任驪安,馮瑞娟,靳立亞
(1.成都信息工程大學,四川 成都 610225;2.甘肅省隴南氣象局,甘肅 隴南 746000;3.蘭州大學,甘肅 蘭州 730000)
根據(jù)IPCC(聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會)第6次評估報告,2011—2020年平均溫升比工業(yè)化前增加了1.09 ℃,其中1.07 ℃的增溫是人類活動造成的,2001—2020年平均溫升比工業(yè)化前增加了0.99 ℃,氣溫正在迅速變暖,且這種現(xiàn)象是全球性的[1],這讓與人類息息相關的氣候系統(tǒng)正在發(fā)生巨變。《第三次氣候變化國家評估報告》[2]中表明:1909—2011 年全球平均增溫速率低于中國平均增溫速率。中國乃至全球受氣候變化的影響,各類極端氣候事件頻發(fā)[3-11],IPCC 也指出強降水、臺風、干旱等極端氣候事件將繼續(xù)出現(xiàn),而極端氣候事件的出現(xiàn)也勢必對生態(tài)環(huán)境帶來巨大的負面影響。中國的水資源、森林、農業(yè)極易受全球氣候變化的不利影響,所以研究氣候變化特征,制定應對措施對于中國乃至全球的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義[12]。
白龍江發(fā)源于甘肅省碌曲縣與四川省若爾蓋縣交界的郎木寺,流經(jīng)碌曲、若爾蓋、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣,并于廣元匯入嘉陵江,近年來該流域常出現(xiàn)短時強降水、冰雹,每年汛期的強降雨天氣常造成不同程度的滑坡、泥石流、洪澇等災害。因此研究白龍江流域的氣候變化特征對于該流域的水資源可持續(xù)開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境的保護與發(fā)展以及國家的糧食安全都具有十分重要的意義。
白龍江處于中國秦巴山區(qū)、青藏高原、黃土高原的交界處[13],流域內地形高低起伏大,氣候類型復雜多樣[14],自上游至下游依次為高寒陰濕氣候區(qū)、溫帶半濕潤區(qū)、亞熱帶濕潤區(qū)。該流域常出現(xiàn)暴雨、冰雹,每年汛期的強降雨天氣常對流域內各區(qū)域造成不同程度的滑坡、泥石流等災害,其中2020 年8月12日該流域多地出現(xiàn)暴雨天氣,造成了不同程度的洪澇災害。為此,數(shù)據(jù)選取1980—2022 年的碌曲、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣6 個白龍江流經(jīng)之地且具有代表性臺站的月降水量、月平均氣溫,以研究該流域氣候變化特征。
1.2.1 線性分析
運用線性趨勢的方法研究白龍江流域氣候變化的季節(jié)、年際變化特征,即利用傾向率來表示研究要素y的變化趨勢,利用一元線性回歸法:
式中:t為時間,將a1×10 稱為傾向率,當a1 為正時研究要素線性增加,反之線性減小。
1.2.2 小波分析
對白龍江流域的氣溫、降水進行小波分析,由小波系數(shù)來分析氣溫、降水的時頻變化特征,研究該流域氣溫、降水的周期變化。使用小波方差,研究氣溫、降水隨著時間尺度的變化。
1.2.3 M-K突變檢驗分析
對白龍江流域的氣溫、降水進行M-K突變檢驗分析。使用M-K 突變檢驗法研究時間序列的變化趨勢,不受個別異常值的干擾,已運用于眾多氣象、水文的研究中。當UF>0 時,研究要素呈上升趨勢,UF<0 時,研究要素呈下降趨勢,當UF 超過臨界置信水平直線時(置信水平α=0.05,置信水平線為±1.96),研究要素呈顯著上升或者下降趨勢。若UF 和UB 在兩條置信水平線之間出現(xiàn)交點,該交點是研究要素發(fā)生突變的起始時間[15]。
白龍江流域各季節(jié)氣溫在夏季達到最高,冬季最低,其中夏季平均氣溫于2022 年達到21.8 ℃,為近40年研究區(qū)各季節(jié)最高平均氣溫,冬季平均氣溫在1984年達到-1.26 ℃,為近40年研究區(qū)各季節(jié)最低平均氣溫。春季、夏季、秋季以及冬季氣溫均呈波動上升趨勢,氣溫增加率分別為0.481 ℃∕10 a、0.476 ℃∕10 a、0.316 ℃∕10 a、0.332 ℃∕10 a,且上升趨勢均通過0.01 顯著性檢驗。1980—2022 年白龍江流域年平均氣溫呈波動上升趨勢(圖1a),氣溫增加率為0.392 ℃∕10 a,上升趨勢均通過0.01 顯著性檢驗,并于2016 年達到最大值為11.79 ℃,1984 年達到最低值為9.84 ℃。
圖1 1980—2022年白龍江流域年平均氣溫(a)、降水(b)年際、線性趨勢變化特征
近幾十年研究區(qū)夏季降水波動最明顯且最為充沛,冬季降水最少且變化趨勢較為平穩(wěn)。2020年夏季降水達到各季節(jié)最高為452.7 mm,2010年冬季降水達到各季節(jié)最低為2.5 mm,其中夏季降水以3.969 mm∕10 a的速率減少,春季、秋季、冬季降水增加率分別為3.663 mm∕10 a、6.126 mm∕10 a、0.586 mm∕10 a,上升趨勢不明顯。1980—2022 年白龍江流域年降水呈波動上升趨勢(圖1b),降水增加率為6.96 mm∕10 a,上升趨勢不明顯,2020年降水達到最高值為760.8 mm,1997 年降水達到最低值為401.3 mm。從近幾十年氣溫和降水的變化趨勢來看,白龍江流域氣候整體而言呈暖濕化。
白龍江流域氣溫變化主要有4~6 a、10~15 a和18~32 a共3類尺度的周期變化規(guī)律(圖2a),并存在23 a、27 a2 個明顯的峰值(圖2b),其中27 a 周期振蕩最強,為氣溫變化的第一主周期,23 a為第二主周期。而5 a、13 a周期較弱,振蕩不明顯,18-32 a分布在1980—2022年,振蕩明顯,能量較高,增溫明顯。
圖2 白龍江流域1980—2022年氣溫的小波系數(shù)實部等值線圖(a)與小波方差圖(b)
研究區(qū)降水變化存在3~8 a、10~18 a、21~30 a 共3 類尺度的周期變化規(guī)律(圖3a),其中10-18 a上降水存在準4 次振蕩,21~30 a 上降水出現(xiàn)了偏少-偏多交替的準兩次振蕩。該流域降水存在4 個較為明顯的峰值(圖3b),依次為4 a、10 a、15 a、26 a,其中26 a周期振蕩最強,為研究區(qū)降水變化的第一主周期,能量明顯,其次為15 a,為白龍江流域降水變化的第二主周期,貫穿整個時段。
圖3 白龍江流域1980—2022年降水的小波系數(shù)實部等值線圖(a)與小波方差圖(b)
對白龍江流域1980—2022年間的氣溫、降水進行M-K突變檢驗分析,研究表明1981—1986年UF<0,氣溫呈下降趨勢,1980 年、1987—2022 年UF>0,氣溫呈上升趨勢,1996年UF與UB在置信直線之間出現(xiàn)交點,發(fā)生突變,在1997 年研究區(qū)氣溫的上升趨勢超過了1.96的置信度,1997—2022年氣溫顯著上升(圖4a);1981 年、1983—1985 年、1990 年、1993年以及2018—2022 年UF>0,研究區(qū)降水呈上升趨勢,其余年份UF<0,研究區(qū)降水呈下降趨勢,UF與UB 分別于1981 年、2017 年左右在置信直線之間出現(xiàn)2次交點,發(fā)生2次突變(圖4b)。
圖4 白龍江流域1980—2022年氣溫、降水M -K 突變分析(a)氣溫(b)降水
1980—2022 年白龍江流域的氣溫傾向率均為正值(圖5a),而上游的迭部其年均溫的增加趨勢最為顯著,氣溫的增加率為0.523 ℃∕10a,碌曲與舟曲為增溫的低值區(qū),氣溫的增加率分別為0.357 ℃∕10a、0.337 ℃∕10a。研究區(qū)年均氣溫在1983 年的上游碌曲出現(xiàn)最小值為1.6 ℃,在2006 年的下游文縣出現(xiàn)最高值為16.5 ℃,碌曲、迭部、舟曲、宕昌、武都的氣溫均在2006 年出現(xiàn)峰值,6 個臺站的氣溫上升趨勢均通過0.01 顯著性檢驗。白龍江流域的年降水總體來說變化趨勢較為平穩(wěn)(圖5b),上游碌曲在1980—2022年間降水增加率為26.336 mm∕10a,且上升趨勢通過0.05顯著性檢驗,其余各臺站均呈略微增加的趨勢,2020年除碌曲外各站降水均達到極大值,其中迭部2020 年降水達879.7 mm,為近幾十年以來白龍江流域最大年降水。從近幾十年氣溫和降水的空間變化特征來看,白龍江流域上游氣候呈暖濕化比中下游明顯。
圖5 白龍江流域1980—2022年氣溫、降水空間變化特征(a)氣溫(b)降水
(1)1980—2022年白龍江流域的氣溫呈顯著上升趨勢,這與全球氣溫變暖趨勢一致,降水增加的趨勢不明顯,總體來說白龍江流域近1980—2022年氣候呈暖濕化,且上游氣候呈暖濕化比中下游明顯,這與西北地區(qū)氣候呈暖濕化趨勢一致[16],而趙艷萍等[17]對研究區(qū)2005 年之前的研究表明該流域氣候呈暖干化,這說明白龍江流域氣候正由暖干化轉變?yōu)榕瘽窕?/p>
(2)白龍江流域夏季氣溫達到最高,降水最充沛,冬季氣溫最低,降水最少,各季節(jié)氣溫均呈顯著上升趨勢,夏季降水呈減少趨勢,春季、秋季、冬季降水增加趨勢不明顯。
(3)1980—2022 年研究區(qū)氣溫變化有4~6 a、10~15 a、18~32 a 共3 類尺度的周期性變化,并存在2個較為明顯的峰值,分別為23 a、27 a,27 a為第一主周期;降水變化存在3~8 a、10~18 a、21~30 a共3 類尺度的周期性變化,其中10~18 a 上降水存在準4次振蕩,21~30 a上降水出現(xiàn)了偏少-偏多交替的準兩次振蕩,并存在4個較為明顯的峰值,分別為4 a、10 a、15 a、26 a,26 a為第一主周期。