生這種現象的原因可能與日照時間有關，郭素榮等[30]提到2000年以后青海省的日照時間呈下降趨勢，這一現象可能導致該地區(qū)在降雨和溫度都增加的條件下，蒸發(fā)量范圍減小。

從圖3（b）可以看出，月平均蒸發(fā)量變化與溫度變化規(guī)律相似。5—8月蒸發(fā)量均在250 mm以上，占全年蒸發(fā)量的57.8%，3—4月、9—10月蒸發(fā)量次之，占全年蒸發(fā)量的33.1%，11月至次年2月蒸發(fā)量較小，僅占全年蒸發(fā)量的9.1%。

圖3 1956—2017年大柴旦蒸發(fā)量變化

2.2 降水量、溫度及蒸發(fā)量突變分析

運用Mann-Kendall檢驗方法對1956—2017年大柴旦地區(qū)的降水量、溫度、蒸發(fā)量序列進行突變檢驗（采用0.05顯著性檢驗值），結果見圖4。由圖4（a）可知，1956—2017年，>0，表明在這期間降雨呈增加趨勢，其中在1967、1970—1975、2010、2012、2015、2017年超過0.05顯著水平線，表明在這期間降水量的增加趨勢明顯。和曲線相交于1962—1963年、1964—1965年、1965—1966年、1975—1976年、1976—1977年、1977—1978年、1991—1992年、1992—1993年、1962—1963年、2001—2002年、2012—2013年、2013—2014年有些點實際上不是突變點，而是雜點，采用改進的Mann-Kendall突變檢驗法來排除雜點，最終確定2001—2002年為降水序列的突變點，且為上升突變點，突變前年降水量為49.2 mm，突變后年降水量為164.9 mm，增加了115.7 mm。

由圖4（b）可知，在1956—2017年，>0，表明在這期間溫度呈增加趨勢，且在1972年之后超過0.05顯著水平線，表明在這期間溫度增加趨勢明顯。和曲線相交于1987年，且交點位于0.05顯著水平線外，表明溫度系列不存在突變點。

由圖4（c）可知，在1960—1994年>0，表明在這期間蒸發(fā)量呈增加趨勢，且在1969—1982年之間超過0.05顯著水平線，說明在這期間蒸發(fā)量增加趨勢明顯；1956—1959年、1995—2017年<0，表明在這期間蒸發(fā)量呈減小趨勢，且在2004年之后超過0.05顯著水平線，表明2004年以后蒸發(fā)量減小趨勢明顯。和曲線相交于1998—1999年，采用改進的Mann-Kendall突變檢驗法，最終確定1998—1999年為蒸發(fā)序列的突變點，且為下降。

2.3 降水量、溫度及蒸發(fā)量小波分析

選用Morlet小波，對大柴旦地區(qū)1956—2017年降水量、溫度和蒸發(fā)量序列進行不同時間尺度的周期演變特征分析。

圖4 Mann-Kendall突變檢驗曲線

由圖5（a）可知，大柴旦年降水量在24～37、15～23、4～8 a的時間尺度上存在周期性，其中24～37 a尺度的震蕩最強且貫穿整個序列，1956—2017年的降水量變化表現為4個偏枯期和3個偏豐期，年降水量經過了“降-升-降-升-降-升-降”的變化規(guī)律。前文中提到2002年是大時間周期下降雨增加的轉折點，但是圖5（a）顯示2010—2017年小周期下的等值線負相關，且到2017年等值線還沒有完全閉合，說明大柴旦在未來一定時間內降水量減少的趨勢仍會持續(xù)下去。從圖5（b）可以看出，降水存在3個峰值，29 a的時間尺度為降水序列的第一主周期，說明大柴旦地區(qū)年降水29 a左右的周期振蕩最強，第二主周期為8 a，第三主周期為19 a，是降水進入小周期下降。

圖6為溫度序列小波變化系數實部和小波方差圖。由圖6（a）可知，大柴旦溫度序列在19～25、12～19、8～9、4～6 a的時間尺度上存在周期性。從圖6（b）可以看出，溫度序列存在5、9、14、19 a的震蕩周期，且14 a的周期震蕩最強，為溫度變化第一主周期，在14 a的尺度上，溫度經歷了7次“降-增”循環(huán)的變化規(guī)律，在14 a的尺度下，2017年等值線處于正相位，且等值線未閉合，推測未來一段時間大柴旦地區(qū)溫度處于增高階段。

圖5 降雨序列小波變換系數實部和小波方差圖

圖6 溫度序列小波變換系數實部和小波方差圖

圖7為蒸發(fā)量序列小波變化系數實部和小波方差圖。由7（a）可知，大柴旦蒸發(fā)序列在15～25、7～13 a的時間尺度上存在周期性。從圖7（b）可以看出，蒸發(fā)量序列存在10、18 a的震蕩周期，且18 a的周期震蕩最強，為蒸發(fā)量變化第一主周期，在18 a的尺度上，蒸發(fā)量經歷了4次“多-少”循環(huán)的變化規(guī)律，在18 a和10 a的尺度下，2017年以后小波系數實部等值線均為負相位，且等值線未閉合，推測未來一段時間大柴旦地區(qū)年蒸發(fā)量將處于偏少期。

圖7 蒸發(fā)序列小波變換系數實部和小波方差圖

3 討論

1956—2017年研究區(qū)年均氣溫呈明顯的上升趨勢，1956—2017年變幅不大，溫度序列未發(fā)生突變，未來一段時間大柴旦地區(qū)溫度處于增高階段，這與郭素榮等[30]研究結果一致。1956—2017年近61年研究區(qū)降水量在波動的過程中整體呈上升趨勢，2001—2002年為降雨序列上升突變點，降水序列存在8、19 a以及29 a左右的變化周期，預測大柴旦未來幾年降水量會處于小周期減少期，這與近50年西北地區(qū)氣溫與降水的變化趨勢是一致的[32-35]。1998—1999年為蒸發(fā)量序列下降突變點，2000年以后蒸發(fā)量呈下降趨勢，這與馬日新等[13]研究格爾木河流域蒸發(fā)量變化趨勢一致。

農業(yè)區(qū)受氣候變化的影響最大，加之人類活動的作用，部分地區(qū)出現草場退化、凍土退化等現象[35]，在一定程度上改變了原來的下墊面狀況，對其增溫起到了加速作用。研究發(fā)現近半個世紀青藏高原總云量的不斷減少導致云層對太陽輻射的吸收和反射作用被削弱，從而使太陽短波輻射更易直接到達地表導致該區(qū)氣溫升高，而低云量的增加促進了陣性降水的頻率，是導致青藏高原年降水量增加的最直接原因[36-37]。同時研究區(qū)由于其特殊的地理位置，深居西北內陸，距海遙遠，受局地水汽輸送的影響，可造成降水量處于小周期內減少趨勢。

一般認為，溫度升高、降水量增加，其蒸發(fā)量必然增加，但是本文研究發(fā)現，該地區(qū)的蒸發(fā)量從2000年開始有逐漸減小的趨勢。影響蒸發(fā)量變化的因素很多，主要有風速、相對濕度、降雨、水汽壓、日照時間、氣溫日較差等。禹東暉等[9]的研究結果表明，蒸發(fā)量與日照時間和氣溫日較差正相關，而與相對濕度、水汽壓、風速等呈負相關關系。而郭素榮等[31]對青海省氣候變化特征的研究中發(fā)現，青海省的日照時長和風速自2000年以來有明顯下降的趨勢，而本文中蒸發(fā)量的減少，可能與日照時長和風速這2個氣象因素的減小有關。

氣候變暖對熟制作物的推廣及森林生產力的提高具有促進作用，同時也增加了農業(yè)生產的風險[38]。就大柴旦雨養(yǎng)農業(yè)區(qū)而言，氣候變化將會嚴重沖擊該區(qū)的農業(yè)生產，而氣溫和降水量則是影響該區(qū)域植被結構和功能可持續(xù)的關鍵氣候要素。氣候的小周期暖干化趨勢會對研究區(qū)未來農業(yè)發(fā)展造成影響，為此，須因地制宜，趨利避害，科學調整農業(yè)生產格局，全力提高生產力水平，促進氣候變化背景下農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結論

1）1956—2017年大柴旦地區(qū)的降水量總體呈增長趨勢，變化傾向率為5.54 mm/10 a，降水量年內分配不均勻，主要集中在6、7月；通過改進的Mann-Kendall突變檢驗法確定了在大時間周期里2001—2002年為降水量序列的突變點，且為上升突變點，突變前后降水量增加了115.7 mm；降水量序列存在明顯的8、19 a和29 a左右的周期震蕩，小時間周期里2010—2017年降水量呈減少趨勢，且2017年負相位等值線在29 a左右的時間尺度上還沒有閉合，可知研究區(qū)未來幾年降水量仍處于小幅度減小趨勢。

2）1956—2017年大柴旦地區(qū)的溫度呈上升趨勢，變化傾向率為0.55 ℃/10 a，未發(fā)生突變；溫度序列存在5、9、14 a和19 a的震蕩周期，在14 a的尺度下、2017年等值線處于正相位，且等值線未閉合，預測未來一段時間大柴旦地區(qū)溫度處于增高階段。

3）1956—2017年大柴旦地區(qū)的年蒸發(fā)量呈下降趨勢，變化傾向率為-149.5 mm/10 a，通過改進的Mann-Kendall突變檢驗法確定1998—1999年為蒸發(fā)量序列的突變點，且為下降突變點，2000年之前，蒸發(fā)量變化較為穩(wěn)定，2000年以后，蒸發(fā)量急劇減小。蒸發(fā)序列存在10 a和18 a的震蕩周期，2017年以后小波系數實部等值線均為負相位，且等值線未閉合，預測未來一段時間大柴旦地區(qū)年蒸發(fā)量將處于偏少期。

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Variation of Rainfall, Temperature and Evaporation in the Region of Da Chaidan

QI Yan

(School of Water and Environment, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

【】Precipitation, temperature and evapotranspiration are factors controlling water resource dynamics and crop growth in a region. Taking the region of Da Chaidan as an example, this paper analyzed their evolution over the past 50 years.【】Monthly meteorological data measured from 1956 to 2017 at different weather stations across the region of Da Chaidan were used in the analysis. Linear tendency estimation, Mann-Kendall test and Morlet wavelet analysis were used to analyze the characteristics of precipitation, temperature and evaporation.【】Precipitation and temperature had both been in increase while the evaporation had been in a decline during the studied period. Mann-Kendall test showed that 2001—2002 was the abrupt changing point for precipitation, while 1998—1999 was the abrupt changing point for evaporation. In contrast, the temperature did not show any abnormal change during this period. Three periodicities were identified for precipitation: 8, 19, and 29 years, four for temperature: 5, 9, 14 and 19 years, and two for evaporation: 10 and 18 years.【】Precipitation in the region of Da Chaidan is likely to enter a reduction cycle in the coming years, while the temperature is likely to rise and annual evaporation decreases.

precipitation; temperature; evaporation; Mann-Kendall test; Morlet wavelet; Da Chaidan

P426

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021152

齊燕．大柴旦地區(qū)降雨、溫度及蒸發(fā)變化特征分析[J]. 灌溉排水學報, 2021, 40(11): 115-121.

QI Yan. Variation of Rainfall, Temperature and Evaporation in the Region of Da Chaidan[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 115-121.

1672 - 3317（2021）11 - 0115 - 07

2021-04-15

齊燕（1995-），女。碩士研究生，主要從事水利工程研究。E-mail: qy15619283620@163.com

責任編輯：趙宇龍