近41年來定西市安定區氣候變化特征分析

作為人類生存的自然環境和自然資源的重要組成部分，氣候的變化對生態系統、社會經濟和人們的日常生活有重要影響。根據政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的第4次評估報告,最近100年(1906-2005年)全球表面空氣溫度上升了約0.74℃,近50年的線性增溫速率為0.3℃·10a-1,約是過去100年的兩倍。我國近百年來地面氣溫變化趨勢與全球的情況類似,變暖趨勢為0.2~0.8℃,近50年的變暖趨勢達到0.6~1.1℃,氣候變暖已成為一個不可爭辯的事實。安定區位于甘肅省定西市中部,氣候溫涼干燥,是典型的旱作雨養農業區。干旱是該區最主要也是影響最嚴重的氣象災害,其特點是發生頻率高、影響范圍大、危害程度重,因此已成為制約該區農業乃至整個區域經濟發展的重要因素。前人雖然已對甘肅省、甘肅省河東地區、慶陽市、定西市及其他一些地區的氣候變化做了研究,但對旱作雨養農業區的定點氣候系統研究較少。本研究基于安定區1970-2010年逐日氣溫、降水資料,分析該地區氣候年際變化特征,為進一步研究該地區氣候演變規律提供可靠資料,同時也為干旱區產業結構調整、水資源的合理開發利用與環境保護等提供一定參考。1材料和方法1.1陰山丘陵溝驗證結果圖1安定區(35°17′-36°02′N,104°12′-105°01′E,海拔1671.3~2577.3m)位于甘肅省中部,地處祖厲河支流的關山河上游,屬黃土高原丘陵溝壑區,平均溝壑密度為2.4km·km-2。光資源豐富,年總輻射量593.9kJ·cm-2,日照時數2500h以上;年均降水量386.3mm,年平均溫度7.9℃。最高年降水量564.5mm(2003年),最低年降水量245.7mm(1982年);極端最高溫度為35.1℃(2010-07-28),極端最低溫度為-29.7℃(1991-12-26),屬于典型的溫帶大陸性氣候,即夏季高溫,冬季寒冷,全年降水少,且主要集中在夏季。1.2氣象要素變化的趨勢分析根據安定區氣象站1970-2010年逐日氣溫和降水數據,分別計算氣溫、降水的多年均值和不同年代的平均值,利用算術平均法得到年際氣溫與降水的變化情況。主要采用趨勢分析法、滑動平均法和Mann-Kendall突變檢驗法等方法對安定區近41年來的氣溫與降水變化特征進行研究。趨勢分析擬用一元線性回歸的方法求得,根據得到的氣象要素序列,以時間x(t)作為自變量,氣象要素y(t)作為因變量,建立一元線性回歸方程,利用其描述氣象要素的變化趨勢。年均溫和年降水的突變情況選用Mann-Kendall檢驗法,在MATLAB7.0軟件環境下計算。設氣象要素的序列為x1,…,xN,mi表示第i個樣本xi>xj(1≤j≤i)的累計數,定義統計量在時間序列隨機獨立的假定下,dk的均值和方差分別為:組成的曲線稱為逆序特征曲線UB,當正序特征曲線UF超過信度線,即表示存在明顯的變化趨勢,如果兩條曲線的交點位于信度線之間,則該點便是突變點的開始。2結果與分析2.1年平均氣候和月壤溫度的變化特征2.1.1氣溫年際和年代變化特征2.2顯著上升和安氏時期對于年平均溫度,正序特征曲線UF于1970年至1987年,多為負值,1988年后由負變正(圖3),說明1988年以前安定區年均溫總體較低,之后氣溫開始上升,尤其是1993年以后年均溫迅速上升。正序特征曲線UF與逆序特征曲線UB在1996年有一個明顯的交點,之后,UF曲線還于2006年突破了(α=0.05)分界線1.96,說明近41年安定區年均溫在1996年發生了突變性的升高,突變后(1997-2010年)的年平均溫度達到8.5℃,比突變前(1970-1996年)上升了1.3℃。對降水來說(圖4),其UF曲線僅在1975年、1977—1981年、1983—1987年高于零界線,說明這些年內降水量有所增加。另外,雖然特征曲線UF與UB有多個交點,但沒有突破分界線1.96,說明近41年來安定區的年降水量并沒有發生突變。3降水量的變化近年來,很多學者對甘肅省氣候變化進行研究,結果均表明了甘肅省氣候的變化與我國甚至與全球的變化趨勢具有相當的一致性,即具有明顯的暖干化趨勢。本研究表明,近41年來,定西市安定區年平均溫度呈顯著上升的趨勢,并于1997年發生了由低到高的突變,且增溫率明顯高于全國平均水平。研究安定區氣溫的年代際變化特征發現,進入20世紀90年代后,氣溫明顯上升,說明近20年是整個安定區氣候的快速升溫階段。而眾多學者對甘肅或西北區域氣候進行研究,指出包括隴南南部、隴東、隴東中部、河西走廊平原區等地在內的甘肅省絕大多數地區氣溫從1960-2012年都有明顯升高。另外,對中國西北地區近50年的氣候變化發現,整個地區氣溫從1959-2008年有明顯上升趨勢,且20世紀90年代以后上升更明顯。因此本研究與前人研究結果一致。造成安定區氣溫顯著上升的原因可能是:1)安定區所處的地理位置和地形條件的匯聚特征,由其引起的焚風效應和夏季青藏高原上空下沉氣流的影響,疊加近年來人為活動溫室氣體排放量的增加,導致安定區地面溫度升高。2)安定區本身水資源短缺,加之人們對水資源的不合理利用造成地下水位不斷下降,導致地表植被枯萎、減少,植被覆蓋率下降,土地荒漠化程度不斷加劇,從而引起氣候變暖。3)近年來安定區人口數量不斷上漲,環境不斷受到污染與破壞,以及城市化進程不斷加快而帶來的熱島效應,是安定區氣溫上升的又一個重要原因。對安定區近41年降水量的研究發現,安定區年均降水量在波動中呈減少趨勢,但不顯著,也沒有發生突變。另由降水距平可以看出,安定區的降水情況也呈現明顯的年代際變化特征,20世紀80-90年代,降水量較之前明顯減少,進入21世紀后,又稍有回升,但增幅不大,總體來看,仍呈減少趨勢。很多學者對甘肅省降水的研究也有類似結論,除河西走廊平原區局部地區、北山中山區降水量有所增加外,大部分地區降水量有所減少;定西市年均降水量呈逐漸減少的特征。另外,西北地區中西部降水量呈增加趨勢,而東部區域降水呈減少趨勢,具體包括青海南部,甘肅黃河以東,寧夏、陜西等地。由此看出本研究與其他研究結果一致。降水減少的原因在很大程度上與溫度升高的原因類似:1)由于安定區本身位于典型的半干旱區,屬于溫帶大陸性氣候,全年降水量本來就少。2)20世紀80年代以來,人口數量的不斷增長導致糧食的匱乏,使得當地人們不斷砍伐樹木、開荒種地,導致植被破壞嚴重、森林面積下降、土地荒漠化現象加重,因而造成降水量減少。3)也有研究稱,溫度的不斷升高在一定程度上也影響了降水量的變化趨勢。4年降水量的變化趨勢根據安定區1970-2010年氣象數據,對氣溫和降水的年平均變化趨勢進行研究,得出如下主要結論:1)近年來,安定區年平均氣溫呈極為顯著的上升趨勢,增溫速率為0.503℃·10a-1,并于1996年發生了由低到高的突變,突變后較突變前,年平均氣溫升高了1.3℃。研究氣溫年代際變化特征發現,近20年是該地區的快速升溫階段。其變化特征與我國總體變化特征相一致,造成安定區溫度升高的原因在于當地所處的地理位置和環境條件,以及近年來城市化進程的加快和人口數量的不斷上升。2)安定區年平均降水量在波動中呈減少趨勢,遞減速率為5.625mm·10a-1,但減少趨勢并不顯著,也沒有發生突變。降水年代際的變化特征體現為,20世紀70年代降水較多,80-90年代呈減少趨勢,進入21世紀后有小幅度增加,總體呈減少趨勢,與我國大部分地區降水量呈增多的變化特征相反,和甘肅省河東地區降水量減少的特征相一致,究其原因,主要是由當地的自然氣候條件以及當地對植被的破壞造成。總之,安定區年平均溫度的上升和降水量的減少,表明了安定區的氣候正在朝暖干化方向發展,這就需要人們認清其變化趨勢,從而為減輕、避免其危害采取一些必要的措施。將dk標準化得到給定顯著性水平α,若|u|>uα,則表明序列存在明顯的趨勢變化。所有的u(dk)(1≤k≤N)組成一條曲線稱為正序特征曲線UF。將此方法引用到反序列,表示第i個樣本xi>xj(i≤j≤N)的累計數,當i′=n+1-i時,則反序列的由下式給出:u(di)以安定區1970-2010年年平均氣溫數據為依據,對近41年的年際均溫進行線性回歸擬合(圖1)發現,41年來安定區年平均氣溫總體呈現上升的趨勢,但有一定幅度的波動,其增溫速率為0.503℃·10a-1,明顯高于全國平均的增溫速率(0.25℃·10a-1)。利用P值檢驗法得到P=6.939e-09≈0,通過顯著性檢驗(P<0.01),說明年均溫線性上升趨勢極為明顯。再根據5年滑動平均曲線,可以看到20世紀90年代以來安定區年平均溫度有明顯的增加趨勢。另外,41年來年均溫呈上升趨勢,20世紀70年代和80年代,安定區氣溫為負距平(表1),說明20世紀70-80年代氣溫偏低,但80年代氣溫較70年代有小幅度的提升。90年代以后,年均溫高于41年的平均值,距平值為正,說明近20年是安定區的快速升溫階段,特別是進入21世紀后,氣溫上升幅度更大,且2006年達到了研究以來的最高值(9.4℃)。2.1.2降水年際和年代變化特征年降水量變化趨勢仍采用線性趨勢分析和5年滑動平均趨勢分析。安定區年降水量在波動變化中呈減少趨勢(圖2),遞減速率為5.625mm·10a-1。對回歸系數進行顯著性檢驗,得到P=0.5476,沒有通過顯著性檢驗(P>0.05),說明年降水量的減少趨勢并不顯著。安定區近41年來降水最多、最