1969-2017年渭河上游气温和降水时空变化特征分析*

田思婷,王毅勇,周超凡

(宝鸡文理学院 地理与环境学院,陕西 宝鸡 721013)

气候变化已成为人类十分关注的问题,对生态系统[1]和社会经济[2]发展造成了严重的威胁。气候变化引发的极端降水造成了洪涝灾害和干旱事件的频发,危害人类的生命健康[3]和财产安全。研究表明,未来中国区域之间的脆弱性差别很大,并且存在几个明显的高脆弱区,主要分布在东北和西北地区(甘肃和宁夏)[4]。在我国西北干旱区,极端高温事件明显增多,气温变化也存在季节和区域差异[5-7]。早期已经有不少国外的学者开始研究气候变化[8-9]。在极端气温研究方面,区域性变化是极端高温变化的一个特征[10]。在全球陆地降水的研究中,不同尺度的降水空间变化所对应的时间序列有很大的差别,并且具有显著的年际特征[11]。目前,众多学者采用不同分析方法对不同地区的降水和温度时空变化趋势进行了研究[12-14]。无可置疑,水资源与气温已经成为衡量全球气候变化十分重要的因素。

渭河是黄河的最大支流,位于我国西北地区东部生态脆弱带,自然灾害多发,这也是限制这一区域的国民经济尤其是农业经济以及农业可持续发展的一个重要原因[15]。在气候变暖的背景下,渭河流域降水和热量的时空分布发生了相应的变化,这对渭河流域生态系统的稳定、人类的生活以及农业的发展等都带来了十分严重的影响。近年来,许多学者分别从气温及降水等角度分析了渭河流域极端气候情况[16-18],但上述研究均是针对渭河流域整体在宏观尺度上开展的,对渭河上游地区的研究较少。渭河上游地区大部分处于甘肃省,主要以丘陵山地为主,地貌和气候类型复杂多样[19];夏秋季受太平洋副热带高压影响,高温降水集中且多暴雨。有必要对渭河上游地区的气候变化进行较为精细化的研究,为渭河源区的生态保育与环境治理提供科学依据。

1 研究区概况

渭河全长818 km,控制流域面积约13.48×104km2。自陕西省宝鸡峡以上河段为其上游河段,主要流经甘肃省天水市、宁夏回族自治区固原市和陕西省宝鸡市。渭河流域上游的地形主要以山地丘陵为主,处于我国半湿润半干旱气候过渡区,降水集中在夏天,年平均降水量在500～800 mm之间,时间分配上极不均匀[16]。图1为渭河上游地形图和气象站点分布图。

图1 渭河上游地形图和气象站点分布图Fig. 1 Topographic map and distribution map of meteorological stations in the upper reaches of Weihe River

2 数据来源及方法

2.1 数据来源

本文数据来自中国气象科学数据共享服务网(http://data.cma.cn/)。选取渭河上游段较完整的22个气象站点降水、气温数据,且订正了不同原因造成的错误。数据系列包括1969-2017年期间的日降水量和日平均气温数据。

2.2 研究方法

本文采用五年滑动平均法和线性回归分析法分析降水和气温的年际变化特征;通过M-K(Mann-Kendall)突变检验[20]对降水和气温进行突变分析;通过小波分析法[21]对降水和气温进行周期分析,通过经验正交分解[22-24]和克里金插值法进行空间分析,并绘制了渭河上游降水和气温变化的空间分布图。

3 结果与分析

3.1 渭河上游降水量时空变化特征

3.1.1 渭河上游降水量时间变化特征

(1)年平均降水量的时间变化特征

运用五年滑动平均和线性回归方法分析渭河上游1969-2017年年均降水量的时间变化趋势。如图2所示,1969-2017年渭河上游年平均降水量为510.60 mm,2003年最大(686.71 mm),1997年最少(326.86 mm),二者相差359.85 mm。近49 a渭河上游地区的年均降水量呈微降趋势,其气候倾向率为-7.07 mm/10 a;从五年滑动平均来看,20世纪90年代存在相对较大下降-上升态势,其他时间段降水量变化不明显,年均降水量在1969-1994年期间呈上升趋势,1995-2012年呈下降趋势,UF和UB出现多个交点,UF值均未超过信度值,表明全年降水变化不显著,由Pettitt检验可知年均降水量在1991年经历了由多变少的不显著突变(p>0.05)。

图2 1969-2017年渭河上游年均降水量变化及M-K检验Fig. 2 Annual average precipitation change and M-K test in the upper Weihe River from 1969 to 2017

(2)四季降水量突变分析

对渭河上游地区近49 a四季降水量的时间序列进行M-K突变检验。如图3所示,春季降水量整体呈下降趋势(UF<0),UF值在1982年超出信度的下限,表明降水量显著下降,由Pettitt检验可知春季降水量在1992年经历了由多变少的不显著突变(p>0.05);夏季降水量整体呈上升趋势(UF>0),UF值在1980-1981年期间超出信度上限,表明该时段降水量显著上升,由Pettitt检验可知夏季降水量在1976年经历了由少变多的不显著突变(p>0.05);秋季降水量整体呈现下降趋势(UF<0),UF和UB出现多个交点,存在多个突变点,表明此期间震荡剧烈,UF值在1999年超出信度的下限,表明降水量显著下降,由Pettitt检验可知秋季降水量在1986年经历了由多变少的不显著突变(p>0.05);冬季降水量在1969-1990年总体呈现下降趋势(UF<0),但是1991-2017年总体呈上升趋势(UF>0),UF和UB出现多个交点,存在多个突变值,UF值未超出信度值,表明此阶段降水量变化不显著,由Pettitt检验可知冬季降水量在1988年经历了由少变多的不显著突变(p>0.05)。

图3 1969-2017年渭河上游四季降水量的M-K检验Fig. 3 M-K test of seasonal precipitation in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

通过MATLAB R2018b小波周期分析方法得到渭河上游年际降水量小波方差及小波实部数据,再利用Origin 2019b绘制小波实部图。小波方差的峰值越大,则代表该尺度的周期性越明显。由图4可知,降水小波方差图中有3个显著峰值,以峰值的高低可以看出,第一、二、三主周期分别为55 a,35 a和15 a。55 a尺度对应小波方差最大峰值,说明55 a尺度左右的周期性更强,主要控制渭河上游地区降水的变化特征。对应降水的小波实部图可以看出,在55 a年时间尺度条件下它的周期是31 a;在35 a时间尺度条件下它的周期是23 a;在15 a时间尺度条件下它的周期是9～11 a。

图4 降水小波方差及小波实部Fig. 4 Precipitation wavelet variance and wavelet real part

3.1.2 渭河上游降水量空间变化特征

利用ARCGIS软件,采用普通克里金(Kriging)插值法进行空间差值分析,生成年均和四季降水量的空间分布图(图5)。可以看出,多年降水量整体呈现从东南到西北递减的变化趋势,太白站降雨最多,年均降水量为709.2 mm,降水最少的为通渭站,年均降水量只有385.7 mm,两者相差323.5 mm,空间差异明显;四季降水量的空间分布与年均降水相似,均呈现从东南到西北减少的趋势。

图5 1969-2017年年均和四季降水空间分布图Fig. 5 Spatial distribution of annual and seasonal precipitation from 1969 to 2017

为了进一步研究渭河上游降水量的空间分布特征,对渭河上游22个气象站点1969-2017年的降水数据进行经验正交函数(Empirical Orthogonal Function, EOF)分析,并进行North检测,得出主要空间分布型。

1969-2017年渭河上游地区年均降水量前3个特征向量的特征值和贡献率如表1所示,其前2个特征向量的累积贡献率接近80%,说明这2个特征值可以很好地反映渭河上游地区49 a年均降水量的2种分布类型,如图6所示。

表1 年降水前3个特征向量特征值及其方差贡献率Tab. 1 The first three eigenvector eigenvalues and their variance contribution rates of annual precipitation

图6 1969-2017年渭河上游年降水前2个特征向量Fig. 6 The first two eigenvectors of annual precipitation in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

第一特征向量的方差贡献率为60.92%,是渭河上游的主要空间分布型。该模态特征向量的高值区出现在张家川站,低值出现在千阳站,且其高值中心在最西端,反映出该区域降水变化量大,特征向量值从东南向西北递增,以东南为负值区,以西北为正值区。该降水型存在明显的东南或西北部的差异;第二特征向量的累积方差贡献率为77.32%,该模态特征向量的高值区出现在天水站,低值出现在清水站,该降水型存在明显的东西或南北差异。综上可知,降水存在空间差异性。

3.2 渭河上游气温时空变化特征

3.2.1 渭河上游气温时间变化特征

(1)年平均气温的时间变化特征

运用五年滑动平均和线性回归方法分析渭河上游1969-2017年年均温度的时间变化趋势,如图7所示,年均温度整体呈上升趋势,其气候倾向率为0.344 ℃/10 a,年均温度最高达9.9 ℃,最低为7.3 ℃,两者相差2.6 ℃。UF和UB相交于1997年,存在1个突变点,UF值在1999-2017年期间超出信度上限,表明该时间段温度显著上升,由Pettitt检验可知在1997年发生显著突变增温(p<0.05)。

图7 1969-2017年渭河上游年均温度变化及M-K检验Fig. 7 Annual average temperature changes and M-K test in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

(2)四季气温突变分析

对1969-2017年渭河上游地区四季气温的时间序列进行M-K趋势突变检验,结果如图8所示。春季气温总体呈现先下降再上升趋势,UF和UB相交于1999年,存在1个突变点,UF值在2004-2017年期间超出信度的上限,表明该时段温度显著上升,由Pettitt检验可知春季温度在1997年发生显著突变(p<0.05);夏季气温总体呈现先下降再上升趋势,UF和UB分别相交于2005年、2007年和2008年,存在3个突变点,UF值在1976-1994年期间超过信度的下限,表明该时间段温度显著下降,在2009-2017年期间超过信度的上限,表明该时间段温度显著上升,由Pettitt检验可知夏季温度在1994年发生显著突变(p<0.05);秋季总体呈上升趋势,UF和UB相交于1995年和2000年,存在2个突变点,UF值在1996年和1998-2017年期间超过信度的上限,表明该时间段温度显著上升,由Pettitt检验可知秋季温度在1994年发生显著突变(p<0.05);冬季UF和UB相交于1994年,存在1个突变点,UF值在1998-2017年期间超出信度的上限,表明该时间段温度显著上升,由Pettitt检验可知秋季温度在1997年发生显著突变(p<0.05)。

图8 1969-2017年渭河上游四季温度的M-K检验Fig. 8 M-K test of seasonal temperature in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

从图9可知,温度小波方差图中有1个显著峰值,以峰值的高低可以看出,第一、二、三主周期分别为56 a,44 a和31 a。56 a尺度对应小波方差最大峰值,说明56 a尺度左右的周期性更强,主要控制渭河上游地区气温的变化特征。对应温度的小波实部图可以看出,在56 a年时间尺度条件下它的周期是35 a,在44 a时间尺度条件下它的周期是27 a,在31 a时间尺度条件下它的周期是17～21 a。

图9 温度小波方差及小波实部Fig. 9 Temperature wavelet variance and wavelet real part

3.2.2 渭河上游气温空间变化特征

利用ArcMap10.5中的克里金插值得到渭河上游年际和四季气温的空间变化,如图10所示。可以看出,多年温度整体呈现从西北到东南递增的变化趋势,眉县站的年均温度最高(13 ℃),华家岭站最低(4 ℃),两者相差9 ℃,空间存在差异性。四季的温度空间分布与年温度变化相似,均呈现从西北到东南递增的趋势。

为了进一步研究渭河上游温度的空间分布特征,对渭河上游22个气象站点1969-2017年的温度数据进行经验正交函数(EOF)分析,得出主要空间分布型。

1969-2017年渭河上游地区年均气温前3个特征向量的特征值和贡献率如表2所示,其前2个特征向量的累积贡献率达到91.91%,说明这2个特征值能够很好地反映渭河上游地区近49 a气温的2种分布类型,如图11所示。第一特征向量的方差贡献率为87.09%,是渭河上游的主要空间分布型。该模态特征向量的高值区出现在甘谷站,低值出现在隆德站,以宝鸡、天水、甘谷、通渭为界,东北部为负值,存在东北和西南部的差异。第二特征向量的累积方差贡献率为91.91%,该模态特征向量的高值区出现在通渭站,低值出现在麟游站,以渭源、通渭、静宁、西吉为界的西北部区域为正值,大部分区域为负值,存在东西和南北差异性。综上可知,温度存在区域差异性。

表2 年均温度前3个特征向量特征值及其方差贡献率Tab. 2 The first three eigenvector eigenvalues and their variance contribution rates of annual average temperature

图11 1969-2017年渭河上游年均温度前2个特征向量Fig. 11 The first two eigenvectors of annual average temperature in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

4 结论

(1)从时间上看,1969-2017年渭河上游区域年均降水量无明显变化趋势,M-K突变分析表明,年均、春季和秋季降水量分别在1991年,1992年和1986年经历了由多变少的突变;夏季和冬季降水量分别在1976年和1988年经历了由少变多的突变。年均降水量存在55 a,35 a和15 a左右尺度的周期变化。

1969-2017年渭河上游区域年均气温整体呈现上升趋势,M-K突变分析表明,夏季和秋季气温在1994年发生显著突变,年均、春季和冬季气温在1997年发生显著突变,均表现出增温现象。年际气温存在56 a,44 a和31 a左右尺度的周期变化。

(2)从空间上看,年均降水量和年均气温在空间尺度上整体的变化均呈现从西北到东南递增的规律。EOF分析表明,渭河上游年降水量和气温均存在明显的空间差异性,第一特征向量降水型存在明显的东南或西北部的差异,第二特征向量降水型存在明显的东西或南北差异。第一特征向量气温型存在东北或西南部的差异;第二特征向量气温型存在东西或南北差异性。