石羊河流域氣溫時(shí)空變化特征與規(guī)律研究

陳江明

（蘭州博文科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730101）

1 研究目的與意義

氣候變化對(duì)水文水資源的影響受到國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的高度重視。隨著工業(yè)發(fā)展和人口增加，二氧化碳排放量持續(xù)增加，進(jìn)而導(dǎo)致溫室效應(yīng)出現(xiàn)，全球氣溫不斷升高,石羊河流域水資源出現(xiàn)危機(jī)。針對(duì)石羊河流域水資源危機(jī)，有必要開(kāi)展基于流域尺度的氣候變化對(duì)水資源的影響研究，定量分析不同時(shí)期流域水文氣象時(shí)空變化規(guī)律，揭示氣候變化對(duì)流域水資源影響的互饋機(jī)制，對(duì)推動(dòng)流域水文學(xué)研究有著重要理論意義。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為推動(dòng)水循環(huán)對(duì)全球變化的可能性影響研究，聯(lián)合國(guó)環(huán)境署、世界氣象組織和聯(lián)合國(guó)教科文組織等積極發(fā)動(dòng)并推動(dòng)開(kāi)展了很多國(guó)際合作與研究。Kil和Chung[1]應(yīng)用SW A T模型模擬了韓國(guó)氣候變化對(duì)干旱情景下徑流量影響。Lan等[2]應(yīng)用DHSVM 模型評(píng)價(jià)氣候變化與土地利用變化對(duì)華盛頓Puget Sound流域水文的影響。近20多年來(lái)，隨著氣候變化越來(lái)越多的對(duì)環(huán)境影響的深入，在科技部及有關(guān)部門(mén)的大力支持下，國(guó)內(nèi)學(xué)者也大量地開(kāi)展了有關(guān)氣候變化及其對(duì)水資源影響的研究工作。其中國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目專題：“氣候變化對(duì)水文水資源的影響及適應(yīng)對(duì)策研究”。研究發(fā)現(xiàn)：過(guò)去50 多年，我國(guó)一些典型流域水文氣象要素發(fā)生了較為明顯的變化，特別是北方地區(qū)的河流實(shí)測(cè)徑流減少，在一定程度上加劇了區(qū)域水資源的供需矛盾[3]。未來(lái)的氣候變化可能對(duì)區(qū)域水資源產(chǎn)生較大影響，繼而進(jìn)一步加劇干旱、加大洪澇災(zāi)害損失，影響到大型水利工程的運(yùn)行及安全，對(duì)我國(guó)水資源安全提出新的挑戰(zhàn)[4]。David 和Kenneth[5]應(yīng)用CHARM 模型分析了氣候變化對(duì)我國(guó)九大水區(qū)徑流量影響的敏感性。

3 數(shù)據(jù)處理與研究方法

氣象站、水文站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是一種典型的時(shí)間序列資料，蘊(yùn)涵著極其豐富的信息。選取石羊河流域現(xiàn)有九條嶺、雜木寺、南營(yíng)水庫(kù)3個(gè)氣象站、水文站，自建站以來(lái)歷年氣溫、降水量和徑流數(shù)據(jù)作為研究基本資料。

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

徑流與氣象數(shù)據(jù)采用1953—2010年石羊河流域水文站統(tǒng)計(jì)資料，其中徑流數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省水文局，氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于甘肅省氣象局。

3.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

（1）數(shù)據(jù)查漏補(bǔ)缺：對(duì)原始數(shù)據(jù)中降水量、徑流、氣溫觀測(cè)值缺失的采用鄰近年同期觀測(cè)值的平均值進(jìn)行插補(bǔ)，來(lái)滿足資料序列的連續(xù)性和一致性。

（2）年代際和季節(jié)劃分：年代際只考慮1951—2010 年，根據(jù)各氣象、水文站時(shí)間序列長(zhǎng)短不一各自劃分。1991—2000年為20世紀(jì)90年代，2001—2010年為21 為世紀(jì)?？紤]到結(jié)果的可比性，用世界氣象組織推薦的1951—2010 年60 年均值作為年均值。

3.3 研究方法

（1）氣候傾向率

氣候要素的趨勢(shì)系數(shù)變化：

式中，at—?dú)夂騼A向率，單位為某要素單位/10 a，即要素的10 年變化率；

a0—回歸常數(shù)；

a1—回歸系數(shù)；

t—時(shí)間序列。

（2）累積距平

xi—要素的序列值；

其他符號(hào)意義同前。

（3）距平百分率

距平百分率P=（某年年徑流量-年均徑流量）/年均徑流量×100%，徑流豐平枯劃分標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 徑流豐平枯劃分標(biāo)準(zhǔn)

4 氣溫時(shí)空變化特征與規(guī)律研究

4.1 氣溫年變化特征與規(guī)律

4.1.1 九條嶺站

九條嶺站1972—2010年年均氣溫4.75 ℃，整體呈增加趨勢(shì)，趨勢(shì)方程y=0.025 2x+4.240 5，年均氣溫以0.252 ℃/10 a的速率增加，39年內(nèi)增加了0.98 ℃，增加趨勢(shì)不顯著。該站年均氣溫年際變化大，最大值為1997年的5.80 ℃，最小值為1976年的3.50 ℃，兩者相差2.30 ℃，最大、最小年氣溫比值1.66（表2）。從圖1、圖2可見(jiàn)，1972—1997年年均氣溫呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，1997—2010 年呈緩慢下降的趨勢(shì)。

圖2 1972—2010年石羊河流域九條嶺站氣溫年際距平變化曲線

表2 石羊河流域九條嶺站年代際平均氣溫表

圖1 1972—2010年石羊河流域九條嶺站氣溫年變化曲線

4.1.2 南營(yíng)水庫(kù)站

南營(yíng)水庫(kù)站1981—2010年年均氣溫7.53 ℃，整體呈增加趨勢(shì)，趨勢(shì)方程y=0.048 8x+6.775，年均氣溫以0.488 ℃/10 a的速率增加，30年內(nèi)增加了1.46 ℃，增加趨勢(shì)相對(duì)顯著。該站年均氣溫年際變化大，最大值為1998年的8.90 ℃，最小值為1984年的6.10 ℃，兩者相差2.80 ℃，最大、最小年氣溫比值1.46（表3）。從圖3、圖4可見(jiàn)，1981—1998年年均氣溫呈大幅波動(dòng)的上升趨勢(shì)，1999—2010年呈緩慢波動(dòng)的下降趨勢(shì)。

表3 石羊河流域南營(yíng)水庫(kù)站年代際平均氣溫表

圖3 1981—2010年石羊河流域南營(yíng)水庫(kù)站氣溫年變化曲線

圖4 1981—2010年石羊河流域南營(yíng)水庫(kù)站氣溫年際距平變化曲線

4.1.3 雜木寺站

石羊河流域雜木寺站1955—2010年年均氣溫6.40℃，整體呈增加趨勢(shì)，趨勢(shì)方程y=0.0151x+5.972 1，年均氣溫以0.151 ℃/10 a的速度增加，56年內(nèi)增加了0.85 ℃，增加趨勢(shì)相對(duì)顯著。該站年均氣溫年際變化大，最大值為1998年的8.10 ℃，最小值為1976 年的4.50 ℃，兩者相差3.60 ℃，最大、最小年氣溫比值1.80（表4）。從圖5、圖6可以看出，1955—1963年年均氣溫呈緩慢增加趨勢(shì)，1964—1976年呈大幅波動(dòng)下降趨勢(shì)，1977—1998年又呈緩慢增加的趨勢(shì)，1999—2010年呈緩慢下降的趨勢(shì)。

表4 石羊河流域雜木寺站年代際平均氣溫表

圖5 1955—2010年石羊河流域雜木寺站氣溫年變化曲線

圖6 1955—2010年石羊河流域雜木寺站氣溫年際距平變化曲線

4.2 氣溫年代際變化特征與規(guī)律

4.2.1 九條嶺站

石羊河流域九條嶺站年代際平均氣溫統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2，由表可知，過(guò)去39 年該站20世紀(jì)70—80年代氣溫較低，70 年代最低，代際平均4.35 ℃，比年均低0.40 ℃，20世紀(jì)90年代氣溫升高，之后持續(xù)升溫，21世紀(jì)初出現(xiàn)了強(qiáng)勁增溫趨勢(shì)，代際平均5.02 ℃，比年均高0.27 ℃。70和80年代氣溫均低于平均值，20世紀(jì)90年代以及21世紀(jì)初均高于年均值，增幅分別為0.21 ℃和0.27 ℃。由表2可知，20世紀(jì)70年代年均氣溫4.35 ℃，最大值為1978年的4.80 ℃，最小值為1976年的3.50 ℃，兩者相差1.30 ℃，最大、最小年氣溫比值1.37；80年代年均氣溫4.61℃，最大值為1990年的5.30 ℃，最小值為1984年的3.70 ℃，兩者相差1.60 ℃，最大、最小年氣溫比值1.43；90年代年均氣溫4.96 ℃，最大值為1997年的5.80 ℃，最小值為1994年和1995年的4.3 ℃，兩者相差1.50 ℃，最大、最小年氣溫比值1.35；21世紀(jì)初，年均氣溫5.02 ℃，最大值為2001年和2008 年的5.30 ℃，最小值為2010年的4.74 ℃，兩者相差0.56 ℃，最大、最小年氣溫比值1.12。

4.2.2 南營(yíng)水庫(kù)站

石羊河流域南營(yíng)水庫(kù)站年代際平均氣溫統(tǒng)計(jì)由表3可知，過(guò)去30年該站20世紀(jì)80年代氣溫較低，代際平均6.97 ℃，比年均低0.56 ℃，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初氣溫持續(xù)升高，平均分別為7.73 ℃和7.89 ℃，比年均值分別高0.20 ℃和0.36 ℃。由表3可知，80年代年均氣溫6.97 ℃，最大值為1990年的8.10 ℃，最小值為1984年的6.10 ℃，兩者相差2.00 ℃，最大、最小年氣溫比值1.33；90年代年均氣溫7.73 ℃，最大值為1998年的8.90 ℃，最小值為1993年和1996年的7.00 ℃，兩者相差1.90 ℃，最大、最小年氣溫比值為1.27；21世紀(jì)初年均氣溫7.89 ℃，最大值為2009年的8.30 ℃，最小值為2005年的7.50 ℃，兩者相差0.80 ℃，最大、最小年氣溫比值1.11。

4.2.3 雜木寺站

石羊河流域雜木寺站年代際平均氣溫統(tǒng)計(jì)由表4可知，過(guò)去56年該站20世紀(jì)50、60和80年代氣溫接近平均值，而20世紀(jì)70年代氣溫相對(duì)較低，代際平均5.50 ℃，比年均值低0.90 ℃，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初氣溫持續(xù)升高，代際平均分別為6.94℃和6.79 ℃，比年均分別高0.54 ℃和0.39 ℃。由表4可知，50年代年均氣溫6.42 ℃，最大值為1960年的7.20 ℃，最小值為1956年的4.80 ℃，兩者相差2.40 ℃，最大、最小年氣溫比值1.50；60年代年均氣溫6.40 ℃，最大值為1963年的7.50 ℃，最小值為1970年的4.90 ℃，兩者相差2.50 ℃，最大、最小年氣溫比值為1.53；70年代年均氣溫5.50 ℃，最大值為1971年和1980年的6.20 ℃，最小值為1976年的4.50 ℃，兩者相差1.70 ℃，最大、最小年氣溫比值為1.38；80年代年均氣溫6.39 ℃，最大值為1987年和1990年的7.30 ℃，最小值為1984年的5.50 ℃，兩者相差1.80 ℃，最大、最小年氣溫比值為1.33；90年代年均氣溫6.94 ℃，最大值為1998年的8.10 ℃，最小值為1993年的6.30 ℃，兩者相差1.80 ℃，最大、最小年氣溫比值為1.29；21世紀(jì)初年均氣溫6.79 ℃，最大值為2002年和2006年的7.0 ℃，最小值為2005年的6.30 ℃，兩者相差0.70 ℃，最大、最小年氣溫比值為1.11。

4.3 氣溫季節(jié)變化特征與規(guī)律

4.3.1 九條嶺站

從九條嶺站季節(jié)平均氣溫演變分析，該站冬、春、夏、秋4個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出了溫度增加的趨勢(shì)，但各個(gè)季節(jié)的增溫速率略有差異。通過(guò)對(duì)比分析：該冬季增溫速率最高，1972—2010年冬季平均氣溫升高1.28 ℃，線性增溫幅度0.329 ℃/10 a。①春季：20世紀(jì)70年代平均氣溫最低，比年均低0.39 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.31 ℃。②夏季：20世紀(jì)70年代平均氣溫最低，比年均低0.42 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.30 ℃。③秋季：20世紀(jì)70年代平均氣溫最低，比年均低0.36 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.28 ℃。④冬季：20世紀(jì)70年代平均氣溫最低，比年均低0.56 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.37 ℃。

4.3.2 南營(yíng)水庫(kù)站

從南營(yíng)水庫(kù)站季節(jié)平均氣溫演變分析，該站春、夏、秋、冬四個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出增溫趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比分析：該站冬季增溫速率最高，1981—2010年冬季平均氣溫升高2.05 ℃，線性增溫幅度0.706 ℃/10 a。①春季：20世紀(jì)80年均氣溫比年均低0.67 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.49 ℃。②夏季：20世紀(jì)80年代平均氣溫比年均低0.65 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.40 ℃。③秋季：20世紀(jì)80年代平均氣溫比年均低0.56 ℃；90年代最高，比年均高0.29 ℃。④冬季：20世紀(jì)80年代平均氣溫最低，比年均低1.00 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.45 ℃。

4.3.3 雜木寺站

從雜木寺站季節(jié)平均氣溫演變分析，該站春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出增溫趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)比分析：該站冬季增溫速率最高，1955—2010年冬季平均氣溫升高1.85 ℃，線性增溫幅度0.331 ℃/10 a。①春季：平均氣溫距平20世紀(jì)50年代和60年代為正，70—90年代為負(fù)值，21世紀(jì)初為正；70年代平均氣溫最低，比年均低0.92 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.52 ℃。②夏季：平均氣溫距平變化波動(dòng)較大，20世紀(jì)50年代為負(fù)，60年代為正，70—90年代為負(fù)，21世紀(jì)初為正；70年代最低，比年均低0.51 ℃；60年代最高，比年均高0.59 ℃。③秋季：平均氣溫距平20世紀(jì)50年代為負(fù)，60年代略有升高為正，70年代為負(fù)，80年代以來(lái)為正；70年代平均氣溫最低，比年均低0.96 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.66 ℃。④冬季：平均氣溫距平在20世紀(jì)50年代為負(fù)，60年代為正，70年代和80年代為負(fù)，90年代以來(lái)均為正；70年代平均氣溫最低，比年均低1.62 ℃；21世紀(jì)初最高，比年均高0.71 ℃。

5 總結(jié)

（1）石羊河流域九條嶺站1972—2010年年均氣溫為4.75 ℃，39年內(nèi)氣溫增加了0.98 ℃；南營(yíng)水庫(kù)站1981—2010年年均氣溫為7.53 ℃，30年內(nèi)氣溫增加了1.46 ℃；雜木寺站1955—2010年年均氣溫為6.40 ℃，56年內(nèi)氣溫增加了0.85 ℃。

（2）石羊河流域氣溫年代際變化呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，各站在各個(gè)年代表現(xiàn)規(guī)律不盡一致。九條嶺站70—80年代氣溫較低，20世紀(jì)90年代—21世紀(jì)初氣溫相對(duì)較高；南營(yíng)水庫(kù)站80年代氣溫低于平均值0.56 ℃，20世紀(jì)90年代—21世紀(jì)初氣溫高于平均值分別為0.20 ℃和0.36 ℃；雜木寺站20世紀(jì)50、60和80年代氣溫接近平均值，70年代氣溫低于平均值0.90 ℃。

（3）石羊河流域氣溫季節(jié)變化呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，同時(shí)呈現(xiàn)不同變化幅度與趨勢(shì)，各站春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)均表現(xiàn)出增溫趨勢(shì)。

（4）石羊河流域從南部到北部年均氣溫的變化率逐漸減小，從東向西氣溫的變化率先增大后減小，在出山口以上中部地區(qū)出現(xiàn)了一個(gè)高值變化率中心，北部紅崖山水庫(kù)站增溫趨勢(shì)最小，年均氣溫以0.011 ℃/10 a的速度增加。