近41年来定西市安定区气候变化特征分析

近41年来定西市安定区气候变化特征分析

作为人类生存的自然环境和自然资源的重要组成部分，气候的变化对生态系统、社会经济和人们的日常生活有重要影响。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第4次评估报告,最近100年(1906-2005年)全球表面空气温度上升了约0.74℃,近50年的线性增温速率为0.3℃·10a-1,约是过去100年的两倍。我国近百年来地面气温变化趋势与全球的情况类似,变暖趋势为0.2~0.8℃,近50年的变暖趋势达到0.6~1.1℃,气候变暖已成为一个不可争辩的事实。安定区位于甘肃省定西市中部,气候温凉干燥,是典型的旱作雨养农业区。干旱是该区最主要也是影响最严重的气象灾害,其特点是发生频率高、影响范围大、危害程度重,因此已成为制约该区农业乃至整个区域经济发展的重要因素。前人虽然已对甘肃省、甘肃省河东地区、庆阳市、定西市及其他一些地区的气候变化做了研究,但对旱作雨养农业区的定点气候系统研究较少。本研究基于安定区1970-2010年逐日气温、降水资料,分析该地区气候年际变化特征,为进一步研究该地区气候演变规律提供可靠资料,同时也为干旱区产业结构调整、水资源的合理开发利用与环境保护等提供一定参考。1材料和方法1.1阴山丘陵沟验证结果图1安定区(35°17′-36°02′N,104°12′-105°01′E,海拔1671.3~2577.3m)位于甘肃省中部,地处祖厉河支流的关山河上游,属黄土高原丘陵沟壑区,平均沟壑密度为2.4km·km-2。光资源丰富,年总辐射量593.9kJ·cm-2,日照时数2500h以上;年均降水量386.3mm,年平均温度7.9℃。最高年降水量564.5mm(2003年),最低年降水量245.7mm(1982年);极端最高温度为35.1℃(2010-07-28),极端最低温度为-29.7℃(1991-12-26),属于典型的温带大陆性气候,即夏季高温,冬季寒冷,全年降水少,且主要集中在夏季。1.2气象要素变化的趋势分析根据安定区气象站1970-2010年逐日气温和降水数据,分别计算气温、降水的多年均值和不同年代的平均值,利用算术平均法得到年际气温与降水的变化情况。主要采用趋势分析法、滑动平均法和Mann-Kendall突变检验法等方法对安定区近41年来的气温与降水变化特征进行研究。趋势分析拟用一元线性回归的方法求得,根据得到的气象要素序列,以时间x(t)作为自变量,气象要素y(t)作为因变量,建立一元线性回归方程,利用其描述气象要素的变化趋势。年均温和年降水的突变情况选用Mann-Kendall检验法,在MATLAB7.0软件环境下计算。设气象要素的序列为x1,…,xN,mi表示第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累计数,定义统计量在时间序列随机独立的假定下,dk的均值和方差分别为:组成的曲线称为逆序特征曲线UB,当正序特征曲线UF超过信度线,即表示存在明显的变化趋势,如果两条曲线的交点位于信度线之间,则该点便是突变点的开始。2结果与分析2.1年平均气候和月壤温度的变化特征2.1.1气温年际和年代变化特征2.2显著上升和安氏时期对于年平均温度,正序特征曲线UF于1970年至1987年,多为负值,1988年后由负变正(图3),说明1988年以前安定区年均温总体较低,之后气温开始上升,尤其是1993年以后年均温迅速上升。正序特征曲线UF与逆序特征曲线UB在1996年有一个明显的交点,之后,UF曲线还于2006年突破了(α=0.05)分界线1.96,说明近41年安定区年均温在1996年发生了突变性的升高,突变后(1997-2010年)的年平均温度达到8.5℃,比突变前(1970-1996年)上升了1.3℃。对降水来说(图4),其UF曲线仅在1975年、1977—1981年、1983—1987年高于零界线,说明这些年内降水量有所增加。另外,虽然特征曲线UF与UB有多个交点,但没有突破分界线1.96,说明近41年来安定区的年降水量并没有发生突变。3降水量的变化近年来,很多学者对甘肃省气候变化进行研究,结果均表明了甘肃省气候的变化与我国甚至与全球的变化趋势具有相当的一致性,即具有明显的暖干化趋势。本研究表明,近41年来,定西市安定区年平均温度呈显著上升的趋势,并于1997年发生了由低到高的突变,且增温率明显高于全国平均水平。研究安定区气温的年代际变化特征发现,进入20世纪90年代后,气温明显上升,说明近20年是整个安定区气候的快速升温阶段。而众多学者对甘肃或西北区域气候进行研究,指出包括陇南南部、陇东、陇东中部、河西走廊平原区等地在内的甘肃省绝大多数地区气温从1960-2012年都有明显升高。另外,对中国西北地区近50年的气候变化发现,整个地区气温从1959-2008年有明显上升趋势,且20世纪90年代以后上升更明显。因此本研究与前人研究结果一致。造成安定区气温显著上升的原因可能是:1)安定区所处的地理位置和地形条件的汇聚特征,由其引起的焚风效应和夏季青藏高原上空下沉气流的影响,叠加近年来人为活动温室气体排放量的增加,导致安定区地面温度升高。2)安定区本身水资源短缺,加之人们对水资源的不合理利用造成地下水位不断下降,导致地表植被枯萎、减少,植被覆盖率下降,土地荒漠化程度不断加剧,从而引起气候变暖。3)近年来安定区人口数量不断上涨,环境不断受到污染与破坏,以及城市化进程不断加快而带来的热岛效应,是安定区气温上升的又一个重要原因。对安定区近41年降水量的研究发现,安定区年均降水量在波动中呈减少趋势,但不显著,也没有发生突变。另由降水距平可以看出,安定区的降水情况也呈现明显的年代际变化特征,20世纪80-90年代,降水量较之前明显减少,进入21世纪后,又稍有回升,但增幅不大,总体来看,仍呈减少趋势。很多学者对甘肃省降水的研究也有类似结论,除河西走廊平原区局部地区、北山中山区降水量有所增加外,大部分地区降水量有所减少;定西市年均降水量呈逐渐减少的特征。另外,西北地区中西部降水量呈增加趋势,而东部区域降水呈减少趋势,具体包括青海南部,甘肃黄河以东,宁夏、陕西等地。由此看出本研究与其他研究结果一致。降水减少的原因在很大程度上与温度升高的原因类似:1)由于安定区本身位于典型的半干旱区,属于温带大陆性气候,全年降水量本来就少。2)20世纪80年代以来,人口数量的不断增长导致粮食的匮乏,使得当地人们不断砍伐树木、开荒种地,导致植被破坏严重、森林面积下降、土地荒漠化现象加重,因而造成降水量减少。3)也有研究称,温度的不断升高在一定程度上也影响了降水量的变化趋势。4年降水量的变化趋势根据安定区1970-2010年气象数据,对气温和降水的年平均变化趋势进行研究,得出如下主要结论:1)近年来,安定区年平均气温呈极为显著的上升趋势,增温速率为0.503℃·10a-1,并于1996年发生了由低到高的突变,突变后较突变前,年平均气温升高了1.3℃。研究气温年代际变化特征发现,近20年是该地区的快速升温阶段。其变化特征与我国总体变化特征相一致,造成安定区温度升高的原因在于当地所处的地理位置和环境条件,以及近年来城市化进程的加快和人口数量的不断上升。2)安定区年平均降水量在波动中呈减少趋势,递减速率为5.625mm·10a-1,但减少趋势并不显著,也没有发生突变。降水年代际的变化特征体现为,20世纪70年代降水较多,80-90年代呈减少趋势,进入21世纪后有小幅度增加,总体呈减少趋势,与我国大部分地区降水量呈增多的变化特征相反,和甘肃省河东地区降水量减少的特征相一致,究其原因,主要是由当地的自然气候条件以及当地对植被的破坏造成。总之,安定区年平均温度的上升和降水量的减少,表明了安定区的气候正在朝暖干化方向发展,这就需要人们认清其变化趋势,从而为减轻、避免其危害采取一些必要的措施。将dk标准化得到给定显著性水平α,若|u|>uα,则表明序列存在明显的趋势变化。所有的u(dk)(1≤k≤N)组成一条曲线称为正序特征曲线UF。将此方法引用到反序列,表示第i个样本xi>xj(i≤j≤N)的累计数,当i′=n+1-i时,则反序列的由下式给出:u(di)以安定区1970-2010年年平均气温数据为依据,对近41年的年际均温进行线性回归拟合(图1)发现,41年来安定区年平均气温总体呈现上升的趋势,但有一定幅度的波动,其增温速率为0.503℃·10a-1,明显高于全国平均的增温速率(0.25℃·10a-1)。利用P值检验法得到P=6.939e-09≈0,通过显著性检验(P<0.01),说明年均温线性上升趋势极为明显。再根据5年滑动平均曲线,可以看到20世纪90年代以来安定区年平均温度有明显的增加趋势。另外,41年来年均温呈上升趋势,20世纪70年代和80年代,安定区气温为负距平(表1),说明20世纪70-80年代气温偏低,但80年代气温较70年代有小幅度的提升。90年代以后,年均温高于41年的平均值,距平值为正,说明近20年是安定区的快速升温阶段,特别是进入21世纪后,气温上升幅度更大,且2006年达到了研究以来的最高值(9.4℃)。2.1.2降水年际和年代变化特征年降水量变化趋势仍采用线性趋势分析和5年滑动平均趋势分析。安定区年降水量在波动变化中呈减少趋势(图2),递减速率为5.625mm·10a-1。对回归系数进行显著性检验,得到P=0.5476,没有通过显著性检验(P>0.05),说明年降水量的减少趋势并不显著。安定区近41年来降水最多、最