1980—2022年白龙江流域气候变化特征研究

任骊安，冯瑞娟，靳立亚

（1.成都信息工程大学，四川 成都 610225；2.甘肃省陇南气象局，甘肃 陇南 746000；3.兰州大学，甘肃 兰州 730000）

根据IPCC（联合国政府间气候变化专门委员会）第6次评估报告，2011—2020年平均温升比工业化前增加了1.09 ℃，其中1.07 ℃的增温是人类活动造成的，2001—2020年平均温升比工业化前增加了0.99 ℃，气温正在迅速变暖，且这种现象是全球性的[1]，这让与人类息息相关的气候系统正在发生巨变。《第三次气候变化国家评估报告》[2]中表明：1909—2011 年全球平均增温速率低于中国平均增温速率。中国乃至全球受气候变化的影响，各类极端气候事件频发[3-11]，IPCC 也指出强降水、台风、干旱等极端气候事件将继续出现，而极端气候事件的出现也势必对生态环境带来巨大的负面影响。中国的水资源、森林、农业极易受全球气候变化的不利影响，所以研究气候变化特征，制定应对措施对于中国乃至全球的可持续发展都具有重要的意义[12]。

白龙江发源于甘肃省碌曲县与四川省若尔盖县交界的郎木寺，流经碌曲、若尔盖、迭部、舟曲、宕昌、武都、文县，并于广元汇入嘉陵江，近年来该流域常出现短时强降水、冰雹，每年汛期的强降雨天气常造成不同程度的滑坡、泥石流、洪涝等灾害。因此研究白龙江流域的气候变化特征对于该流域的水资源可持续开发利用、生态环境的保护与发展以及国家的粮食安全都具有十分重要的意义。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

白龙江处于中国秦巴山区、青藏高原、黄土高原的交界处[13]，流域内地形高低起伏大，气候类型复杂多样[14]，自上游至下游依次为高寒阴湿气候区、温带半湿润区、亚热带湿润区。该流域常出现暴雨、冰雹，每年汛期的强降雨天气常对流域内各区域造成不同程度的滑坡、泥石流等灾害，其中2020 年8月12日该流域多地出现暴雨天气，造成了不同程度的洪涝灾害。为此，数据选取1980—2022 年的碌曲、迭部、舟曲、宕昌、武都、文县6 个白龙江流经之地且具有代表性台站的月降水量、月平均气温，以研究该流域气候变化特征。

1.2 数据处理方法

1.2.1 线性分析

运用线性趋势的方法研究白龙江流域气候变化的季节、年际变化特征，即利用倾向率来表示研究要素y的变化趋势，利用一元线性回归法：

式中：t为时间，将a1×10 称为倾向率，当a1 为正时研究要素线性增加，反之线性减小。

1.2.2 小波分析

对白龙江流域的气温、降水进行小波分析，由小波系数来分析气温、降水的时频变化特征，研究该流域气温、降水的周期变化。使用小波方差，研究气温、降水随着时间尺度的变化。

1.2.3 M-K突变检验分析

对白龙江流域的气温、降水进行M-K突变检验分析。使用M-K 突变检验法研究时间序列的变化趋势，不受个别异常值的干扰，已运用于众多气象、水文的研究中。当UF＞0 时，研究要素呈上升趋势，UF＜0 时，研究要素呈下降趋势，当UF 超过临界置信水平直线时（置信水平α=0.05,置信水平线为±1.96），研究要素呈显著上升或者下降趋势。若UF 和UB 在两条置信水平线之间出现交点，该交点是研究要素发生突变的起始时间[15]。

2 气温、降水的季节、年际变化特征

白龙江流域各季节气温在夏季达到最高，冬季最低，其中夏季平均气温于2022 年达到21.8 ℃，为近40年研究区各季节最高平均气温，冬季平均气温在1984年达到-1.26 ℃，为近40年研究区各季节最低平均气温。春季、夏季、秋季以及冬季气温均呈波动上升趋势，气温增加率分别为0.481 ℃∕10 a、0.476 ℃∕10 a、0.316 ℃∕10 a、0.332 ℃∕10 a，且上升趋势均通过0.01 显著性检验。1980—2022 年白龙江流域年平均气温呈波动上升趋势（图1a），气温增加率为0.392 ℃∕10 a，上升趋势均通过0.01 显著性检验，并于2016 年达到最大值为11.79 ℃，1984 年达到最低值为9.84 ℃。

图1 1980—2022年白龙江流域年平均气温（a）、降水（b）年际、线性趋势变化特征

近几十年研究区夏季降水波动最明显且最为充沛，冬季降水最少且变化趋势较为平稳。2020年夏季降水达到各季节最高为452.7 mm，2010年冬季降水达到各季节最低为2.5 mm，其中夏季降水以3.969 mm∕10 a的速率减少，春季、秋季、冬季降水增加率分别为3.663 mm∕10 a、6.126 mm∕10 a、0.586 mm∕10 a，上升趋势不明显。1980—2022 年白龙江流域年降水呈波动上升趋势（图1b），降水增加率为6.96 mm∕10 a，上升趋势不明显，2020年降水达到最高值为760.8 mm，1997 年降水达到最低值为401.3 mm。从近几十年气温和降水的变化趋势来看，白龙江流域气候整体而言呈暖湿化。

3 白龙江流域气候周期变化特征

白龙江流域气温变化主要有4～6 a、10～15 a和18～32 a共3类尺度的周期变化规律（图2a），并存在23 a、27 a2 个明显的峰值（图2b），其中27 a 周期振荡最强，为气温变化的第一主周期，23 a为第二主周期。而5 a、13 a周期较弱，振荡不明显，18-32 a分布在1980—2022年，振荡明显，能量较高，增温明显。

图2 白龙江流域1980—2022年气温的小波系数实部等值线图（a）与小波方差图（b）

研究区降水变化存在3～8 a、10～18 a、21～30 a 共3 类尺度的周期变化规律（图3a），其中10-18 a上降水存在准4 次振荡，21～30 a 上降水出现了偏少-偏多交替的准两次振荡。该流域降水存在4 个较为明显的峰值（图3b），依次为4 a、10 a、15 a、26 a，其中26 a周期振荡最强，为研究区降水变化的第一主周期，能量明显，其次为15 a，为白龙江流域降水变化的第二主周期，贯穿整个时段。

图3 白龙江流域1980—2022年降水的小波系数实部等值线图（a）与小波方差图（b）

4 M-K突变性分析

对白龙江流域1980—2022年间的气温、降水进行M-K突变检验分析，研究表明1981—1986年UF＜0，气温呈下降趋势，1980 年、1987—2022 年UF＞0，气温呈上升趋势，1996年UF与UB在置信直线之间出现交点，发生突变，在1997 年研究区气温的上升趋势超过了1.96的置信度，1997—2022年气温显著上升（图4a）；1981 年、1983—1985 年、1990 年、1993年以及2018—2022 年UF＞0，研究区降水呈上升趋势，其余年份UF＜0，研究区降水呈下降趋势，UF与UB 分别于1981 年、2017 年左右在置信直线之间出现2次交点，发生2次突变（图4b）。

图4 白龙江流域1980—2022年气温、降水M -K 突变分析（a）气温（b）降水

5 空间变化特征

1980—2022 年白龙江流域的气温倾向率均为正值（图5a），而上游的迭部其年均温的增加趋势最为显著，气温的增加率为0.523 ℃∕10a，碌曲与舟曲为增温的低值区，气温的增加率分别为0.357 ℃∕10a、0.337 ℃∕10a。研究区年均气温在1983 年的上游碌曲出现最小值为1.6 ℃，在2006 年的下游文县出现最高值为16.5 ℃，碌曲、迭部、舟曲、宕昌、武都的气温均在2006 年出现峰值，6 个台站的气温上升趋势均通过0.01 显著性检验。白龙江流域的年降水总体来说变化趋势较为平稳（图5b），上游碌曲在1980—2022年间降水增加率为26.336 mm∕10a，且上升趋势通过0.05显著性检验，其余各台站均呈略微增加的趋势，2020年除碌曲外各站降水均达到极大值，其中迭部2020 年降水达879.7 mm，为近几十年以来白龙江流域最大年降水。从近几十年气温和降水的空间变化特征来看，白龙江流域上游气候呈暖湿化比中下游明显。

图5 白龙江流域1980—2022年气温、降水空间变化特征（a）气温（b）降水

6 结论

（1）1980—2022年白龙江流域的气温呈显著上升趋势，这与全球气温变暖趋势一致，降水增加的趋势不明显，总体来说白龙江流域近1980—2022年气候呈暖湿化，且上游气候呈暖湿化比中下游明显，这与西北地区气候呈暖湿化趋势一致[16]，而赵艳萍等[17]对研究区2005 年之前的研究表明该流域气候呈暖干化，这说明白龙江流域气候正由暖干化转变为暖湿化。

（2）白龙江流域夏季气温达到最高，降水最充沛，冬季气温最低，降水最少，各季节气温均呈显著上升趋势，夏季降水呈减少趋势，春季、秋季、冬季降水增加趋势不明显。

（3）1980—2022 年研究区气温变化有4～6 a、10～15 a、18～32 a 共3 类尺度的周期性变化，并存在2个较为明显的峰值，分别为23 a、27 a，27 a为第一主周期；降水变化存在3～8 a、10～18 a、21～30 a共3 类尺度的周期性变化，其中10～18 a 上降水存在准4次振荡，21～30 a上降水出现了偏少-偏多交替的准两次振荡，并存在4个较为明显的峰值，分别为4 a、10 a、15 a、26 a，26 a为第一主周期。