西北地区气象要素时空变化特征及未来趋势评估

陈代明,王亚东,梁 君,韩牧原,王 洁

(1.国能陕西水电有限公司,陕西西安 710075;2.南京信息工程大学,江苏南京 210044)

20世纪以来,全球气温持续增长,全球变暖现象为世人瞩目。全球的持续变暖造成了一系列影响,冰山积雪融化,生态系统破坏,水文气象极端事件频发,低纬度地区干旱炎热,中高纬度地区逐渐暖湿化。与此同时,全球气候变化也给我国带来了巨大的影响,洪涝灾害频发,北方地区水资源短缺,土地干旱程度不断加重,对我国农业造成巨大影响[1]。我国西北地区其位置深居内陆,远离海洋,其气候为典型的大陆性气候,再加上地形比较复杂,拥有高原、山地、盆地、荒漠这些奇观,同时由于高原山地地形较高的影响,山脉对湿润气流的阻挡,气候干旱,降水稀少。气候变暖加上复杂的地形的影响,究竟对西北地区的局地气温产生何种影响,其影响程度有多深,引起了国内外学者的广泛关注[2-5]。合理评估西北地区气温的时空变化特征,对该地区气候变化评估、农业发展、生态保护都具有重要的意义。

21世纪初期,曾有研究表明全球变暖正在变缓,但很快被证实全球变暖依然很明显。全球气候变化对我国水文水利、生态环境等方面的影响程度逐步加深,因此大量学者围绕不同气象要素过去与未来的变化趋势展开了众多研究。陈红菊等[6]利用江苏省13个国家级台站1961—2020年逐日降水资料,采用非参数检验法的Mann-Kendall方法分析了江苏省各地的降水时空分布规律;徐飞等[7]以珠江流域57个气象站1960—2018年气温资料为基础,借助12个气温变化指数,分析了珠江流域不同极端气温的变化特征和未来趋势,结果表明未来极端气温依然保持目前的趋势。在西北地区,全球变暖导致该地区的气候条件发生改变,进一步显著影响该地区不同气象要素的变化。王利平等[8]采集了我国西北青藏南方地区1961—2014年530个气象站数据,使用Mann-Kendall趋势检验、突变检验和小波分析对其进行空间时间变化分析,结果发现1961—2014年我国青藏地区干燥程度均呈明显减小趋势,而南方地区干燥程度则呈微弱减小趋势。李润祥等[9]从中国气象局收集了新疆地区1981—2012年的气温观测数据,采用气候倾向线性估计和Mann-Kendall方法分别对该地区气温变化趋势与突变信息进行了分析,结果表明,近32年年平均气温呈现不同程度的升高趋势,在未来一段时间新疆将会变得更加温暖。这些研究说明在全球气候变暖的背景下西北地区气象条件在不断发生变化。多数科学家已经针对西北部分省份的不同气象变量要素的历史变化趋势进行了研究[10],但是将西北作为一个整体综合分析西北地区气温变化情况的研究较少,大部分学者只是单一使用曼坎德尔趋势检验法或RS分析法来研究西北地区气温的历史变化趋势及未来变化趋势,而且并没有按照干湿季节分类,因此笔者将全年分为干季和湿季,并同时采用曼坎德尔趋势法和RS分析法评估西北地区气温的历史及未来的变化趋势。

1 资料与方法

1.1 研究区概况西北地区包括新疆维吾尔自治区、宁夏回族自治区、青海省、甘肃省,其地形地貌形式多变,中间为盆地,如准噶尔盆地、塔里木盆地、吐鲁番盆地,四周为高原和山地,如黄土高原、天山—昆仑山山脉等。受这种特殊地形地貌的影响,气候呈现多样化的特征,既存在温带季风气候(东南部),又存在高寒气候以及温带大陆性气候。受海陆位置与地形地貌影响,西北地区降水较少,且夏季酷热,冬季极寒。

黄土高原是我国四大高原之一,其位置处于西北地区西部,地势由西北向东南倾斜,除了石质山地外,大部分都为厚层黄土覆盖,由于黄河的不断强烈侵蚀,形成千沟万壑的地形景观,海拔为800～3 000 m;从气候类型上来看,本地为典型的大陆性季风气候,全年降水偏少,气温年际变化较大,表现为冬季严寒,夏季酷热;河流是以黄河为骨干,发源于黄土高原的河流较多;由于受暴雨影响,大多数河流汛期洪峰急涨猛落,汛期水量占全年水量的大部分。塔里木盆地是我国面积最大的内陆盆地,其位置位于我国新疆南部盆地,地势总体上来说特点是西高东低。盆地周边为戈壁,盆地中心为塔里木河穿越而过的大片沙漠,河流劲头形成冲积平原,受塔里木河影响盆地有零星绿洲存在;该地区海拔为800～1 300 m;从气候类型上来看,本地为典型的暖温带气候,太阳辐射高,多风沙,气温日较差大、年内季节变化大;盆地水分主要来自西风气流,降水稀少,本身无法形成径流,较大河流有南部的叶尔羌、克孜勒等,北部的阿克苏、台兰等。天山山脉是世界七大山系之一,地势呈东西走向,占地57万km2以上,占新疆全区面积约1/3。天山山脉四周沙漠环绕,气候为温带大陆性气候,拥有众多的冰川河流、特殊的生物区系和生态过程。

1.2 数据来源首先对西北地区38个气象站的日气温和日降水量资料进行处理,从站点分布(图1)来看,有16个气象站位于新疆维吾尔自治区,1个气象站位于宁夏回族自治区,11个气象站位于青海省,8个气象站位于甘肃省,2个气象站位于陕西省,站点分布比较均衡,数据来自中国气象数据共享网。同时为了保证数据的一致性,选取这些站点1971—2020年的日气温数据,并且对数据进行对比插值,从结果来看数据质量较高,较为可靠。

图1 西北地区气象站点分布

该研究需要计算干季、湿季的气温资料,定义5—10月为湿季,其他月为干季。

1.3 研究方法在水文气象以及气候变化领域,曼坎德尔检验法是一种常用的气候诊断与预测技术,该检验方法既可以寻找突变点并判断数据的突变性,又可以分析数据的变化趋势。由于M-K趋势检验法要求数据的分布并不是很严格,且允许数据中间可以存在缺值,所以多用于气候变化、水文气象领域中的降水、气温、流量等数据的趋势估算,计算方法简单方便,具体原理与计算方法参考文献[11-13]。

RS分析法属于一种数据统计方法,由英国科学家赫斯特提出,又称赫斯特指数法。该方法起初被用来分析水库、河流之间的流量变化,后来逐步广泛用于气象与水文各行业的数据分析。并于1951年相继提出Hurst指数,用来对时间序列的持续性进行定量描述,具体计算方法参考文献[14-15]。Hurst指数为0～1,以0.5为临界点,指数大于0.5代表数据的未来变化趋势与过去趋势一致,越接近于1,其一致性越强;指数小于0.5代表数据的未来变化趋势与过去趋势不一致,越接近于0,不一致性越强。

2 结果与分析

2.1 年平均气温历史趋势检验及未来趋势预测采用曼坎德尔检验法对1971—2020年研究区气象站点年平均气温变化趋势进行非参数检验,从结果来看,对于5%置信区间的通过情况来说,大部分的气象站点都能够通过,对所有站点的曼坎德尔趋势度β进行插值,得到其分布如图2所示,据此可以分地区评估西北地区年平均气温变化趋势的空间差异性。从1971—2020年西北地区气温变化趋势度β的分布(图2)可以看出,整个西北地区年平均气温均呈上升的态势,从整个西北地区分布来看,呈现从西北往东南递增的规律,青海省中东部地区、甘肃省中西部、陕西省、宁夏回族自治区等地上升趋势比较明显;新疆大部分地区、青海省中西部地区、甘肃西部地区气温均呈微弱的上升趋势,不是特别明显。在全球变暖大背景下,西北地区总体上气温也表现出不断上升的态势。

图2 1971—2020年西北地区年平均气温变化趋势度β值空间分布

对西北地区包括陕西在内的气象站点年均气温使用RS方法进行分析计算,可以得到所有站点的Hurst指数,并进行插值,从而得出其空间分布(图3)。从年均气温的Hurst值分布特点(图3)来看,总体上来看西北地区大部分地区Hurst值均大于0.5,表示未来一段时间的年均气温保持与过去一致的变化局势,继续呈现持续性的升温态势;从地区分布差异来看,仅有新疆北部地区的Hurst值小于0.5,意味着未来气温变化趋势与过去趋势相反,未来气候有变凉爽的可能性;其余地区,其中新疆西南地区、新疆甘肃青海三省(区)交界处、甘肃西部、陕西中西部、宁夏回族自治区的Hurst值达到了0.9,未来持续增温的趋势非常强。除新疆北部的其他西北地区,大部分的Hurst值都达到了0.8,只有青海中部和西部的少部分地区Hurst值达到了0.7,持续性较强。

图3 1971—2020年西北地区年平均气温Hurst值空间分布

综合曼坎德尔检验法和RS分析法得出的数据分布来看,从具体的持续性方面来说,未来一段时间内西北地区大部分地区年均气温保持与过去一致的变化趋势,继续呈现升温态势,未来持续增暖的可能性较大;仅有新疆北部地区未来气温变化趋势与过去趋势相反,该地区未来气候有变凉爽的可能性。

2.2 干季气温历史趋势检验及未来趋势预测从干季平均气温变化趋势度β值的空间插值(图4)可以看出,干季气温的趋势度β值在整个西北地区都是呈现大于0的特点,即气温在1971—2020年是不断上升的,其中新疆大部分地区出现了较大值的干季气温趋势度β值,甘肃西部地区和青海东部地区出现了较小值的气温趋势度β值。从整个西北地区来看,干季气温趋势度β值分布由西北地区西北向中部递减,然后由中部向东南递增规律,但是前一递减过程下降程度明显高于后一上升过程上升程度。

图4 1971—2020年西北地区干季平均气温趋势度β值空间分布

对西北地区干季平均气温进行RS分析,具体的Hurst值分布如图5所示。从干季Hurst值分布特点(图5)来看,新疆中北部地区干季平均气温的Hurst值均呈现小于0.5的特点,表示2020年之后的气温变化与过去50年的变化趋势有较大改变,具体来说是该地区干季气温未来可能出现降低的现象;除新疆中北部地区,其他西北地区Hurst值呈现大于0.5的特点,表明2020年之后的气温变化与过去50年的气温变化趋势相似,即未来继续保持增暖的态势。除新疆中北部的其他地区,在新疆西部、青海南部、甘肃南部、宁夏南部、陕西大部分地区Hurst值达到0.9,表明未来呈现继续增暖的可能性非常高。

图5 1971—2020年西北地区干季平均气温Hurst值空间分布

综合曼坎德尔趋势检验得到的趋势度β值和RS计算得到的Hurst指数的分布情况来看,1971—2020年西北大部分地区干季气温在过去和未来均呈上升趋势,仅有新疆北部地区的干季气温呈现未来与过去不一致的变化趋势,该地区未来干季平均气温可能呈下降趋势,未来一段时间当地干季气温变得更加寒冷;而其他地区的Hurst值高于0.5,未来年平均气温呈上升趋势,干季将可能更加温暖。

2.3 湿季气温历史趋势检验及未来趋势预测从1971—2020年湿季平均气温变化趋势度β值分布(图6)可以看出,湿季平均气温的趋势度β值在整个区域内均大于0,即在过去的50年中湿季平均气温保持上升趋势,青海中西部地区及甘肃和新疆的省界交界处出现了最大的气温趋势度β值,新疆中北部地区出现了最小的气温趋势度β值。从整个西北地区来看,湿季平均气温趋势度β值分布从东西方向来看是由西北地区新疆最西部向新疆中部略微递减,然后由新疆中部向西北地区中部迅速递增,达到最大值后由西北中部地区向西北东部地区缓慢递减的规律。

图6 1971—2020年西北地区湿季平均气温趋势度β值空间分布

对西北地区湿季平均气温进行RS分析,并进行插值计算,具体的Hurst指数空间分布如图7所示。西北地区湿季平均气温Hurst值的分布比较明显,与年平均气温和干季平均气温不一样,湿季平均气温的Hurst值均大于0.8,表明2020年之后的湿季平均气温保持与过去一致的变化趋势,继续保持增温。其中增温持续性最强的地区位于新疆西北部,除此以外的其他地区也呈现较强湿季气温增温持续性。

图7 1971—2020年西北地区湿季平均气温Hurst值空间分布

综合曼坎德尔趋势检验得到的趋势度β值和RS计算得到的Hurst指数的分布情况来看,西北地区湿季平均气温未来保持着继续升高的趋势,其中以青海西部地区的上升趋势最为显著,气温将逐渐变得温暖。

3 结论

该研究基于曼坎德尔检验法和Hurst指数估算法对1971—2020年西北地区气温的历史趋势进行分析,并对未来的变化趋势进行了估测,对年、干季、湿季多种时间尺度的结果进行对比分析,结果表明,从整体上来说,西北地区年平均气温的上升趋势明显,且年平均气温未来具有持续性,将保持过去的稳定的上升趋势,未来西北地区将变得更温暖。干季和湿季平均气温1971—2020年西北地区也呈上升趋势,但两者在持续性上存在区别,干季平均气温在新疆西北部地区存在反持续性,未来的气温将呈现下降趋势,而干季其他地区均呈持续性,湿季平均气温在西北地区未来持续性十分显著。

该研究只是从统计学的角度对西北地区1971—2020年的气温进行分析,从而对未来的气温进行预测,研究结果表明规律性还是比较强的,但是气温的变化涉及很多要素,比如蒸发量、植被覆盖率、径流量、地下水水位等对大气的反馈作用,也会导致气温的变化,所以分析预测具有很大的局限性,其物理基础有所不足。