祁連山地區近60年氣溫時空變化特征

葉偉林，黃鈺涵，周自強*，朱彥儒

(1.甘肅省科學院地質自然災害防治研究所，蘭州 730000；2.蘭州大學資源環境學院，蘭州 730000；3.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059)

如今全球氣候變暖現象已非常明顯，中外各大研究機構及媒體都十分關注氣候的變化趨勢。在政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)排放情景特別報告(special report on emissions scenarios,SRES)中指出，1990—2100年，全球平均地表溫度將上升1.4～5.8 ℃[1]?？梢娙驓夂蜃兣膯栴}愈發嚴重[2-5]。而根據IPCC第五次評估報告指出未來氣候變化帶來的影響將進一步加劇，極端氣候的發生頻率將持續升高[6]。特別是近年來受極端氣候的影響區域性的地質災害頻發，劉健康等[7]以西藏的古鄉溝為研究區，研究發現泥石流的發生與降雨和氣溫存在著密切的關系，而祁連山地區位于中國西北內陸區和青藏高原的交匯地帶，由于其特殊的地理位置，氣象條件的變化所引起的地質災害更是防災領域研究的重點。目前，諸多學者們以祁連山地區完備的生態系統具有調節區域小氣候、涵養水資源、維持生物多樣性等生態作用的角度出發，一直將祁連山地區作為研究的熱點地區。曹廣超等[8]基于祁連山南坡的19個氣象站點，研究了1960—2014年的氣溫變化，結果表明氣溫增長率為0.35 ℃/a，氣溫呈波動式上升，冬季氣溫增幅最大；尹憲志等[9]、賈文雄等[10]研究發現，祁連山區氣溫在1980年代中期以后增溫明顯加快，秋冬季升溫幅度較高；呂越敏等[11]利用極端氣溫指數分析得出，祁連山中東部極端氣溫暖指數較小，向外圍逐漸遞增，極端氣溫冷指數在空間分布上則由南向北遞減。眾多學者都指出了祁連山氣溫正在不斷升高這個氣候變化趨勢，這些研究大多側重于不同的方向，雖然采用了不同的氣象站點數據，運用了不同的方法去分析，但未能在多站點上分析整個祁連山區的氣溫變化，且對于祁連山氣溫變化的研究在時空尺度上未有更新。為此，基于祁連山最新21個氣象站點的氣象數據，運用Anusplin 方法對祁連山這一特殊地理區域的氣溫變化進一步分析，獲得不同季節氣溫變化的差異特征及空間分布，更加深入地了解該區域的氣溫變化規律，探討影響祁連山地區溫度變化的主要因素，為祁連山地區的生態建設和自然災害防治提供有力的數據支撐。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況及數據來源

祁連山地處青藏高原、黃土高原、蒙新高原的交會地帶，位于素有“世界屋脊”之稱的青藏高原的東北緣，長約850 km，寬約300 km。東起吳鞘嶺，西至當金山口，南靠柴達木盆地，北臨河西走廊。如圖1所示，祁連山的地勢由東北向西南逐漸升高，海拔最高達到5 800 m[12]，祁連山區海拔4 000 m以上的高山發育著現代冰川，是西北地區重要的固體水庫[13]。

圖1 祁連山區位置示意圖

選取祁連山區及周邊的21個氣象站點數據(表1)作為數據來源，時間跨度為1960—2019年，地面氣象站的氣象數據資料來自中國氣象數據網(http://data.cma.cn)。將各個氣象站點的數據資料按照年、月的時間尺度分別進行整理，部分缺測數據用臨近5年的氣溫數據平均值補齊，季節劃分為3至5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12—翌年2月為冬季。

表1 氣象站點數據

1.2 研究方法

1.2.1 面積加權法

利用簡單平均法首先分別計算各個氣象站點的年、季氣溫平均值，然后將氣象站點作為采樣點構建泰森多邊形，每一個泰森多邊形內部的氣象站點的數據就代表了該多邊形區域的氣溫數據，通過氣象站點各自所在泰森多邊形的區域面積占整個研究區總面積的百分比計算出權重系數(表2)，所有泰森多邊形內的氣溫數據進行面積加權，計算出祁連山區的年、季區域的平均氣溫[14-15]。

表2 各氣象臺站權重

1.2.2 統計方法

采用5年趨勢滑動平均、一元線性回歸分析、累計距平法分析祁連山區的氣溫要素年際變化速率及趨勢。

滑動平均法用一段時間的平均值表示統計序列的變化趨勢，可平滑統計序列，一定程度上消除序列中的反復隨機波動，滑動平均值的表達式為

(1)

式(1)中：xi+j-1為樣本量為n的序列；k為滑動長度，k取5年。

一元線性回歸分析是依據兩個地理要素x和y之間的相關性，建立線性回歸方程來研究要素之間的變化趨勢，線性回歸公式為

y=a+bxi，i=1,2,…,n

(2)

式(2)中:y為氣溫；x為時間；a為回歸常數；b為回歸系數，10b為氣溫的傾向率，其值代表了氣溫的變化趨勢，如果值為正氣溫呈上升趨勢，反之，則氣溫呈下降趨勢。

距平為數據值與數據標準氣候平均值之差，累計距平法是將n′個時刻的累計距平值算出后繪出累計距平曲線，曲線轉折點可用于判斷統計序列的突變時間，其表達式為

(3)

(4)

1.2.3 氣溫插值方法

Anusplin插值方法是基于薄盤樣條理論編寫的針對氣候數據曲面擬合的專用插值方法，該方法引入多個因子作為協變量，通過最佳擬合效果自動確定模型系數，且能同時進行多個表面的空間插值，對于時間序列的氣象數據空間插值非常適用[16]。因此，中外學者將Anusplin插值方法廣泛應用于研究氣候變化的空間分異[17-19]。Guo等[20]、譚劍波等[21]的研究表明，Anusplin插值方法的總體精度較高。此外，該方法在獨立變量、協變量和樣條次數方面有18種模型組合可供選擇，在日志文件中提供了一系列用于判斷誤差來源和插值質量的統計參數[15]。對氣候要素實測數據可以很好地擬合出連續光滑的表面，在氣溫插值時可引進海拔作為協變量，在高海拔地區的氣候研究中表現優異[22-23]，因此使用該方法分析祁連山區的氣溫空間變化差異。

2 結果與分析

2.1 氣溫變化的時間特征

2.1.1 年際變化

連山區全年及四季平均氣溫的變化從氣溫的線性傾向來看，總體呈上升的趨勢，表現出冷暖交替、波動式變化的特點(圖2)。從5年滑動平均的趨勢看，春季平均氣溫在1960—1972年為較為偏暖，1973—1994年偏冷，1994年后氣溫總體表現為持續性上升，僅出現過一些小幅度的波動，最冷年1970年的平均氣溫為5.08 ℃，最暖年出現在2018年，平均氣溫為9.10 ℃。夏季平均氣溫的變化趨勢與春季基本一致，在1960—1971年偏暖，1972—1994年偏冷，1994年以后氣溫持續上升，最冷年是1976年，平均氣溫為16.04 ℃，2016年氣溫值最暖為19.68 ℃。秋季平均氣溫的波動較小，呈平穩上升的趨勢，在1964—1970年、1981—1985年、1989—1994年3個時間段氣溫偏冷，最冷年份出現在1967年平均氣溫為3.49 ℃，最暖年份為2006年平均氣溫6.90 ℃。冬季平均氣溫波動較大，1985—2007年是比較偏暖的一個時期，最冷年份為1967年平均氣溫-10.44 ℃，最暖年份為1987年平均氣溫-5.75 ℃。

圖2 祁連山地區氣溫年際變化、線性趨勢及5年滑動平均

祁連山區全年的平均氣溫總體呈波動式上升趨勢，1994年后增溫幅度較大，最冷年為1967年平均氣溫4.01 ℃，最暖年為2016年平均氣溫6.79 ℃。祁連山區最冷年份基本出現在20世紀60年代，最暖年份基本出現在進入21世紀后，春、夏、秋、冬及全年平均氣溫，最冷年與最暖年的差值分別為4.02、3.64、3.41、4.69、2.78 ℃。綜上所述，祁連山區在氣溫變暖的過程中出現了多次的冷暖交替過程，但整體的變暖趨勢還是比較明顯的，2000年后增溫更加明顯。

2.1.2 年代際變化

根據世界氣象組織(World Meteorological Organization,WMO)推薦的最新氣候標準值，以1981—2010年的多年平均氣溫作為氣溫標準值，計算年及四季的氣溫距平值(圖3)和累計距平值曲線(圖4)。可以看出，四季平均氣溫均呈明顯上升的趨勢，其中春夏秋三季的均溫在90年代后期距平值轉為正值，累計距平曲線出現拐點的年份分別是1996年、1997年、1997年，氣溫突變的年份基本一致，最暖年較多年平均氣溫分別高出2.08、1.81、1.13 ℃。而冬季增暖現象發生的較早，在20世紀80年代后期均溫距平值就出現了正值，1986年累計距平曲線出現拐點，最暖年較多年平均氣溫高出1.78 ℃，同時冬季氣溫的波動幅度大，90年代之后也出現過幾次距平值為負的年份，整體表現為氣溫突變早、起伏大。祁連山地區全年平均氣溫在20世紀90年代以前較低，在1998年氣溫距平值轉正趨勢明顯，累計距平曲線出現顯著拐點，2000年后氣溫持續上升，2016年為全年平均氣溫最暖年，較多年平均氣溫值高1.11 ℃。

圖3 祁連山地區氣溫變化距平值

圖4 祁連山地區氣溫變化累計距平曲線

以30年為一個時期，將1960—2019年依次劃分為4個時期計算多年氣溫平均值(表3)，來分析祁連山區年代尺度上的氣溫變化?？梢钥闯?，與1960—1989年相比，1970—1999年四季及全年多年氣溫平均值分別增加了0.1、0.12、0.28、0.55、0.28 ℃；與1970—1999年相比，1980—2009年四季及全年多年氣溫平均值分別增加了0.39、0.41、0.34、0.36、0.37 ℃；與1980—2009年相比，1990—2019年四季及全年多年氣溫平均值分別增加了0.47、0.49、0.33、0.22、0.38 ℃。可見，1990—2019年的年及四季氣溫多年平均值較1960—1989年均逐漸增加，且增加幅度不斷擴大，表明氣溫的增長速度越來越快。與1960—1989年相比，1990—2019年春、夏、秋、冬四季的多年氣溫平均值分別增長了0.96、1.02、0.95，1.13 ℃，全年增長了1.03 ℃，冬季多年氣溫平均值增加幅度最為顯著，對于整個祁連山區的升溫貢獻最大。

表3 祁連山地區多年氣溫平均值

2.2 氣溫線性傾向估計及空間分異

祁連山區四季及全年的平均氣溫線性傾向方程均通過了α=0.001(α為顯著性水平)的顯著性水平檢驗，各方程中的回歸系數均為正值(圖2)，表明祁連山區的氣溫在不斷升高。年及四季的氣溫傾向率如表4所示，年平均氣溫傾向率為0.319 ℃/10 a，由于氣象站點的選擇以及研究時段的不同，本文的結果與一些學者的研究結果較為接近[8,10,24]，但不完全一致。有學者對全國的氣溫變化進行研究得出[25]：全國的氣溫增加速率為0.233 ℃/10 a，祁連山區的氣溫傾向率明顯高于全國。

表4 祁連山地區年、季節平均氣溫傾向率

從氣溫變化的空間分布(圖5)上看，整個祁連山區域年均氣溫呈變暖趨勢，西部海拔較高的區域變暖幅度在0.30 ℃/10a以上，中部和東部的氣溫傾向趨勢小于西部，氣溫變化自西北向東南逐漸降低。從季節差異上看，祁連山西部區域在春季和秋季氣溫上升趨勢顯著，氣溫變化幅度在0.30～0.60 ℃/10 a，夏季的變化幅度較小，而冬季的高海拔山區局部氣溫傾向率為負值，可能是由于高海拔區域缺乏實測站點數據，氣溫插值時不可避免產生的誤差造成的，具體原因需在后續研究中繼續探索。祁連山區東部的氣溫變暖趨勢較為緩慢，春夏季氣溫傾向率小于0.25 ℃/10 a，秋季氣溫傾向率自東向西逐漸升高，冬季呈現出四周高中間低的特點。

圖5 祁連山地區年及四季平均氣溫傾向率空間分布

3 祁連山區氣溫變化的影響

祁連山作為西北地區重要的河流發源地，其高海拔山區上發育的冰川更是重要的淡水資源，充足的冰川融水養育了一方水土。隨著全球氣候的變暖和人類活動的影響，祁連山區氣溫逐年變暖的趨勢已十分顯著，許多學者的研究成果都證實了這一觀點，氣溫的變暖以及突變對祁連山地區的水文、植被、環境等許多方面都造成了顯著的影響。

氣候變化勢必影響冰川的發育，基于中國第一、二次的冰川編目數據，孫美平等[13]研究發現，近50年間祁連山的冰川面積減少了420.81 km2，冰儲量減少了21.63 km3，海拔低于4 000 m的山區冰川已完全消失。汪贏政等[26]研究了1987—2018年祁連山冰川的變化，發現夏季均溫與祁連山冰川的年變化率之間對應關系較好，說明夏季均溫的升高是造成祁連山冰川退縮的主要原因。短時間內冰川融水的增加會給干旱地區帶來積極的生態效益，然而同時也極易引發冰湖潰決、冰川融水型泥石流、滑坡等地質災害。由于氣溫偏高造成地帶積雪融化，使泥石流形成區內，各類古冰磧物、殘坡積物中含水量顯著增高，同時暴雨和積雪消融水混合形成了強勁的洪流，最終導致張掖天澇池溝在1972年8月21日發生了泥石流災害[27]。馬國哲[28]對北祁連山區的泥石流災害發育特點進行了研究，認為北祁連山區內現代泥石流普遍發育，具有中等易發性，呈中小型規模，且具有重復發生的特點，如遇極端自然條件，極易引發泥石流災害。

氣候影響著植被以及生物群落的分布和類型，反之植被及生物群落的變化也指示了區域氣候的變化趨勢，二者之間相互作用，關聯緊密[29]。諸多學者就祁連山區植被與氣候變化之間的響應過程做了很多研究，陳京華等[30]研究指出，祁連山的歸一化植被指數(normalized difference vegetation index，NDVI)值分布表現為東高西低，且月均NDVI值與氣溫和降水的相關性顯著，認為氣溫和降水是影響祁連山植被變化的主要因子。賈文雄等[31]研究了1982—2014年祁連山植被生長季NDVI的變化與氣候之間的響應，結果表明研究期間植被NDVI整體呈增加趨勢，祁連山區的植被覆蓋狀況得益于氣溫升高和降水的增加而得到了一定的改善。短期來看，氣溫升高導致冰雪融水的增加有利于植被生長、植被覆蓋度增加；但長遠來講，氣溫升高會導致冰川萎縮，干旱地區蒸發量增大，濕地沼澤地退化等一系列環境問題。氣候變化對物種的分布和遷移也產生了一定的影響，戎戰磊[32]研究發現，祁連山區的變暖趨勢遠高于全國平均水平，氣候變化影響了祁連山區的物種分布，導致物種海拔分布上移，水平分布上大多北移，對于各物種不同的適宜等級和組成造成了很大的影響。

對于祁連山區的氣溫趨勢會怎樣變化，變暖趨勢是否會增加，對生態環境會造成什么程度的影響等問題還有待專家學者們的深入研究。目前，應當采取有效可行的生態保護措施進一步保護祁連山的生態環境系統，深入對氣候變化影響的研究，提高應對氣候突變的能力和防治自然災害的能力，盡量減小因氣候變暖造成的負面影響。

4 結論

(1)祁連山地區1960—2019年，年及四季平均氣溫呈冷暖交替變化過程，但統計分析表明：祁連山區增溫趨勢明顯，進入21世紀后氣溫明顯升高，氣溫最暖年份基本出現在2000年后。

(2)祁連山區年均氣溫傾向率為0.319 ℃/a，春夏秋冬四季均溫傾向率分別為0.295、0.300、0.315、0.360 ℃/a，并且四季氣溫傾向率最大值均出現于河谷地帶與海拔相對較低的城市區域。此外，秋冬季增溫貢獻率大于春夏季，在空間分布上呈西高東低。

(3)春夏秋三個季節平均氣溫在90年代后期出現突變拐點，冬季氣溫變暖發生較早，拐點出現在80年代后期，氣溫波動變化大。祁連山地區年及四季多年氣溫平均值均呈上升趨勢，冬季增加幅度最為顯著。