祁连山北坡与坡前走廊降水和气温变化差异对比分析

牛 赟 ，刘贤德 ，杨逍虎 ，李 威 ，张 虎

（1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室，甘肃 张掖 734000；2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000，3.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000）

祁连山北坡与坡前走廊降水和气温变化差异对比分析

牛 赟1，2，3，刘贤德1，3，杨逍虎1，3，李 威1，3，张 虎1，3

（1.甘肃省祁连山水源涵养林研究院 甘肃省森林生态与冻土水文水资源重点实验室，甘肃 张掖 734000；2.中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所，甘肃 兰州 730000，3.甘肃张掖生态科学研究院 甘肃省祁连山生态科技创新服务平台，甘肃 张掖 734000）

为了探索山地森林水源涵养区与山前走廊水源消耗区降水和气温变化差异，2006年在祁连山北坡、河西走廊的南边缘、北边缘建立3套自动气象站，2015年提取3个气象站的2007～2014年的降水和气温共计19.3万组数据。采用特征参数算法、相关和多元回归分析方法，研究了降水和气温的年内年际变化特征及相关回归模型。结果表明：（1）从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡，随着海拔的逐增，年均降水量逐渐增大，年均气温逐渐减小，但年际变化幅度相反，则降水量的变化幅度逐减，气温的变化幅度逐增。走廊北边缘和祁连山北坡年均气温呈波动性增加趋势，而走廊南边缘的年均气温呈波动性略有减少趋势；降水量均呈波动性减少趋势。（2）从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡，随着海拔的逐渐增大，月降水量都逐渐增大，气温都逐渐减小；祁连山北坡月均降水变化幅度最小，月均气温变化幅度最大；走廊南、北边缘的月均降水和气温变化幅度基本接近，变化幅度都较小。（3）降水和气温属于高度相关或者显著性相关；祁连山北坡、走廊南边缘、北边缘降水和气温的回归模型都通过了R2拟合检验、F方差检验、t偏回归系数检验。通过模型评估和分析，降水量和气温回归模型的拟合效果都较好，可预测祁连山北坡、走廊南边缘、北边缘降水量和气温在97.6%以上，且准确率可达97.1%以上。本研究可为研究土壤、植被、水资源的垂直梯度变化提供参考数据，也可为进一步解决山区林牧与川区水资源短缺双重矛盾、山区防火风险指数与川区生态环境承载力矛盾提供科学依据。

降水；气温；变化差异；祁连山北坡；河西走廊

山地森林水源涵养区与山前走廊水源消耗区降水、气温的对比研究，是水资源科学合理保护和利用的需要，也是生态环境承载力评估的需要。根据水资源的供给能力和增贮潜力以及消耗需求确定人口、经济和社会的发展，在西北干旱半干旱的内陆河流域更显意义重大。祁连山孕育了石羊河、黑河、疏勒河三大内陆河，是水源涵养区；祁连山前的河西走廊分布着绿洲，是人类活动密集区，也是水源消耗区。了解和掌握了水源区和水源消耗区的降水、气温等因子变化差异，将为政府制订减缓城市生态环境压力、保护和利用水资源等决策提供科技支持。从科学研究的需要看，祁连山地处青藏、黄土两大高原和蒙新荒漠的交汇地带，受到青藏高原和蒙新荒漠降水、气温等因子的双重影响，形成了具有一定顺序和结构的植被、土壤及整个自然地理综合体。如果掌握了从山区到山前走廊的降水、气温垂直梯度变化特征，可为研究土壤、植被、水资源的垂直梯度变化提供参考数据，也可为进一步解决山区林牧与川区水资源短缺双重矛盾、山区防火风险指数[1]与川区生态环境承载力矛盾提供科学依据。

20世纪30年代，相似山地气候植被垂直分布带得到了学者关注[2]；20世纪70年代，山地气候植被垂直分布带水热条件的定量关系进行分析[3-4]。侯学煜先生[5]阐述了中国山地气候植被垂直分布带的格局及生态法则。张新时[6]概括了中国山地植被垂直带的7个基本生态地理类型，还根据青藏高原植被三维变化的特点提出了青藏高原特有的“高原地带性”。现阶段，相关研究主要集中在大尺度上利用遥感和地信系统进行数字化研究，张百平从地学信息图谱研究的角度，将山地垂直带谱研究要上升到地学信息图谱的高度[1，7]。朱晓勤[7]在GIS支持下对秦岭山地植被分布与环境梯度关系进行研究。特别近年来，在全球气候变暖的背景下，许多学者开展了林内与林外小气候对比[8-9]、荒漠与绿洲气象对比[10]、不同坡向降水及气温对比[11-12]、高原与周边区域气候对比[13-14]、气候敏感区对比[15-16]等研究。但本文的显著特点是，选择研究的典型区域，采用同一批气象仪器建立了自动气象站，采集的数据系统误差较小；获取的19.3万多组自动气象站数据量较大、也较连续，并且本文的研究成果可与祁连山林区的多年监测数据对接，可上推走廊更长期降水、气温变化特征。通过这些数据的处理分析，探索祁连山北坡与坡前走廊降水和气温的年际、年内变化有什么不同？呈现什么规律？并通过模型建立和评价，定量分析祁连山北坡及坡前走廊降水和气温的预测评估机理。

1 资料选取与方法介绍

1.1 研究区概况

祁连山地理位置为东经93°30′～103°，北纬36°30′～ 39°30′，属大陆性高寒半干旱气候，境内山势由西北走向东南，起伏延绵千余公里，相对高差悬殊，气候在水平、垂直方面都有明显的差异。降水量自东向西逐减，雪线高度自东向西升高，气温随海拔升高而降低，降水量随海拔升高而增大。祁连山区垂直气候带的明显差异，使其植被垂直带相应差异明显，植被垂直带在祁连山东西段分布有较大差异，东段植被带的下限较低，西段植被带的上限较高；东段植被类型较丰富，西段植被类型趋向单一。祁连山最西端乔木林不发育，森林草原演化为灌丛草原。祁连山北坡垂直气候带大致划分为5个带谱：稀疏荒漠草原气候带（1 700～2 100 m）、干性灌丛草原气候带（2 100～2 500 m）、山地森林草原气候带（2 500～3 300 m）、亚高山灌丛草甸气候带（3 300～3 800 m）、高山寒漠草甸气候带（≥3 800 m）。

祁连山坡前河西走廊北部分布着巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠和塔克拉玛干三大沙漠，风沙线长达 1 600 km。范围从东经 97 °20′～ 102°12′到北纬37°28′～ 39°57 ′，平均海拔 1 200 ～ 1 700 m。属大陆性温带干旱荒漠气候，年均气温7.4～8.5 ℃，年均降水量108.3～150.0mm，降水主要集中在6～9月，占全年降水量的70%～80%，年蒸发量1 340.7～2 388.0mm。河西走廊人口聚集，人类活动对自然生态系统的干扰最为剧烈，土地受人为活动影响也最显著。其天然植被稀疏，主要有白刺Nitraria tangutorum、红砂Reaumuria songarica、木本猪毛菜Salsoal arbuscula和泡泡刺Nitraria sphaerocarpa等荒漠植物，地带性土壤为灰漠土、灰钙土和灰棕漠土，非地带性土壤有风沙土、草甸土、沼泽土、盐渍土和灌淤土等。总的特点是土壤贫瘠、有机质缺乏、质地较粗、含盐量高，属荒漠土类，生态地域复杂，具有平原荒漠植被的特征，在植被地理规律和地理时空分布上分异明显，有古老和现代特征。地貌景观类型有流动、半流动，固定、半固定沙丘以及丘间低地。

1.2 数据来源与方法

1.2.1 数据来源及监测方法

为了对比分析祁连山北坡与坡前走廊气候变化差异，2006年在祁连山北坡，河西走廊的南边缘、北边缘建立3套DZZ2自动气象站（天津天仪集团仪表有限公司：天津气象仪器厂制造），气象站布设的地理环境参数如表1所示。3套气象站分别称为红沙窝气象站、龙渠气象站和西水气象站，数据采取频率均为每小时整点监测，每天监测24次，每次监测到的数据包括2 min风向、2 min风速、10 min风向、10 min风速、最大风速风向、最大风速、最大风速出现时间、瞬时风向、瞬时风速、极大风速风向、极大风速、降水、气温、最高气温、最高气温出现时间、最低气温、最低气温出现时间等。本文中提取3个气象站2007～2014年的降水和气温共计19.3万组数据进行统计分析。

表1 3个气象站的地理环境参数Table 1 The environmental parameters of three meteorological stations

1.2.2 分析方法

（1）特征值参数算法

为了研究的方便，降水和气温分别用字母P和T及气象站所处的海拔为下标来表示，红沙窝气象站、龙渠气象站和西水气象站的降水和气温分别表示为P1446、T1446、P1700、T1700、P2650、T2650。用以下公式分别计算P1446（mm）、P1700（mm）、P2650（mm）、T1446（℃）、T1700（℃）、T2650（℃）年内、年际变化平均值μ、标准差σ、变异系数Cv。

式中：xi为各因子统计参数，N为年份数。

（2） 相关分析法

建立每月的P1446、P1700、P2650、T1446、T1700、T2650数据表。利用以下公式求得相关系系数r。

式中：μx、μy分别为平均值；σx、σy分别为标准差；n为数据对数。

（3）多元回归分析法

通过降水和气温系数拟合计算、方差分析、回归模型优度R2检验、F检验、t检验等，建立祁连山北坡与坡前走廊降水和气温回归模型。

2 结果与分析

2.1 降水和气温年际变化特征分析

从表2可以看出，根据平均值μ、标准差σ分析，从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡，随着海拔的逐渐增大，年均降水量逐渐增大，年均气温逐渐减小。祁连山北坡每年降水比南边缘多0.54倍、气温低2.77倍，比北边缘降水多0.63倍、气温低3.05倍；走廊南边缘降水比北边缘多0.20倍、气温低0.08倍；从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡年均降水和年均气温波动范围分别为176.4～109.68mm、217.0～140.08mm、468.5～314.25mm、9.07～7.93 ℃、8.50～7.31 ℃、2.95～1.25 ℃，区间波动的几率占68%。通过变异系数Cv统计分析，结合图1，从2007～2014年际变化幅度上来看，从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡，随着海拔的逐渐增大，年均降水量的变化幅度逐渐减小，年均气温逐渐增大。从图1中变化趋势线和线性公式的斜距的正负可以看出，走廊北边缘和祁连山北坡年均气温呈波动性增加趋势，年均降水量和走廊南边缘的年均气温呈波动性略有减少趋势。

表2 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温年际变化特征Table 2 The interannual variation features of precipitation and air temperature from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

图1 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温年际变化特征Fig.1 The interannual variation features of precipitation and air temperature from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

2.2 降水和气温年内变化特征分析

如图2所示，从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡，降水和气温年内变化步调基本一致，1月份降水平均为1.3mm，气温平均为-9.89 ℃，降水较少，气温为一年最低；随后逐渐增大，直到7月份降水量平均为54.3mm，气温平均为19.71 ℃，达到最大值；然后又逐渐降低，直到12底，降水量低，平均为1.2mm，气温平均为-7.09 ℃。年内与年际的降水和气温变化一致，都是随着海拔的逐渐增大，每月降水量逐增，每月气温逐减。

如表3、图2所示，每月降水和气温的标准差都较大，变异系数也较大，这说明从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡，共同特点是降水差异和温差均较大，因为有些年份，1～3月份或11～12月份甚至没有降水，降水主要集中在6～9月份。从降水和气温的空间变化上看，祁连山北坡月均降水变化幅度最小，月均气温变化幅度最大；走廊南、北边缘的月均降水和气温变化幅度基本接近，且略显小。

图2 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温年内变化特征Fig.2 The annual variation features of precipitation and air temperature from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

表3 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温年内变化特征Table 3 The interannual variation features of precipitation and air temperature from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

2.3 降水和气温相关性分析

一般地，相关系数|r|＞0.95，存在显著性相关；0.8≤|r|≤0.95，高度相关；0.5≤|r|＜0.8，中度相关；0.3≤|r|＜0.5，低度相关；|r|＜0.3，关系极弱，认为不相关。从表4可以看出，降水、气温相关系数都大于0.8以上，属于高度相关或者显著性相关，因此，走廊北边缘、南边缘、祁连山北坡的降水和气温均可进行回归模型分析。

表4 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温相关系数Table 4 The correlation coefficient of precipitation and air temperature from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

2.4 回归模型分析

2.4.1 回归模型拟合分析

因变量和自变量如表5所示，经拟合分析，走廊北边缘与南边缘、祁连山北坡降水量拟合模型的复相关系数R2为0.994，属显性相关，说明回归模型的拟合效果较好；复测定系数R2为0.989，也表明拟合模型可预测走廊北边缘降水变差的98.9%。调整后复测定系数0.986，说明拟合模型可预测走廊北边缘降水的为98.6%，也就是说，通过走廊南边缘和祁连山北坡的降水预测走廊北边缘的降水量，准确率可达98.6%。标准误差为1.520，说明由拟合模型计算出的降水量与实际监测值之间误差平均为1.520，此值越小，说明拟合程度越好。同理，可对走廊北边缘的气温、走廊南边缘和祁连山北坡的降水及气温等模型拟合情况做出类似的评估（如表5所示）。

表5 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温拟合系数Table 5 The matching coefficient of precipitation and air temperature from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

2.4.2 回归模型方差分析

从表6可以看出，P1700、P2650对其平均值的总偏差为SSr，即变差值为1 797.493，回归均方差MSr为898.746；P1446观测值对其预测值的总偏差SSe为20.800，剩余均方差MSe为2.311。F值是MSr和MSe的比值，由于期望MSe越小越理想，期望MSr越大越理想，所以，F值越大，说明对走廊北边缘的降水预测结果越理想。求得F检验值为388.873（见表6），F检验的P＜0.001，查得F0.001( 2，9) 的临界值Fa为 16.387，F检验值远远大于临界值Fa，说明利用走廊南边缘和祁连山北坡的降水预测的走廊北边缘降水在a=0.001（p＜0.001)水平上极显著，且置信度为95%以上。同理，在走廊北边缘的气温、走廊南边缘和祁连山北坡的降水及气温等模型中，求得F检验值均远远大于临界值Fa，说明利用走廊北边缘的气温、走廊南边缘和祁连山北坡的降水及气温等模型预测在a=0.001（p＜0.001)水平上极显著，且置信度同样为95%以上。

2.4.3 回归模型偏回归系数分析

偏回归系数分析主要是检验偏相关系数的显著程度。如表7所示，常数、P1446、T1446、P1700、T1700、P2650、T2650系数对应的p值均小于0.9，因此，在a=0.9水平上，查得t0.9(11)的临界值为0.130。从表7可看出，其相对应的t检验值的绝对值均大于临界值，这说明常数、P1446、T1446、P1700、T1700、P2650、T2650系数在a=0.9水平上偏相关系数差异显著，即置信度大于91%。

表6 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温方差分析Table 6 The analysis of variance of precipitation and air temperature from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

表7 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温偏回归系数Table 7 The partial regression coefficients of precipitation and air temperature from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

综合上述R2拟合检验、F方差检验、t偏回归系数检验，可得出祁连山北坡、走廊南边缘、北边缘降水和气温的回归模型分别为：

式 中：P1446（mm）、P1700（mm）、P2650（mm）、T1446（℃）、T1700（℃）、T2650（℃）分别代表着走廊北边缘、南边缘和祁连山北坡的月均降水和气温。

在河西走廊，由于水分条件不能满足天然乔灌丛生长，只能生长些稀疏的荒漠草丛，地表呈荒漠草原景观；从走廊南边缘向祁连山过渡带上，由于降水量较小，蒸发量仍然很大，是荒漠向森林景观的过渡带，地表呈灌丛与草原的镶嵌分布景观；在祁连山北坡低海拔处，由于水热条件满足青海云杉林和林下灌丛及草原生长，地表总体上呈森林与草原交错分布景观；在祁连山北坡亚高海拔处，由于温度条件不能满足大乔木生长，但可满足灌丛及草丛生长，地表呈灌丛草甸景观；祁连山北坡高海拔处，气温极低，已不能生长灌丛，仅分布极耐寒湿的高山垫状植物，呈寒漠草甸景观。因此，祁连山北坡与坡前走廊降水、气温变化差异是由其坡位、土壤、植被等下垫面主要因子与气象因子相互作用的结果，各垂直降水、气温带上的植被群落和对应的土壤类型既是垂直降水、气温带各气象因子的产物, 又对各气象因子有指示作用。

3 结论与讨论

3.1 结 论

（1）2007—2014年际变化上，从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡，随着海拔的逐渐增大，年均降水量逐渐增大，年均气温逐渐减小，而变化幅度表现为年均降水量的逐渐减小，年均气温逐渐增大。走廊北边缘和祁连山北坡年均气温呈波动性增加趋势，年均降水量和走廊南边缘的年均气温呈波动性略有减少趋势。

（2）2007—2014年内变化上，从走廊北边缘到南边缘再到祁连山北坡，随着海拔的逐渐增大，每月降水量都逐渐增大，每月气温都逐渐减小，共同特点是降水和温差都较大。祁连山北坡月均降水变化幅度最小，月均气温变化幅度最大；走廊南、北边缘的月均降水和气温变化幅度基本接近，变化幅度也较大。

（3）降水、气温相关系数都大于0.8以上，属于高度相关或者显著性相关。祁连山北坡、走廊南边缘、北边缘降水和气温的回归模型都通过了R2拟合检验、F方差检验、t偏回归系数检验。通过模型分析，祁连山北坡、走廊南边缘、北边缘降水量和气温回归模型的拟合效果较好，可预测祁连山北坡、走廊南边缘、北边缘降水量和气温变差的97.6%以上，且准确率可达97.1%以上。

3.2 讨 论

一个流域降水、气温不仅受大气环流制约，还受地形、地貌及植被条件的影响[17-18]，由于植被的类型和疏密度不同，对太阳辐射能的吸收有很大影响[19-20]。在祁连山区和川区，不同气温和降水等受地貌格局和地表植被的影响比较大，本研究可为土壤、植被、水资源的垂直梯度变化研究提供参考数据。又由于河川径流是干旱区内陆河流域的主要水资源，流域内往往存在上、中、下游地区和各部门实行公平合理的水资源分配问题。例如黑河流域，国家计委和水利部先后于1992年和1997年批准了黑河分水方案。流域上游常常建有水力发电站，人工调控向中下游供水。在这些水资源调控和管理中，本研究的降水和气温年内年际变化规律以及回归模型都可提供科技支撑和参考数据。

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The variance contrastive analysis of precipitation and air temperature change from north slope of Qilian mountains to slope front corridor

NIU Yun1,2,3, LIU Xian-de1,3, YANG Xiao-hu1,3, LI Wei1,3, ZHANG Hu1,3
(1.Academy of Water Resource Conservation Forests of Qilian Mountains in Gansu Province, Gansu Province Key Laboratory of Forest Ecology and Frozen-soil Hydrology and Water Resources, Zhangye 734000, Gansu, China; 2.Cold And Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute ,Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;3.Academy of Ecology Science of Zhangye, Gansu Science and Technology Innovation Service Platform of Ecology in Qilian Mountains ,Gansu Province, Zhangye 734000, Gansu, China)

In order to explore variance of precipitation and air temperature change between mountains forest water conservation area and slope front corridor water consumption area，three sets of automatic meteorological station had been set up in 2006 in the north slope of Qilian mountain, the south and the north edge of the hexi corridor, and had extracted 193 000 groups of data about precipitation and air temperature from 2007 year to 2014 year. The algorithm of characteristic parameters, correlation and multiple regression analysis method had been used, and the characteristics of precipitation and air temperature interannual and annual variance and regression model had been studied. Results show that: (1)The average annual precipitation increased gradually, and the average annual air temperature decreases, but interannual amplitude was contrary, the precipitation variation diminishing return, change range of air temperature increase with altitude increases from the north corridor edges to the south to the north slope of Qilian mountains. The air temperature in north corridor edges and north slope of Qilian mountains showed a trend of volatility increase, but the air temperature in the north corridor edges showed a trend of volatility decrease, and the precipitation all showed a trend of volatility decrease. (2) The average monthly precipitation increased gradually, and the average monthly air temperature decreases with altitude increases from the north corridor edges to the south to the north slope of Qilian mountains. The rangeability of average monthly precipitation was minimum, but average monthly air temperature was maximum in north slope of Qilian mountains, but the rangeability of average monthly precipitation and air temperature was smaller in north corridor edges to the south.(3) The precipitation and air temperature were highly relevant or signi fi cant correlation. The regression model of precipitation and air temperature about the north corridor edges and south and the north slope of Qilian mountains had been passed by R2 test, F test and t test. Through model analysis, the all regression model was better fi tting effect, and the predicted value of precipitation and air temperature about the north corridor edges and south and the north slope of Qilian mountains was above 97.6%, and accuracy could reach above 97.1%. This study could provide reference data for studying vertical gradient change of soil and vegetation and water resource, and provide scientific basis for further solving the dual contradiction of forestry and herding in mountain forest area and water shortages in corridor area, and fi re risk index in mountainous area and ecological environmental bearing capacity in corridor area.

precipitation; air temperature; variance; North slope of Qilian mountains; Hexi corridor

S716.3

A

1673-923X(2016)09-0089-07

10.14067/j.cnki.1673-923x.2016.09.017

2015-10-09

甘肃省科技计划项目（145RJIG337、144JTCG254）；国家自然科学基金项目（41461004）

牛 赟 ，高级工程师，博士，中国科学院在站博士后

刘贤德，研究员，博士，博士生导师；E-mail:liuxiande666@163.com

牛 赟，刘贤德，杨逍虎，等. 祁连山北坡与坡前走廊降水和气温变化差异对比分析[J].中南林业科技大学学报，2016,36(9): 89-95, 103.

[本文编校：谢荣秀]