1961-2010年白龙江流域气温和降水量变化特征研究

张晓晓, 张 钰, 徐浩杰

(兰州大学 资源环境学院, 兰州 730000)

1961-2010年白龙江流域气温和降水量变化特征研究

张晓晓, 张 钰, 徐浩杰

(兰州大学 资源环境学院, 兰州 730000)

以1961—2010年白龙江流域气温和降水量资料为基础，综合运用线性趋势分析、多项式回归、Mann-Kendall趋势性检测和突变分析、复Morlet小波分析和R/S分析等数理统计方法，在季节和年际尺度上研究了气温和降水量的趋势性、波动性、突变性、周期性和持续性。结果表明：在研究时段内四季和年平均气温均呈显著上升趋势，20世纪80年代中期之前升温缓慢，90年代以来升温速率明显加快并发生暖突变。年降水量呈“多—少—多—少”的波动变化，整体微弱减少。春季和冬季降水量分别呈“多—少—多”和“少—多—少”变化，整体微弱增加。夏季和秋季分别呈“多—少—多—少”和“多—少”变化，整体微弱减少。气温和降水量存在7，11，22 a左右的准周期变化。未来一段时间内，四季和年平均气温将可能继续升高，夏季和冬季降水量将可能增加，而春季、秋季和年降水量将可能减少。

白龙江; 气候变化; 趋势; 突变; 周期

气候是自然环境的重要组成部分，其变化对人类生存、经济社会发展等将产生极其深远的影响。近百年来全球气候正经历以变暖为主要特征的显著变化，自1860年以来全球地表温度升高了0.74℃，变暖幅度自20世纪90年代以来明显加速，未来100 a全球气温可能升高1.1～6.4℃[1]。伴随气温的显著变化，全球降水量的时空变化格局亦发生明显改变，热带地区和高纬度地区降水量趋于增多，副热带地区降水量趋于减少[2]。在全球气候变化背景下，我国气候也发生了显著而深刻的变化。近百年来我国地表温度气温升高约0.5～0.8℃，略高于同期全球升温幅度平均值，且近50 a来增暖尤为明显[3]。于此同时，我国年降水量呈微弱减少趋势，其中西部地区(特别是西北地区)降水量增加趋势明显，而西南地区降水量呈一定的减少趋势[4]。

在大气环流控制下，受地形、自然条件、人类活动的影响，气候变化存在时空异质性，加强区域气候变化研究，对于评估区域气候变化现状、原因及其影响，指导区域经济社会和生态环境的可持续发展具有重要意义[5]。白龙江流域地处青藏高原与川西北高原交错带，是中国西部亚热带和暖温带的分界线。受地形和气候变化影响，区域生态环境脆弱，自然灾害频发，气候系统的稳定性严重影响着该区经济社会发展和生态环境保护[6]。白龙江流域气温变化20世纪80年代之前趋势不明显，80年代至90年代之间波动明显，呈下降趋势，90年代中后期气温年际变化呈显著上升趋势，增温率以冬季最大[7-8]。降水量年际变化90年代中期之前上下波动趋势不显著，90年代中期以后呈下降趋势，并以夏季降水量递减为主[7-8]。白龙江流域径流受气候变化和人类活动影响，年际变化趋势逐步减少[8]。目前关于白龙江流域气候变化的研究较少，且多集中于气象站点尺度的分析。由于研究内气象站点分布稀少且空间分布不均匀，若干站点平均结果难以准确反映研究区气温和降水量的整体变化情况。因此本文基于1961—2010年白龙江流域气象站点资料，对气温和降水量进行空间插值并计算流域气温和降水量的空间平均值，对其季节和年际变化特征进行线性趋势分析、平滑预测分析、周期性分析、突变分析和持续性分析，以揭示气温和降水量的变化特征，对理解气候过渡带气候变化过程具有重要意义，可服务于该区经济社会发展和自然灾害预警等诸多方面。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

白龙江属长江二级支流，嘉陵江一级支流，河流全长535 km，流域面积32 810 km2，发源于甘肃省碌曲县与四川省若尔盖县交界的郎木寺乡，向东流经碌曲、若尔盖、迭部、舟曲、宕昌、武都、文县、青川及广元9个县(市)，于昭化县旧城北部汇入嘉陵江，主要支流包括岷江、白水江、达拉河、大团峪河、拱坝河和清江河。白龙江流域位于秦巴山地西部，青藏高原东缘，横跨甘肃和四川两省，受构造运动和流水侵蚀作用影响，该区多高山峡谷地貌，地貌类型包括山地、丘陵和盆地，地理位置介于102°31′—105°45′E，32°10′—34°23′N，海拔介于450～4 900 m，相对高差1 000～2 000 m，地势由西北向东南递减。白龙江流域气候类型复杂多样，具有明显的季风气候特征。武都水文站(104°55′E，33°24′N)以上流域为白龙江上游，属温带湿润气候区。武都至碧口水文站(105°15′E，32°45′N)流域为白龙江中游，属暖温带湿润气候区。碧口水文站以下流域为白龙江下游，属于北亚热带湿润气候区。流域年平均温度约8～10℃，年降水量约500～900 mm，由东南向西北递减，4—9月降水量约占全年降水量的85%，多为强降水形式。

1.2 数据来源与研究方法

选取1961—2010年白龙江流域及其周边区域20个气象站(连续观测且未迁站)的月平均气温和月降水量数据，具体包括玛曲、碌曲、临潭、卓尼、岷县、郎木寺、迭部、宕昌、若尔盖、礼县、西和、成县、武都、南坪、文县、康县、平武、青川、广元、剑阁。由于研究内气象站点分布稀少且空间分布不均匀，站点平均结果难以准确反映研究区气温和降水量的整体变化情况。本文根据各气象站点的经度、纬度、海拔信息，逐年逐月对各气象站点气温(降水量)和经度、纬度、海拔进行多元线性回归，并对残差值(真实值与拟合值之差)进行样条插值，得到时空分辨率为月与1 km的气象栅格数据[9]。运用ArcGIS空间统计模块，逐年逐月统计白龙江流域气温和降水量的空间平均值(研究区内若干栅格数据平均值)。采用交叉检验法，以误差平均值和误差标准差为指标，对插值前后的数据进行t检验，结果表明在99%的置信度下绝大部分数据的显著性概率均大于0.01，插值结果可靠。

按照3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月—翌年2月为冬季进行季节划分，研究白龙江流域气温和降水量的季节变化特征。运用线性回归和6次多项式拟合法，研究气温和降水量的多年变化趋势及年际波动规律。运用Mann-Kendall(MK)法[10]和滑动t检验法[11]研究气温和降水量变化趋势的显著性及其突变性。运用复Morlet小波分析[12]研究气温和降水量的周期变化。为了反映各准周期的显著性，本文采用0.05信度红/白噪声标准谱进行检验[13]。运用R/S分析法[14]预测气温和降水量在未来一段时间内可能的变化趋势。

1.2.1 Mann-Kendall法 当时间序列x1，x2，…，xn相互独立并具有相同连续分布时，定义统计量：

(1)

式中：k=2,…,n；n——样本数；UFk——MK统计量，且UF1=0；秩序列Sk——第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数；E(Sk)和var(Sk)——累计数Sk的均值和方差。

利用MK统计值进行趋势显著性检验时，通过两尾检验于正态分布表中查出一定显著性水平下的临界检验值u(u0.05=±1.96，u0.01=±2.57 )。当MK统计值大于临界检验值时，认为时间序列变化趋势显著，同时MK统计值为正时表示序列呈上升趋势，否则呈下降趋势。MK统计值的绝对值越大，表明序列变化趋势越显著。将时间序列逆序，再重复MK计算过程，得到逆序列MK统计值UBk。在UFk曲线超过临界值的前提下，若2组统计值仅有1个交叉点且位于临界值之间，这点便是突变点的开始。若交叉点位于临界值之外，或者是存在多个明显的交叉点，则不确定是否为突变点，需利用其它方法检测突变点显著性。

1.2.2 Morlet小波分析法 对于时间序列f(t)，Morlet小波分析的母函数为：

ψ(t)=π-1/4eiω0te-t2/2

(2)

式中：ω0是角频率，取ω0=6。

离散小波变换公式：

(3)

式(3)中：“*”——复共轭；a——尺度因子(与周期和频率有关)；b——平移因子(时间位置)；Wf(a,b)——小波系数；δt为资料序列时间间隔。

小波方差为：

Wp(a)=Wf(a,b)2

(4)

在一定的时间尺度下，小波方差表示时间序列在该尺度中周期波动的强弱，小波方差随尺度的变化过程能反映时间序列中所包含的各种时间尺度及其强弱随尺度的变化特征，对应峰值处的尺度即为该序列的准周期。

1.2.3R/S分析法 给定一时间序列Xi(i=1,2,…,n)，对于任意正整数n，定义均值序列：

(5)

累积离差序列：

(6)

极差序列：

Rξ=maxYξ-minYξ(ξ=1,2,…,n)

(7)

标准差序列：

(8)

(9)

则表明所分析的时间序列存在Hurst现象，H称为Hurst指数。若0.5

2 结果与分析

2.1 气温和降水量的年际变化特征

白龙江流域多年平均气温为8.85℃。从年平均气温的线性变化趋势来看(图1)，1961—2010年年平均气温呈极显著上升趋势，年际变化率为+0.197℃/10a，且在未来一段时间内增温还将持续(表1)。多项式函数拟合的年平均气温曲线显示，1961—1985年气温多年平均值为8.59℃，与整个研究时段相比处于低温期，且呈微弱下降趋势，年际变化率为-0.046℃/10a，其年际波动呈“降低(1961—1965)—升高(1966—1972)—降低(1973—1985年)”变化。1985年以后，气温急剧上升，年际变化率为+0.374℃/10a，1986—2010年的年平均气温较1961—1985年偏高0.52℃。从气温的年代际变化来看(图1)，20世纪60年代平均气温最低，70年代和80年代基本相当且增温缓慢，90年代以后气温快速升高，21世纪以来升温速率进一步加快，其平均气温较60年代偏高0.84℃。

图1 年平均气温的年际变化

从气温的季节变化来看(图2)，春季平均气温在1961—1988年呈先升高(1961—1967年)再降低(1968—1988年)的波动变化，1988年以后气温快速上升，2007年以后出现一定回落。夏季平均气温在1961—1986年呈“降低(1961—1965年)—升高(1966—1972年)—降低(1973—1985年)”的波动变化，1986年以后气温快速升高，2001年以后趋于平稳。秋季平均气温除在上世纪60年代中期以前出现短暂降温以外，其余时间段均呈上升趋势。冬季平均气温在整个研究时段内均呈上升趋势。从气温的线性变化趋势及显著性来看(图2和表1)，冬季升温速率最快，其次是秋季、夏季和春季，其年际变化率分别为+0.335，+0.165，+0.158，+0.127℃/10a。冬季气温变化趋势最为显著，其次是夏季、秋季和春季。从四季气温的Hurst指数来看，未来一段时间内四季气温仍将可能显著上升(表1)。四季气温的年代际变化结果表明，四季平均气温自1990s以来快速增加，春季、夏季、秋季和冬季平均气温分别在1980s，1980s，1970s和1960s最低，春季、夏季、秋季和冬季平均气温在2000s最高(表2)。

图2 四季平均气温的年际变化表1 气温变化趋势定量检验与预测

气温Mann-Kendall秩次相关系数M值趋势Mα=0.05Mα=0.01显著性Hurst指数未来趋势春季2.1665升高±1.96±2.57显著0.7271升高夏季2.9026升高±1.96±2.57极显著0.6904升高秋季2.5346升高±1.96±2.57显著0.6402升高冬季4.2577升高±1.96±2.57极显著0.7383升高全年4.3916升高±1.96±2.57极显著0.8252升高

白龙江流域降水量的多年平均值为684.5 mm。从年降水量的线性变化趋势来看(图3)，1961—2010年白龙江流域降水量呈微弱减少趋势，其年际变化率为-9.7 mm/10 a，且减少趋势在未来一段时间内还将持续(表3)。降水量在上世纪60年代偏多，70年代偏少，80年代有所回升，90年代和2000年以来再次偏少(表2)。多项式函数拟合的年降水量曲线显示，白龙江流域年降水量经历了“多—少—多—少”的波动变化。1961—1964年降水量整体偏多；1965—1973年降水量整体偏少，在1967年出现降水高值，在1965年出现降水低值；1974—1989年降水量整体偏多，在1981年出现降水量高值，在1986年、1987年出现降水低值；1990—2010降水量整体偏少，在1998年、2003年和2005年出现降水量高值，在1997年、2002年、2006年出现降水量低值。

图3 年降水量的年际变化

从降水量的季节变化来看(图4)，春季、夏季、秋季、冬季降水量分别约占全年降水量的21.46%，52.06%，24.35%和2.13%。春季降水量在1961—1978年偏多，1979—1995年偏少，1996—2010年再次偏多，在1967年、1973年出现降水高值，在1962年、1979年出现降水低值。夏季降水量的年际波动形式与年降水量十分一致，表明夏季降水量对年降水量影响显著。秋季降水量在1961—1983年偏多，1984—2010年偏少，在1967，1975，1978年出现降水高值，在1972，1976，1987年出现降水低值。冬季降水量在1961—1982年偏少，1983—2005年偏多，2006—2010年再次偏少，在1990，1991，1994年出现降水高值，在1987，1999，2010年出现降水低值。从降水量的线性变化趋势及显著性来看，春季和冬季降水量呈微弱上升趋势，其年际变化率分别为+1.31，+0.8 mm/10 a，夏季和秋季降水量呈微弱下降趋势，其年际变化率为-5.1，-6.8 mm/10 a，春季降水量增加幅度最大，秋季降水量减少幅度最大。从四季降水量的Hurst指数来看，未来一段时间内春季、秋季和年降水量将可能呈减少趋势，夏季和冬季降水量将可能呈增加趋势(表2)。

表3表示气温和降水量的年代际变化，从表3可以看出，四季降水量的年代际变化结果表明，春季降水量在1990s最低，2000s最高；夏季降水量在2000s最低，1980s最高；秋季降水量在1990s最低，1960s最高；冬季降水量在1970s最低，1990s最高。

图4 四季降水量的年际变化表2 降水量变化趋势定量检验与预测

降水量Mann-Kendall秩次相关系数M值趋势Mα=0.05Mα=0.01显著性Hurst指数未来趋势春季0.5939增加±1.96±2.57不显著0.2069减少夏季-0.6943减少±1.96±2.57不显著0.4587增加秋季-1.7315减少±1.96±2.57不显著0.5960减少冬季1.4973增加±1.96±2.57不显著0.5907增加全年-0.9787减少±1.96±2.57不显著0.5173减少

表3 气温和降水量的年代际变化

2.2 气温和降水量的突变特征

从气温和降水量Mann-Kendall突变检测结果来看(图5)，四季和年平均气温的正序列曲线分别在2008年、2003年、2006年、1990年和2000年左右超过显著性为0.05的置信度曲线，同时在置信度曲线区间内仅存在一个交叉点，表明春季、夏季、秋季、冬季、年平均气温分别在2002年、1993年、1994年、1990年、1996年发生暖突变。四季和年降水量在置信度曲线区间内存在多个交叉点，运用5年滑动t检验对交叉点进行显著性为0.05的置信度检验，结果表明在研究时段内除冬季降水量在1972年发生由少到多的显著性突变外，其余时段降水量不存在显著突变特征。

图5 气温和降水量的Mann-Kendall突变分析

2.3气温和降水量的周期变化特征

气温和降水量小波方差显著性检验结果表明气温和降水量不存在显著变化周期，仅存在准周期(图6)，其中春季平均气温准周期为11 a，夏季平均气温准周期为13 a，此外6～8 a的周期也比较明显，秋季平均气温准周期为8 a，冬季平均气温准周期为11 a，此外6 a和22 a周期也较为明显，年平均气温准周期为12 a，其次还存在一个6 a左右的次级周期。春季降水量准周期为7 a，夏季降水量准周期为25 a，此外还存在6 a和15 a左右的次级周期，秋季降水量准周期为13 a，次级周期为6 a，冬季和年降水量准周期分别为18 a和25 a，同时也存在6～8 a的小周期。

图6 气温和降水量的Morlet小波方差

3 结论与讨论

通过对白龙江流域1961—2010年气温和降水量的变化特征分析，气温呈显著上升趋势，降水量总体呈波动变化，但有微弱减少趋势，总体气候趋于暖干，对全球变化响应明显。

(1) 白龙江流域年平均气温上升趋势显著，年际变化率为0.197℃/10 a，其中1961—1985年气温呈微弱下降趋势，1985年以后气温急剧上升，并在1996年左右发生暖突变，突变后升温速率进一步加快。从年平均气温的年代际变化来看，20世纪60年代平均气温最低，70年代和80年代基本相当且增温缓慢，90年代以后气温快速升高，21世纪以来升温速率进一步加快。四季平均气温均呈显著上升趋势，冬季升温速率最快，其次是秋季、夏季和春季，其年际变化率分别为0.335，0.165，0.158，0.127℃/10 a。春季、夏季、秋季、冬季平均气温分别在2002年、1993年、1994年、1990年发生暖突变。四季平均气温分别在1980s、1980s、1970s和1960s最低，在2000s最高。

(2) 白龙江流域年降水量线性变化趋势不明显，但有微弱减少趋势，年际变化率为-9.7 mm/10 a。年降水量经历了“多—少—多—少”的波动变化。1961—1964年降水量整体偏多；1965—1973年降水量整体偏少，在1967年出现降水高值，在1965年出现降水低值；1974—1989年降水量整体偏多，在1981年出现降水量高值，在1986年、1987年出现降水低值；1990—2010降水量整体偏少，在1998年、2003年和2005年出现降水量高值，在1997年、2002年、2006年出现降水量低值。春季和冬季降水量呈微弱增加趋势，夏季和秋季降水量呈微弱减少趋势。春季降水量在1990s最低，2000s最高；夏季降水量在2000s最低，1980s最高；秋季降水量在1990s最低，1960s最高；冬季降水量在1970s最低，1990s最高，且在1972年发生由少到多的显著突变。

(3) 白龙江流域气温主要存在8 a、11～13 a和22 a左右的准周期，降水量主要存在7 a、13～18 a和25 a左右的准周期。

(4) 未来一段时间内，白龙江流域四季和年平均气温仍将可能继续升高，夏季和冬季降水量将可能微弱增加，而春季、秋季和年降水量将可能微弱减少。

近50 a来白龙江流域气温显著升高，降水量微弱减少，这在一定程度上加剧了白龙江流域的暖干化发展态势，将影响到区域的经济发展、生态与环境等诸多方面，首先是水资源，干旱化趋势引起地表径流减少，将进一步影响区域的水资源配置与工农业生产[15]。其次，气候变暖使该区生态环境发生着变化[16]，气候变暖使蒸腾蒸发量增大，降水变率增大，极端降水事件(旱涝灾害)的频率和强度增加，自然灾害发生的可能性进一步增加[17]。

；

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VariationCharacteristicsofTemperatureandPrecipitationintheBailongRiverBasinduring1961-2010

ZHANG Xiao-xiao, ZHANG Yu, XU Hao-jie

(CollegeofEarthandEnvironmentalSciences,LanzhouUniversity,Lanzhou730000,China)

Based on temperature and precipitation datasets in the Bailong River basin during 1961—2010, the seasonal and inter-annual variation characteristics including tendency, fluctuation, mutation, period and persistence of temperature and precipitation were analyzed by using linear tendency and polynomial regression model, Mann-Kendall test, complex Morlet wavelet and R/S analysis. The results showed that the seasonal and annual mean temperature had a significant increasing trend during 1961—2010; the weak warming trend was detected before mid-1980s; the increasing rate of temperature was accelerated after a warming mutation in 1990s; the annual precipitation mainly experienced ‘high—low—high—low’ fluctuations. The seasonal precipitation had similar fluctuations except for the winter. The precipitation increased weakly in the spring and winter, while decreased insignificantly in the summer, autumn and year. The temperature and precipitation had periodic variation of 7, 11, 22 a.The potential trend of seasonal and annual mean temperature would persistent. The precipitation in the summer and winter will increase, but decrease in the spring, autumn and year in the near future.

Bailong River; climate change; tendency; mutation; period

2013-09-12

：2013-10-03

国家自然科学基金项目“黑河上游土壤水文异质性观测试验及其对山区水文过程的影响”(91125010)

张晓晓(1988—),女,黑龙江齐齐哈尔人,硕士研究生,主要研究方向为工程水文学。E-mail:xxzhang2011@lzu.edu.cn

张钰(1963—),男,甘肃平凉人,博士,副教授,主要研究方向为水资源规划论证评价和水土保持。E-mail:gszhangyu@126.com

P467

：A

：1005-3409(2014)04-0238-08