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西北极端干旱区近54年降水量和温度变化趋势

2015-05-05毕超单楠毕华兴

中国水土保持科学 2015年3期
关键词:干旱区低值距平

毕超,单楠,毕华兴†

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.中国林业科学研究院荒漠化研究所,100091,北京)

西北极端干旱区近54年降水量和温度变化趋势

毕超1,单楠2,毕华兴1†

(1.北京林业大学水土保持学院,100083,北京;2.中国林业科学研究院荒漠化研究所,100091,北京)

利用西北极端干旱区32个气象站点1960—2013年的月均气温和降水资料,采用线性倾向率法、累积距平法和Mann-Kendall法,研究西北极端干旱区近54年降水量和温度的变化趋势。结果表明:1)54年来,西北极端干旱区平均气温9.3 ℃,30站表现为显著上升趋势,上升倾向率达到0.034 ℃/a(P<0.01),且冬季和春季增温幅度大于夏季和秋季,在空间上,西部塔里木盆地为高值区,东南部为低值区;2)西北极端干旱区平均年降水量55.35 mm,29站表现为增加趋势,其中11站通过了0.01水平的显著性检验,倾向率为0.346 mm/a(P<0.01),夏季增加幅度最大,春季最小,在空间上,西北部和东部为高值区、南部为低值区。研究结果表明,近54年西北极端干旱区总体气候呈现明显的暖湿化趋势。

气候变化; 气温; 降水量; 西北极端干旱区

图1 极端干旱区气象站点分布图Fig.1 Distribution of meteorological stations in the extremely arid area

目前,气候变化是全球环境变化研究的核心问题,受到各国政府和科学家的普遍关注。全球气候变化不仅影响自然系统和人类生存环境,也影响世界经济发展和社会进步[1]。近百年来,以全球变暖为主要特征的气候变化已成为事实[2],变暖趋势区域分布上的不确定性对区域气候产生的影响不同;因此,了解区域气候特征结构对理解全球变化趋势有着重要的理论意义。作为中国最大的增温区之一,中国西北干旱地区对气候变化具有更加突出的脆弱性[3],地气耦合最强烈[4],并且全球变暖驱动了复杂的水循环变化,改变了区域水量平衡和水资源分布,进而加重了该区域的干旱化程度和恶劣的自然环境。施雅风等[5]研究表明,我国半干旱和干旱区气候由暖干向暖湿化发展,水循环加快,降水量和蒸发量增加。张延伟等[6]利用新疆近50年的降水量和气温数据分析发现,新疆存在降水量增多和气温上升的趋势,暖湿化现象明显,北大西洋涛动对该地区气温变化影响显著。任朝霞等[7]对西北干旱区近50年气候变化研究结果表明,温度降水量增加,极端气候事件减少对农业有有利影响。中国西北部的极干旱区,植被稀疏,沙漠分布广泛,是对全球气候变化响应的敏感地带[8],研究该区域气候变化特征对改善生态环境和经济生产状况具有重要意义。

为探究在全球气候变化背景下的区域气候响应,笔者以中国西北极端干旱区内主要气象站点54年来的月均气温和降水量数据为基础资料,采用线性倾向估计、累计距平曲线和Mann-Kendall检验等方法,通过探讨极端干旱区气候变化特征,提高对极端干旱区气候变化规律的认识,为深入了解全球变暖对区域气候影响,研究干旱区陆气相互作用机制和预测干旱化趋势提供参考。

1 研究区概况

中国极端干旱区位于亚欧大陆的中心地区,主要包括新疆南部、青海和甘肃北部。西部为塔里木盆地,东部为柴达木盆地和祁连山山脉。年降水量50 mm左右,年干燥度大于16,植物主要为戈壁藜(Iljiniaregelii(Bunge) Korov.)、合头草(SympegmaregeliiBunge)等荒漠植被。

2 数据与方法

2.1 数据来源

为保证数据的一致性和时间序列的连续性,选取中国西北极端干旱区内的32个气象站(图1)1960—2013年观测的月均气温和降水量数据(资料来源于中国气象科学数据共享服务网http:∥cdc.cma.gov.cn),个别缺失数据采用相邻站点插值补齐,分别统计春季(3—5月),夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—翌年2月)及年平均气温和降水量。

2.2 研究方法

1)一元线性趋势分析。气象要素的时间序列趋势变化一般采用一元线性回归模型描述,即

xi=a+bti(i=1,2,…,n)。

(1)

式中:x为气象要素序列;t为时间序列(1960—2013年);a为回归常数;b为线性趋势项,b>0时,说明x随时间t呈上升趋势,反之则呈下降趋势,10b即为气候要素每10年的气候倾向率[9],可定量分析气候要素变化的线性趋势。

2)累积距平分析。累积距平是一种由曲线直观判断变化趋势的常用方法[10]。对于气象要素序列x,其某一时刻t的累积距平X可表示为

(2)

当距平值下降时,累积距平曲线呈下降趋势;当距平值增加时,累积距平曲线呈上升趋势。

3)Mann-Kendall趋势分析。用Mann-Kendall非参数趋势检验监测气象要素的长期变化趋势,其优点是不必假定数据的分布特征,允许序列有极端值和缺失值等[11-12],在气象领域中应用广泛。Mann-Kendall检验统计值Z可定义为

图2 1960—2013年气温和降水量年均值空间分布图Fig.2 Spatial distribution of average annual temperature and precipitation during 1960—2013

(3)

其中

(4)

式中:S为用于检验的统计量;xi、xj为假设检验的随机变量;N为数据系列的长度。

在双边趋势检验中,对于给定的置信水平α,当|Z|

3 结果与分析

3.1 气温和降水量空间特征

3.1.1 年均气温和降水量的空间分布 1960—2013年西北极端干旱区多年平均气温和降水量的空间分布见图2。可以看出,各站点气温年均值在2.11~14.64 ℃之间,均值为9.30 ℃,区域差异比较明显。研究区西部的塔里木盆地周边为高值区,其中吐鲁番和和田最高,分别为14.64和12.77 ℃,东南部为低值区,其中巴里坤、茫崖和冷湖最低,分别为2.11、2.65和2.96 ℃。降水量年均值在15.03~220.28 mm之间,均值为55.35 mm,研究区西北部和东部为降水量高值区,巴里坤和拜城2站最高,年均降水量分别为220.28和119.10 mm,降水量低的站点分布较分散,主要位于研究区南部,其中吐鲁番和冷湖最低,分别为15.03和16.75 mm。

图3 1960—2013年气温和降水量多年季节均值空间分布图Fig.3 Spatial distribution of average seasonal temperature and precipitation in extremely arid area during 1960—2013

3.1.2 季节气温和降水量的空间分布 西北极端干旱区气温多年均值空间分布季节变化如图3所示。可以看出,春季和冬季气温的空间分布与年气温相似,高值区位于研究区西部的塔里木盆地,低值区位于研究区东部,年均值分别为12.00和-5.70 ℃,而夏季和秋季,多年季节均值分别为23.06和8.66 ℃,最高的站点均为吐鲁番,而最低的站点夏季为茫崖,为14.38 ℃,秋季为冷湖,为2.29 ℃。对于降水量来说,夏季和秋季空间分布与年趋势相似,除了南部为低值区外,其他地方均相对较高,夏季位于研究区东北部的巴里坤,年均降水量最多,为118.24 mm,位于北部的吐鲁番最小,为6.90 mm,秋季仍是巴里坤降水量最多,为45.71 mm,位于西南部的且末最小,为1.21 mm。春季降水量高值区主要位于研究区西部和东南部,在2.03~44.14 mm之间波动,最低的站为格尔木,最高的站为巴里坤。冬季只有西部的部分站点位于高值区内,其他大部分站点则位于低值区内,降水量最小的站点为位于研究区东部的额济纳,为0.66 mm,最大的站点仍为巴里坤,为12.15 mm。

3.2 气温和降水量时间特征

3.2.1 气温和降水量多年变化 1960—2013年中国西北极端干旱区年均气温呈现明显的上升趋势(图4),上升倾向率10 a为0.34 ℃,明显高于全国平均增暖速率10 a的0.22 ℃[14],54年平均气温增加了约1.91 ℃,多年均值为9.30 ℃,最低气温与最高气温出现在1967和2007年,其值分别为7.85和10.66 ℃。2000年以后增温缓慢,表现为一个相对平稳期。1960—2013年,中国西北极端干旱区年均降水量在波动中上升,年倾向率10 a为3.46 mm,与全国平均年降水量减少趋势相反[15]。 多年平均降水量为55.35 mm,降水量最小的年份为1985年,为32.44 mm,最多的年份为2010年,为94.3 mm。

图4 1960—2013年均气温和降水量多年变化Fig.4 Variations of average annual temperature and precipitation during 1960—2013

3.2.2 气温和降水量季节变化 由1960—2013年季均气温和降水量线性倾向估计值(表1)可知:54年来,中国西北极端干旱区四季平均气温均呈现增高的趋势,且都通过了0.01的显著性水平,其中冬季增温幅度最大,达到10年的0.41 ℃,春季次之,10年为0.35 ℃,夏季增温幅度最小,10年为0.29 ℃,与全国四季均温变化趋势相同,但增暖速率却明显高于全国水平[14]。降水量四季均呈增长趋势,但变化幅度差异明显,夏季降水量增强幅度最大,10年为1.54 mm,其次是秋季和冬季,增幅10年分别为0.81和0.64 mm,春季增强幅度最小,10年为0.56 mm,变化趋势不显著。

表1 1960—2013年季均气温和降水量线性倾向估计值

注:*、**分别为通过0.05、0.01水平的显著性检验。Note: * and ** are statistical significance at 0.05 and 0.01 levels respectively.

3.2.3 气温和降水量的阶段性变化 从中国西北极端干旱区年与各季平均气温和降水量累积距平(图5)可以看出,年均气温在1996年之前以负距平为主,年均值在7.85~9.72 ℃之间波动,之后以正距平为主,年均值在9.40~10.66 ℃间波动,变化趋势与全国20世纪90年代之前是偏冷期、之后为偏暖期基本一致。春季、夏季和秋季变化趋势与年变化趋势相同,而冬季气温年际变化幅度较大,从1985年即开始表现为偏暖时期。与气温相比,年均降水量累积距平54年来波动较大,降水量距平在1986年之前以负值为主,呈波动下降的趋势,为偏少阶段,之后以正值为主,呈波动上升的趋势,为偏多阶段。春季降水量大致可分为3个阶段:1960—1974年,降水量呈波动状态,下降趋势不明显;1975—1986年呈增加趋势;1987年之后波动下降。夏季降水量变化大致分为6个阶段,1960—1973、1981—1985和1996—2009年为偏少阶段,1973—1981、1985—1996和2009—2013年为偏多阶段,降水量累积距平秋冬季节波动不显著。

图5 极端干旱区年和各季平均气温和降水量累积距平Fig.5 Accumulated annual and seasonal temperature and precipitation anomaly in extremely arid area

·为通过95%显著性检验。·is statistical significance at 0.05 levels. 图6 1960—2013年极端干旱区气温和降水量多年变化的空间分布Fig.6 Spatial distribution of average annual variations in temperature and precipitation in extremely arid area during 1960—2013

3.3 气温和降水量趋势变化

3.3.1 年趋势空间变化 由1960—2013年极端干旱区气温和降水量多年变化的空间分布图(图6)可知,54年来年均气温呈上升趋势,30个站点增温趋势显著,占总站数的93.75%,且均通过了0.01的显著性检验。塔里木盆地东部和青海北部增温幅度较大,其中增幅最大的站为茫崖,幅度为0.084 ℃/a,增幅最小的站为阿拉尔,幅度为0.004 ℃/a。54年2个气象站温度分别增加了3.53和0.66 ℃,而只有塔里木北部的库车年均温呈下降趋势,变化率为-0.009 ℃/a,下降不显著。 与气温相比,降水量年变化率波动较小,29个站呈增加趋势,其中11个站增加趋势显著,占总站数的34.38%,主要分布在塔里木盆地北部,拜城和若羌2站增加幅度最大,分别为13.31和0.588 mm/a,只有马鬃山、十三间房和吐鲁番个别站表现为减少趋势,且变化趋势都不显著。

3.3.2 季节趋势变化 就各站点气温和降水量不同季节变化趋势(图7)来看,气温显著上升趋势的站数四季波动不大,春季最多,为29个站,夏季最小,为26个站,显著下降趋势的站点只出现在夏季和秋季,春季只有库车站表现为不显著的下降趋势,冬季所有站均表现为增加趋势。降水量四季仍以增加趋势为主,春季表现为显著上升的站数最多,占总站数的56.25%,其次是冬季,占总站数的28.13%,只有夏季马鬃山站表现为显著的下降趋势,其他季节下降趋势均不显著,其中春季下降趋势站点数最多,为9个站,其次是秋季,冬季最少,为2个站。

4 结论与讨论

1)54年来,西北极端干旱区气温的年均值约为9.30 ℃,西部塔里木盆地为高值区,东南部为低值区,季节分布春季和冬季与年气温相似,夏季和秋季高值站点扩大。降水量均值约为55.35 mm,西北部和东部为高值区,南部为低值区。季节分布夏季和秋季空间分布与年降水量相似,高值站点分布广泛,春季和冬季空间分布表现为西北部为高值区,东南部为低值区。

图7 季节气温(a)和降水量(b)不同趋势的站点数Fig.7 Number of stations of annual and seasonal trends in temperature (a) and precipitation (b)

2)西北极端干旱区年均温呈现明显的上升趋势,倾向率为0.034 ℃/a,冬季和春季增温幅度大于夏季和秋季,四季均通过0.01的显著性检验;极干旱区年均降水量在波动中上升,倾向率为0.346 mm/a,夏季增强幅度最大,春季最小,只有冬季通过了0.01的显著性检验。同时,气温和降水量的累积距平以负距平为主,气温和降水量呈上升趋势。

3)西北极端干旱区大部分气象站气温和降水量呈上升趋势。气温30个站增温趋势显著,占总站数的93.75%,其中塔里木盆地东部和青海北部增温幅度较大,只有库车年均温呈不显著的下降趋势,季节变化波动不大,四季均有超过90%的站点呈现增加趋势。降水量11个站呈显著增加趋势,占总站数的34.38%,其中塔里木盆地北部增加幅度较大,春季显著上升的站数最多,占总站数的56.25%,只有夏季马鬃山站表现为显著的下降趋势,其他季节下降趋势均不显著,春季下降趋势站点数最多。

中国西北极端干旱区的暖湿化发展,将强烈地影响西北地区的生态环境和经济发展。气温升高和降水量增多可以为植被生长提供良好的条件,气候变暖缓解了低温对农业生产造成的危害,降水量增加,可利用水资源增加,有利于农作物的生长发育,冬季降水量的显著增加对土壤保墒和作物安全越冬有利;然而,气候变暖使蒸发量增大,增加了极端降水事件的频率,对农业生产和生态建设会产生不利影响。

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(责任编辑:宋如华)

Variation trends of temperature and precipitation in extremely arid region of northwestern China in recent 54 years

Bi Chao1, Shan Nan2, Bi Huaxing1

(1.School of Soil and Water Conservation,Beijing Forestry University, 100083, Beijing, China; 2.Institute of Desertification Studies, Chinese Academy of Forestry, 100091, Beijing, China)

Based on the data from 32 meteorological stations in extremely arid region in northwestern China from 1960 to 2013, we analyzed the characteristics of temperature and precipitation with the methods of the linear regression, cumulative anomaly and Mann-Kendall test. The results indicated that the climate of 30 out of 32 stations in the study region showed a significant trend of warming by 0.034 ℃/a (P<0.01) in recent 54 years with an average annual temperature of 9.3 ℃. The increases of temperature in winter and spring seasons were higher than those in summer and autumn. Spatially, the highest temperature was found in Tarim Basin, and the lowest in the southeast of the study region. The average annual precipitation (55.35 mm) also showed a significant trend of increasing by 0.46 mm per 10 years (P<0.01), and 29 stations presented such trend, of which 11 passed the significant test. The highest rate of increase was found in summer, and the lowest in spring. The northwest and east part had higher precipitation than the south part of the study region. In general, the climate in the recent 54 years tended to be warmer and wetter.

climate change; temperature; precipitation; extremely arid region of northwestern China

2014-08-09

2015-03-26

毕超(1981—),男,博士研究生。主要研究方向:水土保持。E-mail: bichao@sina.com

†通信作者简介: 毕华兴(1969—),男,教授,博士生导师。主要研究方向:林业生态工程。E-mail: bhx@bjfu.edu.cn

S165

A

1672-3007(2015)03-0090-07

项目名称: 国家林业公益性行业科研专项“西北黄土高原地区典型森林植被对水资源形成过程的调控研究”(201104005)

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