郭昆明, 頡耀文, 王曉云, 邱 天

(蘭州大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 蘭州 730000)

氣候變化影響著全球的自然生態(tài)系統(tǒng)，受到全世界各界人士的廣泛關(guān)注[1]。IPCC第5次評(píng)估報(bào)告指出，1983—2012年可能是自1400年以來(lái)最熱的30年；1980—2012年全球地表平均溫度升高0.85℃；2003—2012年平均溫度比1850—1900年上升0.78℃[2]。近100 a中國(guó)平均地表溫度上升約0.5～0.8℃，尤以西北干旱半干旱地區(qū)的變化比較顯著[3-4]。氣候變化會(huì)改變水資源量的時(shí)空分布，影響生態(tài)環(huán)境并制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，氣溫作為最基本的氣候要素，對(duì)生態(tài)環(huán)境的變化起著決定性作用[5-7]。眾多研究表明，全球氣溫變化區(qū)域差異明顯[8-11]。黑河流域處于絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶的核心地段，地處我國(guó)西北干旱區(qū)，是對(duì)全球氣候變化響應(yīng)最為敏感的地區(qū)之一[12-13]，研究該區(qū)域的氣溫變化對(duì)黑河流域的生態(tài)建設(shè)具有重要意義。目前，已有很多學(xué)者對(duì)黑河流域的地質(zhì)地貌[14]、氣候[15-16]、水文[17]、土壤[18]、土地利用/覆蓋變化[19]、植被[20]、景觀[21]、冰川[22]和同位素[23]等進(jìn)行了大量研究。已有文獻(xiàn)中，單純研究黑河流域氣溫變化的相對(duì)較少。

為了解黑河流域多年來(lái)氣溫變化的趨勢(shì)和特征，本文擬采用線性傾向率、滑動(dòng)平均和Mann-Kendall(M-K)趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析黑河流域平均氣溫在不同時(shí)間尺度上的總體變化趨勢(shì)；應(yīng)用M-K突變檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法分析黑河流域平均氣溫的突變性；通過(guò)小波分析法分析黑河流域平均氣溫的周期性；并利用樣條函數(shù)法分析黑河流域平均氣溫的空間分布特征，以期深入認(rèn)識(shí)黑河流域的氣溫變化狀況，所得結(jié)果對(duì)未來(lái)氣溫變化預(yù)測(cè)和生態(tài)環(huán)境建設(shè)具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

黑河流域(98°00′—101°30′E，38°00′—42°00′N)是我國(guó)西北第二大內(nèi)陸河，發(fā)源于祁連山北麓，流經(jīng)青海、甘肅和內(nèi)蒙古3省(區(qū))，東鄰石羊河流域，西接疏勒河流域，北至內(nèi)蒙古自治區(qū)額濟(jì)納旗境內(nèi)的居延海，與蒙古人民共和國(guó)接壤，全長(zhǎng)821 km，流域面積14.29萬(wàn)km2(圖1)。黑河流域位于歐亞大陸中部，氣候干燥，降水稀少，晝夜溫差大[24]。鶯落峽以上為上游，地勢(shì)高峻，氣候嚴(yán)寒濕潤(rùn)，是主要產(chǎn)流區(qū)，多年平均氣溫低于2℃，以牧業(yè)為主。鶯落峽和正義峽之間為中游，地勢(shì)平坦，光熱資源充足，晝夜溫差大，多年平均氣溫為6～8℃，是灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)。正義峽以下為下游，地勢(shì)平坦開(kāi)闊，氣候干燥，是生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)，偶有極端天氣，極端最低氣溫低于-30℃，極端最高氣溫超過(guò)40℃，多年平均氣溫為8～10℃[25-26]。黑河流域植被類型的垂直分異明顯，自上游至下游可劃分為森林、灌叢、草原及荒漠4個(gè)植被帶。

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文基于“中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”，選擇黑河流域內(nèi)(額濟(jì)納旗、鼎新、金塔、酒泉、高臺(tái)、臨澤、托勒、肅南、野牛溝、張掖、民樂(lè)、祁連、山丹)及周邊(馬鬃山、拐子湖、玉門鎮(zhèn)、阿拉善右旗、永昌、剛察、門源)共20個(gè)氣象站點(diǎn)1960年1月—2015年12月的月平均資料(圖1)。四季劃分如下：12月—次年2月為冬季，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季。

圖1 研究區(qū)氣象站點(diǎn)分布

1.3 研究方法

本文利用線性傾向率、滑動(dòng)平均、M-K檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)、小波分析和樣條函數(shù)等方法，分析黑河流域1960—2015年的年和各季節(jié)平均氣溫的時(shí)空分布特征。

線性傾向估計(jì)方法通過(guò)建立線性回歸方程，根據(jù)回歸系數(shù)確定氣溫變化的趨勢(shì)與大小?；瑒?dòng)平均法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑和濾波處理，是一種通過(guò)平均方式消除序列中異常波動(dòng)以顯示序列變化趨勢(shì)的方法[27]。M-K檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，既可進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，又可進(jìn)行突變檢驗(yàn)，其主要優(yōu)點(diǎn)是樣本可不服從正態(tài)分布[28-29]。M-K趨勢(shì)分析中，統(tǒng)計(jì)量Z>0，表明統(tǒng)計(jì)變量呈增加趨勢(shì)，反之則呈減少趨勢(shì)；M-K突變檢驗(yàn)中，若正曲線UF(k)和反曲線UB(k)在置信曲線內(nèi)有且僅有一個(gè)交點(diǎn)，則說(shuō)明此交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的年份為突變年份；若兩曲線在置信曲線內(nèi)有多個(gè)交點(diǎn)或交點(diǎn)在置信曲線外，則不能確定其是否為突變點(diǎn)[29]。經(jīng)過(guò)M-K檢驗(yàn)后，對(duì)其不能判斷是否為突變點(diǎn)的點(diǎn)，則用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[28]進(jìn)行驗(yàn)證以進(jìn)一步確定其是否為突變點(diǎn)。小波分析法是一種具有信號(hào)、時(shí)頻多分辨率功能的方法，它可揭示在時(shí)間序列中的變化周期，反映在不同時(shí)間尺度上系統(tǒng)的變化趨勢(shì)，并對(duì)系統(tǒng)未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)[30]。樣條函數(shù)差值在進(jìn)行空間插值分析時(shí)可準(zhǔn)確通過(guò)樣本點(diǎn)擬合連續(xù)光滑的表面，該方法在對(duì)氣候空間分異變化研究中已被國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者使用[9，31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 年際和季節(jié)變化特征

1960—2015年，黑河流域的逐年和四季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，且均通過(guò)置信度為99%的M-K顯著性檢驗(yàn)(圖2)。黑河流域多年平均氣溫為5.14℃，年平均最高和最低氣溫分別為13.09，-1.57℃(表1)，氣溫傾向率為0.354℃/10 a(圖2A)。近56年來(lái)，黑河流域的年平均氣溫升高了1.59℃。由5 a滑動(dòng)平均結(jié)果可知，黑河流域20世紀(jì)60年代初—80年代，平均氣溫先有一段小幅上升期，后呈“降—升—降—升”的變化趨勢(shì)，且波動(dòng)程度較大，在1967年達(dá)到最低值；90年代初，平均氣溫呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)，90年代中后期平均氣溫大幅上升，增溫顯著；2000年之后，平均氣溫處于不斷波動(dòng)變化的狀態(tài)，平均氣溫變化不大。

黑河流域春、夏、秋、冬四季多年平均氣溫分別為6.63，18.20，4.93，-9.20℃(表1)，氣溫傾向率分別為0.319，0.311，0.358，0.430℃/10 a(圖2)，其中，冬季的增溫幅度最大，秋季次之。由5 a滑動(dòng)平均結(jié)果可知，黑河流域春季平均氣溫在20世紀(jì)60—70年代初呈小幅波動(dòng)變化，整體上變化不大；20世紀(jì)70年代中后期，平均氣溫先大幅下降后上升；20世紀(jì)80—90年代中期，平均氣溫先緩慢下降，后緩慢上升，整體變化不大，90年代中后期，平均氣溫大幅上升；2000年之后平均氣溫波動(dòng)上升。黑河流域夏季平均氣溫在20世紀(jì)60年代初呈下降趨勢(shì)，60年代中后期—80年代中期，氣溫不斷波動(dòng)但變化微弱，80年代后期氣溫呈上升趨勢(shì)；20世紀(jì)90年代初，平均氣溫處于小幅波動(dòng)狀態(tài)，整體呈下降趨勢(shì)，90年代中后期增溫顯著；2000年后，平均氣溫波動(dòng)變化，但變化較小。黑河流域秋季平均氣溫在20世紀(jì)60—70年代初，先小幅上升，后顯著下降，之后又呈顯著上升趨勢(shì)；在20世紀(jì)70年代中后期—80年代中期，平均氣溫呈小幅波動(dòng)變化，80年代后期氣溫突然升高后顯著下降；20世紀(jì)90年代初，氣溫基本不變，90年代中后期，氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)；2000年之后，氣溫呈“降—升—降—升”的變化趨勢(shì)。黑河流域冬季平均氣溫在20世紀(jì)60年代初平均氣溫先降后升，在60年代中后期呈現(xiàn)一個(gè)大的“降—升”變化；20世紀(jì)70年代初平均氣溫緩慢下降；70年代中后期呈小幅波動(dòng)上升趨勢(shì)；20世紀(jì)80年代初，平均氣溫先下降后顯著升高；20世紀(jì)90年代，平均氣溫呈“降—升—降—升”變化；2000年之后，平均氣溫呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。

表1 近56 a黑河流域多年年平均和多年季節(jié)平均溫度 ℃

2.2 年代際變化特征

距平分析結(jié)果表明，黑河流域的年平均氣溫持續(xù)升高，20世紀(jì)60年代—80年代，氣溫的年代距平值為負(fù)，氣溫低于近56 a的氣溫均值；90年代后，其年代距平值為正，氣溫高于56 a的氣溫均值；其中，1990s較1980s氣溫增幅最大，達(dá)到0.605℃(表2)。20世紀(jì)60—80年代，黑河流域四季氣溫的年代距平值均為負(fù)，氣溫低于近56 a的氣溫均值；90年代后，其年代距平值均為正，氣溫高于56 a的氣溫均值。其中，秋季氣溫的年代際變化同年平均氣溫趨勢(shì)一致，2000—2009年較1990s氣溫增幅最大。春季和夏季氣溫的距平值均呈現(xiàn)先下降后上升的變化特征，最低值均出現(xiàn)在70年代，2000—2009年較1990s的溫度增幅最大，分別為0.684，0.726℃。冬季氣溫距平值在21世紀(jì)前一直上升，進(jìn)入21世紀(jì)后則緩慢下降，1970s較1960s氣溫增幅最大。

圖2 黑河流域年和四季平均氣溫的年際變化

表2 黑河流域年和四季年代際平均氣溫距平℃

2.3 氣溫突變時(shí)間分析

黑河流域的年平均氣溫(圖3A)在1960—1980年有下降趨勢(shì)但不明顯，自1980年之后呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，在1992年與0.05顯著水平線相交，表明年平均氣溫在1992年后升高顯著；UF(k)曲線和UB(k)曲線在整個(gè)時(shí)間序列中雖有交點(diǎn)(1993年)，但此交點(diǎn)不在置信區(qū)間內(nèi)，經(jīng)滑動(dòng)t檢驗(yàn)確定1993年是黑河流域的年平均氣溫突變點(diǎn)，通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)。黑河流域春季(圖3B)平均氣溫在1960—1975年不斷波動(dòng)，1976—1997年UF(k)曲線小于0，表明春季平均氣溫呈下降趨勢(shì)；1998年之后氣溫呈升高趨勢(shì)，且在2005年超過(guò)0.05顯著性水平，增溫趨勢(shì)顯著；UF(k)曲線和UB(k)曲線在置信區(qū)間內(nèi)有3個(gè)交點(diǎn)(2003年、2004年和2005年)，根據(jù)累積距平分析中極值的t檢驗(yàn)確定春季平均氣溫在2003年發(fā)生突變。黑河流域夏季(圖3C)平均氣溫在1960—1996年呈下降趨勢(shì)，1964—1981年和1983—1986年，統(tǒng)計(jì)值超過(guò)0.05顯著水平的臨界線，下降趨勢(shì)顯著；1997年氣溫發(fā)生突變呈上升趨勢(shì)且在2002年后超過(guò)0.05顯著性水平，表明夏季平均氣溫在2002年后升高顯著。黑河流域秋季(圖3D)平均氣溫在1960—1964年和1967—1977年呈下降趨勢(shì)但不顯著，1978年之后氣溫呈上升趨勢(shì)，且在1999年超過(guò)0.05顯著性水平，表明秋季平均氣溫在1999年后升高顯著；UF(k)曲線和UB(k)曲線在置信區(qū)間內(nèi)有3個(gè)交點(diǎn)(1996年、1998年和1999年)，根據(jù)累積距平分析中極值的t檢驗(yàn)確定秋季平均氣溫在1998年發(fā)生突變。黑河流域冬季(圖3E)平均氣溫在1960—1980年呈下降趨勢(shì)但不顯著，1980年后氣溫呈上升趨勢(shì)且在1991年超過(guò)0.05顯著性水平，表明冬季平均氣溫在1991年后升高顯著；其氣溫突變點(diǎn)在1988年。

2.4 周期分析

采用Matlab軟件，對(duì)黑河流域近56 a的年和四季平均氣溫進(jìn)行小波分析，結(jié)果見(jiàn)圖4—5。小波系數(shù)實(shí)部圖可以反映氣溫序列在不同時(shí)間尺度上的周期及其在時(shí)間域中的分布，進(jìn)而判斷不同時(shí)間尺度上氣溫的未來(lái)變化趨勢(shì)。小波系數(shù)值為正，表示氣溫升高；反之表示氣溫降低。黑河流域近56 a的年平均氣溫在6，12～15，22，26～32 a左右尺度上存在震蕩周期(圖4)。

圖3 黑河流域年和四季平均氣溫的M-K突變檢驗(yàn)

在26～32 a時(shí)間尺度上，氣溫發(fā)生了“升高—降低—升高”的7次冷暖交替變化，2015年后，黑河流域處于氣溫升高階段，表明未來(lái)幾年內(nèi)黑河流域的氣溫將會(huì)升高。小波方差圖能反映氣溫信號(hào)的波動(dòng)能量隨尺度的分布，可用來(lái)確定氣溫變化過(guò)程中存在的主周期。黑河流域年平均氣溫存在2個(gè)峰值，依次對(duì)應(yīng)6 a和29 a的時(shí)間尺度(圖4)。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)著29 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明29 a時(shí)間尺度對(duì)小波的方差貢獻(xiàn)率最大，為黑河流域年氣溫變化的第1主周期；6 a時(shí)間尺度為第2主周期。

在26～32 a時(shí)間尺度上，黑河流域近56 a的春季(圖5A)、夏季(圖5C)和秋季(圖5E)平均氣溫均發(fā)生了“升高—降低—升高”的7次冷暖交替變化，與年平均氣溫(圖4)的變化一致。黑河流域近56 a春季平均氣溫在6，12，26～32 a左右尺度上存在震蕩周期，小波方差圖(圖5B)存在3個(gè)峰值，依次對(duì)應(yīng)6，12，29 a的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)29 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明29 a時(shí)間尺度為黑河流域春季氣溫變化的第1主周期，12 a為第2主周期。黑河流域近56 a夏季平均氣溫在26～32 a左右尺度上存在震蕩周期，小波方差圖(圖5D)只存在1個(gè)峰值，對(duì)應(yīng)29 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明29 a時(shí)間尺度為黑河流域夏季氣溫變化的第1主周期。黑河流域近56 a秋季平均氣溫在6，10～20，26～32 a左右尺度上存在震蕩周期，小波方差圖(圖5F)存在2個(gè)峰值，依次對(duì)應(yīng)16 a和29 a的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)29 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明29 a時(shí)間尺度為黑河流域秋季氣溫變化的第1主周期，16 a為第2主周期。黑河流域近56 a冬季(圖5G)平均氣溫在6，12～15，18～20，26～32 a左右尺度上存在震蕩周期。在26～32 a時(shí)間尺度上氣溫發(fā)生了“降低—升高—降低”的7次冷暖交替變化。黑河流域冬季平均氣溫的小波方差圖(圖5H)存在4個(gè)峰值，依次對(duì)應(yīng)6，14，19，30 a的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)30 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明30 a時(shí)間尺度為黑河流域冬季氣溫變化的第1主周期，19 a為第2主周期，14 a和6 a分別為第3和第4主周期。

2.5 空間變化特征

利用ArcGIS軟件中的空間分析工具箱，對(duì)黑河流域的年和四季的平均氣溫和氣溫傾向率進(jìn)行樣條函數(shù)插值，結(jié)果顯示：黑河流域年平均氣溫從下游到上游隨海拔升高而逐漸降低(圖6A)，最低值為-6.86℃，最高為10.45℃，溫較差17.31℃。春季(圖6B)、夏季(圖6C)和秋季(圖6D)平均氣溫的空間分布與年平均氣溫的空間分布基本一致，溫較差分別為18.15，21.29，16.75℃。其中，春季和秋季平均氣溫與年平均氣溫差異較小，均在1℃以內(nèi)。冬季(圖6E)平均氣溫最高的地區(qū)在中游的張掖、臨澤和中游的地區(qū)，其次為黑河流域的下游地區(qū)。

圖4 黑河流域年平均氣溫的小波系數(shù)實(shí)部等值線及小波方差

圖5 黑河流域各季節(jié)平均氣溫的小波系數(shù)實(shí)部等值線及其小波方差

圖6 黑河流域年和四季平均氣溫空間分布

1960—2015年，黑河流域年和四季的平均氣溫均呈上升趨勢(shì)(圖7)。黑河流域年平均氣溫傾向率為0.354℃/10 a，所有站增溫均較顯著(p<0.05)。從空間分布上來(lái)看，整體上由西向東氣溫增幅越來(lái)越大，增長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯的區(qū)域?yàn)橹杏蔚拿駱?lè)和下游的額濟(jì)納旗附近，氣溫傾向率為0.505℃/10 a；最小增幅出現(xiàn)在中游的肅南和酒泉附近，氣溫傾向率為0.242℃/10 a。黑河流域春季的平均氣溫傾向率為0.319℃/10 a，所有站點(diǎn)均增溫顯著(p<0.05)?？傮w上，由西南向東北，氣溫增幅越來(lái)越大，增長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯的區(qū)域?yàn)橹杏蔚呐R澤，氣溫傾向率為0.481℃/10 a，其次為黑河流域下游地區(qū)；上游地區(qū)的增長(zhǎng)趨勢(shì)最小，氣溫傾向率為0.190℃/10 a。黑河流域夏季的平均氣溫傾向率為0.311℃/10 a，所有站點(diǎn)均增溫顯著(p<0.05)，除中游地區(qū)的張掖、下游的西北和東北地區(qū)氣溫增幅較大外，其他地區(qū)的氣溫增幅均較小。黑河流域秋季的平均氣溫傾向率為0.358℃/10 a，所有站點(diǎn)均增溫顯著(p<0.05)。整體來(lái)看，由西向東，氣溫增幅越來(lái)越大，增長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯的區(qū)域在中游的民樂(lè)和下游的額濟(jì)納旗附近，氣溫傾向率為0.551℃/10 a；增幅較小的地區(qū)為中游的肅南、高臺(tái)和酒泉，氣溫傾向率為0.247℃/10 a。黑河流域冬季的平均氣溫傾向率為0.430℃/10 a，除黑河流域周邊的馬鬃山站外，其他站點(diǎn)均增溫顯著(p<0.05)。整體而言，由西向東，氣溫增幅越來(lái)越大，增長(zhǎng)趨勢(shì)最明顯的區(qū)域在中游的民樂(lè)和下游的額濟(jì)納旗附近，氣溫傾向率為0.780℃/10 a；增幅較小的地區(qū)為中游的肅南和酒泉，氣溫傾向率為0.290℃/10 a。綜上所述，冬季的平均氣溫傾向率最大且其氣溫變化趨勢(shì)與年氣溫變化趨勢(shì)基本一致，表明冬季對(duì)全年氣溫增溫趨勢(shì)的貢獻(xiàn)最大，其次為秋季。

圖7 黑河流域年和四季平均氣溫的氣溫傾向率空間分布

3 結(jié) 論

(1) 黑河流域近56 a逐年和四季平均氣溫均呈顯著升高趨勢(shì)，在季節(jié)尺度上，冬季增溫幅度最大，秋季次之。除春、夏兩季的最冷平均氣溫出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代外，年和秋、冬氣溫的最低值出現(xiàn)在60年代。

(2) 黑河流域氣溫突變時(shí)間除春季發(fā)生在21世紀(jì)初，年和其他3季平均氣溫的突變則均發(fā)生在20世紀(jì)90年代，通過(guò)0.01顯著性水平檢驗(yàn)。

(3) 黑河流域年平均氣溫在1960—2015年發(fā)生了“升高→降低→升高”的7次冷暖交替變化，且黑河流域的氣溫在未來(lái)幾年還會(huì)持續(xù)升高，29 a時(shí)間尺度為黑河流域年氣溫變化的第1主周期；6 a時(shí)間尺度為第2主周期。黑河流域春季、夏季和秋季平均氣溫在26～32 a時(shí)間尺度上與年平均氣溫變化一致，且均以29 a時(shí)間尺度為第1主周期。冬季平均氣溫在26～32 a時(shí)間尺度上則發(fā)生了“降低→升高→降低”的7次冷暖交替性變化。

(4) 黑河流域除冬季外，年和其他3季平均氣溫從下游到上游均隨海拔增高而逐漸降低。除冬季黑河流域周邊的馬鬃山站外，其他時(shí)間各站均增溫顯著(p<0.05)。就不同季節(jié)而言，冬季對(duì)增溫趨勢(shì)的貢獻(xiàn)最大，其次為秋季。

本文中氣溫變化的主周期和突變年份與趙一飛等[32]的研究略有差異，其主要是由于研究所用的時(shí)間序列和氣象站點(diǎn)數(shù)目不同所致。此外，黑河流域氣溫變化既受其地理位置和地形等因素的影響，也受人類活動(dòng)影響，如土地利用方式的變化和溫室氣體的排放等[33]。今后應(yīng)增加對(duì)影響氣溫變化的因素的研究，以期對(duì)未來(lái)生態(tài)環(huán)境建設(shè)做出更好規(guī)劃。