1 引言

全球气候系统正经历着一次以变暖为主要特征的显著变化(IPCC，2013;沈永平和王国亚2013; 李红梅和李林，2015)。据统计，1880-2012年全球地表平均温度已上升0. 85 ℃。近30年全球变暖趋势较之前明显加快，每10年地表温度的增暖幅度高于1850年以来的任何时期，21世纪的第一个10年是最暖的10年(IPCC，2013)。全球气温持续升高，已经导致气候系统各圈层发生改变，如冰川融化，海平面上升、生物多样性改变、极端气候事件发生的频率和强度增加(李宗省等，2010; 李红梅和李林，2015)。截至目前，中国实地观测温度升高了0. 4~0. 5 ℃(任朝霞和杨达源，2006; 李宗省等，2010)。西北干旱区变暖的强度明显高于全国平均气温的增幅(赵传成等，2011; 马中华，2012)。赵鸿等(2009)对19812006 年西北干旱区不同海拔高度地区气温变化的研究发现，高海拔地区的增温幅度大于低海拔地区，对全球变化的响应更为敏感。任朝霞和杨达源(2006)指出近50年西北干旱区年平均气温和年降水量变化均呈上升趋势。贾文雄等(2008)发现河西走廊中东部地区增温幅度从南部的祁连山区至北部的走廊平原，呈增大趋势。孟秀敬等(2012)发现河西走廊19552011年气温的增加幅度为0. 27 ℃·(10a)^-1。张勃等(2010)揭示河西走廊冬季气温升高对年气温上升贡献最大。

西北干旱区的气候变化会使得区域农业气候条件发生改变，增加了绿洲农业环境的敏感性和脆弱性，导致局部干旱程度加重，对区域农业的可持续发展造成了严重影响(盛露等，2013)。张洁等(2013)研究发现河西走廊中部气候变暖使得该区春小麦、玉米播种提前，小麦的生育期缩短，玉米的生育期延长。地处我国河西走廊东段的古浪河，是石羊河的主要支流之一，属于典型的内陆河农业生产区，干旱缺水，区域发展受气候变化和水资源状况限制很大。目前有关该区域气候变化的研究相对较少，给流域水资源的可持续管理和绿洲农业结构调整带来不便(杨倩倩等，2012)。因此，本研究选择古浪河流域19592014年气温逐月数据，对近56年来的气温变化进行趋势、周期和突变分析，进而为该流域的水资源脆弱性评价提供科学的气候变化背景，同时有利于对该区未来气候形势的正确评估，为该区农牧业的防灾减灾和未来农业发展规划提供理论指导。

2 资料与方法 2.1 研究区概况

古浪河位于河西走廊东段，是石羊河流域的重要组成部分。流域南部在天祝藏族自治县内，是开发较少的天然林地; 北部则位于古浪县境内，人类活动较为剧烈。古浪河共有黄羊川河、萱麻河等7条支流，通过红水河流入石羊河干流，进入民勤盆地(张兰影等，2014)。其流域面积为882 km²。该流域地处西北干旱区，干燥少雨，蒸发强烈，年平均降水量为361. 3 mm，蒸发量为1783. 8 mm，植被稀少，森林覆盖率仅为14. 9%，生态环境脆弱。气候从南到北由祁连山高寒、亚高寒区向干旱荒漠区过渡。地势南高北低，海拔为1550~3469 m，地貌类型复杂多样，分带现象明显，自南向北依次分布着干旱半干旱中高山地、低山丘陵沟壑区、倾斜平原绿洲农业区(盛露等，2013)。

2.2 资料来源及研究方法 2.2.1 资料来源

本文选择古浪河流域有代表性的乌鞘岭气象站和古浪县气象站19592014年逐月平均气温资料，两个观测站自1959年以来均无站点变迁记录，站点空间分布见图 1。在季节分布上，春、夏、秋、冬分别对应35月、68月、911月和12月至次年2月。本文在计算距平值时，采用的气温平均值为19611990年的多年平均值。为了消除个别异常监测值对分析的影响，利用SPSS Statistics 19对各站的气温资料进行均一性检验和标准化处理，然后开展相关分析、Mann-kendall突变分析和小波分析。

2.2.2 Mann-Kendall法

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，其优点是不遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适合于类型变量和顺序变量，计算方便(郭华等，2006)。其统计量函数为:

$~UFk=\frac{\left[ Sk-E\left( {{S}_{k}} \right) \right]}{\sqrt{Var\left( {{S}_{K}} \right)}},\left( k=1,2,3,4,\ldots ,n \right)$

(1)

式中: S_k是i时刻大于j时刻个数的累计值，UF₁=0，E(S_k)，Var(S_k)是累计数S_k的均值和方差，所有UF_k组成一条曲线UF; 将同样的方法用到反序列当中，得到曲线UB。分析统计序列UF_k和进一步分析序列x的变化趋势，可以明确突变的时间，指出突变的区域，若UF_k ＞0，表明序列呈上升趋势，反之，序列呈下降趋势。当其超过临界线时，表明上升或下降趋势明显。如果UF和UB两条曲线出现交点，并且交点在临界线之间，则交点对应的时刻便是突变的开始时间。这一方法具有计算简单，可以明确突变开始的时间，指出突变区域和不受少数异常值干扰的优点。

2.2.3 小波分析

小波分析可以准确、详细地揭示出时间序列中瞬时频率结构随时间的变化(聂中青等，2009)。近年来已广泛应用到气候、水文等时间序列的周期性分析(盛露等，2013)。Morlet小波变换经过多年的发展，已经成为比较成熟的数学分析工具(程正兴，1998; 盛露等，2013)。对气象要素时间尺度的周期分析更为相近，其小波函数为:

$\psi \left( x \right)=C{{e}^{-\frac{{{x}^{2}}}{2}}}cos5x,$

(2)

式中: Ψ(x)为基本小波或母小波; x为时间序列; C为常数。利用该小波函数，计算得到径流量时间序列在不同时间尺度下的小波系数:

$W\left( a,b \right)=\frac{1}{\sqrt{a}}{{\sum }^{N}}_{t=1}x\left( t \right)\Psi \left( \frac{t-b}{a} \right),$

(3)

式中: a为尺度参数; b为时移参数。

将时间域上的关于a的所有小波变换系数的平方进行积分，即为小波方差，小波方差随尺度a的变化过程称小波方差图，它反映了波动的能量随尺度的分布。通过小波方差图，可以确定一个气象要素序列中存在的主要时间尺度，即主周期。其计算公式为:

$Var\left( a \right)=\int_{-\infty }^{\infty }{{{\left| {{W}_{f}}\left( a,b \right) \right|}^{2}}db}.$

(4)

3 气温变化特征分析 3.1 气温年代际变化特征

古浪河流域的年平均气温总体呈现上升趋势，上游和下游年平均气温变化一致。20世纪60、70、80年代年平均气温距平均为负值，表明此时段流域年平均气温整体偏低，尤其是70年代上游和下游的年平均气温距平分别为-0. 48 ℃和-0. 63 ℃，表明该流域70年代是近56年来最为寒冷的一个时期; 90年代以后气温距平转为正值且逐渐变大，指示90年代以后该流域气温逐渐升高且升温幅度增加(表 1)。赵传成等(2011)对西北地区年平均气温的研究结果也表明，在20世纪60年代初气温较高，70年代气温下降，80年代中期显著上升，90年代以后上升剧烈。以上结果进一步说明古浪河流域气温变化的总体趋势与西北地区的整体研究结果基本保持一致。

古浪河流域年平均最高和最低气温的年代际变化趋势与年平均气温相似。90年代以前，年平均最高和最低气温距平值多为负值，年平均最高和最低气温相对较低; 90年代以后，年平均最高和最低气温均为正值且数值逐渐增加，表明年平均最高和最低气温逐渐升高且升温幅度变大(表 1)。 70年代无论年平均最高气温还是年平均最低气温，都处于近56年来的低值时段。尽管古浪河流域上游和下游年平均气温的年代际变化大体一致，但也存在一定的空间差异，主要表现为古浪河流域下游地区年平均最低气温的增加幅度明显高于上游地区。李玲萍等对石羊河流域气温的研究中也发现了同样的规律(李玲萍等，2008)。

古浪河流域季节平均气温与年平均气温的年代际变化相似，各季节平均温度均呈现上升趋势，但春季、夏季、秋季和冬季平均气温在不同年代的具体变化存在较大不同。古浪河上游和下游地区，春季和夏季平均气温低值出现在70年代和80年代，夏季和秋季平均气温低值出现在60年代，夏季和秋季平均气温在2010-2014年期间最高，春季和冬季平均气温在20002009年期间最高。上游的乌鞘岭地区，夏季平均气温距平值最小为-0. 47 ℃，最大为1. 02 ℃，夏季平均气温的年代际差异最大; 而下游的古浪盆地，冬季平均气温距平为-1. 28 ℃，最大为1. 26 ℃，冬季平均气温的年代际差异最大。表明上下游地区平均气温增幅对年平均气温的贡献最大季节并不相同。

3.2 气温年际变化趋势

近56年古浪河流域气温呈现出波动上升趋势，流域上游的乌鞘岭地区气温年际变化倾向率为0. 42 ℃·(10a)^-1，而下游的古浪盆地气温年际变化倾向率为0. 48 ℃·(10a)^-1，下游较上游地区气温增加幅度大(图 2 a、c)，以至于在1959—2014年乌鞘岭地区气温增加了约1 ℃，而下游的古浪盆地气温增加了1. 8 ℃。古浪河流域年平均气温上升速率明显高于西北地区的0. 32 ℃·(10a)^-1(赵传成等，2011)和河西走廊的0. 29 ℃·(10a)^-1(贾文雄等，2008)。然而，年平均最高气温的变化幅度上、下游相同，升温速率均为0. 29 ℃·(10a)^-1(图 2 b、e)，但月平均最低气温上、下游略微不同，其升温速率分别为0. 21 ℃·(10a)^-1和0. 42 ℃·(10a)^-1(图 2 c、f)。从空间上来看，下游的古浪盆地气温的增温趋势明显高于上游的乌鞘岭地区。

古浪河流域季节平均气温均呈现上升趋势，但增温空间分布并不完全一致(图 3)。上游的乌鞘岭地区春季、夏季、秋季和冬季平均气温的年际变化倾向率分别为0. 2、0. 36、0. 34和0. 26 ℃·(10a)^-1(图 3a、c、e、g)。该区近56年来夏季气温增幅最为显著，其次为秋季和冬季，春季增幅最小。下游的古浪盆地春季、夏季、秋季和冬季平均的年际变化倾向率分别为0. 29、0. 34、0. 42和0. 38 ℃·(10a)^-1，古浪河流域下游近56年秋季和冬季气温升温明显，夏季次之，春季最小(图 3b、d、f、h)。

总之，古浪河流域近56年来气温呈现显著上升，下游地区升温速率高于上游地区，上游的乌鞘岭地区夏季增温速率最大，下游的古浪河盆地秋季最大。古浪河流域上游和下游地区季节平均气温的差异一方面归因于古浪河流域地处河西走廊最东段，上游主要为山地，下游主要为走廊平原，地形差异较大，海拔梯度变化明显所致，另一方面由于下游地区城镇面积分布多于上游，植被覆盖面积较上游显著偏少，促使下游地区气温升高幅度高于上游地区。这一研究结果同贾文雄等(贾文雄等，2008)对河西走廊气温变化的研究结果一致。

4 古浪河流域气温的周期变化

由古浪河流域年平均气温，月平均最高和最低气温的小波周期变化(图 4)可以看出，近56年来，古浪河流域年平均气温序列在5年、11年和27年左右震荡强烈，经历了低温周期(蓝色部分)到高温周期(红色部分)的往复变化过程，在整个研究时段出现了6次明显的冷暖交替。其中11年左右时间尺度的能量最强，周期最显著，为主周期，27年和5年为次周期。无论是流域的上游还是下游，5年时间尺度的周期能量在90年代以前较90年以后弱，表明90年代左右流域气温发生变化，导致周期发生一定程度的改变。相比5年尺度的周期，11年和27年尺度的周期在整个研究时段19592014年表现的较为稳定，具有全域性。但从图 4d可以清楚地看出，流域下游的古浪盆地，27年尺度的周期能量强度与11年尺度的相差不大，表明下游地区除了11年尺度的显著周期变化外，27年尺度的周期变化也极为显著。上游的乌鞘岭地区27年左右的周期能量较弱，周期表现并不十分显著。月平均最高气温的周期变化与年平均气温的相似，显示出11年左右的主周期变化，5年和27年左右的次周期变化。整个流域月最高气温27年尺度的周期变化能量较强，和11年周期一样覆盖所有研究时段。月平均最低气温虽然也存在5年、11年和27年的周期，其中只有27年的周期在整个研究时段出现，但能量较弱(图 4c、f)。

古浪河流域各季节平均气温的周期变化并不相同。具体来讲，近50年古浪河上游春季平均气温存在5年、11年和22年的振荡周期;11年左右的周期能量最强，周期最显著，而22年左右的周期能量最弱，但这两个周期表现非常稳定，具有全域性(图 5); 5年尺度的周期变化仅在20世纪60~80年代期间表现较为稳定(图 5a)。上游夏季平均气温存在5年、13年和27年的周期变化，其中13年左右的周期能量最强，冷暖变化规律显著，在19592014年期间总共经历了6次完整的冷暖交替，属于主周期(图 5b); 秋季平均气温存在8年的主周期和27年的次周期(图 5c); 冬季平均气温以20世纪80年代为界，之前存在着4年和11年左右的周期变化，之后变为6年和18年左右的周期震荡(图 5d)。空间上而言，下游各季节平均气温的周期变化与上游相同季节的相似，只是下游各季节对应周期的各主周期能量更大，周期变化更显著(图 5e~h)。

5 气温的突变分析

通过M-K检验进行古浪河流域年平均气温突变分析，可以看出该流域无论是上游还是下游年平均气温在1959-2014年总体呈现上升趋势，其中1959-1985年时段气温在波动中有所下降，在1985年以后气温开始升高。气温突变点上游为1994年附近，而下游为1997年附近，上游和下游均在1998年左右UF高于1. 96，通过了0. 05水平的显著性检验，增温趋势显著(图 6a、d)。上游的乌鞘岭地区突变时间早于下游的古浪盆地，进一步证实了高海拔地区比低海拔地区对全球气候变化的反应更加敏感。月平均最高气温在1959-1969年处于该流域一个相对低值期，尤其是1967年之后的三年，UF值超过0. 05显著水平线，降温明显，并在1969年月平均最高气温达到近56年来的最低点; 1970-1997年最高气温上升幅度不大，1997年以后迅速增加，并在2005年左右发生突变(图 6b、e)。上游和下游月平均最低气温均在1985年左右发生突变，UF值分别与1987年和2002年超过了0. 05显著水平线，表明流域月最低气温增加明显，且下游地区的月最低气温的增温幅度高于上游(图 6c、f)。

通过对古浪河流域春季、夏季、秋季和冬季平均气温进行M-K检验，发现其变化趋势同年平均气温变化趋势基本一致，均为显著升高(图 7)。尽管各季节气温的变化趋势相似，但突变发生的时间差异较大。春季和夏季平均气温在2004年左右发生突变，只是春季平均气温的UF值基本没有通过0. 05水平的显著性检验，与夏季相比增温趋势不太明显(图 7a、b、e和f)。秋季平均气温上游于1989年和1993年发生突变，下游与1997年发生突变，2000年以后UF值均＞1. 96，表明流域秋季平均气温升温趋势显著(图 7c、g)。冬季平均气温在1985年左右发生突变，1991年以后UF值超过了0. 05显著水平线，表明古浪河流域冬季平均气温发生了突变性的上升(图 7d、h)。

6 结论

(1) 古浪河流域年平均，月平均最大和最小，季节平均温度均表现出明显的增加趋势。古浪河流域年平均气温升温速率高于西北地区和河西走廊。古浪河流域上游的乌鞘岭地区与下游的古浪盆地相比，月平均最高气温升温幅度相同，月平均最低气温升温幅度低于下游地区。就季节平均温度的变化而言，春季升温幅度最小; 上游升温幅度夏季最大，秋季次之; 而下游升温幅度秋季最大，冬季次之。总体来看，流域下游的古浪盆地增温幅度高于上游的乌鞘岭地区。

(2) 古浪河流域年平均气温存在11年尺度的主周期，5年和27年尺度的次周期，其中11年尺度的周期能量最强，周期最为显著。从空间来看，流域的上游和下游周期变化基本一致，只是在主周期的能量和强度下游地区高于上游地区。古浪河流域年平均气温突变点上游为1994年左右，游为1997年左右。无论年平均气温还是各季节平均气温，上游地区的突变发生时间普遍早于下游地区，进一步表明高海拔地区较低海拔地区对气候变化的响应更为敏感。

(3) 1959-2014年期间，古浪河流域气温的升高幅度明显高于全球和北半球同期平均水平，该区气温的增加主要是平均最低气温明显上升的结果。气候的增暖可能是自然和人为因素共同作用的结果。气候变化模型的模拟结果显示，20世纪气温的增加一定程度上是对增强的温室效应及其全球变化的响应。古浪河流域气温存在11年的主周期，这与太阳活动的10. 3~11. 2年周期近似，表明太阳活动及其辐射变化对研究区地表气温的变化存在影响。此外，城镇化、地表覆被的变化和人类活动排放的气溶胶等，也是促使该区气候变暖的因素。