长江源区气温序列趋势变化及突变年份识别

马 莲，杨 颖，刘增辉，司剑华，卢素锦*，高云鹤， 祁 玥，金 诚，繆 言，哈妍晖，寇启超，李红梅

(1.青海大学生态环境工程学院，青海 西宁 810016； 2.青海大学农牧学院，青海 西宁 810016； 3.青海省气候中心，青海 西宁 810001)

联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次评估报告中指出，21世纪全球气温将会不断升高，全球变暖的程度将继续不断增大[1]。在全球变暖趋势日益加强的背景下，中国近一个世纪的气温在不断上升[2]，变暖过程具有一定的波动性，在空间、时间上存在显著的不同[3]。气温是气候变化最基础的研究指标之一，其与气候的预测、气候的模式等研究有着十分重要的联系[3]。

长江源区地处青藏高原腹地(33°43′56″N～35°34′57″N，92°07′05″E～94°01′27″E)，孕育了长江流域，具有极其重要的生态地位。由于气候变暖及人类活动的加剧，源区内出现了冰川融化、雪线高度上升、地下水水量减少等现象，对长江流域可持续发展、资源开发利用、动植物生存环境以及人们的生产生活带来了严重的威胁[4]。韩国军[2]研究发现，青藏高原气温呈上升趋势，年均气温、极端高温和极端低温均呈现升高趋势，区域极端降水呈现增加趋势。叶秣麟等[5]通过对已重建的黄河源区1618—2009年5—6月最高气温序列的代表性空间、突变及周期的分析，揭示了其长时间尺度的变化规律。齐冬梅等[6]研究发现，从20世纪60年代开始，长江源区年及四季气温呈显著增温趋势，预计到2050年，源区气温以及降水量会不断增加。长江源区气温增加会导致降水量增大、冰山面积不断缩减[6]。探索长江源区气候变化规律，了解该源区的气温特点和趋势，对长江源区气候变化的应对和生态环境的保护具有重要意义。由于近几年有关长江源区气温序列趋势及突变年份变化的研究相对较少，本文以长江源区9个具备代表性的站点(沱沱河、五道梁、曲麻莱、玉树、安多、杂多、治多、囊谦和清水河)为研究对象，对59年(1961—2019年)来各站点的气温数据进行分析，研究源区气温序列趋势和突变规律，为长江源区应对气候变化政策的制定提供理论依据。

1 研究方法

1.1 数据整理与监测

图1 长江源区气象站点分布图Fig.1 Distribution of weather stations in the source region of the Yangtze River

(1)1961—2015年气温数据。本研究选取1961—2015年9个站点(沱沱河、五道梁、曲麻莱、玉树、杂多、治多、囊谦和清水河站点气温数据由青海气候研究中心提供，安多站点气温数据由西藏气候中心提供)。数据按月分为月均、月均最高和月均最低气温3个指标。将研究的9个站点分成3个地区，分别是低纬度区(曲麻莱、清水河和五道梁)，中纬度区(杂多、囊谦和沱沱河)和高纬度区(治多、玉树和安多)。

(2)2016—2019年气温数据监测。2016—2019年的气温数据由现场监测得到，分别在9个气象站点进行365 d连续的气温监测，主要数据有每日平均气温、每日平均最高气温和每日平均最低气温。站点气温采集使用型号为LDX-RM-lx014的干、湿温度计,最高、最低温度用型号为CRM8-XH-202温度计进行测定。将温度计安装在百叶箱中，放置在水平位置。利用温度计测定时，一端距离地面保持 1.5 m。

1.2 分析方法

采用线性回归法[7]、Spearman相关检验法[7-8]、ArcGIS地图法[5-8]对长江源区气温趋势进行分析，采用Mann-Kendall检验法[7-9]进行气温突变点识别。

1.3 数据处理

采用Excel表格对数据进行梳理，对年均气温、年均最高气温和年均最低气温数据变化趋势进行分析；采用SPSS软件进行Spearman相关检验，分析其是否存在显著性；采用ArcGIS地图法对长江源区各气温进行空间变率分析；基于Mann-Kendall检验法，利用Matlab语言分析突变年份。

2 结果与分析

2.1 1961—2019年长江源区不同纬度气温变化趋势分析

(1)低纬度区气温变化趋势分析。近59年来，曲麻莱、清水河和五道梁3个站点的3种气温趋势均为波动性上升，气温最高的是曲麻莱，最低的是五道梁。曲麻莱和清水河气温在2017年有较大的增长，五道梁的年均最高温度在2017年明显下降。曲麻莱和清水河的年均最低气温的增温幅度大致相同，在2016年大幅度提高，五道梁呈下降趋势(图2)。

图2 低纬度区不同气温变化趋势(1961—2019年)Fig.2 Different temperature changes in low latitudes(1961—2019)

采用Spearman相关检验法，对曲麻莱、清水河和五道梁的气温进行显著性分析(表1)， 3个站点的年均气温、年均最高气温和年均最低气温变化都具有显著性(P<0.05)，且都为上升趋势，其中年均气温和年均最低气温变化较明显(P<0.05)。

(2)中纬度区气温变化趋势分析。近59年来，杂多、囊谦和沱沱河3个站点的3种气温都为上升趋势，并且具有一定的波动性，气温最高的是囊谦，最低的是沱沱河。除囊谦外，杂多和沱沱河都呈现上升趋势；杂多、囊谦和沱沱河3个站点的升温幅度大致相同(图3)；对杂多、囊谦和沱沱河的年均、年均最高和年均最低气温进行显著性检验(表1)发现，3个站点的年均、年均最高、年均最低气温随时间变化具有显著性(P<0.05)，且都呈上升趋势。

图3 中纬度区不同气温变化趋势(1961—2019年)Fig.3 Different temperature changes in mid-latitudes(1961—2019)

(3)高纬度区气温变化趋势分析。近59年来,治多、玉树和安多的气温波动较为稳定，玉树的气温在2015年达到了较高点，之后迅速下降,造成了明显的气温差，治多呈现稳定的上升趋势；治多和玉树的年均最高气温也呈上升趋势，波动较为稳定，玉树在2015年出现了最低温度。安多在1994年和2006年温度较高，其余年份波动稳定；1992年安多出现了最低温度，之后处于逐步上升趋势(图4)。经显著性检验，治多、玉树和安多3个站点的气温都随时间变化具有显著上升趋势(P<0.05)(表1)。

图4 高纬度区不同气温变化趋势(1961—2019年)Fig.4 Different temperature changes in high latitudes(1961—2019)

2.2 1961—2019年长江源区气温变化趋势比较

2016—2019年，长江源区的气温都呈现出上升趋势。其中，年平均气温波动比较稳定，年均最高气温在1995年之后波动变化明显，年均最低气温无较大的波动，较为稳定(图5)。经显著性检验(表1)，长江源区的年均气温、年均最高气温、年均最低气温随时间改变都具有显著性(P<0.05)，年均最低气温呈现出极显著趋势(P<0.01)。

图5 长江源区不同气温变化趋势(1961—2019年)Fig.5 Different temperature changes in the source region of the Yangtze River(1961—2019)

表1 长江源区气温趋势显著性分析(1961—2019年)

长江源区的年均气温和年均最高气温分别为-0.90 ℃和14.62 ℃，其中，囊谦的年均气温和年均最高气温最高，分别为4.24 ℃和21.8 ℃，五道梁的年均气温最低，为-5.10 ℃和10.43 ℃；长江源区的年均最低气温为-15.31 ℃，最低气温在清水河，为-22.72 ℃，最高气温在杂多，为-13.56 ℃(表2)。

长江源区气温升高趋势一致，但增温幅度有所不同。其中，年均气温最大倾向率在曲麻莱(1.09 ℃/10a)，年均最高气温和年均最低气温的最大倾向率均在沱沱河，分别为1.28 ℃/10a和1.17 ℃/10a；年均气温的最小倾向率在囊谦和治多，均为0.44 ℃/10a，年均最高气温和年均最低气温的最小倾向率均在囊谦，分别为0.48 ℃/10a和0.30 ℃/10a(表2)。

表2 长江源区气温趋势比较(1961—2019年)

2.3 1961—2019年长江源区气温空间变率分布比较

图6为由9个站点的气温倾向率得出长江源区的年均气温、年均最高气温、年均最低气温的空间变率分布图。研究区站点的年均气温变化值为低纬度区>中纬度区>高纬度区，最高的倾向率出现在玉树，最低的倾向率出现在五道梁及沱沱河；研究区西南及西部的最高气温的倾向率要高于北部站点地区，其中，清水河以及玉树温度倾向率最高，五道梁气温倾向率最低；年均最低气温的倾向率依次为东部、北部和西部站点地区，最高的倾向率是位于玉树，最小的在五道梁(图6)。

图6 长江源区气温空间变率分布(1961—2019年)Fig.6 Distribution of spatial variability of temperature in the source region of the Yangtze River(1961—2019)

2.4 1961—2019年长江源区气温变化突变检验

应用Mann-Kendall检验法对长江源区的年均气温、年均最高气温、年均最低气温进行突变分析(图7)。源区的年均最高气温在1968年发生突变；年均最低气温在2000年发生气温升高突变；年均气温没有明显的突变现象。

图7 长江源区气温突变检验(1961—2019年)Fig.7 Mutation test of temperature in the source region of the Yangtze River(1961—2019)

对各站点气温用Mann-Kendall检验法进行突变识别(表3)，长江源区的9个气象检测分布点中，曲麻莱、沱沱河和杂多的年均气温的突变年份均在2000年之前，而治多、玉树和囊谦在2000年之后存在突变现象，其他3个站点由于气温一直保持上升状态，没有明显的突变现象；年均最高气温，有突变的站点年份均在2000年之前，其中清水河、五道梁和安多3个站点突变年份比较接近；曲麻莱和安多年均最低气温突变年份在1995年之前，清水河在2014年发生突变，其他站点的气温变化趋势无明显突变。

表3 长江源区各站点的突变情况(1961—2019年)

3 讨论与结论

强安丰等[10]研究长江源区气温变化显示，长江源区气温变化明显，年平均最高气温具有较大的倾向率，气温倾向率表现出高海拔站点大于低海拔站点。本研究中高纬度地区气温增加幅度大于低纬度地区，这与强安丰的研究结果一致。唐见等[11]的研究表明，长江源区气温比较稳定，而本研究中长江源区气温存在着突变点，其原因可能与选取的气象站点不同有关。本研究选取的安多站点隶属于西藏地区，气温比源区其他站点的气温偏低，导致本研究中长江源区的气温存在明显的突变点[12-14]，与唐见等[11]的研究相比较，气温走向偏低。本研究中气温变化有两次高峰期，这与杨建平等[15]的研究结果一致，气温与降水趋势高峰期时间相近，这与降水过后气温有较大的回升，造成的温差较大[16-21]有关。

杨建平等[15]在研究长江源区1964—2014年的气温突变情况中发现，最高气温升幅明显大于最低气温，其中沱沱河具有明显的突变，这与本研究结果一致。齐冬梅等[5]研究得出的长江源区年均气温无较大的波动性，这与本研究结果基本一致。但齐冬梅等[5]得出的曲麻莱地区的最高气温有较大变化的结果，与本研究结果相反，这可能与其只选取了一个站点的气温数值有关。

陈芳等[19]对长江源区的研究表明，1962年气温逐渐增加，到1970年气温上升趋势显著，在1975年后有一段时间气温较低，1984—1985年前后气温上升明显。但本研究发现，长江源区气温在1968年出现急剧升温现象，与陈芳等[19]的研究结果有出入。陈芳等[19]的研究选取了6个站点(没有序列较短的治多站点)，且只分析了1961—2004年的气温数据，本研究选取的9个站点，采用了1961—2019年的气温数据进行了分析，时间序列更长，站点更全面。

本研究通过对长江源区9个具有代表性站点1961—2019年的气温数据变化趋势以及突变的研究分析，得出如下结论：

(1)长江源区站点的气温都呈现出上升趋势，但是增温幅度有所差异，倾向率最高是1.28 ℃/10a，出现在年平均最高气温；年均气温和年均最低气温的最高倾向率均在1.10 ℃/10a左右。

(2)长江源区9个站点中，年均气温的倾向率数值大多在0.30～0.90 ℃/10a，年均最高气温数值变化波动集中在0.61～0.67 ℃/10a，年均最低气温大多在0.30～0.65 ℃/10a。

(3)长江源区的年均最高气温在1968年发生突变、年均最低气温在2000年发生突变，年均气温稳定变化，没有明显的突变现象。

(4)长江源区9个站点中，曲麻莱、沱沱河和杂多以及治多、玉树和囊谦的年均气温发生突变的年份在2000年左右；1974—1999年最高气温发生突变的频率最大；年均最低气温突变现象少有发生。

(5)长江源区气温随着年份变化不断上升，气温趋势呈现出中纬度地区>高纬度地区>低纬度地区。

(6)1961—2019年长江源区的气温均呈现出上升趋势。因此，提出应对气候变化的方法和策略迫在眉睫。