西北旱区近50年气候变化分析

JournalofWaterResourcesResearch水资源研究,2016,5(6),538-552PublishedOnlineDecember2016inHans.://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2016.56063文章引用:石小平,王小静,李京京,李志.西北旱区近50年气候变化分析[J].水资源研究,2016,5(6):538-552.*CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,YanglingShaanxiReceived:Nov.15th,2016;accepted:Nov.26th,2016;published:Dec.5th,2016Copyright©2016byauthorsandHansPublishersInc.ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY).作者简介：石小平(1990-)，女，湖北黄冈人，研究生，从事气候变化及水资源方面的研究。*通讯作者。西北旱区近50年气候变化分析539西北旱区近50年气候变化分析石小平，王小静，李京京，李志*西北农林科技大学资源环境学院，陕西杨凌收稿日期：2016年11月15日；录用日期：2016年11月26日；发布日期：2016年12月5日摘要气候变化对干旱半干旱地区的影响更加显著，为此，需要明确其气候变化趋势，从而为可持续发展提供管理依据。基于152个气象站点1961~2011年降水、温度、风速、湿度和日照时数等气象资料，分析了西北旱区气候的空间分布和变化趋势。近50年，各气象要素的空间分布具有明显的梯度变化特征，最高、最低及平均温度由东南–西北方向表现出增加的趋势，而降水和相对湿度则表现出递减的趋势；在旱区西部南北条带上，日照时数和风速较高，而降水和相对湿度较低。不同要素随时间变化趋势不同，降水和温度多呈上升趋势，而日照时数、相对湿度和风速则多呈下降趋势；变化趋势的显著站点数不同，92%以上站点温度和降水的上升趋势明显，69%站点的风速下降趋势显著，约40%站点的相对湿度和日照时数下降趋势显著；各气象要素基本上都在1980s发生了突变。关键词旱区，气候变化，空间分布，时间尺度，西北1.绪论气候变化受到各种因素的影响，又对社会与自然的发展产生重要影响，人类社会环境与生态系统的状况变得越来越脆弱，与天气和气候有关的灾害给人类生产、生活及生命财产造成了巨大的损失[1][2][3]。全球范围内温度、降水等均发生明显变化[4][5][6][7][8][9]，中国地区气候也已发生明显变化[10][11][12][13]，气候变化越来越成为人们关注的重点。对气候变化趋势及其影响机制的研究，有助于预测未来气候，减少气候变化所造成的灾害。气候变化对干旱、半干旱地区的影响更加显著[14][15][16][17][18]。我国西北旱区位于中纬度地带，地域宽广，地形复杂，生态环境脆弱，是全球同纬度地区中最干旱的地区之一[19][20]。全球变暖背景下，明确西北旱区的气候变化趋势，对于分析该区农业生产和生态环境建设等具有重要的意义。但当前对该区气候变化的研究多针对单个气象要素，如对温度和降水的研究较多[21][22]，而对日照时间和相对湿度等研究较少，且研究的时间较短，站点数目和位置不同。不同研究间存在的这些差异，导致所得出的结论不统一。因此，对西北旱区进行长序列多站点的分析，有利于全面了解研究区的气候变化特征。本研究选用降水、平均温度、最高温度与最低温度、日照时数、相对湿度及风速等多个指标，基于152个气象站点1961~2011年的数据，分析西北旱区这些气象要素的空间分布与时间变化，全面了解西北旱区气候变化特征，为解释该区的其他环境变化提供相关的背景知识。2.材料与方法2.1.研究区概况西北旱区包括陕西、宁夏、甘肃、青海、新疆以及内蒙古等地区，地理位置在东经75.23˚~117.60˚、北纬西北旱区近50年气候变化分析54032.20˚~48.05˚，且多年平均温度为6.1℃，平均降水量为246.7mm，地理位置在大兴安岭以西，青藏高原和黄土高原以北的内陆地区，地处大陆的腹地，具有高山、平原、盆地等多种地形，包括天山、阿尔泰山、昆仑山和祈连山等高山，塔里木、准噶尔盆地，还有中国的四大沙漠和大片的戈壁，地理位置特殊，地形复杂，总面积为403.2km2，占我国国土面积的42%[14][15][16]。2.2.数据来源与处理选择西北旱区152个气象站点1961~2011年的气象观测资料，包括降水、温度、日照时数、相对湿度及风速等气象要素，数据来源于中国国家气象局，站点的位置和分布状况见图1。对气象要素的研究本文主要是从空间和时间这两个方面进行分析，采用反距离权重插值法(IDW)对气象因子进行空间插值，分析空间分布特征。IDW是一种加权距离平均函数，研究结果与两样本间的地理距离有关，这种方法认为两种样本之间的地理距离越近它们之间的联系也就越大，反之则联系越小，符合气象站点间的联系规律[24]，是一种精确性插值方法。气象因子时间序列分析，一方面是对单调性分析采用Mann-Kendall法，简称M-K法，是一种非参数统计检验法，检验结果不受少数异常值干扰，假设气候序列平稳且具有随机性和独立性[25][26]，利用统计量的均值和方差，将统计量标准化后通过显著性检验确定序列的增加或减少趋势。另一方面采用Pettitt方法检验各气象因子的时间突变年份，Pettitt法也是一种非参数检验方法，适合于突变点较少的情况。3.结果与分析评价3.1.气象要素的空间分布1961~2011年，旱区各气象要素具有明显的梯度分布特征。总的来说，在东南–西北方向上，平均温度、最高温度、最低温度因子和日照时数均呈现出增加的趋势，降水和相对湿度值递减；在旱区西部的南北条带上日照时数和风速值较高，而降水和相对湿度却出现了比较低的值。这与目前我国西北部分研究结论基本一致[26][27]。由(图2(a))可看出，西北旱区多年平均降水量各地不同，以陕西华山最大，为817.5mm，而新疆吐鲁番最小，只有14.8mm，平均值为246.7mm，变异系数为0.24，属中等变异。降水的空间分布的梯度变化特征明显。由东南向西北方向降水先减少后增多，最大量出现在东南部，最小值出现在新疆南部。研究区的大部分地区降水量处小于250mm和400mm的干旱、半干旱区，只有南部小部分地区属半湿润区。西北旱区平均温度(图2(b))的最低值−5.2℃出现在青海伍道梁，最高值14.8℃出现在甘肃武都，多年平均气温6.1℃，变异系数为0.13，属中等变异。除了新疆南部地区的温度高于9.0℃外，大部分地区的温度在2℃~7℃间。最高温度年均值为13.4℃，最大值出现在新疆吐鲁番(21.8℃)，最低值出现在青海伍道梁(2.4℃)；最低温度的年均值为−0.1℃，最低值在青海的清水河(−11.3℃)，最高值在甘肃武威(1.8℃)。平均、最高和最低温度的空间分布一致，总的趋势沿东南–西北方向递增，梯度分布特征较降水复杂，不同区域温度差别较大，气温的日较差从6.5到17.3℃。相对湿度(图2(c))的多年平均值为58.5%，最低值点在青海冷湖(29.2%)，最高值点在陕西武功(71.4%)，变异系数为0.06。除东南和西北少部分区域相对湿度大于55%，大部分区域相对湿度低于50%。平均日照时数(图2(d))为7.8h，介于5.2h(甘肃武都)~9.4h(青海冷湖)，变异系数为0.05，除内蒙、青湖地区的日照时数大于8h外，大部地区的日照时数在6~8h，日照时数的梯度变化特征也很显著。平均风速(图2(e)