祁连山地区近60年气温时空变化特征

2022-02-28叶伟林黄钰涵周自强朱彦儒

科学技术与工程 2022年4期

叶伟林，黄钰涵，周自强*，朱彦儒

(1.甘肃省科学院地质自然灾害防治研究所，兰州 730000；2.兰州大学资源环境学院，兰州 730000；3.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059)

如今全球气候变暖现象已非常明显，中外各大研究机构及媒体都十分关注气候的变化趋势。在政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)排放情景特别报告(special report on emissions scenarios,SRES)中指出，1990—2100年，全球平均地表温度将上升1.4～5.8 ℃[1]。可见全球气候变暖的问题愈发严重[2-5]。而根据IPCC第五次评估报告指出未来气候变化带来的影响将进一步加剧，极端气候的发生频率将持续升高[6]。特别是近年来受极端气候的影响区域性的地质灾害频发，刘健康等[7]以西藏的古乡沟为研究区，研究发现泥石流的发生与降雨和气温存在着密切的关系，而祁连山地区位于中国西北内陆区和青藏高原的交汇地带，由于其特殊的地理位置，气象条件的变化所引起的地质灾害更是防灾领域研究的重点。目前，诸多学者们以祁连山地区完备的生态系统具有调节区域小气候、涵养水资源、维持生物多样性等生态作用的角度出发，一直将祁连山地区作为研究的热点地区。曹广超等[8]基于祁连山南坡的19个气象站点，研究了1960—2014年的气温变化，结果表明气温增长率为0.35 ℃/a，气温呈波动式上升，冬季气温增幅最大；尹宪志等[9]、贾文雄等[10]研究发现，祁连山区气温在1980年代中期以后增温明显加快，秋冬季升温幅度较高；吕越敏等[11]利用极端气温指数分析得出，祁连山中东部极端气温暖指数较小，向外围逐渐递增，极端气温冷指数在空间分布上则由南向北递减。众多学者都指出了祁连山气温正在不断升高这个气候变化趋势，这些研究大多侧重于不同的方向，虽然采用了不同的气象站点数据，运用了不同的方法去分析，但未能在多站点上分析整个祁连山区的气温变化，且对于祁连山气温变化的研究在时空尺度上未有更新。为此，基于祁连山最新21个气象站点的气象数据，运用Anusplin 方法对祁连山这一特殊地理区域的气温变化进一步分析，获得不同季节气温变化的差异特征及空间分布，更加深入地了解该区域的气温变化规律，探讨影响祁连山地区温度变化的主要因素，为祁连山地区的生态建设和自然灾害防治提供有力的数据支撑。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况及数据来源

祁连山地处青藏高原、黄土高原、蒙新高原的交会地带，位于素有“世界屋脊”之称的青藏高原的东北缘，长约850 km，宽约300 km。东起吴鞘岭，西至当金山口，南靠柴达木盆地，北临河西走廊。如图1所示，祁连山的地势由东北向西南逐渐升高，海拔最高达到5 800 m[12]，祁连山区海拔4 000 m以上的高山发育着现代冰川，是西北地区重要的固体水库[13]。

图1 祁连山区位置示意图

选取祁连山区及周边的21个气象站点数据(表1)作为数据来源，时间跨度为1960—2019年，地面气象站的气象数据资料来自中国气象数据网(http://data.cma.cn)。将各个气象站点的数据资料按照年、月的时间尺度分别进行整理，部分缺测数据用临近5年的气温数据平均值补齐，季节划分为3至5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—翌年2月为冬季。

表1 气象站点数据

1.2 研究方法

1.2.1 面积加权法

利用简单平均法首先分别计算各个气象站点的年、季气温平均值，然后将气象站点作为采样点构建泰森多边形，每一个泰森多边形内部的气象站点的数据就代表了该多边形区域的气温数据，通过气象站点各自所在泰森多边形的区域面积占整个研究区总面积的百分比计算出权重系数(表2)，所有泰森多边形内的气温数据进行面积加权，计算出祁连山区的年、季区域的平均气温[14-15]。

表2 各气象台站权重

1.2.2 统计方法

采用5年趋势滑动平均、一元线性回归分析、累计距平法分析祁连山区的气温要素年际变化速率及趋势。

滑动平均法用一段时间的平均值表示统计序列的变化趋势，可平滑统计序列，一定程度上消除序列中的反复随机波动，滑动平均值的表达式为

(1)

式(1)中：xi+j-1为样本量为n的序列；k为滑动长度，k取5年。

一元线性回归分析是依据两个地理要素x和y之间的相关性，建立线性回归方程来研究要素之间的变化趋势，线性回归公式为

y=a+bxi，i=1,2,…,n

(2)

式(2)中:y为气温；x为时间；a为回归常数；b为回归系数，10b为气温的倾向率，其值代表了气温的变化趋势，如果值为正气温呈上升趋势，反之，则气温呈下降趋势。

距平为数据值与数据标准气候平均值之差，累计距平法是将n′个时刻的累计距平值算出后绘出累计距平曲线，曲线转折点可用于判断统计序列的突变时间，其表达式为

(3)

(4)

1.2.3 气温插值方法

Anusplin插值方法是基于薄盘样条理论编写的针对气候数据曲面拟合的专用插值方法，该方法引入多个因子作为协变量，通过最佳拟合效果自动确定模型系数，且能同时进行多个表面的空间插值，对于时间序列的气象数据空间插值非常适用[16]。因此，中外学者将Anusplin插值方法广泛应用于研究气候变化的空间分异[17-19]。Guo等[20]、谭剑波等[21]的研究表明，Anusplin插值方法的总体精度较高。此外，该方法在独立变量、协变量和样条次数方面有18种模型组合可供选择，在日志文件中提供了一系列用于判断误差来源和插值质量的统计参数[15]。对气候要素实测数据可以很好地拟合出连续光滑的表面，在气温插值时可引进海拔作为协变量，在高海拔地区的气候研究中表现优异[22-23]，因此使用该方法分析祁连山区的气温空间变化差异。

2 结果与分析

2.1 气温变化的时间特征

2.1.1 年际变化

连山区全年及四季平均气温的变化从气温的线性倾向来看，总体呈上升的趋势，表现出冷暖交替、波动式变化的特点(图2)。从5年滑动平均的趋势看，春季平均气温在1960—1972年为较为偏暖，1973—1994年偏冷，1994年后气温总体表现为持续性上升，仅出现过一些小幅度的波动，最冷年1970年的平均气温为5.08 ℃，最暖年出现在2018年，平均气温为9.10 ℃。夏季平均气温的变化趋势与春季基本一致，在1960—1971年偏暖，1972—1994年偏冷，1994年以后气温持续上升，最冷年是1976年，平均气温为16.04 ℃，2016年气温值最暖为19.68 ℃。秋季平均气温的波动较小，呈平稳上升的趋势，在1964—1970年、1981—1985年、1989—1994年3个时间段气温偏冷，最冷年份出现在1967年平均气温为3.49 ℃，最暖年份为2006年平均气温6.90 ℃。冬季平均气温波动较大，1985—2007年是比较偏暖的一个时期，最冷年份为1967年平均气温-10.44 ℃，最暖年份为1987年平均气温-5.75 ℃。

图2 祁连山地区气温年际变化、线性趋势及5年滑动平均

祁连山区全年的平均气温总体呈波动式上升趋势，1994年后增温幅度较大，最冷年为1967年平均气温4.01 ℃，最暖年为2016年平均气温6.79 ℃。祁连山区最冷年份基本出现在20世纪60年代，最暖年份基本出现在进入21世纪后，春、夏、秋、冬及全年平均气温，最冷年与最暖年的差值分别为4.02、3.64、3.41、4.69、2.78 ℃。综上所述，祁连山区在气温变暖的过程中出现了多次的冷暖交替过程，但整体的变暖趋势还是比较明显的，2000年后增温更加明显。

2.1.2 年代际变化

根据世界气象组织(World Meteorological Organization,WMO)推荐的最新气候标准值，以1981—2010年的多年平均气温作为气温标准值，计算年及四季的气温距平值(图3)和累计距平值曲线(图4)。可以看出，四季平均气温均呈明显上升的趋势，其中春夏秋三季的均温在90年代后期距平值转为正值，累计距平曲线出现拐点的年份分别是1996年、1997年、1997年，气温突变的年份基本一致，最暖年较多年平均气温分别高出2.08、1.81、1.13 ℃。而冬季增暖现象发生的较早，在20世纪80年代后期均温距平值就出现了正值，1986年累计距平曲线出现拐点，最暖年较多年平均气温高出1.78 ℃，同时冬季气温的波动幅度大，90年代之后也出现过几次距平值为负的年份，整体表现为气温突变早、起伏大。祁连山地区全年平均气温在20世纪90年代以前较低，在1998年气温距平值转正趋势明显，累计距平曲线出现显著拐点，2000年后气温持续上升，2016年为全年平均气温最暖年，较多年平均气温值高1.11 ℃。

图3 祁连山地区气温变化距平值

图4 祁连山地区气温变化累计距平曲线

以30年为一个时期，将1960—2019年依次划分为4个时期计算多年气温平均值(表3)，来分析祁连山区年代尺度上的气温变化。可以看出，与1960—1989年相比，1970—1999年四季及全年多年气温平均值分别增加了0.1、0.12、0.28、0.55、0.28 ℃；与1970—1999年相比，1980—2009年四季及全年多年气温平均值分别增加了0.39、0.41、0.34、0.36、0.37 ℃；与1980—2009年相比，1990—2019年四季及全年多年气温平均值分别增加了0.47、0.49、0.33、0.22、0.38 ℃。可见，1990—2019年的年及四季气温多年平均值较1960—1989年均逐渐增加，且增加幅度不断扩大，表明气温的增长速度越来越快。与1960—1989年相比，1990—2019年春、夏、秋、冬四季的多年气温平均值分别增长了0.96、1.02、0.95，1.13 ℃，全年增长了1.03 ℃，冬季多年气温平均值增加幅度最为显著，对于整个祁连山区的升温贡献最大。

表3 祁连山地区多年气温平均值

2.2 气温线性倾向估计及空间分异

祁连山区四季及全年的平均气温线性倾向方程均通过了α=0.001(α为显著性水平)的显著性水平检验，各方程中的回归系数均为正值(图2)，表明祁连山区的气温在不断升高。年及四季的气温倾向率如表4所示，年平均气温倾向率为0.319 ℃/10 a，由于气象站点的选择以及研究时段的不同，本文的结果与一些学者的研究结果较为接近[8,10,24]，但不完全一致。有学者对全国的气温变化进行研究得出[25]：全国的气温增加速率为0.233 ℃/10 a，祁连山区的气温倾向率明显高于全国。

表4 祁连山地区年、季节平均气温倾向率

从气温变化的空间分布(图5)上看，整个祁连山区域年均气温呈变暖趋势，西部海拔较高的区域变暖幅度在0.30 ℃/10a以上，中部和东部的气温倾向趋势小于西部，气温变化自西北向东南逐渐降低。从季节差异上看，祁连山西部区域在春季和秋季气温上升趋势显著，气温变化幅度在0.30～0.60 ℃/10 a，夏季的变化幅度较小，而冬季的高海拔山区局部气温倾向率为负值，可能是由于高海拔区域缺乏实测站点数据，气温插值时不可避免产生的误差造成的，具体原因需在后续研究中继续探索。祁连山区东部的气温变暖趋势较为缓慢，春夏季气温倾向率小于0.25 ℃/10 a，秋季气温倾向率自东向西逐渐升高，冬季呈现出四周高中间低的特点。

图5 祁连山地区年及四季平均气温倾向率空间分布

3 祁连山区气温变化的影响

祁连山作为西北地区重要的河流发源地，其高海拔山区上发育的冰川更是重要的淡水资源，充足的冰川融水养育了一方水土。随着全球气候的变暖和人类活动的影响，祁连山区气温逐年变暖的趋势已十分显著，许多学者的研究成果都证实了这一观点，气温的变暖以及突变对祁连山地区的水文、植被、环境等许多方面都造成了显著的影响。

气候变化势必影响冰川的发育，基于中国第一、二次的冰川编目数据，孙美平等[13]研究发现，近50年间祁连山的冰川面积减少了420.81 km2，冰储量减少了21.63 km3，海拔低于4 000 m的山区冰川已完全消失。汪赢政等[26]研究了1987—2018年祁连山冰川的变化，发现夏季均温与祁连山冰川的年变化率之间对应关系较好，说明夏季均温的升高是造成祁连山冰川退缩的主要原因。短时间内冰川融水的增加会给干旱地区带来积极的生态效益，然而同时也极易引发冰湖溃决、冰川融水型泥石流、滑坡等地质灾害。由于气温偏高造成地带积雪融化，使泥石流形成区内，各类古冰碛物、残坡积物中含水量显著增高，同时暴雨和积雪消融水混合形成了强劲的洪流，最终导致张掖天涝池沟在1972年8月21日发生了泥石流灾害[27]。马国哲[28]对北祁连山区的泥石流灾害发育特点进行了研究，认为北祁连山区内现代泥石流普遍发育，具有中等易发性，呈中小型规模，且具有重复发生的特点，如遇极端自然条件，极易引发泥石流灾害。

气候影响着植被以及生物群落的分布和类型，反之植被及生物群落的变化也指示了区域气候的变化趋势，二者之间相互作用，关联紧密[29]。诸多学者就祁连山区植被与气候变化之间的响应过程做了很多研究，陈京华等[30]研究指出，祁连山的归一化植被指数(normalized difference vegetation index，NDVI)值分布表现为东高西低，且月均NDVI值与气温和降水的相关性显著，认为气温和降水是影响祁连山植被变化的主要因子。贾文雄等[31]研究了1982—2014年祁连山植被生长季NDVI的变化与气候之间的响应，结果表明研究期间植被NDVI整体呈增加趋势，祁连山区的植被覆盖状况得益于气温升高和降水的增加而得到了一定的改善。短期来看，气温升高导致冰雪融水的增加有利于植被生长、植被覆盖度增加；但长远来讲，气温升高会导致冰川萎缩，干旱地区蒸发量增大，湿地沼泽地退化等一系列环境问题。气候变化对物种的分布和迁移也产生了一定的影响，戎战磊[32]研究发现，祁连山区的变暖趋势远高于全国平均水平，气候变化影响了祁连山区的物种分布，导致物种海拔分布上移，水平分布上大多北移，对于各物种不同的适宜等级和组成造成了很大的影响。

对于祁连山区的气温趋势会怎样变化，变暖趋势是否会增加，对生态环境会造成什么程度的影响等问题还有待专家学者们的深入研究。目前，应当采取有效可行的生态保护措施进一步保护祁连山的生态环境系统，深入对气候变化影响的研究，提高应对气候突变的能力和防治自然灾害的能力，尽量减小因气候变暖造成的负面影响。