近46 a来河西走廊绿洲最高、最低气温变化的区域特征及突变分析

马亚兰,刘普幸,霍华丽

(西北师范大学地理与环境科学学院,甘肃兰州730070)

IPCC第4次评估报告指出,过去100 a来全球地表温度升高0.74℃,变暖幅度自20世纪90年代以来明显加速,未来100 a全球气温将升高1.1℃～6.4℃[1]。而极端气温是反映气候冷暖变化程度的重要标志[2],对陆地生态来说,最高、最低气温的变化对环境和植物生理活动有着重要作用。日间最高气温变化影响到植物光合作用、果品品质、冰川积雪融化等;夜间最低气温则影响作物呼吸、干物质积累等。因此,对最高、最低气温变化的研究具有重要的生态与环境指示意义[3]。

国内外学者对全球变暖背景下最高、最低气温的变化已经进行了一系列的研究。国外Karl等人[4]的研究揭示了美国和前苏联极端最低温度在过去几十年有明显上升趋势,而极端最高温度的变化则表现出较强的区域性,从大范围看无显著的变化趋势。Frich等[5]发现,20世纪后半叶逐年极端最高温度与极端最低温度的差异在显著减小。Mantou等[6]发现在东南亚和南太平洋地区,1961年以来,热日和暖夜显著增多,而冷日和冷夜却减少了,这些主要是极端低温和极端高温升温的不对称性引起的。Cao等[7]通过全球气候模式和对流辐射模式的模拟结果发现,最高、最低气温的这种非对称变化可能源自CO2浓度的增加。国内江志红等[8]的研究表明,我国夏季平均最高气温、最低气温的空间形态基本都在20世纪70年代末到 80年代初发生显著的变化。丁裕国等[9]利用经验正交函数对我国冬季平均最低气温和夏季平均最高气温进行客观区划,揭示了我国近半个世纪冷夏、严冬气候异常的变化规律。唐红玉等[10]分析认为,无论是年还是季,平均最低气温的增暖幅度明显大于平均最高气温的增暖幅度。并且,目前已经开展了对我国西北地区的乌鲁木齐河源[11]、三江源地区[12]、宁夏自治区[13]最高、最低气温变化趋势的分析,但对河西走廊的最高、最低气温变化研究尚未见报道。本研究主要探讨全球变暖背景下河西走廊绿洲最高、最低气温的变化趋势、区域差异和突变特征,旨在分析气候变化的区域特征,以期为河西走廊绿洲的可持续发展提供科学的气候变化背景。

河西走廊东起乌鞘岭,西至甘新省界,南北介于南山(祁连山、阿尔金山)和北山(马鬃山、合黎山和龙首山)之间,长约900 km,为西北东南走向的狭长地。河西走廊绿洲东西跨越近10个经度,东部受东南季风和西南季风的影响,西部受中纬度西风的控制,中部处于两大环流系统的交汇区,不同环流系统造成气候的区域差异[14]。其气候变化不仅直接影响该区本身水土保持、生态建设、资源开发利用和经济建设,而且对全国乃至全球气候变化及生态建设起着极其重要的作用,具有代表性。

1 资料与方法

数据来源于河西走廊绿洲区12个气象站1960—2005年历年月平均最高、最低气温观测资料,在数据处理前,根据石羊河、黑河、疏勒河流域的自然地理分界对河西走廊绿洲的气象站进行了区域划分,古浪、武威、永昌和民勤站代表河西走廊东部,山丹、张掖、高台、酒泉和鼎新站代表河西走廊的中部,玉门、安西和敦煌站代表河西走廊西部[14],将各区域内气象站最高、最低气温的平均值作为该区域气候变化的分析数据;季节划分上,以3—5月为春季,6—8月为夏季,9—11月为秋季,12月及次年1—2月为冬季。先分别计算东、中、西部逐月最高、最低气温值,再计算其平均值和距平值,然后利用气候倾向率和5 a趋势滑动分析其年际变化趋势,在此基础上,采用Mann—Kendall法对其最高、最低气温进行突变分析。

2 结果分析

2.1 最高、最低气温年际变化特征

河西走廊绿洲最高气温总体呈上升趋势(图1),进入1990s以后,增温趋势尤其显著,整个河西走廊绿洲最高气温变化趋势基本一致,都在1960s呈现降温趋势,此后基本表现为持续快速增温过程,1990s中期以后增温明显。最高气温的增温幅度呈现空间差异:中部＞西部＞东部,气候变化倾向率分别为0.268℃/10 a(通过0.001的置信度检验),0.249℃/10 a(通过0.001的置信度检验)和0.212℃/10 a(通过0.01的置信度检验),依次相差0.019和0.037℃/10 a。中、西部升温幅度大于东部的结论与孔兰东等[15]研究的甘肃省气温变化结果一致。由于走廊中、西部大部分地区为戈壁和荒漠,高温干旱,受太阳辐射后升温迅速。

图1 河西走廊绿洲1960—2005年最高气温距平年际变化

河西走廊绿洲最低气温呈显著增温趋势(图2),特别是1990s以来升温最为明显,西部和中部最低气温变化趋势相似,在1960s有一降温过程,此后开始持续增温,与中部和西部相比,东部1960s并没有明显的降温,从1960s到1970s末表现为在波动中有微弱的增温,1980s以后迅速增温,近年来增温尤其显著。最低气温增温幅度呈现出区域差异,尤其东部显著大于西部,增温幅度东部＞中部＞西部,气候变化倾向率分别为0.375(通过0.001的置信度检验)、0.361(通过0.001的置信度检验)和0.311℃/10 a(通过0.001的置信度检验),依次相差0.014和0.050℃/10 a。

从最高、最低气温变化倾向率来看,最低气温增温幅度大于最高气温增温幅度,表现出不对称的增温趋势,这也意味着夜间气温有较强的增温,白天气温有较弱的增温,说明气温日较差在逐渐减小,表明全天气温逐渐升高,这与全球变暖的趋势一致。分析各区域最高、最低气温变化倾向率的差值,得出气温日较差变化幅度的空间差异:东部＞中部＞西部。

图2 河西走廊绿洲1960—2005年最低气温距平年际变化

2.2 最高、最低气温年代际差异

河西走廊绿洲最高气温总体呈上升趋势(表1),21世纪以来是整个走廊绿洲近46 a来的最暖时期,东、西部最冷时期为1970s,而中部则在1960s最冷,表现出区域差异,总体而言,整个走廊绿洲最高气温从1990s起开始迅速升温,为正距平。最高气温的季节年代际变化与其年年代际变化趋势大体一致,但也表现出差异:在1960s,整个走廊绿洲最高气温春、夏季为正距平,处于一段高温时期,尤其中、西部春季最高气温甚至高于1990s,1960s到1970s春、夏季最高气温呈下降趋势;而秋、冬季最高气温在1960s为负距平,是46 a来最低时期,46 a来一直表现出增高趋势,这也意味着秋、冬季最高气温增温幅度大于春、夏季,反映出秋、冬季对全球变暖响应的敏感性。1970s至1980s整个河西走廊绿洲四季均为负距平,最高气温低于其多年平均值,从1990s起,整个走廊绿洲四季最高气温开始增高,最高气温均为正距平。

表1 河西走廊绿洲年、季最高气温距平的年代际变化 ℃

河西走廊绿洲最低气温年代际变化规律(表2)与其最高气温变化基本一致,总体呈现增温趋势,1990s以前最低气温为负距平,之后为正距平,21世纪以来是整个河西走廊绿洲近46 a来的最暖时期。就季节变化而言,1960s除西部在春季为正距平(0.04)外,整个河西走廊绿洲四季均为负距平;1970s整个河西走廊绿洲四季最低气温均为负距平;1980s整个河西走廊绿洲春、夏季最低气温均为负距平,而秋季则是正距平,冬季中部为正距平,而东、西部是负距平,进一步反映出秋、冬季对全球变暖响应的敏感性;从1990s起,最低气温开始增高,除东部秋季在1990s为负距平(-0.02)外,整个河西走廊绿洲四季均为正距平。

2.3 最高、最低气温季节变化

从河西走廊绿洲1960—2005年最高气温四季变化(图3)可以看出,最高气温四季变化与全年变化趋势一致,都表现为增温趋势,但变化过程和增温幅度却表现出一定的区域和季节差异:春季变化稳定,增温幅度较小,1960s到1970s中期偏暖,此后有微小降低,东部在1980末开始上升,增温幅度显著(通过0.02置信度检验);夏季变化较为稳定,1960年左右为一高温期,此后开始降温,西部在1970s末降至最低点,此后开始上升,中部在1970s初转为平稳波动,直到1990s中期为一低温期,此后开始迅速增温。增温幅度的空间差异:西部(通过0.02置信度检验)＞中部(通过0.01置信度检验);秋季变化较为剧烈,增温幅度较大,整个河西走廊绿洲变化过程曲线相似,1960s到1970s初期有一降温过程,此后为稳定的增温阶段。增温幅度呈现空间差异与夏季相同:西部＞中部＞东部(均通过0.01置信度检验);冬季最高气温变化剧烈,增温幅度最大,1960s到1980s中期总体在升温,但波动较大,1990s初以后波动变小,但持续增温,且增温幅度较大。增温幅度呈现空间差异:中部(通过0.01置信度检验)＞东部(通过0.001置信度检验)＞西部(通过0.01置信度检验)。

表2 河西走廊绿洲年、季最低气温距平的年代际变化 ℃

图3 河西走廊绿洲1960—2005年四季最高气温距平变化曲线

从同一区域不同季节最高气温的变化过程来看,最高气温的增温幅度又表现出季节差异:中、西部均是冬季＞秋季＞夏季,而东部则是冬季＞秋季＞春季,可以看出整个河西走廊绿洲秋、冬季的最高气温对全球变暖的响应比夏、春季敏感。

同样,河西走廊绿洲1960—2005年最低气温四季变化(图略)可以看出,最低气温在各个季节都表现出很强的增温趋势,春季整个河西走廊绿洲最低气温变化过程比较相似,增温幅度较大,变化平缓,在1960s—1970s末有微弱降温过程,此后表现为稳定升温,1990s中期以后增温幅度增强。增温幅度表现出空间差异:东部(通过0.001置信度检验)＞中部(通过0.01置信度检验)＞西部(通过0.01置信度检验);夏季整个河西走廊绿洲最低气温变化过程基本一致,变化过程极为平缓,1960s—1990s中期在波动中有微弱的增温趋势,1990中期以后剧烈增温,增温幅度的空间差异:西部＞东部＞中部(均通过0.001置信度检验),但差异不大(0.01～0.02 ℃/10 a);秋季最低气温变化波动较大,中、西部在1960s有明显的降温过程,1970s初则开始升温,1980s—1990s末处于稳定的波动变化中,1990s末以后开始迅速增高。东部表现为阶跃式增温趋势,1960s—1970s中期为一低温阶段,1970s—1990s末为一相对高温阶段,在1990s末以后增温幅度增强,气温再次升高。增温幅度的空间差异:中部＞西部＞东部(均通过0.01置信度检验),但差异不大(0.01～0.02℃/10 a);冬季整个河西走廊绿洲最低气温变化剧烈均(通过0.001置信度检验),波动大,增温幅度大(＞0.50℃/10 a),46 a来表现为持续的增温趋势。增温幅度中部微大于东部(0.007℃/10 a),两者显著大于西部(0.19～0.20℃/10 a)。与最高气温变化相同,同一区域不同季节最低气温的增温幅度也表现出季节差异:西部冬季＞夏季＞春季＞秋季,中部冬季＞春季＞秋季＞夏季,东部则是冬季＞春季＞夏季＞秋季,进一步说明冬季对全球变暖响应的敏感性。与最高气温季节增温幅度相比,秋季表现出差异,最高气温秋季增温显著,而最低气温秋季则增温不明显。

从最高、最低气温的季节变化过程来看,整个河西走廊绿洲两者均在春季和夏季变化平缓,秋季变化较为剧烈,冬季变化最为剧烈。从增温幅度来看,除秋季最高气温增温幅度高于最低气温外,其余季节均是最低气温增温幅度显著高于最高气温,表现出不对称的增温趋势。

3 最高、最低气温突变分析

采用Mann—Kendall法对河西走廊绿洲全年及各个季节最高、最低气温进行突变分析,从检验结果(表3)来看,最高、最低气温升温突变明显,突变时间存在一定区域差异,整个走廊绿洲最高气温在1994年发生升温突变,而最低气温突变显示区域差异,东部最早、中部次之,西部最晚,表明东部对全球变暖响应的敏感性。就不同季节来看,春季:最高气温突变中部和西部同在1999年,比东部晚;最低气温突变中部和东部在1996年,早于西部。夏季:整个河西走廊绿洲最高、最低气温突变时间相同。秋季:最高气温突变西部最早、中部次之,东部最晚;最低气温突变则相反,东部最早、中部次之,西部最晚。冬季:最高气温突变中部和西部在1986年,比东部早;最低气温突变东、西部在1986年,比中部早。

从同一区域不同季节最高、最低气温的变化过程来看,突变时间又存在一定季节差异,整个河西走廊绿洲最高、最低气温发生突变均是冬季最早,秋季次之,而春季和夏季存在差异,最高气温在西部和中部都是夏季早于春季,东部则春季早于夏季;最低气温在整个河西走廊绿洲都为春季早于夏季,总体上反映了秋、冬季对全球变暖响应的敏感性。

表3 河西走廊绿洲最高、最低气温突变年份

4 结论

近46 a来河西走廊绿洲最高、最低气温均有明显增温趋势,最低气温增幅显著大于最高气温,呈不对称的增温趋势,即气温日较差逐渐减小。从1990s起最高、最低气温开始迅速升温,21世纪以来是近46 a来的最暖时期。增温幅度表现出区域差异,最高气温中部＞西部＞东部,最低气温东部＞中部＞西部。在季节上表现为秋季和冬季变化剧烈,春季和夏季变化平缓。而且,冬季增温强度明显高于其它季节。最高、最低气温升温突变明显,突变时间存在区域和季节差异。

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