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1961-2020年黄河流域气候变化特征研究

2021-12-21王胜杰赵国强王旻燕范学峰王成刚

气象与环境科学 2021年6期
关键词:最低值太阳辐射日照时数

王胜杰,赵国强,王旻燕,范学峰,,王成刚

(1.中国气象局气象发展与规划院,北京 100081;2.河南省气象局,郑州 450003;3.国家气象信息中心,北京 100081;4.南京信息工程大学,南京 210044)

引 言

全球气候系统变暖的事实是毋庸置疑的,近百年来全球地表温度持续升高,平均增加了0.85 ℃,气温普遍升高尤以北半球中高纬度地区最为明显,气候变化对人类和自然系统产生着广泛影响[1-3]。过去100年中国平均地表气温增加1.3~1.7 ℃,与全球变化趋势一致,且增温幅度明显高于全球的增温幅度[3-4]。黄河是中国第二大内河,发源于青藏高原巴颜喀拉山北麓的约古宗列盆地,自西向东流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东9个省(区)。黄河流域在中国经济社会发展和生态安全等方面具有重要的战略地位[5],是中国重要的农业和能源基地[6],保护黄河是事关中华民族伟大复兴和永续发展的千秋大计[7]。黄河流域横跨青藏高原、内蒙古高原、黄土高原和华北平原等4个地貌单元,地势西高东低,形成三级阶梯,气候类型复杂多样,从高原湿润区逐步向荒漠干旱区、温带半湿润区过渡[8],区域气候特征鲜明。

在全球气候变化背景下,黄河流域气候资源也发生了改变。前人研究结果表明,近50年来黄河流域气温呈显著升高趋势,冬季的增幅最大[9],年降水量和年降雨日数均呈下降趋势,特别是秋季的减少最为显著[9-10],参考作物蒸散量呈显著增加的趋势[11]。整体而言,冬季全流域出现暖湿化趋势,春季上游呈暖湿化趋势,而秋季中游为暖干化趋势[9]。1960-2000年,黄河流域太阳总辐射和日照百分率呈下降趋势,尤以夏季和冬季的下降趋势明显[12-13]。与此同时,黄河流域极端天气气候事件频发,水资源、生态环境及农业生产也受到了气候变化影响[14-19]。全流域极端气温指数均呈上升趋势[14],极端降水量级存在显著变异特征,且极端降水频率增加[15];径流量明显减少,中游和下游径流显著下降[16-17];植被覆盖呈现整体缓慢升高、局部退化趋势;荒漠化扩展态势得到遏制,但总体形势依然严峻[18];作物生长季延长,一年一熟区和一年两熟区边界向北扩张[19]。前人对黄河流域气候变化的研究多集中在全流域、黄土高原等局部地区或沿黄行政区域,侧重于对温度、降水、径流等变化特征的探讨[20-23],且以季节特征分析居多,少有对不同气候基准期黄河流域及上、中、下游气候变化特征的系统分析,大多未兼顾光照变化。在前人研究的基础上,基于不同气候基准期及黄河流域上、中、下游区划,在了解黄河流域气候变化概况的同时,分析探究不同时段的气候变化时空特征。本研究基于1961-2020年黄河流域气象台站的地面观测资料,明确近60年来全流域及上、中、下游不同地区平均气温、最高气温和最低气温等温度要素,降水量和降水日数等降水要素,日照时数和太阳辐射等光照要素的时空分布特征,并将1961-2020年划分为4个气候基准期(1961-1990年为时段Ⅰ、1971-2000年为时段Ⅱ、1981-2010年为时段Ⅲ、1991-2020年为时段Ⅳ),分析不同气候基准期气候要素空间分布特征和时间演变趋势,以直观反映气候变化对黄河流域全区及上、中、下游地区的影响,旨在为该区域积极应对和适应气候变化,推进黄河流域生态保护和高质量发展提供科学依据。

1 研究资料与方法

1.1 数据来源

研究区域为黄河流域(95°53′-119°05′E、32°10′-41°50′N),涉及青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东9个省(区)。气象数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/),包括研究区域内72个气象站点1961-2020年逐日平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均相对湿度、平均气压、日照时数和风速等观测数据,研究区域及气象站点分布如图1所示。

图1 研究区域及气象站点分布

1.2 研究方法

1.2.1 太阳辐射

本文采用Ångström公式计算太阳辐射[24-25]:

(1)

式中,RS为太阳辐射(MJ·m-2·d-1);Ra为晴空太阳辐射(MJ·m-2·d-1);N为最大天文日照时数(h);n为实际日照时数(h);a和b为经验系数,随大气状况(湿度、尘埃)和太阳倾角(纬度和月份)而变化,推荐使用a=0.25,b=0.50[26-27]。

1.2.2 气候倾向率

本文采用最小二乘法[28]计算气候倾向率,用xi表示样本量为n的气候变化量,用ti表示xi所对应的时间,建立xi与ti的一元线性回归方程:

(2)

式中,a′为回归系数,b′为回归常数。以a′的10倍作为气候倾向率,表示气候要素每10年的变化趋势,其中正值表示增加趋势,负值表示减少趋势。

1.2.3 数据处理

根据上述方法计算出72个气象站点的气候要素各个指标后,运用ArcGIS的IDW(反距离权重法)插值方法对气象数据进行空间表达。本文设定的Cell size参数均为0.002,生成空间栅格数据,获得空间分布图。

2 结果与分析

2.1 气温变化特征

2.1.1 年平均气温

研究期间,黄河流域年平均气温平均为8.0 ℃,空间上呈现东高西低、南高北低的分布特征(图2a)。黄河流域上、中、下游地区年平均气温分别为5.5、10.4和14.4 ℃。其中,年平均气温高值区集中在黄河流域中游东部及下游地区,包括陕西武功、宝鸡,山西运城、流域河南段及山东段等地区,均高于12.0 ℃;低值区集中在黄河流域源区,年平均气温均低于0.0 ℃。1961-2020年,黄河流域年平均气温的气候倾向率为0.33 ℃·10a-1,变化趋势极显著(P<0.01)。黄河流域上、中、下游地区的年平均气温气候倾向率分别为0.36、0.28和0.30 ℃·10a-1。

比较不同气候基准期年平均气温可知,4个气候基准期年平均气温逐渐增加,时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年平均气温平均值分别为7.4、7.7、8.1 和8.5 ℃(表1)。如图2(a)所示,4个时段年平均气温分别为-4.1~14.5 ℃、-3.8~14.8 ℃、-3.3~14.9 ℃和-2.8~15.5 ℃,最高值差距为0.1~1.0 ℃,最低值差距为0.3~1.3 ℃。时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ年平均气温最高值均出现在山东济南,时段Ⅳ的最高值出现在河南郑州,而4个时段的最低值均出现在青海玛多。从时间变化看(表1),时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年平均气温气候倾向率分别为0.12、0.36、0.54和0.38 ℃·10a-1,其中,时段Ⅲ升温趋势最为显著,时段Ⅰ升温趋势最缓。4个时段大部分地区年平均气温均呈增加趋势,时段Ⅱ-Ⅳ有97%以上的站点呈升温趋势,时段Ⅰ相对较少,为81%。

2.1.2 年平均最高气温

研究期间,黄河流域年平均最高气温平均为14.9 ℃,空间上呈现东高西低、南高北低的分布特征(图2b)。黄河流域上、中、下游地区年平均最高气温分别为12.9、16.8和19.9 ℃(表1)。其中,平均最高气温高值区集中在黄河流域中游东部及下游地区,包括陕西武功,山西临汾、运城,黄河流域河南段及山东段等地区,均高于19.0 ℃;低值区集中在黄河流域源区,均低于8.0 ℃。1961-2020年,黄河流域年平均最高气温的气候倾向率为0.31 ℃·10a-1,变化趋势极显著(P<0.01)。黄河流域上、中、下游地区的年平均最高气温气候倾向率分别为0.32、0.31和0.18 ℃·10a-1,均呈极显著增温趋势(P<0.01)。

比较不同气候基准期年平均最高气温可知,4个气候基准期年平均最高气温逐渐增加,时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年平均最高气温平均值分别为14.3、14.6、14.9和15.4 ℃(表1)。如图2(b)所示,4个时段年平均最高气温分别为3.5~20.1 ℃、3.5~20.2 ℃、5.0~20.4 ℃、5.4~20.8 ℃。4个时段的年平均最高气温最高值均出现在河南郑州,最低值均出现在青海玛多。从时间变化看(表1),4个时段年平均最高气温的气候倾向率差异较大,时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分别为0.03、0.37、0.59和0.35 ℃·10a-1。其中,时段Ⅱ-Ⅳ总体呈极显著增加的趋势(P<0.01),而时段Ⅰ升温较为缓慢。4个时段中,时段Ⅲ呈升温趋势的站点最多,全部站点均呈升温趋势,而时段Ⅰ仅有一半的站点呈升温趋势。

2.1.3 年平均最低气温

研究期间,黄河流域年平均最低气温平均为2.4 ℃,空间上呈现东高西低、南高北低的分布特征(图2c)。黄河流域上、中、下游地区年平均最低气温分别为-0.4、5.1和9.7 ℃(表1)。其中,平均最低气温高值区集中在黄河流域中游东部及下游地区,包括陕西武功、宝鸡,山西运城,黄河流域河南段及山东段等地区,均高于8.0 ℃;低值区集中在黄河流域源区,均低于-4.0 ℃。1961-2020年,黄河流域年平均最低气温的气候倾向率为0.39 ℃·10a-1,变化趋势极显著(P<0.01)。黄河流域上、中、下游地区的年平均最低气温的气候倾向率分别为0.44、0.31和0.42 ℃·10a-1,均呈极显著增温趋势(P<0.01)。

图2 1961-2020年黄河流域年均气温(a)、年均最高气温(b)、年均最低气温(c)及其气候倾向率(E)分布

表1 1961-2020年黄河流域上、中、下游气候变化特征

比较不同气候基准期年平均最低气温可知,4个气候基准期年平均最低气温逐渐增加,时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年平均最低气温平均值分别为1.8、2.1、2.5和3.0 ℃(表1)。如图2(c)所示,4个时段年平均最低气温分别为-10.1~10.2 ℃、-9.7~10.6 ℃、-9.0~10.7 ℃和-8.5~11.0 ℃。时段Ⅰ-Ⅲ的年平均最低气温最高值均出现在山东济南,时段Ⅳ的最高值出现在河南开封,最低值均出现在青海玛多。4个时段平均最低气温最高值和最低值差异不大。从时间变化看(表1),时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年平均最低气温气候倾向率分别为0.23、0.36、0.56和0.49 ℃·10a-1,4个时段均呈极显著增加的趋势(P<0.01)。4个时段中,时段Ⅲ呈升温趋势的站点最多,除青海西宁、宁夏盐池站点外,其他站点均呈升温趋势;时段Ⅰ的相对最少,有85%的站点呈升温趋势。

2.2 降水变化特征

2.2.1 年降水量

研究期间,黄河流域年降水量平均为458 mm,空间上呈现为南高北低的纬向分布特征(图3a)。黄河流域上、中、下游地区年降水量分别为379、535和664 mm(表1)。其中,降水量高值区位于黄河流域上游若尔盖地区、中游栾川等地及下游华北平原,均高于650 mm;低值区集中在黄河流域上游地区,包括内蒙古杭锦后旗、临河及宁夏惠农、陶乐等地区,均低于200 mm。1961-2020年黄河流域年降水量的气候倾向率为-0.85 mm·10a-1,变化趋势从西北向东南表现为由增加变为减少。黄河流域上、中、下游地区年降水量的气候倾向率分别为2.62、-4.92和-5.02 mm·10a-1。

比较不同气候基准期年降水量可知,时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年降水量平均值分别为464、445、443和452 mm(表1)。如图3(a)所示,4个时段分别为126~879 mm、134~816 mm、137~848 mm和144~811 mm,与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ的年降水量最高值减少了63 mm,最低值增加了8 mm;与时段Ⅱ相比,时段Ⅲ的年降水量最高值增加了32 mm,最低值增加了3 mm;与时段Ⅲ相比,时段Ⅳ的年降水量最高值减少了37 mm,最低值增加了7 mm。其中,时段Ⅰ的年降水量最高值出现在陕西华山,时段Ⅱ-Ⅳ的年降水量最高值均出现在河南栾川;4个时段的年降水量最低值均出现在内蒙古杭锦后旗。从时间变化看(表1),时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年降水量气候倾向率分别为-11.75、-12.25、-5.15和27.79 mm·10a-1。其中,时段Ⅳ呈显著增加趋势,其他3个时段呈减少趋势。时段Ⅰ-Ⅲ均有60%以上的站点年降水量呈减少趋势,时段Ⅳ仅有9%的站点年降水量呈减少趋势,大部分站点呈现不同程度的增加趋势。

2.2.2 年降水日数

研究期间,黄河流域年降水日数平均为91 天,空间上呈现西南高北部低的分布特征(图3b)。黄河流域上、中、下游地区年降水日数分别为94、89和78天(表1)。其中,降水日数高值区集中在黄河流域上游南部地区,包括青海达日、久治及四川若尔盖、红原等地,均高于140天;低值区集中在黄河流域上游西北部地区,包括内蒙古杭锦后旗、临河及宁夏惠农、银川等地,均低于50天。1961-2020年黄河流域年降水日数的气候倾向率为-1.88 天·10a-1,变化趋势显著(P<0.05)。黄河流域上、中、下游地区年降水日数呈极显著(P<0.01)下降趋势,气候倾向率分别为-1.19、-2.74和-2.32天·10a-1。

比较不同气候基准期年降水日数可知,4个气候基准期年降水日数逐渐减少,时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年降水日数平均值分别为94、90、88和87 天(表1)。如图3(b)所示,4个时段年降水日数分别为36~179天、35~174天、35~173和35~174 天,最高值差距为0~5天,最低值差距为0~1天。其中,时段Ⅰ和Ⅱ的年降水日数最高值出现在四川红原,时段Ⅲ和Ⅳ的年降水日数最高值均出现在青海久治;时段Ⅰ的年降水日数最低值均出现在内蒙古临河,时段Ⅱ-Ⅳ的最低值出现在内蒙古杭锦后旗。从时间变化看(表1),时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年降水日数气候倾向率为-2.92、-4.20、-2.76和2.25天·10a-1。其中,时段Ⅱ的年降水日数呈极显著减少趋势,时段Ⅳ的年降水日数呈增加趋势。时段Ⅱ和Ⅲ均有86%的站点年降水日数呈减少趋势,而时段Ⅳ有86%的站点年降水日数呈增加趋势。

图3 1961-2020年黄河流域年降水量(a)、年降水日数(b)及其气候倾向率(E)分布

2.3 光照变化特征

2.3.1 年日照时数

研究期间,黄河流域年日照时数平均为2556 h,空间上呈现西南高东南低的分布特征(图4a)。黄河流域上、中、下游地区年日照时数分别为2708、2390和2288 h(表1)。其中,日照时数高值区集中在黄河流域上游北部地区,包括内蒙古乌拉特中旗、杭锦后旗、临河、东胜及宁夏惠农等地,均高于3000 h;低值区集中在黄河流域中下游南部地区,包括陕西宝鸡、武功,甘肃天水,河南卢氏、栾川等地,均低于2100 h。1961—2020年黄河流域年日照时数的气候倾向率为-33 h·10a-1,变化趋势极显著(P<0.01)。黄河流域上、中、下游地区年日照时数也均呈现极显著(P<0.01)下降趋势,气候倾向率分别为-24、-36和-101 h·10a-1。

比较不同气候基准期年日照时数可知,4个气候基准期年日照时数逐渐减少,时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年日照时数平均值分别为2601、2569、2529和2511 h(表1)。如图4(a)所示,4个时段年日照时数分别为1870~3213 h、1805~3216 h、1755~3211和1755~3218 h,与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ年日照时数最高值增加了3 h,最低值减少了65 h;与时段Ⅱ相比,时段Ⅲ年日照时数最高值减少了5 h,最低值减少了50 h;与时段Ⅲ相比,时段Ⅳ年日照时数最高值增加了7 h,最低值差异较小。其中,4个时段的年日照时数最高值均出现在内蒙古杭锦后旗;时段Ⅰ和Ⅱ的年日照时数最低值出现在陕西宝鸡,时段Ⅲ和Ⅳ的最低值则出现在陕西武功。从时间变化看(表1),时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年日照时数气候倾向率分别为-50、-33、-7和-37 h·10a-1。其中,时段Ⅰ和Ⅳ减少趋势最显著,有20%左右的站点年日照时数呈减少趋势,时段Ⅲ的减少趋势最缓,有54%的站点年日照时数呈增加趋势。

2.3.2 年太阳辐射

研究期间,黄河流域年太阳辐射平均为5751 MJ·m-2,空间上呈现西部高东南低的分布特征(图4b)。黄河流域上、中、下游地区年太阳辐射分别为5896、5584和5558 MJ·m-2(表1)。其中,太阳辐射高值区集中在黄河流域上游北部地区,包括内蒙古临河及宁夏同心、中宁、陶乐等地,均高于6200 MJ·m-2;低值区集中在黄河流域中、下游南部地区,包括陕西宝鸡、武功及甘肃天水、河南卢氏等地,均低于5300 MJ·m-2。1961-2020年黄河流域年太阳辐射的气候倾向率为-39 MJ·m-2·10a-1,上、中、下游地区的分别为-27、-43和-126 MJ·m-2·10a-1,均呈现极显著(P<0.01)下降趋势。

比较不同气候基准期年太阳辐射可知,4个气候基准期太阳辐射逐渐减少,时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ年太阳辐射平均值分别为5801、5765、5716和5701 MJ·m-2(表1)。如图4(b)所示,4个时段年太阳辐射分别为5102~6348 MJ·m-2、5029~6248 MJ·m-2、4981~6275 MJ·m-2、4987~6251 MJ·m-2,与时段Ⅰ相比,时段Ⅱ年太阳辐射最高值减少了100 MJ·m-2,最低值减少了73 MJ·m-2;与时段Ⅱ相比,时段Ⅲ年太阳辐射最高值增加了27 MJ·m-2,最低值减少了48 MJ·m-2;与时段Ⅲ相比,时段Ⅳ年太阳辐射最高值减少了24 MJ·m-2,最低值增加了6 MJ·m-2。其中,4个时段年太阳辐射最高值出现在宁夏中部,最低值出现在陕西宝鸡。从时间变化看(表1),时段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年太阳辐射气候倾向率分别为-64、-41、-5和-45 MJ·m-2·10a-1,其中,时段Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ均有66%以上的站点年太阳辐射呈增加趋势,而时段Ⅲ仅有51%的站点年太阳辐射呈增加趋势。

图4 1961-2020年黄河流域年日照时数(a)、年太阳总辐射(b)及其气候倾向率(E)分布

3 结论与讨论

(1)气候变化背景下,1961-2020年黄河流域年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温总体呈东高西低、南高北低的空间分布特征,这与黄河流域地形及纬度带有关。从时间上看,温度变化表现为极显著的升高趋势。年平均最高气温与年平均最低气温的变化具有不对称性,且年平均最低气温变化对年平均气温升高的贡献率更大,这与刘勤等[9]的研究结论一致。对比上、中、下游的年平均气温变化特征发现,上游的升温趋势最为明显,下游的升温相对较缓;对于年平均最高气温,上游的升温趋势最为明显,下游的趋势相对较缓;对于年平均最低气温,上游的升温趋势最为明显,中游的趋势相对较缓。对比4个气候基准期的温度变化特征发现,时段Ⅳ的平均值高于前3个时段的平均值,除时段Ⅰ升温趋势相对缓慢外,其他3个时段均呈极显著增加趋势,其中时段Ⅲ升温趋势最显著。

(2)1961-2020年黄河流域年降水量和年降水日数总体呈下降趋势,主要是受大气环流变化的影响[10]。年降水量在空间上呈现为南高北低的纬向分布特征。以降水量作为指标所划分的干旱、半干旱、半湿润和湿润地区,对应的年降水量分别为200~250 mm、250~450 mm、450~650 mm和>650 mm。据此标准,黄河流域大部分地区属于半干旱和半湿润地区。上游的年降水量呈增加趋势,中游和下游的呈减少趋势。年降水日数在空间上呈西南高北部低的分布特征,上、中、下游地区的年降水日数均为极显著减少趋势,中游的减少幅度最大,上游的减少幅度最小。对比4个气候基准期的降水变化特征发现,时段Ⅰ的平均值高于后3个时段的平均值。从时间变化趋势看,年降水量呈先减少后增加的趋势,年降水日数呈逐渐减少的趋势,其中时段Ⅳ年降水量显著增加,时段Ⅱ和Ⅲ年降水日数显著减少。

(3)1961-2020年黄河流域年日照时数和年太阳辐射总体呈下降趋势,可能是由于气溶胶浓度增加和风速降低等因素导致的,同时还受到云量、降水的影响[29-30]。年日照时数空间上呈现为西南高东南低的分布特征,年太阳辐射空间上呈西部高东南低的分布特征。黄河流域下游地区的年日照时数和年太阳辐射下降趋势最为明显,中游地区的下降幅度次之,上游地区的下降幅度最小。对比4个气候基准期的年日照时数和年太阳辐射变化特征发现,时段Ⅰ的平均值高于后3个时段的平均值。从时间变化趋势看,时段Ⅰ和Ⅳ年日照时数和年太阳辐射的减少最为明显,且呈显著减少趋势,而时段Ⅲ的减少趋势较缓。

(4)近60年来黄河流域总体呈现暖干变暗的过程,但干湿变化特征在区域间差异较大,上游地区整体呈暖湿化特征,而中游和下游地区呈暖干化特征。对比4个气候基准期,时段Ⅰ-Ⅲ整体呈暖干变暗的过程,而时段Ⅳ表现为暖湿变暗的过程。由于受到条件限制,本研究未能从气候机理和物理过程角度出发,分析探讨气候变化特征成因,需要未来深入研究分析。黄河流域热量资源不同程度的丰富,可能使作物生长季延长,喜温作物的潜在适宜种植面积增大,但同时中、下游地区降水资源呈减少趋势,也将进一步加剧该地区农业水资源的供需矛盾。未来气候变化情景下,黄河流域气温将持续升高,降水变化具有较大的不确定性,水热资源变化的季节分配和空间分布差异明显[31]。因此,黄河流域应对气候变化,需制定并采取适应性对策,合理配置水资源,提高水资源利用效率;加强上游水源涵养、中游荒漠化和水土流失治理、下游湿地保护,改善生态环境;培育优良抗逆品种,优化调整种植制度,以减少气候变化对水资源、生态环境及农业生产等方面的不利影响[32-33]。

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