第 28 卷第 4 期 2010 年 12 月文章编号 :1006-7639(2010)-04-0411-07 干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.28 No.4 Dec,2010 近 50a 金昌市气候逐渐转入相对暖湿分析 滕水昌 1, 赵明瑞 2, 翟诚 3, 殷玉春 4 1, 王生元 (1. 甘肃省永昌县气象局, 甘肃永昌 737200;2. 甘肃省民勤县气象局, 甘肃民勤 733300; 3. 甘肃省金昌市气象局, 甘肃金昌 737100;4. 甘肃省武威市气象台, 甘肃武威 733000) 摘要 : 利用线性 多项式回归法对金昌市永昌县气象观测站 (1959~2009 年 ) 月 季 年平均气温序列 降水量进行连续性变化趋势分析, 确定该区域的气温 降水 干燥度变化趋势 应用 Mann-Ken dal 法, 滑动 T- 检验法和 Yamamoto 法检验气温序列变化的不连续性, 确定突变的时间 结果表明 : 永昌县平均气温均呈升温趋势, 进入 1990 年代至今气温持续走高, 突变发生在 1996 年 50a 的年降水量也呈波动上升趋势, 从 1983 年以来降水呈相对增加态势,1992~2009 年降水量比气候平均值年均多 20.6mm, 增幅相对较大, 降水量序列突变时间是 1984 年 50a 中 86% 的年份气候处于半干旱状态, 而且具有准 3a 的波动周期,1960 年代和 1990 年代初气候较干旱, 历史上最干旱年份出现在这一时期,1970~1978 年 1992~2009 年气候相对湿润,1998 年至今无霜期明显延长, 气候有逐渐转入相对暖湿的趋势特点 关键词 : 年平均气温 ; 年降水量 ; 干燥度 ; 无霜期 ; 变化特征中图分类号 :P468.0 文献标识码 :A 引言 气候变化及影响是当今国际上广泛关注的热点 据 IPCC 气候变化 2007 报告指出, 近 100a (1906~2005 年 ) 地球表面平均温度上升了 0.74, 近 50a 的线性增温速率为 0.13 /10a,1850 年以来最暖的 12 个年份中有 11 个出现在近期的 1995~2006 年, 全球变暖已经是不争的科学事实, 报告认为人类活动是近 50a 全球气候系统变暖的主要原因 从 1961~1993 年, 全球海平面上升的速率已经从每年 1.8mm 增加到 3.1mm 海平面上升的原因是热量扩展 冰川 冰盖以及极地冰层的消融 报告预计, 本世纪末, 全球气温可能上升 1.1~ 6.4, 海平面将上升 18~59cm [1] 我国气候变暖与全球气候变化是同步的, 北方地区增温幅度最为明显, 年平均气温变化趋势为 0.2~0.8 /10a [2] 施雅风等提出了我国西北气候 20 世纪从暖干型向暖湿型的转变趋势 [3] 陈仁升等研究表明: 河西地区的平均气温呈上升趋势, 中西部降水增加趋势明显 [4], 贾文雄等研究指出, 河西走廊气温 1990 年代升温趋势明显, 降水也有增加明显 [5] 甘肃金昌市 是资源型工业城市, 所属永昌县是其水源供给地, 而且是全国农业生产大县, 其中水资源短缺对工农业生产的影响最大 因此, 研究其降水量和气温及干湿变化规律对工农业和经济发展具有积极意义 1 研究区域概况与资料方法 1.1 自然环境概况金昌因金川公司设市, 原本为永昌属地 地处河西走廊中段过渡地带, 腾格里沙漠边缘地理位置特殊, 全市呈明显的立体气候特征, 气象灾害种类多 发生频率高, 是全国 108 个重点缺水城市之一 北部地势平坦, 干旱少雨, 炎热干燥, 日照丰富 ; 南部山峦叠加, 海拔高而潮湿多雨, 气候寒冷, 终年无夏 呈现以大陆性沙漠干旱气候为主和南部祁连山高寒气候为辅的特征 1.2 资料与方法本文资料采用金昌市永昌县站 1959~2009 年气象观测资料, 选取年降水量 平均气温 无霜期等资料, 运用线性 多项回归拟合方法分析其变化趋势, 在此基础上, 用 Mann-Kendal 法, 滑动 T 检验 收稿日期 :2010-03-02; 改回日期 :2010-09-25 作者简介 : 滕水昌 (1966-), 男, 甘肃武威人, 工程师, 主要从事天气预报分析研究.E-mail:yctsc@126.com JournalofAridMeteorology,2010,28(4):411-417 411
412 干旱气象 28 卷 [6] 及 Yamamoto 法进行突变分析, 通过对比确定较为显著的突变年份 采用谢良尼诺夫公式 [7] ( 张宝 1959):K =0.16 T 10, 其中 T R 10 是全年 >10 的 10 积温,R 10 是 >10 期间的降水总量,K 为干燥度 demartonne 提出的干燥度计算公式 [7] :I dm =P/(T +10) 式中 P 为降水量,T 为平均温度,I dm 为 de Martonne 干燥度, 探索区域气候干湿变化的特征 2 结果分析 2.1 气温变化特征 2.1.1 年平均气温变化特征图 1 为 1959~2009 年永昌县年平均气温距平和 5a 移动平均 ( 直线为气温趋势线 ), 反映出近 50 a 永昌县年平均气温总体呈上升趋势, 平均增温率达 0.26 /10a, 其变化趋势与甘肃河西走廊中部气温的变化趋势 [5] (0.259 /10a) 相一致 在 1960~1970 年代气温略低,1967 年出现了 50a 来的最低值 (3.8 ), 平均气温距平分别为 :-0.2,-0.3,1980 年代持平 1960 年代 1970 年代 1980 年代 1990 年代气温的年际变化倾向率分别为 -0.95 0.52 0.32 0.64 /10a 进入 1990 年代至今气温持续走高,2000~2009 年气温的年际变化倾向率为 0.78 /10a, 正距平平均为 0.6 / 10a; 除 1993 1995 1996 年气温稍低外, 其他年份都在平均值以上 1998 2006 2009 年气温达到 50 a 来的最高值, 比历史均值高 1.4 变化都是增高趋势,1960~1980 年代各季气温较低, 进入 1990 年代至今各季气温明显升高, 特别是 2000 年后气温上升显著 通过对 4 季气温的年变化分析 ( 图 2), 各季均呈非连续性增暖趋势 春 夏季气温变化有着相似的特点, 气温从 1960 年代前期到 1990 年代前期均呈连续性下降趋势,1970~1980 年代变化平缓,1996 年后温度持续上升, 且近 13a 夏季的增幅大于秋季 ; 秋季 1975~1998 年之前气温波动较为剧烈, 在 1960~1975 年气温持续偏低, 近 10a 明显增暖 ; 冬季以 1978 年为界, 在此之前冬季温度绝大多数年份温度距平都在均值以下, 气温相对较低 ;1978 年后冬温基本呈上升态势,1989 到今增高趋势明显 经计算,50a 间春季气温平均增暖率为 0.23 /10a; 夏季平均增暖率为 0.24 /10 a; 秋季平均增暖率为 0.24 /10a; 冬季平均增暖率为 0.38 /10a, 冬季增暖率最大, 春夏秋 3 季增暖率相近, 从 4 季年代际变化看春夏季增温对本地气候变暖的贡献最大 表 1 永昌县年代际 4 季气温距平变化 ( 单位 : ) Tab.1 Thedecadalchangeofseasonaltemperature anomalyinyongchangcounty(unit: ) 年代 冬 春 夏 秋 年 1960 年代 -0.8 0.1 0.1-0.2-0.2 1970 年代 -0.3-0.3-0.3-0.6-0.3 1980 年代 -0.2-0.2-0.1-0.4-0.1 1990 年代 0.5 0.2 0.3 0.0 0.3 2000~2009 0.7 1.0 1.0 0.7 0.8 图 1 1959~2009 年永昌县平均气温距平年际变化趋势 (1959~2009) Fig.1 Theannualchangeofaveragetemperature departureinyongchangcountyduring1959-2009 2.1.2 气温季节变化特征从表 1 中看出春 夏 秋 冬季气温距平年代际 2.2 降水量变化特征 2.2.1 年降水量变化金昌市近 50a 的年降水量也呈波动上升趋势, 1960 年代降水量增长率为 -23.5mm/10a,1970 年代降水量增长率为 -11.8mm/10a,1980 年代降水量增长率为 0.98mm/10a,1990 年代至今降水量增长率为 13.7mm/10a 图 3 表示出永昌县 1959 ~2009 年的降水量变化情况, 可以看出, 年降水序列存在准 3a 的波动周期,1982 年以前年降水量多数年份低于气候平均值 (201.7mm),1983~1991 年降水量波动较大, 在 50a 的降水序列中年降水量超过均值的年份共有 23a, 其中,1960 年代 4a, 1970 年代 3a,1980 年代 4a,1990 年代至今 12a, 占总数的 52%,1992 年后的 18a 降水量增加幅度相 412 JournalofAridMeteorology,2010,28(4):411-417
第 4 期 滕水昌等 : 近 50a 金昌市气候逐渐转入相对暖湿分析 413 图 2 永昌县春夏秋冬季平均气温年际变化趋势 (1959~2009) Fig.2 TheannualchangeofseasonalaveragetemperatureinYongchangcountyduring1959-2009 图 3 永昌县降水量年际变化趋势 (1959~2009) Fig.3 Theyearlychangeofannualprecipitation inyongchangcountyfrom1959to2009 对较大, 年均比气候平均值多 20.6mm,80% 的年份都超过平均值, 到 2007 年达到历史最大值 (294.6 mm), 在这一时期大雨和极端降雨事件有增多趋势,>10mm 的雨日比历史均值 (4.4 次 ) 也有所增加, 平均达 5.1 次 1993 年达到历史次值 278.5 mm,2002 年 269.7mm,2003 年后降水呈趋多之势, 多数年份降水量都接近或超过平均值 (201.7mm) 可以认为 1992 年是降水量发生显著变化的转折点 从 5a 滑动曲线也可以明显看出,50a 降水量呈缓慢增加的趋势,1970 年代到 1980 年代降水量相对平缓,1990 年代初期波动剧烈, 而从 1987 年以来降 水是一个相对增加态势 2.2.2 降水量季节变化从表 2 中看出, 各季降水量变化差异较大,50a 中, 春季在 1960~1980 年代,1990 年代前期至今降水偏多,1970 年代略少 ; 夏季 1960~1970 年代略少,1990 年代略多,1980 年代和 2000~2009 年降水变化正常 ; 秋季 1960 年代 1970 年代和 2000~2009 年降水偏多,1980~1990 年代降水偏少 ; 冬季 1970 年代降水略多,1960 与 1990 年代降水偏少,1980 年代和 2000~2009 年降水保持正常 从多项式拟合结果图 4 中也可以看到 : 春季降水呈非线性增加趋势, 夏季降水呈减少趋势, 秋季降水呈增加趋势, 表 2 永昌县 4 季降水距平百分率年代际变化 Tab.2 Thedecadalchangeofseasonalprecipitation anomalypercentageinyongchang 年代 冬 春 夏 秋 年 1960 年代 -10.0% 10.0% -20.0% 10.0% -10.1% 1970 年代 10.0% -20.0% -20.0% 30.0% -4.9% 1980 年代 0.0% 10.0% 0.0% -20.0% 0.9% 1990 年代 -20.0% 20.0% 10.0% -20.0% 2.0% 2000~2009 0.0% 20.0% 0.0% 30.0% 10.7% JournalofAridMeteorology,2010,28(4):411-417 413
414 干旱气象 28 卷 图 4 永昌县春夏秋冬降水量年际变化趋势 (1959~2009) Fig.4 TheyearlychangeofseasonalprecipitationinYongchangfrom1959to2009 冬季降水呈减少趋势 2000 年后春秋降水呈增加趋势, 冬夏季表现减少 春季降水量增加率最大, 秋季次之, 冬夏季变干 结合 50a 的气温分析, 得出金昌春 秋季趋于暖湿的气候变化特征 2.3 气候变化的突变分析气候突变是指一种相对稳定的气候状态在短期时间内转变为另一种稳定气候状态的现象 选用 Mann-Kendal 法, 经计算所有 UF K 组成一条曲线 UF 在显著性水平(α=0.05,U 0.05 =±1.96), 但 UF K > U a 时, 表明序列存在明显的增长或减少趋势 同样在反序列中, 得到另一条曲线 UB 如果 UF 和 UB 曲线出现交点, 且交点在临界线之间, 则此交点就是突变的时间 通过对 1959~2009 年平均温度变化分析, 表明 1980~1990 年代增暖趋势明显, 特别是 1990 年代后期增暖趋势均超过 0.05 临界线甚至超过 0.01 显著性水平 (U 0.01 =2.56), 表明永昌县气温的上升趋势十分显著 1993 年 UF 和 UB 曲线出现交点, 1993 年可能是永昌县气温突变的时间, 比 1996 年 河西走廊地区气温出现突变的时间早 3a [5] 用 5a 滑动 T 检验法分析, 永昌县年平均气温呈波动上升趋势,50a 共有 6 次明显的波动, 分别在 1983 1992 2003 和 2009 年达到波峰 ; 在 1970 1974 1984 和 1996 年达到波谷 取信度 α=0.01, 临界值 t α =4.032, 对温度序列分别取不同的 n 1 和 n 2, 计算 t 0 的值, 结果发现, 当 n 1 =38,n 2 =13 即将序列分为 1959~1996 年和 1997~2009 年 2 个子序列时, t 0 =7.178, 达到最大值, 远 >4.032, 说明序列中存在均值突变现象, 气温在 1996 年之后都是正距平, 而在其之前 21a 距平为负距平 而且从 1997 年至今气温呈明显增高趋势, 这表明 1996 年是温度增高的转折点 这一结果与河西走廊地区气 [5] 温出现突变的时间是一致的 气温突变趋势曲线见图 5 Yamamoto 法对上述可能突变点时间点进行检测,1996 年 SBN=1.2428>1,1993 年 SBN= 0.9359<1, 被检测点 1996 年则为气候突变点 综合以上分析,1996 年确定为 50a 气温序列突变点是较为合适的 414 JournalofAridMeteorology,2010,28(4):411-417
第 4 期 滕水昌等 : 近 50a 金昌市气候逐渐转入相对暖湿分析 415 图 5 永昌县气温年际突变趋势 (1959~2009) Fig.5 TheyearlyabruptchangeoftemperatureinYongchangcountyfrom1959to2009 用 Mann-Kendal 法通过对 1959~2009 年年降水量变化分析 ( 信度 α=0.05, 临界值 t α = 1.69), 表明降水量序列突变时间是 1966 年和 1984 年, 而其它交点处表现不够明显, 曲线波动较大 用 3a 滑动 T 检验法分析, 永昌县年降水量总体呈波动上升的趋势,50a 中共有 8 次明显的波动, 1963~1969 年降水是少 多,1970~1981 年是一个相对平稳期,1982~1991 年处于剧烈变动期,1992 ~2009 年是缓慢增加期 取信度 α=0.05, 临界值 t α =3.182, 对降水序列分别取不同的 n 1 和 n 2, 计算 t 0 值 结果发现, 当 n 1,n 2 取不同的值时, 序列 : 1959~1963 年,1964~2009 年 ( t 0 =3.747> t α ),1959~1966 年,1967~2009 年 ( t 0 =3.194 >t α ), 而 1959~1982 年,1983~2009 年 ;1959~ 1984 年,1985~2009 年 ;1959~1991 年,1992~2009 年 ( t 0 值 <t α ( t 0 最大值 3.044)), 这表明均值的变化在 1963 和 1966 年是显著的, 而在 1982 1984 1992 年是不显著的 但对 50a 降水序列分析时, 在 1963 1982 1992 降水存在由少变多的特征, 与 M-K 方法得到的结果存在一定的差异, 突变趋势分析曲线见图 6 综合以上分析,50a 来永昌县年降水突变可能发生的时间是 1963 1966 1982 1984 1992 年 图 6 永昌县降水年际突变趋势 (1959~2009) Fig.6 TheyearlyabruptchangeofprecipitationinYongchangfrom1959to2009 同时, 利用 Yamamoto 法对上述可能突变时间点进行检测, 从检测表 3 中可以得出 1963 年才是降水突变点 通过上述分析,1963 年虽是突变点, 但从 1959~1963 年序列很短 ( 仅 4a) 不足以充分反映 50a 降水序列的转变, 而从 M-K 检验的结果和降水序列曲线分析,1984 年后呈持续上升, 趋势突变确定为 1984 年较妥 表 3 Yamamoto 检验法求对应时间点突变的真假性 Tab.3 Yamamototestofcorespondingtimetoseekthe truthorfalsityofprecipitationabruptchangeyear 年份 1962 1963 1966 1982 1984 1992 SBN 0.8985 1.0391 0.6598 0.3703 0.5236 0.4692 真假性假真假假假假 JournalofAridMeteorology,2010,28(4):411-417 415
416 干旱气象 28 卷 2.4 干燥度变化特征分析通过计算永昌县 50a 修正后的谢良尼诺夫 K 干燥度, 得到如下变化曲线 : 根据谢氏干燥度对气候类型的划分 [7],1~1.5 为半湿润,1.5~4.0 为半干旱的划分标准, 永昌县 50a 中 86% 的年份气候处于半干旱状态, 而且具有准 3a 的波动周期,1960 年代和 1990 年代初期气候较干旱, 历史上最干旱年份出现在这一时期, 其中 1991 年大旱,1963 年次之,1980 年代 波动较大,1970~1978 年 1992~2007 年气候相对湿润 同时, 通过对永昌县 50a 的 Martonne 干燥度的计算分析也得到与之相似的统计分析结果 ( 干燥度指数 I dm <10 表示严重干旱,10~30 表示中等干旱, >30 表示气候湿润 [7] ) 在具体分析中, 对计算结果均加 10, 以便和 demartonne 干燥度规定的标准相适应 通过以上分析和拟合曲线可以看到, 气候有可能转湿的变化趋势 干燥度趋势曲线见图 7 图 7 永昌县干燥度年际突变趋势 (1959~2009) Fig.7 TheabruptchangetrendofannualdrynesinYongchangfrom1959to2009 2.5 无霜期变化特征无霜期时间的长短是表征一个地方热量资源的重要参数 在研究作物气象模式和分析气候资源和防御农业气象灾害中都是重要的研究内容 永昌县 50a 的无霜期平均值为 109d, 最长为 158d(2008 年 ), 最短为 76d(1969 年 ), 相差 82d 无霜期天数随时间的变化呈振荡正相关增加趋势 ( 图 8),1960 年代平均无霜期日数比平均值少 5d;1970 年代平均无霜期日数比平均值少 8d;1980 年代平均无霜期日数比平均值多 10d;1990 年代平均无霜期日数比平均值少 6d;2000~2009 年平均无霜期日数比平均值多 24d 为了进一步分析无霜期的变化, 采用 3a 移动平均法, 可以看出无霜期的变化有如下 3 个阶段 :(1)1959~1984 年期间的 26a 为无霜期偏短阶段,75% 的年份年份都在平均值以下, 也是 50a 中气温较低的时期 ; 其中, 只有 1965 1967 1978 1981 1983 年无霜期略长, 比气候均值平均多 12d; (2)1991~1997 年为无霜期振荡转折阶段 ;(3)1985 ~1990 年,1998~2009 年无霜期明显延长, 分别比气候均值平均多 17d,20d, 近 10a 平均无霜期比气 候均值增加 24d,1998~2009 年也是 50a 中永昌县平均气温最高的时期 图 8 永昌县无霜期年际变化趋势 (1959~2009) Fig.8 Theyearlychangeoffrost-free periodinyongchang 3 结论 (1) 金昌市永昌县年平均气温呈上升趋势, 其变化趋势与甘肃河西走廊气温的变化趋势相一致 (2) 年降水量也呈波动上升趋势, 春 秋季趋于暖湿, 而冬 夏季趋向于暖干的气候变化特征 1970 416 JournalofAridMeteorology,2010,28(4):411-417
第 4 期 滕水昌等 : 近 50a 金昌市气候逐渐转入相对暖湿分析 417 ~1978 年 1992~2009 年气候相对湿润,1980 年代波动较大 (3) 气温突变时间是 1996 年, 与河西走廊气温发生突变时间是一致的 年降水序列存在准 3a 的波动周期,1984 年后降水发生了由少变多的趋势转变, 是 50a 来降水突变的时间点 (4) 无霜期变化受气温普遍升高的影响, 呈增加趋势,1959~1984 年为无霜期较短的阶段,1998 年后无霜期偏长, 近 10a 无霜期平均增加 24d, 增加幅度较大 这也是近年来区域气候变暖最明显的反映 (5) 通过 50a 降水量 温度 干燥度综合分析, 可以认为金昌市永昌县气候进入 1990 年代以来整体趋于暖湿化, 对其工农业及经济社会发展和自然生态改善是一个积极的因素 参考文献 : [1] 秦大河, 陈振林, 罗勇, 等. 气候变化科学的最新认知 [J]. 气候变化研究进展,2007,3(2):63-73. [2] 郭志梅, 缪启龙, 李雄. 中国北方地区近 50 年来气温变化特征及其突变性 [J]. 干旱区地理,2005,28(2):176-182. [3] 施雅风, 沈永平, 李栋梁, 等. 中国西北气候由暖干向暖湿转型的特征和趋势探讨 [J]. 第四纪研究,2003,23(2):153-165. [4] 陈仁升, 康尔泗, 杨建平. 甘肃河西地区近 50 年气象和水文序列的变化趋势 [J]. 兰州大学学报 ( 自然科学版 ),2002,38(2): 163-170. [5] 贾文雄, 何元庆, 李宗省. 近 50a 河西走廊气温变化平原区气候变化的区域特征和突变分析 [J]. 地理科学,2008,28(4):512-530. [6] 魏风英, 现代气候诊断与预测技术 [M]. 北京 : 气象出版社, 1999.69-75. [7] 孟猛, 倪健, 张治国. 地理生态学的干燥度指数及其应用评述 [J]. 植物生态学报,2004,28(6):582-861. [8] 许何也, 李小雁, 孙永亮. 近 47a 来青海湖流域气候变化特征分析 [J]. 干旱气象,2007,25(2):50-54. [9] 王素萍, 宋连春, 韩永翔. 河西走廊地区气候和绿洲生态研究的若干进展 [J]. 干旱气象,2006,24(2):57-60. [10] 张国胜, 李林. 祖厉河流域近 50a 降水变化及典型人类活动对降水的影响 [J]. 干旱气象,2009,27(3):221-226. [11] 乜国妍, 秦宁生, 汪青春, 等. 青海高原地区近 250a 来年平均气温变化及突变分析 [J]. 干旱气象,2007,25(2):56-60. [12] 李鸣骥, 石培基, 韩虹. 黑河流域张掖市近 38a 以来气候变化特征分析 [J]. 中国沙漠,2007,27(6):1048-1054. [13] 李栋梁, 魏丽, 蔡英等. 中国西北现代气候变化事实与未来趋势展望 [J]. 冰川冻土,2005,25(2):135-141. [14] 李占玲, 徐宗学. 甘肃省 40 年来气温和降水时空变化 [J]. 应用气象学报,2009,20(1):103-106. [15] 符淙斌, 王强. 气候突变的定义和方法 [J]. 大气科学,1992,16 (4):482-493. ClimateAnalysisinRecent50YearsinJinchangofGansuProvince TENGShuichang 1,ZHAOMingrui 2,ZHAICheng 3,YINYuchun 4,WANGShengyuan 1 (1.YongchangMeteorologicalStationofGansuProvince,Yongchang737200,China;2.MinqinMeteorologicalStationof GansuProvince,Minqin733000,China;3.JinchangMeteorologicalBureauofGansuProvince,Jinchang737100,China; 4.WuweiMeteorologicalBureauofGansuProvince,Wuwei733000,China) Abstract:Themonthly,seasonalandannualaveragetemperatureseries,precipitationinYongchangduring1959-2009wasanalyzed usinglinearandpolynomialregresionmethods.theresultsshowthattheaveragetemperaturepresentedincreasingtrend,theabrupt changeoccuredin1996fortemperature.theannualprecipitationalsoshowedincreasetrendsince1983,andduring1992-2009an nualprecipitationwas20.6mmmorethanclimateaveragevalue,andabruptchangeoccuredin1984forprecipitation.inthe1960s andtheearlyof1990s,itwasrelativelydry,thedriestyearinhistoryoccuredinthisperiod,andduring1970-1978,1992-2009it wasrelativelyhumid,thefrost-freeperiodprolongedsince1998,anditwasgradualymovingtotherelativelywarmandhumidperi od. Keywords:annualaveragetemperature;annualrainfal;drynes;frost-freeperiod;variation JournalofAridMeteorology,2010,28(4):411-417 417