1969-2017年渭河上游氣溫和降水時空變化特征分析*

田思婷,王毅勇,周超凡

(寶雞文理學院 地理與環境學院,陜西 寶雞 721013)

氣候變化已成為人類十分關注的問題,對生態系統[1]和社會經濟[2]發展造成了嚴重的威脅。氣候變化引發的極端降水造成了洪澇災害和干旱事件的頻發,危害人類的生命健康[3]和財產安全。研究表明,未來中國區域之間的脆弱性差別很大,并且存在幾個明顯的高脆弱區,主要分布在東北和西北地區(甘肅和寧夏)[4]。在我國西北干旱區,極端高溫事件明顯增多,氣溫變化也存在季節和區域差異[5-7]。早期已經有不少國外的學者開始研究氣候變化[8-9]。在極端氣溫研究方面,區域性變化是極端高溫變化的一個特征[10]。在全球陸地降水的研究中,不同尺度的降水空間變化所對應的時間序列有很大的差別,并且具有顯著的年際特征[11]。目前,眾多學者采用不同分析方法對不同地區的降水和溫度時空變化趨勢進行了研究[12-14]。無可置疑,水資源與氣溫已經成為衡量全球氣候變化十分重要的因素。

渭河是黃河的最大支流,位于我國西北地區東部生態脆弱帶,自然災害多發,這也是限制這一區域的國民經濟尤其是農業經濟以及農業可持續發展的一個重要原因[15]。在氣候變暖的背景下,渭河流域降水和熱量的時空分布發生了相應的變化,這對渭河流域生態系統的穩定、人類的生活以及農業的發展等都帶來了十分嚴重的影響。近年來,許多學者分別從氣溫及降水等角度分析了渭河流域極端氣候情況[16-18],但上述研究均是針對渭河流域整體在宏觀尺度上開展的,對渭河上游地區的研究較少。渭河上游地區大部分處于甘肅省,主要以丘陵山地為主,地貌和氣候類型復雜多樣[19];夏秋季受太平洋副熱帶高壓影響,高溫降水集中且多暴雨。有必要對渭河上游地區的氣候變化進行較為精細化的研究,為渭河源區的生態保育與環境治理提供科學依據。

1 研究區概況

渭河全長818 km,控制流域面積約13.48×104km2。自陜西省寶雞峽以上河段為其上游河段,主要流經甘肅省天水市、寧夏回族自治區固原市和陜西省寶雞市。渭河流域上游的地形主要以山地丘陵為主,處于我國半濕潤半干旱氣候過渡區,降水集中在夏天,年平均降水量在500～800 mm之間,時間分配上極不均勻[16]。圖1為渭河上游地形圖和氣象站點分布圖。

圖1 渭河上游地形圖和氣象站點分布圖Fig. 1 Topographic map and distribution map of meteorological stations in the upper reaches of Weihe River

2 數據來源及方法

2.1 數據來源

本文數據來自中國氣象科學數據共享服務網(http://data.cma.cn/)。選取渭河上游段較完整的22個氣象站點降水、氣溫數據,且訂正了不同原因造成的錯誤。數據系列包括1969-2017年期間的日降水量和日平均氣溫數據。

2.2 研究方法

本文采用五年滑動平均法和線性回歸分析法分析降水和氣溫的年際變化特征;通過M-K(Mann-Kendall)突變檢驗[20]對降水和氣溫進行突變分析;通過小波分析法[21]對降水和氣溫進行周期分析,通過經驗正交分解[22-24]和克里金插值法進行空間分析,并繪制了渭河上游降水和氣溫變化的空間分布圖。

3 結果與分析

3.1 渭河上游降水量時空變化特征

3.1.1 渭河上游降水量時間變化特征

(1)年平均降水量的時間變化特征

運用五年滑動平均和線性回歸方法分析渭河上游1969-2017年年均降水量的時間變化趨勢。如圖2所示,1969-2017年渭河上游年平均降水量為510.60 mm,2003年最大(686.71 mm),1997年最少(326.86 mm),二者相差359.85 mm。近49 a渭河上游地區的年均降水量呈微降趨勢,其氣候傾向率為-7.07 mm/10 a;從五年滑動平均來看,20世紀90年代存在相對較大下降-上升態勢,其他時間段降水量變化不明顯,年均降水量在1969-1994年期間呈上升趨勢,1995-2012年呈下降趨勢,UF和UB出現多個交點,UF值均未超過信度值,表明全年降水變化不顯著,由Pettitt檢驗可知年均降水量在1991年經歷了由多變少的不顯著突變(p>0.05)。

圖2 1969-2017年渭河上游年均降水量變化及M-K檢驗Fig. 2 Annual average precipitation change and M-K test in the upper Weihe River from 1969 to 2017

(2)四季降水量突變分析

對渭河上游地區近49 a四季降水量的時間序列進行M-K突變檢驗。如圖3所示,春季降水量整體呈下降趨勢(UF<0),UF值在1982年超出信度的下限,表明降水量顯著下降,由Pettitt檢驗可知春季降水量在1992年經歷了由多變少的不顯著突變(p>0.05);夏季降水量整體呈上升趨勢(UF>0),UF值在1980-1981年期間超出信度上限,表明該時段降水量顯著上升,由Pettitt檢驗可知夏季降水量在1976年經歷了由少變多的不顯著突變(p>0.05);秋季降水量整體呈現下降趨勢(UF<0),UF和UB出現多個交點,存在多個突變點,表明此期間震蕩劇烈,UF值在1999年超出信度的下限,表明降水量顯著下降,由Pettitt檢驗可知秋季降水量在1986年經歷了由多變少的不顯著突變(p>0.05);冬季降水量在1969-1990年總體呈現下降趨勢(UF<0),但是1991-2017年總體呈上升趨勢(UF>0),UF和UB出現多個交點,存在多個突變值,UF值未超出信度值,表明此階段降水量變化不顯著,由Pettitt檢驗可知冬季降水量在1988年經歷了由少變多的不顯著突變(p>0.05)。

圖3 1969-2017年渭河上游四季降水量的M-K檢驗Fig. 3 M-K test of seasonal precipitation in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

通過MATLAB R2018b小波周期分析方法得到渭河上游年際降水量小波方差及小波實部數據,再利用Origin 2019b繪制小波實部圖。小波方差的峰值越大,則代表該尺度的周期性越明顯。由圖4可知,降水小波方差圖中有3個顯著峰值,以峰值的高低可以看出,第一、二、三主周期分別為55 a,35 a和15 a。55 a尺度對應小波方差最大峰值,說明55 a尺度左右的周期性更強,主要控制渭河上游地區降水的變化特征。對應降水的小波實部圖可以看出,在55 a年時間尺度條件下它的周期是31 a;在35 a時間尺度條件下它的周期是23 a;在15 a時間尺度條件下它的周期是9～11 a。

圖4 降水小波方差及小波實部Fig. 4 Precipitation wavelet variance and wavelet real part

3.1.2 渭河上游降水量空間變化特征

利用ARCGIS軟件,采用普通克里金(Kriging)插值法進行空間差值分析,生成年均和四季降水量的空間分布圖(圖5)。可以看出,多年降水量整體呈現從東南到西北遞減的變化趨勢,太白站降雨最多,年均降水量為709.2 mm,降水最少的為通渭站,年均降水量只有385.7 mm,兩者相差323.5 mm,空間差異明顯;四季降水量的空間分布與年均降水相似,均呈現從東南到西北減少的趨勢。

圖5 1969-2017年年均和四季降水空間分布圖Fig. 5 Spatial distribution of annual and seasonal precipitation from 1969 to 2017

為了進一步研究渭河上游降水量的空間分布特征,對渭河上游22個氣象站點1969-2017年的降水數據進行經驗正交函數(Empirical Orthogonal Function, EOF)分析,并進行North檢測,得出主要空間分布型。

1969-2017年渭河上游地區年均降水量前3個特征向量的特征值和貢獻率如表1所示,其前2個特征向量的累積貢獻率接近80%,說明這2個特征值可以很好地反映渭河上游地區49 a年均降水量的2種分布類型,如圖6所示。

表1 年降水前3個特征向量特征值及其方差貢獻率Tab. 1 The first three eigenvector eigenvalues and their variance contribution rates of annual precipitation

圖6 1969-2017年渭河上游年降水前2個特征向量Fig. 6 The first two eigenvectors of annual precipitation in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

第一特征向量的方差貢獻率為60.92%,是渭河上游的主要空間分布型。該模態特征向量的高值區出現在張家川站,低值出現在千陽站,且其高值中心在最西端,反映出該區域降水變化量大,特征向量值從東南向西北遞增,以東南為負值區,以西北為正值區。該降水型存在明顯的東南或西北部的差異;第二特征向量的累積方差貢獻率為77.32%,該模態特征向量的高值區出現在天水站,低值出現在清水站,該降水型存在明顯的東西或南北差異。綜上可知,降水存在空間差異性。

3.2 渭河上游氣溫時空變化特征

3.2.1 渭河上游氣溫時間變化特征

(1)年平均氣溫的時間變化特征

運用五年滑動平均和線性回歸方法分析渭河上游1969-2017年年均溫度的時間變化趨勢,如圖7所示,年均溫度整體呈上升趨勢,其氣候傾向率為0.344 ℃/10 a,年均溫度最高達9.9 ℃,最低為7.3 ℃,兩者相差2.6 ℃。UF和UB相交于1997年,存在1個突變點,UF值在1999-2017年期間超出信度上限,表明該時間段溫度顯著上升,由Pettitt檢驗可知在1997年發生顯著突變增溫(p<0.05)。

圖7 1969-2017年渭河上游年均溫度變化及M-K檢驗Fig. 7 Annual average temperature changes and M-K test in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

(2)四季氣溫突變分析

對1969-2017年渭河上游地區四季氣溫的時間序列進行M-K趨勢突變檢驗,結果如圖8所示。春季氣溫總體呈現先下降再上升趨勢,UF和UB相交于1999年,存在1個突變點,UF值在2004-2017年期間超出信度的上限,表明該時段溫度顯著上升,由Pettitt檢驗可知春季溫度在1997年發生顯著突變(p<0.05);夏季氣溫總體呈現先下降再上升趨勢,UF和UB分別相交于2005年、2007年和2008年,存在3個突變點,UF值在1976-1994年期間超過信度的下限,表明該時間段溫度顯著下降,在2009-2017年期間超過信度的上限,表明該時間段溫度顯著上升,由Pettitt檢驗可知夏季溫度在1994年發生顯著突變(p<0.05);秋季總體呈上升趨勢,UF和UB相交于1995年和2000年,存在2個突變點,UF值在1996年和1998-2017年期間超過信度的上限,表明該時間段溫度顯著上升,由Pettitt檢驗可知秋季溫度在1994年發生顯著突變(p<0.05);冬季UF和UB相交于1994年,存在1個突變點,UF值在1998-2017年期間超出信度的上限,表明該時間段溫度顯著上升,由Pettitt檢驗可知秋季溫度在1997年發生顯著突變(p<0.05)。

圖8 1969-2017年渭河上游四季溫度的M-K檢驗Fig. 8 M-K test of seasonal temperature in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

從圖9可知,溫度小波方差圖中有1個顯著峰值,以峰值的高低可以看出,第一、二、三主周期分別為56 a,44 a和31 a。56 a尺度對應小波方差最大峰值,說明56 a尺度左右的周期性更強,主要控制渭河上游地區氣溫的變化特征。對應溫度的小波實部圖可以看出,在56 a年時間尺度條件下它的周期是35 a,在44 a時間尺度條件下它的周期是27 a,在31 a時間尺度條件下它的周期是17～21 a。

圖9 溫度小波方差及小波實部Fig. 9 Temperature wavelet variance and wavelet real part

3.2.2 渭河上游氣溫空間變化特征

利用ArcMap10.5中的克里金插值得到渭河上游年際和四季氣溫的空間變化,如圖10所示。可以看出,多年溫度整體呈現從西北到東南遞增的變化趨勢,眉縣站的年均溫度最高(13 ℃),華家嶺站最低(4 ℃),兩者相差9 ℃,空間存在差異性。四季的溫度空間分布與年溫度變化相似,均呈現從西北到東南遞增的趨勢。

為了進一步研究渭河上游溫度的空間分布特征,對渭河上游22個氣象站點1969-2017年的溫度數據進行經驗正交函數(EOF)分析,得出主要空間分布型。

1969-2017年渭河上游地區年均氣溫前3個特征向量的特征值和貢獻率如表2所示,其前2個特征向量的累積貢獻率達到91.91%,說明這2個特征值能夠很好地反映渭河上游地區近49 a氣溫的2種分布類型,如圖11所示。第一特征向量的方差貢獻率為87.09%,是渭河上游的主要空間分布型。該模態特征向量的高值區出現在甘谷站,低值出現在隆德站,以寶雞、天水、甘谷、通渭為界,東北部為負值,存在東北和西南部的差異。第二特征向量的累積方差貢獻率為91.91%,該模態特征向量的高值區出現在通渭站,低值出現在麟游站,以渭源、通渭、靜寧、西吉為界的西北部區域為正值,大部分區域為負值,存在東西和南北差異性。綜上可知,溫度存在區域差異性。

表2 年均溫度前3個特征向量特征值及其方差貢獻率Tab. 2 The first three eigenvector eigenvalues and their variance contribution rates of annual average temperature

圖11 1969-2017年渭河上游年均溫度前2個特征向量Fig. 11 The first two eigenvectors of annual average temperature in the upper reaches of Weihe River from 1969 to 2017

4 結論

(1)從時間上看,1969-2017年渭河上游區域年均降水量無明顯變化趨勢,M-K突變分析表明,年均、春季和秋季降水量分別在1991年,1992年和1986年經歷了由多變少的突變;夏季和冬季降水量分別在1976年和1988年經歷了由少變多的突變。年均降水量存在55 a,35 a和15 a左右尺度的周期變化。

1969-2017年渭河上游區域年均氣溫整體呈現上升趨勢,M-K突變分析表明,夏季和秋季氣溫在1994年發生顯著突變,年均、春季和冬季氣溫在1997年發生顯著突變,均表現出增溫現象。年際氣溫存在56 a,44 a和31 a左右尺度的周期變化。

(2)從空間上看,年均降水量和年均氣溫在空間尺度上整體的變化均呈現從西北到東南遞增的規律。EOF分析表明,渭河上游年降水量和氣溫均存在明顯的空間差異性,第一特征向量降水型存在明顯的東南或西北部的差異,第二特征向量降水型存在明顯的東西或南北差異。第一特征向量氣溫型存在東北或西南部的差異;第二特征向量氣溫型存在東西或南北差異性。