乌梁素海流域近60 年气候变化特征研究

张保龙，于亮亮，赵宇新，刘艳丽，丁仕青，张 静

（内蒙古巴彦淖尔市气象局，内蒙古巴彦淖尔 015000）

联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）第五次评估报告认为：人类活动极有可能是20 世纪中期以来全球气候变暖的主要原因，可能性在95%以上，而过去的130 年全球升温0.85 ℃。对某一地区气候变化特征进行分析研究，国内已有先例。史军等[1]研究了我国华东地区极端高温的特征及成因，利用Mann-Kendall检验法对极端高温进行了跃变分析。刘可群等[2]采用气候倾向率法分析了我国中部年、季平均气温变化的趋势。王利娜等[3]采用泰森多边形法计算了黄土高原区域面雨量，采用Mann-Kendall 检验法研究了黄土高原近50 年降水量的时空变化特征。康健等[4]采用气候倾向率法对乌梁素海流域近50 年气候变化特征进行了分析。张宇瑾等[5]采用Mann-Kendall检验法分析了乌梁素海东部流域的干旱特征及变化趋势。包云轩等[6]采用EOF 分析法、Morlet 小波分析法和Mann-Kendall 突变检验法分析了环太湖地区气候变化特征。吕睿喆等[7]采用Mann-Kendall 检验法分析了乌梁素海流域内气温、降水的长期变化趋势和突变情况。上述研究或是针对我国不同地区分析，或是针对乌梁素海不同区域进行分析，或是选择单一要素采用单一方法进行分析，目前对乌梁素海流域在长时间序列上的气候变化特征的相关分析还较少。本文利用1960—2019 年气象数据，采用气候倾向率法、Morlet 小波分析法、Mann-Kendall 检验法、EOF 分析法，分析乌梁素海流域气候变化特征和趋势，为该区域生态保护提供依据。

1 乌梁素海流域概述

乌梁素海是黄河多次改道形成的中国八大淡水湖之一，是黄河流域两大淡水湖泊之一，也是全世界罕见的荒漠半荒漠地区大型草原湖泊。乌梁素海湿地是地球上同一纬度地区的最大湿地，也是深受国际关注的湿地系统生物多样性保护区。乌梁素海位于巴彦淖尔市乌拉特前旗境内，位于东经108°40′～109°，北纬40°46′～41°7′，是内蒙古自治区黄河流域内最大的淡水湖泊。其最初为黄河改道而形成的河迹湖，后由于经济以及水利事业的发展，灌区各灌渠水源不断流入平原东部的低地势区域，即形成了现在的乌梁素海流域。

根据广义的流域定义[8]，本文确定乌梁素海流域范围应为东至包头市固阳县，西至乌兰布和沙漠，南至黄河后套灌区，北至狼山南麓的黄河流域，面积约3.4 万km2（图1）。此流域地处荒漠草原地带，夏季炎热少雨，冬季寒冷干燥，为典型的温带大陆性气候。

2 资料与方法

2.1 资料来源

本文选用1960—2019 年乌梁素海流域内9 个气象站（磴口、乌拉特后旗、杭锦后旗、临河、五原、乌拉特中旗、乌拉特前旗、大佘太、固阳）以及流域周围的7 个气象站（海力素、吉兰泰、乌海、伊克乌素、包头、达茂旗、白云鄂博）的气温、降水量月数据资料。3—5 月份为春季、6—8 月份为夏季、9—11 月份为秋季、当年12 月份—翌年2 月份为冬季。

2.2 数据处理方法

气候资料的非均一性直接影响到气候分析研究结论的代表性和准确性。对气候资料序列进行非均一性检验和订正，十分有必要[9]。1960—2019 年乌梁素海流域内多个气象站点由于站址迁移、仪器变更、新的平均值计算公式、观测时次变化以及观测者的系统误差等原因，导致了气候序列产生突然不连续（即断点）。本文利用RHtests 软件中提供的惩罚最大F 检验方法[10-11]进行检验，很好地弥补了乌梁素海流域站点稀疏、参考站点筛选困难和元数据不完整的弊端。基于均一性检验，采用RHtests 软件包提供的分位数匹配（QM）对数据进行订正。

乌梁素海流域选用的16个气象站，在1960—2019 年的气温、降水量月数据中共缺测33 个。由于气温、降水量数据具有不同特性，本文采取不同方法进行插补[12]。气温数据根据显著性水平α=0.01 检验相邻3 个测站同期数据的显著性，建立多元线性回归方程，插补缺测数据。降水量数据采用灰色预测理论的基本模型GM（1，1），插补缺测数据。

本文中乌梁素海流域的气温平均值采用算数平均法进行计算，降水量平均值采用泰森多边形法[13]进行计算。

2.3 分析方法

本文研究乌梁素海流域气温、降水量在时间和空间的分布特征，采用气候倾向率法分析气象要素的时间变化趋势，采用Morlet 小波分析法提取气候要素序列周期，采用Mann-Kendall 检验法判断气候要素变化趋势与突变情况，采用EOF 分析法对资料序列进行变化趋势分析，判断空间分布型。

3 气温变化特征分析

3.1 时间变化特点

1960—2019 年乌梁素海流域年平均气温为5.8 ℃，年际变化呈现波动上升趋势（图2），升温趋势显著，平均每10 a 上升0.60 ℃（表1），各站点中五原站升幅最大（为0.88/10 a），包头站升幅最小（为0.38/10 a）。四季平均气温分别为8.0，20.6，6.4，-9.4 ℃，其中秋季平均气温最接近该地区基准温度。四季平均气温都呈现波动上升趋势（图3）。夏季上升明显，为0.83 ℃/10 a；冬季上升缓慢，为0.49 ℃/10 a。年内各月平均气温分布中，1 月份气温（-11.4 ℃）为全年最低月份，7 月份气温（22.7 ℃）为全年最高月份。

图2 年际平均气温变化图

表1 各站点年平均气温及气温倾向率

图3 四季平均气温变化图

3.2 空间分布特点

根据年平均气温数据，本文运用反距离加权平均法绘制了年平均气温空间分布图（图4）。由图4可知，年平均气温由南至北逐渐降低，气温最高站点为位于流域范围内西南方向的磴口站，年均气温达8.5 ℃，气温最低的站点为流域范围内最东边的固阳站，年均气温仅为4.3 ℃。

图4 年平均气温空间分布图（审图号：蒙S（2019）33 号）

Morlet 小波分析法在气象要素变化周期分析中应用广泛[14]。由年平均气温小波变换分布图（图5）可知，1960—2019 年乌梁素海流域的年平均气温在不同时间尺度上存在着周期振荡。图5 中信号振荡的强弱通过色标差大小来表示，颜色越偏向于蓝色（深色）表示气温越低于常年。由图5 可知，明显存在准60 a 长期振荡和准32 a 中期振荡。在准60 a 长期振荡期间，年平均气温呈现出冷→暖2 个交替的振荡；在准32 a 的中期振荡期间，年平均气温呈现出暖→冷→暖3 个交替的振荡。同时在2019 年所处的中期振荡和长期振荡中，小波变换等值线基本已闭合，则可推测自2019 年后的30 a 平均气温将转为冷趋势。

图5 年平均气温小波变换分布图

Mann-Kendall 检验法是一种非参数统计检验法，该方法不需要原始数据服从一定分布，也不受少数异常值和缺失数据的影响，被广泛应用于统计领域中[14-15]。本文应用Mann-Kendall 检验法[15]对乌梁素海流域年平均气温（图6）和各气象站平均气温进行分析可知：年平均气温均呈显著上升趋势，且通过了置信度为99%的显著性检验；乌梁素海流域年平均气温在20 世纪60 年代呈波动下降，之后稳定上升，1989 年UF 曲线在置信区间外与UB 曲线出现了一个交点，未通过突变检验；大部分站点在20 世纪70 年代初以前年平均气温出现波动下降，以后出现明显上升趋势，且大部分站点通过显著性水平α=0.01 的显著性检验，其中海力素站和乌拉特后旗站在20 世纪80 年代中期以前出现下降，以后出现明显上升趋势。

图6 乌梁素海流域年平均气温突变特征曲线

经验正交函数（EOF）分析法，也称特征向量分析，是一种分析矩阵数据中的结构特征，并提取主要数据特征量的方法[16-17]。本文采用EOF 分析法对乌梁素海流域各站年平均气温进行标准化展开分解，得到乌梁素海流域气温变化的空间分布图和对应特征量的时间系数变化曲线（图7）。通过分析可知，气温第一模态方差贡献率为0.939，特征向量表现为整体一致偏少，杭锦后旗站、乌拉特后旗站偏少幅度小于其余站点。时间系数变化表明，1960—2019 年整个区域的气温有明显升高趋势，R2为0.787 9，线性拟合程度高，增暖趋势显著。1997 年以前的时间系数值大多为正，结合EOF 第一模态下的空间分布可知，杭锦后旗站、乌拉特后旗站气温增暖率高于其余站点；而1997 年以后，时间系数值转为负值，杭锦后旗站、乌拉特后旗站的增暖率低于其余站点。

图7 平均气温EOF 第一模态特征向量空间分布图及时间系数变化曲线

4 降水量变化特征分析

4.1 时间变化特点

乌梁素海流域年平均降水量为190.1 mm，年际变化呈略微上升趋势（图8）。年降水量最大值（248.5 mm）出现在1979 年，最小值（49.9 mm）出现在1965 年。平均降水量每10 a 上升1.2 mm（表2），其中乌海站、伊克乌素站、吉兰泰站出现减少趋势，其余站点均为增加趋势，增长最大站点为达茂旗站（5.6 mm/10 a）。

表2 各站点年平均降水量及降水量倾向率

图8 年降水量和汛期降水量逐年变化图

乌梁素海流域汛期降水量为36.2～202.4 mm，约占全年降水量的29.0%～89.6%，呈现略微下降趋势。8 月份降水量（39.9 mm）为最大月份，12 月份降水量（0.9 mm）为最小月份（图9）。

图9 逐月降水量变化图

乌梁素海流域平均降水日数为46.9 d/a，其中2003 年降水日数最多，达64.9 d，1974 年最少，仅为34.1 d。平均降水日数缓慢下降，每10 a 下降0.2 d。降水量略微上升，降水日数缓慢下降，单日降水量逐渐增大。

4.2 空间分布特点

根据年平均降水量数据，本文运用反距离加权平均法绘制了年平均降水量空间分布图（图10）。由图10 可知，年平均降水量由东至西逐渐减少[18]，降水量最小站点为乌拉特后旗站，仅140.2 mm，最大站点为固阳站，达303.2 mm。

图10 年平均降水量空间分布图（审图号：蒙S（2019）33 号）

由年平均降水量小波变换分布图（图11）可知，1960—2019 年乌梁素海流域年平均降水量在不同时间尺度上存在着周期振荡[14]，明显存在准60 a 长期振荡、准32 a 中期振荡和准10～15 a 的短期振荡。在准60 a 长期振荡期间，年平均降水量呈现出少→多→少3 个交替的振荡；在准32 a 的中期振荡期间，年平均降水量呈现出多→少→多3 个交替的振荡；准10～15 a 的短期振荡期间，年平均降水量呈现出多→少→多→少→多→少→多7 个交替的振荡。同时在2019 年所处的短期振荡中，小波变换等值线基本闭合，则可推测自2019 年后的10～15 a 平均降水量将转为减少趋势。

图11 年降水量小波分布图

本文采用Mann-Kendall 检验法[15]对流域年平均降水量和各站年降水量进行分析（表3）可知，乌海站、伊克乌素站年降水量呈现微弱的下降趋势，其余站点和流域年平均降水量出现不同程度的上升变化，其中海力素站1.28＜Z＜1.64，通过置信度90%的显著性检验，呈现明显的上升趋势。

表3 乌梁素海流域年、汛期各站点降水量变化趋势检验统计值

汛期降水量变化趋势和年降水量变化趋势不完全一致，流域汛期降水量出现下降趋势，除临河站、大佘太站、海力素站出现上升趋势外，其余站点均为下降趋势，其中乌海站-2.23＜Z＜-1.64，通过置信度95%的显著性检验，下降趋势明显。

本文采用Mann-Kendall 检验法对乌梁素海流域年降水量进行突变特征分析（图12）可知，年降水量整体呈波动式增加趋势，UF 曲线在置信区间内与UB 曲线有多个交点，表明年降水量出现了多次突变。由UF 曲线的变化趋势可知，在1961 年降水量从偏多向偏少变化，1969 年降水量从偏少向偏多变化，1971 年降水量从偏多向偏少变化，1975 年降水量从偏少向偏多变化，各站降水量变化均不一致。

图12 乌梁素海流域年降水量突变特征曲线

本文采用EOF 分析法对乌梁素海流域各站年平均降水量进行标准化展开分解，得到乌梁素海流域降水量EOF 第一模态特征向量空间分布图及时间系数变化曲线（图13）。降水量第一模态方差贡献率为0.612，第二模态、第三模态方差贡献率均低于0.1，所以主要分析第一模态。第一模态特征向量为整个区域一致偏多，磴口站偏多，幅度小于其余站点。时间系数图中整个区域降水量出现正负交叉的现象。当时间系数为正时，整个区域一致偏多，磴口站降水量增幅小于其余站点；当时间系数为负时，整个区域一致偏少，磴口站降水量增幅大于其余站点。

图13 降水量EOF 第一模态特征向量空间分布图及时间系数变化曲线

5 结论

本文根据广义的流域定义确定了乌梁素海流域的范围，选用1960—2019 年乌梁素海流域内9 个气象站和流域周围的7 个气象站的气温、降水量月数据资料，对已有数据进行均一性检验、订正和插补，采用算数平均值法计算流域平均气温，采用泰森多边形法计算流域平均降水量，采用气候倾向率法、Morlet 小波分析法、Mann-Kendall 检验法、EOF 分析法分析气象要素在时间和空间的分布特征，得出以下结论：

（1）乌梁素海流域平均气温5.8 ℃，年平均气温由南向北逐渐降低，7 月最高、1 月最低，每10 a 上升0.60 ℃，年、四季平均气温都呈现显著升高趋势。明显存在准60 a 长期振荡和准32 a 中期振荡，在准32 a 的中期振荡期间，年平均气温呈现出暖→冷→暖3 个交替的振荡。该流域年平均气温在20 世纪60 年代呈波动下降，之后一直维持稳定上升趋势，大部分站点通过显著性水平α=0.01 的显著性检验。EOF 第一模态特征向量为流域一致型，方差贡献率为0.939，随时间变化增暖趋势显著，其中杭锦后旗站、乌拉特后旗站变化率小于其余站点。

（2）乌梁素海流域年平均降水量为190.1 mm，年平均降水量自东向西逐渐减少，年际变化略微上升，每10 a 上升1.2 mm，全年降水量主要集中在汛期，占全年降水量的29.0%～89.6%；降水日数出现缓慢下降趋势，单日降水量将逐渐增大。存在准60 a长期振荡、准32 a 中期振荡和5～10 a 的短期振荡，在准32 a 的中期振荡期间，年降水量呈现出多→少→多3 个交替的振荡。该流域年平均降水量呈上升趋势，汛期降水量呈下降趋势，各站年降水量变化趋势各不一致。EOF 第一模态特征向量为流域一致型，方差贡献率为0.612，随时间变化表现出正负交叉出现，其中磴口站偏多，幅度小于其余站点。

（3）本文中所分析的气候变化特征仅是1960—2019 年乌梁素海流域相关气象数据的统计分析结果，而这些变化的物理机制还有待进一步探讨。