西北地區氣象要素時空變化特征及未來趨勢評估

陳代明,王亞東,梁 君,韓牧原,王 潔

(1.國能陜西水電有限公司,陜西西安 710075;2.南京信息工程大學,江蘇南京 210044)

20世紀以來,全球氣溫持續增長,全球變暖現象為世人矚目。全球的持續變暖造成了一系列影響,冰山積雪融化,生態系統破壞,水文氣象極端事件頻發,低緯度地區干旱炎熱,中高緯度地區逐漸暖濕化。與此同時,全球氣候變化也給我國帶來了巨大的影響,洪澇災害頻發,北方地區水資源短缺,土地干旱程度不斷加重,對我國農業造成巨大影響[1]。我國西北地區其位置深居內陸,遠離海洋,其氣候為典型的大陸性氣候,再加上地形比較復雜,擁有高原、山地、盆地、荒漠這些奇觀,同時由于高原山地地形較高的影響,山脈對濕潤氣流的阻擋,氣候干旱,降水稀少。氣候變暖加上復雜的地形的影響,究竟對西北地區的局地氣溫產生何種影響,其影響程度有多深,引起了國內外學者的廣泛關注[2-5]。合理評估西北地區氣溫的時空變化特征,對該地區氣候變化評估、農業發展、生態保護都具有重要的意義。

21世紀初期,曾有研究表明全球變暖正在變緩,但很快被證實全球變暖依然很明顯。全球氣候變化對我國水文水利、生態環境等方面的影響程度逐步加深,因此大量學者圍繞不同氣象要素過去與未來的變化趨勢展開了眾多研究。陳紅菊等[6]利用江蘇省13個國家級臺站1961—2020年逐日降水資料,采用非參數檢驗法的Mann-Kendall方法分析了江蘇省各地的降水時空分布規律;徐飛等[7]以珠江流域57個氣象站1960—2018年氣溫資料為基礎,借助12個氣溫變化指數,分析了珠江流域不同極端氣溫的變化特征和未來趨勢,結果表明未來極端氣溫依然保持目前的趨勢。在西北地區,全球變暖導致該地區的氣候條件發生改變,進一步顯著影響該地區不同氣象要素的變化。王利平等[8]采集了我國西北青藏南方地區1961—2014年530個氣象站數據,使用Mann-Kendall趨勢檢驗、突變檢驗和小波分析對其進行空間時間變化分析,結果發現1961—2014年我國青藏地區干燥程度均呈明顯減小趨勢,而南方地區干燥程度則呈微弱減小趨勢。李潤祥等[9]從中國氣象局收集了新疆地區1981—2012年的氣溫觀測數據,采用氣候傾向線性估計和Mann-Kendall方法分別對該地區氣溫變化趨勢與突變信息進行了分析,結果表明,近32年年平均氣溫呈現不同程度的升高趨勢,在未來一段時間新疆將會變得更加溫暖。這些研究說明在全球氣候變暖的背景下西北地區氣象條件在不斷發生變化。多數科學家已經針對西北部分省份的不同氣象變量要素的歷史變化趨勢進行了研究[10],但是將西北作為一個整體綜合分析西北地區氣溫變化情況的研究較少,大部分學者只是單一使用曼坎德爾趨勢檢驗法或RS分析法來研究西北地區氣溫的歷史變化趨勢及未來變化趨勢,而且并沒有按照干濕季節分類,因此筆者將全年分為干季和濕季,并同時采用曼坎德爾趨勢法和RS分析法評估西北地區氣溫的歷史及未來的變化趨勢。

1 資料與方法

1.1 研究區概況西北地區包括新疆維吾爾自治區、寧夏回族自治區、青海省、甘肅省,其地形地貌形式多變,中間為盆地,如準噶爾盆地、塔里木盆地、吐魯番盆地,四周為高原和山地,如黃土高原、天山—昆侖山山脈等。受這種特殊地形地貌的影響,氣候呈現多樣化的特征,既存在溫帶季風氣候(東南部),又存在高寒氣候以及溫帶大陸性氣候。受海陸位置與地形地貌影響,西北地區降水較少,且夏季酷熱,冬季極寒。

黃土高原是我國四大高原之一,其位置處于西北地區西部,地勢由西北向東南傾斜,除了石質山地外,大部分都為厚層黃土覆蓋,由于黃河的不斷強烈侵蝕,形成千溝萬壑的地形景觀,海拔為800～3 000 m;從氣候類型上來看,本地為典型的大陸性季風氣候,全年降水偏少,氣溫年際變化較大,表現為冬季嚴寒,夏季酷熱;河流是以黃河為骨干,發源于黃土高原的河流較多;由于受暴雨影響,大多數河流汛期洪峰急漲猛落,汛期水量占全年水量的大部分。塔里木盆地是我國面積最大的內陸盆地,其位置位于我國新疆南部盆地,地勢總體上來說特點是西高東低。盆地周邊為戈壁,盆地中心為塔里木河穿越而過的大片沙漠,河流勁頭形成沖積平原,受塔里木河影響盆地有零星綠洲存在;該地區海拔為800～1 300 m;從氣候類型上來看,本地為典型的暖溫帶氣候,太陽輻射高,多風沙,氣溫日較差大、年內季節變化大;盆地水分主要來自西風氣流,降水稀少,本身無法形成徑流,較大河流有南部的葉爾羌、克孜勒等,北部的阿克蘇、臺蘭等。天山山脈是世界七大山系之一,地勢呈東西走向,占地57萬km2以上,占新疆全區面積約1/3。天山山脈四周沙漠環繞,氣候為溫帶大陸性氣候,擁有眾多的冰川河流、特殊的生物區系和生態過程。

1.2 數據來源首先對西北地區38個氣象站的日氣溫和日降水量資料進行處理,從站點分布(圖1)來看,有16個氣象站位于新疆維吾爾自治區,1個氣象站位于寧夏回族自治區,11個氣象站位于青海省,8個氣象站位于甘肅省,2個氣象站位于陜西省,站點分布比較均衡,數據來自中國氣象數據共享網。同時為了保證數據的一致性,選取這些站點1971—2020年的日氣溫數據,并且對數據進行對比插值,從結果來看數據質量較高,較為可靠。

圖1 西北地區氣象站點分布

該研究需要計算干季、濕季的氣溫資料,定義5—10月為濕季,其他月為干季。

1.3 研究方法在水文氣象以及氣候變化領域,曼坎德爾檢驗法是一種常用的氣候診斷與預測技術,該檢驗方法既可以尋找突變點并判斷數據的突變性,又可以分析數據的變化趨勢。由于M-K趨勢檢驗法要求數據的分布并不是很嚴格,且允許數據中間可以存在缺值,所以多用于氣候變化、水文氣象領域中的降水、氣溫、流量等數據的趨勢估算,計算方法簡單方便,具體原理與計算方法參考文獻[11-13]。

RS分析法屬于一種數據統計方法,由英國科學家赫斯特提出,又稱赫斯特指數法。該方法起初被用來分析水庫、河流之間的流量變化,后來逐步廣泛用于氣象與水文各行業的數據分析。并于1951年相繼提出Hurst指數,用來對時間序列的持續性進行定量描述,具體計算方法參考文獻[14-15]。Hurst指數為0～1,以0.5為臨界點,指數大于0.5代表數據的未來變化趨勢與過去趨勢一致,越接近于1,其一致性越強;指數小于0.5代表數據的未來變化趨勢與過去趨勢不一致,越接近于0,不一致性越強。

2 結果與分析

2.1 年平均氣溫歷史趨勢檢驗及未來趨勢預測采用曼坎德爾檢驗法對1971—2020年研究區氣象站點年平均氣溫變化趨勢進行非參數檢驗,從結果來看,對于5%置信區間的通過情況來說,大部分的氣象站點都能夠通過,對所有站點的曼坎德爾趨勢度β進行插值,得到其分布如圖2所示,據此可以分地區評估西北地區年平均氣溫變化趨勢的空間差異性。從1971—2020年西北地區氣溫變化趨勢度β的分布(圖2)可以看出,整個西北地區年平均氣溫均呈上升的態勢,從整個西北地區分布來看,呈現從西北往東南遞增的規律,青海省中東部地區、甘肅省中西部、陜西省、寧夏回族自治區等地上升趨勢比較明顯;新疆大部分地區、青海省中西部地區、甘肅西部地區氣溫均呈微弱的上升趨勢,不是特別明顯。在全球變暖大背景下,西北地區總體上氣溫也表現出不斷上升的態勢。

圖2 1971—2020年西北地區年平均氣溫變化趨勢度β值空間分布

對西北地區包括陜西在內的氣象站點年均氣溫使用RS方法進行分析計算,可以得到所有站點的Hurst指數,并進行插值,從而得出其空間分布(圖3)。從年均氣溫的Hurst值分布特點(圖3)來看,總體上來看西北地區大部分地區Hurst值均大于0.5,表示未來一段時間的年均氣溫保持與過去一致的變化局勢,繼續呈現持續性的升溫態勢;從地區分布差異來看,僅有新疆北部地區的Hurst值小于0.5,意味著未來氣溫變化趨勢與過去趨勢相反,未來氣候有變涼爽的可能性;其余地區,其中新疆西南地區、新疆甘肅青海三省(區)交界處、甘肅西部、陜西中西部、寧夏回族自治區的Hurst值達到了0.9,未來持續增溫的趨勢非常強。除新疆北部的其他西北地區,大部分的Hurst值都達到了0.8,只有青海中部和西部的少部分地區Hurst值達到了0.7,持續性較強。

圖3 1971—2020年西北地區年平均氣溫Hurst值空間分布

綜合曼坎德爾檢驗法和RS分析法得出的數據分布來看,從具體的持續性方面來說,未來一段時間內西北地區大部分地區年均氣溫保持與過去一致的變化趨勢,繼續呈現升溫態勢,未來持續增暖的可能性較大;僅有新疆北部地區未來氣溫變化趨勢與過去趨勢相反,該地區未來氣候有變涼爽的可能性。

2.2 干季氣溫歷史趨勢檢驗及未來趨勢預測從干季平均氣溫變化趨勢度β值的空間插值(圖4)可以看出,干季氣溫的趨勢度β值在整個西北地區都是呈現大于0的特點,即氣溫在1971—2020年是不斷上升的,其中新疆大部分地區出現了較大值的干季氣溫趨勢度β值,甘肅西部地區和青海東部地區出現了較小值的氣溫趨勢度β值。從整個西北地區來看,干季氣溫趨勢度β值分布由西北地區西北向中部遞減,然后由中部向東南遞增規律,但是前一遞減過程下降程度明顯高于后一上升過程上升程度。

圖4 1971—2020年西北地區干季平均氣溫趨勢度β值空間分布

對西北地區干季平均氣溫進行RS分析,具體的Hurst值分布如圖5所示。從干季Hurst值分布特點(圖5)來看,新疆中北部地區干季平均氣溫的Hurst值均呈現小于0.5的特點,表示2020年之后的氣溫變化與過去50年的變化趨勢有較大改變,具體來說是該地區干季氣溫未來可能出現降低的現象;除新疆中北部地區,其他西北地區Hurst值呈現大于0.5的特點,表明2020年之后的氣溫變化與過去50年的氣溫變化趨勢相似,即未來繼續保持增暖的態勢。除新疆中北部的其他地區,在新疆西部、青海南部、甘肅南部、寧夏南部、陜西大部分地區Hurst值達到0.9,表明未來呈現繼續增暖的可能性非常高。

圖5 1971—2020年西北地區干季平均氣溫Hurst值空間分布

綜合曼坎德爾趨勢檢驗得到的趨勢度β值和RS計算得到的Hurst指數的分布情況來看,1971—2020年西北大部分地區干季氣溫在過去和未來均呈上升趨勢,僅有新疆北部地區的干季氣溫呈現未來與過去不一致的變化趨勢,該地區未來干季平均氣溫可能呈下降趨勢,未來一段時間當地干季氣溫變得更加寒冷;而其他地區的Hurst值高于0.5,未來年平均氣溫呈上升趨勢,干季將可能更加溫暖。

2.3 濕季氣溫歷史趨勢檢驗及未來趨勢預測從1971—2020年濕季平均氣溫變化趨勢度β值分布(圖6)可以看出,濕季平均氣溫的趨勢度β值在整個區域內均大于0,即在過去的50年中濕季平均氣溫保持上升趨勢,青海中西部地區及甘肅和新疆的省界交界處出現了最大的氣溫趨勢度β值,新疆中北部地區出現了最小的氣溫趨勢度β值。從整個西北地區來看,濕季平均氣溫趨勢度β值分布從東西方向來看是由西北地區新疆最西部向新疆中部略微遞減,然后由新疆中部向西北地區中部迅速遞增,達到最大值后由西北中部地區向西北東部地區緩慢遞減的規律。

圖6 1971—2020年西北地區濕季平均氣溫趨勢度β值空間分布

對西北地區濕季平均氣溫進行RS分析,并進行插值計算,具體的Hurst指數空間分布如圖7所示。西北地區濕季平均氣溫Hurst值的分布比較明顯,與年平均氣溫和干季平均氣溫不一樣,濕季平均氣溫的Hurst值均大于0.8,表明2020年之后的濕季平均氣溫保持與過去一致的變化趨勢,繼續保持增溫。其中增溫持續性最強的地區位于新疆西北部,除此以外的其他地區也呈現較強濕季氣溫增溫持續性。

圖7 1971—2020年西北地區濕季平均氣溫Hurst值空間分布

綜合曼坎德爾趨勢檢驗得到的趨勢度β值和RS計算得到的Hurst指數的分布情況來看,西北地區濕季平均氣溫未來保持著繼續升高的趨勢,其中以青海西部地區的上升趨勢最為顯著,氣溫將逐漸變得溫暖。

3 結論

該研究基于曼坎德爾檢驗法和Hurst指數估算法對1971—2020年西北地區氣溫的歷史趨勢進行分析,并對未來的變化趨勢進行了估測,對年、干季、濕季多種時間尺度的結果進行對比分析,結果表明,從整體上來說,西北地區年平均氣溫的上升趨勢明顯,且年平均氣溫未來具有持續性,將保持過去的穩定的上升趨勢,未來西北地區將變得更溫暖。干季和濕季平均氣溫1971—2020年西北地區也呈上升趨勢,但兩者在持續性上存在區別,干季平均氣溫在新疆西北部地區存在反持續性,未來的氣溫將呈現下降趨勢,而干季其他地區均呈持續性,濕季平均氣溫在西北地區未來持續性十分顯著。

該研究只是從統計學的角度對西北地區1971—2020年的氣溫進行分析,從而對未來的氣溫進行預測,研究結果表明規律性還是比較強的,但是氣溫的變化涉及很多要素,比如蒸發量、植被覆蓋率、徑流量、地下水水位等對大氣的反饋作用,也會導致氣溫的變化,所以分析預測具有很大的局限性,其物理基礎有所不足。