呂梁山地形對氣候的影響分析

徐少雄 趙景波 杜卓群

摘要? ? 本研究以中尺度區域氣候差異與地形的關系為研究方向，對呂梁山東、西兩側近同一緯度區域的氣候要素數據進行分析。以榆林市、原平市、延安市、介休市為研究樣區，收集30年（1989—2018年）的年均氣溫和年均降水量數據，采用Mann-Kendall檢驗方法進行氣候變化趨勢分析和氣候突變檢驗。結果表明，北段、南段的東西側氣候變化趨勢和氣候突變具有差異性，但南北段東西兩側氣候變化不同步。由于南北段的東西側研究區域緯度地帶性和經度地帶性影響很小，可見呂梁山地形對呂梁山東、西兩側的氣候產生了一定的影響。通過本研究，對于如何根據呂梁山具體地形條件分析氣候變化，進一步合理配置農、林、牧、副和旅游等產業具有重要意義。

關鍵詞? ? 地形;氣候;Mann-Kendall檢驗;呂梁山

中圖分類號? ? P461+.3? ? ? ? 文獻標識碼? ? A

Abstract? ? This study took the relationship between climatic differences and topography in the mesoscale region as the research direction，and analyzed the climatic factor data of the same latitude area on the east and west sides of Lvliang Mountain. Taking Yulin City，Yuanping City，Yan′an City and Jiexiu City as research samples，annual average temperature and annual precipitation datas for 30 years（1989-2018） were collected，the climate change trend analysis and climate sudden change test were conducted by using the Mann-Kendall test method. The results showed that the climate change trend and climate change between the eastern and western sides of both north and south sections of Lvliang Mountain were different，but climate change difference of between the eastern and western sides was not synchronous in north and south sections of Lvliang Mountain. The zonal and longitude zonal impacts of the north-south study area were small，so the Lvliang Mountain terrain could have a certain impact on the climate of the eastern and western sides of Lvliang Mountain.This research has important significance to rationally allocate the industrial development of agriculture，forestry，animal husbandry，sidelines and tourism，according to the specific terrain conditions of Lvliang Mountain.

Key words? ? terrain;climate;Mann-Kendall test;Lvliang Mountain

近年來，伴隨著全球氣侯變暖，氣候由一種穩定的狀態經短時間跳躍式轉變成另一種穩定氣候狀態形式[1]。氣候的這種變化對人類生產活動以及生態環境產生了嚴重影響，如何快速、準確地檢測氣候突變，對于人們認識氣候系統的變化以及預測未來氣候趨勢變化具有重要的現實意義。部分學者已經發現了氣候突變現象，符棕斌[2]著重討論了氣候突變的定義、氣候突變現象的研究;閆敏華等[3]通過運用累積距平法和Jy參數法研究了三江平原氣候的突變情況，討論了引起三江平原氣候突變的原因;任玉國等[4]通過研究1951年以來的極端氣候，分析對比極端降水指數和極端氣溫指數，得到極端氣候發生的強度和頻率，同時指出研究極端氣候常用方法的某些不足及改進方法。此外，部分學者也研究了氣候與地形的關系，例如，邱旭梅等[5]通過研究我國氣候分布情況分析得到，同一緯度由于地形不同從而導致不同的氣候類型;山脈的迎風坡與背風坡的氣溫、降水有明顯的差異，向陽坡比背陽坡氣溫高，山地的迎風坡比背風坡多雨，并且某些地區地形對氣候狀態產生了影響。從已有的研究可以看出，許多學者研究氣候突變是通過對同一氣象站點進行長時間觀測得到氣候突變的結論，對于地形引起氣候突變的研究仍不足。本研究以榆林市、原平市、延安市、介休市為研究對象，收集這4個氣象站點的近30年年均溫度和年均降水量數據，借助Mann-Kendall檢驗方法進行氣候變化趨勢分析、氣候突變分析，找到呂梁山地形對氣候變化及氣候突變的影響。

1? ? 區域概況與研究方法

1.1? ? 區域概況

1.1.1? ? 地形區。本研究樣帶位于呂梁山，呂梁山脈位于山西西部，處在山西省中部斷陷盆地以西，北起管涔山，由北往南經黑駝山、蘆芽山、云中山、關帝山、起云山、直至龍門山，這一系列山脈總稱呂梁山脈。它和太行山脈為縱貫山西的2座山脈。呂梁山是中國黃土高原上的重要山脈之一，由于其呈東北—西南走向，不僅是黃河中游區域黃河干流與支流汾河的分水嶺，更由于整個山脈以主峰關帝山為中心中間全線突起，兩側的管涔山、蘆芽山、云中山、紫荊山、龍門山分別逐漸降低，整個地貌成穹隆狀，這樣連綿不斷的崇山峻嶺如同一條脊梁，縱貫三晉西部，延綿400 km以上;而且，呂梁山北段分為東西平行的2列，不少山峰高于2 700 m;呂梁山南段降低到1 000～1 500 m，中段氣溫比較高;因而整個呂梁山脈兩側氣候差異明顯。本文研究選取目標場地為榆林市、原平市、延安市、介休市，該研究區域氣象數據易收集且海拔高度和地勢相同，榆林市和原平市、延安市和介休市分別位于近同一緯度地帶，通過對比這2對氣象數據可以得出研究結論。

1.1.2? ? 樣點。研究區域如圖1所示。

（1）北段。①呂梁山北段東坡一側的榆林市，地理坐標：北緯36°57′～39°35′，東經107°28′～111°15′。榆林位于中國陜西省的最北部，處于黃土高原與毛烏素沙地交界處，是黃土高原和內蒙古高原的過渡區;地勢總體由西向東傾斜，西南部平均海拔1 600～1 800 m，其他區域平均海拔1 000～1 200 m;屬大陸性季風氣候中溫帶半干旱，四季分明冷暖干溫，年平均氣溫9.1 ℃，年平均降水量453.5 mm[6]。②呂梁山北段西坡一側的原平市，地理坐標：北緯38°35′～39°09′，東經112°17′～113°35′之間。原平市地勢起伏顯著，全境各地氣候差異甚大，一般年均氣溫8 ℃左右，年降雨量500 mm左右。

（2）南段。①呂梁山南段東坡一側的延安市，地理坐標：北緯35°21′～37°31′、東經107°41′～110°31′。延安位于黃河中游屬黃土高原丘陵溝壑區，地貌以黃土高原和延安地貌丘陵為主，地勢西北高東南低，平均海拔1 200 m左右;屬于暖溫帶大陸性氣候，氣候較為干燥，早晚溫差較大，年均無霜期170 d，年均氣溫9.2 ℃，年均降水量在500 mm浮動。②呂梁山南段西坡一側的介休市，地理坐標：北緯36°50′～37°11′、東經111°44′～112°10′。介休地處太原盆地與太岳山的結合部，位于太原盆地西南端、汾河南畔、太丘山北側。年平均氣溫10 ℃，降水量493 mm。

1.2? ? 數據來源

目標場地數據來源于中國氣象科學數據共享服務網，在其網站收集得到榆林市、原平市、延安市和介休市4個氣象站點30年（1989—2018年）年均溫度和年均降水量數據。

1.3? ? 研究方法

1.3.1? ? Man-Kendall趨勢檢驗。Mann-Kendall檢驗是一種非參數檢驗，能有效區分某一自然過程是出于自然波動還是存在確定的變化趨勢[7-9]。對于非正態分布的水文氣象數據，Mann-Kendall秩次相關檢驗具有更加突出的適用性;在時間序列中無需指定是否是線性趨勢，通過Mann-Kendall趨勢檢驗可找到得到4個氣象站點年均氣溫和年均降水量的變化趨勢[7]。

1.3.2? ? 非參數Mann-Kendall法突變檢測。Mann-Kendall檢驗不僅可以檢驗時間序列的變化趨勢，還可以檢驗時間序列是否發生了突變，通過該方法可找到得到4個氣象站點年均氣溫和年均降水量的突變點[10]。

2? ? 結果與分析

2.1? ? Man-Kendall趨勢檢驗分析

為了檢驗呂梁山氣候變化的顯著性特征，本研究選擇位于呂梁山南北段東、西兩側的4個氣象站點30年（1989—2018年）的年平均氣溫和年均降水量時間序列數據，運用Mann-Kendall方法對這4個氣象觀測站數據進行氣候變化趨勢檢驗，在合適的置信水平區間下，對年平均氣溫（℃），年平均降水量（mm）序列進行統計檢驗[12]。氣候變化趨勢檢驗結果如表1所示。

從表1可以看出，在合適的置信水平區間下，位于呂梁山東西側南北段的榆林市、原平市、延安市、介休市4個研究區域的年均氣溫30年來呈上升趨勢，并且都通過了99%的顯著性檢驗，說明研究區域的年均氣溫增加趨勢十分明顯。

在置信水平區間下，盡管榆林市、原平市、延安市、介休市氣象臺站的β均為正值，即近30年來各站臺的年均降水量均呈現出一定的上升趨勢，但以統計結果來看，呂梁山西側北段的榆林市、呂梁山東側北段原平市和呂梁山西側南段延安市未通過90%的顯著性檢驗，說明這3座城市年均降水量增加趨勢不明顯。呂梁山東側南段介休市年均降水量通過了90%的顯著性檢驗，說明呂梁山東側南段介休市年均降水量增加趨勢比較明顯。

對比呂梁山東、西兩側南北段年均氣溫和年均降水量的變化趨勢，可以看出，分析比較位于呂梁山北部東西側氣象站點的年均氣溫檢驗結果，發現榆林市和原平市近30年的年均氣溫傾斜度β為正值，都通過了99%的顯著性檢驗，說明研究區域年均氣溫增加趨勢十分明顯。榆林市年均氣溫趨勢傾斜度β較原平市大，因而位于呂梁山以西的榆林市氣溫升高趨勢比原平市的較大。分析比較位于呂梁山北部東、西坡兩側氣象站點的年均降水量檢驗結果，發現榆林市和原平市近30年的年均降水量傾斜度β為正值，榆林市年均降水量傾斜度β高與原平市。榆林市和原平市都沒有通過了90%的顯著性檢驗。

分析比較位于呂梁山南部東、西兩側氣象站點年均氣溫檢驗結果，發現延安市和介休市近30年的年均氣溫傾斜度β為正值，都通過了99%的顯著性檢驗，說明研究區域年均氣溫增加趨勢十分明顯，且延安市年均氣溫趨勢傾斜度β較介休市大，因而介休市氣溫升高趨勢比延安市的較大。分析比較位于呂梁山南部東、西兩側氣象站點年均降水量檢驗結果，發現延安市和介休市近30年的年均降水量傾斜度β為正值，延安市傾斜度β較原平市大，并且介休市通過了90%的顯著性檢驗，而延安市未通過90%的顯著性檢驗。

2.2? ? 突變檢驗結果分析

作為Mann-Kendall突變檢驗方法的應用實例，本研究為了檢驗呂梁山氣候的突變性，選擇位于呂梁山東西坡內4個氣象站點30年（1989—2018年）的年均氣溫和年均降水量時間序列數據，運用Mann-Kendall方法對這4個氣象觀測站數據進行氣候突變檢驗[13]。如圖2、3所示。

從圖2（a）可以看出，由UF曲線分析得到榆林市自1989年開始，除1989年和1990年<0、1992年和1997年=0之外，其余值都>0;而且2000—2018年UF值都>0，呈現明顯的上升趨勢。進一步觀察UF和UB曲線的交點，發現其位置在1998年，這表明榆林市氣象站的年均氣溫變化趨勢于1998年開始發生轉折，出現了突變。從圖3（a）可以看出，由UF曲線分析得到榆林市自1989年開始，除個別年份1992年、1998年、2016年、2017年、2018年>0，1989年、1997年、1999年、2015年=0之外，其值都<0;而且1999—2015年UF值都<0，呈現明顯的波動趨勢。進一步觀察UF和UB曲線的交點，發現其位置在2014年，這表明榆林市氣象站點的年均降水量變化趨勢于2014年開始發生轉折，出現了突變。

從圖2（b）可以看出，由UF曲線分析得到原平市自1989年開始，其值都>0。進一步觀察UF和UB曲線的交點，發現其位置在1994年，這表明原平市氣象站的年均氣溫變化趨勢于1994年開始發生轉折，出現了突變。由圖3（b）可以看出，從UF曲線分析得到原平市1989—2008年，除1991年=0之外，UF曲線值都>0，且變化劇烈。進一步觀察UF和UB曲線的交點，發現其位置在1992年、1993年、2009年，這表明原平市氣象站的年均降水量變化趨勢于1992年、1993年、2009年開始發生轉折，出現了突變。

從圖2（c）可以看出，由UF曲線分析得到延安市自1989年開始，除個別年份1989年、1990年、1991年外，其值都>0;而且從1991年開始，UF值都>0，呈現明顯的上升趨勢。進一步觀察UF和UB曲線的交點，發現其位置在1993年，這表明延安市氣象站的年均氣溫變化趨勢于1993年開始發生轉折，出現了突變。從圖3（c）可以看出，由UF曲線分析得到延安市自1989年開始，除個別年份（1992年、1998年、2017年、2018年）外，其值都<0;而且1999—2011年UF值都<0，呈現明顯的波動趨勢。進一步觀察UF和UB曲線的交點，發現其位置在2015年，這表明延安市氣象站的年均降水量變化趨勢于2015年開始發生轉折，出現了突變。

從圖2（d）可以看出，由UF曲線分析得到介休市自1989年開始，除個別年份（1989年、1996年、1997年、1998年、2000年）外，其他值都>0;而且從2000年開始，UF值都>0，呈現明顯的上升趨勢。進一步觀察UF和UB曲線的交點，發現其位置在1998年，這表明介休市氣象站的年均氣溫量變化趨勢于1998年開始發生轉折，出現了突變。從圖3（d）可以看出，由UF曲線分析得到介休市自1989年開始，除個別年份（1992年、2016年、2017年、2018年）>0外，其值都≤0;而且1993—2015年，UF值都<0，呈現先下降后上升的趨勢。進一步觀察UF和UB曲線的交點，發現其位置在2015年，這表明介休市氣象站的年均降水量變化趨勢于2015年開始發生轉折，出現了突變。

由榆林市和原平市分析比較位于呂梁山北部東、西兩側氣象站點氣溫突變結果，發現榆林市近30年的年均氣溫突變年份比原平市的突變年份提前，原平市的UF和UB曲線波動趨勢比較大;榆林市年均降水量趨勢的UF和UB曲線波動趨勢比較大。榆林市年均降水量突變年份為2014年，年均氣溫突變年份發生在1998年，原平市年均降水量出現3次突變年份，分別為1992年、1993年、2009年。

由延安市和介休市分析比較位于呂梁山南部東、西坡兩側氣象站點氣溫突變結果，發現延安市近30年的年均氣溫突變年份比介休市的突變年份提前，而且介休市的UF和UB曲線波動趨勢比較大;介休市年均降水量趨勢的UF和UB曲線波動趨勢比較大，而且延安市與介休市年均降水量出現突變年份都在2015年。

3? ? 結論

（1）采用Mann-Kendall方法分析榆林市、原平市、延安市、介休市4個氣象站點30年（1989—2018年）的年均溫度和年均降水量數據，得到在年均溫度變化趨勢方面，4個氣象站點的數據都通過了99%顯著性檢驗，說明研究區域年均氣溫增加趨勢十分明顯。在年均降水量變化趨勢方面，4個氣象站點中介休市通過了90%顯著性檢驗，榆林市、原平市、延安市均未通過90%顯著性檢驗，說明研究區域中介休市年均降水量增加趨勢比榆林市、原平市、延安市都顯著。在氣候突變方面，4個氣象站點的年均氣溫和年均降水量都找到了氣候的突變點和突變年份（氣候的突變點所在的年份即為氣候的突變年份）。

（2）通過研究對比呂梁山北段東側的原平市和呂梁山北段西側的榆林市年均溫度和年均降水量數據趨勢分析結果，發現榆林市的年均氣溫升高趨勢大于原平市。在年均降水量變化方面，榆林市年均降水量升高趨勢和原平市年均降水量升高趨勢未通過90%的顯著性檢驗，因而不能得出年均降水量升高趨勢在榆林市和介休市哪個更顯著的結論。在氣候突變方面，對比得到榆林市年均氣溫和年均降水量突變點和突變年份，榆林市年均氣溫突變年份為1998年，榆林市年均降水量突變年份為2014年;以及原平市年均氣溫和年均降水量的突變點和突變年份，年均氣溫的突變年份為1994年，年均降水量的突變年份為1992年、1993年、2009年。

（3）通過對比研究呂梁山南段東側的介休市和呂梁山南段西側的延安市年均溫度和年均降水量數據，在年均氣溫變化方面，對比得到介休市的年均氣溫升高趨勢大于延安市。在年均降水量變化方面，介休市年均降水量升高趨勢通過90%的顯著性檢驗，而延安市年均降水量未通過90%的顯著性檢驗，因而得出介休市年均降水量升高趨勢比延安市顯著。在氣候突變方面，對比分析得到介休市年均氣溫和年均降水量突變點和突變年份，介休市年均氣溫突變年份為1998年，介休市年均降水量突變年份為2015年;以及延安市年均氣溫和年均降水量的突變點和突變年份，延安市的年均氣溫的突變年份為1993年，延安市年均降水量的突變年份為2015年。

（4）通過對比分析呂梁山北段東側（原平市）和西側（榆林市）區域的氣候變化和氣候突變，發現呂梁山北段東側和西側研究區域區域的氣候變化和氣候突變具有差異性;對比呂梁山南段東側（介休市）和西側（延安市）區域的氣候變化和氣候突變，同樣發現呂梁山南段東側和西側研究區域的氣候變化和氣候突變也具有差異性。可見，呂梁山地形對其東西側區域的氣候變化和氣候突變產生了影響。

4? ? 參考文獻

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