高寒地區(qū)溫度和降水的時(shí)空變化分析

蘇 強(qiáng)

（武警青海總隊(duì)參謀部綜合信息保障中心數(shù)據(jù)室，青海 西寧 810000）

水資源是人類生活和生產(chǎn)不可或缺的重要資源。隨著水資源短缺的壓力日益增大，世界各國(guó)都開(kāi)始重視水資源的循環(huán)和可持續(xù)利用。在整個(gè)水循環(huán)體系中，來(lái)自大氣的自然降水是維持區(qū)域水平衡非常重要的條件[1]。從降水的形成過(guò)程來(lái)看，降水與蒸發(fā)作用、溫度變化有非常密切的聯(lián)系。高寒地區(qū)是非常特殊的地理區(qū)域，不僅海拔高度高，而且氣溫較低。在我國(guó)，青藏高原就屬于典型的高寒地區(qū)。然而，高寒地區(qū)的自然情況發(fā)生了顯著變化[2]。在全球氣溫普遍升高、氣候變暖的大背景下，我國(guó)高寒地區(qū)也進(jìn)入氣溫持續(xù)增長(zhǎng)階段。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)高寒地區(qū)的氣溫以每年0.4℃的速度增長(zhǎng)。隨著氣溫逐漸升高，高寒地區(qū)的冰凍圈開(kāi)始萎縮，部分冰川開(kāi)始融化，從而增加了地區(qū)內(nèi)水分蒸發(fā)總量，導(dǎo)致高寒地區(qū)的降水量增加[3]。1970—2020 年，我國(guó)高寒地區(qū)年平均降水以每年5.4 mm的速度增長(zhǎng)。在這種情況下，分析溫度和降水的時(shí)空變化規(guī)律，對(duì)把握高寒地區(qū)未來(lái)的生活方式和生產(chǎn)方式以及高寒地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展方向，具有十分重要的意義。

1 高寒地區(qū)氣象數(shù)據(jù)獲取與計(jì)算

1.1 高寒地區(qū)氣象數(shù)據(jù)獲取

為了研究高寒地區(qū)的溫度和降水進(jìn)行時(shí)空變化規(guī)律，通過(guò)各氣象站臺(tái)獲取的原始數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)一步分析?？梢?jiàn)，獲取原始?xì)庀髷?shù)據(jù)是一個(gè)基礎(chǔ)工作。

通過(guò)高寒地區(qū)的氣象站臺(tái)可以獲得觀測(cè)點(diǎn)所在位置的時(shí)氣溫溫度、日平均氣溫溫度、月平均氣溫溫度和年平均氣溫溫度。同時(shí)，可以根據(jù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)得到日最高氣溫、日最低氣溫、月最高氣溫、月最低氣溫、年最高氣溫和年最低氣溫等。

氣象站臺(tái)也記錄了有關(guān)降水的各類信息，包括雨日降水總量、雨日降水強(qiáng)度、單日最大降水量、五日最大降水量、極端降水量、連續(xù)干旱日數(shù)和連續(xù)濕潤(rùn)日數(shù)等。

1.2 溫度和降水?dāng)?shù)據(jù)的線性估計(jì)

得到高寒地區(qū)的溫度和降水原始數(shù)據(jù)以后，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算和處理，才能得到高寒地區(qū)溫度變化的深層次規(guī)律。其中，線性估計(jì)就是一種比較常用并且原理簡(jiǎn)單的方法。

假設(shè)有n個(gè)連續(xù)記錄的高寒地區(qū)溫度數(shù)據(jù)，其中第i個(gè)溫度數(shù)據(jù)為為T(mén)i，那么根據(jù)這一組連續(xù)的溫度數(shù)據(jù)就可以進(jìn)行線性估計(jì)，以判斷其溫度變化的規(guī)律。高寒地區(qū)溫度變化線性估計(jì)的回歸方程，如公式（1）所示。

式中：Ti為連續(xù)記錄的高寒地區(qū)溫度數(shù)據(jù)中的第i個(gè)溫度數(shù)據(jù)，ti為記錄第i個(gè)溫度數(shù)據(jù)的時(shí)間，a為高寒地區(qū)溫度變化規(guī)律中的回歸常數(shù)，b為高寒地區(qū)溫度變化規(guī)律中的回歸系數(shù)。這里，回歸系數(shù)b在很大程度上描述了溫度變化的規(guī)律。如果回歸系數(shù)b的符號(hào)為正，就表明高寒地區(qū)的在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的溫度變化呈上升趨勢(shì)；如果回歸系數(shù)b的符號(hào)為負(fù)，就表明高寒地區(qū)的在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的溫度變化呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；如果回歸系數(shù)b的數(shù)值較大，則表明高寒地區(qū)在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的溫度變化幅度較大，上升較快或者下降較快；如果回歸系數(shù)b的數(shù)值較小，說(shuō)明高寒地區(qū)在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的溫度變化幅度較小，上升較慢或者下降較慢。

如果有m個(gè)連續(xù)記錄的高寒地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)，其中第i個(gè)降水?dāng)?shù)據(jù)為Ri，那么根據(jù)這一組連續(xù)的降水?dāng)?shù)據(jù)就可以進(jìn)行線性估計(jì)，以判斷其降水變化的規(guī)律。高寒地區(qū)降水變化線性估計(jì)的回歸方程如公式（2）所示。

式中：Ri為連續(xù)記錄的高寒地區(qū)降水?dāng)?shù)據(jù)中的第i個(gè)降水?dāng)?shù)據(jù)，ti為記錄第i個(gè)降水?dāng)?shù)據(jù)的時(shí)間，c為高寒地區(qū)降水變化規(guī)律中的回歸常數(shù)，d為高寒地區(qū)降水變化規(guī)律中的回歸系數(shù)。這里，回歸系數(shù)d在很大程度上描述了降水變化的規(guī)律。如果回歸系數(shù)d的符號(hào)為正，就說(shuō)明高寒地區(qū)在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的降水量呈上升趨勢(shì)；如果回歸系數(shù)d的符號(hào)為負(fù)，就說(shuō)明高寒地區(qū)的在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的降水量呈下降趨勢(shì)；如果回歸系數(shù)d的數(shù)值較大，就說(shuō)明高寒地區(qū)在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的降水量變化幅度較大，增加較多或減少較多；如果回歸系數(shù)d的數(shù)值較小，就說(shuō)明高寒地區(qū)在某一個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)的降水量變化幅度較小，增加較少或減少較少。

2 高寒地區(qū)溫度時(shí)空變化分析

在前面的工作中，對(duì)高寒地區(qū)溫度和降水變化的原始數(shù)據(jù)采集方式進(jìn)行闡述，進(jìn)而提出基于回歸方程的線性估計(jì)模型，對(duì)高寒地區(qū)溫度和降水變化規(guī)律進(jìn)行分析。接下來(lái)，運(yùn)用線性估計(jì)模型對(duì)高寒地區(qū)的溫度時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行分析。

以試驗(yàn)地區(qū)的氣象站50 年間的數(shù)據(jù)做一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的回歸分析，通過(guò)50 個(gè)年度的樣本數(shù)據(jù)對(duì)高寒地區(qū)平均溫度的變化規(guī)律進(jìn)行線性估計(jì)，得到的結(jié)果如圖1 所示。

圖1 中，橫軸代表年份，時(shí)間為1970—2020 年，以每10 年為一個(gè)標(biāo)注單位。縱軸代表高寒地區(qū)的平均氣溫，單位是℃。從圖中的情況可以看出，1984 年出現(xiàn)了低溫極值的情況，年度平均氣溫接近0℃。相鄰年份，溫度呈現(xiàn)跳躍變化的較多，如1984—1985 年，1987—1988 年，1998—1999 年，2009—2010 年。尤其是1998—1999 年，由低溫到高溫形成了較大幅度的跳躍。

圖1 高寒地區(qū)平均溫度的變化規(guī)律線性估計(jì)

根據(jù)公式（1）給出的溫度變化線性估計(jì)的回歸模型，對(duì)50 個(gè)年度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到的擬合方程為y=0.042x+0.3571。從這個(gè)線性估計(jì)結(jié)果可以看出，高寒地區(qū)近50 年間的溫度變化雖然存在波動(dòng)，但是整體呈現(xiàn)不斷向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因?yàn)榫€性回歸系數(shù)為0.042，所以每年增加0.042℃?？梢?jiàn)，高寒地區(qū)的溫度變化較為明顯，日益變暖的溫度對(duì)冰川融化、水汽蒸發(fā)量增大、降雨增多，都會(huì)產(chǎn)生影響。

同理，進(jìn)行高寒地區(qū)最高溫度的變化規(guī)律線性估計(jì)，得到的結(jié)果如圖2 所示。

圖2 中，橫軸代表年份，時(shí)間為1970—2020 年，以每10 年為一個(gè)標(biāo)注單位?？v軸代表高寒地區(qū)的平均最高氣溫，單位是℃。從圖中的情況可以看出，1984 年平均最高氣溫較低，低于8℃；2016 年平均最高氣溫最高，達(dá)到10.8℃。

圖2 高寒地區(qū)平均最高溫度的變化規(guī)律線性估計(jì)

根據(jù)公式（1）給出的平均最高溫度變化線性估計(jì)的回歸模型，對(duì)50 個(gè)年度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到的擬合方程為y=0.042x+0.3571。從這個(gè)線性估計(jì)結(jié)果可以看出，高寒地區(qū)1970—2020 年的平均最高溫度變化雖然存在波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)不斷向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因?yàn)榫€性回歸系數(shù)為0.042，即每年增加0.042℃。經(jīng)過(guò)50 年的變化，高寒地區(qū)平均最高溫度已經(jīng)從8℃增至11℃。

3 高寒地區(qū)降水時(shí)空變化分析

對(duì)高寒地區(qū)的降水時(shí)空變化規(guī)律進(jìn)行分析。以試驗(yàn)地區(qū)的氣象站1970—2020 年的數(shù)據(jù)做一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的回歸分析，通過(guò)50 個(gè)年度的樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行高寒地區(qū)平均降水的變化規(guī)律線性估計(jì)，得到的結(jié)果如圖3 所示。

圖3 高寒地區(qū)平均降水的變化規(guī)律線性估計(jì)

圖3 中，橫軸代表年份，從1970—2020 年，以每10年為一個(gè)標(biāo)注單位?？v軸代表了高寒地區(qū)的平均降水量，單位是mm。從圖中的情況可以看出，1984 年出現(xiàn)了降水量極低的情況，年度平均降水量接近220mm。相鄰年份，降水量呈現(xiàn)跳躍變化的較多，如1984—1985 年，1986—1988 年，1988—1989 年，1998—1999 年，2005—2006 年，2015—2016 年。尤其是1988—1989 年，由最高降水量到較低較水量形成了較大幅度地跳躍。

根據(jù)公式（2）的降水量變化線性估計(jì)的回歸模型，對(duì)50 個(gè)年度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到的擬合方程為y=1.1097x+242.54。從這個(gè)線性估計(jì)結(jié)果可以看出：高寒地區(qū)近50 年間的降水量變化雖然存在波動(dòng)，但整體呈現(xiàn)不斷向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)，因?yàn)榫€性回歸系數(shù)為1.1097，即每年增加1.1097mm?？梢?jiàn)，高寒地區(qū)的降水量增加較為明顯。

高寒地區(qū)的年均總降水量主要受到夏季降水量的影響，因此進(jìn)一步進(jìn)行高寒地區(qū)夏季降水量的變化規(guī)律線性估計(jì)，得到的結(jié)果如圖4 所示。

圖4 高寒地區(qū)平均降水的變化規(guī)律線性估計(jì)

圖4 中，橫軸代表年份，時(shí)間從1970—2020 年，以每10 年為一個(gè)標(biāo)注單位?？v軸代表高寒地區(qū)的夏季降水量，單位是mm。從圖中的情況可以看出，1978 年出現(xiàn)了降水量極低的情況，夏季降水量接近140 mm。類似的情況在2015 年又出現(xiàn)了一次。而夏季降水量的最高紀(jì)錄，出現(xiàn)在1989 年，達(dá)到210 mm。與圖3 相比，1989 年全年降水量為335 mm，夏季降水量占比為62.69%。

根據(jù)公式（2）的降水量變化線性估計(jì)的回歸模型，對(duì)50 個(gè)年度數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸擬合，得到的擬合方程為y=0.6111x+160.82。從這個(gè)線性估計(jì)結(jié)果可以看出，雖然高寒地區(qū)近50 年間的夏季降水量變化存在波動(dòng)，但是整體呈現(xiàn)不斷向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因?yàn)榫€性回歸系數(shù)為0.6111，即每年增加0.6111 mm。可見(jiàn)，高寒地區(qū)的夏季降水量也在增加，這也是年均降水量增加的重要原因之一。

4 結(jié)論

高寒地區(qū)的氣象條件變化會(huì)直接影響農(nóng)牧產(chǎn)業(yè)，進(jìn)而會(huì)影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)和生活方式。該文從溫度和降水2 個(gè)變量出發(fā)，對(duì)高寒地區(qū)的氣象變化進(jìn)行研究。首先構(gòu)建基于回歸方程的溫度線性估計(jì)模型和降水估計(jì)模型。其次，針對(duì)高寒地區(qū)的年均溫度變化、年均最高溫度變化進(jìn)行測(cè)試分析，結(jié)果顯示，高寒地區(qū)的溫度持續(xù)增加。最后，針對(duì)高寒地區(qū)的年均降水量變化、夏季降水量變化進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示，高寒地區(qū)的降水量也不斷增多，這與溫度持續(xù)增加帶來(lái)的冰川融化有關(guān)。