60年来渭河关中地区气温与降水变化及其原因

董晴晴++王会肖

摘要：基于渭河关中地区1951年-2013年气温和降水资料，运用线性回归、MannKendall 检验、集中度和集中期等方法分析了60年来气温和降水的变化趋势、突变特征，并探讨了变化原因。结果表明：（1） 渭河关中地区平均气温呈显著上升趋势，增幅为 0206 ℃/（10a），冬季对流域平均气温的变暖贡献最大。全年及各季平均气温的突变时间均为20世纪90年代中期。（2） 降水呈不显著减少趋势，每年约减少05775 mm，春季和秋季对下降趋势贡献较大。降水量突变点较为复杂，在许多年份都有不同程度的突变。降水年内分配较为稳定，集中度基本维持在05～06，集中期为7月。（3） 渭河关中地区气温、降水变化的原因有自然因素和人为因素。自然因素主要有太阳活动、大气环流、季风影响，人为因素主要是温室气体排放以及土地覆被类型改变。

关键词：渭河关中地区，MannKendall检验；趋势分析；年内分配；变化成因

中图分类号：P333.1文献标志码：A文章编号：16721683（2016）06003306

Variation and reason analysis of temperature and precipitation of Weihe River in Guanzhong area in the last 60 years

DONG Qingqing1，2，WANG Huixiao1

（1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；

2.Yellow River Zouping Bureau，YRCC，Binzhou 256200，China）

Abstract：The identification of changes and reasons for hydrological factors has practical significance for resource utilization and the ecological health of river basin.Based on the data from 1951-2013 of Weihe River in Guanzhong area，the trend and mutation of temperature and precipitation were analyzed with linear regression，MannKendall test，concentration degree and concentration time.The change reasons of temperature and precipitation were elaborated.The results were as follows：（1） The annual average temperature showed a significant increasing trend，with 0.206 ℃/（10a），and winter contributed most.Obvious mutations occurred in the mid1990s for the annual and seasonal mean temperature.（2） The annual precipitation showed an insignificant decrease of about 0.5775 mm per year.Spring and autumn contributed greatly to the downward trend.The mutations were complicated，with varying degrees in each era.The distribution of precipitation was stable，with concentration degree and concentration time remaining at 0.5～0.6 and in July，respectively.（3） The changes of temperature and precipitation were mainly the combined results of natural factors and human factors.Natural factors included solar activity，atmospheric circulation and monsoon impact，and the human factors were mainly greenhouse gas emissions and land cover changes.

Key words：Weihe River in Guanzhong area；MannKendall test method；trend analysis；annual distribution；reason for change

气候变化使水文气象要素发生变化，影响流域生态环境和经济发展。气候变化加速水文循环，水文气象要素等规律已不再随气候季节性变化而呈现出年内/年际间的稳态变化，因此，研究变化环境下流域水文气象要素的变化情况，辨识原因，对认识流域水文规律，科学规划管理资源及保障生态健康具有重要意义。20世纪90年代以来，作为受气候变化和人类活动严重影响的渭河关中地区，用水量增加，流域水资源不断减少，水文特征明显变化，因此分析该地区气候变化趋势，研究突变发生的时间，探究原因[1]，对水资源的优化配置和可持续管理尤为重要。

近年来，已有学者对渭河流域的气温、降水等要素展开研究，和宛琳等[2]通过 MannKendall方法对渭河流域1958年-1999年40年来的气温和蒸散发进行研究，分析两者的时空分布及变化趋势；张宏利等[3]利用累积距平曲线和信噪比法从空间和时间两方面分析了渭河流域1951年-2005年的气温变化特征；姚玉璧等[4]运用线性回归、Cubic 函数的方法分析了渭河源区降水和气温的变化特征，并对水资源变化特征进行分析，以此研究水资源对气候变化的响应；牛最荣等[5]则对渭河流域气温、降水以及径流的变化进行研究，并着重从年际变化、年内变化和空间特征三方面分析径流的变化特征和趋势；黄生志等[6]利用集中度与不均匀系数分析渭河径流年内分配变化，并采用启发式分割法定量分解气候变化与人类活动的影响。上述研究多从年际变化分析水文气象，对各个季节的时空分布规律及其差异性特征则较少关注，且对降水、气温的变化原因鲜有涉及。渭河关中地区位于干旱半干旱地区，加之灌区众多，受人类活动影响显著，水文气象要素季节性变化非常明显，且年内分配不均衡，因此需要对全年及四季水文要素的演变规律进行深入分析，并探讨其变化原因。

本文采用渭河关中地区11个气象站1951年-2013年的气温和降水资料，运用线性回归、MannKendall 统计检验、集中度和集中期等方法，对该地区年尺度、季节尺度的气温和降水变化进行统计分析和显著性检验，分析其变化趋势、突变特征以及年内分配，并探讨变化原因。

1数据及方法

1.1数据来源

采用渭河关中地区11个气象站1951年-2013年的降水量和气温资料，包括洛川、铜川、天水、宝鸡、武功、西安、华山、略阳、佛坪、镇安，各气象站位置分布见图1。数据资料由中国气象科学数据共享服务网（已经过初步质量控制）下载，并将气温和降水数据处理为全年、春、夏、秋和冬季五个序列，即1月-12月、3月-5月、6月-8月、9月-11月以及12月-翌年2月，分别从年尺度和季节尺度进行趋势分析和突变检验。

2.1.3气温变化原因分析

60年来渭河关中地区气温呈增加趋势，冬季增温尤为明显，气温的突变主要发生在20世纪90年代以后，变化原因主要有自然因素和人为因素。

在全球气候变暖的大背景下，渭河关中地区作为全球增温的组成部分，其气温变化与全球气温变化的趋势基本一致。目前一般认为大气中温室气体浓度的增加，是20世纪全球气候变暖的主要原因[14]。该结论是通过考虑自然强迫因子—例如太阳活动和火山活动，与人类排放温室气体（作为人为因素），对20世纪全球年平均气温的变化进行模拟，利用气候模式检测和归因而得到。当气候模式只考虑自然强迫或只考虑人类活动时，前者模拟不出20 世纪的全球变暖，后者可基本模拟全球变暖趋势，但前50年模拟与观测差异较大；在考虑所有辐射强迫的情况下，模拟与观测的气温变化最为一致[15]。因此，通过以上三种情况对比得出，太阳活动、火山活动和人类因素都对全球气候变暖产生影响，其中，主要原因则是人类排放的温室气体浓度增加[15]。由于大气环流的变异和调整，近50年来中国东部冬季风明显减弱，这也成为引起渭河关中地区冬季气温升高的直接影响因素[16]。

渭河关中地区气温升高同样受到人为因素的影响。 一方面，随着西部经济发展，渭河关中地区人口经济持续增长，温室气体和气溶胶的大量排放，一定程度促进了气温上升；另一方面，地表植被覆盖和土地利用方式的变化同样对渭河关中地区气温变化产生影响。近年来，该地区开展的退耕还林、退耕还草等工程措施，增加林地、草地面积，与之伴随的也有因缺水、城市化导致的植被覆盖的减少，建设用地增加，见表2。这些自然和人类因子或单独作用、或相互结合，影响中国地区地气系统的热量收支，对近地面气温变化造成影响，一定程度上解释了渭河关中地区气温上升现象。

2.2降水变化趋势

2.2.1降水变化趋势分析

对渭河关中地区1951年-2013年的全年及各季的降水序列作趋势分析及突变检测[1718]，该地区年均降水量的最大值和最小值分别出现在1983年和1995年，分别为9748 mm和43417 mm，两者相差54063 mm。年均降水量整体呈现微弱下降趋势，每年约减少0577 5 mm，但拟合度R2值只有0008，减小趋势非常不显著（图4）。

如图4所示，近60年来渭河关中地区降水量总体呈现减少的趋势，降幅为0577 5 mm，而Zc=|-05931|<1649（表2），表明降水减少趋势并不显著。根据表2可以得出，渭河关中地区夏季降水量最多，占全年降水总量的478%，为32741 mm；春季和秋季次之，分别占全年降水量的206%和282%。冬季仅占到34%，为2321mm。参照MannKendall趋势检验结果可知，渭河关中地区除夏季降水有所上升外，其他季节降水均下降，但趋势均不显著；对比春、秋、冬季Z值，虽均呈不显著下降趋势，但春季下降趋势较秋冬两季明显。

2.2.2降水变化突变分析

利用MannKendall法对1951年-2013年渭河关中地区年降水量的时间序列进行突变分析，由图5可知，UF和UB曲线的交叉点较气温突变曲线多，且所有点都在置信区域之间。1960年之前的突变点较多，曲线的起伏变化较大；1960年之后的突变点较少，分别是1961年、1968年、2008年和2012年。同时，UF和UB曲线都在临界线以内，说明变化趋势不显著。

从图5还可看出，1961年突变之后降水量呈现波动式变化，在2010年前后又发生突变。有研究表明[19]，随着渭河关中地区资源开发利用，渭北大面积天然林被次生林代替；渭河河谷平原森林植被被农田、经济林、绿化林等取而代之；秦岭北坡在开发后已形成大片的人工经济林、绿化林、农田，以及人工建筑等。下垫面植被覆盖度的改变，影响水文要素分布，对降水的突变产生影响。

图5渭河关中地区降水量的MK突变检验

Fig.5MK mutation test of precipitation in Guanzhong area

2.2.3降水年内分配分析

研究对渭河关中地区的降水的年内分配特征进行分析。采用集中度与集中期为指标，分析渭河关中地区60年来降水量年内分布的特点。如图6所示，渭河关中地区降水的集中度为05左右，说明渭河关中地区的降水相对较为集中。同时集中期主要集中在7月。

渭河关中地区降水的集中度和集中期均没有明显的上升或下降的趋势变化，60年来集中度基本维持在05～06，而集中期也集中在7月，没有出现异常值。可以认为，渭河关中地区60年来的降水量年内分配比较稳定，并没有发生很大的变化。图6渭河关中地区60年来集中度与集中期

Fig.6The degree and time of concentration over 60 years in Guanzhong area

2.2.4降水变化原因分析

渭河关中地区降水整体上呈现下降趋势，但趋势不显著，春季和秋季的下降趋势贡献较大，降水年内分配较为稳定。西北地区，作为气候变暖最明显地区之一，由于气温变暖将导致大气中水汽变化[20]；渭河关中地区位于西北地区东部，水汽在春季和秋季明显减少[20]，使得降水强度降低。有研究表明[21]，在全球变暖影响下，西北东部地区降水量呈减少趋势，这与本研究的降水变化规律一致。林振耀等[22]指出，西北地区降水水汽的来源主要有两方面：一是西风环流，自西边界呈纬向输送；二是源自印度洋的南亚季风。近年来大气环流的调整，西北地区高空风场变化，东部地区的北风增强，来自东南方向的水汽输送则被削弱，这可能是造成西北地区东部降水呈减少趋势的主要原因。这也解释了位于西北地区东部的渭河关中地区的降水减少原因。

同时，人类活动也对降水产生重要影响。一是如宝鸡峡等大型灌区和水库的建设、水土保持、引水灌溉工程等改变了下垫面情况，影响降水量分布；二是由人类活动导致的温室气体排放以及硫化物、气溶胶增加等，增加了区域气候变化的不确定性，从而影响区域降水等水文要素。要全面分析区域气候变化原因，仍需要进行多种要素的综合或定量研究。

3结论

本文利用渭河关中地区60多年的资料，对不同时间尺度的气温和降水变化特征进行趋势分析和显著性检验，并利用集中度和集中期对降水年内分配进行分析，同时探讨了气温、降水的变化原因。得到的主要结论如下。

（1）渭河关中地区年平均气温呈显著上升趋势，增幅为 0.206℃/（10a）。季节上，冬季对该地区气温变暖贡献最大。全年及各季平均气温均发生明显突变，突变时间在20世纪90年代中期，为1995年。

（2）渭河关中地区降水量总体上呈现减少的趋势，每年约减少0577 5 mm，但并不显著。季节上，春季和秋季的下降趋势贡献较大。降水突变点较复杂，在许多年份都有不同程度的突变。降水的年内分配较为稳定，集中度基本维持在05～06，集中期集中在7月。

（3）渭河关中地区气温、降水的变化主要有自然因素和人为因素。自然因素主要有太阳活动、大气环流、季风影响等；人为因素主要是排放温室气体以及改变流域植被和土地利用等，改变下垫面情况，影响水文要素分布。

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