烏梁素海流域近60 年氣候變化特征研究

張保龍，于亮亮，趙宇新，劉艷麗，丁仕青，張 靜

（內(nèi)蒙古巴彥淖爾市氣象局，內(nèi)蒙古巴彥淖爾 015000）

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次評估報告認(rèn)為：人類活動極有可能是20 世紀(jì)中期以來全球氣候變暖的主要原因，可能性在95%以上，而過去的130 年全球升溫0.85 ℃。對某一地區(qū)氣候變化特征進(jìn)行分析研究，國內(nèi)已有先例。史軍等[1]研究了我國華東地區(qū)極端高溫的特征及成因，利用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對極端高溫進(jìn)行了躍變分析。劉可群等[2]采用氣候傾向率法分析了我國中部年、季平均氣溫變化的趨勢。王利娜等[3]采用泰森多邊形法計算了黃土高原區(qū)域面雨量，采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法研究了黃土高原近50 年降水量的時空變化特征?？到〉萚4]采用氣候傾向率法對烏梁素海流域近50 年氣候變化特征進(jìn)行了分析。張宇瑾等[5]采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法分析了烏梁素海東部流域的干旱特征及變化趨勢。包云軒等[6]采用EOF 分析法、Morlet 小波分析法和Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)法分析了環(huán)太湖地區(qū)氣候變化特征。呂睿喆等[7]采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法分析了烏梁素海流域內(nèi)氣溫、降水的長期變化趨勢和突變情況。上述研究或是針對我國不同地區(qū)分析，或是針對烏梁素海不同區(qū)域進(jìn)行分析，或是選擇單一要素采用單一方法進(jìn)行分析，目前對烏梁素海流域在長時間序列上的氣候變化特征的相關(guān)分析還較少。本文利用1960—2019 年氣象數(shù)據(jù)，采用氣候傾向率法、Morlet 小波分析法、Mann-Kendall 檢驗(yàn)法、EOF 分析法，分析烏梁素海流域氣候變化特征和趨勢，為該區(qū)域生態(tài)保護(hù)提供依據(jù)。

1 烏梁素海流域概述

烏梁素海是黃河多次改道形成的中國八大淡水湖之一，是黃河流域兩大淡水湖泊之一，也是全世界罕見的荒漠半荒漠地區(qū)大型草原湖泊。烏梁素海濕地是地球上同一緯度地區(qū)的最大濕地，也是深受國際關(guān)注的濕地系統(tǒng)生物多樣性保護(hù)區(qū)。烏梁素海位于巴彥淖爾市烏拉特前旗境內(nèi)，位于東經(jīng)108°40′～109°，北緯40°46′～41°7′，是內(nèi)蒙古自治區(qū)黃河流域內(nèi)最大的淡水湖泊。其最初為黃河改道而形成的河跡湖，后由于經(jīng)濟(jì)以及水利事業(yè)的發(fā)展，灌區(qū)各灌渠水源不斷流入平原東部的低地勢區(qū)域，即形成了現(xiàn)在的烏梁素海流域。

根據(jù)廣義的流域定義[8]，本文確定烏梁素海流域范圍應(yīng)為東至包頭市固陽縣，西至烏蘭布和沙漠，南至黃河后套灌區(qū)，北至狼山南麓的黃河流域，面積約3.4 萬km2（圖1）。此流域地處荒漠草原地帶，夏季炎熱少雨，冬季寒冷干燥，為典型的溫帶大陸性氣候。

2 資料與方法

2.1 資料來源

本文選用1960—2019 年烏梁素海流域內(nèi)9 個氣象站（磴口、烏拉特后旗、杭錦后旗、臨河、五原、烏拉特中旗、烏拉特前旗、大佘太、固陽）以及流域周圍的7 個氣象站（海力素、吉蘭泰、烏海、伊克烏素、包頭、達(dá)茂旗、白云鄂博）的氣溫、降水量月數(shù)據(jù)資料。3—5 月份為春季、6—8 月份為夏季、9—11 月份為秋季、當(dāng)年12 月份—翌年2 月份為冬季。

2.2 數(shù)據(jù)處理方法

氣候資料的非均一性直接影響到氣候分析研究結(jié)論的代表性和準(zhǔn)確性。對氣候資料序列進(jìn)行非均一性檢驗(yàn)和訂正，十分有必要[9]。1960—2019 年烏梁素海流域內(nèi)多個氣象站點(diǎn)由于站址遷移、儀器變更、新的平均值計算公式、觀測時次變化以及觀測者的系統(tǒng)誤差等原因，導(dǎo)致了氣候序列產(chǎn)生突然不連續(xù)（即斷點(diǎn)）。本文利用RHtests 軟件中提供的懲罰最大F 檢驗(yàn)方法[10-11]進(jìn)行檢驗(yàn)，很好地彌補(bǔ)了烏梁素海流域站點(diǎn)稀疏、參考站點(diǎn)篩選困難和元數(shù)據(jù)不完整的弊端。基于均一性檢驗(yàn)，采用RHtests 軟件包提供的分位數(shù)匹配（QM）對數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。

烏梁素海流域選用的16個氣象站，在1960—2019 年的氣溫、降水量月數(shù)據(jù)中共缺測33 個。由于氣溫、降水量數(shù)據(jù)具有不同特性，本文采取不同方法進(jìn)行插補(bǔ)[12]。氣溫數(shù)據(jù)根據(jù)顯著性水平α=0.01 檢驗(yàn)相鄰3 個測站同期數(shù)據(jù)的顯著性，建立多元線性回歸方程，插補(bǔ)缺測數(shù)據(jù)。降水量數(shù)據(jù)采用灰色預(yù)測理論的基本模型GM（1，1），插補(bǔ)缺測數(shù)據(jù)。

本文中烏梁素海流域的氣溫平均值采用算數(shù)平均法進(jìn)行計算，降水量平均值采用泰森多邊形法[13]進(jìn)行計算。

2.3 分析方法

本文研究烏梁素海流域氣溫、降水量在時間和空間的分布特征，采用氣候傾向率法分析氣象要素的時間變化趨勢，采用Morlet 小波分析法提取氣候要素序列周期，采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法判斷氣候要素變化趨勢與突變情況，采用EOF 分析法對資料序列進(jìn)行變化趨勢分析，判斷空間分布型。

3 氣溫變化特征分析

3.1 時間變化特點(diǎn)

1960—2019 年烏梁素海流域年平均氣溫為5.8 ℃，年際變化呈現(xiàn)波動上升趨勢（圖2），升溫趨勢顯著，平均每10 a 上升0.60 ℃（表1），各站點(diǎn)中五原站升幅最大（為0.88/10 a），包頭站升幅最?。?.38/10 a）。四季平均氣溫分別為8.0，20.6，6.4，-9.4 ℃，其中秋季平均氣溫最接近該地區(qū)基準(zhǔn)溫度。四季平均氣溫都呈現(xiàn)波動上升趨勢（圖3）。夏季上升明顯，為0.83 ℃/10 a；冬季上升緩慢，為0.49 ℃/10 a。年內(nèi)各月平均氣溫分布中，1 月份氣溫（-11.4 ℃）為全年最低月份，7 月份氣溫（22.7 ℃）為全年最高月份。

圖2 年際平均氣溫變化圖

表1 各站點(diǎn)年平均氣溫及氣溫傾向率

圖3 四季平均氣溫變化圖

3.2 空間分布特點(diǎn)

根據(jù)年平均氣溫數(shù)據(jù)，本文運(yùn)用反距離加權(quán)平均法繪制了年平均氣溫空間分布圖（圖4）。由圖4可知，年平均氣溫由南至北逐漸降低，氣溫最高站點(diǎn)為位于流域范圍內(nèi)西南方向的磴口站，年均氣溫達(dá)8.5 ℃，氣溫最低的站點(diǎn)為流域范圍內(nèi)最東邊的固陽站，年均氣溫僅為4.3 ℃。

圖4 年平均氣溫空間分布圖（審圖號：蒙S（2019）33 號）

Morlet 小波分析法在氣象要素變化周期分析中應(yīng)用廣泛[14]。由年平均氣溫小波變換分布圖（圖5）可知，1960—2019 年烏梁素海流域的年平均氣溫在不同時間尺度上存在著周期振蕩。圖5 中信號振蕩的強(qiáng)弱通過色標(biāo)差大小來表示，顏色越偏向于藍(lán)色（深色）表示氣溫越低于常年。由圖5 可知，明顯存在準(zhǔn)60 a 長期振蕩和準(zhǔn)32 a 中期振蕩。在準(zhǔn)60 a 長期振蕩期間，年平均氣溫呈現(xiàn)出冷→暖2 個交替的振蕩；在準(zhǔn)32 a 的中期振蕩期間，年平均氣溫呈現(xiàn)出暖→冷→暖3 個交替的振蕩。同時在2019 年所處的中期振蕩和長期振蕩中，小波變換等值線基本已閉合，則可推測自2019 年后的30 a 平均氣溫將轉(zhuǎn)為冷趨勢。

圖5 年平均氣溫小波變換分布圖

Mann-Kendall 檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗(yàn)法，該方法不需要原始數(shù)據(jù)服從一定分布，也不受少數(shù)異常值和缺失數(shù)據(jù)的影響，被廣泛應(yīng)用于統(tǒng)計領(lǐng)域中[14-15]。本文應(yīng)用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法[15]對烏梁素海流域年平均氣溫（圖6）和各氣象站平均氣溫進(jìn)行分析可知：年平均氣溫均呈顯著上升趨勢，且通過了置信度為99%的顯著性檢驗(yàn)；烏梁素海流域年平均氣溫在20 世紀(jì)60 年代呈波動下降，之后穩(wěn)定上升，1989 年UF 曲線在置信區(qū)間外與UB 曲線出現(xiàn)了一個交點(diǎn)，未通過突變檢驗(yàn)；大部分站點(diǎn)在20 世紀(jì)70 年代初以前年平均氣溫出現(xiàn)波動下降，以后出現(xiàn)明顯上升趨勢，且大部分站點(diǎn)通過顯著性水平α=0.01 的顯著性檢驗(yàn)，其中海力素站和烏拉特后旗站在20 世紀(jì)80 年代中期以前出現(xiàn)下降，以后出現(xiàn)明顯上升趨勢。

圖6 烏梁素海流域年平均氣溫突變特征曲線

經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)（EOF）分析法，也稱特征向量分析，是一種分析矩陣數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)特征，并提取主要數(shù)據(jù)特征量的方法[16-17]。本文采用EOF 分析法對烏梁素海流域各站年平均氣溫進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化展開分解，得到烏梁素海流域氣溫變化的空間分布圖和對應(yīng)特征量的時間系數(shù)變化曲線（圖7）。通過分析可知，氣溫第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為0.939，特征向量表現(xiàn)為整體一致偏少，杭錦后旗站、烏拉特后旗站偏少幅度小于其余站點(diǎn)。時間系數(shù)變化表明，1960—2019 年整個區(qū)域的氣溫有明顯升高趨勢，R2為0.787 9，線性擬合程度高，增暖趨勢顯著。1997 年以前的時間系數(shù)值大多為正，結(jié)合EOF 第一模態(tài)下的空間分布可知，杭錦后旗站、烏拉特后旗站氣溫增暖率高于其余站點(diǎn)；而1997 年以后，時間系數(shù)值轉(zhuǎn)為負(fù)值，杭錦后旗站、烏拉特后旗站的增暖率低于其余站點(diǎn)。

圖7 平均氣溫EOF 第一模態(tài)特征向量空間分布圖及時間系數(shù)變化曲線

4 降水量變化特征分析

4.1 時間變化特點(diǎn)

烏梁素海流域年平均降水量為190.1 mm，年際變化呈略微上升趨勢（圖8）。年降水量最大值（248.5 mm）出現(xiàn)在1979 年，最小值（49.9 mm）出現(xiàn)在1965 年。平均降水量每10 a 上升1.2 mm（表2），其中烏海站、伊克烏素站、吉蘭泰站出現(xiàn)減少趨勢，其余站點(diǎn)均為增加趨勢，增長最大站點(diǎn)為達(dá)茂旗站（5.6 mm/10 a）。

表2 各站點(diǎn)年平均降水量及降水量傾向率

圖8 年降水量和汛期降水量逐年變化圖

烏梁素海流域汛期降水量為36.2～202.4 mm，約占全年降水量的29.0%～89.6%，呈現(xiàn)略微下降趨勢。8 月份降水量（39.9 mm）為最大月份，12 月份降水量（0.9 mm）為最小月份（圖9）。

圖9 逐月降水量變化圖

烏梁素海流域平均降水日數(shù)為46.9 d/a，其中2003 年降水日數(shù)最多，達(dá)64.9 d，1974 年最少，僅為34.1 d。平均降水日數(shù)緩慢下降，每10 a 下降0.2 d。降水量略微上升，降水日數(shù)緩慢下降，單日降水量逐漸增大。

4.2 空間分布特點(diǎn)

根據(jù)年平均降水量數(shù)據(jù)，本文運(yùn)用反距離加權(quán)平均法繪制了年平均降水量空間分布圖（圖10）。由圖10 可知，年平均降水量由東至西逐漸減少[18]，降水量最小站點(diǎn)為烏拉特后旗站，僅140.2 mm，最大站點(diǎn)為固陽站，達(dá)303.2 mm。

圖10 年平均降水量空間分布圖（審圖號：蒙S（2019）33 號）

由年平均降水量小波變換分布圖（圖11）可知，1960—2019 年烏梁素海流域年平均降水量在不同時間尺度上存在著周期振蕩[14]，明顯存在準(zhǔn)60 a 長期振蕩、準(zhǔn)32 a 中期振蕩和準(zhǔn)10～15 a 的短期振蕩。在準(zhǔn)60 a 長期振蕩期間，年平均降水量呈現(xiàn)出少→多→少3 個交替的振蕩；在準(zhǔn)32 a 的中期振蕩期間，年平均降水量呈現(xiàn)出多→少→多3 個交替的振蕩；準(zhǔn)10～15 a 的短期振蕩期間，年平均降水量呈現(xiàn)出多→少→多→少→多→少→多7 個交替的振蕩。同時在2019 年所處的短期振蕩中，小波變換等值線基本閉合，則可推測自2019 年后的10～15 a 平均降水量將轉(zhuǎn)為減少趨勢。

圖11 年降水量小波分布圖

本文采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法[15]對流域年平均降水量和各站年降水量進(jìn)行分析（表3）可知，烏海站、伊克烏素站年降水量呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，其余站點(diǎn)和流域年平均降水量出現(xiàn)不同程度的上升變化，其中海力素站1.28＜Z＜1.64，通過置信度90%的顯著性檢驗(yàn)，呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。

表3 烏梁素海流域年、汛期各站點(diǎn)降水量變化趨勢檢驗(yàn)統(tǒng)計值

汛期降水量變化趨勢和年降水量變化趨勢不完全一致，流域汛期降水量出現(xiàn)下降趨勢，除臨河站、大佘太站、海力素站出現(xiàn)上升趨勢外，其余站點(diǎn)均為下降趨勢，其中烏海站-2.23＜Z＜-1.64，通過置信度95%的顯著性檢驗(yàn)，下降趨勢明顯。

本文采用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法對烏梁素海流域年降水量進(jìn)行突變特征分析（圖12）可知，年降水量整體呈波動式增加趨勢，UF 曲線在置信區(qū)間內(nèi)與UB 曲線有多個交點(diǎn)，表明年降水量出現(xiàn)了多次突變。由UF 曲線的變化趨勢可知，在1961 年降水量從偏多向偏少變化，1969 年降水量從偏少向偏多變化，1971 年降水量從偏多向偏少變化，1975 年降水量從偏少向偏多變化，各站降水量變化均不一致。

圖12 烏梁素海流域年降水量突變特征曲線

本文采用EOF 分析法對烏梁素海流域各站年平均降水量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化展開分解，得到烏梁素海流域降水量EOF 第一模態(tài)特征向量空間分布圖及時間系數(shù)變化曲線（圖13）。降水量第一模態(tài)方差貢獻(xiàn)率為0.612，第二模態(tài)、第三模態(tài)方差貢獻(xiàn)率均低于0.1，所以主要分析第一模態(tài)。第一模態(tài)特征向量為整個區(qū)域一致偏多，磴口站偏多，幅度小于其余站點(diǎn)。時間系數(shù)圖中整個區(qū)域降水量出現(xiàn)正負(fù)交叉的現(xiàn)象。當(dāng)時間系數(shù)為正時，整個區(qū)域一致偏多，磴口站降水量增幅小于其余站點(diǎn)；當(dāng)時間系數(shù)為負(fù)時，整個區(qū)域一致偏少，磴口站降水量增幅大于其余站點(diǎn)。

圖13 降水量EOF 第一模態(tài)特征向量空間分布圖及時間系數(shù)變化曲線

5 結(jié)論

本文根據(jù)廣義的流域定義確定了烏梁素海流域的范圍，選用1960—2019 年烏梁素海流域內(nèi)9 個氣象站和流域周圍的7 個氣象站的氣溫、降水量月數(shù)據(jù)資料，對已有數(shù)據(jù)進(jìn)行均一性檢驗(yàn)、訂正和插補(bǔ)，采用算數(shù)平均值法計算流域平均氣溫，采用泰森多邊形法計算流域平均降水量，采用氣候傾向率法、Morlet 小波分析法、Mann-Kendall 檢驗(yàn)法、EOF 分析法分析氣象要素在時間和空間的分布特征，得出以下結(jié)論：

（1）烏梁素海流域平均氣溫5.8 ℃，年平均氣溫由南向北逐漸降低，7 月最高、1 月最低，每10 a 上升0.60 ℃，年、四季平均氣溫都呈現(xiàn)顯著升高趨勢。明顯存在準(zhǔn)60 a 長期振蕩和準(zhǔn)32 a 中期振蕩，在準(zhǔn)32 a 的中期振蕩期間，年平均氣溫呈現(xiàn)出暖→冷→暖3 個交替的振蕩。該流域年平均氣溫在20 世紀(jì)60 年代呈波動下降，之后一直維持穩(wěn)定上升趨勢，大部分站點(diǎn)通過顯著性水平α=0.01 的顯著性檢驗(yàn)。EOF 第一模態(tài)特征向量為流域一致型，方差貢獻(xiàn)率為0.939，隨時間變化增暖趨勢顯著，其中杭錦后旗站、烏拉特后旗站變化率小于其余站點(diǎn)。

（2）烏梁素海流域年平均降水量為190.1 mm，年平均降水量自東向西逐漸減少，年際變化略微上升，每10 a 上升1.2 mm，全年降水量主要集中在汛期，占全年降水量的29.0%～89.6%；降水日數(shù)出現(xiàn)緩慢下降趨勢，單日降水量將逐漸增大。存在準(zhǔn)60 a長期振蕩、準(zhǔn)32 a 中期振蕩和5～10 a 的短期振蕩，在準(zhǔn)32 a 的中期振蕩期間，年降水量呈現(xiàn)出多→少→多3 個交替的振蕩。該流域年平均降水量呈上升趨勢，汛期降水量呈下降趨勢，各站年降水量變化趨勢各不一致。EOF 第一模態(tài)特征向量為流域一致型，方差貢獻(xiàn)率為0.612，隨時間變化表現(xiàn)出正負(fù)交叉出現(xiàn)，其中磴口站偏多，幅度小于其余站點(diǎn)。

（3）本文中所分析的氣候變化特征僅是1960—2019 年烏梁素海流域相關(guān)氣象數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，而這些變化的物理機(jī)制還有待進(jìn)一步探討。