1961—2020 年甘肅省烏鞘嶺氣候變化特征分析

喬 琴，楊曉玲，陳海貝，李正昊，陳 靜

（1.甘肅省永昌縣氣象局，甘肅金昌 737200；2.甘肅省武威市氣象局，甘肅武威 733000；3.甘肅省古浪縣氣象局，甘肅武威 733100）

《中國氣候變化藍皮書（2020）》顯示，全球變暖趨勢正在持續，氣候系統多項關鍵指標呈加速變化趨勢，中國是全球氣候變化的敏感區和影響顯著區，在氣溫方面，1951—2019 年中國氣溫升高率為0.24 ℃/10 年，全球平均水平為0.20 ℃/10 年，中國升溫速率明顯高于同期全球平均水平［1］。20 世紀90年代中期以來，中國各地氣溫明顯升高［2-6］，極端高溫事件明顯增多［7-10］。在降水方面，1961—2019 年，降水變化的區域差異明顯，中國年降水量呈微弱增加趨勢［11-13］，年降水日數呈顯著減少趨勢［14］，極端強降水事件呈增多趨勢［15-23］。在全球氣候變化的大背景下，中國各地對全球氣候變化的響應各不相同。甘肅省烏鞘嶺地處高寒山區，周圍環境變化很小，人煙稀少，遠離城市，建筑物和交通工具少，空氣污染輕，其氣候變化受人類活動和熱島效應影響很小，因此，很有必要研究烏鞘嶺的氣候變化特征，來說明其變化是對全國乃至全球氣候變化的響應，是氣候變化的一個具體反映。

1 研究區域地理氣候概況

烏鞘嶺位于甘肅省河西走廊東部武威市的南部（圖1），屬于祁連山的高寒山區。烏鞘嶺東西長約17 km，南北寬約10 km，海拔在2 400～4 400 m。烏鞘嶺是中國地形第一與第二級階梯的邊界，烏鞘嶺的西南為地形第一級階梯，以東以北為第二級階梯；同時烏鞘嶺也是劃分中國季風區和非季風區、內流區域和外流區域的分界線，烏鞘嶺以東為季風區和外流區域，以西為非季風區和內流區域。其次，烏鞘嶺還是中國三大自然區的交匯點，在地形上，其位于黃土高原、青藏高原、內蒙古高原三大高原的交匯處；在氣候區劃上，高原亞干旱區、中溫帶亞干旱區、中溫帶干旱區三大氣候區在烏鞘嶺相交［24］。烏鞘嶺氣象站是國家基準氣候站，位于102°52′ E、37°12′N，海拔3 045.1 m，在700 hPa 高度，冬季長而寒冷，夏季短而溫和，年平均氣溫0.2 ℃，極端最低氣溫達-30.6 ℃，年平均降水量410.8 mm，年極端降水量592.8 mm，氣候變化無常，有暑天飛雪的現象，災害天氣多，危害大。同時，烏鞘嶺氣象站是中國中東部地區氣象科研和天氣預報的指標站，因此，研究烏鞘嶺的氣候變化將對中東部地區科學研究和天氣預報有著重要意義。

圖1 武威市氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 資料來源

選取甘肅省武威市天祝藏族自治縣烏鞘嶺氣象站1961—2020 年氣溫和降水觀測資料，近60 年烏鞘嶺氣象站均未曾遷移，氣溫和降水觀測數據時間序列長，完整性和連續性好，可信度高。

2.2 研究方法

季節劃分3—5 月為春季，6—8 月為夏季，9—11月為秋季，12 月至次年2 月為冬季。以日氣溫、日降水量為基礎，分別統計月、季、年及年代氣溫的平均值和降水量的合計值，并分析其變化特征。采用距平方法分析氣溫、降水年代變化，距平計算式如下。

式中，Δx為氣溫或降水量距平，x為氣溫或降水量，xˉ為氣溫或降水量多年均值。

采用線性趨勢系數方法［25］分析氣溫和降水量、季節的變化趨勢，其線性趨勢方程如下。

式中，t為x所對應的時間，b為傾向率，b×10 為每10 年的變化率。變化趨勢的顯著性采用x與t之間的相關系數（R）即氣候趨勢系數進行檢驗。根據蒙特卡羅模擬方法［26］，通過信度α=0.10、0.05、0.01檢驗對應的相關系數臨界值依次為0.306、0.365、0.443，當氣候趨勢系數絕對值大于上述臨界值時，分別認為較顯著、顯著、很顯著。

運用累計距平和信噪比法［27］對年氣溫和降水量進行突變分析，累計距平計算式如下。

式中，c(t)為年氣溫或降水量累計距平。c(t) 絕對值達到最大時，對應t為轉折年。為檢驗轉折是否達到氣候突變的標準，計算轉折年的信噪比，計算式如下。

式中，為信噪比，、和s1、s2分別為轉折年前后氣溫或降水量的平均值和標準差。當≥1.0 時，存在氣候突變，最大對應年定義為氣候突變年。

3 結果與分析

3.1 氣溫時間變化

3.1.1 年、四季氣溫年代際變化 表1 為烏鞘嶺各年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫距平（距平的計算以1961—2020 年60 年平均值為基準）。由表1 可知，烏鞘嶺不同年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫變化差異明顯。20 世紀60—80 年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫為負距平，為相對偏冷期；20 世紀90 年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫為正距平，為相對偏暖階段；21 世紀00—10 年代年及春、夏、秋、冬四季氣溫為較大正距平，為相對偏暖期。20 世紀60 年代至21 世紀10 年代烏鞘嶺年及春、夏、秋、冬四季及全年氣溫分別升高了1.2、1.1、0.9、1.5、1.2 ℃。由此可知，20 世紀60 年代至21 世紀10 年代烏鞘嶺氣溫呈逐年代升高趨勢。

表1 烏鞘嶺年代際氣溫距平（單位：℃）

3.1.2 年、四季氣溫年際變化 由圖2 可知，烏鞘嶺年氣溫呈升高趨勢，氣候傾向率為0.287 ℃/10 年，氣候趨勢系數通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，升高趨勢顯著。升溫速率分別高于同期全球和全國平均水平0.20 ℃/10 年和0.24 ℃/10 年［1］。由此可知，烏鞘嶺是年氣溫升高較快的地區。1961—2020 年60年烏鞘嶺年氣溫僅為0.2 ℃，氣溫＜0 ℃的年份共26年，年最高氣溫為1.6 ℃（2013 年），年最低氣溫為-1.1 ℃（1967 年），相差2.7 ℃；年次高氣溫為1.5 ℃（1998 年和2016 年），年次低氣溫為-1.0 ℃（1976年），相差2.5 ℃。

圖2 烏鞘嶺年氣溫變化趨勢

5 年滑動平均溫度曲線顯示為波動性升高，整體呈“低-中-高”的1 峰1 谷型結構。1961—1985 年氣溫均值為-0.3 ℃，低于多年平均值，為氣溫偏低階段，1985 年后氣溫進入波動增長的階段，1986—1996 年氣溫均值為0.1 ℃，接近多年平均值，為氣溫持平階段，1997—2020 年氣溫均值為0.9 ℃，遠高于多年平均值，為氣溫偏高階段。

由圖3 可知，烏鞘嶺春、夏、秋、冬四季氣溫均呈升高趨勢。春、夏、秋、冬季四季氣溫的氣候傾向率分別為0.257、0.287、0.276、0.326 ℃/10 年，升溫速度為冬季＞夏季＞秋季＞春季，氣候趨勢系數均通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，即四季氣溫升高趨勢很顯著，說明冬季氣溫升高對年氣溫升高的貢獻最大。烏鞘嶺四季氣溫的均值及極值見表2，其中，夏季氣溫最高，冬季氣溫最低，春、秋兩季居中。

表2 烏鞘嶺四季氣溫的均值及極值

圖3 烏鞘嶺四季氣溫變化趨勢

5 年滑動曲線顯示，烏鞘嶺春、夏、秋、冬四季氣溫為波動性升高。其中春季氣溫呈“中-低-高”三個階段，1961—1974 年均值為0.2 ℃，等于多年均值，為持平階段；1975—1996 年均值為-0.5 ℃，低于多年均值，為偏低階段；1996 年后進入波動升高階段，1997—2020 年均值為1.0 ℃，高于多年均值，為偏高階段。夏季氣溫也呈“中-低-高”三個階段，1961—1978 年氣溫均值為10.1 ℃，接近多年均值，為氣溫持平階段，1979—1987 年均值為9.9 ℃，低于多年均值，為偏低階段；1987 年后進入波動升高階段；1988—2020 年均值為11.0 ℃，高于多年均值，為偏高階段。秋季氣溫呈“低-中-高”三個階段，1961—1981 年均值為-0.2 ℃，低于多年均值，為偏低階段；1981—1997 年均值為0.4 ℃，接近多年平均值，為持平階段；1998 年后進入波動升高的階段，1998—2020 年均值為1.2 ℃，高于多年均值，為偏高階段。冬季呈“低-高”兩個階段，1961—1984 年均值為-11.2 ℃，低于多年均值，為偏低階段；1984年后進入波動升高的階段，1985—2020 年均值為-9.6 ℃，高于多年均值，為偏高階段。

3.1.3 月氣溫變化 分析發現，烏鞘嶺月氣溫變化特征非常明顯，月氣溫變率較大，表現為1 個明顯的高峰和1 個明顯的低谷（圖4），氣溫最高月份在7月，為11.7 ℃，次高月份在8 月，為10.5 ℃，依此向兩端迅速遞減，氣溫最低月份在1 月，為-11.6 ℃，次低月份在2 月，為-10.1 ℃，最高和最低氣溫月相差23.3 ℃。

圖4 烏鞘嶺月氣溫變化趨勢

3.2 降水時間變化

3.2.1 年、四季降水年代際變化 表3 為烏鞘嶺各年代際年及春、夏、秋、冬四季年降水量距平（距平的計算以1961—2020 年60 年平均值為基準）。由表3可知，烏鞘嶺不同年代際年及春、夏、秋、冬四季降水量變化差異較大。20 世紀60 年代年及春、夏、秋、冬四季降水量為負距平，為相對偏少期；20 世紀70 年代夏、秋兩季年降水量為正距平，為相對偏多階段，年及春、冬兩季降水量為負距平，為相對偏少階段；20 世紀80 年代年及春、夏、冬三季降水量為正距平，為相對偏多階段，秋季降水量為負距平，為相對偏少階段；20 世紀90 年代春、冬兩季降水量為正距平，為相對偏多階段，年及夏、秋兩季降水量為負距平，為相對偏少階段；21 世紀00 年代春、秋、冬三季降水量為正距平，為相對偏多階段，年及夏季降水量為負距平，為相對偏少階段；21 世紀10 年代年及春、夏、秋、冬四季降水量為正距平，為相對偏多階段，夏季降水量正距平最大，表明夏季降水量增多對年降水量增多貢獻最大。20 世紀60 年代至21 世紀10 年代烏鞘嶺年及春、夏、秋、冬四季降水量分別增加了131.1、11.4、83.2、27.9、8.6 mm。由此可知，20 世紀60 年代至21 世紀10 年代烏鞘嶺降水量呈逐年代增加。

表3 烏鞘嶺年代際降水量距平（單位：mm）

3.2.2 年、四季降水年際變化 由圖5 可知，烏鞘嶺年降水量呈增多趨勢，氣候傾向率為18.690 mm/10年，氣候趨勢系數通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗，增多趨勢顯著。由此可知，烏鞘嶺是降水量增多相對較多的地區。1961—2020 年60 年烏鞘嶺平均降水量為410.8 mm，年最多降水量為592.8 mm（2012年），年最少降水量為231.3 mm（1962 年），相差361.5 mm；年次多降水量為592.2 mm（2019 年），年次少降水量為236.4 mm（1965年），相差355.8 mm。

圖5 烏鞘嶺年降水量變化趨勢

5 年滑動平均降水曲線顯示為波動性緩慢增多，整體呈“低-高-中-高”的2 峰1 谷型結構。1961—1978 年降水量均值為362.8 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段；1979—1991 年降水量均值為423.1 mm，高于多年平均值，為降水偏多階段；1992—2011 年降水量均值為407.3 mm，接近多年平均值，為降水持平階段；2011 年后降水進入波動增長階段，2012—2020 年降水量均值為465.1 mm，遠高于多年平均值，為降水顯著偏多階段［7］。

由圖6 可知，烏鞘嶺春、夏、秋、冬四季降水量均呈增多趨勢。春、夏、秋、冬四季降水量的氣候傾向率分別為2.409、9.554、4.998、1.729 mm/10 年，增多的速度為夏季＞秋季＞春季＞冬季，冬季氣候趨勢系數通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，增多趨勢很顯著，春、夏、秋三季氣候趨勢系數沒有通過顯著性水平檢驗，增多趨勢不顯著，說明冬季降水增多對年降水量的增多貢獻最大。烏鞘嶺四季降水量的均值及極值見表4，其中，夏季降水最多，冬季降水最少，春、秋兩季居中。

表4 烏鞘嶺四季年降水量的均值及極值

圖6 烏鞘嶺四季降水量變化趨勢

5 年滑動降水量曲線顯示，烏鞘嶺春、夏、秋、冬四季降水量為緩慢波動性增多。其中春季呈“低-高-中”的1 峰1 谷型結構，1961—1980 年降水量均值為60.5 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，1980 年后降水量進入波動增多的階段，1981—2004年降水量均值為75.2 mm，高于多年平均值，為降水偏多階段，2004 年后降水量進入波動降低的階段，2005—2020 年降水量均值為69.8 mm，接近多年平均值，為降水量持平階段；夏季呈“低-高-低-高”的2 峰2 谷型結構，1961—1977 年降水量均值為220.4 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，1978—1994年降水量均值為263.1 mm，多于多年平均值，為降水偏多階段，1995—2011 年降水量均值為228.0mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，2012—2020 年降水量均值為304.2 mm，高于多年平均值，為降水偏多階段；秋季呈“中-低-高”的1 谷1 峰型結構，1961—1971 年降水量均值為85.9 mm，接近多年平均值，為降水持平階段，1972—1994 年降水量均值為83.0 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，1994 年后降水進入波動增多的階段，1995—2020 年降水量均值為99.1 mm，高于多年平均值，為降水偏多階段；冬季呈“低-中-高”的1 谷1 峰型結構，1961—1987 年降水量均值為4.9 mm，低于多年平均值，為降水偏少階段，1988—2012 年降水量均值為9.4 mm，接近多年平均值，為降水持平階段，2012 年后降水進入波動增多的階段，2013—2020 年降水量均值為14.5 mm，遠高于多年平均值，為降水顯著偏多階段。

3.2.3 月降水變化 分析發現，烏鞘嶺月降水變化特征也非常明顯，月降水量變率較大，表現為1 個明顯的高峰和1 個明顯的低谷（圖7），降水量最多月份在8 月，為90.4 mm，次多月份在7 月，為89.7 mm，依此向兩端迅速遞減，降水量最少月份在12 月，為1.5 mm，次少月份在1 月，為2.3 mm，最多和最少月相差88.9 mm。降水主要集中在6—9 月，降水量為309.4 mm，占年降水量的75%。

圖7 烏鞘嶺月降水量變化趨勢

3.3 氣溫和降水氣候突變

采用累計距平方法對烏鞘嶺氣溫和降水量進行了氣候突變分析。從圖8a 可以看出，烏鞘嶺氣溫20世紀60—90 年代中期呈波動降低趨勢，1996 年后呈快速升高趨勢，1996 年信噪比為1.36，通過了信噪比檢驗。因此，可認為烏鞘嶺氣溫的氣候突變時間在1996 年。從圖8b 可以看出，烏鞘嶺降水量20 世紀60—70 年代中期均呈波動減少趨勢，1977—2002 年呈波動階段，2002 年后呈波動增多趨勢，1977 年信噪比為0.45，2002 年信噪比為0.34，均未通過信噪比檢驗。因此，可認為烏鞘嶺降水氣候轉折時間在1977 年和2002 年，沒有發生氣候突變。

圖8 烏鞘嶺年氣溫（a）和降水量（b）的累計距平

4 結論

利用甘肅省武威市天祝藏族自治縣烏鞘嶺氣象站的氣溫和降水資料，分析了烏鞘嶺的氣候變化特征，得到以下結論。

1）烏鞘嶺年代、年及四季氣溫呈升高趨勢，升溫的速度為冬季＞夏季=年＞秋季＞春季，氣候趨勢系數均通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，升高趨勢很顯著，冬季氣溫升高對年氣溫升高的貢獻最大。烏鞘嶺月氣溫變化特征明顯，月氣溫變率較大，最高月份在7 月，依此向兩端迅速遞減，最低月份在1 月，最高和最低氣溫月相差23.3 ℃，烏鞘嶺氣溫在1996 年發生氣候突變。

2）烏鞘嶺年代、年及四季降水量呈增多趨勢，增多的速度為年＞夏季＞秋季＞春季＞冬季，年降水量的氣候趨勢系數通過了α=0.05 的顯著性水平檢驗，增多趨勢顯著，冬季降水量的氣候趨勢系數通過了α=0.01 的顯著性水平檢驗，增多趨勢很顯著，冬季降水量增多對年降水量的增多貢獻最大。烏鞘嶺月降水變化特征也非常明顯，月降水量變率較大，降水量最多月份在8 月，依此向兩端迅速遞減，降水最少月份在12 月，降水量最多和最少月相差88.9 mm。降水量主要集中在6—9 月，為309.4 mm，占年降水量的75%。烏鞘嶺降水在1977 年和2002 年出現了氣候轉折，沒有發生氣候突變。

3）由于烏鞘嶺地處高寒山區，植被稀少，周圍觀測環境變化很小，且遠離城市，人煙稀少，建筑物和交通工具少，空氣污染輕，其氣候變化受人類活動和城市熱島效應的影響很小，與武威市其他縣區相比［28］，氣溫的上升率明顯偏低，降水量的增多率明顯偏高；與西寧［4］、新疆［6］、黃河流域［23］等地區相比，也得到了基本相同的結論。因此，烏鞘嶺氣候變化是一種普遍現象，可能是對全球氣候變化的具體響應，與人類活動和城市熱島效應的關系并不大，這一點還有待于在未來的研究中進一步討論。