1938—2015年安敦盆地氣溫和降水量變化特征分析

曾雁

摘要 本文選取安敦盆地敦煌、瓜州2個氣象臺站1938—2015年的氣溫和降水量觀測數據，采用多項式趨勢擬合、趨勢系數及Morlet小波變換等方法，對安敦盆地氣溫和降水量趨勢變化特征進行了系統分析。結果表明，縱觀近78年氣溫、降水變化情況，安敦盆地氣溫變化趨勢擬合呈二次函數型，變化平緩且呈先下降后上升的態勢，存在1～5年及10～30年尺度的周期變化規律，未來將處于增溫時段，與全球變暖一致。降水量出現了3個高值時段，分別出現在20世紀40年代后期至50年代初、70年代后期至80年代初和21世紀初；存在8～15年尺度周期變化規律，進入21世紀降水變率呈減少趨勢，在多年平均值附近擺動。

關鍵詞 氣溫；降水量；變化特征；甘肅敦煌；甘肅瓜州；安敦盆地；1938—2015年

中圖分類號 P423.3；P426.6 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）22-0163-03

Abstract In this paper，the temperature and precipitation observation data of two meteorological stations（Dunhuang and Guazhou） in Andun Basin during 1938-2015 were selected，and the change trend characteristics of temperature and precipitation in Andun Basin were systematically analyzed by using methods of polynomial trend fitting，trend coefficient and Morlet wavelet transformation.The results showed that during recent 78 years，the temperature change trend of Andun Basin was quadratic function type，which declined at first then ascended slightly.There were periodic changes of temperature change in the scale of 1-5 and 10-30 years，and the future would be in the warming period，which was consistent with the global warming.There were three high-value periods of the precipitation，including late 1940s to early 1950s，1970s to early 1980s，and the beginning of 21st century.There were periodic changes of precipitation in the scale of 8-15 years.The precipitation showed a decreasing trend in the 21st century，and swung around the long-time average annual value.

Key words temperature；precipitation；change characteristics；Dunhuang Gansu；Guazhou Gansu；Andun Basin；1938-2015

敦煌、瓜州（原安西）兩縣（市）地處河西走廊西端，總面積5.53 km2，占甘肅省總面積的20%，其中綠洲面積僅占5%左右，且集中在海拔低于1 300 m的地區，四周環山，故有“安敦盆地”之稱；其他地貌均為沙漠、戈壁、山地等。年平均氣溫在9.2～10.0 ℃ 之間（1938—2015年，下同），年平均降水量在38.6～47.5 mm之間，屬于同一氣候區，植被覆蓋率低，自然生態脆弱。過去的100年來，氣候、疏勒河（含黨河）流域徑流、地下水位變化對自然生態的退化改變起了很大的作用[1-4]。

本文以代表該盆地敦煌、瓜州兩站近80年的溫度、降水資料為基礎，從不同角度采用不同方法，對該盆地的氣候變化和特征進行了分析研究，旨在作為河西乃至甘肅沙漠戈壁地域氣候研究的補充，為中央提出的河西生態屏障建設提供可以參考的氣候特征依據。

1 資料與方法

1.1 資料選取

選取敦煌、瓜州2個氣象觀測臺站作為代表站，對氣溫、降水資料進行分析研究，時間跨度均為1938—2015年，共78年。

1.2 研究方法

1.2.1 多項式趨勢擬合。通常多項式表達式為：

y=b0+b1x+b2x2+b3x3+b4x4+…+bkxk（1）

式（1）中：y代表氣象要素，x代表時間自變量年份。擬合函數的圖像直觀地表述了時間序列變化的趨勢情況。

1.2.2 氣候趨勢系數。氣候趨勢系數R的定義為氣候序列與自然數序列之間的樣本相關系數。計算公式如下：

R=■（2）

式（2）中，n為年數，xi為第i年的值，x為樣本平均值，t=（n+1）/2。R可用于表示和比較氣象要素長期變化的大小。

1.2.3 Morlet小波變換。小波分析是一種信號的時間-尺度分析方法，具有多分辨率的特點，而且在時、頻兩域都具有表征信號局部特征的能力[5-6]。本文采用Morlet連續復小波變換分析敦煌瓜州時間序列的多時間尺度特征。Morlet小波是常用的復數形式的小波函數，其表達式為：

Φ（x）=e■·eicT（3）

其小波變換形式為：

ωa，b=？蘩■■f（x）■Φ（■）dx（4）

式（4）中，ωa，b（f）為一個信號平方或平方可積函數，a>0為分辨尺度，b∈R為平移因子，“-”表示共軛，一維連續小波變換將一維信號變換到由尺度參數a和平移參數b所構成的小波平面上。因此，利用Morlet小波變換可以研究氣溫和降水的多時間尺度和周期分布。

2 結果與分析

2.1 多項式趨勢擬合分析

由表達式（1）得出敦煌、瓜州溫度趨勢函數分別為y=5 364.4-5.415 4x+0.001 4x2（圖1），y=4 273.5-4.313 8x+0.001 1x2（圖2），均通過F（0.01）擬合效果檢驗。

可以看出，近78年來敦煌與瓜州溫度變化趨勢基本吻合，20世紀30—70年代溫度持續下降，80年代至今溫度在持續上升，振幅接近2 ℃。

同理得出敦煌、瓜州兩站的降水趨勢函數分別為：

y=-6×1012+2×1010x-2×107x2+14 824x3-5.620 6x4+0.001 1x5-10-7x6（圖3）、y=-3×1012+1010x-107x2+8 335.2x3-3.152x4+0.000 6x5-5×10-8x6（圖4）。均通過F（0.01）擬合效果檢驗。

可以看出，敦煌、瓜州降水趨勢基本相同。歷史上出現了3個高值時段，分別出現在1947年、1979年和2007年前后；進入21世紀，降水變化趨于平緩，變率減小。

2.2 氣候趨勢系數計算

由表達式（2）計算出敦煌、瓜州溫度和降水量不同年代趨勢系數R（表1、2）。從表1可以看出，20世紀40—60年代氣溫變化呈下降趨勢，其中60年代下降明顯，趨勢系數達-0.50以下；70年代到21世紀初氣溫變化呈上升趨勢，其中20世紀90年代升溫明顯，趨勢系數達0.50以上；預計未來安敦盆地氣溫為升高趨勢。

由表2看出，20世紀40年代、60年代、70年代降水呈增加趨勢；20世紀50年代、80年代、90年代和21世紀初，降水呈減少趨勢；進入21世紀，降水年際變幅趨于平緩，預計未來降水接近歷年平均值。

2.3 小波分析結果

計算小波系數分析其溫度、降水變化的周期，用Matlab 7.0軟件計算，并繪制出敦煌、瓜州溫度、降水小波系數實部等值線圖。

從圖5、6可以看出，安敦盆地氣溫存在1～5年及10～30年尺度的周期變化規律。從圖7、8可以看出，安敦盆地降水在演變的過程中存在比較明顯的尺度特征，也就是說存在5～18年尺度周期變化規律，同時出現了降水多寡交替的準3次振動。進入21世紀，5～18年尺度周期變化不明顯，與趨勢擬合分析結果吻合并相互印證。

3 結論

（1）安敦盆地氣溫變化趨勢函數呈二次函數型，低值時段出現在20世紀70—80年代，未來將處于增溫時段，與全球變暖一致。

（2）縱觀近78年氣溫年際變化情況，安敦盆地氣溫變化平緩，呈先下降后上升的態勢，存在1～5年及10～30年尺度的周期變化規律。

（3）安敦盆地78年來降水變化趨勢函數為高次函數，高值時段出現在40年代后期至50年代初、70年代后期至80年代初和21世紀初。

（4）縱觀近78年降水年際變化情況，20世紀40—60年代變化較大，70年代以后變化減小。時間尺度存在8～15年周期變化規律，多寡存在準3次振動。進入21世紀降水變率呈減少趨勢，在多年平均值附近擺動。

4 參考文獻

[1] 劉曉云，岳平，徐殿祥.酒泉市最近54a氣溫和降水特征分析[J].干旱區研究，2006（3）：495-499.

[2] 李紅英，高振榮，王勝，等.近60a河西走廊極端氣溫的變化特征分析[J].干旱區地理，2015，38（1）：1-9.

[3] 陶健紅，王遂纏，王寶鑒.中國西北地區氣溫異常的特征分析[J].干旱區研究，2007（4）：510-515.

[4] 劉世英，王強.安敦盆地中低產田類型劃分及改造措施[J].甘肅農業科技，1992（12）：21-22.

[5] 趙一飛，鄒欣慶，張勃，等.黃土高原甘肅區降水變化與氣候指數關系[J].地理科學，2015，35（10）：1325-1332.

[6] 林紓，李紅英，黨冰，等.甘肅河西走廊地區氣候暖濕轉型后的最新事實[J].冰川凍土，2014，36（5）：1111-1121.