2O16丘 青海师范大学学报(自然科学版) Journal of Qinghai Normal University(Natural Science) 2016 第4期 No.4 1961—2015年青海省东北部地区气候变化特征分析 陈宗颜 (青海师范大学生命与地理科学学院,青海西宁摘810008) 要:利用1961~2O15年青海省东北部地区11个气象站月气象数据(气温、降水量),采用M—K检验、累计距平、线性趋势和 小波分析等方法,本文研究了该地区55年来的气候变化特征和趋势。结果表明:近55年来青海省东北部地区年均温变化在 2.75~5.63℃之间,呈显著上升趋势,气候倾向率为0.40 C/10a,1986年发生了由低温期到高温期的转折,1997~1998年发生了 快速增温的突变;四季均温亦呈升高的趋势,其中冬季气温增幅最大,气候倾向率达到0.55℃/10a,秋季气温增幅最小,为 0.34℃/10a.年、春季和冬季均温从2O世纪6O年代开始变暖,夏、秋季均温在6O年代到8O年代间有一降温过程,从9O年代初开 始变暖.年降水量变化在307.4~494.6mm之间,降水量呈微弱减少趋势,气候倾向率为一1.64mm/10a,20世纪60、7o年代是降 水较多的年代,从9O年代开始,降水趋于减少.四季降水量的变化趋势不同,夏、秋季降水趋于减少,冬、春季降水趋于增多.年均 温变化存在l4年、21年和6年的周期;降水量变化的主周期为26年、14年和5年. 关键词:青海省;气候变化;Mann—Kendall非参数检验;小波分析 中图分类号:P467 文献标识码:A 文章编号:1001—7542(2016)04—0001—10 0 引言 气候变化及其影响研究是当前相关学科共同关注的课题,并日益深刻地影响着人类社会的可持续发 展口 ].IPCC第五次评估报告指出,1880—2012年间全球平均地面气温升高了0.85℃,增温率达 0.12℃/10a,这接近1880年以来增温率的两倍 ].多数研究者一致认为,中国地区气候变化趋势与全球总趋 势一致,但同时也认识到气候变化的独特性和复杂性;不同地域对全球变暖的响应程度不尽相同,区域性气 候变化及影响受到更多人的关注 ].在全球气候变化研究中,脆弱生态区和自然地理区过渡地带的区域响 应是研究的重点之一.青海省东北部地区——青藏高原和黄土高原的过渡区域,开展现代气候环境变化及区 域响应的研究意义深远. 本文在前人研究的基础上,利用青海省东北部1961~2015年的气象资料,分析该区气温、降水变化的趋 势、特征、突变点及周期等,其结果可为青海省东北部地区经济社会发展规划的制定提供参考,并为预测青海 省东北部地区气候变化趋势提供依据. 1研究区概况 青海省东北部为省内主要的农业区、人口聚居区,全省64%人口分布于此.地域上包括湟水河流域和大 通河流域的大部分范围,区内具有岭谷相间的独特地貌,祁连山挺拔于北部,达坂山横亘于中间,拉脊山矗立 于南部,三山之间为大通河谷地和湟水河谷地,西部被大通山、日月山所隔阻(图1).地势西北高,东南低,平 均海拔为2000 ̄3000m.气候属于温带大陆性气候,同时受到高原季风的显著影响.年均温为4.2℃,年降水 量为434.3mm.研究区为干旱一半干旱区的过渡地带、青藏高原向黄土高原的过渡地带,也是夏季风所能到 达的最西部边缘地带,对气候变化较为敏感,且周边有高大山脉的隔阻,气候变化相对稳定,是研究气候变化 的理想地域. 收稿日期:2016—10—20 作者简介:陈宗颜(1978一),男,汉族,青海大通人,硕士,副教授.研究方向:干旱区资源开发与环境演化 2 青海师范大学学报(自然科学版) 2016-g 图1 青海省东北部气象站分布 Fig.1 Meteorological stations in northeast of Qinghai 2资料与方法 2.1 数据 所用的气象资料来自青海省气象信息中心,本文以青海省东北部l1个观测站(祁连、门源、海晏、湟源、 湟中、西宁、大通、平安、乐都、民和)(图1)1961~2015年的观测资料为基础,选取逐月气温和降水量这两项 指标,将11个气象站55年的平均值序列作为本文分析的气候序列,对青海省东北部的气候变化进行分析. 2.2 方法 基于气候统计法的划分,本文研究青海省东北部气温、降水量的季节、年以及年代际变化.依据本区 1 961 ̄2015年的气温、降水量资料计算其逐年、季平均值,先用线性趋势和累计距平法分析近55年气温和 降水量的变化趋势,然后综合累计距平和Mann—Kendall检验方法检验在研究时段内是否发生了气候突 变,如果发生则判断其突变年份,最后用Morlet小波方法分析气候变化的周期性. Mann—Kendall检验(M—K检验)是一种非参数统计检验方法,广泛应用于变化趋势的显著性检验和 突变点的识别.本文采用此方法进行气候要素变化趋势的显著性检验及突变点的识别,计算及判断方法见参 考文献[6 j.小波分析(Wavelet Analysis)是一种具有时一频多分辨率功能的分析方法,为更好地研究气候 序列变化问题提供了可能,它能清晰地揭示出隐藏在时间序列中的多种变化周期,充分反映系统在不同时间 尺度上的变化趋势,成为研究气象要素长期变化的工具[7,10-12].Morlet复小波函数可以给出气候序列多时 间尺度的持续过程,时序变化的位相和振幅两方面的信息,有利于对气候变化机制的进一步分析,并使分析 结果更为精准. 第4期 陈宗颜:1961—2O15年青海省东北部地区气候变化特征分析 3 3结果与分析 3.1气候变化的趋势分析 3.1.1 气温 1961~2O15年青海省东北部地区年均温为4.2℃,从多年变化趋势来看,年均温逐年升高(图2),55年 廿 间,年均温最高出现在2015年(5.6。C),最低出现在1967年(2.8℃).1961~2015年平均增温率为 0.40℃/10a,这一数值高于全国平均增温率0.22℃/10a和全球平均增温率0.12℃/10a[3 ].通过M—K检 验,1961 ̄2015年本区年均温增温趋势达到a一0.01显著性水平检验,为显著增温. 谪 世 廿 1 图2青海省东北部地区1961 2015年年均温及年降水量变化曲线 Fig.2 Variations of annual mean temperature and precipitation in northeast Qinghai during 1961 2O15 研究区四季均温在55年间皆有升高趋势,秋季增温幅度最小,增温率为0.34。C/10a;冬季增幅最大,增 温率为0.55。C/10a;春季和夏季分别为0.44℃/lOa和0.35。C/10a.与全国及西北地区四季增温率的对比 (表1),发现本区年均温增温率高于西北及全国水平,冬、春季增温较明显,这和全国季节均温变化趋势相 同,但有别于王劲松等人秋季增温显著的结论E” . 表1 青海省东北部与西北地区、全国气温倾向率(口c/10a)比较 Tab.1 Temperature change tendency(℃/10a)in northeast Qinghai,northwest China and China 注:全国和西北的增温率数据源自文献[4]、E133 4 青海师范大学学报(自然科学版) 2016丘 年均温累积距平分析显示(图3),青海省东北部年均温经过了下降一波动一上升的过程,1961~l986年 累积距平曲线波动下降,为偏冷期,持续26年,年均温为3.5℃,比多年均值偏低o.7℃,年均温距平全部为 负值,1967年距平达一1.4℃,为历史最低值.1987~1996年累积距平曲线波动变化,为气温平缓波动(调 ,旱J^ rj{碳嗫霸廿 整)时期,持续10年,年平均气温为4.1℃,接近多年平均气温,期间正距平4次,负距平6次.1997~2015年 累积距平曲线单调上升,为偏暖期,持续19年,年均温为5.0℃,偏高0.8℃,年均温距平全部为正值,2015 年正距平达1.4℃,为历史最高值. 200 150 图3青海省东北部地区1961--2Ol5年年均温及降水量累计距平 3.1.2降水量 。 1961~2O15年青海省东北部年平均降水量为434.3mm,降水量最高值为494.6mm(1967年),最低值 为307.4mm(1991年).降水量变化的线性倾向值为一1.64mm/lOa(图2),年降水量在波动中弱度下降.本 区季节平均降水量呈不同的变化趋势和强度,冬、春季降水量呈小幅增加趋势,春季为0.20 mm/1Oa,冬季 为0.02mm/]Oa;夏、秋季降水量有减少的趋势,夏季为一4.50mm/lOa,秋季为一0.96mm/lOa,这与赵燕 宁_1 ]、汪青春 3.2.1 气温 斟4{嘴稠 逝廿 瑚 堋 等人的夏半年降水量减少,冬半年降水量增多的观点基本一致. 3.2气候的年代际变化 研究区气温距平为负值的年代分别是20世纪60、7O和80年代,其他年代气温距平为正值.从不同年代 年均温距平的变化来看,研究区增温趋势较明显.值得注意的是自2000年以后,距平值越来越高(表2),通 过计算30年标准气候均值发现年均温增温尤为明显,1961~1990年,1971~2000年和1981~2010年的标 准气候均值分别为3.56℃、3.89℃和4.36℃.不同季节均温的年代际变化有差异,其中冬、秋季均温的变化 和年均温变化趋势一致,在研究时段内持续增温;春、夏季均温在70年代至80年代期间经历了降温过程,从 90年代开始增温.春、夏季均温年代际变化的这种表现,与降水量的多少密切相关,因本区降水主要集中在 夏半年,通过对降水量的分析得知,70年代降水偏少,80年代降水偏多,这可能是引起春、夏季均温降低的主 要原因. 6 3.3.2降水量 青海师范大学学报(自然科学版) 2016.生 厘苔 年降水量的M—K检验结果表明,降水量波动变化不明显,近55年来没有出现显著的变化,未发生突 变.通过累积距平分析,研究区1961~1967年降水量在波动中下降,1967年下降到最低值,1967 ̄1972年降 水量逐年增加,1972 ̄2000年降水量在波动中缓慢下降,2000年 ̄2010年降水量缓慢增加,2010年以来,降 水量在多年均值附近上下波动. 3.4气候变化的周期性 3.4.1 气温 图5给出了青海省东北部地区年均温的小波系数变化,实线表示正值,对应气温偏高期;虚线表示负值, 对应气温偏低期,小波系数绝对值越大,表明该时间尺度变化越显著.从图5可看出,青海省东北部气温变化 具有3种尺度的周期,即5~6a,13~15a和19~23a.小波方差图上,在14a、21a和6a处小波方差出现峰值 (图6A).因此可得出本区年均温在研究时段内存在14a、21a和6a的周期,其中14a周期最显著,这3类主 周期决定了青海省东北部年均温序列的变化特征. 各主周期小波系数实部过程线图表明(图6B),55年间青海省东北部气温序列存在多种周期的冷暖交 替,14a周期从2O世纪60年代开始振幅逐渐减小,又从90年代中期开始振幅逐渐变大;6a周期在6O、7O年 代振幅小,从90年代初期开始振幅逐渐增强;21a周期从9O年代中期以来振幅增强.从这3类周期变化来 看,青海省东北部年均温目前处于上升期. 图中虚线为负等值线,实线表示小波系数为零或正等值线 图5青海省东北部年均温的小波系数实部等值线 Fig.5 The contour of Morlet Wavelet coefficient of annualmean temperature in northeast Qinghai 第4期 陈宗颜:1961~2o15年青海省东北部地区气候变化特征分析 7 椒聪÷ 峨拳f/ 缎 . n 入 、 图6青海省东北部年均气温序列的小波方差(A)及各主周期小波系数实部过程线(B) Fig.6 Wavelet variance(A)and real part transform(B)in different principal period scale of temperature in northeast Qinghai 3.4.2 降水量 图7为青海省东北部地区年降水量的小波系数变化,实线表示正值,对应降水偏多期;虚线代表负值,对 应降水量偏少期,小波系数绝对值越大,表明该时间尺度变化越显著.由图7可看出,青海省东北部降水量变 化具有3种尺度的周期,即5~6a,13~14a和24 ̄26a.小波方差图上,在5a、14a和26a处小波方差出现峰 值(图8A).因此可得出本区在研究时段内具有5a、14a和26a的周期,其中26a周期最显著. 各主周期小波系数实部过程线图表明(图8B),55年间青海省东北部降水序列存在多种周期的干湿交 替,26a尺度上青海省东北部经历了3个多雨期和3个少雨期;在14a尺度上降水量存在6个多雨期和6个 少雨期,2O世纪60年代到8O年代初和21世纪以来干湿变化强度大于其他年份;5a时间尺度上,周期最明 显的在2O世纪6O年代和80年代,自90年代以来,这种干湿变化趋于平缓.从三类主周期的变化趋势来看, 青海省东北部目前仍处于少雨期. 8 青海师范大学学报(自然科学版) 2o16血 B, 匿留 一 _【×) 餐『/ 图中虚线为负等值线,实线表示小波系数为零或正等值线 图7青海省东北部年降水量的小波系数实部等值线 Fig.7 The contour of Morlet Wavelet coefficient of annual precipitation in northeast Qinghai 4 3 2 0 0 4 8 12 l6 20 24 28 32 时间尺度,a B 100 、 5O 、 、 1j{s 0 50 l00 -、 , V 八 一 燃 一、 一 , —150 l961 1966 l971 l976 198l 1986 1991 1996 2001 2O06 20l1 年份 图8 1961~2015年青海省东北部年降水量的小波方差(A)及各主周期小波系数实部过程线 Fig.8 Wavelet variance(A)and real part transform(B)in different principal period scale of precipitation in northeast Qinghai Province 第4期 陈宗颜:1961--2015年青海省东北部地区气候变化特征分析 9 4结论与讨论 (1)1961 ̄2015年青海省东北部地区年均温上升趋势显著,变化倾向率为0.40℃/10a.年降水量呈微弱 下降趋势,变化倾向率为一1.64mm/lOa.总体来说,近55年该区气候变化呈现气温显著升高、降水量略微下 降趋势. (2)冬、春季增温率大于夏、秋季,冬季气温增幅最大,为0.55℃/lOa;夏、秋季降水量呈现下降趋势,夏 季降水量减幅最大,为一4.5 mm/lOa,冬、春季降水量呈现小幅增加趋势. (3)1986年是气温由冷向暖的转折点,年均温在1997~1998年发生了快速增温的突变,是气温显著升 高的开始.降水量在近55年没有显著的变化,未发生突变. (4)青海省东北部年均温存在6a、14a和21 a的变化周期,其中14a的周期最显著,降水量存在5a、14a 和26a的变化周期,其中26a的周期最显著. 全球各地对气候变化的响应程度不一,人们对区域气候变化特征和过程的认识程度也不相同,在现有的 观测水平下,对区域气候变化过程的认识,主要取决于两方面:选取的研究方法和气候序列的时间跨度. Morlet小波分析可同时给出气候序列变化的位相和振幅的信息,这有利于对气候变化过程的深入研究,结 合M—K检验等方法和更长的气候时间序列资料,使得分析结果更为可靠.过去5O年来,青海省年均温呈 显著升高趋势、且增温率均大于全国水平是诸多学者的一致观点,但增温幅度在区域间有差异,青南高原增 温幅度较小,青海省西北部和东部较大口 夏、秋季降水减少 ;降水量的变化较稳定,青海省大部分地区冬、春季降水增加, .在全球气候变暖的背景下,青海省东北部近55年来气候变化以升温为总趋势,变暖 幅度自20世纪90年代明显增加,与全球、中国的变化趋势基本一致,但增温率略高于青海省平均水平,且 冬、春季气温增温率强于夏、秋季.降水量变化较稳定,呈弱度减小趋势. 气候突变在气候系统中是普遍存在的现象,研究气候突变对认识气候变化的性质有重要意义,是近代气 候学研究的重要方向之一[2卜 .已有学者研究中,都曾发现青海省及局地气温有突变现象,而降水量未发生 突变或有弱度突变信号存在I1 .城市化过程中城市热岛效应对大部分气象站的观测资料可能会造成影 响 ,热岛效应对青海省东北部气候变化的贡献率尚未确定,如果不考虑热岛效应的影响,青海省东北部地 区年均温显著升高开始于1986年,但快速增温突变发生在1997~1998年,这和丁一汇等研究结果相似I2 . 这种显著升温与突变现象发生的时间节点及间隔,也因地区而异,那么在这种显著升温和气候突变现象背后 所隐藏的科学信息(如演化、触发机制等)是大气科学甚至是地球系统科学领域值得深入研究的内容. 参考文献: [1]Milly P.c.D,Dunne K.A,Vecchia A.V.Global pattern of trends in streamflow and water availability in a changing climate[J].Natrue, 2005,438:347—35O. [2]Patz J.A,Campbell-Lendrum D,Holloway T,et a1.Impact of regional climate change on human health[J].Nature,2005,438:310— 317. 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Analysis on Characteristics of Climate Change during 1 9 6 1‘_。——2 0 1 5 in Northeast of Qinghai CHEN Zong—yah (College of Life and Geography Science,Qinghai Normal University,Xining 8 1 0008,China) Abstract:The meteoro1ogical data collected at 1 1 stations in northeast of Qinghai are analyzed based on the methods of the liner regression analysis,accumulative anomaly analysis。Mann—Kendall test and Mor— let wavelets analysis to get the characteristics and the trend of the climate change in northeast of Qinghai during 1 9 6 1—20 1 5.Results show that the climate in this region showed a significant warming trend,the annual mean temperature varied between 2.75—5.63℃。and it has increased by 0.40。C/10a in recent 55years,the climates has transited from cold to warm in 1986 and an abrupt change of fast moving has oc— curred in 1997—1998.In addition,al1 of the seasona1 temperature showed increasing trends,and increase of temperature in winter were higher(0.55℃/10a)than in the autumn(O.34℃/lOa).The decade change of ann ual and seasonal mean temperature also showed obvious increasing trends.The mean temperature of an- nual,spring and winter has become warmer in 1960s,while summer and autumn has become warmer in 1990s with a temperature--fall period during 196Os~1980s.The annual precipitation in northeast of Qing— hai varied between 307.4—494.6mm,and it showed a weak decreasing trend in recent 55 years.and de— creased by一1.64mm/10a.The precipitation in 1960s and has decreased 1970s was more than in the other decades and since 1990s.The seasonal precipitation had showed various trends,it had an increasing trend in winter and spring,as it to an decreasing trend in summer and autumn.The annual mean temperature fluctu— ated significantly with the interval of 14years,21 years and 6 years,and the annual mean precipitation fluctuated with interval of 26 years,14 years and 5 years. Key words:Qinghai province;climate change;Mann—Kendall test;wavelet analysis (责任编辑:李姝睿)