石羊河流域50年氣候變化特點及其突變檢驗

張勤虎，張鵬飛

（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威733000）

石羊河流域50年氣候變化特點及其突變檢驗

張勤虎1，張鵬飛2

（1.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州730070；2.甘肅省武威市氣象局，甘肅 武威733000）

以石羊河流域5個氣象觀測站點，1960-2009年50年逐日降水、溫度及蒸發觀測資料為基礎，分析了石羊河流域過去50年的氣候變化特點、空間分布及其突變檢驗。研究結果認為，石羊河流域氣象要素多年平均值的空間分布呈明顯的南北向分布；石羊河流域在過去50年，氣溫呈顯著的增加趨勢，增幅為0.27-0.58℃/10a，高于全國平均水平，而且各站點變化規律一致，均在1998年發生了氣溫突變；流域內的降水量變幅波動較大，但總體呈增加趨勢，但增加趨勢未通過顯著性檢驗，波動的因素可能是由年際振蕩造成的；流域內蒸發量的變化幅度介于-20-200mm/10a之間，各站點變化規律不完全一致，其中武威、民勤及永昌3個站點蒸發量顯著減小，并分別在1984、1993以及1998年左右發生了突變。

氣候變化；石羊河流域；滑動t檢驗

全球氣候變化作為一個不爭的客觀事實，已成為21世紀世界各國普遍關注與重視的問題。在1906年至2005年間，全球平均地表溫度上升了0.74℃，而我國地表平均溫度升高了1.1℃［1，2］。

我國西北干旱半干旱區不但是全球氣候變化響應最敏感的地帶，也是生態環境變化最脆弱的地區，生態環境的變化對局地氣候和全球氣候也會產生重大影響［3］。基于氣候變化的現實，許多研究者對該區的氣候狀況進行了分析和預測［4～6］。施雅風等認為以天山西部為主地區表現出的氣候向暖濕轉型的趨勢有可能會向周圍擴張，不過準確的轉型時間和空間上覆蓋的尺度目前尚無法估計［7］。任朝霞等研究得出，從1951-2000年這50年里，西北干旱區氣溫都升高，而降水量有增加趨勢，不過由于氣候變暖，使蒸發量增大，塔克拉瑪干沙漠、河西走廊和柴達木沙漠區的干旱危害有可能加劇，并使這些地區的土地荒漠化發展迅速［8］。白愛娟等研究發現，西北地區在氣溫顯著升高的同時，只在西北地區西部降水增加，存在由暖干向暖濕轉型的事實，但是西北地區東部干旱的形勢比前期更為嚴峻，干旱有加重趨勢［9］。石羊河流域位于西北地區中段，甘肅省河西走廊東部，是中國干旱區內陸河流之一，近50年來隨著氣候的變化及人類活動的影響，環境嚴重惡化［10，11］，因而針對該流域氣候變化特點，分析其變化狀況和趨勢，并合理預測其未來氣候，對本地區的可持續發展有重要的意義。文章旨在從空間、時間及過去變化趨勢的基礎上，分析探討了石羊河流域近50年的氣候變化狀況及其特點規律。

1　區域概況及數據處理方法

石羊河流域位于甘肅省河西走廊東部，烏鞘嶺以西，祁連山北麓，東經101°41′～104°16′，北緯36° 29′～39°27′之間。東南與甘肅省白銀、蘭州兩市相連，西北與甘肅省張掖市毗鄰，西南緊靠青海省，東北與內蒙古自治區接壤，總面積4.16萬km2。該流域深居大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱氣候，加上境內地形和海拔高度的影響，長期高溫干旱，降水稀少且年際及年代際變化很大。

利用石羊河流域五個氣象觀測站點，1960-2009年降水、氣溫及蒸發逐日氣象資料，對石羊河流域的氣候變化特征及規律進行分析。數據源于甘肅省氣象局石羊河流域觀測臺站，觀測臺分布如圖1所示。數據統計分析使用SPSS13.0及EXCEL2003，氣候突變檢驗采用滑動t檢驗（子序列步長設置為10a）［12］。

圖1　石羊河流域海拔及站點分布

2　結果分析

2.1氣象要素50年平均空間分布特征及變化趨勢

2.1.1降水

從石羊河流域50年平均降水量的空間分布（圖2a），可以看出位于石羊河上游地區的烏鞘嶺和古浪兩個站點多年平均降水量在300mm以上，降水較為充沛。隨著海拔高度的下降，降水量逐漸減少，中游地區的永昌和武威兩站降水量在150-200mm之間。而位于石羊河流域下游盆地地區的民勤則降水量更少，多年平均降水量在150mm以下。由此可以看出石羊河流域降水量的分布存在明顯的空間特征，即上游高海拔地區降水量多于中下游平原及盆地地區。不過觀察石羊河流域50年降水量的變化趨勢空間分布，卻發現降水量的變化趨勢與海拔及流域的走向并不相同。位于石羊河流域上游的古浪50年降水量變化有減小的趨勢，不過減少幅度并不大，為-1.5mm/10a（p＞0.05），而其他4個站點的降水量變化都為增加趨勢，但是增加趨勢并沒有通過0.05顯著性水平檢驗。

圖2　石羊河流域降水量及其變率分布

2.1.2溫度

石羊河流域50年平均氣溫分布規律與降水量的分布規律相反（圖3a），表現為上游地區的烏鞘嶺和古浪兩站氣溫較低，而下游盆地的民勤溫度則較高，下游比上游地區約高3～8℃。位于流域中游的永昌和武威多年平均氣溫則介于上下游氣溫之間，但是武威的氣溫較位于同一流域段的永昌氣溫高約2℃左右，這可能與武威海拔相對較低而且城市化進程較永昌快有關。分析石羊河流域50a平均氣溫的變化傾向（圖3b），能夠發現石羊河各個區域氣溫都表現為增加趨勢，其中尤以中游西部地區的永昌增溫幅度最大，增幅為0.58℃/10a（p＜0.001）。上游區的烏鞘嶺增溫幅度最小，為0.27℃/10a（p＜0.001）。而武威、民勤和古浪3站的氣溫增幅介于永昌和烏鞘嶺之間。從圖中很明顯可以看出石羊河流域氣溫的增加，表現為西部增溫強烈，東部增溫稍緩。

圖3　石羊河流域氣溫及其變率分布

2.1.3蒸發

石羊河流域蒸發量的空間分布特征與氣溫的分布特征相似（圖4），即表現為下游盆地區多年平均蒸發量要大于中游和上游地區的蒸發量，民勤觀測站位于騰格里沙漠西緣，空氣干燥，全年蒸發量能達到2400mm左右，而與之相反，地處高海拔區的烏鞘嶺站則因為常年高寒潮濕，多年平均年蒸發量只有1550mm，中游的地區的武威和永昌多年平均蒸發量則介于民勤和烏鞘嶺兩個站點之間。觀察石羊河流域各區域蒸發量50年的變化趨勢，能夠發現流域中下游地區年蒸發量在不斷減小，降幅在100-200mm/10a（p＜0.001）。而位于上游地區的古浪卻表現為蒸發增加的趨勢，增幅為20mm/10a（p＞0.05），這正好與該區域降水量減少的趨勢相對應。

圖4　石羊河流域蒸發量及其變率分布

2.2氣象要素年際變化

石羊河流域5個站點氣溫的年際變化如圖5所示，可以看出盡管因為海拔和地形因素的差異，各站點平均氣溫的數值不完全相同，但是它們卻都具有相同的變化趨勢，即表現為同增同減。在20世紀60年代各站的氣溫都較高，在1967年后轉入一個相對的低值時期，而后又在波動中變化，在20世紀80年代后期各站氣溫都表現為明顯的上升趨勢，在1998年左右氣溫急劇上升，而后又進入一個氣溫相對變化較為平緩的時期。

石羊河流域各觀測站點降水量的年際變化波動較大，而其中尤以位于上游區的烏鞘嶺和古浪兩站降水量起伏最大，變動于200~550mm。民勤站降水量最少，且波動范圍也較小，在40-180mm變動，而武威和永昌兩站降水量的變化則介于上述3站之間。從降水量的年際變化中大致可以看出，石羊河流域上游兩站，烏鞘嶺和古浪在20世紀60年代初期降水量較大，而后急劇減少，而中下游地區則是存在增加趨勢。此外，流域各站點在20世紀70年代前期降水量都偏少，之后有增加的的趨勢，而上游地區則增幅相對較大。在20世紀80年代和20世紀90年代，各站點降水量變動的較為均勻，但是進入21世紀，各站點降水量又表現為較大的變動幅度，先急劇增加，之后又迅速減少。

石羊河流域各站點蒸發量的年際變化規律不完全一致，其中民勤年蒸發量在20世紀90年代之前，明顯地大于其他站點，而且波動幅度也較大，但是在20世紀90年代初期蒸發量迅速下降，變動幅度減小。盡管流域內各站點蒸發量不完全相同，但是變化趨勢卻有部分時段近似一致，這其中在20世紀60年代前期，各站蒸發量都較大，至20世紀60年代中后期又減小，之后又在平緩變動中增大。但是需要注意的是武威和烏鞘嶺兩站在20世紀60年代后期到20世紀初期之前都表現為蒸發量持續的減少趨勢，而在2000年代初期開始，蒸發量迅速的增加。

圖5　石羊河流域各站點氣象要素年際變化

2.3氣象要素突變檢驗

2.3.1溫度

使用滑動t檢驗分析石羊河流域氣象要素的變化趨勢，從圖6中可以看出，石羊河流域5個觀測站點氣溫t統計量變化趨勢大致相同，均在1990年代后期發生了一次明顯的突變，并都超過了0.01顯著性水平，說明石羊河流域近50年來增溫非常明顯。在5個站點的統計量發生突變時，武威觀測站的t滑動統計量絕對值最大，說明武威站氣候突變最明顯，增溫最劇烈，這可能與武威觀測站處于城區附近，與該區域城市化進程相關。此外，觀察各站點的統計量變化，還可以發現在20世紀70年代初期，烏鞘嶺、武威以及古浪有輕微的降溫趨勢，而其中尤以烏鞘嶺的降溫趨勢最明顯，不過并沒有達到顯著性水平，在這之后這3個站點也和其他各站點一樣即轉入持續的增溫時期。在20世紀90年代后期氣溫發生突變以后，石羊河流域的氣溫變化趨勢放緩，但還保持持續的增溫勢頭，不過增溫趨勢未超過0.01顯著性水平。

圖6　石羊河流域氣象要素統計檢驗分析

2.3.2降水

與氣溫的變化趨勢不同，石羊河降水量的變化趨勢則并不十分明顯，而且各站點也表現的不完全一致。圖6中顯示了各觀測站點降水量的滑動統計量變化趨勢，可以看出民勤和永昌兩站的變化趨勢大致相同，表現為從20世紀70年代開始持續緩慢減少，并一直到20世紀80年代后期轉入緩慢的增加階段。武威則是20世紀70年代緩慢減少，20世紀80年代前期開始增加，并一直持續到21世紀。而另外兩站古浪和烏鞘嶺則是剛開始在20世紀70年代初期緩慢增加，到20世紀70年代后期逐漸轉為減少趨勢，這兩站分別又在20世紀80年代后期和20世紀90年代初期開始降水增多，古浪在1990年代后期，降水又逐漸減少，而烏鞘嶺則保持著增加趨勢。從圖中明顯看出盡管石羊河流域各站點降水量的統計值變動幅度較大，但是各站的降水量變化均沒有通過0.01顯著性水平檢驗。

2.3.3蒸發量

圖6中石羊河流域5個站點蒸發量的滑動統計量變化趨勢，能夠發現各個站點蒸發量的逐年變化趨勢并不完全一致，而且差異很大。各站點在20世紀70年代前期蒸發量均表現為減少趨勢，但是降幅不大，都沒有通過0.01顯著性水平檢驗。而后20世紀70年代后期開始，民勤、永昌以及古浪3站蒸發量開始緩慢增加，其中古浪在20世紀80年代中期增加趨勢超過了0.01顯著性水平。武威站在20世紀90年代中期之前，蒸發量一直表現為減少趨勢，在20世紀80年代大部分時段甚至超過了0.01顯著性水平，不過在進入20世紀90年中后期后，武威蒸發量變化又急劇轉向，增加趨勢非常明顯，在20世紀98年之后增加趨勢達到了0.01顯著性水平。民勤站和永昌站在20世紀90年代先后發生了蒸發量減少的突變，其中民勤在1992年左右，永昌則在20世紀98年。烏鞘嶺站在20世紀70年代后期蒸發量呈減少趨勢，并達到了0.01顯著性水平，之后表現為先緩慢減少又緩慢增加的趨勢，但變化趨勢并沒有通過0.01顯著性水平。

3　結論與討論

3.1討論

石羊河流域氣候變化的趨勢與全國及全球的變化趨勢基本保持一致，即表現為溫度持續增大，蒸發量逐漸減少。但是與全國50a平均氣溫增長速度0.22℃/10a相比［13］，石羊河流域的增溫幅度要明顯大于全國平均氣溫增幅，石羊河流域的永昌地區增幅甚至能達到0.58℃/10a，即使是增幅最小的烏鞘嶺增幅也能達到0.27℃/10a。從而可知，石羊河流域作為西北干旱半干旱區的一部分，對氣候變化的響應非常敏感。近50a來全國的蒸發量總體呈減少趨勢，區域減少速率為17.2mm/10a，而干旱和半干旱區的減少量分別為5.5mm/10a和17.6mm/10a［14～16］，在石羊河流域大部分地區蒸發量與全國變化趨勢一樣，也是呈減少趨勢，而且減低幅度很大，在流域中下游地區能達到-100--200mm/10a，但是在石羊河上游卻不完全表現為降低趨勢，而是有增加趨勢，增幅最高能達20mm/10a。此外，石羊河流域一些區域在蒸發量總體呈減少的過程中，也存在一些階段性增加的特點，如武威站在1998年之后蒸發量呈顯著的增加趨勢，這可能是與該區城市的發展和人類活動的影響有關。

在石羊河流域1960-2009年50a氣候變化的空間分布中，很明顯地發現，流域的上游溫度低，降水量大，而蒸發量小，而下游則是溫度高，降水量小，蒸發量卻很大，這說明石羊河流域的降水、溫度及蒸發的空間分布規律與流域的海拔走勢相對應，高海拔區降水多，溫度低，低海拔區降水少，溫度高，并且蒸發量大。但是觀察氣象要素50a的傾向變化卻發現，變化規律并沒有完全表現出與流域海拔高度的對應關系，而是表現為：降水量在流域西部地區增加，東部地區減少；溫度在西部地區增溫迅速，在西部地區增速相對較緩；蒸發量的變化分布具有南北向的規律，但是表現為北部地區蒸散量降低明顯，而南部降低緩慢，甚至部分地區有緩慢的增加趨勢。

3.2結論

1）石羊河流域氣溫、降水以及蒸發的空間分布存在一定的規律，呈明顯的南北向分布，即溫度從高海拔區向低海拔區遞增，高海拔區的降水量大于地勢較低地區的降水量，蒸發量在地勢較為平緩的流域平原盆地區高，而在山區高海拔區則明顯減少。

2）石羊河流域從1960-2009年近50年時間，溫度呈不斷的增加趨勢，增幅為0.27-0.58℃/10a；降水量的波動幅度較大，而且流域內近50年降水量有增加的區域也有減少的區域，增加幅度最大達12mm/ 10a，而降低趨勢最小只有-1.5mm/10a，可以判定流域內降水總體還是呈增多的趨勢；流域內蒸發量的變化也是有增有減，降低幅度最大達200mm/10a，而增加幅度最高只有20mm/10a。

3）石羊河流域氣溫的突變年份在1998年左右，而且整個區域增溫都非常明顯，各觀測測點增溫幅度都達到了0.01顯著性水平；流域中降水的波動較大，但是各測點變幅均沒有通過顯著性水平，說明降水的增減只是年際的振蕩緣故造成的；流域內各測點蒸發量的突變年份各不一樣，武威、民勤以及永昌3個站點蒸發量存在顯著的減小趨勢，分別在1984、1993以及1998年左右發生了突變。

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