1618～2009年黄河源区夏季最高气温变化规律分析

叶秣麟， 秦宁生，2，3， 白爱娟， 李金建， 李媛媛， 赵 艺

(1.成都信息工程大学大气科学学院，四川 成都610225;2.中国气象局成都高原气象研究所，四川 成都610072;3.四川省气候中心，四川成都610072;4.四川省农业气象中心，四川成都610072)

0 引言

黄河源位于青海省南部，青藏高原腹地，具体位置为 95°50＇E ～103°30＇E，32°30＇N ～36°12＇N ，源区内以山地为主，地势起伏大且地形复杂，其北部为布尔汗布达山和布青山，东部被阿尼玛卿山包围，南部是巴颜喀拉山，它是黄河流域的源头，流域内一半以上的水量出自该地区，所以黄河源区气候、环境、生态等方面的变化不仅对流域周边区域造成影响，还能对流域中下游的西北和华北地区带来生态、气候和社会等各方面产生作用［1-3］。近年，由于气候变暖和频繁的人类活动等因素影响，源区内出现了冰川融化速度加快，雪线上升明显，地下水位下降，冻土层变薄等一系列生态和环境恶化现象，给整个黄河流域的经济的发展、资源的利用、生态环境以及人类的生产生活带来严重的威胁［4-6］，因此，对黄河源区历史气候变化规律进行探讨，加深对该区域气候变化的了解，有利于源区的资源利用和生态保护工作。在已重建好的黄河源区1618～2009年最高气温序列的基础上对该序列进行突变及周期分析，对过去近400年黄河源区温度突变的产生、升温降温的持续过程和序列周期等相关方面进行探究。

1 序列重建

1．1 资料来源及重建过程

黄河源区平均海拔在3700 m以上，山地河谷地形居多，由于高原地区寒冷的气候使树木生长缓慢且不易腐烂，因此源区内生长着许多数百年以上树木［7］，而这些树中祁连圆柏占据大量的比例［8］。采集时多选择距离水源较远的树木以减小其他因素对重建结果的影响。

图1 重建序列和11a滑动平均曲线

重建过程中使用的站点资料数据包括黄河源区内果洛、兴海、同德和玛多4个气象站点各气候要素逐月数据，以及利用源区内的祁连圆柏树轮宽度所计算出的标准化年表。4个站点各气候要素算术平均值代表整个源区，经过一系列的计算发现5～6月最高气温与标准化年表相关性最好，相关系数达到-0.650，因此选择5～6月最高气温作为重建的气候要素，重建方程

方程中y代表源区5～6月最高气温，x表示标准年表，方程方差解释量为42.2%，各种方程检验量表明重建方程式稳定、可靠的。根据式(1)可以推测出近400年黄河源区5～6月最高气温，图1表示1618～2009年5～6月最高气温序列以及11a滑动平均序列，可初步地从11a滑动平均曲线看出，在17世纪中期，20世纪初期和20世纪末期有较为明显的突变产生，前两处的突变均为由低温值向高温值变化，20世纪末期的突变则表现为气温的骤降。

1．2 重建序列的空间代表性

图2 实测最高气温和重建最高气温与CRU格点C5C6最高气温(1960～2009年)空间相关性图

为探索此次重建结果在更大空间尺度上的变化响应特征，利用 Climate Research Unit(CRU TS 3.22，0.5°×0.5°)格点数据中1960～2009年5～6月平均最高气温与黄河源区实际测量的同期最高气温及同期重建最高气温作相关分析。图2(a)为实际测量的最高气温与格点资料相关系数空间分布图，在黄河源地区及周边高原地区相关系数值较大，基本在0.5以上，正相关性显著，图2(b)则是重建的最高气温序列与格点数据相关分布，相关系数在青藏高原地区与图2(a)分布基本一致，数值也在0.5以上，说明重建的5～6月最高气温序列对黄河源区乃至整个高原区域都具有很好的空间代表性。

2 重建序列分析

2．1 突变分析

图3 突变曲线

为了观察研究重建序列在1618～2009年间的突变特征，采用Cramer检验、滑动t检验、M-K检验和Yamamoto检验方法对序列作突变分析并相互对比，如图3所示。图3(a)采用Cramer检验法对整条重建序列进行检验，发现序列总共产生3次突变，包括2次负突变和1次正突变，其中，2次负突变分别发生在20世纪中前期(1934年)和21世纪初期(2004年)，正突变出现在20世纪初期(1911年)。滑动t检验的原理与Cramer检验方法类似，但它要根据两段子序列的平局值间的显著差异来判断突变是否产生［9］，曲线如图3(b)所示，滑动步长取值取10，从图上直接反映出超出α=0.01显著性检验线的突变有很多，总共有10个，其中正突变4次，负突变6次，正突变分别出现在17世纪中期(1643年)，18世纪中前期(1730年)以及20世纪初期(1913年)和末期(1990年)，负突变分别在17世纪中期(1634年和1654年)，18世纪中期(1749年)及末期(1799年)，19世纪末期(1883年)以及20世纪中前期(1934年)。较为显著的突变都是正突变，分别出现在1913年和1643年附近。滑动t检验曲线中1913年的正突变和1934年附近的负突变与Cramer检验结果相一致，可以推测出，在20世纪初期，黄河源地区经历了由冷向暖的转变过程，之后气温一直回升，到了20世纪30年代，温度回升已超过显著性水平，在1934附近年产生突变，源区又经历一次由暖向冷的变化，这与前面重建序列11a滑动平均曲线变化相一致。图3(c)为M-K检验，UF与UB曲线在17世纪初期及21世纪初期均有交错点，说明重建序列在这两个时间段都有显著突变产生，其中17世纪初的突变与滑动t检验结果相一致，气温迅速降低，21世纪初的突变则在Cramer曲线中也被检测出。图3(d)采用Yamamoto检验法，发现序列中超出α=0.01显著性水平线的有3处，分别是17世纪中期(1634年和1643年)以及20世纪前期(1913年)，这3个突变点在图3(b)滑动t检验中也分别被捕获，进一步证明了这几个突变点的可信性。

综合以上4种突变检验方法，得出重建的最高气温序列在过去近400年间产生6次突变，包括3次正突变和3次负突变，在17世纪中前期(1634年)，温度急剧下降，但持续时间不长，到了17世纪中期(1643年)，气温下降的趋势结束，温度值有所回升。在20世纪气温变化趋势也有所类似，在初期(1911～1913年)温度值骤然上升，一直持续到20世纪中期(1934年)过后，气温开始呈下降趋势。另外，在20世纪末期(1990年)气温值也产生过骤然上升的趋势，持续时间10年左右，到了2004年，上升的趋势结束，气温开始下降。

以上几次气温突变及气温持续变化过程在其他重建序列或在文献［10-13］也有印证，17世纪中期气温由高向低的变化过程在X.Gou等［10］重建的青藏高原东北部过去700年夏半年最高气温序列中有所体现，17世纪中前期到中期的降温过程以及20世纪初期至中期的气温持续上升过程与段建平重建的青海高原南部春季最高气温序列［11］冷暖期的划分相一致(1916～1934年为暖期，1632～1643年为冷期)。据文献［12-13］研究结果表明，20世纪初期存在由冷向暖的转变过程，证实了该时期突变的可靠性。

2．2 周期分析

图4 重建序列Morlet小波变换系数模

小波分析在频域时域上都具有很好的局部性质［14］，根据重建结果(图1)可明显看出该序列具有明显的波动特征，采用小波分析的方法对本次重建的最高气温序列进行周期分析，图4为重建序列小波变换系数模，可以发现重建序列在低频和高频段都存在一定的周期变化，2～4a的周期出现在整个序列中，6～8a，20～24a周期也较为明显，而32～40a周期最明显，具有较高的能量。

所有的信号周期中，2～4a的周期极值中心在1650～1660年，1700年，1750年，1770年，1820～1830年，1900年，1940～1960年及2000年这些年份附近出现，涵盖的时段范围包括17世纪初期到20世纪末期，2～4 a周期的出现较为普遍，与“准两年振荡”［15］和ENSO［16］周期基本一致，与这二者间有很大的联系。6～8 a的周期主要在17世纪初期和18世纪中后期显著，19世纪40、70年代和20世纪30年代虽也有极值出现，但不如前面时期那么显著。20～24 a周期与太平洋年代际振荡(PDO)和北大西洋涛动(NAO)存在关系［17-18］，在17世纪中期还有20世纪初期较为显著。最为显著的周期32～40 a，极值中心出现在20世纪中期，极有可能跟太阳黑子周期长度(SCL)有关［19］。

结合功率谱的方法对小波分析周期进行验证，在计算过程中，最大滞后系数取重建序列长度三分之一，即130 a，功率谱计算结果曲线如图5所示，谱曲线中有3处明显的峰值超过了95%的置信度检验，分别在t=7，t=78和t=99处，根据周期计算关系，周期为2 m/t，得出显著周期分别有2.6年、3.3年以及37.1年左右，这跟小波分析结果基本相一致，对于未检测出6～8 a和20～24 a周期，这可能是由于功率谱原理你是将序列拆分为各周期成分之和［20］，对于周期成分的乘积并不能予准确检测出。另外通过与青藏高原地区其他文献［11，21］比较证实这次周期检验的可信性，2～4 a的高频振荡与32～40 a的低频振荡在青海高原南部近450年春季最高气温序列中研究中有所体现［11］，24 a左右周期在 Eryuan Liang［21］的文中也有提及。

图5 重建序列功率谱分析图

3 结果与讨论

重建黄河源区1618～2009年5～6月最高气温具有一定的稳定性和可靠性。空间相关分析结果表明，实际值和重建值与格点资料的相关性在青藏高原地区均为显著正相关，说明重建的5～6月最高气温序列对黄河源区甚至整个青藏高原地区都具有很好的空间代表性。用Cramer、滑动t检验、M-K和Yamamoto 4种检验方法对重建序列进行突变检验，经对比验证后得出过去近400年间序列产生6次突变，包括3次正突变和3次负突变。正突变发生在17世纪中期(1643年)，20世纪初期(1911～1913年)以及20世纪末期(1990年)，负突变产生在17世纪中期(1643年)，20世纪中期(1934年)和21世纪初期(2004年)。重建的最高气温序列经小波周期检验发现存在2～4 a、6～8 a、20 ～24 a和32 ～40 a的显著周期，其中2 ～4 a周期出现频率高，而能量极值出现在20世纪中期，对应周期为32～40a，经功率谱检验后以上周期基本可靠。另外，根据一些关于灾害的历史资料记载［22］，气温的周期性变化跟个别的极端事件也有体现，如在1762年，记录有“巴燕戎格厅冰雹、霜冻成灾”，给当时的社会经济发展带来了严重影响。

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