葉偉林，黃鈺涵，周自強(qiáng)*，朱彥儒

(1.甘肅省科學(xué)院地質(zhì)自然災(zāi)害防治研究所，蘭州 730000；2.蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000；3.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059)

如今全球氣候變暖現(xiàn)象已非常明顯，中外各大研究機(jī)構(gòu)及媒體都十分關(guān)注氣候的變化趨勢(shì)。在政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)排放情景特別報(bào)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?jiàn)全球氣候變暖的問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重[2-5]。而根據(jù)IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出未來(lái)氣候變化帶來(lái)的影響將進(jìn)一步加劇，極端氣候的發(fā)生頻率將持續(xù)升高[6]。特別是近年來(lái)受極端氣候的影響區(qū)域性的地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，劉健康等[7]以西藏的古鄉(xiāng)溝為研究區(qū)，研究發(fā)現(xiàn)泥石流的發(fā)生與降雨和氣溫存在著密切的關(guān)系，而祁連山地區(qū)位于中國(guó)西北內(nèi)陸區(qū)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(zhì)災(zāi)害更是防災(zāi)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。目前，諸多學(xué)者們以祁連山地區(qū)完備的生態(tài)系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)區(qū)域小氣候、涵養(yǎng)水資源、維持生物多樣性等生態(tài)作用的角度出發(fā)，一直將祁連山地區(qū)作為研究的熱點(diǎn)地區(qū)。曹廣超等[8]基于祁連山南坡的19個(gè)氣象站點(diǎn)，研究了1960—2014年的氣溫變化，結(jié)果表明氣溫增長(zhǎng)率為0.35 ℃/a，氣溫呈波動(dòng)式上升，冬季氣溫增幅最大；尹憲志等[9]、賈文雄等[10]研究發(fā)現(xiàn)，祁連山區(qū)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(shù)分析得出，祁連山中東部極端氣溫暖指數(shù)較小，向外圍逐漸遞增，極端氣溫冷指數(shù)在空間分布上則由南向北遞減。眾多學(xué)者都指出了祁連山氣溫正在不斷升高這個(gè)氣候變化趨勢(shì)，這些研究大多側(cè)重于不同的方向，雖然采用了不同的氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用了不同的方法去分析，但未能在多站點(diǎn)上分析整個(gè)祁連山區(qū)的氣溫變化，且對(duì)于祁連山氣溫變化的研究在時(shí)空尺度上未有更新。為此，基于祁連山最新21個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)，運(yùn)用Anusplin 方法對(duì)祁連山這一特殊地理區(qū)域的氣溫變化進(jìn)一步分析，獲得不同季節(jié)氣溫變化的差異特征及空間分布，更加深入地了解該區(qū)域的氣溫變化規(guī)律，探討影響祁連山地區(qū)溫度變化的主要因素，為祁連山地區(qū)的生態(tài)建設(shè)和自然災(zāi)害防治提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

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

圖1 祁連山區(qū)位置示意圖

選取祁連山區(qū)及周邊的21個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)(表1)作為數(shù)據(jù)來(lái)源，時(shí)間跨度為1960—2019年，地面氣象站的氣象數(shù)據(jù)資料來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。將各個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)資料按照年、月的時(shí)間尺度分別進(jìn)行整理，部分缺測(cè)數(shù)據(jù)用臨近5年的氣溫?cái)?shù)據(jù)平均值補(bǔ)齊，季節(jié)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(diǎn)數(shù)據(jù)

1.2 研究方法

1.2.1 面積加權(quán)法

利用簡(jiǎn)單平均法首先分別計(jì)算各個(gè)氣象站點(diǎn)的年、季氣溫平均值，然后將氣象站點(diǎn)作為采樣點(diǎn)構(gòu)建泰森多邊形，每一個(gè)泰森多邊形內(nèi)部的氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)就代表了該多邊形區(qū)域的氣溫?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)氣象站點(diǎn)各自所在泰森多邊形的區(qū)域面積占整個(gè)研究區(qū)總面積的百分比計(jì)算出權(quán)重系數(shù)(表2)，所有泰森多邊形內(nèi)的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行面積加權(quán)，計(jì)算出祁連山區(qū)的年、季區(qū)域的平均氣溫[14-15]。

表2 各氣象臺(tái)站權(quán)重

1.2.2 統(tǒng)計(jì)方法

采用5年趨勢(shì)滑動(dòng)平均、一元線性回歸分析、累計(jì)距平法分析祁連山區(qū)的氣溫要素年際變化速率及趨勢(shì)。

滑動(dòng)平均法用一段時(shí)間的平均值表示統(tǒng)計(jì)序列的變化趨勢(shì)，可平滑統(tǒng)計(jì)序列，一定程度上消除序列中的反復(fù)隨機(jī)波動(dòng)，滑動(dòng)平均值的表達(dá)式為

(1)

式(1)中：xi+j-1為樣本量為n的序列；k為滑動(dòng)長(zhǎng)度，k取5年。

一元線性回歸分析是依據(jù)兩個(gè)地理要素x和y之間的相關(guān)性，建立線性回歸方程來(lái)研究要素之間的變化趨勢(shì)，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(shí)間；a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)，10b為氣溫的傾向率，其值代表了氣溫的變化趨勢(shì)，如果值為正氣溫呈上升趨勢(shì)，反之，則氣溫呈下降趨勢(shì)。

距平為數(shù)據(jù)值與數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)氣候平均值之差，累計(jì)距平法是將n′個(gè)時(shí)刻的累計(jì)距平值算出后繪出累計(jì)距平曲線，曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)可用于判斷統(tǒng)計(jì)序列的突變時(shí)間，其表達(dá)式為

(3)

(4)

1.2.3 氣溫插值方法

Anusplin插值方法是基于薄盤(pán)樣條理論編寫(xiě)的針對(duì)氣候數(shù)據(jù)曲面擬合的專用插值方法，該方法引入多個(gè)因子作為協(xié)變量，通過(guò)最佳擬合效果自動(dòng)確定模型系數(shù)，且能同時(shí)進(jìn)行多個(gè)表面的空間插值，對(duì)于時(shí)間序列的氣象數(shù)據(jù)空間插值非常適用[16]。因此，中外學(xué)者將Anusplin插值方法廣泛應(yīng)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(dú)立變量、協(xié)變量和樣條次數(shù)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(lái)源和插值質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)[15]。對(duì)氣候要素實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以很好地?cái)M合出連續(xù)光滑的表面，在氣溫插值時(shí)可引進(jìn)海拔作為協(xié)變量，在高海拔地區(qū)的氣候研究中表現(xiàn)優(yōu)異[22-23]，因此使用該方法分析祁連山區(qū)的氣溫空間變化差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化的時(shí)間特征

2.1.1 年際變化

連山區(qū)全年及四季平均氣溫的變化從氣溫的線性傾向來(lái)看，總體呈上升的趨勢(shì)，表現(xiàn)出冷暖交替、波動(dòng)式變化的特點(diǎn)(圖2)。從5年滑動(dòng)平均的趨勢(shì)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(xiàn)為持續(xù)性上升，僅出現(xiàn)過(guò)一些小幅度的波動(dòng)，最冷年1970年的平均氣溫為5.08 ℃，最暖年出現(xiàn)在2018年，平均氣溫為9.10 ℃。夏季平均氣溫的變化趨勢(shì)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(xù)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(dòng)較小，呈平穩(wěn)上升的趨勢(shì)，在1964—1970年、1981—1985年、1989—1994年3個(gè)時(shí)間段氣溫偏冷，最冷年份出現(xiàn)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(dòng)較大，1985—2007年是比較偏暖的一個(gè)時(shí)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(qū)氣溫年際變化、線性趨勢(shì)及5年滑動(dòng)平均

祁連山區(qū)全年的平均氣溫總體呈波動(dòng)式上升趨勢(shì)，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(qū)最冷年份基本出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，最暖年份基本出現(xiàn)在進(jìn)入21世紀(jì)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(qū)在氣溫變暖的過(guò)程中出現(xiàn)了多次的冷暖交替過(guò)程，但整體的變暖趨勢(shì)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(jù)世界氣象組織(World Meteorological Organization,WMO)推薦的最新氣候標(biāo)準(zhǔn)值，以1981—2010年的多年平均氣溫作為氣溫標(biāo)準(zhǔn)值，計(jì)算年及四季的氣溫距平值(圖3)和累計(jì)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(shì)，其中春夏秋三季的均溫在90年代后期距平值轉(zhuǎn)為正值，累計(jì)距平曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)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(xiàn)象發(fā)生的較早，在20世紀(jì)80年代后期均溫距平值就出現(xiàn)了正值，1986年累計(jì)距平曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，最暖年較多年平均氣溫高出1.78 ℃，同時(shí)冬季氣溫的波動(dòng)幅度大，90年代之后也出現(xiàn)過(guò)幾次距平值為負(fù)的年份，整體表現(xiàn)為氣溫突變?cè)?、起伏大。祁連山地區(qū)全年平均氣溫在20世紀(jì)90年代以前較低，在1998年氣溫距平值轉(zhuǎn)正趨勢(shì)明顯，累計(jì)距平曲線出現(xiàn)顯著拐點(diǎn)，2000年后氣溫持續(xù)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(qū)氣溫變化距平值

圖4 祁連山地區(qū)氣溫變化累計(jì)距平曲線

以30年為一個(gè)時(shí)期，將1960—2019年依次劃分為4個(gè)時(shí)期計(jì)算多年氣溫平均值(表3)，來(lái)分析祁連山區(qū)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(jiàn)，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(kuò)大，表明氣溫的增長(zhǎng)速度越來(lái)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(zhǎng)了0.96、1.02、0.95，1.13 ℃，全年增長(zhǎng)了1.03 ℃，冬季多年氣溫平均值增加幅度最為顯著，對(duì)于整個(gè)祁連山區(qū)的升溫貢獻(xiàn)最大。

表3 祁連山地區(qū)多年氣溫平均值

2.2 氣溫線性傾向估計(jì)及空間分異

祁連山區(qū)四季及全年的平均氣溫線性傾向方程均通過(guò)了α=0.001(α為顯著性水平)的顯著性水平檢驗(yàn)，各方程中的回歸系數(shù)均為正值(圖2)，表明祁連山區(qū)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(diǎn)的選擇以及研究時(shí)段的不同，本文的結(jié)果與一些學(xué)者的研究結(jié)果較為接近[8,10,24]，但不完全一致。有學(xué)者對(duì)全國(guó)的氣溫變化進(jìn)行研究得出[25]：全國(guó)的氣溫增加速率為0.233 ℃/10 a，祁連山區(qū)的氣溫傾向率明顯高于全國(guó)。

表4 祁連山地區(qū)年、季節(jié)平均氣溫傾向率

從氣溫變化的空間分布(圖5)上看，整個(gè)祁連山區(qū)域年均氣溫呈變暖趨勢(shì)，西部海拔較高的區(qū)域變暖幅度在0.30 ℃/10a以上，中部和東部的氣溫傾向趨勢(shì)小于西部，氣溫變化自西北向東南逐漸降低。從季節(jié)差異上看，祁連山西部區(qū)域在春季和秋季氣溫上升趨勢(shì)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(qū)局部氣溫傾向率為負(fù)值，可能是由于高海拔區(qū)域缺乏實(shí)測(cè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)，氣溫插值時(shí)不可避免產(chǎn)生的誤差造成的，具體原因需在后續(xù)研究中繼續(xù)探索。祁連山區(qū)東部的氣溫變暖趨勢(shì)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(xiàn)出四周高中間低的特點(diǎn)。

圖5 祁連山地區(qū)年及四季平均氣溫傾向率空間分布

3 祁連山區(qū)氣溫變化的影響

祁連山作為西北地區(qū)重要的河流發(fā)源地，其高海拔山區(qū)上發(fā)育的冰川更是重要的淡水資源，充足的冰川融水養(yǎng)育了一方水土。隨著全球氣候的變暖和人類活動(dòng)的影響，祁連山區(qū)氣溫逐年變暖的趨勢(shì)已十分顯著，許多學(xué)者的研究成果都證實(shí)了這一觀點(diǎn)，氣溫的變暖以及突變對(duì)祁連山地區(qū)的水文、植被、環(huán)境等許多方面都造成了顯著的影響。

氣候變化勢(shì)必影響冰川的發(fā)育，基于中國(guó)第一、二次的冰川編目數(shù)據(jù)，孫美平等[13]研究發(fā)現(xiàn)，近50年間祁連山的冰川面積減少了420.81 km2，冰儲(chǔ)量減少了21.63 km3，海拔低于4 000 m的山區(qū)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(fā)現(xiàn)夏季均溫與祁連山冰川的年變化率之間對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，說(shuō)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(shí)間內(nèi)冰川融水的增加會(huì)給干旱地區(qū)帶來(lái)積極的生態(tài)效益，然而同時(shí)也極易引發(fā)冰湖潰決、冰川融水型泥石流、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。由于氣溫偏高造成地帶積雪融化，使泥石流形成區(qū)內(nèi)，各類古冰磧物、殘坡積物中含水量顯著增高，同時(shí)暴雨和積雪消融水混合形成了強(qiáng)勁的洪流，最終導(dǎo)致張掖天澇池溝在1972年8月21日發(fā)生了泥石流災(zāi)害[27]。馬國(guó)哲[28]對(duì)北祁連山區(qū)的泥石流災(zāi)害發(fā)育特點(diǎn)進(jìn)行了研究，認(rèn)為北祁連山區(qū)內(nèi)現(xiàn)代泥石流普遍發(fā)育，具有中等易發(fā)性，呈中小型規(guī)模，且具有重復(fù)發(fā)生的特點(diǎn)，如遇極端自然條件，極易引發(fā)泥石流災(zāi)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(qū)域氣候的變化趨勢(shì)，二者之間相互作用，關(guān)聯(lián)緊密[29]。諸多學(xué)者就祁連山區(qū)植被與氣候變化之間的響應(yīng)過(guò)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(shù)(normalized difference vegetation index，NDVI)值分布表現(xiàn)為東高西低，且月均NDVI值與氣溫和降水的相關(guān)性顯著，認(rèn)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(zhǎng)季NDVI的變化與氣候之間的響應(yīng)，結(jié)果表明研究期間植被NDVI整體呈增加趨勢(shì)，祁連山區(qū)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(lái)看，氣溫升高導(dǎo)致冰雪融水的增加有利于植被生長(zhǎng)、植被覆蓋度增加；但長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，氣溫升高會(huì)導(dǎo)致冰川萎縮，干旱地區(qū)蒸發(fā)量增大，濕地沼澤地退化等一系列環(huán)境問(wèn)題。氣候變化對(duì)物種的分布和遷移也產(chǎn)生了一定的影響，戎戰(zhàn)磊[32]研究發(fā)現(xiàn)，祁連山區(qū)的變暖趨勢(shì)遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平，氣候變化影響了祁連山區(qū)的物種分布，導(dǎo)致物種海拔分布上移，水平分布上大多北移，對(duì)于各物種不同的適宜等級(jí)和組成造成了很大的影響。

對(duì)于祁連山區(qū)的氣溫趨勢(shì)會(huì)怎樣變化，變暖趨勢(shì)是否會(huì)增加，對(duì)生態(tài)環(huán)境會(huì)造成什么程度的影響等問(wèn)題還有待專家學(xué)者們的深入研究。目前，應(yīng)當(dāng)采取有效可行的生態(tài)保護(hù)措施進(jìn)一步保護(hù)祁連山的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)，深入對(duì)氣候變化影響的研究，提高應(yīng)對(duì)氣候突變的能力和防治自然災(zāi)害的能力，盡量減小因氣候變暖造成的負(fù)面影響。

4 結(jié)論

(1)祁連山地區(qū)1960—2019年，年及四季平均氣溫呈冷暖交替變化過(guò)程，但統(tǒng)計(jì)分析表明：祁連山區(qū)增溫趨勢(shì)明顯，進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫明顯升高，氣溫最暖年份基本出現(xiàn)在2000年后。

(2)祁連山區(qū)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(xiàn)于河谷地帶與海拔相對(duì)較低的城市區(qū)域。此外，秋冬季增溫貢獻(xiàn)率大于春夏季，在空間分布上呈西高東低。

(3)春夏秋三個(gè)季節(jié)平均氣溫在90年代后期出現(xiàn)突變拐點(diǎn)，冬季氣溫變暖發(fā)生較早，拐點(diǎn)出現(xiàn)在80年代后期，氣溫波動(dòng)變化大。祁連山地區(qū)年及四季多年氣溫平均值均呈上升趨勢(shì)，冬季增加幅度最為顯著。