近46 a來河西走廊綠洲最高、最低氣溫變化的區(qū)域特征及突變分析

馬亞蘭,劉普幸,霍華麗

(西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,甘肅蘭州730070)

IPCC第4次評估報(bào)告指出,過去100 a來全球地表溫度升高0.74℃,變暖幅度自20世紀(jì)90年代以來明顯加速,未來100 a全球氣溫將升高1.1℃～6.4℃[1]。而極端氣溫是反映氣候冷暖變化程度的重要標(biāo)志[2],對陸地生態(tài)來說,最高、最低氣溫的變化對環(huán)境和植物生理活動有著重要作用。日間最高氣溫變化影響到植物光合作用、果品品質(zhì)、冰川積雪融化等;夜間最低氣溫則影響作物呼吸、干物質(zhì)積累等。因此,對最高、最低氣溫變化的研究具有重要的生態(tài)與環(huán)境指示意義[3]。

國內(nèi)外學(xué)者對全球變暖背景下最高、最低氣溫的變化已經(jīng)進(jìn)行了一系列的研究。國外Karl等人[4]的研究揭示了美國和前蘇聯(lián)極端最低溫度在過去幾十年有明顯上升趨勢,而極端最高溫度的變化則表現(xiàn)出較強(qiáng)的區(qū)域性,從大范圍看無顯著的變化趨勢。Frich等[5]發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)后半葉逐年極端最高溫度與極端最低溫度的差異在顯著減小。Mantou等[6]發(fā)現(xiàn)在東南亞和南太平洋地區(qū),1961年以來,熱日和暖夜顯著增多,而冷日和冷夜卻減少了,這些主要是極端低溫和極端高溫升溫的不對稱性引起的。Cao等[7]通過全球氣候模式和對流輻射模式的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),最高、最低氣溫的這種非對稱變化可能源自CO2濃度的增加。國內(nèi)江志紅等[8]的研究表明,我國夏季平均最高氣溫、最低氣溫的空間形態(tài)基本都在20世紀(jì)70年代末到 80年代初發(fā)生顯著的變化。丁裕國等[9]利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)對我國冬季平均最低氣溫和夏季平均最高氣溫進(jìn)行客觀區(qū)劃,揭示了我國近半個世紀(jì)冷夏、嚴(yán)冬氣候異常的變化規(guī)律。唐紅玉等[10]分析認(rèn)為,無論是年還是季,平均最低氣溫的增暖幅度明顯大于平均最高氣溫的增暖幅度。并且,目前已經(jīng)開展了對我國西北地區(qū)的烏魯木齊河源[11]、三江源地區(qū)[12]、寧夏自治區(qū)[13]最高、最低氣溫變化趨勢的分析,但對河西走廊的最高、最低氣溫變化研究尚未見報(bào)道。本研究主要探討全球變暖背景下河西走廊綠洲最高、最低氣溫的變化趨勢、區(qū)域差異和突變特征,旨在分析氣候變化的區(qū)域特征,以期為河西走廊綠洲的可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的氣候變化背景。

河西走廊東起烏鞘嶺,西至甘新省界,南北介于南山(祁連山、阿爾金山)和北山(馬鬃山、合黎山和龍首山)之間,長約900 km,為西北東南走向的狹長地。河西走廊綠洲東西跨越近10個經(jīng)度,東部受東南季風(fēng)和西南季風(fēng)的影響,西部受中緯度西風(fēng)的控制,中部處于兩大環(huán)流系統(tǒng)的交匯區(qū),不同環(huán)流系統(tǒng)造成氣候的區(qū)域差異[14]。其氣候變化不僅直接影響該區(qū)本身水土保持、生態(tài)建設(shè)、資源開發(fā)利用和經(jīng)濟(jì)建設(shè),而且對全國乃至全球氣候變化及生態(tài)建設(shè)起著極其重要的作用,具有代表性。

1 資料與方法

數(shù)據(jù)來源于河西走廊綠洲區(qū)12個氣象站1960—2005年歷年月平均最高、最低氣溫觀測資料,在數(shù)據(jù)處理前,根據(jù)石羊河、黑河、疏勒河流域的自然地理分界對河西走廊綠洲的氣象站進(jìn)行了區(qū)域劃分,古浪、武威、永昌和民勤站代表河西走廊東部,山丹、張掖、高臺、酒泉和鼎新站代表河西走廊的中部,玉門、安西和敦煌站代表河西走廊西部[14],將各區(qū)域內(nèi)氣象站最高、最低氣溫的平均值作為該區(qū)域氣候變化的分析數(shù)據(jù);季節(jié)劃分上,以3—5月為春季,6—8月為夏季,9—11月為秋季,12月及次年1—2月為冬季。先分別計(jì)算東、中、西部逐月最高、最低氣溫值,再計(jì)算其平均值和距平值,然后利用氣候傾向率和5 a趨勢滑動分析其年際變化趨勢,在此基礎(chǔ)上,采用Mann—Kendall法對其最高、最低氣溫進(jìn)行突變分析。

2 結(jié)果分析

2.1 最高、最低氣溫年際變化特征

河西走廊綠洲最高氣溫總體呈上升趨勢(圖1),進(jìn)入1990s以后,增溫趨勢尤其顯著,整個河西走廊綠洲最高氣溫變化趨勢基本一致,都在1960s呈現(xiàn)降溫趨勢,此后基本表現(xiàn)為持續(xù)快速增溫過程,1990s中期以后增溫明顯。最高氣溫的增溫幅度呈現(xiàn)空間差異:中部＞西部＞東部,氣候變化傾向率分別為0.268℃/10 a(通過0.001的置信度檢驗(yàn)),0.249℃/10 a(通過0.001的置信度檢驗(yàn))和0.212℃/10 a(通過0.01的置信度檢驗(yàn)),依次相差0.019和0.037℃/10 a。中、西部升溫幅度大于東部的結(jié)論與孔蘭東等[15]研究的甘肅省氣溫變化結(jié)果一致。由于走廊中、西部大部分地區(qū)為戈壁和荒漠,高溫干旱,受太陽輻射后升溫迅速。

圖1 河西走廊綠洲1960—2005年最高氣溫距平年際變化

河西走廊綠洲最低氣溫呈顯著增溫趨勢(圖2),特別是1990s以來升溫最為明顯,西部和中部最低氣溫變化趨勢相似,在1960s有一降溫過程,此后開始持續(xù)增溫,與中部和西部相比,東部1960s并沒有明顯的降溫,從1960s到1970s末表現(xiàn)為在波動中有微弱的增溫,1980s以后迅速增溫,近年來增溫尤其顯著。最低氣溫增溫幅度呈現(xiàn)出區(qū)域差異,尤其東部顯著大于西部,增溫幅度東部＞中部＞西部,氣候變化傾向率分別為0.375(通過0.001的置信度檢驗(yàn))、0.361(通過0.001的置信度檢驗(yàn))和0.311℃/10 a(通過0.001的置信度檢驗(yàn)),依次相差0.014和0.050℃/10 a。

從最高、最低氣溫變化傾向率來看,最低氣溫增溫幅度大于最高氣溫增溫幅度,表現(xiàn)出不對稱的增溫趨勢,這也意味著夜間氣溫有較強(qiáng)的增溫,白天氣溫有較弱的增溫,說明氣溫日較差在逐漸減小,表明全天氣溫逐漸升高,這與全球變暖的趨勢一致。分析各區(qū)域最高、最低氣溫變化傾向率的差值,得出氣溫日較差變化幅度的空間差異:東部＞中部＞西部。

圖2 河西走廊綠洲1960—2005年最低氣溫距平年際變化

2.2 最高、最低氣溫年代際差異

河西走廊綠洲最高氣溫總體呈上升趨勢(表1),21世紀(jì)以來是整個走廊綠洲近46 a來的最暖時期,東、西部最冷時期為1970s,而中部則在1960s最冷,表現(xiàn)出區(qū)域差異,總體而言,整個走廊綠洲最高氣溫從1990s起開始迅速升溫,為正距平。最高氣溫的季節(jié)年代際變化與其年年代際變化趨勢大體一致,但也表現(xiàn)出差異:在1960s,整個走廊綠洲最高氣溫春、夏季為正距平,處于一段高溫時期,尤其中、西部春季最高氣溫甚至高于1990s,1960s到1970s春、夏季最高氣溫呈下降趨勢;而秋、冬季最高氣溫在1960s為負(fù)距平,是46 a來最低時期,46 a來一直表現(xiàn)出增高趨勢,這也意味著秋、冬季最高氣溫增溫幅度大于春、夏季,反映出秋、冬季對全球變暖響應(yīng)的敏感性。1970s至1980s整個河西走廊綠洲四季均為負(fù)距平,最高氣溫低于其多年平均值,從1990s起,整個走廊綠洲四季最高氣溫開始增高,最高氣溫均為正距平。

表1 河西走廊綠洲年、季最高氣溫距平的年代際變化 ℃

河西走廊綠洲最低氣溫年代際變化規(guī)律(表2)與其最高氣溫變化基本一致,總體呈現(xiàn)增溫趨勢,1990s以前最低氣溫為負(fù)距平,之后為正距平,21世紀(jì)以來是整個河西走廊綠洲近46 a來的最暖時期。就季節(jié)變化而言,1960s除西部在春季為正距平(0.04)外,整個河西走廊綠洲四季均為負(fù)距平;1970s整個河西走廊綠洲四季最低氣溫均為負(fù)距平;1980s整個河西走廊綠洲春、夏季最低氣溫均為負(fù)距平,而秋季則是正距平,冬季中部為正距平,而東、西部是負(fù)距平,進(jìn)一步反映出秋、冬季對全球變暖響應(yīng)的敏感性;從1990s起,最低氣溫開始增高,除東部秋季在1990s為負(fù)距平(-0.02)外,整個河西走廊綠洲四季均為正距平。

2.3 最高、最低氣溫季節(jié)變化

從河西走廊綠洲1960—2005年最高氣溫四季變化(圖3)可以看出,最高氣溫四季變化與全年變化趨勢一致,都表現(xiàn)為增溫趨勢,但變化過程和增溫幅度卻表現(xiàn)出一定的區(qū)域和季節(jié)差異:春季變化穩(wěn)定,增溫幅度較小,1960s到1970s中期偏暖,此后有微小降低,東部在1980末開始上升,增溫幅度顯著(通過0.02置信度檢驗(yàn));夏季變化較為穩(wěn)定,1960年左右為一高溫期,此后開始降溫,西部在1970s末降至最低點(diǎn),此后開始上升,中部在1970s初轉(zhuǎn)為平穩(wěn)波動,直到1990s中期為一低溫期,此后開始迅速增溫。增溫幅度的空間差異:西部(通過0.02置信度檢驗(yàn))＞中部(通過0.01置信度檢驗(yàn));秋季變化較為劇烈,增溫幅度較大,整個河西走廊綠洲變化過程曲線相似,1960s到1970s初期有一降溫過程,此后為穩(wěn)定的增溫階段。增溫幅度呈現(xiàn)空間差異與夏季相同:西部＞中部＞東部(均通過0.01置信度檢驗(yàn));冬季最高氣溫變化劇烈,增溫幅度最大,1960s到1980s中期總體在升溫,但波動較大,1990s初以后波動變小,但持續(xù)增溫,且增溫幅度較大。增溫幅度呈現(xiàn)空間差異:中部(通過0.01置信度檢驗(yàn))＞東部(通過0.001置信度檢驗(yàn))＞西部(通過0.01置信度檢驗(yàn))。

表2 河西走廊綠洲年、季最低氣溫距平的年代際變化 ℃

圖3 河西走廊綠洲1960—2005年四季最高氣溫距平變化曲線

從同一區(qū)域不同季節(jié)最高氣溫的變化過程來看,最高氣溫的增溫幅度又表現(xiàn)出季節(jié)差異:中、西部均是冬季＞秋季＞夏季,而東部則是冬季＞秋季＞春季,可以看出整個河西走廊綠洲秋、冬季的最高氣溫對全球變暖的響應(yīng)比夏、春季敏感。

同樣,河西走廊綠洲1960—2005年最低氣溫四季變化(圖略)可以看出,最低氣溫在各個季節(jié)都表現(xiàn)出很強(qiáng)的增溫趨勢,春季整個河西走廊綠洲最低氣溫變化過程比較相似,增溫幅度較大,變化平緩,在1960s—1970s末有微弱降溫過程,此后表現(xiàn)為穩(wěn)定升溫,1990s中期以后增溫幅度增強(qiáng)。增溫幅度表現(xiàn)出空間差異:東部(通過0.001置信度檢驗(yàn))＞中部(通過0.01置信度檢驗(yàn))＞西部(通過0.01置信度檢驗(yàn));夏季整個河西走廊綠洲最低氣溫變化過程基本一致,變化過程極為平緩,1960s—1990s中期在波動中有微弱的增溫趨勢,1990中期以后劇烈增溫,增溫幅度的空間差異:西部＞東部＞中部(均通過0.001置信度檢驗(yàn)),但差異不大(0.01～0.02 ℃/10 a);秋季最低氣溫變化波動較大,中、西部在1960s有明顯的降溫過程,1970s初則開始升溫,1980s—1990s末處于穩(wěn)定的波動變化中,1990s末以后開始迅速增高。東部表現(xiàn)為階躍式增溫趨勢,1960s—1970s中期為一低溫階段,1970s—1990s末為一相對高溫階段,在1990s末以后增溫幅度增強(qiáng),氣溫再次升高。增溫幅度的空間差異:中部＞西部＞東部(均通過0.01置信度檢驗(yàn)),但差異不大(0.01～0.02℃/10 a);冬季整個河西走廊綠洲最低氣溫變化劇烈均(通過0.001置信度檢驗(yàn)),波動大,增溫幅度大(＞0.50℃/10 a),46 a來表現(xiàn)為持續(xù)的增溫趨勢。增溫幅度中部微大于東部(0.007℃/10 a),兩者顯著大于西部(0.19～0.20℃/10 a)。與最高氣溫變化相同,同一區(qū)域不同季節(jié)最低氣溫的增溫幅度也表現(xiàn)出季節(jié)差異:西部冬季＞夏季＞春季＞秋季,中部冬季＞春季＞秋季＞夏季,東部則是冬季＞春季＞夏季＞秋季,進(jìn)一步說明冬季對全球變暖響應(yīng)的敏感性。與最高氣溫季節(jié)增溫幅度相比,秋季表現(xiàn)出差異,最高氣溫秋季增溫顯著,而最低氣溫秋季則增溫不明顯。

從最高、最低氣溫的季節(jié)變化過程來看,整個河西走廊綠洲兩者均在春季和夏季變化平緩,秋季變化較為劇烈,冬季變化最為劇烈。從增溫幅度來看,除秋季最高氣溫增溫幅度高于最低氣溫外,其余季節(jié)均是最低氣溫增溫幅度顯著高于最高氣溫,表現(xiàn)出不對稱的增溫趨勢。

3 最高、最低氣溫突變分析

采用Mann—Kendall法對河西走廊綠洲全年及各個季節(jié)最高、最低氣溫進(jìn)行突變分析,從檢驗(yàn)結(jié)果(表3)來看,最高、最低氣溫升溫突變明顯,突變時間存在一定區(qū)域差異,整個走廊綠洲最高氣溫在1994年發(fā)生升溫突變,而最低氣溫突變顯示區(qū)域差異,東部最早、中部次之,西部最晚,表明東部對全球變暖響應(yīng)的敏感性。就不同季節(jié)來看,春季:最高氣溫突變中部和西部同在1999年,比東部晚;最低氣溫突變中部和東部在1996年,早于西部。夏季:整個河西走廊綠洲最高、最低氣溫突變時間相同。秋季:最高氣溫突變西部最早、中部次之,東部最晚;最低氣溫突變則相反,東部最早、中部次之,西部最晚。冬季:最高氣溫突變中部和西部在1986年,比東部早;最低氣溫突變東、西部在1986年,比中部早。

從同一區(qū)域不同季節(jié)最高、最低氣溫的變化過程來看,突變時間又存在一定季節(jié)差異,整個河西走廊綠洲最高、最低氣溫發(fā)生突變均是冬季最早,秋季次之,而春季和夏季存在差異,最高氣溫在西部和中部都是夏季早于春季,東部則春季早于夏季;最低氣溫在整個河西走廊綠洲都為春季早于夏季,總體上反映了秋、冬季對全球變暖響應(yīng)的敏感性。

表3 河西走廊綠洲最高、最低氣溫突變年份

4 結(jié)論

近46 a來河西走廊綠洲最高、最低氣溫均有明顯增溫趨勢,最低氣溫增幅顯著大于最高氣溫,呈不對稱的增溫趨勢,即氣溫日較差逐漸減小。從1990s起最高、最低氣溫開始迅速升溫,21世紀(jì)以來是近46 a來的最暖時期。增溫幅度表現(xiàn)出區(qū)域差異,最高氣溫中部＞西部＞東部,最低氣溫東部＞中部＞西部。在季節(jié)上表現(xiàn)為秋季和冬季變化劇烈,春季和夏季變化平緩。而且,冬季增溫強(qiáng)度明顯高于其它季節(jié)。最高、最低氣溫升溫突變明顯,突變時間存在區(qū)域和季節(jié)差異。

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