渭河流域氣候變化與區域分異特征

焦彩強 ，王 飛，2 ，穆興民，2 ，李 銳，2

(1.西北農林科技大學資源環境學院，陜西楊凌712100;2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌712100)

氣候是一個地區在一定時期內的平均天氣狀況。所謂氣候變化，從氣象學角度看是指一個特定地點、區域或全球長時間的氣候轉換或改變，是以某些或所有的與平均天氣狀況有關的特征，如溫度、風和降水量等要素的變化來度量的，其中極端氣候變化對水土流失、沙塵暴、農業生態等影響很大。自從工業革命以來，全球規模的氣候變化逐漸引人注目，并且這種變化與人類的生產、生活密切相關。目前，國際社會普遍認為，在氣候自然變化的同時，人類活動也改變了大氣的化學成分，導致今天的氣候變化，而這種變化反過來又困擾著人類社會的發展，阻礙了社會的進步和發展，甚至影響人類的生存[1]。自20世紀80年代以來，氣候變暖對地球自然環境和人類社會環境及各種經濟活動都會產生一系列的影響，造成嚴重的后果，所以氣候變化成為全球關注的熱點問題。氣候變化對農業生產、生態環境都會產生影響，制約著社會、經濟和生態的發展[2]。大量研究表明我國年降水量以-12.66 mm的速度減少[3-4]。20世紀90年代，我國相繼提出了“西部大開發”和“可持續發展”兩大戰略，因此，研究西北地區氣候變化對我國區域經濟結構調整、生態建設及自然資源的合理開發利用具有非常重要的現實意義。渭河流域地處我國西北地區東部生態環境脆弱帶，自然災害多發，其中旱災發生最為頻繁，程度最重，危害最大，成為制約該地區國民經濟特別是農業經濟和農業持續發展的主要因素。因此，筆者研究了渭河流域57 a來的氣候變化特點及區域分異規律，以期對減緩或適應氣候變化及西北地區的水土流失防治，環境保護和生態建設有一定的指導意義。

1 研究地區與研究方法

1.1 研究區概況

渭河位于東經 103.5°—110.5°和北緯 33.5°—37.5°，發源于甘肅省渭源縣西南的鳥鼠山北側，自西向東流經甘肅省和陜西省13個地(市)的86個縣，干流全長818 km，是黃河最大的支流，流域面積1.348×105km2，由北洛河、涇河2大支流和渭河干流組成，其中陜西境內就有千里之長，流域面積6.75×104km2，沿途注入渭河的支流有30余條，在潼關境內流入黃河。渭河流域地處大陸性季風氣候區、干旱地區和濕潤地區的過渡地帶，春暖干旱，受西太平洋副熱帶高壓影響，夏季熱而多雨且有伏旱，秋涼濕潤，冬季受蒙古高壓控制，氣候干燥寒冷，降水稀少[5]。受地形等因素影響，流域降水分布由東南向西北遞減，南部秦嶺山麓降水充沛，最大年降水量在1 000 mm以上，隨地勢降低降水量驟減，平原地區年降水量約為500 mm。降水量年際變化大且年內分配不均，最大年降水量約為最小年降水量的2.5倍，汛期降水量約占年降水量的65%，并多以暴雨或秋季連陰雨出現[6]。渭河流域最冷月平均氣溫為-1℃～-3℃，最熱月平均氣溫為23℃～26℃，氣溫年較差一般為26℃～28℃[7]。流域性土壤以黃土為主，黃土平均粒徑從西北向東南逐漸減小。地貌特征空間差異較大，包括黃土丘陵溝壑區、黃土高原溝壑區、黃土塬區、土石山區、黃土階地區、河谷沖積平原區等。渭河南岸的支流較多，但較大支流都集中在北岸，水系呈扇狀分布，集水面積1 000 km2以上的支流有14條[8]。涇河是渭河最大的支流，北洛河為渭河第2大支流，流域面積分別占渭河流域面積的33.7%和20.0%。渭河流域是黃河流域降水量比較多的區域之一[9]。

1.2 基礎資料

數據資料來源為:中國氣象科學數據共享服務網—中國地面國際交換站氣候資料年值數據(1951—2007)。為保證資料的統一性和完整性，選取渭河流域地面國際交換站中氣候要素比較完備，建站時間比較長，分布在渭河流域不同方位的交換站。并剔除連續缺3 a以上數據和時間序列小于45 a的站點，從統計意義上來講，這樣長的時間序列能夠獲得比較可信的分析結果。選取位于渭河流域4個方位的蘭州、延安、平涼、西安中國地面國際交換站。

1.3 數據處理

采用距平分析和Mann—Kendall檢驗的處理方法，分析研究1951—2007年渭河流域風、氣溫、降水量、相對濕度、日照等氣候要素變化特點及區域分異規律。其中Mann—Kendall檢驗用 Hydrospect軟件分析，距平分析用Excel軟件分析。

2 結果與分析

2.1 風速變化特征及區域變異規律

風具有促進大氣水分循環，改善農田小氣候的作用，但風速過大會產生破壞作用，特別是風沙化地區，大風會吹起流沙，促使沙粒堆積形成“沙漠”。北方地區沙地起沙風速一般4 m/s左右[10]。

故風速的變化對西北地區的生態建設，農業生產，環境保護有很大的影響。

從圖1a，1b可以看出，4個站的氣候變化存在著區域分異。對氣候要素風來說，1951—1962年間，蘭州站年平均風速距平呈逐年上升趨勢;1963—1992年間，蘭州站年平均風速距平累積總體成下降趨勢，但1968—1976年間，蘭州站年平均風速距平累積變化平緩，也就是說，在這期間蘭州站的年平均風速基本與平均值相等。1992年，蘭州站年平均風速達到最小值0.7 m/s，之后一直到1998年，蘭州站的年平均風速距平累積逐漸增加;1998—2007年間蘭州站年平均風速距平變化趨于平緩。1951—1985年間，蘭州站最大風速距平累積逐年增加，1985年最大風速達到最大值13 m/s;1986—2007年間，蘭州站最大風速距平累積又逐年下降。對于延安站，1951—1970年間，年平均風速距平累積也呈逐年上升趨勢，1970年年平均風速達到最大值2.1 m/s;在971—1987年年平均風速都比較接近平均值，1988—2007年間，年平均風速距平累積逐年下降。最大風速距平累積1971—1992年總體是增加的，1983年達到最大值15 m/s。對于平涼站，1956—1965年間，年平均風速距平累積逐漸上升，1972年，年平均風速達到最大值2.4 m/s;1965—1967年間，年平均風速距平累積呈下降趨勢，1967年年平均風速達到最小值1.7 m/s。1968—1982年間，年平均風速距平累積呈上升趨勢，年平均風速均大于平均風速，1982年年平均風速達到最大值18 m/s。1982—2003年間，年平均風速距平累積呈下降趨勢，2003年年平均風速達到最小值1.7 m/s;年最大風速在1973年達到最大值18 m/s，1993年以前年最大風速都大于平均值;1993年以后，年最大風速都小于平均值，2003年達到最小值9.7 m/s。對于西安站，1951—1954年間，年平均風速小于平均值;1955—1975年間，年平均風速都大于平均值，其中1956年年平均風速達到最大值2.6 m/s;1976—1993年間，年平均風速都小于平均值;1994—1997年間年平均風速都大于平均值;1998—2007年間，2002年年平均風速達到最小值0.9 m/s。最大風速在1963年達到最大值23.3 m/s，1961—1971年間，最大風速都大于平均值;1972—1977年間，最大風速均小于其平均值，在1978—1980年間，均大于其平均值;1981—1987年間，其最大風速基本與平均值一致，自1988—2007年其最大風速都小于其平均值，2004—2005年達到最小值7.7 m/s。

圖1 渭河流域風、降水、日照、相對濕度等氣候要素距平累積分析

2.2 降水量變化特征及區域分異規律

渭河流域生態環境脆弱，自然災害多發，其中旱災發生最為頻繁，程度最重，危害最大，成為制約該地區國民經濟特別是農業經濟和農業持續發展的主要因素。降水的多寡是決定干旱嚴重程度的重要指標[11]。

自1987年氣候突然變化開始的西北氣候轉型，降水量顯著增加。我國西北地區主要是西部和中部降水量顯著增加[12]。而處于西北區東部的渭河流域降水量變化卻有明顯不同，從圖2可以看出4個地面交換站的降水量1987年前的降水量平均值明顯高于1987—2007年降水量的平均值，4個站分別減少了4.2%(13.5 mm)，10.1%(55.6 mm)，4.4%(22.2 mm)，(36.5 mm)。從地理位置上可以看出，渭河流域西部的2個站蘭州和平涼比東部的2個站(延安站和西安站)降水量減少的要多。從圖1c可以看出，近年來渭河流域日降水量≥0.1 mm的日數均小于研究期間的平均值，但是不同區域開始小于平均值的年份并不一致，蘭州站、延安站、平涼站、西安站開始的時間分別為1990年 、1990 年 、1993年 、1993 年 。

圖2 渭河流域降水量變化

從圖2可以看出，研究期間，渭河流域57 a來降水量年際變化量比較大但是變化趨勢不明顯;最大日降水量也表現出相同規律。在4個站中，蘭州站與其它站相比，年降水量最小，其它3個站年降水量相差不顯著。

從表1可以看出，研究期間，渭河流域57 a來年降水量表現出區域變異規律:在同一緯度水平上，自西向東平均年降水量呈現出增加的趨勢;在同一經度水平上表現為，自北向南平均年降水量呈現出增加的趨勢。最大年降水量也表現出相同規律，最小年降水量不符合這個規律。4個站的最大、最小年降水量出現的年份卻并不一致。

表1 渭河流域不同地區年降水量

2.3 氣溫變化特征及區域分異規律

近100 a來的全球氣候變暖已經是一個無可爭辯的事實[13]，并日益深刻地影響著人類社會的可持續發展[14-16]。

從圖3可以看出，4個站的氣溫變化規律，年平均氣溫距平累積曲線均為先降低而后逐漸上升。不同的是4個站年平均氣溫開始大于平均值的時間有所不同，位于渭河流域北部的蘭州站和延安站從1986年開始，而位于渭河流域南部的平涼站和西安站從1992年才明顯開始，這與施雅風等[12]提出的西北氣候轉型的時間1987年有所出入。最高氣溫和最低氣溫也表現出相似規律，但最高氣溫4個站大于平均值開始的時間相同;最低氣溫4個站大于平均值開始的時間并不一致，除西安站為1993年，其它3個均為1986年。極端最高氣溫和極端最低氣溫距平累積曲線呈現出相反的變化趨勢，極端最高氣溫是先下降而后上升，極端最低氣溫卻是先上升后下降的變化趨勢。近些年來，極端最高氣溫均大于平均值，而極端最低氣溫卻是均小于平均值，氣溫的極差增大了。

從表2可以看出，渭河流域的年氣溫基本是在1951年是最低的，渭河北部年平均氣溫在1998年達到最大值 11.4℃～11.5℃，南部年平均氣溫在2006—2007年達到最大值10.60℃～15.60℃，隨著經度的增加，年平均氣溫最大值也呈現出增加的趨勢;渭河流域自西向東年平均氣溫增加。年平均氣溫變化分別為:0.544 ℃/10 a，0.509 ℃/10 a，0.386℃/10 a，0.667 ℃/10 a，均高于西北區域整體年平均氣溫的變化幅度0.37℃/10 a[17]，遠大于全球近50 a來0.13℃/10 a的平均增溫速率[18]。從表3可以看出，在研究期間，渭河流域4個站的氣溫M—K檢驗值均大于0，表明渭河流域氣溫呈上升趨勢。

表2 渭河流域年氣溫變化

2.4 日照時數和相對濕度變化特征及區域分異規律

日照時數表示一個地方直接受太陽光照射的實有時數，是太陽輻射最直接的表現，受云、霧、空氣污染物等多種因素影響。日照時數的變化與氣溫和降水有直接關系，也是導致氣候變化的重要因素之一，對人們的生產生活和動植物生長起著重要作用[19]。

從圖1d可以看出，渭河流域4個不同方位的日照時數變化呈現出區域分異規律。1951—1974年期間，蘭州站日照時數距平累積呈現出上升趨勢，1975—1980年期間變化不明顯，1981—1996年期間，蘭州站日照時數距平累積呈現出下降趨勢，1997—2007年期間，又緩慢上升。研究期間，延安站有2個變化劇烈階段:1982—1986年和 1996—2007年。1982—1986年期間，延安站日照時數距平累積呈現出明顯的下降趨勢，1996—2007年期間，呈現出明顯的上升趨勢;其它時間延安站日照時數累積變化均不明顯。研究期間，平涼站日照時數距平累積變化波動比較頻繁。1951—1964年期間，平涼站日照時數均小于平均值，日照時數累積呈現出下降趨勢;1965—1981年期間，平涼站日照時數均大于平均值，日照時數累積曲線呈上升趨勢;1982—1992年期間，日照時數均小于平均值，日照時數累積曲線呈下降趨勢;1993—2007年期間，日照時數均大于平均值，日照時數累積曲線呈上升趨勢。西安站日照時數變化階段最明顯，1951—1980年期間，日照時數距平累積呈現出一直上升趨勢，都大于平均值;1981—2001年期間，日照時數距平累積呈現出一直下降趨勢，均小于平均值;2001—2007年期間，日照時數又有所緩慢增加。

從表3中4個站的日照時數M—K檢驗值可以看出，渭河流域日照時數呈現出區域分異規律，研究期間，其中東北部日照時數呈現出增加趨勢，而其它區域則呈現出減少趨勢。

從圖1e可以看出，渭河流域4個站的相對濕度距平累積曲線變化并不一致。除蘭州站外其它3個站的距平累積曲線變化階段并不明顯。1951—1954年期間，蘭州站相對濕度距平累積曲線呈上升趨勢，相對濕度均大于平均值;1954—1957年期間，相對濕度均小于平均值;1957—1979年期間，蘭州站相對濕度均大于平均值，相對濕度距平累積曲線呈上升趨勢;1980—2007年期間，相對濕度均小于平均值。其它3個站1951—1954年期間，相對濕度均大于平均值;近年來均小于平均值，但是4個站相對濕度累積曲線下降開始的時間有所不同，延安站從1994年開始下降，平涼站從1994年開始，西安站從1993開始。從表3可以看出，在研究期間，4個站的相對濕度M—K檢驗值均小于0，表明4個站相對濕度呈現出減少趨勢。

圖3 渭河流域氣溫距平累積分析圖

表3 渭河流域氣候要素Mann—Kendall檢驗

3 結論

(1)渭河流域年平均風速和年最大風速均呈現出減小的趨勢，近年來年平均風速和年最大風速沒有明顯變化，且均小于平均值。

(2)渭河流域年降水量沒有明顯的突變年份，但是總體上，1987年后的年降水量平均值明顯小于1987年前的年降水量平均值。日降水量≥0.1 mm日數自1993年后均小于平均值，但是在1993—2007年期間沒有明顯變化。

(3)渭河流域年平均氣溫和最低氣溫均呈現出明顯上升趨勢，年氣溫極差增大。

(4)渭河流域日照時數呈現出區域分異特點，不同地區的日照時數變化也有所不同，東北部日照時數呈現出增加趨勢，其它區域則呈現出減少趨勢。

(5)渭河流域相對濕度呈現出明顯的下降趨勢。

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