石羊河流域50年气候变化特点及其突变检验

2016-09-28张勤虎张鹏飞

甘肃科技 2016年15期

关键词：石羊河武威蒸发量

张勤虎，张鹏飞

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070；2.甘肃省武威市气象局，甘肃武威733000）

石羊河流域50年气候变化特点及其突变检验

张勤虎1，张鹏飞2

（1.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州730070；2.甘肃省武威市气象局，甘肃武威733000）

以石羊河流域5个气象观测站点，1960-2009年50年逐日降水、温度及蒸发观测资料为基础，分析了石羊河流域过去50年的气候变化特点、空间分布及其突变检验。研究结果认为，石羊河流域气象要素多年平均值的空间分布呈明显的南北向分布；石羊河流域在过去50年，气温呈显著的增加趋势，增幅为0.27-0.58℃/10a，高于全国平均水平，而且各站点变化规律一致，均在1998年发生了气温突变；流域内的降水量变幅波动较大，但总体呈增加趋势，但增加趋势未通过显著性检验，波动的因素可能是由年际振荡造成的；流域内蒸发量的变化幅度介于-20-200mm/10a之间，各站点变化规律不完全一致，其中武威、民勤及永昌3个站点蒸发量显著减小，并分别在1984、1993以及1998年左右发生了突变。

气候变化；石羊河流域；滑动t检验

全球气候变化作为一个不争的客观事实，已成为21世纪世界各国普遍关注与重视的问题。在1906年至2005年间，全球平均地表温度上升了0.74℃，而我国地表平均温度升高了1.1℃［1，2］。

我国西北干旱半干旱区不但是全球气候变化响应最敏感的地带，也是生态环境变化最脆弱的地区，生态环境的变化对局地气候和全球气候也会产生重大影响［3］。基于气候变化的现实，许多研究者对该区的气候状况进行了分析和预测［4～6］。施雅风等认为以天山西部为主地区表现出的气候向暖湿转型的趋势有可能会向周围扩张，不过准确的转型时间和空间上覆盖的尺度目前尚无法估计［7］。任朝霞等研究得出，从1951-2000年这50年里，西北干旱区气温都升高，而降水量有增加趋势，不过由于气候变暖，使蒸发量增大，塔克拉玛干沙漠、河西走廊和柴达木沙漠区的干旱危害有可能加剧，并使这些地区的土地荒漠化发展迅速［8］。白爱娟等研究发现，西北地区在气温显著升高的同时，只在西北地区西部降水增加，存在由暖干向暖湿转型的事实，但是西北地区东部干旱的形势比前期更为严峻，干旱有加重趋势［9］。石羊河流域位于西北地区中段，甘肃省河西走廊东部，是中国干旱区内陆河流之一，近50年来随着气候的变化及人类活动的影响，环境严重恶化［10，11］，因而针对该流域气候变化特点，分析其变化状况和趋势，并合理预测其未来气候，对本地区的可持续发展有重要的意义。文章旨在从空间、时间及过去变化趋势的基础上，分析探讨了石羊河流域近50年的气候变化状况及其特点规律。

1　区域概况及数据处理方法

石羊河流域位于甘肃省河西走廊东部，乌鞘岭以西，祁连山北麓，东经101°41′～104°16′，北纬36° 29′～39°27′之间。东南与甘肃省白银、兰州两市相连，西北与甘肃省张掖市毗邻，西南紧靠青海省，东北与内蒙古自治区接壤，总面积4.16万km2。该流域深居大陆腹地，属大陆性温带干旱气候，加上境内地形和海拔高度的影响，长期高温干旱，降水稀少且年际及年代际变化很大。

利用石羊河流域五个气象观测站点，1960-2009年降水、气温及蒸发逐日气象资料，对石羊河流域的气候变化特征及规律进行分析。数据源于甘肃省气象局石羊河流域观测台站，观测台分布如图1所示。数据统计分析使用SPSS13.0及EXCEL2003，气候突变检验采用滑动t检验（子序列步长设置为10a）［12］。

图1　石羊河流域海拔及站点分布

2　结果分析

2.1气象要素50年平均空间分布特征及变化趋势

2.1.1降水

从石羊河流域50年平均降水量的空间分布（图2a），可以看出位于石羊河上游地区的乌鞘岭和古浪两个站点多年平均降水量在300mm以上，降水较为充沛。随着海拔高度的下降，降水量逐渐减少，中游地区的永昌和武威两站降水量在150-200mm之间。而位于石羊河流域下游盆地地区的民勤则降水量更少，多年平均降水量在150mm以下。由此可以看出石羊河流域降水量的分布存在明显的空间特征，即上游高海拔地区降水量多于中下游平原及盆地地区。不过观察石羊河流域50年降水量的变化趋势空间分布，却发现降水量的变化趋势与海拔及流域的走向并不相同。位于石羊河流域上游的古浪50年降水量变化有减小的趋势，不过减少幅度并不大，为-1.5mm/10a（p＞0.05），而其他4个站点的降水量变化都为增加趋势，但是增加趋势并没有通过0.05显著性水平检验。

图2　石羊河流域降水量及其变率分布

2.1.2温度

石羊河流域50年平均气温分布规律与降水量的分布规律相反（图3a），表现为上游地区的乌鞘岭和古浪两站气温较低，而下游盆地的民勤温度则较高，下游比上游地区约高3～8℃。位于流域中游的永昌和武威多年平均气温则介于上下游气温之间，但是武威的气温较位于同一流域段的永昌气温高约2℃左右，这可能与武威海拔相对较低而且城市化进程较永昌快有关。分析石羊河流域50a平均气温的变化倾向（图3b），能够发现石羊河各个区域气温都表现为增加趋势，其中尤以中游西部地区的永昌增温幅度最大，增幅为0.58℃/10a（p＜0.001）。上游区的乌鞘岭增温幅度最小，为0.27℃/10a（p＜0.001）。而武威、民勤和古浪3站的气温增幅介于永昌和乌鞘岭之间。从图中很明显可以看出石羊河流域气温的增加，表现为西部增温强烈，东部增温稍缓。

图3　石羊河流域气温及其变率分布

2.1.3蒸发

石羊河流域蒸发量的空间分布特征与气温的分布特征相似（图4），即表现为下游盆地区多年平均蒸发量要大于中游和上游地区的蒸发量，民勤观测站位于腾格里沙漠西缘，空气干燥，全年蒸发量能达到2400mm左右，而与之相反，地处高海拔区的乌鞘岭站则因为常年高寒潮湿，多年平均年蒸发量只有1550mm，中游的地区的武威和永昌多年平均蒸发量则介于民勤和乌鞘岭两个站点之间。观察石羊河流域各区域蒸发量50年的变化趋势，能够发现流域中下游地区年蒸发量在不断减小，降幅在100-200mm/10a（p＜0.001）。而位于上游地区的古浪却表现为蒸发增加的趋势，增幅为20mm/10a（p＞0.05），这正好与该区域降水量减少的趋势相对应。

图4　石羊河流域蒸发量及其变率分布

2.2气象要素年际变化

石羊河流域5个站点气温的年际变化如图5所示，可以看出尽管因为海拔和地形因素的差异，各站点平均气温的数值不完全相同，但是它们却都具有相同的变化趋势，即表现为同增同减。在20世纪60年代各站的气温都较高，在1967年后转入一个相对的低值时期，而后又在波动中变化，在20世纪80年代后期各站气温都表现为明显的上升趋势，在1998年左右气温急剧上升，而后又进入一个气温相对变化较为平缓的时期。

石羊河流域各观测站点降水量的年际变化波动较大，而其中尤以位于上游区的乌鞘岭和古浪两站降水量起伏最大，变动于200~550mm。民勤站降水量最少，且波动范围也较小，在40-180mm变动，而武威和永昌两站降水量的变化则介于上述3站之间。从降水量的年际变化中大致可以看出，石羊河流域上游两站，乌鞘岭和古浪在20世纪60年代初期降水量较大，而后急剧减少，而中下游地区则是存在增加趋势。此外，流域各站点在20世纪70年代前期降水量都偏少，之后有增加的的趋势，而上游地区则增幅相对较大。在20世纪80年代和20世纪90年代，各站点降水量变动的较为均匀，但是进入21世纪，各站点降水量又表现为较大的变动幅度，先急剧增加，之后又迅速减少。

石羊河流域各站点蒸发量的年际变化规律不完全一致，其中民勤年蒸发量在20世纪90年代之前，明显地大于其他站点，而且波动幅度也较大，但是在20世纪90年代初期蒸发量迅速下降，变动幅度减小。尽管流域内各站点蒸发量不完全相同，但是变化趋势却有部分时段近似一致，这其中在20世纪60年代前期，各站蒸发量都较大，至20世纪60年代中后期又减小，之后又在平缓变动中增大。但是需要注意的是武威和乌鞘岭两站在20世纪60年代后期到20世纪初期之前都表现为蒸发量持续的减少趋势，而在2000年代初期开始，蒸发量迅速的增加。

图5　石羊河流域各站点气象要素年际变化

2.3气象要素突变检验

2.3.1温度

使用滑动t检验分析石羊河流域气象要素的变化趋势，从图6中可以看出，石羊河流域5个观测站点气温t统计量变化趋势大致相同，均在1990年代后期发生了一次明显的突变，并都超过了0.01显著性水平，说明石羊河流域近50年来增温非常明显。在5个站点的统计量发生突变时，武威观测站的t滑动统计量绝对值最大，说明武威站气候突变最明显，增温最剧烈，这可能与武威观测站处于城区附近，与该区域城市化进程相关。此外，观察各站点的统计量变化，还可以发现在20世纪70年代初期，乌鞘岭、武威以及古浪有轻微的降温趋势，而其中尤以乌鞘岭的降温趋势最明显，不过并没有达到显著性水平，在这之后这3个站点也和其他各站点一样即转入持续的增温时期。在20世纪90年代后期气温发生突变以后，石羊河流域的气温变化趋势放缓，但还保持持续的增温势头，不过增温趋势未超过0.01显著性水平。

图6　石羊河流域气象要素统计检验分析

2.3.2降水

与气温的变化趋势不同，石羊河降水量的变化趋势则并不十分明显，而且各站点也表现的不完全一致。图6中显示了各观测站点降水量的滑动统计量变化趋势，可以看出民勤和永昌两站的变化趋势大致相同，表现为从20世纪70年代开始持续缓慢减少，并一直到20世纪80年代后期转入缓慢的增加阶段。武威则是20世纪70年代缓慢减少，20世纪80年代前期开始增加，并一直持续到21世纪。而另外两站古浪和乌鞘岭则是刚开始在20世纪70年代初期缓慢增加，到20世纪70年代后期逐渐转为减少趋势，这两站分别又在20世纪80年代后期和20世纪90年代初期开始降水增多，古浪在1990年代后期，降水又逐渐减少，而乌鞘岭则保持着增加趋势。从图中明显看出尽管石羊河流域各站点降水量的统计值变动幅度较大，但是各站的降水量变化均没有通过0.01显著性水平检验。

2.3.3蒸发量

图6中石羊河流域5个站点蒸发量的滑动统计量变化趋势，能够发现各个站点蒸发量的逐年变化趋势并不完全一致，而且差异很大。各站点在20世纪70年代前期蒸发量均表现为减少趋势，但是降幅不大，都没有通过0.01显著性水平检验。而后20世纪70年代后期开始，民勤、永昌以及古浪3站蒸发量开始缓慢增加，其中古浪在20世纪80年代中期增加趋势超过了0.01显著性水平。武威站在20世纪90年代中期之前，蒸发量一直表现为减少趋势，在20世纪80年代大部分时段甚至超过了0.01显著性水平，不过在进入20世纪90年中后期后，武威蒸发量变化又急剧转向，增加趋势非常明显，在20世纪98年之后增加趋势达到了0.01显著性水平。民勤站和永昌站在20世纪90年代先后发生了蒸发量减少的突变，其中民勤在1992年左右，永昌则在20世纪98年。乌鞘岭站在20世纪70年代后期蒸发量呈减少趋势，并达到了0.01显著性水平，之后表现为先缓慢减少又缓慢增加的趋势，但变化趋势并没有通过0.01显著性水平。

3　结论与讨论

3.1讨论

石羊河流域气候变化的趋势与全国及全球的变化趋势基本保持一致，即表现为温度持续增大，蒸发量逐渐减少。但是与全国50a平均气温增长速度0.22℃/10a相比［13］，石羊河流域的增温幅度要明显大于全国平均气温增幅，石羊河流域的永昌地区增幅甚至能达到0.58℃/10a，即使是增幅最小的乌鞘岭增幅也能达到0.27℃/10a。从而可知，石羊河流域作为西北干旱半干旱区的一部分，对气候变化的响应非常敏感。近50a来全国的蒸发量总体呈减少趋势，区域减少速率为17.2mm/10a，而干旱和半干旱区的减少量分别为5.5mm/10a和17.6mm/10a［14～16］，在石羊河流域大部分地区蒸发量与全国变化趋势一样，也是呈减少趋势，而且减低幅度很大，在流域中下游地区能达到-100--200mm/10a，但是在石羊河上游却不完全表现为降低趋势，而是有增加趋势，增幅最高能达20mm/10a。此外，石羊河流域一些区域在蒸发量总体呈减少的过程中，也存在一些阶段性增加的特点，如武威站在1998年之后蒸发量呈显著的增加趋势，这可能是与该区城市的发展和人类活动的影响有关。

在石羊河流域1960-2009年50a气候变化的空间分布中，很明显地发现，流域的上游温度低，降水量大，而蒸发量小，而下游则是温度高，降水量小，蒸发量却很大，这说明石羊河流域的降水、温度及蒸发的空间分布规律与流域的海拔走势相对应，高海拔区降水多，温度低，低海拔区降水少，温度高，并且蒸发量大。但是观察气象要素50a的倾向变化却发现，变化规律并没有完全表现出与流域海拔高度的对应关系，而是表现为：降水量在流域西部地区增加，东部地区减少；温度在西部地区增温迅速，在西部地区增速相对较缓；蒸发量的变化分布具有南北向的规律，但是表现为北部地区蒸散量降低明显，而南部降低缓慢，甚至部分地区有缓慢的增加趋势。

3.2结论

1）石羊河流域气温、降水以及蒸发的空间分布存在一定的规律，呈明显的南北向分布，即温度从高海拔区向低海拔区递增，高海拔区的降水量大于地势较低地区的降水量，蒸发量在地势较为平缓的流域平原盆地区高，而在山区高海拔区则明显减少。

2）石羊河流域从1960-2009年近50年时间，温度呈不断的增加趋势，增幅为0.27-0.58℃/10a；降水量的波动幅度较大，而且流域内近50年降水量有增加的区域也有减少的区域，增加幅度最大达12mm/ 10a，而降低趋势最小只有-1.5mm/10a，可以判定流域内降水总体还是呈增多的趋势；流域内蒸发量的变化也是有增有减，降低幅度最大达200mm/10a，而增加幅度最高只有20mm/10a。

3）石羊河流域气温的突变年份在1998年左右，而且整个区域增温都非常明显，各观测测点增温幅度都达到了0.01显著性水平；流域中降水的波动较大，但是各测点变幅均没有通过显著性水平，说明降水的增减只是年际的振荡缘故造成的；流域内各测点蒸发量的突变年份各不一样，武威、民勤以及永昌3个站点蒸发量存在显著的减小趋势，分别在1984、1993以及1998年左右发生了突变。

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