1951—2020年疏勒河流域氣溫時空變化特征

王士維，孫棟元，周 敏，王亦可，王祥鑌，季宗虎，張文睿，武蘭珍

（甘肅農業(yè)大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070）

21 世紀以來，隨著全球氣候變暖，我國呈現(xiàn)出明顯的暖干化趨勢。近100 a 中國平均地表溫度上升約0.5～0.8 ℃，尤其以西北干旱半干旱地區(qū)的變化比較顯著［1-2］。氣候變化將改變流域內水文、氣象因子在時間和空間上的分布現(xiàn)狀，從而引起水資源在時空上的重新分配，進而對流域水資源供需、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟等造成嚴重危害。疏勒河流域地處甘肅河西內陸區(qū)，是甘肅省內陸三大主要河流之一，也是河西的主要產糧區(qū)之一。疏勒河流域自然環(huán)境獨特，生物種類單一，生態(tài)環(huán)境一旦遭到破壞，就難以恢復。因此，對流域氣溫時空變化特征進行研究，更清楚的了解流域氣溫動態(tài)，對促進流域生態(tài)建設具有重要意義。近年來，疏勒河流域氣溫變化問題受到許多學者和各級政府的廣泛關注，并展開了一系列研究。結果表明：以氣溫上升為主要特征的氣候變化已經(jīng)對疏勒河流域水資源及生態(tài)環(huán)境產生了顯著影響，總體表現(xiàn)為植被耗水量增加［3-4］、生態(tài)承載力和需水量增大［5-7］、植被退化［8］、凍土環(huán)境退化［9-10］、流域降水、徑流呈上升趨勢［11-18］，流域氣溫顯著上升［19-22］，而在未來溫度持續(xù)變暖的情景下，疏勒河流域可能面臨的生態(tài)威脅也會越來越大［20］。綜上所述，以往對疏勒河流域氣溫變化特征的研究取得了一些有意義的成果，但大多集中在氣候變化產生的影響，而關于疏勒河流域氣溫時空變化的研究相對較少。因此，本文基于疏勒河流域敦煌站、瓜州站和玉門站1951—2020年實測氣溫資料，系統(tǒng)地分析疏勒河流域近70 a 年平均氣溫時空變化特征，更加全面地認識區(qū)域氣候變化的基本事實，以期為保護疏勒河流域生態(tài)環(huán)境及促進流域社會經(jīng)濟-生態(tài)-水資源協(xié)調發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

疏勒河是甘肅省河西內陸第二大河，地理位置位于92°11′～98°30′E，38°00′～42°48′N，流域面積為4.13×104km2（圖1），流域多年平均氣溫6.98～9.82 ℃［18］，年降水量40.2～57.5 mm，年蒸發(fā)量2577.4～2653.2 mm［23］。流域降水量稀少，地表蒸發(fā)量極大，屬大陸性干旱氣候，是我國極度干旱地區(qū)之一。

圖1 研究區(qū)概況圖Fig.1 Map of study area

1.2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

選取疏勒河流域敦煌（1951—2020 年）、瓜州（1951—2020年）和玉門（1953—2020年）3個氣象站的逐月、逐年氣溫數(shù)據(jù)作為基礎資料，所有數(shù)據(jù)均來自甘肅省氣象局。通過各站點氣溫數(shù)據(jù)進一步研究流域氣溫變化特征。根據(jù)數(shù)據(jù)資料，將季節(jié)劃分為：3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11 月為秋季，12月—次年2月為冬季。

通過線性傾向法［24］分析氣溫年、季變化趨勢。通過5 a滑動平均曲線，來判斷氣溫變化波動呈上升或下降趨勢。通過累計距平法［25］，分析氣溫升降變化過程。采用P值（P-value）［26］對氣候傾向率進行顯著性檢驗。利用Mann-Kendall突變檢驗法［24］分析氣溫的突變特征。運用Morlet小波［24］分析法分析氣溫的周期性特征。使用ArcGIS 軟件分析研究區(qū)氣溫的空間分布特征。

2 結果與分析

2.1 氣溫年際變化特征

敦煌站1951—2020年多年平均氣溫為9.77 ℃，整體呈上升趨勢，70 a 內氣溫增加了1.708 ℃，增溫趨勢顯著。從5 a 滑動平均曲線可以看出（圖2a），平均氣溫呈現(xiàn)緩慢增加-減小-增加的波動變化趨勢，呈現(xiàn)多段上升-下降-上升的變化過程。由圖2d累積距平可知，敦煌站平均氣溫呈現(xiàn)兩個時段升降變化過程，1951—1996 年呈現(xiàn)下降趨勢，1997—2020年呈現(xiàn)上升趨勢。

圖2 疏勒河流域氣溫年際變化與累積距平變化Fig.2 Interannual variation and cumulative anomaly variation of temperature in Shule River Basin

瓜州站1951—2020年多年平均氣溫為9.08 ℃，整體呈上升趨勢，70 a 內氣溫上升1.463 ℃，增溫趨勢顯著。從5 a 滑動平均曲線可以看出（圖2b），平均氣溫呈現(xiàn)緩慢增加-減小-增加的波動變化趨勢，呈現(xiàn)多段上升-下降-上升的變化過程。由圖2d 累積距平可知，瓜州站平均氣溫呈現(xiàn)兩個時段升降變化過程，1951—1996 年呈現(xiàn)下降趨勢，1997—2020年呈現(xiàn)上升趨勢。

玉門站1953—2020年多年平均氣溫為7.30 ℃，整體呈上升趨勢，68 a內氣溫上升1.326 ℃，增溫趨勢顯著。從5 a 滑動平均曲線可以看出（圖2c），平均氣溫呈現(xiàn)緩慢減小-增加-減小的波動變化趨勢，呈現(xiàn)多段下降-上升-下降變化過程。由圖2d 累積距平可知，玉門站平均氣溫呈現(xiàn)兩個時段升降變化過程，1953—1996 年呈現(xiàn)下降趨勢，1997—2020 年呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 氣溫季節(jié)變化特征

由圖3 可以看出，敦煌站四季平均氣溫均呈顯著上升趨勢，其中，春季平均氣溫趨勢率最大，達到0.328 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，其次是冬季，為0.268 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，再次是夏季，為0.191 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，秋季平均氣溫趨勢率最小，為0.188 ℃·(10a)-1(P＜0.05)。

圖3 敦煌站平均氣溫季節(jié)變化Fig.3 Seasonal variation of average temperature at Dunhuang station

由圖4 可以看出，瓜州站春季、秋季、冬季平均氣溫呈顯著上升趨勢，夏季平均氣溫呈不顯著上升趨勢。其中，冬季平均氣溫趨勢率最大，達到0.308 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，其次是春季，為0.299 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，再次是秋季，為0.152 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，夏季平均氣溫趨勢率最小，為0.077 ℃·(10a)-1(P＞0.05)。

圖4 瓜州站平均氣溫季節(jié)變化Fig.4 Seasonal variation of average temperature in Guazhou station

由圖5 可以看出，玉門站四季平均氣溫均呈顯著上升趨勢，其中春季平均氣溫趨勢率最大，達到0.233 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，其次是冬季，為0.207 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，再次是秋季，為0.179 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，夏季平均氣溫趨勢率最小，為0.165 ℃·(10a)-1(P＜0.05)。

圖5 玉門站平均氣溫季節(jié)變化Fig.5 Seasonal variation of average temperature in Yumen station

2.3 氣溫突變性特征

圖6a 為疏勒河流域敦煌站1951—2020 年平均氣溫M-K突變檢驗曲線，根據(jù)UFk曲線可知，1953—1954年、1956—1969年、1990—2020年呈上升趨勢，1970—1989年呈下降趨勢，其中2001—2020年超過95%置信水平曲線，甚至超過99%置信水平曲線，說明上升趨勢十分顯著。UFk和UBk曲線主要相交于1998年，且交點在臨界線±1.96之間，表明平均氣溫在1998年發(fā)生突變，1998年為突變點。

圖6 疏勒河流域平均氣溫M-K突變檢驗Fig.6 M-K mutation test of average temperature in Shule River Basin

圖6b 為疏勒河流域瓜州站1951—2020 年平均氣溫M-K突變檢驗曲線，根據(jù)UFk曲線可知，1953—1969 年、1996—2020 年呈上升趨勢，1970—1994 年呈下降趨勢，其中2002—2020年超過95%置信水平曲線，甚至超過99%置信水平曲線，說明上升趨勢十分顯著。UFk和UBk曲線主要相交于1997 年，且交點在臨界線±1.96 之間，表明平均氣溫在1997 年發(fā)生突變，1997年為突變點。

圖6c 為疏勒河流域玉門站1953—2020 年平均氣溫M-K突變檢驗曲線，根據(jù)UFk曲線可知，1958—1963 年、1991—2020 年呈上升趨勢，1964—1990 年呈下降趨勢，其中2001—2020年超過95%置信水平曲線，甚至超過99%置信水平曲線，說明上升趨勢十分顯著。UFk和UBk曲線主要相交于1995 年，且交點在臨界線±1.96 之間，表明平均氣溫在1995 年發(fā)生突變，1995年為突變點。

2.4 氣溫周期性特征

由圖7a～圖7b可以看出，敦煌站平均氣溫小波實部圖主要存在3～8 a、10～15 a、25～30 a、45～50 a和55～60 a五個特征時間尺度。小波方差圖表明平均氣溫存在五個明顯的峰值。其中，第一主周期為58 a，第二主周期為47 a，第三主周期為12 a，第四主周期為29 a，第五主周期為5 a。

圖7 疏勒河流域平均氣溫周期性分析Fig.7 Periodic analysis of annual average temperature in Shule River Basin

由圖7c～圖7d可知，瓜州站平均氣溫小波實部圖主要存在5～10 a、10～15 a、28～33 a、和50～55 a 四個特征時間尺度，小波方差圖表明平均氣溫存在四個明顯的峰值。其中，第一主周期為30 a，第二主周期為52 a，第三主周期為13 a，第四主周期為7 a。

由圖7e～圖7f可知，玉門站平均氣溫小波實部圖主要存在25～30 a、20～25 a、10～15 a 和5～10 a 四個特征時間尺度，小波方差圖表明平均氣溫存在四個明顯的峰值。其中，第一主周期為13 a，第二主周期為22 a，第三主周期為29 a，第四主周期為6 a。

2.5 氣溫空間變化特征

由圖8 可以看出，疏勒河流域全年及四季平均氣溫均表現(xiàn)為敦煌站＞瓜州站＞玉門站，平均氣溫呈自東向西逐漸升高的趨勢。由于敦煌站和瓜州站為中部盆地區(qū)域，所處位置海拔高度較低，尤其敦煌市與沙漠接壤，干旱少雨，所以高溫日數(shù)較多。玉門站處于北部川區(qū)，緯度和海拔高度都較高，氣溫常年偏低，低溫日數(shù)較多。

圖8 疏勒河流域氣溫空間變化特征分析Fig.8 Analysis of spatial variation characteristics of temperature in Shule River Basin

2.6 氣溫不均勻性與集中度變化分析

敦煌站1951—2020 年平均氣溫不均勻系數(shù)的變化范圍在0.45～0.69，平均值為0.54，最大值為0.69，出現(xiàn)在1967 年，最小值為0.45，出現(xiàn)在2015年，平均氣溫不均勻系數(shù)呈微弱減小趨勢，傾向率為-0.015·(10a)-1。平均氣溫集中度的變化范圍在0.72～1.08，平均值為0.85，最大值為1.08，出現(xiàn)在1967年，最小值為0.72，出現(xiàn)在2007年和2015年，平均氣溫集中度呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，傾向率為-0.023·(10a)-1（圖9a，圖9b）。

圖9 疏勒河流域年平均氣溫不均勻性和集中度變化Fig.9 The variation of annual average temperature inhomogeneity and concentration in Shule River Basin

瓜州站1951—2020 年平均氣溫不均勻系數(shù)的變化范圍在0.50～0.70，平均值為0.60，最大值為0.75，出現(xiàn)在1967 年，最小值為0.50，出現(xiàn)在2015年和2017 年，不均勻系數(shù)呈微弱減小趨勢，傾向率為-0.018·(10a)-1。平均氣溫集中度的變化范圍在0.79～1.18，平均值為0.95，最大值為1.18，出現(xiàn)在1967年，最小值為0.79，出現(xiàn)在2007年，平均氣溫集中度呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，傾向率為-0.028·(10a)-1（圖9c，圖9d）。

玉門站1953—2020 年平均氣溫不均勻系數(shù)的變化范圍在0.56～0.98，平均值為0.70，最大值為0.98，出現(xiàn)在1967年，最小值為0.56，出現(xiàn)在1998年和2002 年，平均氣溫不均勻系數(shù)呈微弱減小趨勢，傾向率為-0.02·(10a)-1。平均氣溫集中度的變化范圍在0.89～1.54，平均值為0.89，最大值為1.54，出現(xiàn)在1967年，最小值為0.89，出現(xiàn)在1998年，平均氣溫集中度呈現(xiàn)微弱的下降趨勢，傾向率為-0.032·(10a)-1（圖9e，圖9f）。疏勒河流域各站氣溫不均勻系數(shù)與集中度均呈現(xiàn)下降趨勢，表明流域氣溫分布趨于均勻化。

3 討論

研究時段內疏勒河流域全年及四季平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，這與以往的研究結果一致［19］。流域平均氣溫增溫率為0.21 ℃·(10a)-1，這與多位學者對該地區(qū)的研究結果相近［27-29］。其中，春、冬季增溫率較大，對年平均氣溫升高貢獻突出，而夏、秋季增溫率較小，這與人類活動導致溫室氣體排放量增加有關［1］。與夏、秋季相比，在春、冬季節(jié)流域居民主要靠燃煤取暖，溫室氣體濃度增加、大氣輻射保溫作用增強導致春、冬季增溫率最高。流域敦煌站、瓜州站、玉門站平均氣溫在1997年左右均出現(xiàn)了明顯的突變點，且都是呈現(xiàn)正突變，這可能是受西風環(huán)流降水的影響，疏勒河流域的氣候環(huán)境由冷干轉為暖濕［22］。流域氣溫周期性特征存在較大差異性，這與研究時間序列、氣候因素和人類活動有很大關系。疏勒河流域東部毗鄰山川，緯度和海拔高度較高，氣溫常年偏低，越往西越接近沙漠地帶，氣溫較高，所以氣溫空間變化呈現(xiàn)由東向西升高的趨勢。流域氣溫不均勻系數(shù)與集中度均呈下降趨勢，表明氣溫分布趨于均勻化，高、低溫出現(xiàn)的不確定性可能升高。總體而言，由于西北干旱內陸河流域氣候特點的復雜性，氣溫受多種因素綜合影響，其變化特征時空差異很大。因此，在后續(xù)研究中應進一步加強環(huán)境變化下區(qū)域氣溫時空變化特征與預測研究。

4 結論

本研究基于疏勒河流域敦煌站、瓜州站、玉門站1951—2020年全年及四季氣溫數(shù)據(jù)，研究流域氣溫時空變化特征，結論如下：

（1）疏勒河流域敦煌站、瓜州站、玉門站年均氣溫分別以0.244 ℃·(10a)-1(P＜0.05)、0.209 ℃·(10a)-1(P＜0.05)、0.195 ℃·(10a)-1(P＜0.05)的速率增加，70 a、70 a、68 a內分別增加了1.708 ℃、1.463 ℃、1.326 ℃，增溫趨勢顯著。

（2）敦煌站、玉門站四季平均氣溫呈顯著上升趨勢；瓜州站春季、秋季、冬季平均氣溫呈顯著上升趨勢，夏季平均氣溫呈不顯著上升趨勢。從空間分布來看，流域全年及四季平均氣溫從東向西逐漸升高，高溫多集中在敦煌站。

（3）疏勒河流域各站平均氣溫均在90年代發(fā)生突變，敦煌站、瓜州站、玉門站平均氣溫突變年份分別為1998 年、1997 年和1995 年。流域氣溫周期特征差異性較大，敦煌站、瓜州站和玉門站平均氣溫第一主周期分別為58 a、30 a、13 a。流域氣溫不均勻系數(shù)與集中度均呈遞減趨勢。