石羊河流域气温时空变化特征与规律研究

陈江明

（兰州博文科技学院，甘肃 兰州 730101）

1 研究目的与意义

气候变化对水文水资源的影响受到国内外专家学者的高度重视。随着工业发展和人口增加，二氧化碳排放量持续增加，进而导致温室效应出现，全球气温不断升高,石羊河流域水资源出现危机。针对石羊河流域水资源危机，有必要开展基于流域尺度的气候变化对水资源的影响研究，定量分析不同时期流域水文气象时空变化规律，揭示气候变化对流域水资源影响的互馈机制，对推动流域水文学研究有着重要理论意义。

2 国内外研究现状

为推动水循环对全球变化的可能性影响研究，联合国环境署、世界气象组织和联合国教科文组织等积极发动并推动开展了很多国际合作与研究。Kil和Chung[1]应用SW A T模型模拟了韩国气候变化对干旱情景下径流量影响。Lan等[2]应用DHSVM 模型评价气候变化与土地利用变化对华盛顿Puget Sound流域水文的影响。近20多年来，随着气候变化越来越多的对环境影响的深入，在科技部及有关部门的大力支持下，国内学者也大量地开展了有关气候变化及其对水资源影响的研究工作。其中国家科技攻关项目专题：“气候变化对水文水资源的影响及适应对策研究”。研究发现：过去50 多年，我国一些典型流域水文气象要素发生了较为明显的变化，特别是北方地区的河流实测径流减少，在一定程度上加剧了区域水资源的供需矛盾[3]。未来的气候变化可能对区域水资源产生较大影响，继而进一步加剧干旱、加大洪涝灾害损失，影响到大型水利工程的运行及安全，对我国水资源安全提出新的挑战[4]。David 和Kenneth[5]应用CHARM 模型分析了气候变化对我国九大水区径流量影响的敏感性。

3 数据处理与研究方法

气象站、水文站实测数据是一种典型的时间序列资料，蕴涵着极其丰富的信息。选取石羊河流域现有九条岭、杂木寺、南营水库3个气象站、水文站，自建站以来历年气温、降水量和径流数据作为研究基本资料。

3.1 数据来源

径流与气象数据采用1953—2010年石羊河流域水文站统计资料，其中径流数据来源于甘肃省水文局，气象数据来源于甘肃省气象局。

3.2 数据预处理

（1）数据查漏补缺：对原始数据中降水量、径流、气温观测值缺失的采用邻近年同期观测值的平均值进行插补，来满足资料序列的连续性和一致性。

（2）年代际和季节划分：年代际只考虑1951—2010 年，根据各气象、水文站时间序列长短不一各自划分。1991—2000年为20世纪90年代，2001—2010年为21 为世纪。考虑到结果的可比性，用世界气象组织推荐的1951—2010 年60 年均值作为年均值。

3.3 研究方法

（1）气候倾向率

气候要素的趋势系数变化：

式中，at—气候倾向率，单位为某要素单位/10 a，即要素的10 年变化率；

a0—回归常数；

a1—回归系数；

t—时间序列。

（2）累积距平

xi—要素的序列值；

其他符号意义同前。

（3）距平百分率

距平百分率P=（某年年径流量-年均径流量）/年均径流量×100%，径流丰平枯划分标准，见表1。

表1 径流丰平枯划分标准

4 气温时空变化特征与规律研究

4.1 气温年变化特征与规律

4.1.1 九条岭站

九条岭站1972—2010年年均气温4.75 ℃，整体呈增加趋势，趋势方程y=0.025 2x+4.240 5，年均气温以0.252 ℃/10 a的速率增加，39年内增加了0.98 ℃，增加趋势不显著。该站年均气温年际变化大，最大值为1997年的5.80 ℃，最小值为1976年的3.50 ℃，两者相差2.30 ℃，最大、最小年气温比值1.66（表2）。从图1、图2可见，1972—1997年年均气温呈缓慢增长的趋势，1997—2010 年呈缓慢下降的趋势。

图2 1972—2010年石羊河流域九条岭站气温年际距平变化曲线

表2 石羊河流域九条岭站年代际平均气温表

图1 1972—2010年石羊河流域九条岭站气温年变化曲线

4.1.2 南营水库站

南营水库站1981—2010年年均气温7.53 ℃，整体呈增加趋势，趋势方程y=0.048 8x+6.775，年均气温以0.488 ℃/10 a的速率增加，30年内增加了1.46 ℃，增加趋势相对显著。该站年均气温年际变化大，最大值为1998年的8.90 ℃，最小值为1984年的6.10 ℃，两者相差2.80 ℃，最大、最小年气温比值1.46（表3）。从图3、图4可见，1981—1998年年均气温呈大幅波动的上升趋势，1999—2010年呈缓慢波动的下降趋势。

表3 石羊河流域南营水库站年代际平均气温表

图3 1981—2010年石羊河流域南营水库站气温年变化曲线

图4 1981—2010年石羊河流域南营水库站气温年际距平变化曲线

4.1.3 杂木寺站

石羊河流域杂木寺站1955—2010年年均气温6.40℃，整体呈增加趋势，趋势方程y=0.0151x+5.972 1，年均气温以0.151 ℃/10 a的速度增加，56年内增加了0.85 ℃，增加趋势相对显著。该站年均气温年际变化大，最大值为1998年的8.10 ℃，最小值为1976 年的4.50 ℃，两者相差3.60 ℃，最大、最小年气温比值1.80（表4）。从图5、图6可以看出，1955—1963年年均气温呈缓慢增加趋势，1964—1976年呈大幅波动下降趋势，1977—1998年又呈缓慢增加的趋势，1999—2010年呈缓慢下降的趋势。

表4 石羊河流域杂木寺站年代际平均气温表

图5 1955—2010年石羊河流域杂木寺站气温年变化曲线

图6 1955—2010年石羊河流域杂木寺站气温年际距平变化曲线

4.2 气温年代际变化特征与规律

4.2.1 九条岭站

石羊河流域九条岭站年代际平均气温统计见表2，由表可知，过去39 年该站20世纪70—80年代气温较低，70 年代最低，代际平均4.35 ℃，比年均低0.40 ℃，20世纪90年代气温升高，之后持续升温，21世纪初出现了强劲增温趋势，代际平均5.02 ℃，比年均高0.27 ℃。70和80年代气温均低于平均值，20世纪90年代以及21世纪初均高于年均值，增幅分别为0.21 ℃和0.27 ℃。由表2可知，20世纪70年代年均气温4.35 ℃，最大值为1978年的4.80 ℃，最小值为1976年的3.50 ℃，两者相差1.30 ℃，最大、最小年气温比值1.37；80年代年均气温4.61℃，最大值为1990年的5.30 ℃，最小值为1984年的3.70 ℃，两者相差1.60 ℃，最大、最小年气温比值1.43；90年代年均气温4.96 ℃，最大值为1997年的5.80 ℃，最小值为1994年和1995年的4.3 ℃，两者相差1.50 ℃，最大、最小年气温比值1.35；21世纪初，年均气温5.02 ℃，最大值为2001年和2008 年的5.30 ℃，最小值为2010年的4.74 ℃，两者相差0.56 ℃，最大、最小年气温比值1.12。

4.2.2 南营水库站

石羊河流域南营水库站年代际平均气温统计由表3可知，过去30年该站20世纪80年代气温较低，代际平均6.97 ℃，比年均低0.56 ℃，20世纪90年代至21世纪初气温持续升高，平均分别为7.73 ℃和7.89 ℃，比年均值分别高0.20 ℃和0.36 ℃。由表3可知，80年代年均气温6.97 ℃，最大值为1990年的8.10 ℃，最小值为1984年的6.10 ℃，两者相差2.00 ℃，最大、最小年气温比值1.33；90年代年均气温7.73 ℃，最大值为1998年的8.90 ℃，最小值为1993年和1996年的7.00 ℃，两者相差1.90 ℃，最大、最小年气温比值为1.27；21世纪初年均气温7.89 ℃，最大值为2009年的8.30 ℃，最小值为2005年的7.50 ℃，两者相差0.80 ℃，最大、最小年气温比值1.11。

4.2.3 杂木寺站

石羊河流域杂木寺站年代际平均气温统计由表4可知，过去56年该站20世纪50、60和80年代气温接近平均值，而20世纪70年代气温相对较低，代际平均5.50 ℃，比年均值低0.90 ℃，20世纪90年代至21世纪初气温持续升高，代际平均分别为6.94℃和6.79 ℃，比年均分别高0.54 ℃和0.39 ℃。由表4可知，50年代年均气温6.42 ℃，最大值为1960年的7.20 ℃，最小值为1956年的4.80 ℃，两者相差2.40 ℃，最大、最小年气温比值1.50；60年代年均气温6.40 ℃，最大值为1963年的7.50 ℃，最小值为1970年的4.90 ℃，两者相差2.50 ℃，最大、最小年气温比值为1.53；70年代年均气温5.50 ℃，最大值为1971年和1980年的6.20 ℃，最小值为1976年的4.50 ℃，两者相差1.70 ℃，最大、最小年气温比值为1.38；80年代年均气温6.39 ℃，最大值为1987年和1990年的7.30 ℃，最小值为1984年的5.50 ℃，两者相差1.80 ℃，最大、最小年气温比值为1.33；90年代年均气温6.94 ℃，最大值为1998年的8.10 ℃，最小值为1993年的6.30 ℃，两者相差1.80 ℃，最大、最小年气温比值为1.29；21世纪初年均气温6.79 ℃，最大值为2002年和2006年的7.0 ℃，最小值为2005年的6.30 ℃，两者相差0.70 ℃，最大、最小年气温比值为1.11。

4.3 气温季节变化特征与规律

4.3.1 九条岭站

从九条岭站季节平均气温演变分析，该站冬、春、夏、秋4个季节均表现出了温度增加的趋势，但各个季节的增温速率略有差异。通过对比分析：该冬季增温速率最高，1972—2010年冬季平均气温升高1.28 ℃，线性增温幅度0.329 ℃/10 a。①春季：20世纪70年代平均气温最低，比年均低0.39 ℃；21世纪初最高，比年均高0.31 ℃。②夏季：20世纪70年代平均气温最低，比年均低0.42 ℃；21世纪初最高，比年均高0.30 ℃。③秋季：20世纪70年代平均气温最低，比年均低0.36 ℃；21世纪初最高，比年均高0.28 ℃。④冬季：20世纪70年代平均气温最低，比年均低0.56 ℃；21世纪初最高，比年均高0.37 ℃。

4.3.2 南营水库站

从南营水库站季节平均气温演变分析，该站春、夏、秋、冬四个季节均表现出增温趋势。通过对比分析：该站冬季增温速率最高，1981—2010年冬季平均气温升高2.05 ℃，线性增温幅度0.706 ℃/10 a。①春季：20世纪80年均气温比年均低0.67 ℃；21世纪初最高，比年均高0.49 ℃。②夏季：20世纪80年代平均气温比年均低0.65 ℃；21世纪初最高，比年均高0.40 ℃。③秋季：20世纪80年代平均气温比年均低0.56 ℃；90年代最高，比年均高0.29 ℃。④冬季：20世纪80年代平均气温最低，比年均低1.00 ℃；21世纪初最高，比年均高0.45 ℃。

4.3.3 杂木寺站

从杂木寺站季节平均气温演变分析，该站春、夏、秋、冬4个季节均表现出增温趋势。通过对比分析：该站冬季增温速率最高，1955—2010年冬季平均气温升高1.85 ℃，线性增温幅度0.331 ℃/10 a。①春季：平均气温距平20世纪50年代和60年代为正，70—90年代为负值，21世纪初为正；70年代平均气温最低，比年均低0.92 ℃；21世纪初最高，比年均高0.52 ℃。②夏季：平均气温距平变化波动较大，20世纪50年代为负，60年代为正，70—90年代为负，21世纪初为正；70年代最低，比年均低0.51 ℃；60年代最高，比年均高0.59 ℃。③秋季：平均气温距平20世纪50年代为负，60年代略有升高为正，70年代为负，80年代以来为正；70年代平均气温最低，比年均低0.96 ℃；21世纪初最高，比年均高0.66 ℃。④冬季：平均气温距平在20世纪50年代为负，60年代为正，70年代和80年代为负，90年代以来均为正；70年代平均气温最低，比年均低1.62 ℃；21世纪初最高，比年均高0.71 ℃。

5 总结

（1）石羊河流域九条岭站1972—2010年年均气温为4.75 ℃，39年内气温增加了0.98 ℃；南营水库站1981—2010年年均气温为7.53 ℃，30年内气温增加了1.46 ℃；杂木寺站1955—2010年年均气温为6.40 ℃，56年内气温增加了0.85 ℃。

（2）石羊河流域气温年代际变化呈现不同变化规律，各站在各个年代表现规律不尽一致。九条岭站70—80年代气温较低，20世纪90年代—21世纪初气温相对较高；南营水库站80年代气温低于平均值0.56 ℃，20世纪90年代—21世纪初气温高于平均值分别为0.20 ℃和0.36 ℃；杂木寺站20世纪50、60和80年代气温接近平均值，70年代气温低于平均值0.90 ℃。

（3）石羊河流域气温季节变化呈现不同变化规律，同时呈现不同变化幅度与趋势，各站春、夏、秋、冬4个季节均表现出增温趋势。

（4）石羊河流域从南部到北部年均气温的变化率逐渐减小，从东向西气温的变化率先增大后减小，在出山口以上中部地区出现了一个高值变化率中心，北部红崖山水库站增温趋势最小，年均气温以0.011 ℃/10 a的速度增加。