1961—2020 年甘肅省烏鞘嶺氣候變化特征分析

喬 琴，楊曉玲，陳海貝，李正昊，陳 靜

（1.甘肅省永昌縣氣象局，甘肅金昌 737200；2.甘肅省武威市氣象局，甘肅武威 733000；3.甘肅省古浪縣氣象局，甘肅武威 733100）

《中國氣候變化藍皮書（2020）》顯示，全球變暖趨勢正在持續(xù)，氣候系統(tǒng)多項關鍵指標呈加速變化趨勢，中國是全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)，在氣溫方面，1951—2019 年中國氣溫升高率為0.24 ℃/10 年，全球平均水平為0.20 ℃/10 年，中國升溫速率明顯高于同期全球平均水平［1］。20 世紀90年代中期以來，中國各地氣溫明顯升高［2-6］，極端高溫事件明顯增多［7-10］。在降水方面，1961—2019 年，降水變化的區(qū)域差異明顯，中國年降水量呈微弱增加趨勢［11-13］，年降水日數(shù)呈顯著減少趨勢［14］，極端強降水事件呈增多趨勢［15-23］。在全球氣候變化的大背景下，中國各地對全球氣候變化的響應各不相同。甘肅省烏鞘嶺地處高寒山區(qū)，周圍環(huán)境變化很小，人煙稀少，遠離城市，建筑物和交通工具少，空氣污染輕，其氣候變化受人類活動和熱島效應影響很小，因此，很有必要研究烏鞘嶺的氣候變化特征，來說明其變化是對全國乃至全球氣候變化的響應，是氣候變化的一個具體反映。

1 研究區(qū)域地理氣候概況

烏鞘嶺位于甘肅省河西走廊東部武威市的南部（圖1），屬于祁連山的高寒山區(qū)。烏鞘嶺東西長約17 km，南北寬約10 km，海拔在2 400～4 400 m。烏鞘嶺是中國地形第一與第二級階梯的邊界，烏鞘嶺的西南為地形第一級階梯，以東以北為第二級階梯；同時烏鞘嶺也是劃分中國季風區(qū)和非季風區(qū)、內(nèi)流區(qū)域和外流區(qū)域的分界線，烏鞘嶺以東為季風區(qū)和外流區(qū)域，以西為非季風區(qū)和內(nèi)流區(qū)域。其次，烏鞘嶺還是中國三大自然區(qū)的交匯點，在地形上，其位于黃土高原、青藏高原、內(nèi)蒙古高原三大高原的交匯處；在氣候區(qū)劃上，高原亞干旱區(qū)、中溫帶亞干旱區(qū)、中溫帶干旱區(qū)三大氣候區(qū)在烏鞘嶺相交［24］。烏鞘嶺氣象站是國家基準氣候站，位于102°52′ E、37°12′N，海拔3 045.1 m，在700 hPa 高度，冬季長而寒冷，夏季短而溫和，年平均氣溫0.2 ℃，極端最低氣溫達-30.6 ℃，年平均降水量410.8 mm，年極端降水量592.8 mm，氣候變化無常，有暑天飛雪的現(xiàn)象，災害天氣多，危害大。同時，烏鞘嶺氣象站是中國中東部地區(qū)氣象科研和天氣預報的指標站，因此，研究烏鞘嶺的氣候變化將對中東部地區(qū)科學研究和天氣預報有著重要意義。

圖1 武威市氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 資料來源

選取甘肅省武威市天祝藏族自治縣烏鞘嶺氣象站1961—2020 年氣溫和降水觀測資料，近60 年烏鞘嶺氣象站均未曾遷移，氣溫和降水觀測數(shù)據(jù)時間序列長，完整性和連續(xù)性好，可信度高。

2.2 研究方法

季節(jié)劃分3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11月為秋季，12 月至次年2 月為冬季。以日氣溫、日降水量為基礎，分別統(tǒng)計月、季、年及年代氣溫的平均值和降水量的合計值，并分析其變化特征。采用距平方法分析氣溫、降水年代變化，距平計算式如下。

式中，Δx為氣溫或降水量距平，x為氣溫或降水量，xˉ為氣溫或降水量多年均值。

采用線性趨勢系數(shù)方法［25］分析氣溫和降水量、季節(jié)的變化趨勢，其線性趨勢方程如下。

式中，t為x所對應的時間，b為傾向率，b×10 為每10 年的變化率。變化趨勢的顯著性采用x與t之間的相關系數(shù)（R）即氣候趨勢系數(shù)進行檢驗。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法［26］，通過信度α=0.10、0.05、0.01檢驗對應的相關系數(shù)臨界值依次為0.306、0.365、0.443，當氣候趨勢系數(shù)絕對值大于上述臨界值時，分別認為較顯著、顯著、很顯著。

運用累計距平和信噪比法［27］對年氣溫和降水量進行突變分析，累計距平計算式如下。

式中，c(t)為年氣溫或降水量累計距平。c(t) 絕對值達到最大時，對應t為轉(zhuǎn)折年。為檢驗轉(zhuǎn)折是否達到氣候突變的標準，計算轉(zhuǎn)折年的信噪比，計算式如下。

式中，為信噪比，、和s1、s2分別為轉(zhuǎn)折年前后氣溫或降水量的平均值和標準差。當≥1.0 時，存在氣候突變，最大對應年定義為氣候突變年。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫時間變化

3.1.1 年、四季氣溫年代際變化 表1 為烏鞘嶺各年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫距平（距平的計算以1961—2020 年60 年平均值為基準）。由表1 可知，烏鞘嶺不同年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫變化差異明顯。20 世紀60—80 年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫為負距平，為相對偏冷期；20 世紀90 年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫為正距平，為相對偏暖階段；21 世紀00—10 年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫為較大正距平，為相對偏暖期。20 世紀60 年代至21 世紀10 年代烏鞘嶺年及春、夏、秋、冬四季及全年氣溫分別升高了1.2、1.1、0.9、1.5、1.2 ℃。由此可知，20 世紀60 年代至21 世紀10 年代烏鞘嶺氣溫呈逐年代升高趨勢。

表1 烏鞘嶺年代際氣溫距平（單位：℃）

3.1.2 年、四季氣溫年際變化 由圖2 可知，烏鞘嶺年氣溫呈升高趨勢，氣候傾向率為0.287 ℃/10 年，氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，升高趨勢顯著。升溫速率分別高于同期全球和全國平均水平0.20 ℃/10 年和0.24 ℃/10 年［1］。由此可知，烏鞘嶺是年氣溫升高較快的地區(qū)。1961—2020 年60年烏鞘嶺年氣溫僅為0.2 ℃，氣溫＜0 ℃的年份共26年，年最高氣溫為1.6 ℃（2013 年），年最低氣溫為-1.1 ℃（1967 年），相差2.7 ℃；年次高氣溫為1.5 ℃（1998 年和2016 年），年次低氣溫為-1.0 ℃（1976年），相差2.5 ℃。

圖2 烏鞘嶺年氣溫變化趨勢

5 年滑動平均溫度曲線顯示為波動性升高，整體呈“低-中-高”的1 峰1 谷型結(jié)構(gòu)。1961—1985 年氣溫均值為-0.3 ℃，低于多年平均值，為氣溫偏低階段，1985 年后氣溫進入波動增長的階段，1986—1996 年氣溫均值為0.1 ℃，接近多年平均值，為氣溫持平階段，1997—2020 年氣溫均值為0.9 ℃，遠高于多年平均值，為氣溫偏高階段。

由圖3 可知，烏鞘嶺春、夏、秋、冬四季氣溫均呈升高趨勢。春、夏、秋、冬季四季氣溫的氣候傾向率分別為0.257、0.287、0.276、0.326 ℃/10 年，升溫速度為冬季＞夏季＞秋季＞春季，氣候趨勢系數(shù)均通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，即四季氣溫升高趨勢很顯著，說明冬季氣溫升高對年氣溫升高的貢獻最大。烏鞘嶺四季氣溫的均值及極值見表2，其中，夏季氣溫最高，冬季氣溫最低，春、秋兩季居中。

表2 烏鞘嶺四季氣溫的均值及極值

圖3 烏鞘嶺四季氣溫變化趨勢

5 年滑動曲線顯示，烏鞘嶺春、夏、秋、冬四季氣溫為波動性升高。其中春季氣溫呈“中-低-高”三個階段，1961—1974 年均值為0.2 ℃，等于多年均值，為持平階段；1975—1996 年均值為-0.5 ℃，低于多年均值，為偏低階段；1996 年后進入波動升高階段，1997—2020 年均值為1.0 ℃，高于多年均值，為偏高階段。夏季氣溫也呈“中-低-高”三個階段，1961—1978 年氣溫均值為10.1 ℃，接近多年均值，為氣溫持平階段，1979—1987 年均值為9.9 ℃，低于多年均值，為偏低階段；1987 年后進入波動升高階段；1988—2020 年均值為11.0 ℃，高于多年均值，為偏高階段。秋季氣溫呈“低-中-高”三個階段，1961—1981 年均值為-0.2 ℃，低于多年均值，為偏低階段；1981—1997 年均值為0.4 ℃，接近多年平均值，為持平階段；1998 年后進入波動升高的階段，1998—2020 年均值為1.2 ℃，高于多年均值，為偏高階段。冬季呈“低-高”兩個階段，1961—1984 年均值為-11.2 ℃，低于多年均值，為偏低階段；1984年后進入波動升高的階段，1985—2020 年均值為-9.6 ℃，高于多年均值，為偏高階段。

3.1.3 月氣溫變化 分析發(fā)現(xiàn)，烏鞘嶺月氣溫變化特征非常明顯，月氣溫變率較大，表現(xiàn)為1 個明顯的高峰和1 個明顯的低谷（圖4），氣溫最高月份在7月，為11.7 ℃，次高月份在8 月，為10.5 ℃，依此向兩端迅速遞減，氣溫最低月份在1 月，為-11.6 ℃，次低月份在2 月，為-10.1 ℃，最高和最低氣溫月相差23.3 ℃。

圖4 烏鞘嶺月氣溫變化趨勢

3.2 降水時間變化

3.2.1 年、四季降水年代際變化 表3 為烏鞘嶺各年代際年及春、夏、秋、冬四季年降水量距平（距平的計算以1961—2020 年60 年平均值為基準）。由表3可知，烏鞘嶺不同年代際年及春、夏、秋、冬四季降水量變化差異較大。20 世紀60 年代年及春、夏、秋、冬四季降水量為負距平，為相對偏少期；20 世紀70 年代夏、秋兩季年降水量為正距平，為相對偏多階段，年及春、冬兩季降水量為負距平，為相對偏少階段；20 世紀80 年代年及春、夏、冬三季降水量為正距平，為相對偏多階段，秋季降水量為負距平，為相對偏少階段；20 世紀90 年代春、冬兩季降水量為正距平，為相對偏多階段，年及夏、秋兩季降水量為負距平，為相對偏少階段；21 世紀00 年代春、秋、冬三季降水量為正距平，為相對偏多階段，年及夏季降水量為負距平，為相對偏少階段；21 世紀10 年代年及春、夏、秋、冬四季降水量為正距平，為相對偏多階段，夏季降水量正距平最大，表明夏季降水量增多對年降水量增多貢獻最大。20 世紀60 年代至21 世紀10 年代烏鞘嶺年及春、夏、秋、冬四季降水量分別增加了131.1、11.4、83.2、27.9、8.6 mm。由此可知，20 世紀60 年代至21 世紀10 年代烏鞘嶺降水量呈逐年代增加。

表3 烏鞘嶺年代際降水量距平（單位：mm）

3.2.2 年、四季降水年際變化 由圖5 可知，烏鞘嶺年降水量呈增多趨勢，氣候傾向率為18.690 mm/10年，氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗，增多趨勢顯著。由此可知，烏鞘嶺是降水量增多相對較多的地區(qū)。1961—2020 年60 年烏鞘嶺平均降水量為410.8 mm，年最多降水量為592.8 mm（2012年），年最少降水量為231.3 mm（1962 年），相差361.5 mm；年次多降水量為592.2 mm（2019 年），年次少降水量為236.4 mm（1965年），相差355.8 mm。

圖5 烏鞘嶺年降水量變化趨勢

5 年滑動平均降水曲線顯示為波動性緩慢增多，整體呈“低-高-中-高”的2 峰1 谷型結(jié)構(gòu)。1961—1978 年降水量均值為362.8 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段；1979—1991 年降水量均值為423.1 mm，高于多年平均值，為降水偏多階段；1992—2011 年降水量均值為407.3 mm，接近多年平均值，為降水持平階段；2011 年后降水進入波動增長階段，2012—2020 年降水量均值為465.1 mm，遠高于多年平均值，為降水顯著偏多階段［7］。

由圖6 可知，烏鞘嶺春、夏、秋、冬四季降水量均呈增多趨勢。春、夏、秋、冬四季降水量的氣候傾向率分別為2.409、9.554、4.998、1.729 mm/10 年，增多的速度為夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，增多趨勢很顯著，春、夏、秋三季氣候趨勢系數(shù)沒有通過顯著性水平檢驗，增多趨勢不顯著，說明冬季降水增多對年降水量的增多貢獻最大。烏鞘嶺四季降水量的均值及極值見表4，其中，夏季降水最多，冬季降水最少，春、秋兩季居中。

表4 烏鞘嶺四季年降水量的均值及極值

圖6 烏鞘嶺四季降水量變化趨勢

5 年滑動降水量曲線顯示，烏鞘嶺春、夏、秋、冬四季降水量為緩慢波動性增多。其中春季呈“低-高-中”的1 峰1 谷型結(jié)構(gòu)，1961—1980 年降水量均值為60.5 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，1980 年后降水量進入波動增多的階段，1981—2004年降水量均值為75.2 mm，高于多年平均值，為降水偏多階段，2004 年后降水量進入波動降低的階段，2005—2020 年降水量均值為69.8 mm，接近多年平均值，為降水量持平階段；夏季呈“低-高-低-高”的2 峰2 谷型結(jié)構(gòu)，1961—1977 年降水量均值為220.4 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，1978—1994年降水量均值為263.1 mm，多于多年平均值，為降水偏多階段，1995—2011 年降水量均值為228.0mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，2012—2020 年降水量均值為304.2 mm，高于多年平均值，為降水偏多階段；秋季呈“中-低-高”的1 谷1 峰型結(jié)構(gòu)，1961—1971 年降水量均值為85.9 mm，接近多年平均值，為降水持平階段，1972—1994 年降水量均值為83.0 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，1994 年后降水進入波動增多的階段，1995—2020 年降水量均值為99.1 mm，高于多年平均值，為降水偏多階段；冬季呈“低-中-高”的1 谷1 峰型結(jié)構(gòu)，1961—1987 年降水量均值為4.9 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，1988—2012 年降水量均值為9.4 mm，接近多年平均值，為降水持平階段，2012 年后降水進入波動增多的階段，2013—2020 年降水量均值為14.5 mm，遠高于多年平均值，為降水顯著偏多階段。

3.2.3 月降水變化 分析發(fā)現(xiàn)，烏鞘嶺月降水變化特征也非常明顯，月降水量變率較大，表現(xiàn)為1 個明顯的高峰和1 個明顯的低谷（圖7），降水量最多月份在8 月，為90.4 mm，次多月份在7 月，為89.7 mm，依此向兩端迅速遞減，降水量最少月份在12 月，為1.5 mm，次少月份在1 月，為2.3 mm，最多和最少月相差88.9 mm。降水主要集中在6—9 月，降水量為309.4 mm，占年降水量的75%。

圖7 烏鞘嶺月降水量變化趨勢

3.3 氣溫和降水氣候突變

采用累計距平方法對烏鞘嶺氣溫和降水量進行了氣候突變分析。從圖8a 可以看出，烏鞘嶺氣溫20世紀60—90 年代中期呈波動降低趨勢，1996 年后呈快速升高趨勢，1996 年信噪比為1.36，通過了信噪比檢驗。因此，可認為烏鞘嶺氣溫的氣候突變時間在1996 年。從圖8b 可以看出，烏鞘嶺降水量20 世紀60—70 年代中期均呈波動減少趨勢，1977—2002 年呈波動階段，2002 年后呈波動增多趨勢，1977 年信噪比為0.45，2002 年信噪比為0.34，均未通過信噪比檢驗。因此，可認為烏鞘嶺降水氣候轉(zhuǎn)折時間在1977 年和2002 年，沒有發(fā)生氣候突變。

圖8 烏鞘嶺年氣溫（a）和降水量（b）的累計距平

4 結(jié)論

利用甘肅省武威市天祝藏族自治縣烏鞘嶺氣象站的氣溫和降水資料，分析了烏鞘嶺的氣候變化特征，得到以下結(jié)論。

1）烏鞘嶺年代、年及四季氣溫呈升高趨勢，升溫的速度為冬季＞夏季=年＞秋季＞春季，氣候趨勢系數(shù)均通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，升高趨勢很顯著，冬季氣溫升高對年氣溫升高的貢獻最大。烏鞘嶺月氣溫變化特征明顯，月氣溫變率較大，最高月份在7 月，依此向兩端迅速遞減，最低月份在1 月，最高和最低氣溫月相差23.3 ℃，烏鞘嶺氣溫在1996 年發(fā)生氣候突變。

2）烏鞘嶺年代、年及四季降水量呈增多趨勢，增多的速度為年＞夏季＞秋季＞春季＞冬季，年降水量的氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗，增多趨勢顯著，冬季降水量的氣候趨勢系數(shù)通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，增多趨勢很顯著，冬季降水量增多對年降水量的增多貢獻最大。烏鞘嶺月降水變化特征也非常明顯，月降水量變率較大，降水量最多月份在8 月，依此向兩端迅速遞減，降水最少月份在12 月，降水量最多和最少月相差88.9 mm。降水量主要集中在6—9 月，為309.4 mm，占年降水量的75%。烏鞘嶺降水在1977 年和2002 年出現(xiàn)了氣候轉(zhuǎn)折，沒有發(fā)生氣候突變。

3）由于烏鞘嶺地處高寒山區(qū)，植被稀少，周圍觀測環(huán)境變化很小，且遠離城市，人煙稀少，建筑物和交通工具少，空氣污染輕，其氣候變化受人類活動和城市熱島效應的影響很小，與武威市其他縣區(qū)相比［28］，氣溫的上升率明顯偏低，降水量的增多率明顯偏高；與西寧［4］、新疆［6］、黃河流域［23］等地區(qū)相比，也得到了基本相同的結(jié)論。因此，烏鞘嶺氣候變化是一種普遍現(xiàn)象，可能是對全球氣候變化的具體響應，與人類活動和城市熱島效應的關系并不大，這一點還有待于在未來的研究中進一步討論。