1951—2020年疏勒河流域气温时空变化特征

王士维，孙栋元，周 敏，王亦可，王祥镔，季宗虎，张文睿，武兰珍

（甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070）

21 世纪以来，随着全球气候变暖，我国呈现出明显的暖干化趋势。近100 a 中国平均地表温度上升约0.5～0.8 ℃，尤其以西北干旱半干旱地区的变化比较显著［1-2］。气候变化将改变流域内水文、气象因子在时间和空间上的分布现状，从而引起水资源在时空上的重新分配，进而对流域水资源供需、生态环境和社会经济等造成严重危害。疏勒河流域地处甘肃河西内陆区，是甘肃省内陆三大主要河流之一，也是河西的主要产粮区之一。疏勒河流域自然环境独特，生物种类单一，生态环境一旦遭到破坏，就难以恢复。因此，对流域气温时空变化特征进行研究，更清楚的了解流域气温动态，对促进流域生态建设具有重要意义。近年来，疏勒河流域气温变化问题受到许多学者和各级政府的广泛关注，并展开了一系列研究。结果表明：以气温上升为主要特征的气候变化已经对疏勒河流域水资源及生态环境产生了显著影响，总体表现为植被耗水量增加［3-4］、生态承载力和需水量增大［5-7］、植被退化［8］、冻土环境退化［9-10］、流域降水、径流呈上升趋势［11-18］，流域气温显著上升［19-22］，而在未来温度持续变暖的情景下，疏勒河流域可能面临的生态威胁也会越来越大［20］。综上所述，以往对疏勒河流域气温变化特征的研究取得了一些有意义的成果，但大多集中在气候变化产生的影响，而关于疏勒河流域气温时空变化的研究相对较少。因此，本文基于疏勒河流域敦煌站、瓜州站和玉门站1951—2020年实测气温资料，系统地分析疏勒河流域近70 a 年平均气温时空变化特征，更加全面地认识区域气候变化的基本事实，以期为保护疏勒河流域生态环境及促进流域社会经济-生态-水资源协调发展提供科学依据。

1 研究区概况与方法

1.1 研究区概况

疏勒河是甘肃省河西内陆第二大河，地理位置位于92°11′～98°30′E，38°00′～42°48′N，流域面积为4.13×104km2（图1），流域多年平均气温6.98～9.82 ℃［18］，年降水量40.2～57.5 mm，年蒸发量2577.4～2653.2 mm［23］。流域降水量稀少，地表蒸发量极大，属大陆性干旱气候，是我国极度干旱地区之一。

图1 研究区概况图Fig.1 Map of study area

1.2 数据来源与研究方法

选取疏勒河流域敦煌（1951—2020 年）、瓜州（1951—2020年）和玉门（1953—2020年）3个气象站的逐月、逐年气温数据作为基础资料，所有数据均来自甘肃省气象局。通过各站点气温数据进一步研究流域气温变化特征。根据数据资料，将季节划分为：3—5 月为春季，6—8 月为夏季，9—11 月为秋季，12月—次年2月为冬季。

通过线性倾向法［24］分析气温年、季变化趋势。通过5 a滑动平均曲线，来判断气温变化波动呈上升或下降趋势。通过累计距平法［25］，分析气温升降变化过程。采用P值（P-value）［26］对气候倾向率进行显著性检验。利用Mann-Kendall突变检验法［24］分析气温的突变特征。运用Morlet小波［24］分析法分析气温的周期性特征。使用ArcGIS 软件分析研究区气温的空间分布特征。

2 结果与分析

2.1 气温年际变化特征

敦煌站1951—2020年多年平均气温为9.77 ℃，整体呈上升趋势，70 a 内气温增加了1.708 ℃，增温趋势显著。从5 a 滑动平均曲线可以看出（图2a），平均气温呈现缓慢增加-减小-增加的波动变化趋势，呈现多段上升-下降-上升的变化过程。由图2d累积距平可知，敦煌站平均气温呈现两个时段升降变化过程，1951—1996 年呈现下降趋势，1997—2020年呈现上升趋势。

图2 疏勒河流域气温年际变化与累积距平变化Fig.2 Interannual variation and cumulative anomaly variation of temperature in Shule River Basin

瓜州站1951—2020年多年平均气温为9.08 ℃，整体呈上升趋势，70 a 内气温上升1.463 ℃，增温趋势显著。从5 a 滑动平均曲线可以看出（图2b），平均气温呈现缓慢增加-减小-增加的波动变化趋势，呈现多段上升-下降-上升的变化过程。由图2d 累积距平可知，瓜州站平均气温呈现两个时段升降变化过程，1951—1996 年呈现下降趋势，1997—2020年呈现上升趋势。

玉门站1953—2020年多年平均气温为7.30 ℃，整体呈上升趋势，68 a内气温上升1.326 ℃，增温趋势显著。从5 a 滑动平均曲线可以看出（图2c），平均气温呈现缓慢减小-增加-减小的波动变化趋势，呈现多段下降-上升-下降变化过程。由图2d 累积距平可知，玉门站平均气温呈现两个时段升降变化过程，1953—1996 年呈现下降趋势，1997—2020 年呈现上升趋势。

2.2 气温季节变化特征

由图3 可以看出，敦煌站四季平均气温均呈显著上升趋势，其中，春季平均气温趋势率最大，达到0.328 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，其次是冬季，为0.268 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，再次是夏季，为0.191 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，秋季平均气温趋势率最小，为0.188 ℃·(10a)-1(P＜0.05)。

图3 敦煌站平均气温季节变化Fig.3 Seasonal variation of average temperature at Dunhuang station

由图4 可以看出，瓜州站春季、秋季、冬季平均气温呈显著上升趋势，夏季平均气温呈不显著上升趋势。其中，冬季平均气温趋势率最大，达到0.308 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，其次是春季，为0.299 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，再次是秋季，为0.152 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，夏季平均气温趋势率最小，为0.077 ℃·(10a)-1(P＞0.05)。

图4 瓜州站平均气温季节变化Fig.4 Seasonal variation of average temperature in Guazhou station

由图5 可以看出，玉门站四季平均气温均呈显著上升趋势，其中春季平均气温趋势率最大，达到0.233 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，其次是冬季，为0.207 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，再次是秋季，为0.179 ℃·(10a)-1(P＜0.05)，夏季平均气温趋势率最小，为0.165 ℃·(10a)-1(P＜0.05)。

图5 玉门站平均气温季节变化Fig.5 Seasonal variation of average temperature in Yumen station

2.3 气温突变性特征

图6a 为疏勒河流域敦煌站1951—2020 年平均气温M-K突变检验曲线，根据UFk曲线可知，1953—1954年、1956—1969年、1990—2020年呈上升趋势，1970—1989年呈下降趋势，其中2001—2020年超过95%置信水平曲线，甚至超过99%置信水平曲线，说明上升趋势十分显著。UFk和UBk曲线主要相交于1998年，且交点在临界线±1.96之间，表明平均气温在1998年发生突变，1998年为突变点。

图6 疏勒河流域平均气温M-K突变检验Fig.6 M-K mutation test of average temperature in Shule River Basin

图6b 为疏勒河流域瓜州站1951—2020 年平均气温M-K突变检验曲线，根据UFk曲线可知，1953—1969 年、1996—2020 年呈上升趋势，1970—1994 年呈下降趋势，其中2002—2020年超过95%置信水平曲线，甚至超过99%置信水平曲线，说明上升趋势十分显著。UFk和UBk曲线主要相交于1997 年，且交点在临界线±1.96 之间，表明平均气温在1997 年发生突变，1997年为突变点。

图6c 为疏勒河流域玉门站1953—2020 年平均气温M-K突变检验曲线，根据UFk曲线可知，1958—1963 年、1991—2020 年呈上升趋势，1964—1990 年呈下降趋势，其中2001—2020年超过95%置信水平曲线，甚至超过99%置信水平曲线，说明上升趋势十分显著。UFk和UBk曲线主要相交于1995 年，且交点在临界线±1.96 之间，表明平均气温在1995 年发生突变，1995年为突变点。

2.4 气温周期性特征

由图7a～图7b可以看出，敦煌站平均气温小波实部图主要存在3～8 a、10～15 a、25～30 a、45～50 a和55～60 a五个特征时间尺度。小波方差图表明平均气温存在五个明显的峰值。其中，第一主周期为58 a，第二主周期为47 a，第三主周期为12 a，第四主周期为29 a，第五主周期为5 a。

图7 疏勒河流域平均气温周期性分析Fig.7 Periodic analysis of annual average temperature in Shule River Basin

由图7c～图7d可知，瓜州站平均气温小波实部图主要存在5～10 a、10～15 a、28～33 a、和50～55 a 四个特征时间尺度，小波方差图表明平均气温存在四个明显的峰值。其中，第一主周期为30 a，第二主周期为52 a，第三主周期为13 a，第四主周期为7 a。

由图7e～图7f可知，玉门站平均气温小波实部图主要存在25～30 a、20～25 a、10～15 a 和5～10 a 四个特征时间尺度，小波方差图表明平均气温存在四个明显的峰值。其中，第一主周期为13 a，第二主周期为22 a，第三主周期为29 a，第四主周期为6 a。

2.5 气温空间变化特征

由图8 可以看出，疏勒河流域全年及四季平均气温均表现为敦煌站＞瓜州站＞玉门站，平均气温呈自东向西逐渐升高的趋势。由于敦煌站和瓜州站为中部盆地区域，所处位置海拔高度较低，尤其敦煌市与沙漠接壤，干旱少雨，所以高温日数较多。玉门站处于北部川区，纬度和海拔高度都较高，气温常年偏低，低温日数较多。

图8 疏勒河流域气温空间变化特征分析Fig.8 Analysis of spatial variation characteristics of temperature in Shule River Basin

2.6 气温不均匀性与集中度变化分析

敦煌站1951—2020 年平均气温不均匀系数的变化范围在0.45～0.69，平均值为0.54，最大值为0.69，出现在1967 年，最小值为0.45，出现在2015年，平均气温不均匀系数呈微弱减小趋势，倾向率为-0.015·(10a)-1。平均气温集中度的变化范围在0.72～1.08，平均值为0.85，最大值为1.08，出现在1967年，最小值为0.72，出现在2007年和2015年，平均气温集中度呈现微弱的下降趋势，倾向率为-0.023·(10a)-1（图9a，图9b）。

图9 疏勒河流域年平均气温不均匀性和集中度变化Fig.9 The variation of annual average temperature inhomogeneity and concentration in Shule River Basin

瓜州站1951—2020 年平均气温不均匀系数的变化范围在0.50～0.70，平均值为0.60，最大值为0.75，出现在1967 年，最小值为0.50，出现在2015年和2017 年，不均匀系数呈微弱减小趋势，倾向率为-0.018·(10a)-1。平均气温集中度的变化范围在0.79～1.18，平均值为0.95，最大值为1.18，出现在1967年，最小值为0.79，出现在2007年，平均气温集中度呈现微弱的下降趋势，倾向率为-0.028·(10a)-1（图9c，图9d）。

玉门站1953—2020 年平均气温不均匀系数的变化范围在0.56～0.98，平均值为0.70，最大值为0.98，出现在1967年，最小值为0.56，出现在1998年和2002 年，平均气温不均匀系数呈微弱减小趋势，倾向率为-0.02·(10a)-1。平均气温集中度的变化范围在0.89～1.54，平均值为0.89，最大值为1.54，出现在1967年，最小值为0.89，出现在1998年，平均气温集中度呈现微弱的下降趋势，倾向率为-0.032·(10a)-1（图9e，图9f）。疏勒河流域各站气温不均匀系数与集中度均呈现下降趋势，表明流域气温分布趋于均匀化。

3 讨论

研究时段内疏勒河流域全年及四季平均气温均呈现上升趋势，这与以往的研究结果一致［19］。流域平均气温增温率为0.21 ℃·(10a)-1，这与多位学者对该地区的研究结果相近［27-29］。其中，春、冬季增温率较大，对年平均气温升高贡献突出，而夏、秋季增温率较小，这与人类活动导致温室气体排放量增加有关［1］。与夏、秋季相比，在春、冬季节流域居民主要靠燃煤取暖，温室气体浓度增加、大气辐射保温作用增强导致春、冬季增温率最高。流域敦煌站、瓜州站、玉门站平均气温在1997年左右均出现了明显的突变点，且都是呈现正突变，这可能是受西风环流降水的影响，疏勒河流域的气候环境由冷干转为暖湿［22］。流域气温周期性特征存在较大差异性，这与研究时间序列、气候因素和人类活动有很大关系。疏勒河流域东部毗邻山川，纬度和海拔高度较高，气温常年偏低，越往西越接近沙漠地带，气温较高，所以气温空间变化呈现由东向西升高的趋势。流域气温不均匀系数与集中度均呈下降趋势，表明气温分布趋于均匀化，高、低温出现的不确定性可能升高。总体而言，由于西北干旱内陆河流域气候特点的复杂性，气温受多种因素综合影响，其变化特征时空差异很大。因此，在后续研究中应进一步加强环境变化下区域气温时空变化特征与预测研究。

4 结论

本研究基于疏勒河流域敦煌站、瓜州站、玉门站1951—2020年全年及四季气温数据，研究流域气温时空变化特征，结论如下：

（1）疏勒河流域敦煌站、瓜州站、玉门站年均气温分别以0.244 ℃·(10a)-1(P＜0.05)、0.209 ℃·(10a)-1(P＜0.05)、0.195 ℃·(10a)-1(P＜0.05)的速率增加，70 a、70 a、68 a内分别增加了1.708 ℃、1.463 ℃、1.326 ℃，增温趋势显著。

（2）敦煌站、玉门站四季平均气温呈显著上升趋势；瓜州站春季、秋季、冬季平均气温呈显著上升趋势，夏季平均气温呈不显著上升趋势。从空间分布来看，流域全年及四季平均气温从东向西逐渐升高，高温多集中在敦煌站。

（3）疏勒河流域各站平均气温均在90年代发生突变，敦煌站、瓜州站、玉门站平均气温突变年份分别为1998 年、1997 年和1995 年。流域气温周期特征差异性较大，敦煌站、瓜州站和玉门站平均气温第一主周期分别为58 a、30 a、13 a。流域气温不均匀系数与集中度均呈递减趋势。