西北地區(qū)氣象要素時空變化特征及未來趨勢評估

陳代明,王亞東,梁 君,韓牧原,王 潔

(1.國能陜西水電有限公司,陜西西安 710075;2.南京信息工程大學(xué),江蘇南京 210044)

20世紀(jì)以來,全球氣溫持續(xù)增長,全球變暖現(xiàn)象為世人矚目。全球的持續(xù)變暖造成了一系列影響,冰山積雪融化,生態(tài)系統(tǒng)破壞,水文氣象極端事件頻發(fā),低緯度地區(qū)干旱炎熱,中高緯度地區(qū)逐漸暖濕化。與此同時,全球氣候變化也給我國帶來了巨大的影響,洪澇災(zāi)害頻發(fā),北方地區(qū)水資源短缺,土地干旱程度不斷加重,對我國農(nóng)業(yè)造成巨大影響[1]。我國西北地區(qū)其位置深居內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,其氣候?yàn)榈湫偷拇箨懶詺夂?再加上地形比較復(fù)雜,擁有高原、山地、盆地、荒漠這些奇觀,同時由于高原山地地形較高的影響,山脈對濕潤氣流的阻擋,氣候干旱,降水稀少。氣候變暖加上復(fù)雜的地形的影響,究竟對西北地區(qū)的局地氣溫產(chǎn)生何種影響,其影響程度有多深,引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[2-5]。合理評估西北地區(qū)氣溫的時空變化特征,對該地區(qū)氣候變化評估、農(nóng)業(yè)發(fā)展、生態(tài)保護(hù)都具有重要的意義。

21世紀(jì)初期,曾有研究表明全球變暖正在變緩,但很快被證實(shí)全球變暖依然很明顯。全球氣候變化對我國水文水利、生態(tài)環(huán)境等方面的影響程度逐步加深,因此大量學(xué)者圍繞不同氣象要素過去與未來的變化趨勢展開了眾多研究。陳紅菊等[6]利用江蘇省13個國家級臺站1961—2020年逐日降水資料,采用非參數(shù)檢驗(yàn)法的Mann-Kendall方法分析了江蘇省各地的降水時空分布規(guī)律;徐飛等[7]以珠江流域57個氣象站1960—2018年氣溫資料為基礎(chǔ),借助12個氣溫變化指數(shù),分析了珠江流域不同極端氣溫的變化特征和未來趨勢,結(jié)果表明未來極端氣溫依然保持目前的趨勢。在西北地區(qū),全球變暖導(dǎo)致該地區(qū)的氣候條件發(fā)生改變,進(jìn)一步顯著影響該地區(qū)不同氣象要素的變化。王利平等[8]采集了我國西北青藏南方地區(qū)1961—2014年530個氣象站數(shù)據(jù),使用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)、突變檢驗(yàn)和小波分析對其進(jìn)行空間時間變化分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)1961—2014年我國青藏地區(qū)干燥程度均呈明顯減小趨勢,而南方地區(qū)干燥程度則呈微弱減小趨勢。李潤祥等[9]從中國氣象局收集了新疆地區(qū)1981—2012年的氣溫觀測數(shù)據(jù),采用氣候傾向線性估計和Mann-Kendall方法分別對該地區(qū)氣溫變化趨勢與突變信息進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,近32年年平均氣溫呈現(xiàn)不同程度的升高趨勢,在未來一段時間新疆將會變得更加溫暖。這些研究說明在全球氣候變暖的背景下西北地區(qū)氣象條件在不斷發(fā)生變化。多數(shù)科學(xué)家已經(jīng)針對西北部分省份的不同氣象變量要素的歷史變化趨勢進(jìn)行了研究[10],但是將西北作為一個整體綜合分析西北地區(qū)氣溫變化情況的研究較少,大部分學(xué)者只是單一使用曼坎德爾趨勢檢驗(yàn)法或RS分析法來研究西北地區(qū)氣溫的歷史變化趨勢及未來變化趨勢,而且并沒有按照干濕季節(jié)分類,因此筆者將全年分為干季和濕季,并同時采用曼坎德爾趨勢法和RS分析法評估西北地區(qū)氣溫的歷史及未來的變化趨勢。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況西北地區(qū)包括新疆維吾爾自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)、青海省、甘肅省,其地形地貌形式多變,中間為盆地,如準(zhǔn)噶爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地,四周為高原和山地,如黃土高原、天山—昆侖山山脈等。受這種特殊地形地貌的影響,氣候呈現(xiàn)多樣化的特征,既存在溫帶季風(fēng)氣候(東南部),又存在高寒氣候以及溫帶大陸性氣候。受海陸位置與地形地貌影響,西北地區(qū)降水較少,且夏季酷熱,冬季極寒。

黃土高原是我國四大高原之一,其位置處于西北地區(qū)西部,地勢由西北向東南傾斜,除了石質(zhì)山地外,大部分都為厚層黃土覆蓋,由于黃河的不斷強(qiáng)烈侵蝕,形成千溝萬壑的地形景觀,海拔為800～3 000 m;從氣候類型上來看,本地為典型的大陸性季風(fēng)氣候,全年降水偏少,氣溫年際變化較大,表現(xiàn)為冬季嚴(yán)寒,夏季酷熱;河流是以黃河為骨干,發(fā)源于黃土高原的河流較多;由于受暴雨影響,大多數(shù)河流汛期洪峰急漲猛落,汛期水量占全年水量的大部分。塔里木盆地是我國面積最大的內(nèi)陸盆地,其位置位于我國新疆南部盆地,地勢總體上來說特點(diǎn)是西高東低。盆地周邊為戈壁,盆地中心為塔里木河穿越而過的大片沙漠,河流勁頭形成沖積平原,受塔里木河影響盆地有零星綠洲存在;該地區(qū)海拔為800～1 300 m;從氣候類型上來看,本地為典型的暖溫帶氣候,太陽輻射高,多風(fēng)沙,氣溫日較差大、年內(nèi)季節(jié)變化大;盆地水分主要來自西風(fēng)氣流,降水稀少,本身無法形成徑流,較大河流有南部的葉爾羌、克孜勒等,北部的阿克蘇、臺蘭等。天山山脈是世界七大山系之一,地勢呈東西走向,占地57萬km2以上,占新疆全區(qū)面積約1/3。天山山脈四周沙漠環(huán)繞,氣候?yàn)闇貛Т箨懶詺夂?擁有眾多的冰川河流、特殊的生物區(qū)系和生態(tài)過程。

1.2 數(shù)據(jù)來源首先對西北地區(qū)38個氣象站的日氣溫和日降水量資料進(jìn)行處理,從站點(diǎn)分布(圖1)來看,有16個氣象站位于新疆維吾爾自治區(qū),1個氣象站位于寧夏回族自治區(qū),11個氣象站位于青海省,8個氣象站位于甘肅省,2個氣象站位于陜西省,站點(diǎn)分布比較均衡,數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。同時為了保證數(shù)據(jù)的一致性,選取這些站點(diǎn)1971—2020年的日氣溫數(shù)據(jù),并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行對比插值,從結(jié)果來看數(shù)據(jù)質(zhì)量較高,較為可靠。

圖1 西北地區(qū)氣象站點(diǎn)分布

該研究需要計算干季、濕季的氣溫資料,定義5—10月為濕季,其他月為干季。

1.3 研究方法在水文氣象以及氣候變化領(lǐng)域,曼坎德爾檢驗(yàn)法是一種常用的氣候診斷與預(yù)測技術(shù),該檢驗(yàn)方法既可以尋找突變點(diǎn)并判斷數(shù)據(jù)的突變性,又可以分析數(shù)據(jù)的變化趨勢。由于M-K趨勢檢驗(yàn)法要求數(shù)據(jù)的分布并不是很嚴(yán)格,且允許數(shù)據(jù)中間可以存在缺值,所以多用于氣候變化、水文氣象領(lǐng)域中的降水、氣溫、流量等數(shù)據(jù)的趨勢估算,計算方法簡單方便,具體原理與計算方法參考文獻(xiàn)[11-13]。

RS分析法屬于一種數(shù)據(jù)統(tǒng)計方法,由英國科學(xué)家赫斯特提出,又稱赫斯特指數(shù)法。該方法起初被用來分析水庫、河流之間的流量變化,后來逐步廣泛用于氣象與水文各行業(yè)的數(shù)據(jù)分析。并于1951年相繼提出Hurst指數(shù),用來對時間序列的持續(xù)性進(jìn)行定量描述,具體計算方法參考文獻(xiàn)[14-15]。Hurst指數(shù)為0～1,以0.5為臨界點(diǎn),指數(shù)大于0.5代表數(shù)據(jù)的未來變化趨勢與過去趨勢一致,越接近于1,其一致性越強(qiáng);指數(shù)小于0.5代表數(shù)據(jù)的未來變化趨勢與過去趨勢不一致,越接近于0,不一致性越強(qiáng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均氣溫歷史趨勢檢驗(yàn)及未來趨勢預(yù)測采用曼坎德爾檢驗(yàn)法對1971—2020年研究區(qū)氣象站點(diǎn)年平均氣溫變化趨勢進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn),從結(jié)果來看,對于5%置信區(qū)間的通過情況來說,大部分的氣象站點(diǎn)都能夠通過,對所有站點(diǎn)的曼坎德爾趨勢度β進(jìn)行插值,得到其分布如圖2所示,據(jù)此可以分地區(qū)評估西北地區(qū)年平均氣溫變化趨勢的空間差異性。從1971—2020年西北地區(qū)氣溫變化趨勢度β的分布(圖2)可以看出,整個西北地區(qū)年平均氣溫均呈上升的態(tài)勢,從整個西北地區(qū)分布來看,呈現(xiàn)從西北往東南遞增的規(guī)律,青海省中東部地區(qū)、甘肅省中西部、陜西省、寧夏回族自治區(qū)等地上升趨勢比較明顯;新疆大部分地區(qū)、青海省中西部地區(qū)、甘肅西部地區(qū)氣溫均呈微弱的上升趨勢,不是特別明顯。在全球變暖大背景下,西北地區(qū)總體上氣溫也表現(xiàn)出不斷上升的態(tài)勢。

圖2 1971—2020年西北地區(qū)年平均氣溫變化趨勢度β值空間分布

對西北地區(qū)包括陜西在內(nèi)的氣象站點(diǎn)年均氣溫使用RS方法進(jìn)行分析計算,可以得到所有站點(diǎn)的Hurst指數(shù),并進(jìn)行插值,從而得出其空間分布(圖3)。從年均氣溫的Hurst值分布特點(diǎn)(圖3)來看,總體上來看西北地區(qū)大部分地區(qū)Hurst值均大于0.5,表示未來一段時間的年均氣溫保持與過去一致的變化局勢,繼續(xù)呈現(xiàn)持續(xù)性的升溫態(tài)勢;從地區(qū)分布差異來看,僅有新疆北部地區(qū)的Hurst值小于0.5,意味著未來氣溫變化趨勢與過去趨勢相反,未來氣候有變涼爽的可能性;其余地區(qū),其中新疆西南地區(qū)、新疆甘肅青海三省(區(qū))交界處、甘肅西部、陜西中西部、寧夏回族自治區(qū)的Hurst值達(dá)到了0.9,未來持續(xù)增溫的趨勢非常強(qiáng)。除新疆北部的其他西北地區(qū),大部分的Hurst值都達(dá)到了0.8,只有青海中部和西部的少部分地區(qū)Hurst值達(dá)到了0.7,持續(xù)性較強(qiáng)。

圖3 1971—2020年西北地區(qū)年平均氣溫Hurst值空間分布

綜合曼坎德爾檢驗(yàn)法和RS分析法得出的數(shù)據(jù)分布來看,從具體的持續(xù)性方面來說,未來一段時間內(nèi)西北地區(qū)大部分地區(qū)年均氣溫保持與過去一致的變化趨勢,繼續(xù)呈現(xiàn)升溫態(tài)勢,未來持續(xù)增暖的可能性較大;僅有新疆北部地區(qū)未來氣溫變化趨勢與過去趨勢相反,該地區(qū)未來氣候有變涼爽的可能性。

2.2 干季氣溫歷史趨勢檢驗(yàn)及未來趨勢預(yù)測從干季平均氣溫變化趨勢度β值的空間插值(圖4)可以看出,干季氣溫的趨勢度β值在整個西北地區(qū)都是呈現(xiàn)大于0的特點(diǎn),即氣溫在1971—2020年是不斷上升的,其中新疆大部分地區(qū)出現(xiàn)了較大值的干季氣溫趨勢度β值,甘肅西部地區(qū)和青海東部地區(qū)出現(xiàn)了較小值的氣溫趨勢度β值。從整個西北地區(qū)來看,干季氣溫趨勢度β值分布由西北地區(qū)西北向中部遞減,然后由中部向東南遞增規(guī)律,但是前一遞減過程下降程度明顯高于后一上升過程上升程度。

圖4 1971—2020年西北地區(qū)干季平均氣溫趨勢度β值空間分布

對西北地區(qū)干季平均氣溫進(jìn)行RS分析,具體的Hurst值分布如圖5所示。從干季Hurst值分布特點(diǎn)(圖5)來看,新疆中北部地區(qū)干季平均氣溫的Hurst值均呈現(xiàn)小于0.5的特點(diǎn),表示2020年之后的氣溫變化與過去50年的變化趨勢有較大改變,具體來說是該地區(qū)干季氣溫未來可能出現(xiàn)降低的現(xiàn)象;除新疆中北部地區(qū),其他西北地區(qū)Hurst值呈現(xiàn)大于0.5的特點(diǎn),表明2020年之后的氣溫變化與過去50年的氣溫變化趨勢相似,即未來繼續(xù)保持增暖的態(tài)勢。除新疆中北部的其他地區(qū),在新疆西部、青海南部、甘肅南部、寧夏南部、陜西大部分地區(qū)Hurst值達(dá)到0.9,表明未來呈現(xiàn)繼續(xù)增暖的可能性非常高。

圖5 1971—2020年西北地區(qū)干季平均氣溫Hurst值空間分布

綜合曼坎德爾趨勢檢驗(yàn)得到的趨勢度β值和RS計算得到的Hurst指數(shù)的分布情況來看,1971—2020年西北大部分地區(qū)干季氣溫在過去和未來均呈上升趨勢,僅有新疆北部地區(qū)的干季氣溫呈現(xiàn)未來與過去不一致的變化趨勢,該地區(qū)未來干季平均氣溫可能呈下降趨勢,未來一段時間當(dāng)?shù)馗杉練鉁刈兊酶雍?而其他地區(qū)的Hurst值高于0.5,未來年平均氣溫呈上升趨勢,干季將可能更加溫暖。

2.3 濕季氣溫歷史趨勢檢驗(yàn)及未來趨勢預(yù)測從1971—2020年濕季平均氣溫變化趨勢度β值分布(圖6)可以看出,濕季平均氣溫的趨勢度β值在整個區(qū)域內(nèi)均大于0,即在過去的50年中濕季平均氣溫保持上升趨勢,青海中西部地區(qū)及甘肅和新疆的省界交界處出現(xiàn)了最大的氣溫趨勢度β值,新疆中北部地區(qū)出現(xiàn)了最小的氣溫趨勢度β值。從整個西北地區(qū)來看,濕季平均氣溫趨勢度β值分布從東西方向來看是由西北地區(qū)新疆最西部向新疆中部略微遞減,然后由新疆中部向西北地區(qū)中部迅速遞增,達(dá)到最大值后由西北中部地區(qū)向西北東部地區(qū)緩慢遞減的規(guī)律。

圖6 1971—2020年西北地區(qū)濕季平均氣溫趨勢度β值空間分布

對西北地區(qū)濕季平均氣溫進(jìn)行RS分析,并進(jìn)行插值計算,具體的Hurst指數(shù)空間分布如圖7所示。西北地區(qū)濕季平均氣溫Hurst值的分布比較明顯,與年平均氣溫和干季平均氣溫不一樣,濕季平均氣溫的Hurst值均大于0.8,表明2020年之后的濕季平均氣溫保持與過去一致的變化趨勢,繼續(xù)保持增溫。其中增溫持續(xù)性最強(qiáng)的地區(qū)位于新疆西北部,除此以外的其他地區(qū)也呈現(xiàn)較強(qiáng)濕季氣溫增溫持續(xù)性。

圖7 1971—2020年西北地區(qū)濕季平均氣溫Hurst值空間分布

綜合曼坎德爾趨勢檢驗(yàn)得到的趨勢度β值和RS計算得到的Hurst指數(shù)的分布情況來看,西北地區(qū)濕季平均氣溫未來保持著繼續(xù)升高的趨勢,其中以青海西部地區(qū)的上升趨勢最為顯著,氣溫將逐漸變得溫暖。

3 結(jié)論

該研究基于曼坎德爾檢驗(yàn)法和Hurst指數(shù)估算法對1971—2020年西北地區(qū)氣溫的歷史趨勢進(jìn)行分析,并對未來的變化趨勢進(jìn)行了估測,對年、干季、濕季多種時間尺度的結(jié)果進(jìn)行對比分析,結(jié)果表明,從整體上來說,西北地區(qū)年平均氣溫的上升趨勢明顯,且年平均氣溫未來具有持續(xù)性,將保持過去的穩(wěn)定的上升趨勢,未來西北地區(qū)將變得更溫暖。干季和濕季平均氣溫1971—2020年西北地區(qū)也呈上升趨勢,但兩者在持續(xù)性上存在區(qū)別,干季平均氣溫在新疆西北部地區(qū)存在反持續(xù)性,未來的氣溫將呈現(xiàn)下降趨勢,而干季其他地區(qū)均呈持續(xù)性,濕季平均氣溫在西北地區(qū)未來持續(xù)性十分顯著。

該研究只是從統(tǒng)計學(xué)的角度對西北地區(qū)1971—2020年的氣溫進(jìn)行分析,從而對未來的氣溫進(jìn)行預(yù)測,研究結(jié)果表明規(guī)律性還是比較強(qiáng)的,但是氣溫的變化涉及很多要素,比如蒸發(fā)量、植被覆蓋率、徑流量、地下水水位等對大氣的反饋?zhàn)饔?也會導(dǎo)致氣溫的變化,所以分析預(yù)測具有很大的局限性,其物理基礎(chǔ)有所不足。