中國西北地區近50 a氣象因子時空變化 特征與成因分析

羅萬琦，崔寧博,2，張青雯，馮 禹,3，龔道枝，呂名禮

(1. 四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室，成都 610065；2. 南方丘區節水農業研究四川省重點實驗室，成都 610066； 3. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；4. 中國農業科學院農業環境與 可持續發展研究所作物高效用水與抗災減損國家工程實驗室，北京 100081；5. 上海華維節水灌溉股份有限公司，上海 201515)

0 引 言

自上世紀中期以來，全球氣候急劇變化，全球變暖已是十分明確的結論[1]。IPCC第5次評估報告指出1880～2012年全球平均地表溫度升高了0.85 ℃，近30 a持續高于1850年，并預估未來全球氣候變暖仍將持續[2,3]。氣候的急劇變化導致高溫干旱、暴雨洪澇等極端天氣頻發[4]，且強度不斷加劇，全球氣候變化正在多尺度、多方位、多層次地影響著農業生產環境和人類生活。因此，深入研究全球氣候變化下各氣象因子的變化規律及相互作用機制，有助于探明未來氣候變化趨勢，為氣候變化背景下制定農業生產防災保產措施提供有效、科學的指導。

在全球變暖影響下，中國的氣候已經發生顯著變化。國家氣候變化評估報告中指出，近100 a來中國年平均地表溫度明顯增加，升幅約為0.5～0.8 ℃，近50 a增溫尤其明顯，高于全球平均速率；近100 a和近50 a降水變化趨勢不顯著，但年際間波動較大[5]。胡琦等[6]發現1961-2014年中國氣候經歷了3次由變濕到變干的過程，不同區域間干濕狀況變化差異很大。王英等[7]發現中國年均降水量在20世紀60-90年代有顯著下降的趨勢，但在90年代后期逐漸出現上升，北方地區出現變濕的跡象，而華北和東北南部地區表現出持續干旱的跡象。西北地區深居我國內陸，地形復雜，是我國最典型的干旱地區，也是全球同緯度最干旱的地區之一[8]，該地區生態環境和系統對氣候變化極其敏感，水資源缺乏極大程度上限制了社會、經濟和生態環境發展。近年來，在全球氣候變化影響下，西北地區氣候發生了顯著變化，引起大量學者關注。王亞敏等[9]發現1960-2005年西北地區低云量呈由東南向西北遞減的空間分布趨勢，且其與降水、相對濕度呈顯著正相關。李凈等[10]研究發現1990-2012年西北地區年輻射呈現“中部高，東西部低”的空間分布態勢。張翀等[11]研究發現1962-2000年西北地區的降水量表現出一定的周期性，空間上呈由東南向西北遞減的趨勢，整體呈上升態勢。

目前關于西北地區氣候因素的研究多局限于單個氣象因子[9-14]，尚未有對多個氣象因子相互作用下的氣候變化特征進行深入研究的報道。因此，本文擬對近50 a來西北地區的氣溫、風速、輻射、相對濕度、降水量等氣象因子的變化規律進行分析，探究其對氣候變化的響應特征，有助于減緩氣候變化負面影響并為相關防災減災政策制定提出有效建議。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

西北地區地處青藏高原北部和東北部，是中國最典型的干旱地區[15]，面積約為中國國土面積的1/3，包括陜西省、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區、新疆維吾爾自治區及內蒙古自治區西部。為保證氣象數據的可靠性和代表性，在選取站點時排除缺測較多的站點，對一些站點進行插值處理，并確保選站在整個區域分布均勻，最終篩選出該區69個代表性站點(見圖1)1966-2016年的逐日氣象資料(氣象資料來源于中國氣象共享服務網)，包括2 m處風速、太陽輻射(使用Angstrom公式[16]由日照時數推算得出)、相對濕度(RH)、降水(P)以及日平均氣溫(Tmean)，數據質量良好。

圖1 西北地區站點分布Fig.1 Northwest site distribution

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall檢驗

Mann-Kendall(M-K)檢驗法屬于非參數統計檢驗，對于不服從一定分布規律的樣本數據，使用該檢驗可有效減少異常值干擾，并且可定量分析時間變化趨勢[17,18]。大多數氣象水文數據不滿足從一分布且多為偏態，因此非常適合使用M-K檢驗進行數據分析，而且可靠度高、運用簡便，目前該方法被世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)推薦并廣泛應用于氣象資源領域。因此采用M-K檢驗法對西北地區各氣象因子進行時間序列趨勢分析和突變規律研究，其主要計算公式為[11]：

式中：xk和xt為樣本數據值；n為數據集合長度；t為時間序列。

具體使用方法可參考文獻[19]。

1.2.2 小波分析

小波分析(wavelet analysis)基于Fourier分析，能明確揭示時間序列的多種變化規律并定性預估研究樣本的未來發展趨勢，該時頻局部變化分析方法近年來發展較快，目前在多個工程應用領域如信號處理、大氣科學等方面進行數據處理分析。本文采用Morlet小波分析研究西北地區各氣象因子的多時間尺度周期變化規律，其連續小波變換為：

由于文章篇幅有限，此處不具體列出計算步驟，詳細方法參見文獻[20]。

2 結果與分析

2.1 西北地區近50 a氣象因子時間變化趨勢

2.1.1 年內變化

表1為西北地區近50 a各氣象因子月均值。為更好分析各氣象因子年內變化，此處采用月傾向率說明年內變化趨勢。表1顯示，風速在年內呈先增大后減小變化規律，整體以0.029 7 m/(s·m)的月傾向率降低，最大值(2.21 m/s)發生在4月，最小值(1.38 m/s)在12月；輻射在年內呈先上升后下降的單峰趨勢，月傾向率為﹣0.224 1 MJ/(m2·d·m)，6月出現最大值(23.39 MJ/(m2·d))，12月出現最小值[8.29 MJ/(m2·d)]；相對濕度在年內表現為年末、年初高于年中，月均值為50.03%，月傾向率為0.829 4%/m；降水量在年內呈先上升后下降趨勢，降水量主要集中在5-9月，月均值為19.24 mm，7月最大(48.51 mm)、1月最小(2.78 mm)，月傾向率為0.805 5 mm/m；氣溫在年內呈先上升后下降的單峰趨勢，7月最大(21.28 ℃)、1月最小(-9.33 ℃)，月傾向率為0.536 7 ℃/m，月均值為7.31 ℃。

表1 西北地區近50 a氣象因子月均值Tab.1 Monthly mean value of meteorological factors for the last 50 years in Northwest China

2.1.2 年際變化

圖2為西北地區近50 a氣象因子年際變化趨勢及M-K突變檢驗結果。圖2(a1)顯示，近50 a來風速整體呈下降趨勢，傾向率為-0.105 m/(s·10 a)，最大值(2.11 m/s)出現在1972年，最小值(1.54 m/s)出現在2002年，多年平均值為1.74 m/s，波動范圍為1.54～2.11 m/s。圖2(a2)顯示，風速整體呈較明顯的下降趨勢,僅在1968-1978年呈不顯著(P>0.05)局部上升趨勢，其余年份均呈下降趨勢，1983-1984年降幅顯著(P<0.05)，1985-2016年降幅極顯著(P<0.01)，在1984年出現突變點，突變后下降趨勢明顯增大。

圖2(b1)顯示，近50 a來輻射整體呈下降趨勢，傾向率為-0.054 MJ/(m2·d·10 a)，最大值(16.77 MJ/(m2·d))出現在1997年，最小值(15.89 MJ/(m2·d))出現在1992年，多年平均值為16.31 MJ/(m2·d)，波動范圍為15.89～16.77 MJ/(m2·d)。圖2(b2)顯示，輻射在1966-1974年呈不顯著的局部上升趨勢，1974年后開始下降，在1987-1988、1990-1991年降幅顯著(P<0.05)，1992-2016年降幅極顯著(P<0.01)，在1981年出現突變點，突變前呈不顯著上升趨勢，突變后呈下降趨勢，1981-1989年降幅逐漸增加，1990-2016年降幅趨于穩定。

圖2(c1)顯示，近50 a來相對濕度整體呈下降趨勢，傾向率為-0.378%/(10 a)，1967年最大(53.19%)，2013年最小(47.10%)，多年平均值為50.05%，波動范圍為47.10～53.19%。圖2(c2)顯示，相對濕度在1966-1975年呈局部緩增趨勢，在1976-2016年呈下降趨勢，且降幅逐漸增大，1986-1987年降幅顯著(P<0.05)，1988-2016年降幅極顯著(P<0.01)，在1991年出現突變點，整體下降趨勢較明顯。

圖2(d1)顯示，近50 a來降水整體呈上升趨勢，傾向率為4.9 mm/(10 a)，2016年出現最大值(273.68 mm)，1997年出現最小值(186.44 mm)，多年均值為230.70 mm，波動范圍為186.44～273.68 mm。圖2(d2)顯示，降水在1966-1977、1986-1987年呈局部下降趨勢，但降幅不顯著(P>0.05)，其余年份均呈上升趨勢，2013-2015年增幅顯著(P<0.05)，2016年增幅極顯著(P<0.01)，2010年出現突變點，突變前增幅不顯著，突變后上升趨勢明顯增加。

圖2(e1)顯示，近50 a來氣溫以0.427 ℃ /(10 a)的傾向率呈上升趨勢，最大值(8.64 ℃)出現在2016年，最小值(5.79 ℃)在1967年，多年均值為7.37 ℃，波動范圍為5.79～8.64 ℃。圖2(e2)顯示，氣溫在1966-1970年呈局部下降趨勢，降幅不顯著(P>0.05)，1970年后進入上升階段，1980-1981、1987-1988年增幅顯著(P<0.05)，1989-2016年增幅極顯著(P<0.01)，僅在1984-1986年增幅有減緩現象，突變點發生在1991年，突變后上升趨勢明顯增大。

2.2 周期變化

將西北地區近50 a氣象數據進行消噪處理，再進行Morlet小波變換分析其多時間尺度周期變化規律，得到各氣象因子的小波變換系數時頻分布圖及小波方差(見圖3)。

圖3(a1)表明，風速周期在近50 a內以25～29 a的時間尺度最為密集，小波系數正負交替，中心時間尺度為28 a，同時在1966-1985年存在15～18 a的周期表現，中心尺度為18 a；1985-2010年20～23 a的周期表現較明顯，中心時間尺度為22 a。由小波方差圖[見圖3(a2)]可知，小波方差最大值對應時間尺度為28 a，因此風速在28 a時間尺度下振蕩最為劇烈，28 a為其變化的第1周期，22、18 a為第2、3周期。

圖2 西北地區近50 a各氣象因子年際變化趨勢及Mann-Kendall突變檢驗結果Fig.2 Interannual trends of meteorological factors and Mann-Kendall mutation test results in the past 50 years in Northwest China

圖3 西北地區近50 a各氣象因子小波變換系數時頻分布圖及小波方差圖Fig.3 Time-frequency distribution and wavelet variance map of wavelet transform coefficients for each meteorological factor in the past 50 years in Northwest China

圖3(b1)表明，輻射在1985-2000年出現20～23 a的周期變化，但表現較弱，中心尺度為22 a；而在50 a內以25～30 a的時間尺度最為密集，小波系數正負交替，中心時間尺度為28 a；在28a時間尺度對應下的小波方差達到最大，因此28 a為變化的第1周期，22 a為第2周期[見圖3(b2)]。

圖3(c1)表明，相對濕度在1975-2005年以20～23 a的時間尺度較密集，在1995-2016年以14～16 a的時間尺度較密集，中心尺度分別達到22、15 a；但在近50 a內，26～29 a的周期變化表現最為明顯，且以28 a時間尺度振蕩最為劇烈，小波方差達到最大，因此28 a為變化的第1周期，22、15 a分別為第2、3周期[見圖3(c2)]。

圖3(d1)表明，降水在1976-2008年出現較明顯的19～24 a的周期變化，中心尺度為22 a，在1995-2016年表現10～15 a的周期變化，中心尺度為13 a，而在50 a內，周期變化以25～30 a的時間尺度最為密集，且在28 a時間尺度的小波系數正負交替最明顯，振蕩最為強烈，因此28 a為降水變化的第1周期，22、13 a為第2、3周期[見圖3(d2)]。

圖3(e1)表明，溫度在1972-2010年12～15 a周期變化比較明顯，1982-2000年5～7 a的周期變化也較明顯，中心尺度分別為14、6 a，在近50 a內以25～30 a的時間尺度最為密集，在28 a處小波系數正負交替最為明顯，28 a為中心尺度，且在28 a時間尺度下的小波方差達到最大，因此28 a為第1周期，14、6 a為第2、3周期[見圖3(e2)]。

2.3 西北地區氣象因子空間分布特征

圖4為西北地區近50 a選取站點各氣象因子的空間分布情況。圖4(a)顯示，近50 a來西北地區風速空間分布整體連續性不強，受地形條件的的影響，山谷、高山以及平原處風速較大，盆地、高原背風坡的風速較小，大部分區域的平均風速都在1 m/s以上，風速大值區主要位于西北地區東南部，整個區域出現了2個較明顯的大值中心，分別位于青海的伍道梁站(35°22′N、93°08′E)和甘肅的馬鬃山站(41°80′N、97°03′E)。圖4(b)顯示，近50 a輻射呈明顯的由中部向東西兩側遞減的趨勢，從整個西北地區來看輻射量分布為東部大西部小，其中大值區主要集中在青海省北部、甘肅西北部以及內蒙古西部區域，新疆北部為輻射的小值分布區，空間分布并沒有突出的大值中心，2個小值中心分別位于內蒙古的包頭站(40°67′N、109°85′E)、新疆的巴侖臺站(42°73′N、86°30′E)。圖4(c)顯示，相對濕度呈中部小兩側大的空間分布態勢，濕度低值區集中在新疆、青海、甘肅交界處以及內蒙古東部分區域，新疆西北和西北全區東南部相對濕度有增加趨勢，整個西北地區相對濕度指數較低。圖4(d)顯示，近50 a年降水呈現由東南向西北遞減的趨勢，新疆吐魯番盆地東部以及塔里木盆地中東部分布最少，并以此為中心向外逐漸增加，降水最多區域分布在西北地區東南部，而新疆西北部亦有增加趨勢。圖4(e)顯示，近50 a來整個西北地區氣溫偏高，大部分區域年平均氣溫均在5 ℃以上，青海省溫度空間分布低于其他省份，氣溫高值區分布在新疆吐魯番和塔里木盆地大部分區域，2個大值中心分別是新疆的吐魯番站(42°93′N、89°20′E)和和田站(37°13′N、79°93′E)，2個較明顯的小值中心都位于青海省內，分別是瑪多站(34°92' N、98°22' E)和伍道梁站(35°22′N、93°08′E)。

圖4 西北地區近50 a各氣象因子空間分布特征Fig.4 Spatial distribution characteristics of meteorological factors in the past 50 years in Northwest China

2.4 相關性分析

表2為西北地區近50 a各氣象因子的相關性分析結果。表2顯示，風速與輻射和相對濕度呈極顯著正相關(P<0.01)，與氣溫呈顯著正相關(P<0.05)，僅與相對濕度呈負相關。輻射除與相對濕度呈負相關，與其余因子均呈正相關關系，且與風速、降水和氣溫的相關性都達極顯著水平(P<0.01)。相對濕度與風速呈明顯負相關關系，相關性達極顯著水平(P<0.01)，其與輻射、降水及氣溫也呈負相關，但相關性均未達顯著水平。降水與風速、輻射及氣溫正相關，且與輻射和氣溫相關性達極顯著水平(P<0.01)，與相對濕度成不明顯的負相關關系。氣溫僅與相對濕度呈負相關關系，與其他因子均呈正相關關系，且與輻射和降水相關性極顯著(P<0.01)，與風速相關性顯著(P<0.05)。

表2 西北地區近50 a各氣象因子間的相關系數Tab.2 Correlation coefficients between meteorological factors in the past 50 years in Northwest China

注：**表示極顯著水平(P<0.01), *表示顯著水平(P<0.05)。

3 討 論

中國西北地區近50 a平均氣溫為7.37 ℃，呈極顯著上升趨勢[增幅為0.427 ℃/(10 a)]，與全球變暖的增溫趨勢一致[4]。氣溫上升成因復雜，目前認為全球變暖的主要原因是太陽能被大氣層吸收，通過大氣環流等作用在地球各圈層間進行再分配[21]，人類活動也對氣溫變化造成巨大影響，如溫室氣體排放、過度砍伐森林以及臭氧層空洞等也是影響能量分配的重要原因[2]。西北地區氣溫上升的同時降水量也表現為總體增加趨勢[增幅為4.9 mm/(10 a)]，近50 a西北地區平均年降水量為230.70 mm，這與張翀等[11]研究結論相符，說明西北地區整體降水量呈上升態勢。西北地區降水和氣溫表現上升，但風速、輻射和相對濕度均呈下降趨勢，其中風速和輻射下降趨勢較明顯，而相對濕度總體變化不大，這可能與西北地區的地形地貌條件有關。陳勇航等[22]研究發現西北地區總云量高值在天山、昆侖山、祁連山一帶，云層較厚導致長波輻射難以透過，太陽輻射能量降低，當太陽能量傳遞到地面，其短波輻射被地面吸收而長波輻射將被反射，此時較厚的云層將阻擋輻射能量逸散[23]，進一步導致氣溫上升。

本研究發現西北地區近50 a來各氣象因子都呈周期性變化，波動形式均表現為非線性波動，呈現“增大--減小”的振蕩規律。氣候變化往往表現為多時間尺度周期振蕩，且小時間尺度的周期變化通常嵌套在大時間尺度周期變化中，不同時間尺度下氣候變化的作用機制和影響因子不同。目前認為大時間尺度上氣候主要受地球軌道參數周期變化影響，在海洋環流、海平面、溫室氣體濃度、大氣溶膠含量等相互作用和驅動下發生變化[24]，而關于小時間尺度下的作用機制尚不明確。因此在當前全球氣候急劇變化直接影響糧食安全、水安全、生態安全的背景下，在大研究范圍下對小時間尺度的變化規律進行深入研究是明確氣候變化趨勢和驅動因素的積極措施。

各個氣象因子都具有較明顯的空間分布特征，受西北地區地形分布差異的影響，風速空間變化呈現出西部總體較小并有小值中心、中東部風值較大并有大值中心和東部分布均勻3個區域差異。陳少勇等[25]定量分析西北地區近47 a日照時數分布特征發現西北地區日照時數從東南向西北減少，甘肅、青海、新疆交界處是全區日照的高值區，日照時數和太陽輻射成正相關關系，日照時數的增加將導致輻射量的增強，從而輻射在近50 a表現出中部輻射較強的空間分布規律。受地形地勢的影響，近50 a來氣溫和降水量的空間分布差異較大，新疆地區的塔里木盆地擁有塔克拉瑪干沙漠，該區域輻射強、降水極少，是整個西北地區氣溫分布的高值區；水汽輸送與地理位置對降水的影響較大，且地形對降水的分配起到一定驅動作用，西北地區地形復雜，高原、平地、盆地、荒漠交替存在，因此導致降水空間分布的明顯差異。

通過相關性分析發現各氣象因子間具有顯著相關性及復雜的作用機制，風速與輻射呈極顯著正相關，大氣氣溶膠含量的增加是輻射量減少的主要原因[25]，風速增大有利于氣溶膠的擴散，從而可能增強地表太陽輻射，此外風速與相對濕度呈極顯著負相關，風速變化引起水汽壓差的顯著變化，由于風速的增大導致水汽壓差增大從而相對濕度下降，但在本研究中風速與相對濕度同呈下降趨勢，綜合考慮其他因子影響因素，氣溫的顯著上升對相對濕度的減少作用掩蓋了風速、輻射減少對相對濕度的增大作用，最終導致濕度下降。輻射除與風速極顯著正相關外，還與氣溫和降水極顯著正相關，氣溫越高通常意味著日照時數較長且空氣中云水含量較少，將進一步引起輻射的增強。另外氣溫與相對濕度呈負相關關系，這是由于溫度越高將導致飽和水汽壓越大，從而引起相對濕度下降。

進行深層次的氣候變化趨勢及驅動因素研究時應綜合考慮地理位置、地形地貌條件等因子對氣候變化的影響，本文在進行西北地區氣象因子變化特征分析時未考慮地理因素，存在很大不足，在今后的研究中將從“蒸發悖論”等更多方面和更大區域范圍出發，對氣象因子變化規律和主導因子進行深度探究。

4 結 論

全球變暖已是不爭的事實，西北地區作為中國最典型的干旱地區，在全球氣候變化背景下已經發生了顯著氣候變化。本文采用線性趨勢、M-K檢驗法、Morlet小波分析、GIS反距離加權插值等分析方法對中國西北地區近50 a來氣象因子的時空變化特征進行分析，主要得到以下結論。

(1)各氣象因子年際變化趨勢較明顯，風速、輻射、相對濕度總體呈下降趨勢，降幅分別為0.105 m/(s·10 a)、0.054 MJ/(m2·d·10 a)和0.378%/(10 a)；而降水與氣溫呈上升趨勢，近50 a來西北地區年降水量增加了50 mm、年平均溫度上升了2.18 ℃，增幅分別為4.9 mm/(10 a)、0.427 ℃/(10 a)。

(2)各氣象因子在近50 a存在局部突變，均只有一個突變點，但突變發生時間不同。風速突變點發生在1984年左右，輻射突變點發生在1981年左右，相對濕度、降水、氣溫突變時間分別在1992、2009、1991年左右。

(3)各氣象因子均存在“增--減”的周期性變化，表現為多時間尺度周期振蕩。風速、輻射、相對濕度、降水及氣溫均為非線性波動，呈“增大--減小”的變化規律，其變化主周期較一致地呈現為28 a，但各氣象因子的小時間尺度周期變化具有差異。

(4)各氣象因子空間分布趨勢明顯，存在區域性差異。風速整體分布不連續，存在明顯的小值和大值中心；整個西北區中部輻射強，東西兩側輻射較弱；相對濕度在西北地區中部出現3個小值區，兩側濕度較高，總體呈中部小兩側較大的分布趨勢；降水由東南向西北遞減，基本連續分布；除青海省外西北地區整體氣溫指數較高。

(5)各氣象因子間相關性明顯，響應關系復雜。風速與輻射呈極顯著正相關(P<0.01)，與相對濕度極顯著負相關(P<0.01)；輻射與降水和氣溫均呈極顯著正相關(P<0.01)；降水與氣溫顯著正相關(P<0.01)；氣溫與風速成顯著正相關(P<0.05)。

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