1980—2022年白龍江流域氣候變化特征研究

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IPCC（聯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年平均溫升比工業化前增加了0.99 ℃，氣溫正在迅速變暖，且這種現象是全球性的[1]，這讓與人類息息相關的氣候系統正在發生巨變。《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[3-11]，IPCC 也指出強降水、臺風、干旱等極端氣候事件將繼續出現，而極端氣候事件的出現也勢必對生態環境帶來巨大的負面影響。中國的水資源、森林、農業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發展都具有重要的意義[12]。

白龍江發源于甘肅省碌曲縣與四川省若爾蓋縣交界的郎木寺，流經碌曲、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開發利用、生態環境的保護與發展以及國家的糧食安全都具有十分重要的意義。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

白龍江處于中國秦巴山區、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、溫帶半濕潤區、亞熱帶濕潤區。該流域常出現暴雨、冰雹，每年汛期的強降雨天氣常對流域內各區域造成不同程度的滑坡、泥石流等災害，其中2020 年8月12日該流域多地出現暴雨天氣，造成了不同程度的洪澇災害。為此，數據選取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 數據處理方法

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、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交點，該交點是研究要素發生突變的起始時間[15]。

2 氣溫、降水的季節、年際變化特征

白龍江流域各季節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年研究區各季節最高平均氣溫，冬季平均氣溫在1984年達到-1.26 ℃，為近40年研究區各季節最低平均氣溫。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。2020年夏季降水達到各季節最高為452.7 mm，2010年冬季降水達到各季節最低為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。

3 白龍江流域氣候周期變化特征

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年氣溫的小波系數實部等值線圖（a）與小波方差圖（b）

研究區降水變化存在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年降水的小波系數實部等值線圖（a）與小波方差圖（b）

4 M-K突變性分析

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交點，發生突變，在1997 年研究區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，研究區降水呈上升趨勢，其余年份UF＜0，研究區降水呈下降趨勢，UF與UB 分別于1981 年、2017 年左右在置信直線之間出現2次交點，發生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

5 空間變化特征

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，氣溫的增加率分別為0.357 ℃∕10a、0.337 ℃∕10a。研究區年均氣溫在1983 年的上游碌曲出現最小值為1.6 ℃，在2006 年的下游文縣出現最高值為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（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

6 結論

（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，這與西北地區氣候呈暖濕化趨勢一致[16]，而趙艷萍等[17]對研究區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為暖濕化。

（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。