60年來渭河關中地區氣溫與降水變化及其原因

董晴晴++王會肖

摘要：基于渭河關中地區1951年-2013年氣溫和降水資料，運用線性回歸、MannKendall 檢驗、集中度和集中期等方法分析了60年來氣溫和降水的變化趨勢、突變特征，并探討了變化原因。結果表明：（1） 渭河關中地區平均氣溫呈顯著上升趨勢，增幅為 0206 ℃/（10a），冬季對流域平均氣溫的變暖貢獻最大。全年及各季平均氣溫的突變時間均為20世紀90年代中期。（2） 降水呈不顯著減少趨勢，每年約減少05775 mm，春季和秋季對下降趨勢貢獻較大。降水量突變點較為復雜，在許多年份都有不同程度的突變。降水年內分配較為穩定，集中度基本維持在05～06，集中期為7月。（3） 渭河關中地區氣溫、降水變化的原因有自然因素和人為因素。自然因素主要有太陽活動、大氣環流、季風影響，人為因素主要是溫室氣體排放以及土地覆被類型改變。

關鍵詞：渭河關中地區，MannKendall檢驗；趨勢分析；年內分配；變化成因

中圖分類號：P333.1文獻標志碼：A文章編號：16721683（2016）06003306

Variation and reason analysis of temperature and precipitation of Weihe River in Guanzhong area in the last 60 years

DONG Qingqing1，2，WANG Huixiao1

（1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；

2.Yellow River Zouping Bureau，YRCC，Binzhou 256200，China）

Abstract：The identification of changes and reasons for hydrological factors has practical significance for resource utilization and the ecological health of river basin.Based on the data from 1951-2013 of Weihe River in Guanzhong area，the trend and mutation of temperature and precipitation were analyzed with linear regression，MannKendall test，concentration degree and concentration time.The change reasons of temperature and precipitation were elaborated.The results were as follows：（1） The annual average temperature showed a significant increasing trend，with 0.206 ℃/（10a），and winter contributed most.Obvious mutations occurred in the mid1990s for the annual and seasonal mean temperature.（2） The annual precipitation showed an insignificant decrease of about 0.5775 mm per year.Spring and autumn contributed greatly to the downward trend.The mutations were complicated，with varying degrees in each era.The distribution of precipitation was stable，with concentration degree and concentration time remaining at 0.5～0.6 and in July，respectively.（3） The changes of temperature and precipitation were mainly the combined results of natural factors and human factors.Natural factors included solar activity，atmospheric circulation and monsoon impact，and the human factors were mainly greenhouse gas emissions and land cover changes.

Key words：Weihe River in Guanzhong area；MannKendall test method；trend analysis；annual distribution；reason for change

氣候變化使水文氣象要素發生變化，影響流域生態環境和經濟發展。氣候變化加速水文循環，水文氣象要素等規律已不再隨氣候季節性變化而呈現出年內/年際間的穩態變化，因此，研究變化環境下流域水文氣象要素的變化情況，辨識原因，對認識流域水文規律，科學規劃管理資源及保障生態健康具有重要意義。20世紀90年代以來，作為受氣候變化和人類活動嚴重影響的渭河關中地區，用水量增加，流域水資源不斷減少，水文特征明顯變化，因此分析該地區氣候變化趨勢，研究突變發生的時間，探究原因[1]，對水資源的優化配置和可持續管理尤為重要。

近年來，已有學者對渭河流域的氣溫、降水等要素展開研究，和宛琳等[2]通過 MannKendall方法對渭河流域1958年-1999年40年來的氣溫和蒸散發進行研究，分析兩者的時空分布及變化趨勢；張宏利等[3]利用累積距平曲線和信噪比法從空間和時間兩方面分析了渭河流域1951年-2005年的氣溫變化特征；姚玉璧等[4]運用線性回歸、Cubic 函數的方法分析了渭河源區降水和氣溫的變化特征，并對水資源變化特征進行分析，以此研究水資源對氣候變化的響應；牛最榮等[5]則對渭河流域氣溫、降水以及徑流的變化進行研究，并著重從年際變化、年內變化和空間特征三方面分析徑流的變化特征和趨勢；黃生志等[6]利用集中度與不均勻系數分析渭河徑流年內分配變化，并采用啟發式分割法定量分解氣候變化與人類活動的影響。上述研究多從年際變化分析水文氣象，對各個季節的時空分布規律及其差異性特征則較少關注，且對降水、氣溫的變化原因鮮有涉及。渭河關中地區位于干旱半干旱地區，加之灌區眾多，受人類活動影響顯著，水文氣象要素季節性變化非常明顯，且年內分配不均衡，因此需要對全年及四季水文要素的演變規律進行深入分析，并探討其變化原因。

本文采用渭河關中地區11個氣象站1951年-2013年的氣溫和降水資料，運用線性回歸、MannKendall 統計檢驗、集中度和集中期等方法，對該地區年尺度、季節尺度的氣溫和降水變化進行統計分析和顯著性檢驗，分析其變化趨勢、突變特征以及年內分配，并探討變化原因。

1數據及方法

1.1數據來源

采用渭河關中地區11個氣象站1951年-2013年的降水量和氣溫資料，包括洛川、銅川、天水、寶雞、武功、西安、華山、略陽、佛坪、鎮安，各氣象站位置分布見圖1。數據資料由中國氣象科學數據共享服務網（已經過初步質量控制）下載，并將氣溫和降水數據處理為全年、春、夏、秋和冬季五個序列，即1月-12月、3月-5月、6月-8月、9月-11月以及12月-翌年2月，分別從年尺度和季節尺度進行趨勢分析和突變檢驗。

2.1.3氣溫變化原因分析

60年來渭河關中地區氣溫呈增加趨勢，冬季增溫尤為明顯，氣溫的突變主要發生在20世紀90年代以后，變化原因主要有自然因素和人為因素。

在全球氣候變暖的大背景下，渭河關中地區作為全球增溫的組成部分，其氣溫變化與全球氣溫變化的趨勢基本一致。目前一般認為大氣中溫室氣體濃度的增加，是20世紀全球氣候變暖的主要原因[14]。該結論是通過考慮自然強迫因子—例如太陽活動和火山活動，與人類排放溫室氣體（作為人為因素），對20世紀全球年平均氣溫的變化進行模擬，利用氣候模式檢測和歸因而得到。當氣候模式只考慮自然強迫或只考慮人類活動時，前者模擬不出20 世紀的全球變暖，后者可基本模擬全球變暖趨勢，但前50年模擬與觀測差異較大；在考慮所有輻射強迫的情況下，模擬與觀測的氣溫變化最為一致[15]。因此，通過以上三種情況對比得出，太陽活動、火山活動和人類因素都對全球氣候變暖產生影響，其中，主要原因則是人類排放的溫室氣體濃度增加[15]。由于大氣環流的變異和調整，近50年來中國東部冬季風明顯減弱，這也成為引起渭河關中地區冬季氣溫升高的直接影響因素[16]。

渭河關中地區氣溫升高同樣受到人為因素的影響。 一方面，隨著西部經濟發展，渭河關中地區人口經濟持續增長，溫室氣體和氣溶膠的大量排放，一定程度促進了氣溫上升；另一方面，地表植被覆蓋和土地利用方式的變化同樣對渭河關中地區氣溫變化產生影響。近年來，該地區開展的退耕還林、退耕還草等工程措施，增加林地、草地面積，與之伴隨的也有因缺水、城市化導致的植被覆蓋的減少，建設用地增加，見表2。這些自然和人類因子或單獨作用、或相互結合，影響中國地區地氣系統的熱量收支，對近地面氣溫變化造成影響，一定程度上解釋了渭河關中地區氣溫上升現象。

2.2降水變化趨勢

2.2.1降水變化趨勢分析

對渭河關中地區1951年-2013年的全年及各季的降水序列作趨勢分析及突變檢測[1718]，該地區年均降水量的最大值和最小值分別出現在1983年和1995年，分別為9748 mm和43417 mm，兩者相差54063 mm。年均降水量整體呈現微弱下降趨勢，每年約減少0577 5 mm，但擬合度R2值只有0008，減小趨勢非常不顯著（圖4）。

如圖4所示，近60年來渭河關中地區降水量總體呈現減少的趨勢，降幅為0577 5 mm，而Zc=|-05931|<1649（表2），表明降水減少趨勢并不顯著。根據表2可以得出，渭河關中地區夏季降水量最多，占全年降水總量的478%，為32741 mm；春季和秋季次之，分別占全年降水量的206%和282%。冬季僅占到34%，為2321mm。參照MannKendall趨勢檢驗結果可知，渭河關中地區除夏季降水有所上升外，其他季節降水均下降，但趨勢均不顯著；對比春、秋、冬季Z值，雖均呈不顯著下降趨勢，但春季下降趨勢較秋冬兩季明顯。

2.2.2降水變化突變分析

利用MannKendall法對1951年-2013年渭河關中地區年降水量的時間序列進行突變分析，由圖5可知，UF和UB曲線的交叉點較氣溫突變曲線多，且所有點都在置信區域之間。1960年之前的突變點較多，曲線的起伏變化較大；1960年之后的突變點較少，分別是1961年、1968年、2008年和2012年。同時，UF和UB曲線都在臨界線以內，說明變化趨勢不顯著。

從圖5還可看出，1961年突變之后降水量呈現波動式變化，在2010年前后又發生突變。有研究表明[19]，隨著渭河關中地區資源開發利用，渭北大面積天然林被次生林代替；渭河河谷平原森林植被被農田、經濟林、綠化林等取而代之；秦嶺北坡在開發后已形成大片的人工經濟林、綠化林、農田，以及人工建筑等。下墊面植被覆蓋度的改變，影響水文要素分布，對降水的突變產生影響。

圖5渭河關中地區降水量的MK突變檢驗

Fig.5MK mutation test of precipitation in Guanzhong area

2.2.3降水年內分配分析

研究對渭河關中地區的降水的年內分配特征進行分析。采用集中度與集中期為指標，分析渭河關中地區60年來降水量年內分布的特點。如圖6所示，渭河關中地區降水的集中度為05左右，說明渭河關中地區的降水相對較為集中。同時集中期主要集中在7月。

渭河關中地區降水的集中度和集中期均沒有明顯的上升或下降的趨勢變化，60年來集中度基本維持在05～06，而集中期也集中在7月，沒有出現異常值。可以認為，渭河關中地區60年來的降水量年內分配比較穩定，并沒有發生很大的變化。圖6渭河關中地區60年來集中度與集中期

Fig.6The degree and time of concentration over 60 years in Guanzhong area

2.2.4降水變化原因分析

渭河關中地區降水整體上呈現下降趨勢，但趨勢不顯著，春季和秋季的下降趨勢貢獻較大，降水年內分配較為穩定。西北地區，作為氣候變暖最明顯地區之一，由于氣溫變暖將導致大氣中水汽變化[20]；渭河關中地區位于西北地區東部，水汽在春季和秋季明顯減少[20]，使得降水強度降低。有研究表明[21]，在全球變暖影響下，西北東部地區降水量呈減少趨勢，這與本研究的降水變化規律一致。林振耀等[22]指出，西北地區降水水汽的來源主要有兩方面：一是西風環流，自西邊界呈緯向輸送；二是源自印度洋的南亞季風。近年來大氣環流的調整，西北地區高空風場變化，東部地區的北風增強，來自東南方向的水汽輸送則被削弱，這可能是造成西北地區東部降水呈減少趨勢的主要原因。這也解釋了位于西北地區東部的渭河關中地區的降水減少原因。

同時，人類活動也對降水產生重要影響。一是如寶雞峽等大型灌區和水庫的建設、水土保持、引水灌溉工程等改變了下墊面情況，影響降水量分布；二是由人類活動導致的溫室氣體排放以及硫化物、氣溶膠增加等，增加了區域氣候變化的不確定性，從而影響區域降水等水文要素。要全面分析區域氣候變化原因，仍需要進行多種要素的綜合或定量研究。

3結論

本文利用渭河關中地區60多年的資料，對不同時間尺度的氣溫和降水變化特征進行趨勢分析和顯著性檢驗，并利用集中度和集中期對降水年內分配進行分析，同時探討了氣溫、降水的變化原因。得到的主要結論如下。

（1）渭河關中地區年平均氣溫呈顯著上升趨勢，增幅為 0.206℃/（10a）。季節上，冬季對該地區氣溫變暖貢獻最大。全年及各季平均氣溫均發生明顯突變，突變時間在20世紀90年代中期，為1995年。

（2）渭河關中地區降水量總體上呈現減少的趨勢，每年約減少0577 5 mm，但并不顯著。季節上，春季和秋季的下降趨勢貢獻較大。降水突變點較復雜，在許多年份都有不同程度的突變。降水的年內分配較為穩定，集中度基本維持在05～06，集中期集中在7月。

（3）渭河關中地區氣溫、降水的變化主要有自然因素和人為因素。自然因素主要有太陽活動、大氣環流、季風影響等；人為因素主要是排放溫室氣體以及改變流域植被和土地利用等，改變下墊面情況，影響水文要素分布。

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