武威市近50年氣候年代際變化特征

頡隨明

（甘肅國圖測繪地理信息有限公司，甘肅蘭州 730020）

全球氣候變化是確定的事實，已成為21世紀(jì)全球普遍關(guān)注與重視的問題。近1個世紀(jì)以來，全球平均地表觀測溫度上升了0.74℃，1908—2007年我國地表平均溫度升高達(dá)1.1℃[1-2]。

在我國西北干旱半干旱區(qū)不僅是全球范圍內(nèi)氣候變化響應(yīng)最敏感的區(qū)域，而且還是生態(tài)環(huán)境變化最脆弱的地區(qū)，生態(tài)環(huán)境的變化對區(qū)域氣候和全球氣候均會產(chǎn)生非常大的影響[3]。為了應(yīng)對氣候變化可能引發(fā)的問題，許多研究者對該區(qū)的氣候變化狀況進(jìn)行了深入的分析和預(yù)測[4-6]。但是綜合來看，目前的大部分研究均側(cè)重于對該區(qū)氣候的年際變化探討，而對該區(qū)氣候的年代際變化特征關(guān)注不足。年代際氣候變化作為短期氣候變化的背景，往往會影響年際和月季時間尺度的氣候變化特征。隨著科學(xué)的發(fā)展和社會需求的提高，年代際氣候變化已成為人們關(guān)注的重要問題。李崇銀等[7]分析表明，過去20年華北地區(qū)干旱以及近40年西部降水的增加，可能都是降水量的年代際變化引起的。而從近百年氣候變化序列來看，降水量的變化以20～30年循環(huán)為主。IPCC的報告也指出，在近百年來，全球平均觀測氣溫總體呈現(xiàn)升高的趨勢（IPCC，2007），并存在明顯的年代際變化（北京地區(qū)長期增暖中的一個減緩期）。施雅風(fēng)等[8]的研究發(fā)現(xiàn)，1987年開始西北區(qū)氣候由暖干向暖濕發(fā)生了轉(zhuǎn)型，這一轉(zhuǎn)型可能是因氣候年代際波動，也可能是因世紀(jì)性的趨勢引發(fā)。既然氣候變化存在年代際的變化規(guī)律，那么以年代際為尺度分析氣候變化規(guī)律，必將能得出一些對氣候預(yù)測具有指導(dǎo)作用的信息。

本文以位于西北地區(qū)中部石羊河流域的武威市為例，以10 a年代際尺度，分析該區(qū)50年氣候年代際變化規(guī)律，并結(jié)合對干旱指標(biāo)的分析，進(jìn)一步認(rèn)識該區(qū)未來氣候演變的方向，為該區(qū)農(nóng)牧業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、水資源的合理開發(fā)利用提供參考。

1 研究資料和研究手段

1.1 研究區(qū)域和資料來源

武威市位于河西走廊東部地區(qū)，該地區(qū)處于青藏高原北坡，南靠祁連山脈，北鄰騰格里和巴丹吉林沙漠，東接黃土高坡西緣。由于深居內(nèi)陸，遠(yuǎn)離海洋，加上境內(nèi)地形和海拔高度的影響，武威市長期降水稀少且年際及年代際變率很大，高溫干旱頻發(fā)，屬于典型的干旱和半干旱區(qū)。

本文利用武威市1961—2010年逐日平均氣溫、最高、最低空氣溫度、降水、風(fēng)速、相對濕度和日照時數(shù)等氣象資料，對武威10 a年代際氣溫、降水、參考蒸散量及其計算獲得的SPI和SPEI2個干旱指標(biāo)變化特征進(jìn)行研究探討?；練庀筚Y料來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn）。

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

以武威市1961—2010年逐日氣溫和降水資料計算其逐年的總量；參考蒸散量采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦的公式計算[9]，依據(jù)每天的氣象資料計算出當(dāng)天的參考蒸散量，累加求和算出每月和每年的值；氣候10 a年代際線性傾向率結(jié)果的顯著性檢驗使用F檢驗；氣候突變特征分析采用Mann-Kendall方法[10]。標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)SPI和標(biāo)準(zhǔn)化降水及蒸散指標(biāo)的計算分別參考文獻(xiàn)[11]和[12]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣象要素及干旱指標(biāo)的年代際變化趨勢

2.1.1 氣溫的年代際變化趨勢 武威市氣溫在1961—2010年間以上升為主，平均增溫率為0.4 25℃/10 a，且這種增加趨勢統(tǒng)計檢驗極顯著（表1），這與全球和全國近年來的氣溫變化規(guī)律相同，但是又明顯地大于全國0.220℃/10 a的平均增溫速率，也比全球近50年來的增溫速率大[13]。說明武威市氣溫的變化與全國及全球的變化趨勢具有一致性，但是在增幅大小和變化過程上存在明顯的差別。

表1 武威市1960—201年氣象要素及干旱指標(biāo)數(shù)值10 a變化統(tǒng)計檢驗

以10 a為尺度分析武威市氣溫的年代際變化狀況（圖1）。從圖1中可以看出，在1961—2010年，武威市氣溫每10 a的變化趨勢并不完全一致。其中，1961—1970年武威市氣溫趨向于降低，降低速率為1.230℃/10 a，并且降低趨勢統(tǒng)計檢驗達(dá)到了顯著水平（P＜0.05）。1971—1980年武威市年平均氣溫在波動中上升，速率較小，為0.206℃/10 a，而且增溫趨勢統(tǒng)計檢驗不顯著。1981—1990年武威市氣溫變化也是以增溫為主，增溫速率較上一個10 a有一定的增大，為0.602℃/10 a，不過增溫趨勢統(tǒng)計檢驗也不顯著。1991—2000年武威市年平均氣溫有一個快速的增長期，增溫速率達(dá)到1.983℃/10 a，而且統(tǒng)計檢驗顯著（P＜0.05），這是武威50年來增溫速度最快的10年。2000—2010年武威市年平均氣溫的變動再次放緩，經(jīng)歷了一個在其他國內(nèi)外研究中稱之為暖平臺的時期[14-15]，不過武威市的氣溫依然保持0.447℃/10 a的速率，在波動中不斷升高。

圖1 武威市1960—2010年氣象要素變化序列

2.1.2 降水的年代際變化趨勢 武威市1961—2010年降水量總體呈增加趨勢，速率為81.300 mm/10 a，但是這種趨勢并沒有通過顯著性檢驗。以10 a尺度進(jìn)行分析比較，可以看出武威市降水量的變化還是有一定的規(guī)律可循，即存在明顯的年代際振蕩。武威市降水量從1961—1970年到2000—2010年間，每10 a表現(xiàn)為快速增加、緩慢減小、緩慢增加、平穩(wěn)增加以及快速減少的變化趨勢，變化速率分別為93.509 mm/10 a、9.218 mm/10 a、32.770 mm/10 a、14.309 mm/10 a以及-81.061 mm/10 a，且在1961—2010年，每10 a的變化趨勢均沒有通過顯著性檢驗（表1、圖1）。說明在這50年里，武威市的降水量變化趨勢并不明顯，只是急劇波動中存在較為微弱的增加趨勢。

2.1.3 蒸散的年代際變化趨勢 參考蒸散量是大氣蒸發(fā)力的表現(xiàn)，在一定程度上可以反映大氣的干濕狀況。分析武威市1961—2010年參考蒸散量的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)參考蒸散量變幅較大，而且存在一個明顯的低值時段，即1985—1995年。1961—2010年每10 a蒸散量的平均增加值并不大，為2.260 mm/10 a，而且并沒有通過顯著性檢驗。對蒸散量的變化趨勢分階段進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1961—1970年參考蒸散量為降低趨勢，降低速率為174.320 mm/10 a；1971—1980年參考蒸散量的變化速率為-137.150 mm/10 a，統(tǒng)計檢驗不顯著；1981—1990年武威市參考蒸散量有一個明顯的降低趨勢，降幅為283.360 mm/10 a，而且統(tǒng)計檢驗達(dá)到了顯著水平；而在1991—2000年，參考蒸散量變化趨勢急劇轉(zhuǎn)向，表現(xiàn)為增加趨勢，而且波動較小，蒸散量逐年持續(xù)增加，增幅為488.620 mm/10 a，并且統(tǒng)計檢驗達(dá)到了極顯著水平；在此后的2001—2010年，蒸散量變動趨勢放緩，變化趨勢并不明顯，在波動中緩慢增加，增加速率為58.292 mm/10a（P＞0.05）（表1、圖1）。

2.1.4 SPI和SPEI兩個干旱指標(biāo)的年代際變化趨勢 以國際上較為常用的標(biāo)準(zhǔn)化降水指標(biāo)SPI和新近考慮了溫度對蒸散作用的標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指標(biāo)SPEI為干旱指標(biāo)，分析武威市1961—2010年干旱發(fā)生狀況變化趨勢。從圖2中可以看出，2種干旱指標(biāo)的變化趨勢在50 a尺度上存在差異，SPI逐漸增大，而SPEI卻逐漸減小。說明用這2種干旱指標(biāo)對武威市干旱狀況的反映并不完全一致。

圖2 武威市1960—2010年SPI和SPEI兩個干旱指標(biāo)變化序列

以10 a為時間尺度，觀察武威市1961—2010年SPI與SPEI的增減趨勢，發(fā)現(xiàn)在1961—1970、1970—1980、1981—1990以及2000—2010年這4個10 a中，SPI與SPEI的變化趨勢基本一致，每10 a分別為2.360和3.020（P＜0.05）、-0.090和-0.010、0.830和0.680以及-1.730和-1.990。這2個指標(biāo)每10 a年代際變化趨勢中，在1991—2000年這個階段存在明顯的差異，SPI表現(xiàn)為不斷增大，每10 a速率為0.480，而SPEI卻表現(xiàn)為不斷減小，每10 a速率為1.470。而在其他階段這2個指標(biāo)的變化趨勢又相同，說明1961—2010年2個指標(biāo)變動趨勢的差異主要是1991—2000年的不同造成的。

2.2 氣象要素及干旱指標(biāo)的突變分析

2.2.1 氣象要素的突變分析 使用M-K檢驗對武威市1961—2010年氣溫變化趨勢進(jìn)行分析（圖3a），可以看出武威市50 a氣溫存在由降低到升高的轉(zhuǎn)變。在1961—1997年，武威市氣溫一直表現(xiàn)為波動中減少的趨勢，在1970年代，出現(xiàn)了氣溫降低的最大傾向，并通過顯著性檢驗。在1998年開始，武威市氣溫呈增加趨勢，而且表現(xiàn)為急劇的上升，在2002年左右趨勢超過統(tǒng)計檢驗臨界值，達(dá)到了顯著性水平。在2000年和2001年之間，UF和UB線存在交點，說明在這個時期，武威市氣溫變化存在突變，氣溫開始轉(zhuǎn)向為較高的階段。

分析武威市1961—2010年降水量的M-K檢驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)降水的變化波動要較氣溫的波動大（圖3b）。在1960年代前期降水量表現(xiàn)為減少趨勢，而后在1960年代的中后期急劇上升，并存在一個突變。而后在1970年代初期緩慢增加，又經(jīng)歷了一次突變，在1970年代中后期降水量開始下降。在1980年代中期，降水量的變化再次經(jīng)歷了一次突變，之后表現(xiàn)為波動性地增加，一直持續(xù)到了2010年，而且在這個過程中，在2001—2010年之間降水量的增加趨勢達(dá)到了顯著性水平。

參考蒸散量的變化經(jīng)M-K檢驗分析得出（圖3c），其在1961—2010年大部分時期都表現(xiàn)為減少趨勢，只在1970年代前中期有輕微的增加趨勢，而后又迅速地減小，在1980年代中后期到2000年，參考蒸散量的減小趨勢達(dá)到了顯著性水平。此外觀察參考蒸散量與降水量差值的M-K統(tǒng)計檢驗結(jié)果（圖4d），可以看出參考蒸散量與降水量差值的統(tǒng)計檢驗與參考蒸散量的統(tǒng)計檢驗結(jié)果基本保持一致，說明在西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)，蒸散量占據(jù)水分平衡的很大部分，降水量的增幅對蒸散量與降水量差值的影響基本可以忽略，因而可以得出在考慮該地區(qū)氣候干濕狀況時，更應(yīng)該關(guān)注蒸散量的變動狀況。

圖3 武威市1961—2010年氣象要素變化趨勢分析

2.2.2 干旱指標(biāo)的突變分析 對2個干旱指標(biāo)的變動狀況進(jìn)行M-K檢驗，能夠從圖4中看出，SPI的變動與圖3中降水量的變動趨勢大致相同，都表現(xiàn)出較大的波動性，而且其除了在1960年代和1980年代有明顯的降低趨勢外，在其他大部分時期趨勢都表現(xiàn)為增加趨勢，并且SPI和降水量的變化發(fā)生在1960年代后期、1970年代前期，并在1980年代中期發(fā)生了突變，而且SPI的增加趨勢也在2001—2010年達(dá)到了顯著性水平。SPI的計算依賴于降水量，且僅僅依靠這一個氣象因子，所以其變動趨勢完全與降水量一致。

圖4 武威市1961—2010年SPI和SPEI兩個干旱指標(biāo)數(shù)值變化趨勢分析

圖4b是SPEI的變化狀趨勢，從中可以發(fā)現(xiàn)，SPEI在1960年代前期表現(xiàn)為減少趨勢，而后大部分時期都表現(xiàn)為增加趨勢，且在1960年代中后期增加趨勢達(dá)到了顯著性水平。此外，SPEI與SPI變化趨勢的很大不同表現(xiàn)為，SPEI在2000年代中期存在明顯的下降趨勢，而SPI則并沒有這種表現(xiàn)。SPEI的計算依賴降水量和溫度兩個氣象因子，全面考慮了區(qū)域水分平衡的2個主要方面，即降水和蒸散，其更能有效地反映出在氣溫升高狀態(tài)下，區(qū)域的干濕變化狀況，因而全面考察SPEI變化趨勢更有意義。從SPEI的監(jiān)測結(jié)果可以看出，武威市氣候在2000年代中后期有變干的跡象，這與僅僅考慮降水量的干旱指標(biāo)SPI的變化狀況所反映的監(jiān)測結(jié)果不完全一致，甚至相反。

3 討論和結(jié)論

不同于氣候的年際變化（氣象要素月或年的平均值在不同年份間的變化），年代際變化所指的時間尺度目前并沒有明確的定義，在CLIVAR（國際氣候變化及其可預(yù)報性研究）計劃中年代際氣候變化研究指的是10年至100年尺度的氣候變化[16]。由于年代際變化是年際變化的重要背景，對年際尺度的氣候變化現(xiàn)象產(chǎn)生重要的調(diào)制和影響，是一個非常重要的時間尺度。此外，氣候的年際變化波動性大，異常干旱與洪澇、高熱與冷害在一定的大氣環(huán)流狀況下發(fā)生，在較短的時期內(nèi)往往帶有隨機性和不確定性，旱澇急轉(zhuǎn)的現(xiàn)象在1年內(nèi)或2～3年間經(jīng)常發(fā)生，從而給氣候監(jiān)測預(yù)測帶來了很大的難度。而氣候往往在年際尺度上表現(xiàn)出很強的規(guī)律性，許多研究都發(fā)現(xiàn)氣溫、降水等氣象因子都存在明顯的年代際振蕩和變化，因而研究氣候的年代際變化對于氣候的預(yù)測有很重要的意義[7，16]。本文并沒有從常規(guī)的線性分段擬合、氣候突變轉(zhuǎn)折點等角度來分析氣候的轉(zhuǎn)變發(fā)展趨勢，而是僅僅以簡單的10 a年代劃分了不同的時期，分析了武威市氣溫、降水量、參考蒸散量以及SPI和SPEI，從1961—2010年50年來的每個10 a的變化趨勢，得出了一些氣候變化傾向的規(guī)律。從分析結(jié)果中得出，武威市氣溫在1990年代存在明顯的增溫趨勢，而且增溫傾向非常明顯，在2000年代前期出現(xiàn)了增溫的突變點，之后溫度繼續(xù)保持較前期相對平緩的增加趨勢。武威市地處西北內(nèi)陸，地理位置及氣候特點較為特殊，該地區(qū)氣溫增加趨勢較全國和全球都要明顯偏大，代表了未來氣候發(fā)展趨勢的方向，需要著重注意該地區(qū)的氣候變化動向。

對降水量的M-K檢驗發(fā)現(xiàn)，武威市降水量變化趨勢在1980年代發(fā)生突變后表現(xiàn)為波動中持續(xù)的增加狀態(tài)，甚至在2000年代中期這種增加趨勢達(dá)到了顯著性水平，不過觀察降水量的年際變化與10 a尺度的年代際變化趨勢可以看出，降水量的增加波動較大，而且除了1960年代降水量的增幅較大外（達(dá)到了93.509 mm/10 a），其他時期降水量的增加幅度并不很大，但是與之相反，2000年代降水量的減少幅度反而達(dá)到了81.061 mm/10 a，而且更為重要的是該時段前期和同期參考蒸散量的增加幅度達(dá)到了488.620 mm/10 a和58.292 mm/10 a。在不考慮灌溉、滲漏以及地下水補給的情況下，區(qū)域水分平衡“源”和“匯”的2個主要方面即降水和蒸散，若要綜合考察一個特定研究區(qū)域的干濕狀況必須得既考慮降水的影響，又得關(guān)注蒸散量的變化狀況。對SPEI和SPI兩個不同的干旱指標(biāo)變化趨勢進(jìn)行對比分析后，即可發(fā)現(xiàn)在考慮降水和蒸散以及僅僅考慮降水一個氣象因子時的差異。在武威市1990年代后期降水量和溫度（蒸散也相應(yīng)增加）都增加的情況下，SPI只反映了降水量的變化趨勢，表現(xiàn)為持續(xù)的增加，即表明武威市干旱狀況為減輕趨勢。而與之相反，SPEI的監(jiān)測結(jié)果則顯示出武威市干旱狀況有明顯的加重趨勢。此外，在考慮氣候的變化時，其實應(yīng)該不僅僅考慮平均氣溫和降水量的變化方面，眾所周知，極端氣象事件的頻率和強度的變化更可能對社會和環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但對其氣候變化規(guī)律還認(rèn)識不足。IPCC（1995）第二次科學(xué)評估報告指出了極端氣象事件變化研究的重要意義，并力圖回答“氣候是否更加容易變化或更加極端化了?”這一難題[17-18]。降水變率增大，強度增大，危害加大。對武威市過去降水量的變化研究就發(fā)現(xiàn)，武威市降水日數(shù)明顯減少，而降雨強度卻有增加趨勢[19-20]，說明在全球氣候變化背景下，災(zāi)害性天氣，諸如較強的對流性天氣有可能增多，而對農(nóng)業(yè)及生態(tài)用水有利的雨強不大且持續(xù)時間較長的降水將減少，這對西北內(nèi)陸有效地利用雨水資源將是一大挑戰(zhàn)。

過去幾年，一些研究者的研究結(jié)果認(rèn)為西北地區(qū)有可能會經(jīng)歷一個由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的過程[4，8]。我國西北地區(qū)西北部，以天山西部為代表區(qū)域，其氣候轉(zhuǎn)向暖濕的信號最為強勁，降水量、冰川消融量和徑流量呈現(xiàn)出連年增加的趨勢，引起湖泊水位顯著上升、洪水災(zāi)害增加迅速、植被得到了改善、沙塵暴也逐漸減少。不過這樣的轉(zhuǎn)型是否存在或者是否會擴及整個西北地區(qū)乃至華北，尚存在不確定性。通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，地處西北地區(qū)中部的武威市盡管降水量在1980及1990年代有一定的上升，而且降水的M-K檢驗在2000年代初期也達(dá)到了顯著性水平，但是2000年代后期降水的線性減少趨勢卻也非常明顯，而且由于前期和同期的氣溫及蒸散量增幅較大，會導(dǎo)致區(qū)域水分的損失量加大，氣候有可能向著干旱化的趨勢發(fā)展。