近63a黃河源區(qū)氣溫變化規(guī)律分析

藍(lán)云龍，黎 曙，關(guān)銅壘，李 霞，徐東坡，劉佳嘉

(1.黃河水利委員會(huì)西寧水文水資源勘測局，西寧，810008；2.中國水利水電科學(xué)研究院，北京，100038；3.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州，450003)

1 前言

近年來，在全球變暖的大背景下，氣候變化及其影響是關(guān)注研究的熱點(diǎn)[1]。黃河源區(qū)作為氣候變化敏感的區(qū)域，其氣候變化問題一直受到國內(nèi)眾多學(xué)者的關(guān)注和研究，郝振純等[2]指出，自1954-2007年黃河源區(qū)平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；易湘生等[1]基于滑動(dòng)平均、線性傾向估計(jì)、樣條函數(shù)插值和MK檢驗(yàn)等方法對(duì)黃河源區(qū)1961-2010年間氣溫變化進(jìn)行分析，分析表明，黃河源區(qū)年均氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，且冬季在進(jìn)入21世紀(jì)后增溫極為顯著；楊昭明等[3]基于黃河源區(qū)9個(gè)氣象站數(shù)據(jù)分析了黃河源區(qū)近57a的氣溫?cái)?shù)據(jù)，研究表明，黃河源區(qū)近57a年均氣溫、年均最大氣溫、年均最低氣溫均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)；孟憲紅等[4]基于黃河源區(qū)近50～60年氣候變化事實(shí)，指出黃河源區(qū)氣溫呈現(xiàn)顯著升溫趨勢(shì)，且自西向東升溫速率逐漸增加；王棟等[5]分析黃河源區(qū)1961-2016年年均氣溫變化特征，研究表明，黃河源區(qū)年均氣溫呈現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，突變年份為1997年。

總體來看，黃河源區(qū)氣候變化主要呈現(xiàn)為氣溫不斷升高的趨勢(shì)[2-6]。但是，由于不同的學(xué)者研究時(shí)所選的氣象站點(diǎn)不同、時(shí)間序列不一、分析方法不同、研究分區(qū)劃分單一等原因，使得對(duì)于黃河源區(qū)的氣候變化問題的認(rèn)識(shí)不夠深入。因此，為更好地分析探究黃河源區(qū)的氣候變化規(guī)律，本文根據(jù)黃河源區(qū)1956-2018年間63a的長時(shí)間序列氣溫?cái)?shù)據(jù)，分別對(duì)黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)，從周期性、突變性和趨勢(shì)性三方面進(jìn)行詳細(xì)分析，旨在為黃河源區(qū)的水資源、生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供參考。

2 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

黃河源區(qū)(唐乃亥水文站以上區(qū)域)位于青藏高原中部，流域面積達(dá)12.2km2，屬于典型的內(nèi)陸高原氣候，寒冷干燥，日夜溫差較大，冬冷夏涼，且輻射強(qiáng)，蒸發(fā)大。為更好地分析黃河源區(qū)氣溫變化特征，將黃河源區(qū)劃分為三個(gè)區(qū)間——黃河源頭區(qū)、黃河沿-瑪曲、瑪曲-唐乃亥[7-8]，如圖1所示，分別對(duì)黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)進(jìn)行氣溫變化特征分析。

本文選擇黃河源區(qū)及周邊14個(gè)國家氣象站點(diǎn)(見圖1)1956-2018年逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)資料，采用修正反距離加權(quán)平方法[9]和泰森多邊形法[10-11]對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行空間插值，對(duì)個(gè)別氣象站點(diǎn)缺測數(shù)據(jù)，采用其他站點(diǎn)相應(yīng)日期數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，由此得到黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)的氣溫?cái)?shù)據(jù)。

圖1 黃河源區(qū)研究分區(qū)及氣象站點(diǎn)空間分布

3 研究方法

3.1 Mann-Kendall趨勢(shì)性分析法

Mann-Kendall趨勢(shì)性分析法，通常稱之為MK檢驗(yàn)法，它作為一種非參數(shù)檢驗(yàn)，利用樣本數(shù)據(jù)計(jì)算的結(jié)果，表現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)的趨勢(shì)性變化以及顯著性突變，被大量學(xué)者廣泛用于水文領(lǐng)域長時(shí)間序列的趨勢(shì)性與突變性分析[12]。對(duì)于MK法而言，初始假設(shè)H0所代表的數(shù)據(jù)集X的樣本為獨(dú)立且同分布，且不存在趨勢(shì)性，而其備用選擇的假設(shè)H1表示數(shù)據(jù)集X中存在有且只有一個(gè)單調(diào)的趨勢(shì)性變化。該方法所構(gòu)造的統(tǒng)計(jì)量公式可表示如下：

(1)

其中，

(2)

式中，xj和xi為樣本的數(shù)據(jù)值，n為樣本容量，參數(shù)sgn(xi-xj)將根據(jù)xi-xj計(jì)算結(jié)果的正負(fù)分別表示為1、0和-1。如果計(jì)算結(jié)果-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2，則表示初始假設(shè)H0為真。同時(shí)MK法還有另一個(gè)量化指標(biāo)——傾斜度β，它可以用來表示數(shù)據(jù)的單調(diào)趨勢(shì)，β的計(jì)算公式表示如下：

(3)

式中，10時(shí)，則表示上升的趨勢(shì)，如果β>0且大于相應(yīng)置信度，則表示具有顯著性上升趨勢(shì)，否則為不顯著的上升趨勢(shì)；同理，當(dāng)β<0時(shí)，則表示下降的趨勢(shì)，如果β<0且小于相應(yīng)置信度，則表示具有顯著性下降趨勢(shì)，否則為不顯著的下降趨勢(shì)。

3.2 Pettitt突變性分析法

Pettitt突變檢驗(yàn)法[13]作為非參數(shù)檢驗(yàn)方法的一種，通常稱之為P突變，該方法簡單有效，對(duì)突變點(diǎn)的識(shí)別準(zhǔn)確度高，被廣泛應(yīng)用于確定長時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的突變點(diǎn)，得到長時(shí)間序列數(shù)據(jù)中的突變年份。P突變的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為Ut，N，其表達(dá)式如下：

(4)

根據(jù)上述公式計(jì)算所得的結(jié)果Ut，N可計(jì)算如下指標(biāo)：

Kt，N=max|Ut，N|，(1≤t≤N)

(5)

p=2exp[-6Kt，N2/(N3+N2)]

(6)

通常情況下，當(dāng)p≤0.05時(shí)，認(rèn)為數(shù)據(jù)中存在突變點(diǎn)。

3.3 小波周期性分析法

小波分析法主要描述水文各要素之間的相互關(guān)系以及存在的潛在規(guī)律，通常用于降水、徑流等要素的分析。眾多學(xué)者研究了多種小波基函數(shù)的適用性，大家一致認(rèn)為Morlet小波是使用最廣泛、效果最明顯、優(yōu)勢(shì)最突出的一個(gè)小波基函數(shù)，因此選擇該函數(shù)作為本文小波分析中的基函數(shù)[14]。Morlet函數(shù)的表達(dá)式為：

(7)

Morlet小波的傅里葉變換為：

(8)

其中i為虛數(shù)，t為時(shí)間，ω0、ω為常數(shù)。

4 結(jié)果與討論

4.1 趨勢(shì)性分析結(jié)果

采用上述MK檢驗(yàn)法對(duì)黃河源區(qū)1956-2018年連續(xù)63a年均氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，其變化過程線如圖2(a)所示，根據(jù)MK趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果，其中檢驗(yàn)指標(biāo)量Zc為5.332，該值大于0.05顯著性水平下的臨界值1.96，同時(shí)氣溫變化過程線的傾斜度β為0.0258，該值大于0，因此認(rèn)為黃河源區(qū)1956-2018年63a間氣溫呈現(xiàn)顯著性持續(xù)升溫趨勢(shì)。另外分別對(duì)其三個(gè)分區(qū)的年均氣溫進(jìn)行MK趨勢(shì)檢驗(yàn)，各分區(qū)年均氣溫變化過程線如圖2(b-d)所示，黃河源頭區(qū)MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Zc值為5.9252，大于0.05顯著性水平下的臨界值1.96，且傾斜度β為0.0345>0，故黃河源頭區(qū)氣溫呈現(xiàn)顯著性的升溫趨勢(shì)；黃河沿-瑪曲MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Zc值為5.937，大于0.05顯著性水平下的臨界值1.96，且傾斜度β為0.0314>0，故黃河沿-瑪曲氣溫呈現(xiàn)顯著性的升溫趨勢(shì)；瑪曲-唐乃亥MK檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Zc值為3.0308，大于0.05顯著性水平下的臨界值1.96，且傾斜度β為0.13>0，故瑪曲-唐乃亥氣溫呈現(xiàn)顯著性的升溫趨勢(shì)。綜上表明，黃河源區(qū)和其三個(gè)分區(qū)的氣溫呈現(xiàn)一致性的升溫趨勢(shì)。

從氣溫過程線和MK檢驗(yàn)指標(biāo)中的傾斜度β可知，黃河源區(qū)氣溫平均每10年增長0.258℃。三個(gè)分區(qū)中，黃河源頭區(qū)的氣溫增長速率最高，平均每10年增長0.345℃；黃河沿-瑪曲的氣溫增長速率次之，平均每10年增長0.314℃；瑪曲-唐乃亥的氣溫增長速率最低，平均每10年增長0.13℃。另外，黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)中，黃河源頭區(qū)年均氣溫最低，多年年均氣溫均在-4℃以下，這與該分區(qū)的海拔最高有直接關(guān)系。

(a)黃河源區(qū)

(b)黃河源頭區(qū)

(c)黃河沿-瑪曲

(d)瑪曲-唐乃亥 圖2 黃河源區(qū)1956-2018年年均氣溫變化趨勢(shì)

4.2 突變性分析結(jié)果

采用Pettitt突變檢驗(yàn)法對(duì)黃河源區(qū)1956-2018年年均氣溫進(jìn)行分析，檢驗(yàn)結(jié)果如圖3(a)所示，選擇0.05和0.01顯著性水平時(shí)，Pettitt突變檢驗(yàn)指標(biāo)p值為0.0016×10-4<0.05且0.0016×10-4<0.01，黃河源區(qū)氣溫存在顯著突變點(diǎn)，根據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量最大值可確定突變年份為1997年。再對(duì)黃河源區(qū)三個(gè)分區(qū)分別進(jìn)行Pettitt突變分析，檢驗(yàn)結(jié)果如圖3(b-d)所示，同樣選擇0.05和0.01顯著性水平，得到黃河源頭區(qū)Pettitt突變檢驗(yàn)指標(biāo)p值為0.0011×10-4<0.05且0.0011×10-4<0.01，故黃河源頭區(qū)氣溫存在顯著突變點(diǎn)，根據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量最大值可確定突變年份，并且突變年份與黃河源區(qū)的突變年份一致，均為1997年；黃河沿-瑪曲Pettitt突變檢驗(yàn)p值為0.00125×10-4<0.05且0.00125×10-4<0.01，故黃河沿-瑪曲氣溫存在顯著突變點(diǎn)，根據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量最大值可確定突變年份，突變年份與黃河源區(qū)突變年份一致，均為1997年；瑪曲-唐乃亥Pettitt突變檢驗(yàn)指標(biāo)p值為0.0077×10-2<0.05且0.0077×10-2<0.01，故瑪曲-唐乃亥氣溫存在顯著突變點(diǎn)，根據(jù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量最大值可確定突變年份，突變年份與黃河源區(qū)突變年份一致，均為1997年。

綜上表明，1956-2018年黃河源區(qū)與其三個(gè)分區(qū)的氣溫均存在突變點(diǎn)，突變年份均為1997年。

(a)黃河源區(qū)

(b)黃河源頭區(qū)

(c)黃河沿-瑪曲

(d)瑪曲-唐乃亥 圖3 黃河源區(qū)1956-2018年年均氣溫突變檢驗(yàn)結(jié)果

4.3 周期性分析結(jié)果

對(duì)黃河源區(qū)1956-2018年年均氣溫進(jìn)行小波分析研究其周期性，小波方差圖如圖4(a)所示。從圖中可知，黃河源區(qū)氣溫小波方差圖中同時(shí)存在三個(gè)峰值，即存在三個(gè)主周期。分別對(duì)第一、第二、第三主周期繪制相對(duì)應(yīng)的小波實(shí)部過程線圖，如圖4(b-d)所示，則確定1956-2018年黃河源區(qū)年均氣溫第一主周期為27a左右，第二主周期為7a左右，第三主周期為3a左右。

(a)黃河源區(qū)

(b)一級(jí)三周期

(c)二級(jí)主周期

(d)三級(jí)主周期 圖4 1956-2018年黃河源區(qū)年均氣溫小波方差及小波實(shí)部

對(duì)黃河源頭區(qū)1956-2018年年均氣溫進(jìn)行小波分析研究其周期性，小波方差圖如圖5(a)所示。從圖中可知，黃河源區(qū)氣溫小波方差圖中同時(shí)存在三個(gè)峰值，即存在三個(gè)主周期。分別對(duì)第一、第二、第三主周期繪制相對(duì)應(yīng)的小波實(shí)部過程線圖，如圖5(b-d)所示，則確定1956-2018年黃河源頭區(qū)年均氣溫第一主周期為27a左右，第二主周期為8a左右，第三主周期為3a左右。

(a)黃河源區(qū)

(b)一級(jí)主周期

(c)二級(jí)主周期

(d)三級(jí)主周期 圖5 1956-2018年黃河源頭區(qū)年均氣溫小波方差和小波實(shí)部

對(duì)黃河沿-瑪曲1956-2018年年均氣溫進(jìn)行小波分析研究其周期性，小波方差圖如圖6(a)所示。從圖中可知，黃河源區(qū)氣溫小波方差圖擁有兩個(gè)峰值，即存在兩個(gè)主周期。分別對(duì)第一、第二主周期繪制相對(duì)應(yīng)的小波實(shí)部過程線圖，如圖6(b-c)所示，則確定1956-2018年黃河沿-瑪曲年均氣溫第一主周期為7a左右，第二主周期為3a左右。

(a)黃河沿-瑪曲

(b)一級(jí)主周期

(c)二級(jí)主周期 圖6 1956-2018年黃河沿-瑪曲年均氣溫小波方差和小波實(shí)部

對(duì)瑪曲-唐乃亥1956-2018年年均氣溫進(jìn)行小波分析研究其周期性，小波方差圖如圖7(a)所示。從圖中可知，瑪曲-唐乃亥氣溫的小波方差圖中擁有三個(gè)峰值，即存在三個(gè)主周期。分別對(duì)第一、第二、第三主周期繪制相對(duì)應(yīng)的小波實(shí)部過程線圖，如圖7(b-d)所示，則確定1956-2018年瑪曲-唐乃亥年均氣溫第一主周期為27a左右，第二主周期為8a左右，第三主周期為3a左右。

(a)瑪曲-唐乃亥

(b)一級(jí)主周期

(c)二級(jí)主周期

(d)三級(jí)主周期 圖7 1956-2018年瑪曲-唐乃亥年均氣溫小波方差和小波實(shí)部

4.4 討論

1956-2018年黃河源區(qū)多年年均氣溫為-2.436℃，黃河源頭區(qū)多年年均氣溫為-4.852℃，黃河沿-瑪曲多年年均氣溫為-1.881℃，瑪曲-唐乃亥多年年均氣溫為-2.014℃，黃河源頭區(qū)年均氣溫最低，主要原因?yàn)樵摲謪^(qū)海拔較高。黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)年均氣溫均呈現(xiàn)顯著升溫趨勢(shì)，分析其原因，這與全球變暖大趨勢(shì)一致，三個(gè)分區(qū)的氣溫增幅差異應(yīng)該與各分區(qū)海拔高度以及下墊面差異有關(guān)。

1956-2018年黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)年均氣溫均呈現(xiàn)顯著性升溫趨勢(shì)，該結(jié)果與易湘生[1]、楊昭明[3]、孟憲紅[4]、王棟[5]等結(jié)論一致；1956-2018年黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)年均氣溫具有顯著突變點(diǎn)，突變年份為1997年，該結(jié)果與楊昭明[3]、王棟[5]等結(jié)論一致；1956-2018年黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)年均氣溫具有明顯周期性，該結(jié)果與王棟[5]結(jié)果有出入，可能與選擇數(shù)據(jù)系列年份、站點(diǎn)數(shù)量及位置有關(guān)。

5 結(jié)論

(1)從1956-2018年年均氣溫來看，黃河源區(qū)及其三個(gè)分區(qū)(黃河源頭區(qū)、黃河沿-瑪曲、瑪曲-唐乃亥)氣溫均呈現(xiàn)顯著性增長趨勢(shì)，且黃河源頭區(qū)氣溫增長速率最高，平均每10年增長0.345℃；

(2)1956-2018年間，黃河源區(qū)及三個(gè)分區(qū)(黃河源頭區(qū)、黃河沿-瑪曲、瑪曲-唐乃亥)年均氣溫均存在顯著突變點(diǎn)，且突變年份一致，突變年份均為1997年；

(3)黃河源區(qū)及其兩個(gè)分區(qū)(黃河沿-瑪曲、瑪曲-唐乃亥)均存在三個(gè)主周期，且一級(jí)主周期的周期均為27-28a左右，二級(jí)主周期的周期為7-8a左右，三級(jí)主周期的周期為3a左右；黃河源頭區(qū)有兩個(gè)主周期，第一主周期為7a左右，第二主周期為3a左右。