1980—2022年白龍江流域氣候變化特征研究

任驪安，馮瑞娟，靳立亞

（1.成都信息工程大學，四川 成都 610225；2.甘肅省隴南氣象局，甘肅 隴南 746000；3.蘭州大學，甘肅 蘭州 730000）

根據(jù)IPCC（聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會）第6次評估報告，2011—2020年平均溫升比工業(yè)化前增加了1.09 ℃，其中1.07 ℃的增溫是人類活動造成的，2001—2020年平均溫升比工業(yè)化前增加了0.99 ℃，氣溫正在迅速變暖，且這種現(xiàn)象是全球性的[1]，這讓與人類息息相關(guān)的氣候系統(tǒng)正在發(fā)生巨變。《第三次氣候變化國家評估報告》[2]中表明：1909—2011 年全球平均增溫速率低于中國平均增溫速率。中國乃至全球受氣候變化的影響，各類極端氣候事件頻發(fā)[3-11]，IPCC 也指出強降水、臺風、干旱等極端氣候事件將繼續(xù)出現(xiàn)，而極端氣候事件的出現(xiàn)也勢必對生態(tài)環(huán)境帶來巨大的負面影響。中國的水資源、森林、農(nóng)業(yè)極易受全球氣候變化的不利影響，所以研究氣候變化特征，制定應對措施對于中國乃至全球的可持續(xù)發(fā)展都具有重要的意義[12]。

白龍江發(fā)源于甘肅省碌曲縣與四川省若爾蓋縣交界的郎木寺，流經(jīng)碌曲、若爾蓋、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣，并于廣元匯入嘉陵江，近年來該流域常出現(xiàn)短時強降水、冰雹，每年汛期的強降雨天氣常造成不同程度的滑坡、泥石流、洪澇等災害。因此研究白龍江流域的氣候變化特征對于該流域的水資源可持續(xù)開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境的保護與發(fā)展以及國家的糧食安全都具有十分重要的意義。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

白龍江處于中國秦巴山區(qū)、青藏高原、黃土高原的交界處[13]，流域內(nèi)地形高低起伏大，氣候類型復雜多樣[14]，自上游至下游依次為高寒陰濕氣候區(qū)、溫帶半濕潤區(qū)、亞熱帶濕潤區(qū)。該流域常出現(xiàn)暴雨、冰雹，每年汛期的強降雨天氣常對流域內(nèi)各區(qū)域造成不同程度的滑坡、泥石流等災害，其中2020 年8月12日該流域多地出現(xiàn)暴雨天氣，造成了不同程度的洪澇災害。為此，數(shù)據(jù)選取1980—2022 年的碌曲、迭部、舟曲、宕昌、武都、文縣6 個白龍江流經(jīng)之地且具有代表性臺站的月降水量、月平均氣溫，以研究該流域氣候變化特征。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

1.2.1 線性分析

運用線性趨勢的方法研究白龍江流域氣候變化的季節(jié)、年際變化特征，即利用傾向率來表示研究要素y的變化趨勢，利用一元線性回歸法：

式中：t為時間，將a1×10 稱為傾向率，當a1 為正時研究要素線性增加，反之線性減小。

1.2.2 小波分析

對白龍江流域的氣溫、降水進行小波分析，由小波系數(shù)來分析氣溫、降水的時頻變化特征，研究該流域氣溫、降水的周期變化。使用小波方差，研究氣溫、降水隨著時間尺度的變化。

1.2.3 M-K突變檢驗分析

對白龍江流域的氣溫、降水進行M-K突變檢驗分析。使用M-K 突變檢驗法研究時間序列的變化趨勢，不受個別異常值的干擾，已運用于眾多氣象、水文的研究中。當UF＞0 時，研究要素呈上升趨勢，UF＜0 時，研究要素呈下降趨勢，當UF 超過臨界置信水平直線時（置信水平α=0.05,置信水平線為±1.96），研究要素呈顯著上升或者下降趨勢。若UF 和UB 在兩條置信水平線之間出現(xiàn)交點，該交點是研究要素發(fā)生突變的起始時間[15]。

2 氣溫、降水的季節(jié)、年際變化特征

白龍江流域各季節(jié)氣溫在夏季達到最高，冬季最低，其中夏季平均氣溫于2022 年達到21.8 ℃，為近40年研究區(qū)各季節(jié)最高平均氣溫，冬季平均氣溫在1984年達到-1.26 ℃，為近40年研究區(qū)各季節(jié)最低平均氣溫。春季、夏季、秋季以及冬季氣溫均呈波動上升趨勢，氣溫增加率分別為0.481 ℃∕10 a、0.476 ℃∕10 a、0.316 ℃∕10 a、0.332 ℃∕10 a，且上升趨勢均通過0.01 顯著性檢驗。1980—2022 年白龍江流域年平均氣溫呈波動上升趨勢（圖1a），氣溫增加率為0.392 ℃∕10 a，上升趨勢均通過0.01 顯著性檢驗，并于2016 年達到最大值為11.79 ℃，1984 年達到最低值為9.84 ℃。

圖1 1980—2022年白龍江流域年平均氣溫（a）、降水（b）年際、線性趨勢變化特征

近幾十年研究區(qū)夏季降水波動最明顯且最為充沛，冬季降水最少且變化趨勢較為平穩(wěn)。2020年夏季降水達到各季節(jié)最高為452.7 mm，2010年冬季降水達到各季節(jié)最低為2.5 mm，其中夏季降水以3.969 mm∕10 a的速率減少，春季、秋季、冬季降水增加率分別為3.663 mm∕10 a、6.126 mm∕10 a、0.586 mm∕10 a，上升趨勢不明顯。1980—2022 年白龍江流域年降水呈波動上升趨勢（圖1b），降水增加率為6.96 mm∕10 a，上升趨勢不明顯，2020年降水達到最高值為760.8 mm，1997 年降水達到最低值為401.3 mm。從近幾十年氣溫和降水的變化趨勢來看，白龍江流域氣候整體而言呈暖濕化。

3 白龍江流域氣候周期變化特征

白龍江流域氣溫變化主要有4～6 a、10～15 a和18～32 a共3類尺度的周期變化規(guī)律（圖2a），并存在23 a、27 a2 個明顯的峰值（圖2b），其中27 a 周期振蕩最強，為氣溫變化的第一主周期，23 a為第二主周期。而5 a、13 a周期較弱，振蕩不明顯，18-32 a分布在1980—2022年，振蕩明顯，能量較高，增溫明顯。

圖2 白龍江流域1980—2022年氣溫的小波系數(shù)實部等值線圖（a）與小波方差圖（b）

研究區(qū)降水變化存在3～8 a、10～18 a、21～30 a 共3 類尺度的周期變化規(guī)律（圖3a），其中10-18 a上降水存在準4 次振蕩，21～30 a 上降水出現(xiàn)了偏少-偏多交替的準兩次振蕩。該流域降水存在4 個較為明顯的峰值（圖3b），依次為4 a、10 a、15 a、26 a，其中26 a周期振蕩最強，為研究區(qū)降水變化的第一主周期，能量明顯，其次為15 a，為白龍江流域降水變化的第二主周期，貫穿整個時段。

圖3 白龍江流域1980—2022年降水的小波系數(shù)實部等值線圖（a）與小波方差圖（b）

4 M-K突變性分析

對白龍江流域1980—2022年間的氣溫、降水進行M-K突變檢驗分析，研究表明1981—1986年UF＜0，氣溫呈下降趨勢，1980 年、1987—2022 年UF＞0，氣溫呈上升趨勢，1996年UF與UB在置信直線之間出現(xiàn)交點，發(fā)生突變，在1997 年研究區(qū)氣溫的上升趨勢超過了1.96的置信度，1997—2022年氣溫顯著上升（圖4a）；1981 年、1983—1985 年、1990 年、1993年以及2018—2022 年UF＞0，研究區(qū)降水呈上升趨勢，其余年份UF＜0，研究區(qū)降水呈下降趨勢，UF與UB 分別于1981 年、2017 年左右在置信直線之間出現(xiàn)2次交點，發(fā)生2次突變（圖4b）。

圖4 白龍江流域1980—2022年氣溫、降水M -K 突變分析（a）氣溫（b）降水

5 空間變化特征

1980—2022 年白龍江流域的氣溫傾向率均為正值（圖5a），而上游的迭部其年均溫的增加趨勢最為顯著，氣溫的增加率為0.523 ℃∕10a，碌曲與舟曲為增溫的低值區(qū)，氣溫的增加率分別為0.357 ℃∕10a、0.337 ℃∕10a。研究區(qū)年均氣溫在1983 年的上游碌曲出現(xiàn)最小值為1.6 ℃，在2006 年的下游文縣出現(xiàn)最高值為16.5 ℃，碌曲、迭部、舟曲、宕昌、武都的氣溫均在2006 年出現(xiàn)峰值，6 個臺站的氣溫上升趨勢均通過0.01 顯著性檢驗。白龍江流域的年降水總體來說變化趨勢較為平穩(wěn)（圖5b），上游碌曲在1980—2022年間降水增加率為26.336 mm∕10a，且上升趨勢通過0.05顯著性檢驗，其余各臺站均呈略微增加的趨勢，2020年除碌曲外各站降水均達到極大值，其中迭部2020 年降水達879.7 mm，為近幾十年以來白龍江流域最大年降水。從近幾十年氣溫和降水的空間變化特征來看，白龍江流域上游氣候呈暖濕化比中下游明顯。

圖5 白龍江流域1980—2022年氣溫、降水空間變化特征（a）氣溫（b）降水

6 結(jié)論

（1）1980—2022年白龍江流域的氣溫呈顯著上升趨勢，這與全球氣溫變暖趨勢一致，降水增加的趨勢不明顯，總體來說白龍江流域近1980—2022年氣候呈暖濕化，且上游氣候呈暖濕化比中下游明顯，這與西北地區(qū)氣候呈暖濕化趨勢一致[16]，而趙艷萍等[17]對研究區(qū)2005 年之前的研究表明該流域氣候呈暖干化，這說明白龍江流域氣候正由暖干化轉(zhuǎn)變?yōu)榕瘽窕?/p>

（2）白龍江流域夏季氣溫達到最高，降水最充沛，冬季氣溫最低，降水最少，各季節(jié)氣溫均呈顯著上升趨勢，夏季降水呈減少趨勢，春季、秋季、冬季降水增加趨勢不明顯。

（3）1980—2022 年研究區(qū)氣溫變化有4～6 a、10～15 a、18～32 a 共3 類尺度的周期性變化，并存在2個較為明顯的峰值，分別為23 a、27 a，27 a為第一主周期；降水變化存在3～8 a、10～18 a、21～30 a共3 類尺度的周期性變化，其中10～18 a 上降水存在準4次振蕩，21～30 a上降水出現(xiàn)了偏少-偏多交替的準兩次振蕩，并存在4個較為明顯的峰值，分別為4 a、10 a、15 a、26 a，26 a為第一主周期。