石羊河流域50年氣候變化特點及其突變檢驗

張勤虎，張鵬飛

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威733000）

石羊河流域50年氣候變化特點及其突變檢驗

張勤虎1，張鵬飛2

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威733000）

以石羊河流域5個氣象觀測站點，1960-2009年50年逐日降水、溫度及蒸發(fā)觀測資料為基礎(chǔ)，分析了石羊河流域過去50年的氣候變化特點、空間分布及其突變檢驗。研究結(jié)果認(rèn)為，石羊河流域氣象要素多年平均值的空間分布呈明顯的南北向分布；石羊河流域在過去50年，氣溫呈顯著的增加趨勢，增幅為0.27-0.58℃/10a，高于全國平均水平，而且各站點變化規(guī)律一致，均在1998年發(fā)生了氣溫突變；流域內(nèi)的降水量變幅波動較大，但總體呈增加趨勢，但增加趨勢未通過顯著性檢驗，波動的因素可能是由年際振蕩造成的；流域內(nèi)蒸發(fā)量的變化幅度介于-20-200mm/10a之間，各站點變化規(guī)律不完全一致，其中武威、民勤及永昌3個站點蒸發(fā)量顯著減小，并分別在1984、1993以及1998年左右發(fā)生了突變。

氣候變化；石羊河流域；滑動t檢驗

全球氣候變化作為一個不爭的客觀事實，已成為21世紀(jì)世界各國普遍關(guān)注與重視的問題。在1906年至2005年間，全球平均地表溫度上升了0.74℃，而我國地表平均溫度升高了1.1℃［1，2］。

我國西北干旱半干旱區(qū)不但是全球氣候變化響應(yīng)最敏感的地帶，也是生態(tài)環(huán)境變化最脆弱的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境的變化對局地氣候和全球氣候也會產(chǎn)生重大影響［3］。基于氣候變化的現(xiàn)實，許多研究者對該區(qū)的氣候狀況進(jìn)行了分析和預(yù)測［4～6］。施雅風(fēng)等認(rèn)為以天山西部為主地區(qū)表現(xiàn)出的氣候向暖濕轉(zhuǎn)型的趨勢有可能會向周圍擴(kuò)張，不過準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)型時間和空間上覆蓋的尺度目前尚無法估計［7］。任朝霞等研究得出，從1951-2000年這50年里，西北干旱區(qū)氣溫都升高，而降水量有增加趨勢，不過由于氣候變暖，使蒸發(fā)量增大，塔克拉瑪干沙漠、河西走廊和柴達(dá)木沙漠區(qū)的干旱危害有可能加劇，并使這些地區(qū)的土地荒漠化發(fā)展迅速［8］。白愛娟等研究發(fā)現(xiàn)，西北地區(qū)在氣溫顯著升高的同時，只在西北地區(qū)西部降水增加，存在由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的事實，但是西北地區(qū)東部干旱的形勢比前期更為嚴(yán)峻，干旱有加重趨勢［9］。石羊河流域位于西北地區(qū)中段，甘肅省河西走廊東部，是中國干旱區(qū)內(nèi)陸河流之一，近50年來隨著氣候的變化及人類活動的影響，環(huán)境嚴(yán)重惡化［10，11］，因而針對該流域氣候變化特點，分析其變化狀況和趨勢，并合理預(yù)測其未來氣候，對本地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。文章旨在從空間、時間及過去變化趨勢的基礎(chǔ)上，分析探討了石羊河流域近50年的氣候變化狀況及其特點規(guī)律。

1　區(qū)域概況及數(shù)據(jù)處理方法

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，東經(jīng)101°41′～104°16′，北緯36° 29′～39°27′之間。東南與甘肅省白銀、蘭州兩市相連，西北與甘肅省張掖市毗鄰，西南緊靠青海省，東北與內(nèi)蒙古自治區(qū)接壤，總面積4.16萬km2。該流域深居大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱氣候，加上境內(nèi)地形和海拔高度的影響，長期高溫干旱，降水稀少且年際及年代際變化很大。

利用石羊河流域五個氣象觀測站點，1960-2009年降水、氣溫及蒸發(fā)逐日氣象資料，對石羊河流域的氣候變化特征及規(guī)律進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)源于甘肅省氣象局石羊河流域觀測臺站，觀測臺分布如圖1所示。數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析使用SPSS13.0及EXCEL2003，氣候突變檢驗采用滑動t檢驗（子序列步長設(shè)置為10a）［12］。

圖1　石羊河流域海拔及站點分布

2　結(jié)果分析

2.1氣象要素50年平均空間分布特征及變化趨勢

2.1.1降水

從石羊河流域50年平均降水量的空間分布（圖2a），可以看出位于石羊河上游地區(qū)的烏鞘嶺和古浪兩個站點多年平均降水量在300mm以上，降水較為充沛。隨著海拔高度的下降，降水量逐漸減少，中游地區(qū)的永昌和武威兩站降水量在150-200mm之間。而位于石羊河流域下游盆地地區(qū)的民勤則降水量更少，多年平均降水量在150mm以下。由此可以看出石羊河流域降水量的分布存在明顯的空間特征，即上游高海拔地區(qū)降水量多于中下游平原及盆地地區(qū)。不過觀察石羊河流域50年降水量的變化趨勢空間分布，卻發(fā)現(xiàn)降水量的變化趨勢與海拔及流域的走向并不相同。位于石羊河流域上游的古浪50年降水量變化有減小的趨勢，不過減少幅度并不大，為-1.5mm/10a（p＞0.05），而其他4個站點的降水量變化都為增加趨勢，但是增加趨勢并沒有通過0.05顯著性水平檢驗。

圖2　石羊河流域降水量及其變率分布

2.1.2溫度

石羊河流域50年平均氣溫分布規(guī)律與降水量的分布規(guī)律相反（圖3a），表現(xiàn)為上游地區(qū)的烏鞘嶺和古浪兩站氣溫較低，而下游盆地的民勤溫度則較高，下游比上游地區(qū)約高3～8℃。位于流域中游的永昌和武威多年平均氣溫則介于上下游氣溫之間，但是武威的氣溫較位于同一流域段的永昌氣溫高約2℃左右，這可能與武威海拔相對較低而且城市化進(jìn)程較永昌快有關(guān)。分析石羊河流域50a平均氣溫的變化傾向（圖3b），能夠發(fā)現(xiàn)石羊河各個區(qū)域氣溫都表現(xiàn)為增加趨勢，其中尤以中游西部地區(qū)的永昌增溫幅度最大，增幅為0.58℃/10a（p＜0.001）。上游區(qū)的烏鞘嶺增溫幅度最小，為0.27℃/10a（p＜0.001）。而武威、民勤和古浪3站的氣溫增幅介于永昌和烏鞘嶺之間。從圖中很明顯可以看出石羊河流域氣溫的增加，表現(xiàn)為西部增溫強(qiáng)烈，東部增溫稍緩。

圖3　石羊河流域氣溫及其變率分布

2.1.3蒸發(fā)

石羊河流域蒸發(fā)量的空間分布特征與氣溫的分布特征相似（圖4），即表現(xiàn)為下游盆地區(qū)多年平均蒸發(fā)量要大于中游和上游地區(qū)的蒸發(fā)量，民勤觀測站位于騰格里沙漠西緣，空氣干燥，全年蒸發(fā)量能達(dá)到2400mm左右，而與之相反，地處高海拔區(qū)的烏鞘嶺站則因為常年高寒潮濕，多年平均年蒸發(fā)量只有1550mm，中游的地區(qū)的武威和永昌多年平均蒸發(fā)量則介于民勤和烏鞘嶺兩個站點之間。觀察石羊河流域各區(qū)域蒸發(fā)量50年的變化趨勢，能夠發(fā)現(xiàn)流域中下游地區(qū)年蒸發(fā)量在不斷減小，降幅在100-200mm/10a（p＜0.001）。而位于上游地區(qū)的古浪卻表現(xiàn)為蒸發(fā)增加的趨勢，增幅為20mm/10a（p＞0.05），這正好與該區(qū)域降水量減少的趨勢相對應(yīng)。

圖4　石羊河流域蒸發(fā)量及其變率分布

2.2氣象要素年際變化

石羊河流域5個站點氣溫的年際變化如圖5所示，可以看出盡管因為海拔和地形因素的差異，各站點平均氣溫的數(shù)值不完全相同，但是它們卻都具有相同的變化趨勢，即表現(xiàn)為同增同減。在20世紀(jì)60年代各站的氣溫都較高，在1967年后轉(zhuǎn)入一個相對的低值時期，而后又在波動中變化，在20世紀(jì)80年代后期各站氣溫都表現(xiàn)為明顯的上升趨勢，在1998年左右氣溫急劇上升，而后又進(jìn)入一個氣溫相對變化較為平緩的時期。

石羊河流域各觀測站點降水量的年際變化波動較大，而其中尤以位于上游區(qū)的烏鞘嶺和古浪兩站降水量起伏最大，變動于200~550mm。民勤站降水量最少，且波動范圍也較小，在40-180mm變動，而武威和永昌兩站降水量的變化則介于上述3站之間。從降水量的年際變化中大致可以看出，石羊河流域上游兩站，烏鞘嶺和古浪在20世紀(jì)60年代初期降水量較大，而后急劇減少，而中下游地區(qū)則是存在增加趨勢。此外，流域各站點在20世紀(jì)70年代前期降水量都偏少，之后有增加的的趨勢，而上游地區(qū)則增幅相對較大。在20世紀(jì)80年代和20世紀(jì)90年代，各站點降水量變動的較為均勻，但是進(jìn)入21世紀(jì)，各站點降水量又表現(xiàn)為較大的變動幅度，先急劇增加，之后又迅速減少。

石羊河流域各站點蒸發(fā)量的年際變化規(guī)律不完全一致，其中民勤年蒸發(fā)量在20世紀(jì)90年代之前，明顯地大于其他站點，而且波動幅度也較大，但是在20世紀(jì)90年代初期蒸發(fā)量迅速下降，變動幅度減小。盡管流域內(nèi)各站點蒸發(fā)量不完全相同，但是變化趨勢卻有部分時段近似一致，這其中在20世紀(jì)60年代前期，各站蒸發(fā)量都較大，至20世紀(jì)60年代中后期又減小，之后又在平緩變動中增大。但是需要注意的是武威和烏鞘嶺兩站在20世紀(jì)60年代后期到20世紀(jì)初期之前都表現(xiàn)為蒸發(fā)量持續(xù)的減少趨勢，而在2000年代初期開始，蒸發(fā)量迅速的增加。

圖5　石羊河流域各站點氣象要素年際變化

2.3氣象要素突變檢驗

2.3.1溫度

使用滑動t檢驗分析石羊河流域氣象要素的變化趨勢，從圖6中可以看出，石羊河流域5個觀測站點氣溫t統(tǒng)計量變化趨勢大致相同，均在1990年代后期發(fā)生了一次明顯的突變，并都超過了0.01顯著性水平，說明石羊河流域近50年來增溫非常明顯。在5個站點的統(tǒng)計量發(fā)生突變時，武威觀測站的t滑動統(tǒng)計量絕對值最大，說明武威站氣候突變最明顯，增溫最劇烈，這可能與武威觀測站處于城區(qū)附近，與該區(qū)域城市化進(jìn)程相關(guān)。此外，觀察各站點的統(tǒng)計量變化，還可以發(fā)現(xiàn)在20世紀(jì)70年代初期，烏鞘嶺、武威以及古浪有輕微的降溫趨勢，而其中尤以烏鞘嶺的降溫趨勢最明顯，不過并沒有達(dá)到顯著性水平，在這之后這3個站點也和其他各站點一樣即轉(zhuǎn)入持續(xù)的增溫時期。在20世紀(jì)90年代后期氣溫發(fā)生突變以后，石羊河流域的氣溫變化趨勢放緩，但還保持持續(xù)的增溫勢頭，不過增溫趨勢未超過0.01顯著性水平。

圖6　石羊河流域氣象要素統(tǒng)計檢驗分析

2.3.2降水

與氣溫的變化趨勢不同，石羊河降水量的變化趨勢則并不十分明顯，而且各站點也表現(xiàn)的不完全一致。圖6中顯示了各觀測站點降水量的滑動統(tǒng)計量變化趨勢，可以看出民勤和永昌兩站的變化趨勢大致相同，表現(xiàn)為從20世紀(jì)70年代開始持續(xù)緩慢減少，并一直到20世紀(jì)80年代后期轉(zhuǎn)入緩慢的增加階段。武威則是20世紀(jì)70年代緩慢減少，20世紀(jì)80年代前期開始增加，并一直持續(xù)到21世紀(jì)。而另外兩站古浪和烏鞘嶺則是剛開始在20世紀(jì)70年代初期緩慢增加，到20世紀(jì)70年代后期逐漸轉(zhuǎn)為減少趨勢，這兩站分別又在20世紀(jì)80年代后期和20世紀(jì)90年代初期開始降水增多，古浪在1990年代后期，降水又逐漸減少，而烏鞘嶺則保持著增加趨勢。從圖中明顯看出盡管石羊河流域各站點降水量的統(tǒng)計值變動幅度較大，但是各站的降水量變化均沒有通過0.01顯著性水平檢驗。

2.3.3蒸發(fā)量

圖6中石羊河流域5個站點蒸發(fā)量的滑動統(tǒng)計量變化趨勢，能夠發(fā)現(xiàn)各個站點蒸發(fā)量的逐年變化趨勢并不完全一致，而且差異很大。各站點在20世紀(jì)70年代前期蒸發(fā)量均表現(xiàn)為減少趨勢，但是降幅不大，都沒有通過0.01顯著性水平檢驗。而后20世紀(jì)70年代后期開始，民勤、永昌以及古浪3站蒸發(fā)量開始緩慢增加，其中古浪在20世紀(jì)80年代中期增加趨勢超過了0.01顯著性水平。武威站在20世紀(jì)90年代中期之前，蒸發(fā)量一直表現(xiàn)為減少趨勢，在20世紀(jì)80年代大部分時段甚至超過了0.01顯著性水平，不過在進(jìn)入20世紀(jì)90年中后期后，武威蒸發(fā)量變化又急劇轉(zhuǎn)向，增加趨勢非常明顯，在20世紀(jì)98年之后增加趨勢達(dá)到了0.01顯著性水平。民勤站和永昌站在20世紀(jì)90年代先后發(fā)生了蒸發(fā)量減少的突變，其中民勤在1992年左右，永昌則在20世紀(jì)98年。烏鞘嶺站在20世紀(jì)70年代后期蒸發(fā)量呈減少趨勢，并達(dá)到了0.01顯著性水平，之后表現(xiàn)為先緩慢減少又緩慢增加的趨勢，但變化趨勢并沒有通過0.01顯著性水平。

3　結(jié)論與討論

3.1討論

石羊河流域氣候變化的趨勢與全國及全球的變化趨勢基本保持一致，即表現(xiàn)為溫度持續(xù)增大，蒸發(fā)量逐漸減少。但是與全國50a平均氣溫增長速度0.22℃/10a相比［13］，石羊河流域的增溫幅度要明顯大于全國平均氣溫增幅，石羊河流域的永昌地區(qū)增幅甚至能達(dá)到0.58℃/10a，即使是增幅最小的烏鞘嶺增幅也能達(dá)到0.27℃/10a。從而可知，石羊河流域作為西北干旱半干旱區(qū)的一部分，對氣候變化的響應(yīng)非常敏感。近50a來全國的蒸發(fā)量總體呈減少趨勢，區(qū)域減少速率為17.2mm/10a，而干旱和半干旱區(qū)的減少量分別為5.5mm/10a和17.6mm/10a［14～16］，在石羊河流域大部分地區(qū)蒸發(fā)量與全國變化趨勢一樣，也是呈減少趨勢，而且減低幅度很大，在流域中下游地區(qū)能達(dá)到-100--200mm/10a，但是在石羊河上游卻不完全表現(xiàn)為降低趨勢，而是有增加趨勢，增幅最高能達(dá)20mm/10a。此外，石羊河流域一些區(qū)域在蒸發(fā)量總體呈減少的過程中，也存在一些階段性增加的特點，如武威站在1998年之后蒸發(fā)量呈顯著的增加趨勢，這可能是與該區(qū)城市的發(fā)展和人類活動的影響有關(guān)。

在石羊河流域1960-2009年50a氣候變化的空間分布中，很明顯地發(fā)現(xiàn)，流域的上游溫度低，降水量大，而蒸發(fā)量小，而下游則是溫度高，降水量小，蒸發(fā)量卻很大，這說明石羊河流域的降水、溫度及蒸發(fā)的空間分布規(guī)律與流域的海拔走勢相對應(yīng)，高海拔區(qū)降水多，溫度低，低海拔區(qū)降水少，溫度高，并且蒸發(fā)量大。但是觀察氣象要素50a的傾向變化卻發(fā)現(xiàn)，變化規(guī)律并沒有完全表現(xiàn)出與流域海拔高度的對應(yīng)關(guān)系，而是表現(xiàn)為：降水量在流域西部地區(qū)增加，東部地區(qū)減少；溫度在西部地區(qū)增溫迅速，在西部地區(qū)增速相對較緩；蒸發(fā)量的變化分布具有南北向的規(guī)律，但是表現(xiàn)為北部地區(qū)蒸散量降低明顯，而南部降低緩慢，甚至部分地區(qū)有緩慢的增加趨勢。

3.2結(jié)論

1）石羊河流域氣溫、降水以及蒸發(fā)的空間分布存在一定的規(guī)律，呈明顯的南北向分布，即溫度從高海拔區(qū)向低海拔區(qū)遞增，高海拔區(qū)的降水量大于地勢較低地區(qū)的降水量，蒸發(fā)量在地勢較為平緩的流域平原盆地區(qū)高，而在山區(qū)高海拔區(qū)則明顯減少。

2）石羊河流域從1960-2009年近50年時間，溫度呈不斷的增加趨勢，增幅為0.27-0.58℃/10a；降水量的波動幅度較大，而且流域內(nèi)近50年降水量有增加的區(qū)域也有減少的區(qū)域，增加幅度最大達(dá)12mm/ 10a，而降低趨勢最小只有-1.5mm/10a，可以判定流域內(nèi)降水總體還是呈增多的趨勢；流域內(nèi)蒸發(fā)量的變化也是有增有減，降低幅度最大達(dá)200mm/10a，而增加幅度最高只有20mm/10a。

3）石羊河流域氣溫的突變年份在1998年左右，而且整個區(qū)域增溫都非常明顯，各觀測測點增溫幅度都達(dá)到了0.01顯著性水平；流域中降水的波動較大，但是各測點變幅均沒有通過顯著性水平，說明降水的增減只是年際的振蕩緣故造成的；流域內(nèi)各測點蒸發(fā)量的突變年份各不一樣，武威、民勤以及永昌3個站點蒸發(fā)量存在顯著的減小趨勢，分別在1984、1993以及1998年左右發(fā)生了突變。

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