1957—2020年呂梁山區(qū)氣候變化特征及影響因素分析

張姚姚，劉政鑫，張思悅，徐德華，李繼彥

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引言

IPCC第5次氣候變化評估報告指出，近100年來全球平均溫度不斷升高．1900—2017年全球陸地平均氣溫升高趨勢為1.00±0.06 ℃/100 a，全球平均表面溫度0.86±0.06 ℃/100 a，全國近100年氣溫上升趨勢為0.5～0.8 ℃/100 a[1]，更新的近54年和近100年全國年平均地面氣溫升高趨勢顯著分別達(dá)到0.25 ℃/10 a和0.08 ℃/10 a[2]．嚴(yán)中偉等通過研發(fā)一系列均一化的長期氣溫觀測序列集，估算出近百年來中國氣候變暖趨勢遠(yuǎn)高于全球平均水平且整體氣溫呈上升趨勢大致為1.3～1.7 ℃/100 a[3]，平均氣溫最大增溫主要在東北、華北、西北和青藏高原北部．全球氣溫上升，勢將導(dǎo)致降水量的變化，全國年均降水量近40年呈不明顯減少趨勢但區(qū)域差異性明顯，華北和東南地區(qū)降水量減少，西南個別地區(qū)降水量有所增加[4-15]．

在全球氣候變暖的背景下，關(guān)于黃河流域氣候變化規(guī)律取得了諸多研究成果：從平均氣溫來看黃河流域平均氣溫呈上升趨勢，呈現(xiàn)出東高西低、南高北低的空間分布特征，其中平均最低氣溫變化對平均氣溫升高的貢獻(xiàn)率大于平均最高氣溫．黃河流域降水總體呈下降趨勢，空間上呈現(xiàn)南高北低的緯向分布特征，中游地區(qū)降水量減少明顯，近60來黃河流域中游和下游區(qū)域呈暖干化特征[16-17]．

呂梁山區(qū)位于黃河流域中游，是拱衛(wèi)黃河生態(tài)安全的重要屏障，生態(tài)系統(tǒng)脆弱[18]．呂梁山脈以西為黃土連續(xù)分布的典型黃土高原，水土流失嚴(yán)重，山脈以東黃土間斷分布,山脊一帶少量分布有草場資源與森林資源[19]．呂梁山區(qū)作為中國氣候敏感區(qū)之一，目前氣候變化方面的研究甚少，因此基于呂梁山區(qū)11個氣象站1957—2020年多年平均氣溫、平均最高(最低)氣溫和降水資料對呂梁山區(qū)氣候特征進(jìn)行研究，旨對呂梁山區(qū)連片貧困區(qū)合理開發(fā)利用氣候資源提供參考．

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究呂梁山區(qū)總面積約9.072萬km2，包括呂梁山脈及周邊地理單元，包含山西、陜西的部分地區(qū)(35°33′-39°37′N，109°63′-113°13′E，圖1)．該區(qū)為溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫5～13 ℃，多年平均降水量為330～500 mm，降水季節(jié)分布不均，光熱資源豐富，雨熱同季[20]．區(qū)域內(nèi)黃河干流與汾河支流從北到南縱貫而過，地勢起伏較大，土壤貧瘠，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱.煤炭、鋁土礦、鐵礦、鉀礦等礦產(chǎn)資源豐富，草場資源與森林資源較少．植被垂直地帶性和緯度地帶性特征明顯，優(yōu)勢樹種包括油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、白皮松(Pinusbungeana)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、云杉林(PiceaasperataMast)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、白樺(Betulaplatyphylla)、楊樹(Populusspecies)等[21-23]．

圖1 呂梁山區(qū)氣象站點分布

1.2 數(shù)據(jù)來源

所使用數(shù)據(jù)均來自國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)．對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行空間匹配與異常值剔除，最終選取呂梁山區(qū)11個氣象站點(河曲、五寨、興縣、原平、侯馬、介休、隰縣、臨汾、太原、呂梁、綏德)作為本文研究對象，其中山西境內(nèi)10個，陜西境內(nèi)1個．時段選擇1957—2020年，研究氣候要素有平均氣溫、平均最高(最低)氣溫和平均降水量．

1.3 研究方法

運用滑動平均和線性傾向評估法對1957—2020年的平均氣溫、年平均最高(最低)氣溫和年累計降水量進(jìn)行5a滑動平均值計算，得出滑動平均數(shù)據(jù)，然后分析其線性變化趨勢和變化幅度并對趨勢系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗．利用Mann-Kendall突變檢驗法分析呂梁山區(qū)氣溫和降水趨勢突變情況，確定突變時間，使用Kriging進(jìn)行空間插值得到呂梁山區(qū)氣溫與降水的空間分布格局并用Morlet連續(xù)小波分析研究呂梁山區(qū)氣溫和降水的周期性變化狀況．

2 結(jié)果與分析

2.1 時間特征分析

2.1.1 氣溫時間變化分析

對呂梁山區(qū)11個站點年平均氣溫做線性擬合以及滑動平均看出，1957—2020年呂梁山區(qū)年平均氣溫為9.79 ℃，變化趨向率以0.30 ℃/10a呈顯著升高，5a滑動平均曲線20世紀(jì)80年代前期上升(下降)趨勢不明顯，90年代后期顯著升高(圖2a)．相比較呂梁山區(qū)平均氣溫變暖趨勢高于全國平均氣溫變暖趨勢0.23 ℃/10a，其略低于黃河流域平均氣溫變暖趨勢0.32 ℃/10a[3]．年平均最高溫(圖2b)與年平均最低溫(圖2c)的趨勢相關(guān)系數(shù)分別為0.22 ℃/10a和0.30 ℃/10a，年平均最低氣溫變化強(qiáng)度高于年平均最高溫．從5a滑動曲線看，年平均最高溫(圖2b)整體呈上升趨勢，60年代—80年代年平均最高氣溫?zé)o明顯升高或降低，但自1995年以后升溫明顯，這與年平均氣溫變化趨勢一致，其中出現(xiàn)兩個高峰年分別為2006年、2010年．年平均最低溫(圖2c)整體呈下降趨勢，1957—1999年年平均最低氣溫呈偏低趨勢，最低值出現(xiàn)在1999年，自1999至今年近20年年平均最低溫呈偏高趨勢．根據(jù)1957—2020年氣溫M-K突變檢驗曲線看，UF和UB統(tǒng)計量曲線交點在α=0.05顯著水平測限±2.00臨界值之內(nèi)，認(rèn)定該數(shù)據(jù)存在突變性．其中根據(jù)UF和UB 兩條曲線的交點，確定年平均氣溫(圖2d)發(fā)生突變時間為1995年，年平均最高氣溫(圖2e)發(fā)生兩次突變分別為1973年和1995年.

圖2 1957—2020年呂梁山區(qū)年平均氣溫(a)、年平均最高(低)氣溫(b)(c)趨勢和年平均氣溫(d)、年平均最高(低)氣溫(e)(f)M-K突變檢驗

2.1.2 降水時間變化分析

1957—2020年呂梁山區(qū)年均累計降水為470.89 mm整體呈波動下降趨勢(圖3a)，變化速率為6.49 mm/10 a(未通過0.05顯著性水平檢驗)下降趨勢不明顯．60年代中期前降水偏多，峰值為1964年的741.31 mm，80年代和90年代降水量相對偏少上下波動明顯．年降水量M-K突變檢驗曲線(圖3b)可知，1957—2020年降水量發(fā)生兩次顯著突變，突變均發(fā)生在置信區(qū)間內(nèi)，60年代后期到80年代降水量減少，從2000年開始降水增多．

圖3 1957—2020年呂梁山區(qū)年平均降水量

2.2 空間特征分析

2.2.1 氣溫空間變化分析

1957—2020年呂梁山區(qū)氣溫空間分布如圖4，年平均溫度傾向率(圖4a)在0.19～0.42 ℃/10 a范圍內(nèi)，其中山脈東南部增溫速率較快，尤其是介休和臨汾盆地地區(qū)，而呂梁山區(qū)的北部和西部地區(qū)增溫速率較慢．區(qū)域年平均氣溫范圍在7.50～11.99 ℃之間，山區(qū)東南部年平均氣溫偏高，中部和西北部年平均氣溫偏低(圖4b)．年平均最高氣溫(圖4c)東南部臨汾和侯馬地區(qū)在36.4～38.7 ℃之間，西北部和中部在34.71～35.82 ℃之間，年平均最低溫(圖4d)北部河曲、西部綏德等區(qū)域氣溫在-29.84～-19.13 ℃，而東南部臨汾盆地地區(qū)年平均最低溫在-17.84～-15.07 ℃．

圖4 1957—2020年呂梁山區(qū)氣溫空間分布

2.2.2 降水空間變化分析

1957—2020年呂梁山區(qū)年降水量傾向率(圖5a)在 -1.51～-0.04 mm/10 a之間，自南向北降水量減少速率變小，整體差異不顯著．年均累計降水量(圖5b)南部臨汾、侯馬、隰縣等地區(qū)在463.24～521.20 mm之間，北部河曲縣、五寨縣、原平、興縣等地區(qū)在416.77～456.99 mm之間，中部離石區(qū)和太原在440.37～476.52 mm之間．如果僅以降水為標(biāo)準(zhǔn)衡量氣候狀況，呂梁山區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诎霛駶櫟貐^(qū)，年均降水量自南部向北部減少．

圖5 1957—2020年呂梁山區(qū)降水空間分布

3 氣溫變化的周期性

對呂梁山區(qū)近1957—2020年年平均氣溫、年平均最高溫(最低溫)以及年平均降水量進(jìn)行Morlet小波分析研究其周期性特征(圖6)可見，年平均氣溫(圖6a)在1970—2021年左右在4～7a和12～18a尺度內(nèi)存在高低值變化的振蕩周期，前者年代際尺度小、頻率高，存在時間為1979-2010年，后者年代際尺度大、頻率低，存在時間為1970—2010年．1973—2003年左右年平均最高溫(圖6b)在13～27a存在波數(shù)少、頻率低振蕩周期，年平均最低溫(圖6c)在13～23 a尺度內(nèi)存在波數(shù)少、頻率低振蕩周期．年平均最高(最低)氣溫在4～7a出現(xiàn)波數(shù)多、頻率高振蕩周期并存在于整個時間序列，在1990-2020年間出現(xiàn)2a頻率振蕩周期．年平均降水量(圖6d)除1977—1980年間在4～7 a無振蕩周期，其他年份在這個時間尺度內(nèi)周期振蕩波數(shù)多、頻率高，2a頻率在1967年前周期振蕩明顯，10～25a在1975—2010年存在波數(shù)少、頻率低年代際較大尺度的周期振蕩．

圖6 1957—2020年呂梁山區(qū)氣溫和降水變化小波分析

4 討論

呂梁山區(qū)以分水嶺為界可分為西部黃土丘陵溝壑區(qū)、中部山區(qū)和東部黃土丘陵區(qū)，受地形地勢、下墊面狀況影響，氣候要素在時空上分布有所差異．研究區(qū)年平均氣溫增溫速率達(dá)到0.30 ℃/10a，高于全國平均水平0.25 ℃/10a低于黃河流域平均水平0.33 ℃/10 a[16,24]．研究區(qū)年最高最低溫變化具有非對稱性，其降溫速率高于年平均最高溫增溫速率，夜間降溫趨勢明顯，白天氣溫變化較弱氣溫日較差逐漸變大，年平均氣溫升溫受年平均最低氣溫影響更為強(qiáng)烈，該研究結(jié)果與同時期黃土高原最高氣溫的增幅度大于最低氣溫，年平均氣溫升溫受年平均最高氣溫升高影響更為強(qiáng)烈結(jié)果相反，與華北平原研究結(jié)果一致．從空間上看，山區(qū)東南部和南部溫度和增溫速率高，中部和西北部較低，年平均氣溫增溫速率隨緯度升高而變大，年均降水量自南部向北部遞減，且降水量減小速率比北部地區(qū)快，即氣候暖干速率自南部向北部逐漸減慢，這與同時期同氣候區(qū)黃土高原和華北平原的空間分布一致[25-29]．呂梁山區(qū)屬于黃河流域中游地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，研究區(qū)年平均氣溫和年降水特征與同時期黃河流域氣溫在空間上呈南高北低，時間上顯著升高，降水空間上呈南高北低緯向分布特征一致，相較于黃河流域上游整體呈暖濕化特征，呂梁山所在地中游區(qū)域整體呈暖干化特征[30-32]．

在影響因素方面，在全球氣候變暖大背景下，呂梁山區(qū)的年平均氣溫和最高氣溫呈顯著升高趨勢．呂梁山區(qū)與之對比區(qū)域降水受大氣環(huán)流影響，盧愛剛等[15,33]研究得出近半個世紀(jì)控制我國夏季降水東南季風(fēng)呈減弱趨勢，致使研究區(qū)內(nèi)年均降水下降．地形因子導(dǎo)致水熱分配在區(qū)域上的差異，研究區(qū)東南部盆地和平原地帶暖干顯著．區(qū)域氣候變化原因復(fù)雜多樣，我國中部地區(qū)氣候在時間和空間上的變化，受全球大氣環(huán)境的影響，如太平洋和北印度洋海溫、厄爾尼諾年的頻繁出現(xiàn)和太陽活動等，同時還與人口分布、城市化和工農(nóng)業(yè)發(fā)展相關(guān)．呂梁山區(qū)氣候暖干變化必將影響呂梁山區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展，如日較差變大一方面利于呂梁山區(qū)農(nóng)作物有機(jī)物的積累，使作物品質(zhì)提高，另一方面導(dǎo)致呂梁山區(qū)低溫凍害、高溫干旱等極端天氣出現(xiàn)頻率增加，使區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加．如何科學(xué)制定適應(yīng)性對策減緩呂梁山區(qū)連片貧困，應(yīng)對氣候變化改善農(nóng)業(yè)耕作條件值得我們進(jìn)一步深入研究．

5 結(jié)論

1)呂梁山區(qū)1957—2020年近60年間增溫趨勢明顯，區(qū)域氣候趨向暖干．其增溫突變時間約為1995年，年平均氣溫升溫受年平均最低氣溫影響更為強(qiáng)烈且氣溫日較差逐漸變大．年平均降水量變化趨勢不明顯，自20世紀(jì)60年代中后期，區(qū)域由多雨期轉(zhuǎn)為少雨期，近20年來降水逐漸恢復(fù)．

2)空間上，1957—2020年呂梁山區(qū)年平均氣溫、年平均氣溫傾向率、年平均最高(最低)氣溫、平均降水量及傾向率變化有顯著的地域差異性，整體隨緯度升高而變大，區(qū)域東南部較中部、北部暖干顯著.

3)呂梁山區(qū)1957—2020年來年平均氣溫、年平均最高(最低)氣溫和年平均降水量均存在明顯周期性．各要素主要在4～7 a時間尺度上存在波數(shù)多、頻率高振蕩周期，70年代中期到90年代存在波數(shù)少、頻率低、年代際有較大尺度的周期振蕩．