疏勒河流域最高、最低氣溫變化規(guī)律

賈 玲, 孫棟元, 牛最榮, 鄢繼選, 武蘭珍, 王興繁, 肖 鋒, 馬亞麗

(甘肅農(nóng)業(yè)大學 水利水電工程學院, 蘭州 730070)

在全球氣候變暖的背景下，極端氣候事件頻頻發(fā)生，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、水資源供給、生態(tài)系統(tǒng)安全、災害預測等方面帶來直接影響[1]。氣溫和降水是研究水文氣候的兩個基本要素，其變化對該地區(qū)生態(tài)環(huán)境的變遷起著決定性作用[2-3]。隨著變暖趨勢的不斷上升，極端氣候的頻發(fā)和強度加深引發(fā)了一些氣象災害，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成重大威脅。極端高溫的不斷加劇，會出現(xiàn)高溫熱害，引發(fā)災害干旱，有利于作物病蟲生長，影響作物減產(chǎn)。極端低溫引發(fā)冰凍冷寒，在一定程度上抑制了作物生長。因此研究極端氣溫和極端降水的變化特征成為了當前的熱點。研究結(jié)果表明：全國各區(qū)域氣溫均呈上升趨勢[4]，未來也繼續(xù)保持不斷上升。其中，東北、西北和華北地區(qū)的增暖幅度最為明顯，而西南、華南地區(qū)增暖幅度最小[5]。

近年來，大流域尺度下的極端氣溫研究引得了國內(nèi)眾多學者的關(guān)注。時光訓等[6]研究發(fā)現(xiàn)長江流域平均氣溫呈顯著增加趨勢，張克新等[7]研究發(fā)現(xiàn)黃河流域極端高溫天氣日數(shù)在各個季節(jié)均呈現(xiàn)上升趨勢，而極端低溫天氣日數(shù)在四季呈現(xiàn)下降趨勢，黃強等[8]研究發(fā)現(xiàn)在過去半個多世紀里，珠江流域總體上呈現(xiàn)出極端高溫事件增多，極端低溫事件減少。同時，國內(nèi)一些學者針對石羊河、疏勒河和黑河這三大內(nèi)陸河流域開展了極端水文氣候方面的相關(guān)研究。馬亞蘭等[9]研究表明石羊河流域極端氣溫有明顯的增溫趨勢，最低氣溫增暖幅度較最高氣溫顯著。李玲萍等[10]研究表明近45 a以來，石羊河流域氣溫整體呈上升趨勢。王興梅等[11]研究表明近50 a來，石羊河流域最高氣溫和最低氣溫在所有季節(jié)均呈現(xiàn)增高趨勢。郭昆明等[12]研究闡明了黑河流域逐年和各季節(jié)氣溫均呈顯著上升趨勢。然而，針對疏勒河流域極端氣溫研究相對較少。

疏勒河是甘肅省河西走廊內(nèi)流水系的第二大河，是區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)供水、生態(tài)供水以及水利發(fā)電供水的主要水源。目前針對疏勒河流域，諸多學者展開了大量研究，主要集中在水資源調(diào)度和評價、生態(tài)保護、氣候變化、降水和徑流變化特征以及它們之間的響應(yīng)關(guān)系等方面[13-19]，而對極端氣溫方面的研究仍然相對薄弱。本文以疏勒河流域月氣溫極值為基本數(shù)據(jù)，運用線性傾向估計法、滑動平均、累計距平和Mann-Kendall檢驗法，研究分析極端氣溫的趨勢性、突變性以及周期性，以此為疏勒河流域自然災害防治、促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高質(zhì)量發(fā)展、水資源合理調(diào)配等方面提供參考，為區(qū)域極端氣候、災旱預測、預警與評估提供可借鑒依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

疏勒河流域作為甘肅省三大內(nèi)陸河流域之一，位于歐亞大陸腹地，遠離海洋，地理位置介于92°11′—98°30′E，38°00′—42°48′N，干流全長670 km，流域面積4.13萬km2[16]。由于獨特的地理地形特征，使得太平洋、印度洋和北冰洋的暖濕氣流無法到達本區(qū)，就形成了氣候干旱、風沙大，蒸發(fā)量大、降水極少的大陸性荒漠氣候，是我國極度干旱地區(qū)之一。

敦煌、瓜州、玉門為疏勒河水系三大代表性水文站，通過這3個水文站的氣溫數(shù)據(jù)對疏勒河流域氣候變化進行分析研究，從而為疏勒河旱情防控、水資源調(diào)度提供有力的參考依據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

本文采用瓜州、敦煌和玉門三大站點1951—2018年月最大氣溫值、月最小氣溫值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均來自于甘肅省水文水資源局。文中春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12-次年的2月[20]。將三站數(shù)據(jù)的平均值作為流域極端氣溫變化分析的依據(jù)。

采用線性傾向估計法研究氣溫隨時間變化的趨勢，根據(jù)傾向值和相關(guān)系數(shù)來判斷極端氣溫變化特征趨勢。通過5 a滑動平均法，以確定時間序列的平滑值來顯示氣溫變化趨勢[21]。以累計距平曲線明顯的起伏趨勢，分析氣溫演變規(guī)律和持續(xù)性變化特征。利用Mann-Kendall檢驗法對氣溫進行突變檢驗。運用小波分析，研究氣溫極值變化的周期規(guī)律，通過小波方差進一步確定主周期。

2 分析與結(jié)果

2.1 年、季變化特征

2.1.1 年氣溫變化特征 圖1為疏勒河流域1951—2018年最高氣溫變化趨勢。由圖可知，流域年平均最高氣溫為37.14℃，年最高氣溫總體以0.06℃/10 a的速率上升、1952年出現(xiàn)年最大值43.20℃、1993年出現(xiàn)年最小值33.93℃，整體上呈波動上升、其中1951—1970年呈明顯下降趨勢、傾向率為-1.22℃/10 a，1971—2018年以0.40℃/10 a的速率上升。圖2為疏勒河流域1951—2018年最高氣溫累積距平曲線。由圖可知：流域年最高氣溫以上升—下降—上升的變化過程變化，1951—1953年以44.43℃/10 a的速率上升，1954—2004年呈現(xiàn)下降趨勢，傾向率為-5.54℃/10 a，2005—2018年呈現(xiàn)上升趨勢，傾向率為8.74℃/10 a。

圖1 疏勒河流域1951-2018年最高氣溫變化趨勢

圖2 疏勒河流域1951-2018年最高氣溫累積距平

圖3為疏勒河流域1951—2018年最低氣溫變化趨勢，由圖可知：流域年平均最低氣溫為-23.43℃，流域年最低氣溫整體以0.27℃/10 a的速率上升，增溫率明顯大于年最高氣溫變化，1987年出現(xiàn)年最大值-19.57℃，1991年出現(xiàn)年最小值-30.60℃，整體上呈多段緩慢下降—上升—下降—上升的變化過程變化。圖4為疏勒河流域1951—2018年最低氣溫累積距平曲線，整體上呈多段下降—上升—下降—上升的波動變化，其中，1951—1961年、1971—1981年、1992—1993年呈現(xiàn)下降趨勢，1962—1970年、1982—1991年、1994—2018年呈現(xiàn)上升趨勢。

圖3 疏勒河流域1951-2018年最低氣溫變化趨勢

圖4 疏勒河流域1951-2018年最低氣溫累積距平

2.1.2 季氣溫變化特征 圖5為疏勒河流域1951—2018年季最高氣溫變化趨勢。傾向率排序為：冬季(0.36℃/10 a)>春季(0.23℃/10 a)>夏季(0.07℃/10 a)>秋季(0.01℃/10 a)，即各個季度增溫幅度存在明顯差異，其中春季、夏季、秋季檢驗值均為正值，且均未通過顯著性水平α=0.05的信度檢驗，表現(xiàn)為不顯著增加趨勢，而冬季通過了顯著性檢驗，表現(xiàn)為顯著增加趨勢。夏季最高氣溫增溫率與年最高氣溫增溫率大致接近，由5 a滑動平均曲線知，春季、夏季、秋季和冬季均呈現(xiàn)多段下降—上升—下降—上升的波動變化趨勢。

圖5 疏勒河流域1951—2018年季最高氣溫變化趨勢

圖6為疏勒河流域1951—2018年季最高氣溫累積距平曲線?？傮w上，流域春季和夏季最高氣溫以下降—上升變化過程變化，春季1951—1993年呈現(xiàn)下降趨勢，1994—2018年呈現(xiàn)上升趨勢；夏季1951—2004年呈現(xiàn)下降趨勢，2005—2018年呈現(xiàn)上升趨勢；秋季最高氣溫以下降—上升—下降變化過程變化，1951—1991年呈現(xiàn)下降趨勢，1992—2007年呈現(xiàn)上升趨勢，2008—2018年呈現(xiàn)下降趨勢；冬季最高氣溫以下降—上升—下降—上升變化趨勢變化，1951—1972年和1980—2000年呈現(xiàn)下降趨勢，1973—1979年和2001—2018年呈現(xiàn)上升趨勢?？傮w上，疏勒河流域季最高氣溫呈現(xiàn)不同波動變化趨勢。

圖6 疏勒河流域1951—2018年季最高氣溫累積距平

圖7為疏勒河流域1951—2018年季最低氣溫變化趨勢，根據(jù)圖7傾向率排序為：秋季(0.53℃/10 a)>春季(0.39℃/10 a)>冬季(0.24℃/10 a)>夏季(0.19℃/10 a)，即各個季度的增溫幅度存在明顯差異。雖整體都呈現(xiàn)上升趨勢，但其中春季、夏季、冬季檢驗值均為正值，且均未通過顯著性水平α=0.05的信度檢驗，表現(xiàn)為不顯著增加趨勢，而秋季通過了顯著性檢驗，表現(xiàn)為顯著增加趨勢。相比較圖5，季最低氣溫變化幅度更大。由5 a滑動平均曲線可知，春季、秋季和冬季呈現(xiàn)多段緩慢上升—下降—上升—下降的變化趨勢，夏季呈現(xiàn)多段下降—上升—下降—上升的變化趨勢。

圖7 疏勒河流域1951—2018年季最低氣溫變化趨勢

圖8為疏勒河流域1951—2018年季最低氣溫累積距平曲線。由圖可知：流域春季、夏季和秋季最低氣溫以下降—上升的變化過程變化，春季1951—1989年呈現(xiàn)下降趨勢，1990—2018年呈現(xiàn)上升趨勢；夏季1951—1993年呈現(xiàn)下降趨勢，1994—2018年呈現(xiàn)上升趨勢；秋季1951—1971年呈現(xiàn)下降趨勢，1972—1993年呈現(xiàn)多次緩慢波動變化，1994—2018年呈現(xiàn)上升趨勢；冬季最高氣溫以下降—上升—下降—上升的變化趨勢變化，1951—1958年呈現(xiàn)下降趨勢，1959—1972年呈現(xiàn)上升趨勢，1973—1984年呈現(xiàn)下降趨勢，1985—2018年呈現(xiàn)上升趨勢?？傮w上，疏勒河流域季最低氣溫呈現(xiàn)不同波動變化趨勢。

圖8 疏勒河流域1951—2018年季最低氣溫累積距平

2.2 突變特征分析

2.2.1 年最高氣溫突變特征 圖9為疏勒河流域1951—2018年最高氣溫M-K檢驗突變曲線，根據(jù)Ufk曲線可見，1951—1953年呈上升趨勢，1954—2009年呈下降趨勢，其中1969—1984年超過顯著性水平0.05臨界線，說明下降趨勢顯著。自2010年以后，疏勒河流域年最高氣溫出現(xiàn)了增暖趨勢，但并不顯著。Ufk和Ubk曲線在U±0.05區(qū)間里存在交點，表明疏勒河流域年最高氣溫在2011年發(fā)生突變。用滑動t檢驗，假設(shè)基準點為2011年，計算得|t|=2.12>t0.05，即認為年最高氣溫在2011年處發(fā)生了突變。

圖9 疏勒河流域1951-2018年最高氣溫M-K檢驗

2.2.2 年最低氣溫突變特征 圖10為疏勒河流域1951—2018年最低氣溫M-K檢驗突變曲線，根據(jù)Ufk曲線可見，自20世紀60年代以后，疏勒河流域年最低氣溫出現(xiàn)了明顯的增暖趨勢。90年代末至21世紀初，增暖趨勢超過了顯著性水平0.05的臨界線，這表明疏勒河流域年最低氣溫在這一時段上升趨勢比較顯著。由Ufk和Ubk曲線在1961年的交點位置，確定疏勒河流域年最低氣溫自20世紀60年代以后呈現(xiàn)出不斷上升的趨勢。同樣的，用滑動t檢驗，假設(shè)基準點為1961年，計算得|t|=2.25>t0.05，即認為年最低氣溫在1961年處發(fā)生了突變。

圖10 疏勒河流域1951年-2018年最低氣溫M-K檢驗

2.3 周期特征分析

近68年來，疏勒河流域氣溫具有多尺度的變化特征。其年際尺度周期不具有全時域性，年最高氣溫具有18 a的振蕩周期，且該周期在小波方差圖中峰值不明顯。年最高氣溫還存在45 a，58 a的振蕩周期，以58 a為第一主周期，該周期在小波方差圖中峰值最明顯，振蕩較強烈。第二周期為45 a(圖11)；年最低氣溫具有4個振蕩周期，58 a為第一主周期，該周期在小波方差圖中峰值最明顯，振蕩較強烈。第二、第三、第四周期分別為43 a，17 a，9 a(圖12)。

圖11 疏勒河流域1951-2018年最高氣溫小波實部等值線和小波方差

圖12 疏勒河流域1951-2018年最低氣溫小波實部等值線和小波方差

進一步分析可知，本區(qū)的小波分析等值線均為閉合，在年際尺度上分別處于正、負相位。可推測疏勒河流域在未來較長時間將處于持續(xù)偏暖。年最高氣溫、最低氣溫振蕩周期基本一致，在58 a周期振蕩明顯、強烈，但本文采用68 a研究時長，因而該尺度周期有待更長時間序列進一步證實。

3 結(jié) 論

(1)疏勒河流域氣溫極值的變化呈上升趨勢，同全球增暖變化趨勢相同。年最高氣溫以0.06℃/10 a的速率上升，年最低氣溫以0.27℃/10 a的速率上升。年最低氣溫的增暖率大于年最高氣溫。

(2)疏勒河流域1951—2018年季最高氣溫變化總體上都呈上升趨勢，傾向率排序為表現(xiàn)為冬季(0.36℃/10 a)>春季(0.23℃/10 a)>夏季(0.07℃/10 a)>秋季(0.01℃/10 a)，且各季呈現(xiàn)不同波動變化趨勢，其中，冬季增溫率最大，秋季增溫率最小，夏季增溫率與年最高氣溫增溫率大體接近。

(3)疏勒河流域1951—2018年季最低氣溫變化總體上都呈上升趨勢，傾向率排序表現(xiàn)為秋季(0.53℃/10 a)>春季(0.39℃/10 a)>冬季(0.24℃/10 a)>夏季(0.19℃/10 a)，且各季呈現(xiàn)不同波動變化趨勢，其中，秋季增溫率最大，夏季增溫率最小，與季最高氣溫相比，季最低氣溫上升趨勢整體明顯。

(4)通過M-K檢驗表明疏勒河流域極端氣溫年最低溫突變時間在1961年，年最高溫突變時間在2011年。

(5)年最高氣溫的振蕩周期為58 a，45 a和18 a；年最低氣溫的振蕩周期為58 a，43 a，17 a和9 a，其中年最高氣溫和年最低氣溫的主周期均為58 a。