高原气象  2018, Vol. 37 Issue (5): 1353-1363  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00031
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刘琼, 张小平, 张志斌, 等. 2018. 河西西部地区气候变化的时空特征分析[J]. 高原气象, 37(5): 1353-1363. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00031
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Liu Qiong, Zhang Xiaoping, Zhang Zhibin, et al. 2018. The Analysis of Spatiotemporal Climate Change in the Western Hexi Region[J]. Plateau Meteorology, 37(5): 1353-1363. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2018.00031.
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资助项目

国家自然科学基金项目(41161028)

通信作者

张小平(1967-), 女, 甘肃会宁人, 教授, 主要从事区域环境与生态产业等方面研究.E-mail:zxp_296@163.com

作者简介

刘琼(1993-), 女, 甘肃会宁人, 硕士研究生, 主要从事区域环境与生态经济等方面研究.E-mail:liuqiong_201612@163.com

文章历史

收稿日期: 2017-11-11
定稿日期: 2018-02-26
河西西部地区气候变化的时空特征分析
刘琼, 张小平, 张志斌, 张勃     
西北师范大学地理与环境科学学院, 甘肃 兰州 730070
摘要: 选取河西西部地区及周边14个站点1958-2013年的气温、降水、相对湿度和风速等气象数据,运用多元线性回归模型、反距离加权插值和Mann-Kendall等方法,对其时空变化规律进行了较为系统地分析。结果表明,平均气温呈持续上升趋势,年际倾向率为0.25℃·(10a)-1,以春季增温率最大,突变发生在1989年;空间上呈中部高、南北低的特点。降水量总体在波动中增加,年际倾向率为1.30 mm·(10a)-1,秋季降水增加的倾向率最大,其突变点不显著;空间分布上西北少、东南多。相对湿度波动中略有增加,年际倾向率为0.09%·(10a)-1,其中春季和夏季呈下降趋势,秋季和冬季则呈上升趋势,同时未发生明显突变;空间上自西向东呈增加趋势。平均风速变化阶段性显著,1985年前后发生明显的减小突变,突变前后均值相差0.56 m·s-1,各季节中冬季突变前后均值差值最大;空间上自北向南逐渐减小。
关键词: 河西西部地区    气候变化    年际倾向率    空间分布    
1 引言

气候变化对人类生存、经济社会发展有着极其深远的影响(Davson et al, 2008)。目前, 全球变暖已成为世界性的热点问题。IPCC第五次评估报告指出, 1880-2012年间, 全球地表平均气温升高了0.85 ℃左右, 近30年变暖幅度明显加快(沈永平等, 2013)。与全球相比, 中国气候变化趋势基本与之相同。地表气温近百年来升高0.5~0.8 ℃(尹云鹤等, 2009), 特别是20世纪80、90年代气温迅速上升(施雅风等, 2003), 西部地区气候的变暖程度则高出全国平均值(秦大河等, 2002)。施雅风等(2002, 2003)指出, 1987年前后西北地区由暖干向暖湿转型现象明显(王绍武等, 2002), 祁连山及其北侧中西段地区是气候转型的显著区之一。

河西西部地区位于阿尔金山、祁连山和马鬃山之间, 是典型的干旱地区, 区内降水稀少(陶健红等, 2016), 蒸发强烈, 生态环境脆弱。目前, 关于河西地区的气候研究已取得了不少成果(高振荣等, 2010; 靳生理等, 2012; 张克新等, 2014), 并发现其东、中、西部的气候变化模态不尽相同(贾文雄等, 2008; 孟秀敬等, 2012; 施雅风等, 2003)。相较于河西中、东部地区, 西部极端干旱事件发生频率高(曹立国等, 2014), 降水变率大且均匀度差(靳生理等, 2012; 杨建平等, 2001), 对气候变化响应尤为敏感, 然而这方面的研究还相对较少(刘晓云等, 2006)。因此, 本文以河西西部地区为研究对象, 利用各站点自有气象记录以来半个多世纪的气温、降水、相对湿度和风速数据, 从时间和空间两个角度对其变化特征进行较为全面地分析, 旨在揭示其气候变化规律, 为地方气象气候预测及政府决策提供参考。

2 研究区概况

河西西部地区地处甘肃省西北部, 介于92°45′E100°15′E, 38°19′N42°47′N之间, 共辖肃州、敦煌、玉门、瓜州、金塔、肃北和阿克塞7个县(市、区), 地势西南高、东北低。区内气候干旱少雨温差大, 大部分地区属于温带大陆性干旱气候。疏勒河以及讨赖河流经该区(焦金鱼等, 2013), 绿洲农业发达, 是全省重要的商品粮棉及瓜果蔬菜基地。

3 资料选取和方法介绍 3.1 资料选取

选取河西西部地区的瓜州、鼎新、敦煌、马鬃山、酒泉和玉门镇6个气象站点, 同时为使插值更加准确, 又增加了周边的红柳河、冷湖、大柴旦、德令哈、托勒、高台、张掖和吉诃德8个站点, 对14个气象站自1958-2013年的逐日气温、降水、相对湿度和风速数据进行气候时空变化的特征分析。所有数据均来源于中国气象科学数据共享服务网。

图 1 河西西部地区气象站点分布示意图 Figure 1 Distribution of meteorological stations in the Western Hexi Region
3.2 方法介绍 3.2.1 反距离加权插值法

反距离加权插值法IDW是通过已知的观测点与待求点欧氏距离的远近来确定已知观测点对待求点影响权重的一种加权求和计算方法, 是气象学中常用的一种插值方法(陈锋等, 2016)。具体来说就是在ArcGIS中对研究区的气温、降水、相对湿度及风速进行插值, 绘制各要素空间分布图, 进而对其气候的空间分布特征进行刻画。

3.2.2 基于多元线性回归模型的气温空间模拟法

在复杂的地理系统中, 各个要素之间相互影响、相互关联。由于气温受到经纬度及海拔等的影响, 为了能够更真实地反映气温的空间分布状况, 需建立气温和经纬度及海拔之间的多元线性回归模型, 即(戴声佩等, 2014; 王希强等, 2017):

$\mathit{\hat y = }{\mathit{b}_{\rm{0}}} + {b_{\rm{1}}}\mathit{\theta + }{\mathit{b}_{\rm{2}}}\mathit{\varphi + }{\mathit{b}_{\rm{3}}}\mathit{\lambda\;\;\;\;, } $ (1)

式中: θ为经度; φ为纬度; λ为海拔。将各站点气温、经纬度、海拔代入上式建模, 得:

${\mathit{\hat y}_\mathit{j}} = 90.872\;2 - 0.29\mathit{\theta - }{\rm{1}}{\rm{.172\;5}}\mathit{\varphi - }{\rm{0}}{\rm{.005\;4}}\lambda {\rm{\;\;\;\;}}, $ (2)

经统计检验, 复相关系数R=0.984, 置信水平P < 0.001, 达到建模要求, 可基于此进行气温空间插值。

3.2.3 Mann-kendall法

Mann-kendall法是一种非参数的统计检验方法, 其样本不需要遵从一定的分布, 亦不受少数异常值的干扰(刘维成等, 2017), 常用于确定气候突变年份(陈坤等, 2018), 主要优点是突变时间明确(王婷婷等, 2016)。本文给定显著性水平, 取α=0.05, 则临界值U0.05=±1.96, 如果UF(原气象序列)值大于0, 表明序列上升, 小于0则表示下降, 若超过临界值, 说明上升或下降趋势显著。当UFUB(反向气象序列)两条曲线出现交点, 并且交点介于两个临界值之间, 交点所对应的时间即为突变起始时间(张勃等, 2010)。

此外, 在进行气候变化趋势分析时, 还运用到一元线性回归和相关分析等方法。

4 结果与分析 4.1 气候的时间变化特征 4.1.1 气候的突变分析

对研究区内的4个气象要素进行Mann-Kendall检验(图 2)可知, 平均气温在20世纪80年代初表现为明显的上升趋势, 约在1989年发生突变, 突变年份早于西北气温突变5年(王鹏翔等, 2007)。年降水和平均相对湿度表现为波动变化, 突变点不显著。平均风速于1985年发生突变, 1991年UF超过了负临界值, 说明1985年是平均风速明显减少的突变点, 这与河西地区年平均风速突变点为1985年的结论一致(张克新等, 2014)。

图 2 Mann-kendall突变分析 Figure 2 The analysis of abrupt changes of climate
4.1.2 气温的时间变化特征

平均气温的年际倾向率为0.25 ℃·(10a)-1, 气温变化与年份的相关系数R=0.643 2, 且通过了P=0.001的置信度检验, 表明气温上升趋势显著[图 3(b)]。气温变化以20世纪70年代为转折点, 由降温转变为大幅升温, 但6080年代平均气温仍偏低, 1967年出现最低值, 为6.36 ℃, 1998年出现最高值, 为9.02 ℃。

图 3 1958-2013年间平均气温的年代际及年际变化趋势 Figure 3 Changing trends of the decadal and annual mean temperature from 1958 to 2013

四季的平均气温均有上升。春季的增温率最大[图 3(c)], 为0.29 ℃·(10a)-1, 20世纪60年代和70年代气温变动不大, 80年代出现了短暂的下降, 90年代以来上升趋势逐渐明显。夏季气温60年代和70年代呈下降趋势[图 3(d)], 80年代后期开始回升, 2010年出现最高气温, 为23.56 ℃。秋季升温幅度最小[图 3(e)], 年际倾向率为0.23 ℃·(10a)-1, 波动中缓慢上升。冬季气温增温率大于秋季[图 3(f)], 1967年出现最低值, 为-11.67 ℃。

4.1.3 降水的时间变化特征

降水量总体上波动增加[图 4(a), (b)], 年际倾向率为1.30 mm·(10a)-1。20世纪60年代是近56年来的最干旱期, 1965年降水最少, 为30.45 mm, 70年代较湿润, 1979年出现最高值, 为136.62 mm, 80年代之前降水年际变化较剧烈, 80年代后降水缓慢增加。对比气温回升时间发现, 气候转暖先于转湿。

图 4 1958-2013年间降水量的年代际及年际变化趋势 Figure 4 Changing trends of the decadal and annual precipitation from 1958 to 2013

从各季节降水量变化趋势来看, 春季降水呈减少趋势[图 4(c)], 夏、秋、冬季节呈增加趋势。其中, 夏季降水年际倾向率最小[图 4(d)], 19582000年降水量在平均值附近波动, 2000年以来降水增加较为明显, 夏季最高降水量为106.35 mm(1979年), 最低降水量为14.30 mm(2009年), 极差为92.05 mm。秋季降水年际倾向率最大[图 4(e)], 为1.01 mm·(10a)-1, 20世纪60年代和70年代降水增加缓慢, 80年代之后波动增大。冬季降水变化率仅小于秋季[图 4(f)], 2000年以来降水量增加更显著, 冬季最低值出现在2006年, 为0.20 mm。

4.1.4 相对湿度的时间变化特征

平均相对湿度上升幅度较小[图 5(b)], 但波动较大, 年际倾向率为0.09%·(10a)-1。20世纪60年代相对湿度呈升高趋势, 20世纪70年代至80年代中期呈下降趋势, 80年代后期开始上升, 90年代后期又呈波动下降趋势。最高值出现在1964年, 为47.32%, 最低值出现在2004年, 为38.80%。

图 5 1958-2013年间平均相对湿度的年代际及年际变化趋势 Figure 5 Changing trends of the decadal and annual mean relative humidity from 1958 to 2013

就各季节来看, 春季相对湿度虽在20世纪7090年代出现增加情况, 但整体呈下降趋势[图 5(c)]。夏季相对湿度在90年代之前缓慢增加, 90年代后开始减小, 总体呈下降趋势, 下降幅度比春季小[图 5(d)]。秋季相对湿度呈明显升高趋势[图 5(e)], 年际倾向率为0.61%·(10a)-1, 2000年以来波动增大。冬季相对湿度升高缓慢[图 5(f)], 20世纪70年代后升高趋势较明显, 其平均相对湿度是四季中最大的, 为50.27%。

4.1.5 风速的时间变化特征

平均风速的变化发生了明显的减小突变, 突变前后均值相差0.56 m·s-1[图 6(b)]。风速变化阶段性显著, 大致可分为三个阶段, 20世纪70年代中期之前呈增加趋势, 70年代整体偏高, 70年代后期到90年代风速下降趋势显著, 每10年减小0.67 m·s-1, 90年代开始又逐渐上升, 但变化率较小。最大平均风速为3.90 m·s-1(1970年), 最小风速为2.58 m·s-1(1992年和2003年), 极差1.32 m·s-1丛振涛等(2008)指出, 全国大部气温升高显著, 蒸发量却出现减少趋势, 存在“蒸发悖论”, 本区亦不例外, 由此推测风速大幅减少和相对湿度的增加可能导致了该区蒸发减少。

图 6 1958-2013年间平均风速的年代际及年际变化趋势 Figure 6 Changing trends of the decadal and annual mean wind speed from 1958 to 2013

各季节风速变化趋势与年平均风速较相似, 1985年前后发生了明显的减小突变, 且变化趋势经历了上升-迅速下降-缓慢上升三个阶段。其中, 春季多年平均风速3.55 m·s-1[图 6(c)], 为四季中最大, 突变前后均值相差0.58 m·s-1。夏季平均风速在第一、二阶段变化率均较大[图 6(d)]。秋季平均风速为四季中最小[图 6(e)], 仅2.80 m·s-1, 且突变前后差值亦为最小。冬季风速第一个上升阶段较其他季节持续时间更长, 下降阶段时间短, 突变前后差值为0.59 m·s-1[图 6(f)]。

4.2 气候的空间变化特征

平均气温的空间分布受区内海拔影响明显[图 7(a)], 基本呈现中部高, 南北低特点。中部平原区整体气温偏高, 敦煌市地处库姆塔格沙漠边缘, 昼夜温差大, 平均气温9.76 ℃, 为全区高温中心。北部地区气温相对较低, 马鬃山站平均气温仅3.96 ℃。南部阿尔金山边缘及祁连山北麓, 地势偏高, 气温明显低于全区其他地方, 除一些河谷地带, 平均气温基本为全区最低。研究区地处大陆深处, 整体降水稀少。年降水大致呈西北少、东南多的态势[图 7(b)]。敦煌市、瓜州县地理位置偏西, 毗邻沙漠, 气候干燥, 为少雨区。中部降水接近平均值, 东南部的酒泉站降水量最多。相对湿度大致呈现自西向东增加的趋势[图 7(c)]。西部阿尔金山地区相对湿度较低, 敦煌站和玉门站相对湿度则接近全区平均值, 东部的酒泉站为相对湿度高值区。平均风速大致自北向南逐渐减小[图 7(d)], 同时又存在一些峰值区。北山及马鬃山地区风速最大, 可达4.47 m·s-1, 中部的瓜州、玉门及鼎新地区风速接近全区平均值, 南部的酒泉站平均风速较小, 为2.22 m·s-1。敦煌站平均风速仅2.02 m·s-1, 形成低风速中心。

图 7 1958-2013年平均气温、降水、相对湿度和风速的空间变化 Figure 7 The spatial distribution of the mean temperature, precipitation, relative humidity and wind speed from 1958 to 2013
5 讨论

河西西部地区地处亚欧大陆深处, 是典型的干旱地区, 对气候变化响应敏感。对河西地区西部的气温、降水、相对湿度及风速的时空变化进行分析发现:

(1) 气温整体升高显著, 与全球变暖大背景一致, 增温率较全国年平均增温率高0.23 ℃·(10a)-1(许艳等, 2017), 比西北地区和河西地区分别低0.07 ℃·(10a)-1和0.02 ℃·(10a)-1(孟秀敬等, 2012; 赵传承等, 2011)。气温的突变年份比西北地区(1994年)和河西地区(1991年)分别早了5年和2年(高振荣等, 2010; 王鹏翔等, 2007), 说明该区对气候变化反应较为敏感。降水总体呈增加趋势, 且秋季降水增幅较大, 与河西地区年降水和季节降水的变化趋势一致, 但倾向率较整个河西地区低2.5 mm·(10a)-1(孟秀敬等, 2012)。河西西部地区气候转型存在季节差异, 夏、秋、冬季朝暖湿化趋势发展, 而春季朝着暖干化方向发展, 夏、秋、冬季降水量的增加抵消了春季降水的减少, 使得全区整体朝着暖湿趋势发展, 这与刘洪兰等(2013)提出的中国西部气候转型存在季节差异的结论相一致。

(2) 气温在空间分布上受地形影响较明显, 研究区南依阿尔金山和祁连山脉, 北有马鬃山, 祁连山西段海拔3 000 m以上, 与中部平原区相差1 000 m以上(张强等, 2007), 南部气温明显低于中北部, 而北部受马鬃山的影响, 温度又低于中部, 海拔高低的差异是气温形成中部>北部>南部分布格局的主要原因。河西西部主要受西风带气流控制(贾文雄, 2012), 总体降水稀少, 夏季东亚季风和南亚季风边缘可到达酒泉、托勒一带, 又因夏季降水对全年降水量贡献率最大, 所以该区东南边界年降水相对较多, 并且向西北逐渐递减。祁连山和马鬃山间的地区, 地势平坦, 形成东西方向空气流通的通道, 在狭管效应的作用下风力增大(王兴等, 2012), 而敦煌处于狭管外, 地形开阔, 狭管效应减小, 风速变小(邓国卫等, 2010), 形成相对于周围地区的低风速中心。

6 结论

通过对河西西部地区近56年来主要气象要素的综合分析, 得到以下主要结论:

(1) 在时间上, 气温呈显著上升趋势, 年际倾向率为0.25 ℃·(10a)-1。各季平均气温均表现为上升趋势, 且春季增温率最大, 秋季最小。平均气温在1989年发生了明显的突变增加。降水量总体趋势为上升, 年际倾向率为1.30 mm·(10a)-1。各季节的降水量变化趋势中春季呈下降趋势, 夏、秋、冬季呈上升趋势。其中, 秋季上升幅度最大, 年际倾向率为1.01 mm·(10a)-1。相对湿度波动中略有上升, 年际倾向率为0.09%·(10a)-1。就各季节来看, 春季和夏季的平均相对湿度呈下降趋势, 秋季和冬季呈上升趋势。风速变化阶段性显著, 1985年前后发生明显的减小突变, 突变前后均值相差0.56 m·s-1。四季平均风速变化趋势与年平均风速较相似, 都经历了上升-迅速下降-缓慢上升三个阶段。其中冬季风速突变前后均值差值最大, 秋季最小。

(2) 在空间上, 受海拔影响气温区域差异较为明显, 呈现中部高, 南北低分布格局。降水表现为西北少、东南多的分布态势。相对湿度空间分布大致呈现自西向东增加的趋势。平均风速在空间上自北向南逐渐减小, 变化趋势较为明显。

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The Analysis of Spatiotemporal Climate Change in the Western Hexi Region
LIU Qiong , ZHANG Xiaoping , ZHANG Zhibin , ZHANG Bo     
College of Geography and Environment Science, Northwest Normal University, Lanzhou 730070, Gansu, China
Abstract: Climate change has become a hot issue in the world, which has a profound impact on human survival, economic and social development. This paper is concerned with the spatiotemporal climate change of the western Hexi Region. The spatiotemporal characteristics of temperature, precipitation, relative humidity and wind speed in the western Hexi Region were systematically analyzed by multiple linear regression model, the methods of inverse distance weighted interpolation and Mann-Kendall abrupt change test, based on the data collected from 14 meteorological stations from 1958 to 2013. It aims to reveal the laws of climate change and provide theoretical references for local government making related policies. The results showed that from the time point of view, there is a significant increasing trend in temperature and the inter-annual rate of change is 0.25℃·(10a)-1. The average temperature of each season shows a same trend and the trend of spring is the most evident. It can be found that the abrupt change of temperature is mainly detected in 1989. From the space point of view, the average temperature is high in midland and low in the north and south. The analysis leaded us to the conclusion that the precipitation is also in an increasing trend and its inter-annual rate of change is 1.30 mm·(10a)-1. Concretely, there is a downward trend in spring while there are opposite trends in summer, autumn as well as winter and the change rate of autumn is more obvious than others. From Mann-Kendall abrupt change test of the study area, it is found that there is no significant abrupt change in precipitation. The spatial variation of precipitation is distinct and the precipitation of northwest is low while southeast is high. Temporal analysis revealed that the annual average relative humidity slightly increases in fluctuation from 1958 to 2013. At the same time it decreases in spring and summer while increases in autumn and winter. The relative humidity indicated that there is an ascending tendency from west to east in space. The change of wind speed shows obvious stage. The Data analysis demonstrated that the abrupt change occurred around 1985 and the trend was more evident after 1991. After abrupt change, the mean is 0.56 m·s-1 that lower than before the abrupt change. The change trends of the average wind speed in the four seasons are similar to the trend of the annual average wind speed, all of which have gone through the three stages that are rising, falling rapidly and rising slowly. Compared to other seasons, the difference in the mean value of winter is significant higher. The average wind speed has a descending tendency from north to south.
Key words: Western Hexi Region    climate change    inter-annual change rate    spatial distribution