武威市近50年氣候年代際變化特征

頡隨明

（甘肅國圖測繪地理信息有限公司，甘肅蘭州 730020）

全球氣候變化是確定的事實，已成為21世紀全球普遍關注與重視的問題。近1個世紀以來，全球平均地表觀測溫度上升了0.74℃，1908—2007年我國地表平均溫度升高達1.1℃[1-2]。

在我國西北干旱半干旱區不僅是全球范圍內氣候變化響應最敏感的區域，而且還是生態環境變化最脆弱的地區，生態環境的變化對區域氣候和全球氣候均會產生非常大的影響[3]。為了應對氣候變化可能引發的問題，許多研究者對該區的氣候變化狀況進行了深入的分析和預測[4-6]。但是綜合來看，目前的大部分研究均側重于對該區氣候的年際變化探討，而對該區氣候的年代際變化特征關注不足。年代際氣候變化作為短期氣候變化的背景，往往會影響年際和月季時間尺度的氣候變化特征。隨著科學的發展和社會需求的提高，年代際氣候變化已成為人們關注的重要問題。李崇銀等[7]分析表明，過去20年華北地區干旱以及近40年西部降水的增加，可能都是降水量的年代際變化引起的。而從近百年氣候變化序列來看，降水量的變化以20～30年循環為主。IPCC的報告也指出，在近百年來，全球平均觀測氣溫總體呈現升高的趨勢（IPCC，2007），并存在明顯的年代際變化（北京地區長期增暖中的一個減緩期）。施雅風等[8]的研究發現，1987年開始西北區氣候由暖干向暖濕發生了轉型，這一轉型可能是因氣候年代際波動，也可能是因世紀性的趨勢引發。既然氣候變化存在年代際的變化規律，那么以年代際為尺度分析氣候變化規律，必將能得出一些對氣候預測具有指導作用的信息。

本文以位于西北地區中部石羊河流域的武威市為例，以10 a年代際尺度，分析該區50年氣候年代際變化規律，并結合對干旱指標的分析，進一步認識該區未來氣候演變的方向，為該區農牧業結構調整、水資源的合理開發利用提供參考。

1 研究資料和研究手段

1.1 研究區域和資料來源

武威市位于河西走廊東部地區，該地區處于青藏高原北坡，南靠祁連山脈，北鄰騰格里和巴丹吉林沙漠，東接黃土高坡西緣。由于深居內陸，遠離海洋，加上境內地形和海拔高度的影響，武威市長期降水稀少且年際及年代際變率很大，高溫干旱頻發，屬于典型的干旱和半干旱區。

本文利用武威市1961—2010年逐日平均氣溫、最高、最低空氣溫度、降水、風速、相對濕度和日照時數等氣象資料，對武威10 a年代際氣溫、降水、參考蒸散量及其計算獲得的SPI和SPEI2個干旱指標變化特征進行研究探討?；練庀筚Y料來自中國氣象科學數據共享服務網（http://cdc.cma.gov.cn）。

1.2 數據處理方法

以武威市1961—2010年逐日氣溫和降水資料計算其逐年的總量；參考蒸散量采用聯合國糧農組織推薦的公式計算[9]，依據每天的氣象資料計算出當天的參考蒸散量，累加求和算出每月和每年的值；氣候10 a年代際線性傾向率結果的顯著性檢驗使用F檢驗；氣候突變特征分析采用Mann-Kendall方法[10]。標準化降水指標SPI和標準化降水及蒸散指標的計算分別參考文獻[11]和[12]。

2 結果與分析

2.1 氣象要素及干旱指標的年代際變化趨勢

2.1.1 氣溫的年代際變化趨勢 武威市氣溫在1961—2010年間以上升為主，平均增溫率為0.4 25℃/10 a，且這種增加趨勢統計檢驗極顯著（表1），這與全球和全國近年來的氣溫變化規律相同，但是又明顯地大于全國0.220℃/10 a的平均增溫速率，也比全球近50年來的增溫速率大[13]。說明武威市氣溫的變化與全國及全球的變化趨勢具有一致性，但是在增幅大小和變化過程上存在明顯的差別。

表1 武威市1960—201年氣象要素及干旱指標數值10 a變化統計檢驗

以10 a為尺度分析武威市氣溫的年代際變化狀況（圖1）。從圖1中可以看出，在1961—2010年，武威市氣溫每10 a的變化趨勢并不完全一致。其中，1961—1970年武威市氣溫趨向于降低，降低速率為1.230℃/10 a，并且降低趨勢統計檢驗達到了顯著水平（P＜0.05）。1971—1980年武威市年平均氣溫在波動中上升，速率較小，為0.206℃/10 a，而且增溫趨勢統計檢驗不顯著。1981—1990年武威市氣溫變化也是以增溫為主，增溫速率較上一個10 a有一定的增大，為0.602℃/10 a，不過增溫趨勢統計檢驗也不顯著。1991—2000年武威市年平均氣溫有一個快速的增長期，增溫速率達到1.983℃/10 a，而且統計檢驗顯著（P＜0.05），這是武威50年來增溫速度最快的10年。2000—2010年武威市年平均氣溫的變動再次放緩，經歷了一個在其他國內外研究中稱之為暖平臺的時期[14-15]，不過武威市的氣溫依然保持0.447℃/10 a的速率，在波動中不斷升高。

圖1 武威市1960—2010年氣象要素變化序列

2.1.2 降水的年代際變化趨勢 武威市1961—2010年降水量總體呈增加趨勢，速率為81.300 mm/10 a，但是這種趨勢并沒有通過顯著性檢驗。以10 a尺度進行分析比較，可以看出武威市降水量的變化還是有一定的規律可循，即存在明顯的年代際振蕩。武威市降水量從1961—1970年到2000—2010年間，每10 a表現為快速增加、緩慢減小、緩慢增加、平穩增加以及快速減少的變化趨勢，變化速率分別為93.509 mm/10 a、9.218 mm/10 a、32.770 mm/10 a、14.309 mm/10 a以及-81.061 mm/10 a，且在1961—2010年，每10 a的變化趨勢均沒有通過顯著性檢驗（表1、圖1）。說明在這50年里，武威市的降水量變化趨勢并不明顯，只是急劇波動中存在較為微弱的增加趨勢。

2.1.3 蒸散的年代際變化趨勢 參考蒸散量是大氣蒸發力的表現，在一定程度上可以反映大氣的干濕狀況。分析武威市1961—2010年參考蒸散量的變化趨勢，可以發現參考蒸散量變幅較大，而且存在一個明顯的低值時段，即1985—1995年。1961—2010年每10 a蒸散量的平均增加值并不大，為2.260 mm/10 a，而且并沒有通過顯著性檢驗。對蒸散量的變化趨勢分階段進行分析，發現1961—1970年參考蒸散量為降低趨勢，降低速率為174.320 mm/10 a；1971—1980年參考蒸散量的變化速率為-137.150 mm/10 a，統計檢驗不顯著；1981—1990年武威市參考蒸散量有一個明顯的降低趨勢，降幅為283.360 mm/10 a，而且統計檢驗達到了顯著水平；而在1991—2000年，參考蒸散量變化趨勢急劇轉向，表現為增加趨勢，而且波動較小，蒸散量逐年持續增加，增幅為488.620 mm/10 a，并且統計檢驗達到了極顯著水平；在此后的2001—2010年，蒸散量變動趨勢放緩，變化趨勢并不明顯，在波動中緩慢增加，增加速率為58.292 mm/10a（P＞0.05）（表1、圖1）。

2.1.4 SPI和SPEI兩個干旱指標的年代際變化趨勢 以國際上較為常用的標準化降水指標SPI和新近考慮了溫度對蒸散作用的標準化降水蒸散指標SPEI為干旱指標，分析武威市1961—2010年干旱發生狀況變化趨勢。從圖2中可以看出，2種干旱指標的變化趨勢在50 a尺度上存在差異，SPI逐漸增大，而SPEI卻逐漸減小。說明用這2種干旱指標對武威市干旱狀況的反映并不完全一致。

圖2 武威市1960—2010年SPI和SPEI兩個干旱指標變化序列

以10 a為時間尺度，觀察武威市1961—2010年SPI與SPEI的增減趨勢，發現在1961—1970、1970—1980、1981—1990以及2000—2010年這4個10 a中，SPI與SPEI的變化趨勢基本一致，每10 a分別為2.360和3.020（P＜0.05）、-0.090和-0.010、0.830和0.680以及-1.730和-1.990。這2個指標每10 a年代際變化趨勢中，在1991—2000年這個階段存在明顯的差異，SPI表現為不斷增大，每10 a速率為0.480，而SPEI卻表現為不斷減小，每10 a速率為1.470。而在其他階段這2個指標的變化趨勢又相同，說明1961—2010年2個指標變動趨勢的差異主要是1991—2000年的不同造成的。

2.2 氣象要素及干旱指標的突變分析

2.2.1 氣象要素的突變分析 使用M-K檢驗對武威市1961—2010年氣溫變化趨勢進行分析（圖3a），可以看出武威市50 a氣溫存在由降低到升高的轉變。在1961—1997年，武威市氣溫一直表現為波動中減少的趨勢，在1970年代，出現了氣溫降低的最大傾向，并通過顯著性檢驗。在1998年開始，武威市氣溫呈增加趨勢，而且表現為急劇的上升，在2002年左右趨勢超過統計檢驗臨界值，達到了顯著性水平。在2000年和2001年之間，UF和UB線存在交點，說明在這個時期，武威市氣溫變化存在突變，氣溫開始轉向為較高的階段。

分析武威市1961—2010年降水量的M-K檢驗結果，發現降水的變化波動要較氣溫的波動大（圖3b）。在1960年代前期降水量表現為減少趨勢，而后在1960年代的中后期急劇上升，并存在一個突變。而后在1970年代初期緩慢增加，又經歷了一次突變，在1970年代中后期降水量開始下降。在1980年代中期，降水量的變化再次經歷了一次突變，之后表現為波動性地增加，一直持續到了2010年，而且在這個過程中，在2001—2010年之間降水量的增加趨勢達到了顯著性水平。

參考蒸散量的變化經M-K檢驗分析得出（圖3c），其在1961—2010年大部分時期都表現為減少趨勢，只在1970年代前中期有輕微的增加趨勢，而后又迅速地減小，在1980年代中后期到2000年，參考蒸散量的減小趨勢達到了顯著性水平。此外觀察參考蒸散量與降水量差值的M-K統計檢驗結果（圖4d），可以看出參考蒸散量與降水量差值的統計檢驗與參考蒸散量的統計檢驗結果基本保持一致，說明在西北內陸干旱半干旱地區，蒸散量占據水分平衡的很大部分，降水量的增幅對蒸散量與降水量差值的影響基本可以忽略，因而可以得出在考慮該地區氣候干濕狀況時，更應該關注蒸散量的變動狀況。

圖3 武威市1961—2010年氣象要素變化趨勢分析

2.2.2 干旱指標的突變分析 對2個干旱指標的變動狀況進行M-K檢驗，能夠從圖4中看出，SPI的變動與圖3中降水量的變動趨勢大致相同，都表現出較大的波動性，而且其除了在1960年代和1980年代有明顯的降低趨勢外，在其他大部分時期趨勢都表現為增加趨勢，并且SPI和降水量的變化發生在1960年代后期、1970年代前期，并在1980年代中期發生了突變，而且SPI的增加趨勢也在2001—2010年達到了顯著性水平。SPI的計算依賴于降水量，且僅僅依靠這一個氣象因子，所以其變動趨勢完全與降水量一致。

圖4 武威市1961—2010年SPI和SPEI兩個干旱指標數值變化趨勢分析

圖4b是SPEI的變化狀趨勢，從中可以發現，SPEI在1960年代前期表現為減少趨勢，而后大部分時期都表現為增加趨勢，且在1960年代中后期增加趨勢達到了顯著性水平。此外，SPEI與SPI變化趨勢的很大不同表現為，SPEI在2000年代中期存在明顯的下降趨勢，而SPI則并沒有這種表現。SPEI的計算依賴降水量和溫度兩個氣象因子，全面考慮了區域水分平衡的2個主要方面，即降水和蒸散，其更能有效地反映出在氣溫升高狀態下，區域的干濕變化狀況，因而全面考察SPEI變化趨勢更有意義。從SPEI的監測結果可以看出，武威市氣候在2000年代中后期有變干的跡象，這與僅僅考慮降水量的干旱指標SPI的變化狀況所反映的監測結果不完全一致，甚至相反。

3 討論和結論

不同于氣候的年際變化（氣象要素月或年的平均值在不同年份間的變化），年代際變化所指的時間尺度目前并沒有明確的定義，在CLIVAR（國際氣候變化及其可預報性研究）計劃中年代際氣候變化研究指的是10年至100年尺度的氣候變化[16]。由于年代際變化是年際變化的重要背景，對年際尺度的氣候變化現象產生重要的調制和影響，是一個非常重要的時間尺度。此外，氣候的年際變化波動性大，異常干旱與洪澇、高熱與冷害在一定的大氣環流狀況下發生，在較短的時期內往往帶有隨機性和不確定性，旱澇急轉的現象在1年內或2～3年間經常發生，從而給氣候監測預測帶來了很大的難度。而氣候往往在年際尺度上表現出很強的規律性，許多研究都發現氣溫、降水等氣象因子都存在明顯的年代際振蕩和變化，因而研究氣候的年代際變化對于氣候的預測有很重要的意義[7，16]。本文并沒有從常規的線性分段擬合、氣候突變轉折點等角度來分析氣候的轉變發展趨勢，而是僅僅以簡單的10 a年代劃分了不同的時期，分析了武威市氣溫、降水量、參考蒸散量以及SPI和SPEI，從1961—2010年50年來的每個10 a的變化趨勢，得出了一些氣候變化傾向的規律。從分析結果中得出，武威市氣溫在1990年代存在明顯的增溫趨勢，而且增溫傾向非常明顯，在2000年代前期出現了增溫的突變點，之后溫度繼續保持較前期相對平緩的增加趨勢。武威市地處西北內陸，地理位置及氣候特點較為特殊，該地區氣溫增加趨勢較全國和全球都要明顯偏大，代表了未來氣候發展趨勢的方向，需要著重注意該地區的氣候變化動向。

對降水量的M-K檢驗發現，武威市降水量變化趨勢在1980年代發生突變后表現為波動中持續的增加狀態，甚至在2000年代中期這種增加趨勢達到了顯著性水平，不過觀察降水量的年際變化與10 a尺度的年代際變化趨勢可以看出，降水量的增加波動較大，而且除了1960年代降水量的增幅較大外（達到了93.509 mm/10 a），其他時期降水量的增加幅度并不很大，但是與之相反，2000年代降水量的減少幅度反而達到了81.061 mm/10 a，而且更為重要的是該時段前期和同期參考蒸散量的增加幅度達到了488.620 mm/10 a和58.292 mm/10 a。在不考慮灌溉、滲漏以及地下水補給的情況下，區域水分平衡“源”和“匯”的2個主要方面即降水和蒸散，若要綜合考察一個特定研究區域的干濕狀況必須得既考慮降水的影響，又得關注蒸散量的變化狀況。對SPEI和SPI兩個不同的干旱指標變化趨勢進行對比分析后，即可發現在考慮降水和蒸散以及僅僅考慮降水一個氣象因子時的差異。在武威市1990年代后期降水量和溫度（蒸散也相應增加）都增加的情況下，SPI只反映了降水量的變化趨勢，表現為持續的增加，即表明武威市干旱狀況為減輕趨勢。而與之相反，SPEI的監測結果則顯示出武威市干旱狀況有明顯的加重趨勢。此外，在考慮氣候的變化時，其實應該不僅僅考慮平均氣溫和降水量的變化方面，眾所周知，極端氣象事件的頻率和強度的變化更可能對社會和環境產生嚴重影響，但對其氣候變化規律還認識不足。IPCC（1995）第二次科學評估報告指出了極端氣象事件變化研究的重要意義，并力圖回答“氣候是否更加容易變化或更加極端化了?”這一難題[17-18]。降水變率增大，強度增大，危害加大。對武威市過去降水量的變化研究就發現，武威市降水日數明顯減少，而降雨強度卻有增加趨勢[19-20]，說明在全球氣候變化背景下，災害性天氣，諸如較強的對流性天氣有可能增多，而對農業及生態用水有利的雨強不大且持續時間較長的降水將減少，這對西北內陸有效地利用雨水資源將是一大挑戰。

過去幾年，一些研究者的研究結果認為西北地區有可能會經歷一個由暖干向暖濕轉型的過程[4，8]。我國西北地區西北部，以天山西部為代表區域，其氣候轉向暖濕的信號最為強勁，降水量、冰川消融量和徑流量呈現出連年增加的趨勢，引起湖泊水位顯著上升、洪水災害增加迅速、植被得到了改善、沙塵暴也逐漸減少。不過這樣的轉型是否存在或者是否會擴及整個西北地區乃至華北，尚存在不確定性。通過本文的研究發現，地處西北地區中部的武威市盡管降水量在1980及1990年代有一定的上升，而且降水的M-K檢驗在2000年代初期也達到了顯著性水平，但是2000年代后期降水的線性減少趨勢卻也非常明顯，而且由于前期和同期的氣溫及蒸散量增幅較大，會導致區域水分的損失量加大，氣候有可能向著干旱化的趨勢發展。