近55年来青海省海东市气候变化特征及影响因子分析

裴玉芳,祁栋林,张启发,赵全宁

(1.青海省民和县气象局,青海 川口镇 810801; 2.青海省气象科学研究所,青海 西宁 810001;3.青海省防灾减灾重点实验室,青海 西宁 810001)

近几十年来,全球气候变暖对人们生活和经济发展的影响已成为热点问题。有研究表明,近百年来全球气候变化的主要特征是变暖,IPCC第五次气候评价报告指出,近50年中国的变暖更加明显,大约为0.62～0.94℃,已引起了全社会的高度重视[1]。目前,国内学者在气候变化方面开展了许多的分析工作[2-10],不同区域气候变化特征既有相似之处亦有区域差异。任国玉等[2]和唐国利等[3]研究指出，中国地表年平均气温明显增暖,各地对气候变暖的响应并不相同,气温变化具有明显的季节性和区域性差异；唐红玉等[4]分析认为,中国年和季平均最低气温的增暖幅度明显大于平均最高气温的增暖幅度；虞海燕等[5]对全国194个气象站1951-2009年日照、温度、风速和降水资料进行分析研究得出,全国年日照时数、风速等均呈现显著减少趋势。李鹏飞等[6]指出,干旱区东部地区降水量呈减少趋势，西部地区降水量呈增多趋势。李栋梁等[7]阐述了西北地区气候正由暖干向暖湿转型的情况。汪青春等[8]研究显示，1961～2007年青海气温变化趋势与同期全国气温变化趋势基本一致,变暖的季节主要是冬季,年降水量略呈增多趋势,降水日数在减少。

目前,部分学者曾对青海省东部农业区或河湟谷地近几十年气候变化特征进行研究[9-11]。陈晓光等[9]、赵燕宁等[10]和梅朵等[11]研究指出,青海省东部农业区或河湟谷地及西宁市年、季平均气温呈显著增暖趋势，年降水量则呈现减少趋势；以上研究的气候要素主要限于温度等单一气候因子,而对于地处东部农业区的海东市而言,对生态环境产生重要影响的能量供给因子(平均温度、日照时数、云量) 、空气动力因子(风速、沙尘日数) 和湿度因子(降水量、降水日数、相对湿度) 等气候因子的变化特征的研究比较少，难以全面概括出青海省海东市气候变化特征。

近几十年来,有关海东市光、温、湿、风等多种气候要素变化趋势和变化规律，尤其是对潜在蒸散量和地表湿润指数的变化的研究,目前还较少见。因此,全面、客观地分析海东市近55年来的气候变化规律,对适应气候变化,采取趋利避害的生态环境保护和工农业生产管理技术措施具有重要参考价值。

1 研究区域概况与资料方法

1.1 研究区域概况

海东市位于青海高原东部(35°26′～37°05′N,100 °41′～103 °04′E,海拔1 650～4 754 m),是西北干旱区的重要组成部分。现辖乐都区、平安区、互助县、民和县、化隆县、循化县,总面积1.32万km2,是青海省主要的工农业区和人口积聚区,也是青海省粮食主产区。由于受海拔高度、西风环流系统和季风的影响,气候变暖,其水资源匮乏、水土流失和沙漠化严重，属于典型的干旱、半干旱大陆性气候和生态环境脆弱或恶劣地区。其地形地貌复杂，气候基本特点是：高寒、干旱,日照时间长,太阳辐射强,昼夜温差大,冬夏温差小,海拔3 000 m以上的北部山区较寒冷,海拔1 700～2 500 m的黄河、湟水河谷地带较温暖。年平均气温3.2～8.6℃左右,年平均降水量在319.2～531.9 mm之间,集中在5-9月,冬末春初时期多大风天气。

1.2 气象资料

选取青海省海东市境内的互助、循化、化隆、乐都、民和等5个资料序列完整且具有较好代表性的气象台站(平安气象站建站时间较晚未参加统计分析)1961-2015年逐月平均气温、降水量、降水日数(≥0.1 mm)、日照时数、风速、沙尘日数、云量、相对湿度、潜在蒸散量和相对湿润度指数等气候要素,并以5站各要素序列的算术平均值代表海东市气候变化的时间序列，站点分布图见图1。

气象季节划分：春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)和冬季(12月-次年2月),以1981-2010年平均值代表30年气候平均值。

1.3 研究方法

1.3.1 气候倾向率 通常用一次直线方程来描述气候要素的变化趋势[12]:

y(t)=a+bt

(1)

式中,t为时间序列,a为经验系数,可通过回归分析方法中的最小二乘法求取,b为趋势变化率,当b为正(负)表示气候要素有增加(减小)趋势,b×10为气候倾向率,表示气候要素10a的变化速率。

1.3.2 Mann-Kendall方法 MK法[12]通过构造正序列(UF)和逆序列(UB)进行计算，根据正、逆序列统计量的曲线判断气象要素的变化趋势及突变特征。该方法的优点是数据序列不需要遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰。

1.3.3 湿润指数计算 湿润指数是反映干湿程度的一个相对指标,它能客观地反映某一地区的水热平衡状况[13]。计算公式为:

K=P/ET

(2)

图1 青海省海东市5个气象站点分布图Fig.1 Five meteorological site map in Haidong City of Qinghai

式中,K为湿润指数,P为降水量(mm),ET为潜在蒸散量(mm)。某一地区的湿润指数越大,则表明该区气候越湿润,而湿润指数越小,则气候越干燥。潜在蒸散量又称为最大可能蒸发或蒸发力,其计算方法很多,而由国家标准(GB/T20481-2006)《气象干旱等级》推荐的Thornthwaite[14]方法计算相对简单,需要的气象要素少,因此本文采用此方法进行计算。具体的过程和公式可参考相关文献[15]。

2 结果与分析

2.1 各要素年际和年代际变化

2.1.1 平均气温变化 1961-2015年海东市各站年平均气温差异明显(2.7～8.9℃),近55年其变化趋势基本一致,在波动中逐渐上升,各站年平均气温分别以0.25～0.42℃·(10a)-1的倾向率上升,整体平均气温上升倾向率为0.33℃·(10a)-1(图2(a))；1990年之前的年平均气温距平以负距平为主，之后则以正距平为主。四季平均气温均呈现极显著增高的趋势,其中冬季增幅最大,达0.49℃·(10a)-1,春秋季次之,为0.28℃·(10a)-1；夏季增温幅度最小,为0.27℃·(10a)-1，年和四季均通过0.01的显著性检验。近55年海东市年平均气温的均值为6.2℃,最低值为4.9℃(1967年),最高值为7.7℃(2013和2015年)。年和四季平均气温分别升高了1.8、1.5、1.5、1.6℃和2.7℃。可见,海东市年和四季平均气温变化趋势与全国[3]和青海省[9,16]年均温和四季均温变化趋势相同。

从气温的年代际距平变化来看,海东市年平均气温年代际变化呈现明显的变暖趋势(表1),20世纪60年代、70年代和80年代平均气温总体偏冷,但期间气温已呈现年代际上升趋势,90年代开始变暖加速,其后气温逐年升高且上升幅度逐年增大。

2.1.2 降水变化 在全球变暖背景下,中国近百年来降水量表现出不断减少的趋势,但是西部地区降水量呈明显的增加趋势,而且以西北地区表现最为明显[16-17]。

海东市各站年降水量为266.4～518.1 mm,年降水日数为74.4～130.4 d,差异明显。但近55年年降水量除循化站表现为增加趋势外(3.1 mm·(10a)-1)其他4站表现为减少趋势(-1.0～-16.9 mm·(10a)-1),仅互助站通过0.05的显著性检验；年降水日数各站均表现为减少趋势(-0.04～-7.5 d·(10a)-1),其中互助和化隆站减少趋势明显,气候倾向率分别为-7.5 d·(10a)-1和-3.2 d·(10a)-1,其他三站减少趋势不明显。海东市整体年降水量和降水日数均表现为减少趋势(图2(b)和2(c)),气候倾向率分别为-4.9 mm·(10a)-1和-2.3 d·(10a)-1,降水日数通过0.05的显著性检验，降水量在1980年以前基本上以正距平为主,1980年以后以负距平为主,降水日数在1990年以前基本上以正距平为主,1990年以后以负距平为主。四季降水量和降水日数均表现为减少趋势,降水量气候倾向率分别为-0.12、-3.8、-1.0 mm·(10a)-1和-0.03 mm·(10a)-1,降水日数气候倾向率分别为-0.8、-0.5、-0.9 d·(10a)-1和-0.2 d·(10a)-1,均未通过0.05显著水平检验。海东市年降水量和降水日数多年平均分别为383.2 mm和101.7 d,最低值为268.0 mm(1991年)和82.2 d(2001年),最高值为586.2 mm(1961年)和139.6 d(1967年)，最多降水量约为最少降水量的2.2倍，最多降水日数约为最少降水日数的1.2倍,这说明海东市年际降水差异较大,存在明显的丰水年和枯水年。

图2 近55年青海省海东市各气候要素的变化趋势Fig.2 Change trends of climate elements in Haidong City of Qinghai Province during 1961-2015

表1 气象要素的年代际距平变化

从近55年海东市降水量和降水日数的年代际距平变化来看,20世纪60年代降水量和降水日数明显偏多,70年代降水量和降水日数偏少,80年代降水量偏少而降水日数偏多,进入90年代后降水量逐步增多而降水日数逐步减少,90年代和21世纪前十年降水量较气候平均值增多了1.3 mm和3.3 mm,而降水日数减少了2.5 d和3.5 d(表1)。

2.1.3 相对湿度变化 海东市各站相对湿度差异相对较小(52.5%～63.4%), 1961～2015年海东市5站分别以(-0.31%～-1.26%)·(10a)-1的气候倾向率减小，互助站的减小趋势最大(-1.26%·(10a)-1)，循化站最小(-0.20%·(10a)-1)，乐都、化隆和互助通过0.05以上的显著性检验。海东市整体平均相对湿度以0.7%·(10a)-1的气候倾向率减少,达到了0.05的显著性水平。近55年海东市年平均相对湿度已减少了3.7%(图2(d))。相对湿度在1990年以前基本上以正距平为主，1990年以后以负距平为主。四季平均相对湿度也表现为减少趋势,气候倾向率分别为-1.3、-0.8、-0.5%·(10a)-1和-0.1%·(10a)-1,春夏季通过0.05以上显著性检验。

2.1.4 风速和沙尘日数变化 虽然海东市各站年平均风速有较大差异,循化站多年平均风速在3.0 m·s-1左右,而其他4站多年平均风速小于2.0 m·s-1,但近55年各站年平均风速变化趋势基本一致,分别以-0.10～-0.17 m·s-1的气候倾向率减小。海东市整体年平均风速呈减小趋势,气候倾向率为-0.13 m·s-1·(10a)-1,达到了0.001的显著性水平。近55年海东市年平均风速已减小了0.7 m·s-1(图2(e))。四季平均风速也表现为较少趋势,气候倾向率分别为-0.18、-0.11、-0.11 m·s-1和-0.11 m·s-1,均通过0.001的显著性检验。

由图2(f)可知，海东市年平均沙尘日数在2.1～38.7 d之间,民和站多年沙尘日数在38.7 d,乐都和循化站次之,分别为15.4 d和11.9 d,互助站最少为2.1 d。近55年各站沙尘日数的变化趋势基本一致,各站年沙尘日数分别以0.3～20.9 d·(10a)-1的气候倾向率减小。海东市整体平均沙尘日数减小速率为6.3 d·(10a)-1,达到了0.001的显著性水平。四季沙尘日数均表现为减少趋势,气候倾向率分别为-3.0、-0.6、-0.6 d·(10a)-1和-2.1 d·(10a)-1,均通过0.001的显著性检验。

2.1.5 云量的变化趋势 由图2(g)看出，在过去的55 a中,各站多年平均云量为5.3～5.9成。从各站来看,5站年平均云量均为减少趋势(-0.01～-0.18成·(10a)-1),其中,民和、乐都、化隆和互助站减少趋势通过了0.001的显著性检验,而南部的循化站没有通过显著性检验。从整个海东市来看,年平均云量略有减少,减少速率为0.12成·(10a)-1,未通过0.05显著性检验；春、夏、秋、冬平均云量也表现为减少趋势,气候倾向率分别为-0.16、-0.12、-0.14成·(10a)-1和-0.17成·(10a)-1,春秋季通过0.001显著性检验,夏季通过0.01显著性检验。

2.1.6 日照时数变化 日照时数是一个重要的表征气候变化的气象要素，也是多种因子(如云量、气溶胶、水汽含量)等共同作用于太阳辐射的结果。1956-2005年全国日照时数以0.136 h·(10a)-1减少[20]。海东市光照资源相对比较充足,各站多年平均日照时数为2 447.6～2 681.7 h，近55年各站日照时数均表现为减少趋势(-4.7～-69.7 h·(10a)-1),民和、乐都和化隆站通过0.05以上显著性检验。海东市整体平均日照时数以-36.6 h·(10a)-1的气候倾向率呈极显著的减少(图2(h)),通过0.01显著性检验,日照时数在1990年以前基本上以正距平为主,1990年以后以负距平为主。四季日照时数均表现为减少趋势,气候倾向率分别为-0.01、-11.6、-8.6 h·(10a)-1和-16.4 h·(10a)-1,夏冬季通过0.05以上显著性检验。

2.1.7 潜在蒸散量变化 海东市各站潜在蒸散量在398.4～553.6 mm之间。各站年潜在蒸散量以1.4～9.7 mm·(10a)-1的气候倾向率极显著增大,其中乐都站气候倾向率高达9.7 mm·(10a)-1。海东市平均年潜在蒸散量以7.9 mm·(10a)-1的速率呈极显著增加趋势(图2(i))。55年海东市平均年潜在蒸散量已增加了43.7 mm,春夏秋季潜在蒸散量分别以2.5、3.0 mm·(10a)-1和2.3 mm·(10a)-1的气候倾向率极显著增大,年和春夏秋季均通过0.01显著性检验。

统计分析海东市1961-2015年潜在蒸散量与同期年平均气温、降水量、降水日数、日照时数、平均风速、相对湿度和云量的相关关系(表2),可以发现,潜在蒸散量与年平均气温呈极显著的正相关,而与年降水量、降水日数、相对湿度、平均风速、日照时数和云量呈负相关,平均气温、降水日数、相对湿度和云量通过0.001显著性检验,日照时数和平均风速通过0.05的显著性检验,降水量未通过显著性检验,说明影响海东市潜在蒸散量变化的气候因素是复杂多样的。近55年,尽管海东市平均气温呈上升趋势,但由于风速、日照时数、降水日数、云量和相对湿度等气象因子的减小对潜在蒸散的增加作用不能完全补偿气温上升的影响,导致潜在蒸散量总体呈极显著的增加趋势。

2.1.8 湿润指数变化 55 a来,海东市各站湿润指数在0.48～1.24之间。受降水量变化趋势不明显和潜在蒸散量增加的共同影响,近55 a海东市各站湿润指数均为减小趋势,其中,气候最为湿润的互助站减小趋势最大,气候倾向率为-0.08·(10a)-1,相反,气候最为干燥的循化站湿润指数变化不明显。海东市年平均湿润指数以气候倾向率0.02·(10a)-1呈减小趋势(图2(j)),春夏秋三季湿润指数也呈现减小趋势, 年和春夏秋季均未通过显著性检验。

表2 海东市潜在蒸散量与气象因子的相关关系

注：**表示P<0.05水平显著，***表示P<0.001水平显著。

Note: **: Correlation is significant atP<0.05; ***: Correlation is significant atP<0.001 level.

2.2 各要素突变检测

利用Mann-Kendall方法分别对海东市1961-2015年年平均气温、降水量、降水日数、日照时数、风速、相对湿度、潜在蒸散量和湿润指数等要素进行突变检测,图3给出了海东市平均气温、降水日数、风速和日照时数的突变检验(其余图略)。结果表明,近55年年平均气温和潜在蒸散量分别在1995-1996年和2001年发生了显著的突变性升高,年平均风速、降水日数、日照时数、总云量和相对湿度分别于1982年、1993-1994年、2002-2003年、1984年、2009-2010年发生显著的突变性减小,降水量和湿润指数的变化未达到突变标准。综合气温和湿润指数的突变特征,可以认为,海东市气候在1995-1996年发生了“暖干化”的突变。这与文献[19]提出的“西北地区气候在1987年前后发生了由暖干向暖湿转变”的论述有一定差异,这可能与研究区域和分析技术方法不同有关。

2.3 气候变化的可能影响因子

气候要素的变化与区域环流因子及涛动、季风等重要指示因子有密切的关系。受北半球大气环流影响的青海省海东市气温和降水将如何对大气环流、涛动指数及季风等作出响应,本文对海东市1961-2015年气温、降水与北极涛动(AOI)、青藏高原指数(TPI)、西风指数(WCI)、东亚夏季风指数(EASMI)和南亚夏季风指数(SASMI)等序列进行相关分析(表3)。

海东市冬季气温与青藏高原指数、西风指数、北极涛动指数的相关系数分别达0.60、0.40和0.31,相关性较好,变化趋势基本一致,而夏季气温仅与青藏高原指数相关较好,为0.35。青藏高原大地形的热力和动力作用对大气环流和气候产生一定的影响。热力性质差异(主要是积雪面积和植被状况的变化)对周边地区的气温产生重要的影响，而高原的动力作用(绕流)使得高原北侧强劲的西风气流与南下的西北气流在高原东北侧汇合,从而影响着该地区的气温。研究表明北极涛动对北半球大气环流以及冬、春季北半球近地面许多气候要素都有显著影响[19-20],冬季北极涛动通过影响西伯利亚高压和东亚大槽来影响冬季风,进而影响冬季气温,而海东市是冬季西伯利亚高压南下必经之地,南下强劲的西伯利亚高压途经并控制该地区,对区域气温产生重要影响。此外,东亚夏季风指数和南亚夏季风指数的强弱对海东市的气温也有一定的影响。

图3 海东市平均气温、降水日数、风速和日照时数突变检验Fig.3 Mutation test of mean temperature, precipitation days, wind speed and sunshine hours in Haidong City

表3 气候变化和影响因子的相关分析

注：*表示P<0.05水平显著;**表示P<0.01水平显著。

Note: * correlation is significant ofP<0.05 level; ** correlation is significant atP<0.01 level.

海东市夏季降水量与南亚夏季风指数、北极涛动指数和西风指数有较好的负相关，相关系数分别为0.35、030和0.26,东亚夏季风对冬季降水量有一定的影响，相关系数为-0.24。该地区处于东亚季风区和南亚季风区的边缘地带,受季风和西风的共同影响。当夏季风指数强时,南亚季风向北推移,西风西退,在水汽充足的情况下,可以发生有效降水；而夏季风指数弱时,该区域受西风和季风交替控制，大气含水量不足,无法形成有效降水。

3 讨 论

海东市处于西北干旱区的西缘,除了受西风环流系统影响外,还受到季风的影响,气候复杂多变,在全球气候变暖的背景之下，研究各个气候要素的变化趋势显得十分重要。与已有研究结论相比，海东市气温的增加趋势明显高于全国水平[2](0.22℃·(10a)-1)而低于青海省[8](0.36℃·(10a)-1),与青海省东部农业区[9](0.32℃·(10a)-1)基本持平，降水量的变化趋势与青海省整体[8](3.3 mm·(10a)-1)相反，和东部农业区[9](-5.23 mm·(10a)-1)基本相符，潜在蒸散量增加(7.9 mm·(10a)-1)而湿润指数减小(-0.02·(10a)-1),表现出不明显的暖干化趋势，这与张红丽等[21]对中国大多数地区1956-2000年潜在蒸散量变化趋势的研究结果基本一致，也与刘德坤等[22]和徐静等[23]分别研究青海省整体和青海省东部地区气候趋于暖干的结果相一致。王慧[24]、雷生国[25]、刘义花[26]等分别对青海省风速、日照时数和海东市沙尘天气分析指出,风速、日照时数和沙尘天气均呈显著的减少趋势,与本研究结果基本一致。综合上述可以看出，海东市平均气温增加明显,对全球变暖较敏感,特别是冬季增温幅度最大(达0.49℃·(10a)-1),冬季温度的增加对干旱区有很重要的影响，加大农田土壤蒸发量,导致土壤含水量下降和失墒,对农牧业生产产生重大影响。而全年和四季降水量微弱的减少趋势和降水日数的显著减少,将会导致短时强降水的出现,容易引发夏秋季暴雨山洪和泥石流等地质灾害的发生,也使得干旱发生的频次增加,湟水河流域径流量减少。

4 结 论

根据青海省海东市5个气象观测站近55 a的地面气象资料和大气环流指数资料,采用线性趋势分析和相关分析等方法,对海东市气候因子的时空分布特征及其影响因子进行了分析,主要结论为：

(1)近55年海东市随着气候变暖降水减少,总体呈不明显的“暖干化”趋势。年平均气温和潜在蒸散量呈现显著的上升趋势,年降水日数、平均风速、沙尘暴日数、日照时数、云量和相对湿度表现为显著的减少趋势。湿润指数和降水量表现为不显著的减少趋势。

(2)海东市年平均气温和潜在蒸散量分别在1995-1996年和2001年发生了显著的突变性升高,年平均风速、降水日数、日照时数、总云量和相对湿度分别于1982年、1993-1994年、2002-2003年、1984年、2009-2010年显著的突变性减小,降水量和湿润指数的变化未达到突变标准。

(3)海东市冬季气温变化与青藏高原指数、北极涛动指数和西风环流指数有明显的正相关关系，青藏高原的动力和热力作用对高原东北侧的海东市气温变化有很重要的影响，而该地区温度还受由北极涛动引起的冬季风和西风环流的影响。海东市夏季降水量与南亚夏季风指数和北极涛动指数有较好的负相关，南亚夏季风的进退以及所携带的水汽是影响该区域降水量变化的主要因素之一。