渭河流域1850-2005年降水及蒸發(fā)量變化時空特征

劉引鴿, 包江川, 楊雨欣, 黃 雪

(1.寶雞文理學院 地理與環(huán)境學院, 陜西 寶雞 721013; 2.寶雞文理學院 災害監(jiān)測與機理模擬陜西省重點實驗室, 陜西 寶雞 721013)

氣候變化是全球變化的主要驅(qū)動力之一，全球變化的環(huán)境影響及極端氣候事件的頻繁發(fā)生，對人類的生活、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟的發(fā)展產(chǎn)生重大影響[1-3]，氣候變化特征及對水資源影響研究一直為國內(nèi)外專家學者關注和研究的熱點。過去氣候環(huán)境重建、現(xiàn)代氣候觀測以及未來氣候模擬預估成為氣候環(huán)境變化研究趨勢[4-6]。采用地面觀測資料、全球大氣環(huán)流、海汽耦合模型及區(qū)域尺度模型進行幾十年來氣候模擬及預估得到不斷發(fā)展[7]。全球不同CMIP5模式數(shù)據(jù)在中國氣候變化及降尺度模型上的區(qū)域應用研究取得了一定成果[8-10]。采用樹輪、同位素及歷史文獻對過去氣候要素重建也已經(jīng)取得一定成果[11-13]，尤其是過去幾千年及百年氣溫、旱澇序列重建及影響因素分析取得顯著成果[14-17]。由于古環(huán)境信息源分辨率較低，只能辨識幾百年尺度的氣溫，月季尺度的氣溫序列重建較少。降水及蒸發(fā)影響因素比較復雜，環(huán)境信息源提取信號的不確定性，百年及千年尺度的序列重建難度較大，而且較少。為了探討氣候變化及其環(huán)境影響，世界氣候研究計劃(WRCP)組織了多種全球尺度的CMIP模式計劃，經(jīng)過不斷更新完善已經(jīng)完成全球20多個研究機構的50多個全球模式[18]，CMIP5的全球氣候模式模擬數(shù)據(jù)已經(jīng)被廣泛應用到中國的降水、氣溫、極端氣候事件及徑流的模擬預估，并取得了顯著成果[19-20]，這也表明CMIP5模式輸出數(shù)據(jù)產(chǎn)品對我國區(qū)氣候變化分析有一定的可靠性。

渭河流域位于33°30′—37°25′N，103°28′—110°40′E。流域面積約1.351×105km2。流域內(nèi)地貌復雜，既有黃土高原，又有沖積平原、山地等地貌，整體呈西高東低，屬于溫帶大陸性季風氣候，年降水分布不均，由于地理環(huán)境及氣候差異，近百年氣候要素及水文要素變化對生態(tài)環(huán)境影響加大，因此，本研究采用CMIP5的全球氣候模式輸出的1850—2005年的降水、溫度及蒸發(fā)數(shù)據(jù)，對渭河流域的近百年氣溫、降水及蒸發(fā)長期變化規(guī)律進行研究，這對認識渭河流域過去氣候變化規(guī)律，探討其影響因素，對渭河流域經(jīng)濟發(fā)展及環(huán)境管理提供了依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源及研究方法

本文數(shù)據(jù)來源于CMP5輸出產(chǎn)品，由于CMIP5氣候模式種類繁多，考慮到數(shù)據(jù)的可信度，參考李曉菲[21]、吳晶[22]、楊肖麗[23]等采用CMIP5多模式對中國干旱區(qū)半干旱區(qū)模擬能力的研究認為，CMIP5模式數(shù)據(jù)中NorESM1對我國干旱區(qū)半干旱區(qū)的氣候模擬能力較好。因此，本研究氣溫、降水及蒸發(fā)等氣候要素數(shù)據(jù)也采用CMIP5氣候模式中NorESM1(挪威氣候模式)輸出的1850—2005年月數(shù)據(jù)結(jié)果(http:∥esgf-node.llnl.gov/search/cmip5)，選取該流域比較均勻分布的56個基準氣象站點作為樣點位置，進行數(shù)據(jù)的獲取。采用函數(shù)轉(zhuǎn)換、雙線性內(nèi)插法，將全球模式數(shù)據(jù)通過降尺度插值，并進行訂正到渭河流域56個氣象觀測站點位置(圖1)。根據(jù)國際氣候平均定義，以1960—1989年的30 a平均值作為基準值計算氣溫、降水及蒸發(fā)距平，采用線性回歸最小二乘法計算氣候要素趨勢率，采用小波分析周期變化，Mann-Kendall非參數(shù)法分析突變，采用ArcGIS反距離插值表征氣候要素的空間特征。

圖1 渭河流域氣象站點分布

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫、降水及蒸發(fā)年代際變化特征

2.1.1 氣候要素的空間分布差異性 將渭河流域156 a的所有站點的年均氣溫、降水及蒸發(fā)量數(shù)據(jù)分成1850—1879年、1880—1909年、1910—1939年、1940—1969年、1970—1999年、2000—2005年6個時段進行地統(tǒng)計分析，利用反距離插值方法得到研究區(qū)年平均氣、降水及蒸發(fā)量空間分布(圖2)。

從圖2A、表1—2可以看出，渭河流域多年平均氣溫空間分布特征表現(xiàn)為從西向東遞減，西部氣溫普遍高于東部，岷縣、渭源等西部地區(qū)氣溫全年段最高，吳旗和志丹等西北地區(qū)氣溫相較較低。1850—1939年氣溫空間分布差異不大，經(jīng)計算年平均最低氣溫為15.5℃，1910—2005年整體上在14℃以上，年平均18℃以上的區(qū)域擴大，高溫區(qū)域向東北移動。從圖2B可以看出，降水量空間分布表現(xiàn)為從流域東偏北向西偏南方向遞減，中部正寧站點降水低于其他地區(qū)，岷縣地區(qū)降水量最多。1910—1939年降水減少區(qū)域增大。2000—2005年降水增加區(qū)域向西南部擴展。從圖2C可以看出，渭河流域多年平均蒸發(fā)量空間分布特征表現(xiàn)為由北向南遞減，北部地區(qū)蒸發(fā)量較高，西南地區(qū)和南部地區(qū)蒸發(fā)量較小，西南地區(qū)中部蒸發(fā)量比周邊地區(qū)較大。其中吳旗和志丹兩個站點在所有年段中蒸發(fā)量最大，岷縣蒸發(fā)量最小。但各時段空間分布有差異。1850—1969年北部地區(qū)蒸發(fā)比較大在1 290 mm以上，南部較小，之后的1970—2005年整體上蒸發(fā)量減少，為1 150～1 220 mm，蒸發(fā)減少區(qū)域向北擴展。

圖2 1850-2005年平均氣溫、降水及蒸發(fā)空間分布

表1 各年段要素年平均值

表2 各年段要素極值站點

圖3為氣溫、降水及蒸發(fā)趨勢率變化空間分布，從圖3A可以看出，整個流域所有年段溫度趨勢率在-3～0.3℃/10 a變化。1850—1939年全流域氣溫升高，尤其是1910—1939年全流域氣溫增加趨勢最大為0.2～0.3℃/10 a。1910—1969年南部氣溫降低明顯，1970—1999年整個區(qū)域北部氣溫上升較大，南部較小。2000—2005年氣溫出現(xiàn)較小下降波動。

從圖3B可以看出，整個流域降水各年段趨勢率在-130～90 mm/10 a變化，1850—1879年北部地區(qū)降水量呈減少趨勢，南部地區(qū)呈增加趨勢，1880—1909年區(qū)域趨勢率繼續(xù)為負，降水減少。1910—1939年，渭河流域從西向東趨勢率遞減，西部地區(qū)降水增加，而東部地區(qū)降水減少，1940—1969年，全流域降水量減少，中部地區(qū)尤其明顯。1970—1999年渭河流域降水趨勢率從西北向東南增加，降水減少的趨勢越發(fā)減弱，2000—2005年北部大部分地區(qū)降水趨勢率為正，降水增加，其余地區(qū)的降水量急劇減少，降水的空間變化趨勢差異較大，與區(qū)域的地理環(huán)境相關。

從圖3C可以看出，渭河流域各年段蒸發(fā)量變化趨勢呈現(xiàn)明顯的地域差異，在-70～240 mm/10 a變化，1850—1879年，流域蒸發(fā)量變化的趨勢率由北向南遞減，總體蒸發(fā)量表現(xiàn)為下降趨勢，北部地區(qū)下降趨勢小于南部地區(qū)。在1880—1909年，流域蒸發(fā)量變化的趨勢率由東北向西南遞減，總體蒸發(fā)量也呈現(xiàn)下降趨勢，西南地區(qū)下降趨勢更為顯著。1910—1939年，北部地區(qū)蒸發(fā)量呈下降趨勢，而中部以及西部大部分地區(qū)蒸發(fā)量呈上升趨勢，越靠南上升趨勢越明顯。1940—1969年，渭河流域地區(qū)蒸發(fā)量整體呈下降趨勢，下降趨勢分布表現(xiàn)為東低西高。1970—1999年，北部較小地區(qū)蒸發(fā)量呈上升趨勢，其余大部分地區(qū)呈下降趨勢，由北向南蒸發(fā)量下降趨勢增大。2000—2005年，北部地區(qū)趨勢率為正，蒸發(fā)量呈上升趨勢。

圖3 1850-2005年氣溫、降水及蒸發(fā)趨勢率變化空間分布

2.1.2 氣候要素年代際變化 從圖4A可以看出，溫度為波動變化。1850—1930年主要以負距平為主，多數(shù)年份的溫度低于標準年份；1930—1980年距平呈波動變化；1980年之后則主要以正距平為主。1850—2005年溫度整體呈波動增加趨勢，趨勢率為0.028℃/10 a。主要為1870—1890年溫度呈減少趨勢，之后為波動上升趨勢。如圖4B所示，1940年之前降水距平呈波動變化，但數(shù)值不大，降水量基本保持平穩(wěn)。1940—1990年降雨量呈波動變化，降雨量先增加再減少，1990年之后以負距平為主。1850—2005年降水量變化呈波動變化，整體上變化不大，趨勢率為0. 09 mm/10 a。主要為降水量在1940年前波動平穩(wěn)變化，之后波動變化，1990年后為減少趨勢。從圖4C中可以看出，1976年之前主要以正距平為主，只有少數(shù)年份為負距平，1976年之后則主要以負距平為主。蒸發(fā)距平在2002年最小，為83.84 mm。總體上，1850—2005年蒸發(fā)量呈波動減少趨勢，趨勢率為-5.1 mm/10 a。蒸發(fā)量在1910年前主要為減少趨勢，1910—1940年為增加趨勢，1940年之后為減少趨勢。

圖4 1850-2005年年平均氣溫、降水及蒸發(fā)時間變化

整體上，氣溫、降水及蒸發(fā)在1850—1940年時段表現(xiàn)為偏冷期波動變化模態(tài)、平穩(wěn)變化模態(tài)、輕微的多蒸發(fā)波動模態(tài)；在1941—1970年時段表現(xiàn)為冷暖交替波動模態(tài)、干濕交替波動模態(tài)、輕微多蒸發(fā)波動變化模態(tài)；在1970—2005年時段表現(xiàn)為暖期的上升模態(tài)、平穩(wěn)減少模態(tài)、平穩(wěn)少蒸發(fā)模態(tài)。

圖5為四季氣溫、降水及蒸發(fā)的距平變變化，溫度四季距平變化基本和年均溫度距平變化一致，1980年以前為波動變化，1980年之后四季溫度在增加。1850—2005年春季降水整體呈平穩(wěn)態(tài)勢，夏季降水在1920年前呈平穩(wěn)態(tài)勢，1920—1990年呈波動變化，1990年之后降水量趨于平穩(wěn)，秋冬兩季降水距平都呈波動變化。1850—2005年春季蒸發(fā)距平呈波動變化，整體蒸發(fā)量變化不大，夏秋兩季蒸發(fā)距平與年蒸發(fā)距平變化趨勢相同，蒸發(fā)量呈波動減少趨勢。冬季蒸發(fā)距平在1950年前主要以正距平為主，1950年之后距平變化不大，蒸發(fā)趨于穩(wěn)定。年蒸發(fā)量的減少主要發(fā)生在夏秋兩季。

圖5 四季氣溫、降水及蒸發(fā)時間變化

依據(jù)渭河流域水系及其地形條件，將渭河流域劃分為6個小區(qū)域(上游，中游，下游，南部，涇河，洛河)，分析各區(qū)域氣候要素的變化幅度。渭河上游包括甘肅及寧縣及其陜西林家村以西的區(qū)域，這些區(qū)域地形主要以山地為主，中游及下游主要包括渭河干流、陜西省的關中地區(qū)，以咸陽為界。涇河區(qū)域主要包括涇河支流的整個區(qū)域，洛河區(qū)域主要包括洛河支流的整個區(qū)域，南部主要指渭河以南的區(qū)域。

通過計算6個區(qū)域的氣溫、降水及蒸發(fā)的相對變率(圖6)，可以看出，溫度與蒸發(fā)量各區(qū)域變化趨勢基本一致，只是有變化幅度的小差異，表明影響渭河流域氣溫及蒸發(fā)的氣候環(huán)境的一致性，最高氣溫及蒸發(fā)相對變率為3.47%，6.54%，位于涇河及上游區(qū)域，最小分別為-2.3%，-2.38%在洛河及南部區(qū)域。洛河及下游的溫度及蒸發(fā)變化幅度最小，南部及中游的變化幅度較大，最大為6.54%。1940年前氣溫相對變率為負，蒸發(fā)相對變率為正，之后兩者出現(xiàn)相反的變化，1970年后溫度變化幅度增大，蒸發(fā)變化幅度逐漸減小，2000年變化幅度開始增大。降水各區(qū)域幅度差異較大，主要因為氣候及地面環(huán)境各區(qū)域差異性影響。最大降水變率為14.98%位于涇河支流流域，最小變率為-2.8%，位于渭河下游區(qū)域。降水變化幅度差異較大，表現(xiàn)在1970—2005年期間，上游、涇河及洛河降水增加的變化幅度增大，而中游、下游及渭河南部降水減少幅度增大。

圖6 不同區(qū)域各時段氣溫、降水及蒸發(fā)相對變率

2.2 氣溫、降水及蒸發(fā)周期及突變特征

利用MATLAB小波周期分析方法得到渭河流域氣溫、降水量、蒸發(fā)量的小波周期圖。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，渭河流域氣溫存在5，15，23 a的短周期變化以及108 a的長周期變化，降水量存在5，15，50 a短周期變化以及110 a長周期變化。蒸發(fā)量存在110 a左右的長周期變化以及5，8，18 a左右短周期變化。

注：A1，B1，C1分別為氣溫、降水及蒸發(fā)實部，A2，B2，C2分別為氣溫、降水及蒸發(fā)的方差變化。圖7 氣溫、降水及蒸發(fā)小波實部

使用M-K突變檢驗法對1850—2005年渭河流域蒸發(fā)量進行突變檢驗，給定顯著性水平為0.05，U0.05=±1.96，從圖8可以看出，渭河流域年均蒸發(fā)量中的M-K曲線中，UF，UB兩條曲線在1963年左右有交點，并且該交點位于±1.96的置信區(qū)間內(nèi)，UF曲線負方向變化低于-1.96，說明渭河流域年均蒸發(fā)量減少的突變發(fā)生在1963年左右。降水量雖然存在突變點，但是UF曲線未超過±1.96的置信區(qū)間，沒有通過顯著性檢驗，所有渭河流域降水量未發(fā)生突變。溫度UF，UB曲線存在1982年、1986年兩個交點，但1982年交點的UF曲線未超過±1.96的置信區(qū)間，而1986年的交點位于置信區(qū)間之內(nèi)且UF曲線上升超過了1.96，說明渭河流域年均氣溫升高的突變發(fā)生在1986年左右。

圖8 氣溫、降水及蒸發(fā)突變檢驗

2.3 影響因素分析

渭河流域氣候要素變化主要受區(qū)域地理環(huán)境及人類活動影響。1970年以前人類活動對下墊面影響較小，地表反射率變化不大，溫度變化主要受大氣環(huán)流的影響，主要表現(xiàn)出蒸發(fā)量減少較小，降水、氣溫變化不大。1985年后，人類活動增加，土地利用結(jié)構發(fā)生巨大變化，交通用地及工礦用地增加，城市化進程加快[24-26]，植被覆蓋減小，使地表對太陽輻射的反射率增大，白天下墊面增溫增大可能增加了大氣溫度的增加，同時人類活動增強，溫室氣體增加也加大了溫度的升高。渭河流域降水變化受大氣環(huán)流及下墊面環(huán)境影響較大，渭河流域干流的關中地區(qū)降水量變化呈現(xiàn)出小幅度減少趨勢變化，主要與大氣環(huán)流的異常變化相關[27]。渭河上游及支流區(qū)域為海拔高度較高的山地，降水呈現(xiàn)出大幅度的增加趨勢，與這些區(qū)域的地表環(huán)境改變相關。近幾十年來，國家的植樹造林以及山地的退耕還林措施實施，自然植被恢復較好，森林對降水有促進作用，從而使該區(qū)域降水有增加趨勢。蒸發(fā)量變化受氣溫、風速、降水及環(huán)境影響較大。渭河流域在所有年段出現(xiàn)了溫度高的地區(qū)蒸發(fā)量小，溫度低的地區(qū)反而蒸發(fā)量較大的現(xiàn)象，氣溫增加但年均蒸發(fā)反而呈減少趨勢，此結(jié)果與和宛琳等[28]對1958—1999年年平均氣溫和蒸發(fā)量的時空分布及其長期變化趨勢的研究結(jié)果一致。其原因可能與該流域太陽輻射的減少有關，人類活動增強，河流徑流減小，地表水減少，城市建設發(fā)展阻礙了風速，風速減小，可能導致氣溶膠以及空氣中粉塵增多，進而導致日照時間減少，大氣流動能量受到影響，進而蒸發(fā)減少[29-31]，具體原因需要進一步研究討論。

3 結(jié) 論

渭河流域近200年來年均氣溫及降水、蒸發(fā)3個要素存在長期的穩(wěn)定和近期的波動變化。整體上氣溫、降水為增加趨勢，年蒸發(fā)量為減少趨勢，蒸發(fā)量夏秋兩季與年變化趨于一致，春冬兩季蒸發(fā)量少且變化平穩(wěn)，年蒸發(fā)量的減少主要發(fā)生在夏秋兩季。氣溫、降水及蒸發(fā)在1850—1940年、1941—1970年、1971—2005年3個時段表現(xiàn)出不同的變化模態(tài)。

溫度相對變率各區(qū)域變化趨勢基本相同，1850—1940年變率緩慢增加，之后變率較快增加。降水的空間變化趨勢差異較大。1850—1940年整個流域降水變化幅度不大，上游、涇河及洛河支流降水增加，而中游、下游及南部降水為減少趨勢。渭河流域的中游，下游和南部降水相對變率變化趨勢基本趨于一致，涇河與洛河區(qū)域的降水相對變率在1880—1909年之后的變化趨勢趨于一致。流域蒸發(fā)量變化的趨勢率由北向南遞減，總體蒸發(fā)量表現(xiàn)為下降趨勢，北部地區(qū)下降趨勢小于南部地區(qū)。流域西南地區(qū)氣溫上升趨勢更為明顯。

渭河流域氣溫存在5，15，23 a的短周期變化以及108 a的長周期變化，降水量存在5，15，50 a短周期變化以及110 a長周期變化，蒸發(fā)量存在110 a左右的長周期變化以及5，8，18 a左右短周期變化，年均蒸發(fā)量減少的突變發(fā)生在1963年左右，流域降水量未發(fā)生突變，年均氣溫升高的突變發(fā)生在1986年左右。