天水市36年来气候变化的时空特征分析

2019-06-05王莉霞贾玉峰

天水师范学院学报 2019年2期

王莉霞，贾玉峰

（天水师范学院资源与环境工程学院，甘肃天水 741001）

气候变化已经成为人类关注的热点问题。[1]IPCC在第五次评估报告（AR5）中指出，全球气候系统变暖的事实毋庸置疑，1880～2012年全球平均温度已升高0.85℃（0.65～1.06℃），1951～2012年气温上升的速率几乎是1880年以来的2倍，过去3个连续10年比之前自1880年以来任何一个10年都暖。[2]已有研究表明，中国气候变暖与全球气候变暖基本同步。[3]我国西北地区气温持续攀升，年平均气温以0.32℃/10 a的幅度升高，年降水量变化趋势存在显著的区域差异。[4]天水位于西北内陆地区，降水稀少，气候干旱，是我国气候变化的过渡区、敏感区和生态环境的脆弱区、重点监测区，主要气象要素具有独特的地域性，对全球气候变暖的响应幅度更大,也更敏感。[5]在全球气候变化的大背景下，我国学者做过许多相关的研究，取得不错的成果。在空间分析上，张立伟等[6]用Mann-Kendall突变检验和Kinging插值法分析了南岭南北地区气温的时空变化特征；任永建等[7]考虑了气温序列的非均一性，通过对资料进行插补然后对武汉区域近百年地表气温变化趋势进行了研究；在时间分析上，李淼等[8]对北京地区近300a降水变化进行了趋势和突变检验，并采Morlet小波函数开展了降水变化的多时间尺度周期性变化分析。综合来看，中国对气候变化的研究都以大区域为主，而小尺度的研究比较少，通过对天水市的各气候要素多年时空规律的研究，可探讨天水市气候变化对全球变暖的区域响应，提高对天水市气候变化规律的认识，为天水市农业生产和生态环境建设与保护提供理论依据，可以预测未来气候变化趋势，减小气象灾害带来的影响。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

天水市位于东经104°35′～106°44′、北纬34°05′～35°10′之间，辖武山、甘谷、秦安、清水、张家川回族自治县五县和秦州、麦积两区，地势西北高，东南低，海拔在1000～2100米之间，属半干旱与半湿润气候的过渡带，[9]年平均温度为7.8℃～11.1℃，年降水量为432～546mm.[10]自然条件南北、东西差异性大，是典型的农、林、牧业交错混合区。[5]

1.2 研究方法

（1）累积距平法。累计距平是判断某一气候要素变化趋势的方法。先求出每一年各气候要素的距平值，再算出累积距平值，做出36年累积距平变化曲线，曲线出现转折的地方则可能为突变点，再结合M-K检验和滑动t检测，确定突变点。

（2）Mann-Kendall突变检验。气候突变的普适定义为：气候从一种稳定状态跳跃式地转变到另一种稳定状态的现象，它表现为气候在时空上从一个统计特性到另一个统计特性的急剧变化。[11]采用Mann-Kendall非参数检法来分析突变，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰。[12]在M-K突变检测中，给定显著性水平α=0.05，则临界值U0.05=±1.96，将UF(原气象序列)和UB(反向气象序列)曲线图与±1.96的2条临界直线绘在一张图上。若UF或UB超过临界直线，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始时间。[13]

（3）小波分析法。近些年以来，小波分析技术逐渐被应用到水文、气象等时间序列的周期性分析中。[14-17]小波方差图是小波方差随尺度变化过程在图像上显示出来的，反映了波动能量随尺度的分布情况，用来确定一个时间序列中存在的主要周期成分。[18-21]用Matlab软件做出天水市主要气象要素的周期变化图，分析其变化的主周期、次周期。

（4）克里金插值法。Kriging插值法广泛地应用于地下水模拟、土壤制图等领域，是一种很有用的地质统计格网化方法。[22]利用ARCGIS中的空间分析工具并用协同克里金插值法对天水市主要气象要素做空间分析，得到空间插值图，分析气候变化的空间特征。

2 结果分析

2.1 天水市气候变化时间特征分析

2.1.1气候要素的年际变化

从图1(a)可以看出，在研究时段内，天水市年平均气温呈波动上升趋势，36a平均气温为10.3℃，年平均气温以0.5℃/10a的幅度升高，比西北地区（0.32℃/10a）的变化率大，说明气温变化高于西北地区的平均状况。从气温变化的过程来看，在研究时段内，可分为两个阶段，第一阶段为1981～1995年，平均气温为9.7℃，比36a平均气温低；第二阶段为1996～2016年，平均气温为10.7℃，比36a平均气温高。已有研究表明，20世纪80年代后期至90年代是气温迅速升高的时期，[24]笔者所得结果与已有研究结果基本一致。

从图1(b)可以看出，1981～2016年，天水市年均降水量呈减少趋势，36a平均降水量为488mm，逐年变化大，年平均气温以8.5mm/10a的幅度下降。从降水量变化的过程来看，在研究时段内，可分为两个阶段，第一阶段为1981～1993年，平均降水量为521mm，比36a平均降水量高；第二阶段为1994～2016年，平均降水量为469mm，比36a平均降水量低。

图1 天水市各气候要素变化趋势

从图1(c)可以看出，1981～2016年，天水市年平均日照时数呈波动上升趋势，36a平均日照时数为2037h，年平均日照时数以35h/10a的幅度上升。从日照时数变化的过程来看，在研究时段内，可分为两个阶段，第一阶段为1981～1992年，平均日照时数为1948h，比36a平均日照时数低；第二阶段为1993～2016年，平均日照时数为2083h，比36a平均日照时数高。

从图1(d)可以看出，1981～2016年，天水市年平均相对湿度呈减少趋势，36a平均相对湿度68%，年平均相对湿度以1%/10a的幅度下降。从相对湿度变化的过程来看，在研究时段内，可分为两个阶段，第一阶段为1981～1993年，平均相对湿度为69%，比36a平均相对湿度高；第二阶段为1994～2016年，平均相对湿度为67%，比36a相对湿度低。

2.1.2气候要素的季节变化

图2 1981～2016年天水市平均气温季节变化

从图2可以看出，1981～2016年天水市各个季节平均气温呈上升趋势，春季平均气温倾向率为0.7℃/10a，夏季平均气温倾向率为0.5℃/10a，秋季平均气温倾向率为0.3℃/10a，冬季平均气温倾向率为0.4℃/10a，从而可以得出结论，春季升温幅度最明显，春、夏、冬较秋季明显。

从图3可以看出春秋两季降水量呈增加趋势，降水量倾向率为0.14mm/10a、0.004mm/10a，增加幅度较小；夏冬两季降水量呈减少趋势，降水量倾斜率分别为-3.5mm/10a和-0.2mm/10a，由此可看出，夏季、冬季降水量的减少幅度比春秋季的增加幅度大。

从图4可以看出秋季相对湿度呈增加趋势，相对湿度倾斜率为0.2%/10a，春、夏、冬三季均呈下降趋势，相对湿度倾向率分别为-2.4%/10a、-1.5%/10a、-0.5%/10a，春夏季的下降幅度比冬季较大。

2.1.3气候要素的突变性分析

图3 1981～2016年天水市平均降水量季节变化

笔者选择气象要素中的降水说明突变点的确定过程，其余气象要素突变点的确定与降水相似。图5(b1)显示年降水的UF曲线全程都在信度线之内，因此其增减趋势都不显著。UF、UB曲线在信度线内存在包括1986年、2002年等在内的多个交点，说明1986年等可能是突变点。由图5(b2)知，降水累积距平曲线总体上表现出了先升后降再升的趋势，但曲线波动频繁、形状不规则，表明降水存在剧烈的年际变化，整体的下降趋势比较明显。曲线在1986年、1990年、1993年存在三个峰值，在2002年存在一个低值，1982～1986年以上升趋势为主，2002～2016年波动中略有上升，1993～2002年呈急剧下降趋势，因此1986年、2002年是两个可能的突变点。滑动t检验结果显示1986年跟2002年都通过了0.05的显著性检验。根据三种方法的结果可判断：天水市年降水存在1986年、2002年两个突变点。

图4 1981～2016年天水市平均相对湿度季节变化

图5天水市各气候要素Mann-Kendall检测及累积距平曲线

图5 显示：年均温UF、UB曲线（图5(a1)）在信度线内交于1993年，其累积距平曲线（图5(a2)）总体呈现“U”字形，在1996年取得最小值，在1993年取得次小值。且滑动t检验表明1993年通过了0.01的显著性检验，因此，年均温在1993年发生了由升温到显著升温的突变。日照时数UF、UB曲线(c1)在信度线内存在包括1982、1987、1992、2014等多个交点，其累积距平曲线（图5(c2)）在2014年取得最大值，在1992年取的最小值，且1992年通过了显著性水平为0.01的滑动t检验，因此，日照时数在1992年发生了由减少到增加的突变。相对湿度UF、UB曲线（图5(d1)）在信度线内交于1994年、1998年、2008年，其累积距平曲线（图5(d2)）在1994年出现峰值，仅1994年通过了0.01显著性水平的滑动t检验。因此，相对湿度在1994年发生了突变。

2.1.4气候要素的周期性分析

图6天水市各气候要素小波分析结果

图6 为天水市主要气象要素的周期波动，图中用小波系数的大小表示信号的强弱。从图6（a1）小波系数的变化分析来来看，气温的年际变化比较明显，小波系数等值线在 10～15a、18～20a、30～33a比较密集，而图6（a2）小波方差图显示小波方差在32a、14a、19a出现极值，由此可知天水市年平均气温在36a尺度内存在14a的周期变化，此外可能还会存在更大时间尺度变化周期；从图6（b1）小波系数的变化分析来看，小波系数等值线在 5～10a、15～20a、28～32a 比较密集，而且图 6（b2）小波方差图显示小波方差在30a、15a、7a出现极值，由此可知天水市年平均降水量在36a尺度内存在15a的周期变化；图6（c1）日照时数小波系数等值线在9～12a、15～17a比较密集；图6（c2）小波方差图显示小波方差在16a、11a出现极值，由此可知天水市年平均日照时数在36a尺度内存在16a的显著主周期、11a次周期变化；图6（d1）相对湿度小波系数等值线在24～27a、6～8a比较密集；图6（d2）小波方差图显示小波方差在25a、8a出现极值，由此可知天水市年平均相对湿度在36a尺度内存在8a的周期变化。

2.2 气候要素的空间分布特征

在对各气象要素进行插值时，是先计算各地区站点多年平均水平作为样点数据，并没有分年度对各气象站点的数据分别插值，[24]并利用天水市行政边界对插值得到的栅格图进行裁剪，最后得到天水市主要气象要素的空间插值图。

图7分别为天水市年均温、年均降水量、年均日照时数、年均相对湿度的空间插值图。从插值结果来看，天水市气温的变化范围为7.8～11.6℃.从分布来看，总体呈现中间高，两边低的态势。秦州区，麦积区西北部，秦安县，甘谷县等多年平均温度高，麦积区东南部，武山县温度较低，张家川回族自治县多年平均气温最低，区域差异性较明显；降水量的区域最大值为586.3mm，区域最小值为404.6mm，表现出明显的地域性特征，从区域分布上看，东部多，西部少，这与我国降水量的空间分布特征一致，越往西部，水汽来源越少，降水量越少；年平均日照时数的区域最大值为2241.4h，区域最小值为1948.6h，区域差异性比较明显。日照时数最高的为武山县，最低的为秦州区、秦安县、麦积区的大部分区域，区域最低值为1948.6h，其它区域则介于中间；相对湿度表现出明显的区域性，从区域分布上看，表现为由东向西递减的趋势。区域最大值为71%，出现在天水市的东北方向，此区域降水量多，气温低，所以蒸发量少，相对湿度较大。越往西，相对湿度越越小，越干燥。区域最小值为66%.