兴海县近55年气候变化特征及突变分析

2018-09-10张晓云孔祥萍张海春

农业灾害研究 2018年3期

张晓云孔祥萍张海春

摘要利用1961—2015年兴海县气温、降水、积雪等地面观测资料，对年代际的气候变化特征及突变进行了分析。结果表明，近55年来年平均气温、平均最高气温、平均最低气温变化倾向率分别为0.30、0.32、0.34℃/10年，年及四季增溫显著；21世纪初，年代平均气温与20世纪60年代相比升高了1.5～1.4℃；年大风和沙尘暴日数增多趋势不明显，20世纪70—90年代是近55年来大风和沙尘暴的高发期。M K检验分析表明，1986年年平均气温发生了突变，冬季气温突变发生最早（1971年），春季气温突变发生最晚（1994年）；年降水变化倾向率为9.99 mm/10年；年降水量最大值出现在2000年；年降水量突变发生在2003年，春、夏、秋3季降水突变分别发生于1981、2004、2009年，降水总体呈缓慢增多趋势。

关键词特征；倾向率；突变；高发期

中图分类号：P467 文献标识码：A 文章编号：2095-3305（2017）08-011-06

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2018.03.005

Abstract Based on the surface observational data of air temperature， precipitation and snow cover in Xinghai County during 1961-2015， the characteristics and mutation analysis of climate change were analyzed. The results showed that the tendency rate of the annual averaged air temperature， averaged maximum temperature and averaged minimum temperature was 0.30， 0.32， 0.34℃/10a， respectively. The temperature increasing was significant in a year and all season. At the beginning of the 21st century， the annual averaged air temperature rose up to 1.5-1.4℃ comparing to the 1960s， the increasing tendency of annual gale and sand storm was insignificant. In 1970-1990， those 20 years were the high incidence season of gale and sand storm in recent 55 years. The M K check and analysis showed that the averaged air temperature appeared mutation in 1986， the winters air temperature mutation occurred in 1971， the springs air temperature mutation occurred in 1994. The annual precipitations tendency rate was 9.99 mm/10a. The maximum of annual rainfall amount occurred in 2000. The mutation of precipitation occurred in 2003， the mutation of spring， summer and autumn occurred in 1981， 2004， 2009， respectively. The precipitations tendency was the increase of total.

Key words Characteristics； Tendency rate； Mutation； High incidence season

青藏高原是我国乃至全球气候变暖的敏感区，气温升温率明显高于全国气温升率。牛涛等[1]研究表明，青藏高原在20世纪80年代中后期经历了一次气温、降水量、相对湿度显著增加的气候突变。杨萍等[2]研究认为冬季气温升温突变时间最早，春季最晚，四季气温的变化并不是同步的。黄星等[3]研究认为黄河流域1997—2007年先后发生变暖停滞现象，大部分年（季）气温要素变暖停滞晚于全球变暖停滞时间（1998年）。梅朵等[4]认为50年来西宁的变暖均是从20世纪70年代中期之后开始的，在1994年达到历史新高，之后略有回落。马晓波等[5-7]研究认为最高气温的增温率小于最低气温的增温率，存在着非对称性变化的特点。沈菊等[8]研究表明，近35年来柴达木盆地气温经历了2个时期，分别为相对偏冷期（1981—1997年）和偏暖期（1998—2015年），年平均气温的升高主要源于最低气温的升幅。胡豪然等[9]研究认为青藏高原东部冬季积雪分别在20世纪80年代后期和20世纪90年代后期发生了由少到多和由多到少的突变。丁生祥等[10]认为三江源同德地区1961—2010年降水量总体上呈减少趋势，但趋势不显著。张国胜等[11]研究认为，20世纪80年代是夏季温度升高，降水减少，大风日数增多的暖干气候背景，20世纪90年代以来继续加剧，并逐步扩展到春、秋季，使该地区的草场退化，冰川和冻土消融加快，湿地资源减少，生态环境恶化。铁吉新等[12] 研究认为，称多县年平均气温在1969年发生突变，年降水量突变发生在20世纪90年代初。唐国利等[13]揭示了近百年来我国地表年平均气温明显增暖。唐红玉等[14]通过对全国733个站的温度资料研究表明我国年平均气温日较差呈下降趋势。周晓宇等[15]研究认为辽宁省四季升温速率冬季最大，春季次之，秋季略低于春秋，夏季不明显。因此，在全球气候变暖的大背景下，研究兴海地区气候变化趋势及特征，做好气候灾害预测，对当地开发气候资源，改善农牧业生产环境等方面具有重要意义。

1 资料与方法

利用1961—2015年兴海县气象局气温、降水、积雪等地面观测资料（资料由青海省CIMISS气象数据网提供），通过统计各气象要素月、季、年、年代际平均及气候标准值，计算要素相關系数、变化倾向率，M K突变分析，滑动t检验，分析季、年及年代际变化特征。

2 结果与分析

2.1 温度变化特征

2.1.1 平均气温通过计算季、年、年代际的平均气温（表1），可以看出兴海县春、夏、秋3季20世纪60—80年代气温平均值低于气候均值，20世纪90年代至21世纪10年代气温平均值高于气候均值，冬季21世纪00年代气温平均值高于气候均值，其余年代均低于气候均值；其中春季呈“低-高-低-高”波动性增温趋势，夏、秋季呈“低-高”的增温趋势，冬季各年代气温呈“低-高-低”的波动增温趋势；春、夏、秋季明显升温出现在20世纪90年代，幅度分别为0.8、0.5、0.5℃，冬季明显升温出现在20世纪70年代，幅度为1.1℃；春季明显降温出现在20世纪80年代，幅度为0.4℃，冬季明显降温出现在21世纪10年代，幅度为0.4℃。21世纪00、10年代与20世纪60年代相比，年代际平均气温分别上升了1.5、1.4℃。

年平均气温和春、夏、秋、冬四季气温（图1a、图2）变化倾向率分别为0.30、0.23、0.23、0.33、0.45℃/10年，与年度相关系数分别为0.767、0.505、0.527、0.673、0.503，都通过了0.01的显著性水平检验。由此可见，年及四季增温显著，其中冬季增温幅度最大，为0.45℃/10年。

2.1.2 气温突变对1961—2015年兴海地区年、季平均气温作Mann Kendall检验曲线[16]可以看出，20世纪60年代UFK>0，年平均气温呈上升趋势；并在20世纪80年代中后期超过2.58信度线，增温趋势显著，在±2.58临界线之间，UFK和UBK相交于1986年，是年平均气温突变的开始（图1b）。春季气温突变发生在1994年（图3），夏季气温突变发生在1990年，秋季气温突变发生在1986年，冬季气温突变发生在1971年；冬季气温突变发生最早，秋季突变次之，春季气温突变发生最晚。对各突变点前后不同时段作滑动t检验表明，之前Mann Kendall检验出的突变点是可信的。

2.1.3 最高（低）气温（或极端）兴海地区平均最高气温年变化倾向率为0.32℃/10年，年代际最大值冬季出现在21世纪00年代，春、夏、秋3季出现在21世纪10年代；平均最高气温年代际最小值春、夏季出现在20世纪80年代，秋、冬季出现在20世纪60年代。年代际增温最大幅度冬季出现在20世纪90年代至21世纪00年代，为1.5℃，春、夏、秋3季出现在20世纪80—90年代，分别为0.9、0.6、0.7℃。

兴海地区平均最低气温年变化倾向率为0.34℃/10年，年代际最低值春、夏、秋、冬四季均出现在20世纪60年代。平均最低气温年代际最高值春季出现在20世纪90年代、21世纪00年代，夏季出现在21世纪00、10年代，秋、冬季出现在21世纪00年代；年代际增温最大幅度冬、春、夏3季出现在20世纪60—70年代，分别为1.7、1.0、0.5℃，秋季出现在20世纪70—80年代，为0.9℃。

兴海地区极端最高气温的年代际最大值冬季出现在21世纪00年代，春、夏、秋季出现在21世纪10年代；年代际最小值冬、夏季出现在20世纪60年代，春季出现在20世纪70年代，秋季出现在20世纪80年代；年代际增温最大幅度冬季出现在20世纪90年代至21世纪00年代，为2.5℃，春、秋季出现在20世纪80—90年代，分别为0.7、1.0℃，夏季出现在20世纪60—70年代，为0.9℃。

兴海地区极端最低气温的年代际最低值春、夏、秋、冬季均出现在20世纪60年代。极端平均最低气温年代际最高值冬季出现在20世纪80、90年代，春季出现在20世纪90年代，夏季出现在21世纪00年代、20世纪90年代，秋季出现在21世纪00年代、20世纪80年代；年代际增温最大幅度冬、春季出现在20世纪60—70年代，为1.4℃，夏季出现在20世纪80—90年代，为0.8℃，秋季出现在20世纪70—80年代，为1.7℃。

综上，从平均最高（低）气温变化特征分析得出，平均最低气温升幅比平均最高气温升幅大，也比年平均气温升幅大。四季最高气温升温表现为冬季>春季>秋季>夏季；冬、夏季极端最高气温的升温幅度比极端最低温度大，春、秋季极端最高气温比极端最低气温升温幅度小；四季极高气温升温表现为冬季>夏季>秋季>春季，极低气温升温表现为冬、春季>秋季>夏季。

2.1.4 地表温度经统计兴海地区0 cm地温年变化倾向率为0.43℃/10年，春、夏、秋、冬四季地表气温变化倾向率分别为0.42、0.26、0.46、0.60℃/10年；四季地表气温均呈显著增加趋势，增暖趋势依次是冬季>秋季>春季>夏季。与同期其他地区相比，年平均地温增暖趋势比青藏高原、华北、淮河、长江中下游、华南、西北强，比东北弱。兴海冬、夏、秋3季增暖趋势比以上7个地区强，地温增温趋势显著；春季增温趋势比东北、华北、长江中下游弱，但比青藏高原、淮河、华南强[17]。

2.2 降水和积雪变化的特征

2.2.1 降水从表2可以看出，年代际最大降水量出现在年平均气温最高的21世纪00年代，最小值出现在年平均气温较低的20世纪70、90年代，最大（小）差值为74.4 mm，年降水量从20世纪60年代起经历了“多-少-多-少-多-少”的变化过程。

多年平均春季最大降水量出现在年平均气温较低的20世纪80年代，最小值出现在平均气温较高的20世纪70年代，最大（小）差值为28.7 mm，多年平均春季降水量从20世纪60年代起经历了“多-少-多-少-多-少”的变化过程，与年降水量变化趋势一致。

多年平均夏季最大降水量出现在平均气温最高的21世纪00年代，最小值出现在平均气温最低的20世纪60年代，最大（小）差值为38.3 mm，多年平均夏季降水量从20世纪60年代起经历了从“少-多-多-少-多-少”的变化过程，20世纪80年代至21世纪10年代与年降水变化趋势一致。

多年平均秋季最大降水量出现在平均气温最高的21世纪00年代，最小值出现在20世纪90年代，最大（小）差值为31.2 mm，多年平均秋季降水量从20世纪60年代起经历了“多-少-多-少-多-少”的变化过程，与年降水变化趋势一致。

多年平均冬季最大降水量出现在年平均气温较低的21世纪10年代，最小值出现在年平均气温最低的20世纪60年代，最大（小）差值为2.7 mm，多年平均冬季降水量从20世纪60年代起经历了“少-多-少-多-少-少”的变化过程，与年降水量变化趋势相反。

兴海地区年降水变化倾向率为9.99 mm/10年（图4e），春、夏、秋、冬四季降水变化倾向率分别为0.48、5.29、1.52、0.32 mm/10年，其中夏季最大，为5.29 mm/10年，冬季降水变化倾向率最小，为0.32 mm/10年（图4a～d）。年代际冬季降水变化趋势与年降水趋势相反，春、秋、夏季（20世纪80年代至21世纪10年代）降水趋势与年降水趋势一致，降水总体呈缓慢增多趋势发展。

2.2.2 降水突变对1961—2015年兴海地区年平均降水Mann Kendall检验曲线可以看出（图4f），20世纪60年代至21世纪00年代平均降水呈上下波动趋势；2003年UFK和UBK两线相交，并且在±1.96临界线之间，是降水突变的开始。春、夏、秋3季降水突变检验曲线（图略）在置信区间内有多处交叉，经滑动t检验验证，春季降水突变发生在1981年，夏季降水突变发生在2004年，秋季降水突变发生在2009年，春季降水突变发生最早，年和夏季降水突变次之，秋季降水突变发生最晚。

2.2.3 积雪日数从年、季、月积雪日数的各年代际平均值可以看出，年、春、秋、冬3季积雪表现出减少趋势，分别为-2.84、-0.58、-1.07、-1.01 d/10年；从年代际看，春季从20世纪60年代起经历了“多-少-多-少-少-少”的年代际变化过程，其中20世纪80年代达到了最大值，21世纪10年代为最小值。秋季从20世纪60年代起經历了“少-多-少-少-少-少”的年代际变化过程，其中20世纪70年代达到了最大值，21世纪10年代为最小值。冬季从20世纪60年代起经历了“少-多-多-少-少-多”的年代际变化过程，其中20世纪80年代达到了最大值，21世纪00年代为最小值。从多年均值看出，从20世纪60年代起经历了“多-少-多-少-少-少”的年代际变化过程，其中20世纪80年代达到了最大值，21世纪10年代为最小值；年、春、秋季（20世纪90年代至21世纪10年代）、冬季（20世纪80年代至21世纪00年代）积雪年代际变化趋势一致；秋、冬季20世纪60—70年代积雪年代际变化趋势一致，与春季、年积雪年代际变化趋势相反。20世纪80年代后，积雪日数呈逐步减少趋势。

2.3 大风和沙尘暴的变化

计算大风日数的年、季的标准化变量得出（表3），20世纪60—80年代四季和年大风日数为正变化量，20世纪80年代至21世纪10年代为负变化量；年大风日数表现为极不明显增多的趋势（0.01 d/10年），沙尘暴日数增多趋势也不明显（0.38 d/10年）。20世纪70、80年代冬、春季大风日数均大于气候均值，春季大风日数高值在20世纪70年代，夏季大风日数高值在20世纪80、90年代，秋、冬季大风日数高值在20世纪80年代；春、夏、秋3季大风日数低值在20世纪60年代，冬季大风日数低值在20世纪90年代至21世纪10年代。

冬、春季是大风的高发期，20世纪70、80年代是近55年来大风的高发期。大风日数依次为春季>冬季>秋季>夏季。冬、春季也是沙尘暴的高发期，而20世纪80、90年代又是近55年来沙尘暴的高发期。20世纪80年代至21世纪10年代大风变化倾向率为-6.86 d/10年，沙尘暴变化倾向率为-5.71 d/10年；年大风日数和沙尘暴日数从20世纪90年代起呈迅速减少趋势。

3 结论与讨论

（1）年度与年气温、四季气温变化呈正相关，并通过了0.01的显著性水平检验，年平均气温变化倾向率为0.30℃/10年，其中冬季变化倾向率最大，为0.45℃/10年。春、夏、秋季明显升温出现在20世纪90年代，年及冬季明显升温则出现在20世纪70年代。21世纪00、10年代与20世纪60年代相比，年代际平均气温分别上升了1.5、1.4℃。年平均气温突变发生在1986年，春、夏、秋、冬四季气温突变分别发生在1994、1990、1986、1971年，冬季气温突变发生最早，春季气温突变发生最晚。

（2）从平均最高（低）气温变化特征分析得出，平均最低气温升幅比平均最高气温升幅大，也比年平均气温升幅大。平均最高气温年际最大值冬季出现在21世纪00年代，春、夏、秋3季出现在21世纪10年代。年代际增温幅度最大冬季出现在20世纪90年代至21世纪00年代，春、夏、秋季出现在20世纪80—90年代；平均最低气温年代际最低值春、夏、秋、冬四季出现在20世纪60年代，年代际增温最大冬、春、夏3季出现在20世纪60—70年代，分别为1.7、1.0、0.5℃，秋季出现在20世纪70—80年代，为0.9℃。四季最高气温升温表现为冬季>春季>秋季>夏季；四季极高气温升温表现为冬季>夏季>秋季>春季，极低气温升温表现为冬、春季>秋季>夏季。

（3）兴海县0 cm地温年变化倾向率为0.43℃/10年，四季地表气温均呈显著增加趋势，增暖趋势依次是冬季>秋季>春季>夏季。与同期其他地区相比，年、冬、夏、秋3季平均地温增暖趋势比东北、青藏高原、华北、淮河、长江中下游、华南、西北强（年平均地温增暖趋势比东北弱）。

（4）年降水的变化倾向率为9.99 mm/10年，四季降水变化倾向率夏季最大，为5.29 mm/10年，冬季降水变化的倾向率最小，为0.32 mm/10年。降水总体呈缓慢增多趋势发展。年降水量最大出现在21世纪00年代，最小值出现在20世纪70年代，最大（小）差值为74.4 mm，年代际降水量从20世纪60年代起经历了“多-少-多-少-多-少”的变化过程。通过M-K检验分析年、春、夏、秋3季降水突变分别发生在2003、1981、2004、2009年。

（5）年、春、秋（20世纪90年代至21世纪10年代）、冬季（20世纪80年代至21世纪00年代）积雪年代际变化趋势一致；20世纪60—70年代积雪年代际变化秋、冬季与春季、年变化趋势相反。年及春、秋季降水和积雪变化趋势一致，积雪日年变化倾向率为-2.84 d/10年，20世纪80年代后，积雪日数呈逐步减少趋势。

（6）年大风日数和沙尘暴日数变化增多趋势不明显。大风日数春季高值在20世纪70年代，秋、冬季高值在20世纪80年代；大风出现日依次为春季>冬季>秋季>夏季；20世纪70、80年代冬、春季是近55年来大风的高发期。而20世纪80、90年代冬、春季又是近55年来沙尘暴的高发期。从20世纪80年代至21世纪10年代变化倾向率趋势看大风和沙尘暴日数从20世纪90年代起减少趋势明显。

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