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最陌苏
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第 2 卷第 8 期 2010 年 8 月 2010,2(8):14861492 Resources Science Vol.2,No.8 Aug.,2010 文章编号 :10077588(2010)08148607 长江近 45 年气候变化特征分析 1,2 刘光生, 王根绪 1, 胡宏昌, 任东兴 4 1,2, 孙向阳 (1.

1 第 2 卷第 8 期 2010 年 8 月 2010,2(8): Resources Science Vol.2,No.8 Aug.,2010 文章编号 : (2010) 长江近 45 年气候变化特征分析 1,2 刘光生, 王根绪 1, 胡宏昌, 任东兴 4 1,2, 孙向阳 (1. 中国科学院成都山地灾害与环境研究所山地环境演变与调控重点实验室, 成都 ; 2. 中国科学院研究生院, 北京 ;. 清华大学水利水电工程系, 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室, 北京 ; 4. 兰州大学资源环境学院, 兰州 70000) 摘要 : 气候要素序列的变化主要包括趋势变化随机变化和周期变化, 因此本文采用 MK 趋势分析 R/S 分析及小波分析研究长江近 45 年 (1961 年 2007 年 ) 气候变化特征经 MK 检验和 R/S 分析, 表明近 45 年长江气温显著升高, 增幅明显高于青藏高原平均值, 其对全球变暖的响应更为显著, 降水变化不一致, 总体呈现增加的趋势 ; 气候变暖存在非对称变化现象, 年和变化明显, 而正好相反, 年和变化显著 ; 各项气候要素变化长期相关性特征均表现为持续性, 过去总体升温的趋势预示未来气温总体趋势仍将继续上升, 降水变化趋势与过去一致 ; 小波分析结果表明, 长江各个的年降水量和年均气温的变化周期及相位都具有很好的一致性, 基本上都存 27~ 年 ~21 年 7~11 年 ~5 年等时间尺度的周期关键词 : 长江 ; 气候变化 ;MK 检验 ;R/S 分析 ;Morlet 小波 ;Meyer 小波 1 引言以全球变暖为突出标志的全球气候变化及其可能对生态系统及人类社会产生的影响, 已经引起了各国科学家政府与社会各界的极大关注, 都力求从 [1,2] 过去和现在的气候变化中展望未来的趋势目前, 作为世界第三极的青藏高原已称为继南极北极之外又一个气候变化研究的热点地区, 青藏高原的气候变化不仅是全球气候变化的重要部分, 并且由于高原的高海拔和对气候变化反映敏感的冰冻圈环境, 使其在不同时段的气候变化同其它区域相比具有幅度大频率高变化提前的特点, 对全球 [,4] 气候波动有可能起到触发器和放大器的作用位于青藏高原腹地的长江是世界上江河冰川雪山最集中的地区之一, 是长江黄河和澜沧江的发源地, 是中国最重要影响范围最大的生态 [57] 功能区近几十年来, 随着高原气候的急剧变化, 长江生态环境变化十分显著, 主要表现为湖泊萎缩河流干涸冰川退缩湿地退化水 [5,7] 土流失等方面已有的观测证据表明, 区域气候变化已经影响到世界上许多地方的各种自然和生物系统,20 年以上的长期研究揭示生物和自然系统 [8] 变化与区域气温降水变化相关, 因此区域气候特征变化是首要的焦点问题气候要素序列的变化主要包括周期变化趋势变化和随机变化, 因此, 本文对江河源区近 45 年来气候要素序列进行 MannKendall 趋势分析重标极差分析法 (Rescaled Range Analysis) 及小波分析, 研究全球变暖影响下的长江气候变化特征, 对于研究区域气候变化及其对社会经济生态系统及水资源安全的影响具有重要的意义, 同时对长江的生态建设和保护有极其重要的现实意义和应用价值 2 数据来源与研究方法 2.1 数据来源根据中国气象科学数据共享服务网 (http :/ / cdc. cma. gov. cn/ ) 提供的气象资料, 长江源有五道收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家 97 计划项目 ( 编号 :2007CB411504); 国家自然科学基金项目 ( 编号 :407064) 作者简介 : 刘光生, 男, 福建福安人, 博士生, 从事寒区生态水文过程的研究和学习 liugsh_1985@yahoo.com.cn 通讯作者 : 王根绪, wanggx@imde.ac.cn

2 2010 年 8 月刘光生等 : 长江近 45 年气候变化特征分析 1487 梁个, 黄河源有 2 个由于数相对较少, 基于宏观地理区划 [9] 为基础的长江划分方案, 在还包括站, 还包括站因此本文研究基于以上 7 个进行分析, 研究区与台站具体分布情况见图 1 所用资料为中国气象局整编的年资料, 包括年平均气温年年年年年降水量由于各个的建站观测时间不一致, 因此本文选择 1961 年以来约 45 年来的气候要素序列进行分析, 从统计意义上看, 如此长的时间序列足够获得比较可信的分析结果由于位于青藏高原东部边缘, 而位于高原腹地, 两地在地势水汽输送等方面都存在差异 [5], 对两个区域分别进行研究, 以探讨气候变化特征之间的异同 2.2 数据的消噪处理如果被研究的时间序列不独立, 那么计算出来 [10] 的趋势 Hurst 指数周期等就会产生偏差独立性的要求是指变量之间不存在相关关系, 包括线性相关和非线性相关, 因此本研究采用了 [11] prewhitened 消噪方法计算相关系数和消除相关性如果相关系数大于 0.1, 采用 prewhitened 消噪, 产生新的序列 ; 如果相关系数不大于 0.1, 将原数据序列应用于分析检验, Y t=x tr 1X t1 (1) 式中 Y t 是消噪后的序列 ;X t 是原始序列 ;r 1 为一阶滞后样本序列相关系数用下式求解 : (2) 2. MannKendall 检验 () MannKendall 非参数检验方法, 其优点是不遵从一定的分布, 也不受少数异常值的干扰, 更适合于类型变量和顺序变量, 计算也比较简便, 同时不需要事先假定数据的分布特征, 因此 MannKendall 法在趋势分析中得到了广泛的应用 [12,1] 2.4 R/S 分析 R/S 分析法, 是水文学家 Hurst 在大量实证研究的基础上提出的一种方法, 能将一个随机序列与一个非随机序列区分开来, 而且能进行非线性系统长 [10,1] 期记忆过程的探寻基于 R/S 分析计算的 Hurst 指数的大小, 可以判断该时间序列是否存在趋势性成分及其未来的变化趋势当 H=0.5, 表示气候指标完全独立, 是随机性的 ; 当 0.5<H<1.0, 表明气候指标具有持续特征, 即未来的气候变化趋势将与过去的趋势一致, 且 H 值越接近 1, 持续性就越强 ; 当 0<H<0.5, 表明气候指标具有反持续性, 气候的未来总体变化趋势将与过去相反, 且 H 值越接近 0, 反持续性就越强 2.5 周期分析方法一般来说, 趋势分析只能给出研究时段内气候因子的总体变化情况, 而小波分析的时频局部化特性可展现时间序列的精细结构, 为分析气候多时间尺度变化特征及短期气候预测等关键问题研究提供 [14] 了一种新途径本文运用 Meyer 小波及 Morlet [15] 小波, 分别分析并相互检验校正年均气温及年降水量的主要变化周期 Fig. 1 图 1 长江分布 Distribution map of the occupied station in the source region of Yangtze and Yellow River

3 1488 资源科学第 2 卷第 8 期气候要素序列的趋势分析及 R/S 分析应用 MK 检验法进行趋势分析, 对长江黄河源区近 45 年来的年平均气温年年平均最年年及降水趋势进行统计, 同时列出变化趋势幅度及置信度水平 ( 表 1) 此外, 对 6 个气候要素运用 R/S 分析研究并预测长江未来的冷暖气候变化趋势及降水的未来变化趋势 ( 表 2).1 气温变化趋势分析及 R/S 分析从表 1 可以看出, 长江 5 个气温要素的变化趋势都大于 0, 表明增温是该区的一致趋势, 尤以增温幅度最为明显长江源区的平均气温增幅分别为 0.21 /10 年 [] 0.60 /10 年, 平均气温的增幅明显高于杜军等 [17] 研究的 /10 年和刘晓东等研究 0. /10 年的青藏高原平均气温增幅, 由此可见长江在整个青藏高原中对全球变暖的响应更为显著年均最年均最年和年的增温幅度分别为 /10 年 /10 年 0.42 /10 年 /10 年, 年均最和年的 [17] 增幅最为明显, 这与在整个青藏高原的研究结论大体是一致的 ; 而 4 个气温变化要素的增幅较为均衡, 分别为 0.07 /10 年,0.1 /10 年, /10 年,0.01 /10 年, 年的增 [17] 幅最为明显, 这与刘晓东等的研究结论有所差异表 1 还表明, 长江所有的平均气温增加趋势都通过 95% 的置信度水平检验, 即在整个区域上都存在显著的增温趋势大部分的其他 4 个气温要素在 0.1 的显著性水平下增温, 长江源区年和年都通过 95% 的显著性水平检验, 而年和年极端最有一半以上的未通过 95% 的显著性水平检验 ; 而正好相反, 年低气温和年都通过 95% 的显著性水平检验, 而年均最和年一半左右的未通过检验从表 2 可以看出, 长江气温序列长期相关特征表现为持续性, 即过去气温总体升高的趋表 1 长江近 45 年气候变化趋势 Table 1 Climate changing trend over the past 45years in the source region of Yangtze and Yellow Rivers (,mm) 冻土平均降水量类型气温永久多年冻土 0.6** 0.241** 0.412** 0.** ** 永久多年冻土 0.0** 0.25** 0.1* 0.417** 岛状多年冻土 0.46** 0.452** ** 岛状多年冻土 0.75** 0.00** 0.475** 0.625** 0.786** 季节冻土 0.00** 0.269** 0.400** 0.** 0.64** 岛状多年冻土 0.81** 0.25** 0.500** 0.500** 0.912** ** 季节冻土 0.400** ** ** ** 注 : 表中所有气候要素的变化趋势都是 10 年变化趋势值 ;* 表示变化趋势的置信度为 90%,** 表示变化趋势的置信度为 95% Table 2 表 2 长江气候要素的 Hurst 指数 Hurst index of climatic elements in the source regions of Yangtze and Yellow River 平均降水量气温

4 2010 年 8 月刘光生等 : 长江近 45 年气候变化特征分析 1489 势预示未来气温总体趋势仍然继续上升长江黄河源区平均气温 Hurst 指数基本都达到或超过 0.7, 都达到较强程度, 未来气温上升幅度仍较为明显年年年极端最和年的 Hurst 指数平均值依次为 , 年和年的持续性要略高于年低气温年的持续性, 表明年高气温和年未来增幅更明显 ; 而黄河源区其它 4 个气温要素的 Hurst 指数平均值分别为 , 表明年和年未来增高趋势会更为显著综上所述, 近 45 年长江气温显著升高, 平均气温增温幅度为 0.41 /10 年, 明显高于 [,17] 青藏高原平均增幅, 表明其在整个青藏高原中对全球变暖的响应更为显著此外, 长江黄河源区气候变暖存在非对称变化现象, 和变化明显, 而正好相反, 年和变化显著其长期相关性特征都表现为持续性, 过去总体升温的趋势预示未来气温总体趋势仍将继续上升.2 降水趋势变化分析及 R/S 分析从表 1 可以看出, 长江降水的变化趋势存在较大的不一致性, 除和站呈现减少趋势, 其他各站都有不同程度的增加趋势, 等地的变化幅度最为明显, 且通过置信度 95% 的检验长江平均降水变化幅度为 0.78mm/10 年, 总体呈现增加的趋势从表 2 可以看出, 长江各站降水的 Hurst 指数都在 0.65 附近, 近 45 年来降水序列长期相关性特征表现为持续性, 未来站降水将与过去的变化趋势一致, 继续呈现减少的趋势, 长江总体将呈现增加的趋势此外, 站的 Hurst 值和降水增幅明显高于其它, 说明未来降水将持续增加且增幅要明显高于其它 4 气候要素序列的周期波动分析 4.1 Meyer 小波周期分析应用 Meyer 小波, 做分辨率为 5 的小波变换, 求取长江各代表站年平均气温系列及降水系列的重构逼近系数和重构细节系数, 通过对重构逼近系数和细节系数序列图的分析, 得到不同时间尺度下气温和降水的周期 ( 表, 表 4) 从 Meyer 小 Table 表长江年平均气温 Meyer 小波变换周期 The Meyer wavelet periodic variations of annual average temperature in the source regions of Yangtze and Yellow River ( 年 ) D5 D4 D D2 D1 21, 11 7~8,4 21~22,7~8 7~8,4 1,7~8 5 ~4 7( ) 1,8 4,6 8( ) 10 4,6 2~,4 ~17 12,7~8,9 Table 4 表 4 长江年降水 Meyer 小波变换周期 The Meyer wavelet periodic variations of annual average precipitation in the source regions of Yangtze and Yellow River ( 年 ) D5 D4 D D2 D1 22 9, 4,7~8 2~ 21 2~,4 7( ) 17 4,6 2~ ~7,4 2~,4 7( ) 21~ ~8 4~6,4 8( ) 21~22 12,8

1490 资源科学第 2 卷第 8 期波分析结果可以看出, 长江年平均气温普遍存在 ~18 年的中长周期以及 6~7 年 4~6 年以及 2~ 年的短周期 ; 降水存在 21~22 年年的中长周期以及 6~8 年和 2~4 年的较短周期其中, 较长周期因为时间序列的长度有限, 不确定性较大, 相对而言, 中短周期和短周期重现性较好, 周期也比较稳定 4.

5 1490 资源科学第 2 卷第 8 期波分析结果可以看出, 长江年平均气温普遍存在 ~18 年的中长周期以及 6~7 年 4~6 年以及 2~ 年的短周期 ; 降水存在 21~22 年年的中长周期以及 6~8 年和 2~4 年的较短周期其中, 较长周期因为时间序列的长度有限, 不确定性较大, 相对而言, 中短周期和短周期重现性较好, 周期也比较稳定 4.2 Morlet 小波分析由于年均气温和降水量序列长度较短, 不能反映趋势周期, 为此进行 Morlet 小波分析及小波方差分析站年平均气温 Morlet 小波变换系数图及小波方差图分别见图 2 图 ( 其它图略 ), 得到长江年平均气温及降水 Morlet 小波变换周期见表 5 从表 5 可以看出, 长江近 45 年来年均气温较明显的存在 27 年尺度的年代际周期变化, 以及 10~12 年年尺度的年际周期变化长江近 45 年来的年代纪气温变化中, 年平均气温变化出现冷暖交替的 2~ 次波动, 站存在 2 次明显的气温升高期 (20 世纪 70 年代前期 80 年代后期 ), 站存在次明显的气温升高期 (20 世纪 70 年代前期 80 年代后期及 21 世纪初 ), 其中 21 世纪初升高较为显著, 长江气温变化基本一致, 局部存在一些滞后效应, 大部分最后一个暖期刚开始或仍未闭合, 表明未来气温将继续偏高同时, 长江近 45 年来降水较也明显存在 27~ 年 ~21 年尺度的年代际周期变化, 以及年尺度和 8~11 年 ~5 年尺度的年际周期变化, 降水的周期变化与平均气温的周期变化具有很好的一致性长江近 45 年来的年代纪降水变化中, 有 1 个最明显的高值中心在 21 世纪初期 (2000 年 2004 年 ), 有 2 个次高值中心在 20 世纪 60 年代中期 (1964 年 1968 年 ) 和 80 年代中期 (1984 年 1987 年 ), 有 2 个明显的低值中心在 20 世纪 70 年代中期 (1974 年 1976 年 ) 和 90 年代中期图 2 站年平均气温 Morlet 小波 Fig. 2 Morlet wavelet of annual average temperature of Wudaoliang staion in the source region of Yangtze River 图站年平均气温小波方差 Fig. Morlet wavelet variations pattern of annual average temperature of Wudaoliang staion in the source region of Yangtze River 表 5 长江年平均气温及降水 Morlet 小波变换周期 Table 5 The Morlet wavelet periodic variations of annual average temperature and precipitation in the source regions of Yangtze and Yellow River ( 年 ) 年平均气温反映周期年代际尺度年际尺度年降水反映周期年代际尺度年际尺度 27~ * 11* 5* 27~ 19~21 7~ * 5* 15~ 5~ ~21 9 * 20~21 6~ ~11 24~25 11~12 * 27~ 11~ ~ ~20 5 2~24 8~10* 4 27~ 20 8~9 5 注 :* 表示 Morlet 小波变换周期

6 2010 年 8 月刘光生等 : 长江近 45 年气候变化特征分析 1491 (199 年 1996 年 ) 长江近 45 年来的年代纪降水变化中, 存在次明显的降水增加期 (20 世纪 60 年代中期 80 年代中期及 21 世纪初 ), 降水变化相位基本一致, 局部存在一些滞后效应综上所述, 对 Meyer 和 Morlet 小波分析结果进行对照, 长江各个的年降水量和年均气温的变化周期及相位都具有很好的一致性, 局部地区存在一些滞后效应, 基本上都存 27~ 年 ~21 年 7~11 年 ~5 年等时间尺度的周期 5 结论气候要素序列的变化主要包括趋势变化随机变化和周期变化本文采用 MK 检验 R/S 分析 Morlet 和 Meyer 小波分析研究长江近 45 年气候变化特征, 得出以下结论 : (1) 近 45 年长江气温显著升高, 增幅明显高于青藏高原平均值, 对全球变暖的响应更为显著, 降水变化不一致, 总体呈现增加的趋势 (2) 气候变暖存在非对称变化现象, 年和变化明显, 而正好相反, 年和变化显著 () 各项气候要素变化长期相关性特征均表现为持续性, 过去总体升温的趋势预示未来气温总体趋势仍将继续上升, 降水变化趋势与过去一致 (4) 长江各个的年降水量和年均气温的变化周期及相位都具有很好的一致性, 基本上都存 27~ 年 ~21 年 7~11 年 ~5 年等时间尺度的周期参考文献 (References): [ 1 ] 秦大河, 丁一汇, 苏纪兰, 等. 中国气候与环境演变 [M]. 北京 : 科学出版社,2005. [ 2 ] 吴绍洪, 尹云鹤, 郑度, 等. 青藏高原近 0 年气候变化趋势 [J]. 地理学报,2005,60(1):11. [ ] 李潮流, 康世昌. 青藏高原不同时段气候变化的研究综述 [J]. 地理学报,2006,61():275. [ 4 ] 郑度, 李炳元. 青藏高原地理环境研究进展 [J]. 地理科学,1999, 19(4): [ 5 ] 王根绪, 程国栋, 沈永平. 江河源区的生态环境变化及其综合保护研究 [M]. 兰州 : 兰州大学出版社,2001. [ 6 ] 陈克龙, 李双成, 周巧富, 等. 江河源区县近 50 年气候变化的多尺度分析 [J]. 地理研究,2007,26(): [ 7 ] 杨建平, 丁永建, 陈仁升, 等. 长江生态环境变化综合研究 [M]. 北京 : 气象出版社,2006. [ 8 ] IPCC. Climate Change 2001: Impacts, Adaptation & Vulnerability [R]. Cambridge: Cambridge University Press, [ 9 ] 刘迎春. 江河源生态环境对其流域的影响 [A]. 青海资源环境与发展研讨会论文集 [C]. 北京 : 气象出版社, [10] Sheng Yue, ChunYuan Wang. Applicability of prewhitening to eliminate the influence of serial correlation on the MannKendall test[j].water Resources Research,2002,8(6): [11] Xu Z.X., K. Takeuchi, H. Ishidaira. Monotonic trend and step changes in Japanese precipitation[j]. Journal of Hydrology, 200, 279(14): [12] 马柱国, 魏和林, 符淙斌. 中国东部区域土壤湿度的变化及其与气候变率的关系 [J]. 气象学报,2000,58(): [1] 冯新灵, 冯自立, 罗隆诚, 等. 青藏高原冷暖气候变化趋势的 R/S 分析及 Hurst 指数实验研究 [J]. 干旱区地理,2008,1(2): [14] 杨建平, 丁永建, 陈仁升. 长江水文和气象序列周期变化分析 [J]. 中国沙漠,2005,25():5155. [15] 邵晓梅, 许月卿, 严昌荣. 黄河流域降水序列变化的小波分析 [J]. 北京大学学报 ( 自然科学版 ),2006,42(4): [] 杜军. 西藏高原近 40 年的气温变化 [J]. 地理学报,2001,56(6): [17] Liu Xiaodong, Chen Baode. Climatic warming in the Tibetanan plateau during recent years[j]. International Journal Of Climatology, 2000, 20: [18] 陈芳, 马英芳, 申红艳, 等. 近 44 年气候变化的若干统计分析 [J]. 气象科技,2007,5():4044. [19] 孙永亮, 李小雁, 许何也. 近 40 年来青海湖流域逐日降水和气温变化特征 [J]. 干旱气象,2007,25(1):711.

7 1492 资源科学第 2 卷第 8 期 Climate Change Characteristics in the Source Regions of the Yangtze River and Yellow River over the Past 45 Years LIU Guangsheng 1,2,WANG Genxu 1,HU Hongchang,REN Dongxing 4,SUN Xiangyang 1,2 (1. Key Laboratory of Mountain Environment Evolvement and Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu , China; 2. Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing , China;. State Key Laboratory of Hydroscience and Engineering, Department of Hydraulic Engineering, Tsinghua University, Beijing , China; 4. School of Resources and Environmental Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 70000, China) Abstract: The QinghaiTibet Plateau, which houses the greatest portion of high altitude permafrost in the world, is extremely sensitive to global warming. The source region of the Yangtze River and Yellow River are the most critical parts of the QinghaiTibet Plateau. Meteorological series change is primarily composed of trend, random and periodic change. In the present work, the time series of mean annual temperature, mean maximum temperature, extreme maximum temperature, mean minimum temperature, extreme minimum temperature and precipitation in seven meteorological stations in the source region of the Yangtze River and Yellow River over the past 45 years ( ) were detected, with analyzing the climate change characteristics using the MannKendall technique, rescaled range analysis and wavelet analysis. Results showed that the air temperature became warmer obviously over the past 45 years across the source region of the Yangtze River and Yellow River at a rate of 0.41 /10a, which was faster than the mean rate of the QinghaiTibet Plateau. This could evidence a more evident response to global warming in the region. The precipitation showed a general increasing trend at a rate of 0.78mm/10a, whereas precipitation variations among sites were inconsistent, some sites increasing but others decreasing. There had an asymmetric phenomenon in temperature rise, indicating that mean maximum and extreme maximum temperature changed significantly in the source region of the Yangtze River; however, the mean minimum and extreme minimum temperatures changed distinctly in the source region of the Yellow River. Future trends in the meteorological series were predicated with the Hurst index obtained from R/S analysis. All the Hurst indices were found to be greater than 0.5, which indicated that the longterm characteristics of the meteorological series were all persistent. Therefore, the air temperature would continue to rise and precipitation variations would be similar to the past trends in the future. The Morlet and Meyer waveletbased analyses showed that periodic variations and phase of precipitation and mean annual temperature were similar to each other, except for some sites having the hysterics effect, all showing periodic variations of 27, 21, 711, and 5 years. There existed 2 highvalue centers and lowvalue centers in the periodic variations in precipitation and temperature. In this study, a relatively short time series of 45 years was used, which may result in certain errors. However, these results would be helpful for regional water resources planning and management, and be beneficial to studies on the influence of global warming on ecosystem evolution, permafrost degradation and water resources safety. Key word: Source regions of the Yangtze River and Yellow River; Climate change; MK test; R/S analysis; Morlet wavelet; Meyer wavelet

4期

中国农学通报 05,3(4):58-63 Chinese Agricultural Science Bulletin 近 50 年青海海南地区灾害性天气事件变化特征李金红, 丁生祥, 郭连云 ( 青海省海南州气象局, 青海共和 83099; 青海省同德县气象局, 青海同德 830) 摘要 : 为