1938—2015年安敦盆地气温和降水量变化特征分析

曾雁

摘要 本文选取安敦盆地敦煌、瓜州2个气象台站1938—2015年的气温和降水量观测数据，采用多项式趋势拟合、趋势系数及Morlet小波变换等方法，对安敦盆地气温和降水量趋势变化特征进行了系统分析。结果表明，纵观近78年气温、降水变化情况，安敦盆地气温变化趋势拟合呈二次函数型，变化平缓且呈先下降后上升的态势，存在1～5年及10～30年尺度的周期变化规律，未来将处于增温时段，与全球变暖一致。降水量出現了3个高值时段，分别出现在20世纪40年代后期至50年代初、70年代后期至80年代初和21世纪初；存在8～15年尺度周期变化规律，进入21世纪降水变率呈减少趋势，在多年平均值附近摆动。

关键词 气温；降水量；变化特征；甘肃敦煌；甘肃瓜州；安敦盆地；1938—2015年

中图分类号 P423.3；P426.6 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）22-0163-03

Abstract In this paper，the temperature and precipitation observation data of two meteorological stations（Dunhuang and Guazhou） in Andun Basin during 1938-2015 were selected，and the change trend characteristics of temperature and precipitation in Andun Basin were systematically analyzed by using methods of polynomial trend fitting，trend coefficient and Morlet wavelet transformation.The results showed that during recent 78 years，the temperature change trend of Andun Basin was quadratic function type，which declined at first then ascended slightly.There were periodic changes of temperature change in the scale of 1-5 and 10-30 years，and the future would be in the warming period，which was consistent with the global warming.There were three high-value periods of the precipitation，including late 1940s to early 1950s，1970s to early 1980s，and the beginning of 21st century.There were periodic changes of precipitation in the scale of 8-15 years.The precipitation showed a decreasing trend in the 21st century，and swung around the long-time average annual value.

Key words temperature；precipitation；change characteristics；Dunhuang Gansu；Guazhou Gansu；Andun Basin；1938-2015

敦煌、瓜州（原安西）两县（市）地处河西走廊西端，总面积5.53 km2，占甘肃省总面积的20%，其中绿洲面积仅占5%左右，且集中在海拔低于1 300 m的地区，四周环山，故有“安敦盆地”之称；其他地貌均为沙漠、戈壁、山地等。年平均气温在9.2～10.0 ℃ 之间（1938—2015年，下同），年平均降水量在38.6～47.5 mm之间，属于同一气候区，植被覆盖率低，自然生态脆弱。过去的100年来，气候、疏勒河（含党河）流域径流、地下水位变化对自然生态的退化改变起了很大的作用[1-4]。

本文以代表该盆地敦煌、瓜州两站近80年的温度、降水资料为基础，从不同角度采用不同方法，对该盆地的气候变化和特征进行了分析研究，旨在作为河西乃至甘肃沙漠戈壁地域气候研究的补充，为中央提出的河西生态屏障建设提供可以参考的气候特征依据。

1 资料与方法

1.1 资料选取

选取敦煌、瓜州2个气象观测台站作为代表站，对气温、降水资料进行分析研究，时间跨度均为1938—2015年，共78年。

1.2 研究方法

1.2.1 多项式趋势拟合。通常多项式表达式为：

y=b0+b1x+b2x2+b3x3+b4x4+…+bkxk（1）

式（1）中：y代表气象要素，x代表时间自变量年份。拟合函数的图像直观地表述了时间序列变化的趋势情况。

1.2.2 气候趋势系数。气候趋势系数R的定义为气候序列与自然数序列之间的样本相关系数。计算公式如下：

R=■（2）

式（2）中，n为年数，xi为第i年的值，x为样本平均值，t=（n+1）/2。R可用于表示和比较气象要素长期变化的大小。

1.2.3 Morlet小波变换。小波分析是一种信号的时间-尺度分析方法，具有多分辨率的特点，而且在时、频两域都具有表征信号局部特征的能力[5-6]。本文采用Morlet连续复小波变换分析敦煌瓜州时间序列的多时间尺度特征。Morlet小波是常用的复数形式的小波函数，其表达式为：

Φ（x）=e■·eicT（3）

其小波变换形式为：

ωa，b=？蘩■■f（x）■Φ（■）dx（4）

式（4）中，ωa，b（f）为一个信号平方或平方可积函数，a>0为分辨尺度，b∈R为平移因子，“-”表示共轭，一维连续小波变换将一维信号变换到由尺度参数a和平移参数b所构成的小波平面上。因此，利用Morlet小波变换可以研究气温和降水的多时间尺度和周期分布。

2 结果与分析

2.1 多项式趋势拟合分析

由表达式（1）得出敦煌、瓜州温度趋势函数分别为y=5 364.4-5.415 4x+0.001 4x2（图1），y=4 273.5-4.313 8x+0.001 1x2（图2），均通过F（0.01）拟合效果检验。

可以看出，近78年来敦煌与瓜州温度变化趋势基本吻合，20世纪30—70年代温度持续下降，80年代至今温度在持续上升，振幅接近2 ℃。

同理得出敦煌、瓜州两站的降水趋势函数分别为：

y=-6×1012+2×1010x-2×107x2+14 824x3-5.620 6x4+0.001 1x5-10-7x6（图3）、y=-3×1012+1010x-107x2+8 335.2x3-3.152x4+0.000 6x5-5×10-8x6（图4）。均通过F（0.01）拟合效果检验。

可以看出，敦煌、瓜州降水趋势基本相同。历史上出现了3个高值时段，分别出现在1947年、1979年和2007年前后；进入21世纪，降水变化趋于平缓，变率减小。

2.2 气候趋势系数计算

由表达式（2）计算出敦煌、瓜州温度和降水量不同年代趋势系数R（表1、2）。从表1可以看出，20世纪40—60年代气温变化呈下降趋势，其中60年代下降明显，趋势系数达-0.50以下；70年代到21世纪初气温变化呈上升趋势，其中20世纪90年代升温明显，趋势系数达0.50以上；预计未来安敦盆地气温为升高趋势。

由表2看出，20世纪40年代、60年代、70年代降水呈增加趋势；20世纪50年代、80年代、90年代和21世纪初，降水呈减少趋势；进入21世纪，降水年际变幅趋于平缓，预计未来降水接近历年平均值。

2.3 小波分析结果

计算小波系数分析其温度、降水变化的周期，用Matlab 7.0软件计算，并绘制出敦煌、瓜州温度、降水小波系数实部等值线图。

从图5、6可以看出，安敦盆地气温存在1～5年及10～30年尺度的周期变化规律。从图7、8可以看出，安敦盆地降水在演变的过程中存在比较明显的尺度特征，也就是说存在5～18年尺度周期变化规律，同时出现了降水多寡交替的准3次振动。进入21世纪，5～18年尺度周期变化不明显，与趋势拟合分析结果吻合并相互印证。

3 结论

（1）安敦盆地气温变化趋势函数呈二次函数型，低值时段出现在20世纪70—80年代，未来将处于增温时段，与全球变暖一致。

（2）纵观近78年气温年际变化情况，安敦盆地气温变化平缓，呈先下降后上升的态势，存在1～5年及10～30年尺度的周期变化规律。

（3）安敦盆地78年来降水变化趋势函数为高次函数，高值时段出现在40年代后期至50年代初、70年代后期至80年代初和21世纪初。

（4）纵观近78年降水年际变化情况，20世纪40—60年代变化较大，70年代以后变化减小。时间尺度存在8～15年周期变化规律，多寡存在准3次振动。进入21世纪降水变率呈减少趋势，在多年平均值附近摆动。

4 参考文献

[1] 刘晓云，岳平，徐殿祥.酒泉市最近54a气温和降水特征分析[J].干旱区研究，2006（3）：495-499.

[2] 李红英，高振荣，王胜，等.近60a河西走廊极端气温的变化特征分析[J].干旱区地理，2015，38（1）：1-9.

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