1960-2014年祁连山南坡及其附近地区气温时空变化特征

曹广超, 付建新, 李玲琴，曹生奎，唐仲霞，蒋 刚，虞 敏，袁 杰，汉光昭，刁二龙

(1.青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室,西宁 810008; 2.青海师范大学 地理科学学院, 西宁 810008)

IPCC从第一次评估报告(1990年)到第四次评估报告(2007年)分别指出过去100 a以来地球表面温度分别上升了0.3～0.6℃，0.3～0.6℃，0.4～0.8℃，0.74℃，说明全球变暖是不变的趋势，气候变暖的主要原因是人类活动[1]。在全球变暖的背景下，中国[2]及其西北[3]、华北[4]、东北[5]、青藏高原[6]等地区平均气温变化趋势与全球一致。 青海省作为我国国家级重点生态功能区[7]，当前与今后重点任务之一就是生态环境保护，祁连山南坡的生态环境是全省生态环境保护与治理的一部分，气温的变化直接影响植被等的变化，进而影响生态环境；全球变暖导致祁连山地区冰雪融化及出现的水资源短缺问题严重影响到“丝绸之路经济带”的发展[8]，所以在新形势下，研究祁连山南坡及其附近地区气温的变化具有重要的理论与现实的意义。

前人对祁连山(气候)气温研究成果较多，汤懋苍等[9]、张存杰等[10]、蓝永超等[11]、贾文雄等[12-14]、尹宪志等[15]、张耀宗等[16]对祁连山气候包括气温作了研究。对于位于青海省境内的祁连山南坡地区的气温尚未作系统、多种方法的研究，本文对祁连山南坡多年平均气温、平均最高与最低气温、季节气温的时空特征进行分析。

1　研究区概况

研究区分为核心区与外围区，核心区是研究主体，位于青海省境内，但是核心区气象站点较少，所以增加了附近的气象站点作为辅助研究，外围区为祁连山南坡的南北两侧，分别位于青、甘两省。祁连山位于青藏高原东北部边缘，青甘交界处，海拔2 257～5 235 m，是我国重要的西北—东南走向的一系列山脉，是我国重要的地理分界线之一[17]，其垂直地带性明显，具有高原大陆性气候特征[18]。祁连山南坡是青海省重要的水源涵养保护区，气候的变化直接会对当地植被等生态环境造成影响，通过研究祁连山南坡及其附近地区气温的变化为进一步研究祁连山南坡水源涵养区的生态系统等研究做铺垫。

2　数据来源与研究方法

数据来源于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，选取1960—2014年祁连山南坡及其附近地区19个气象站点的平均气温、平均最低气温、平均最高气温的数据，数据的完整性与可靠性高；研究方法包括线性趋势法、相关分析法、多项式趋势法、5 a滑动平均、R/S分析方法[19-20]，利用ArcGIS 10.0对气温的空间变化做制图分析，对于趋势系数采取的是p<0.05显著性检验方法。

3　气温的时间序列变化

3.1　多年平均气温变化

1960—2014年多年平均气温(图1A)为0.360℃，平均气温的最高值出现在1998年，为1.594℃，与最低气温-0.858℃(1976年)相差2.452℃，年际变化较大，与全国近50 a平均最高气温出现的年份一致[5]；20世纪60，70，80年代的平均气温低于多年平均值，60，70年代的平均气温低于0℃，80年代至今高于0℃，90年代与2000年以来的平均气温均高于平均值；平均气温的变化趋势整体上为波动上升趋势，这与施雅风等[21]对西北地区气温、杨东等[22]对青海省气温研究的结论一致，55 a间累计增温1.324℃。

年均温(图1B)以0.35℃/10 a(p<0.01)的速率增加，高于全国平均值(0.22℃/10 a[2])，呈现出明显的增长趋势；从多项式拟合曲线可以看出20世纪60到70年代初缓慢上升，70年代初期到80年代中期呈现略微下降的趋势，从80年代中期到21世纪初呈现明显上升趋势，近10 a略有下降，这种现象与前人研究的结论相似[23-24]。

3.2　多年平均最高气温与最低气温变化

最高气温与最低气温整体上呈现出上升的态势(图2)，增长率分别为0.27℃/10 a(p<0.01)，0.41℃/10 a(p<0.01)；最低气温的升温幅度大于最高气温，最低气温变化趋势与青藏高原东部变化趋势[25]相符；最高气温的增长率低于平均气温的增长率，最低气温的增长率与之相反，与尹宪志等对近50 a年祁连山的平均气温(0.26℃/10 a)、最高气温(0.20℃/10 a)、最低气温(0.30℃/10 a)的研究基本一致[15]，说明平均气温的上升幅度受最低气温比受最高气温影响大；最高气温5个周期依次为，即1964—1974年、1 974—1983年、1983—1992年、1992—2002年、2002—2014年，最低气温也同样为5个周期，即1964—1975年、1975—1983年、1983—1992年、1992—2003年、2003—2014年，发现气温变化周期与太阳黑子变化周期11 a很相似。(图2中双向箭头表示周期)

图2　1960-2014年祁连山南坡及其附近地区年平均最低与最高气温变化特征

3.3　季节气温变化

从四季平均气温的线性回归图(图3A，D，G，J)得出，春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)的平均气温倾向率分别为：0.24℃/10 a，0.29℃/10 a，0.34℃/10 a，0.51℃/10 a，均通过了p<0.01的显著性检验，四季平均温度均为上升趋势，上升的速率由小到大依次为：春、夏、秋、冬，冬季速率最大，说明冬季气温增幅对年平均气温影响最大，与尹宪志等对祁连山四季平均气温的倾向率(0.11，0.17，0.25，0.37℃/10 a)研究[15]一致，冬季增温速率高于全国增幅(0.36℃/10 a)[5]，秋季速率与多年平均气温速率接近，夏季与春季低于平均气温速率，春季增温速率与全国值(0.23℃/10 a[5])接近。

从四季平均最低气温的线性回归图(图3B，E，H，K)得出，春、夏、秋、冬的最低气温倾向率分别为：0.34，0.45，0.43，0.67℃/10 a，均通过了p<0.01的显著性检验，四季的速率均大于各自平均气温的速率，分别比均温速率高0.10，0.16，0.09，0.16℃/10 a；四季最高气温倾向率(图3C，F，I，L)分别为：0.16，0.22，0.33，0.37℃/10 a，四季均通过了显著性检验，各个季节的速率均小于各自平均气温的速率，分别比均温速率低0.08，0.07，0.01，0.14℃/10 a；说明四季最低气温的升温率对年均温的贡献比最高温的大。

3.4　年代际气温变化

从表1可以看出：(1) 平均气温：60年代表现为下降趋势，之后一直升高，从90年代开始，其升高的趋势降低，2000—2014年比1990—1999年升高的趋势降低了71.74%；(2) 平均最低气温：各年代均表现为升高的趋势，从60年代到90年代升高趋势增加了0.77℃/10 a，2000—2014年比1990—1999年升高趋势降低了53.01%；(3) 平均最高温度：60与70年代表现为降低趋势，之后表现为升高趋势，从90年代开始，升高趋势变慢，2000—2014年比1990—1999年升高的趋势降低了78.22%，这并不能说明近10多年全球变暖停滞，可能是受到太阳活动和火山活动等自然外强迫造成的[26]。

表1　年代际气温变化率　℃/10 a

3.5　气温的R /S分析

对全年与四季的均温、最低气温、最高气温作R/S分析，得出相应的Hurst指数(表2)，均为0.5

根据Hurst指数的等级[27]可以看出趋势持续性(或反持续性)的强弱，本研究均为持续性。从全年来看，多年平均气温、最低气温、最高气温，三者Hurst指数强度等级均为强；从四季来看，除了冬季最低气温和春季最高气温的等级为强，其余均为较强；各气象站点平均气温的Hurst指数强度等级除了托勒、祁连、刚察、恰卜恰为较强外，其余站点等级均为强；57.89%的站点最低气温Hurst指数强度等级均为强，42.11%的站点最低气温Hurst指数强度等级均为较强；各气象站点平均气温的Hurst指数强度等级除了刚察、恰卜恰、山丹为强外，其余站点等级均为较强。

图3　1960-2014年祁连山南坡及其附近地区季节气温变化特征

4　气温空间变化

4.1　多年平均气温的空间变化

从图4可知，各站点的平均气温、最高气温均为增长趋势，分别为0.05～0.51℃/10 a，0.20～0.35℃/10 a，最低气温除了西宁为减小趋势(-0.03℃/10 a)，其余均为增长趋势，为0.26～0.88℃/10 a。(1) 平均气温：核心区的野牛沟站平均气温增长趋势较为明显(0.44℃/10 a)，托勒站(0.37℃/10 a)仅次于野牛沟站，而门源站增长率最低(0.09℃/10 a)，整体上大致由西北向东南递减；外围区恰卜恰站增长率(0.51℃/10 a)最高，西宁站增长率最低(0.05℃/10 a)，研究区内增长率>0.31℃/10 a的站点比例为52.63%，其中核心区为50.00%；除了门源站与西宁站没有通过显著性检验，其余的站点均通过了检验，显著性检验通过比例为89.47%。(2) 最高气温：核心区四站点表现出由西北向东南先减小后增大的趋势，其中门源站增长率最大(0.34℃/10 a)，祁连增长率最小(0.20℃/10 a)；外围区都兰站与恰卜恰站的增长率均为0.35℃/10 a，增长最快，民勤站增长最慢为(0.20℃/10 a)；除了门源站没有通过显著性检验，其余的站点均通过了检验，显著性检验通过比例为94.74%。(3) 最低气温：核心区各站点最低气温增长率较为明显，由大到小依次为门源站(0.40℃/10 a)、祁连站(0.39℃/10 a)、野牛沟站(0.36℃/10 a)、托勒站(0.29℃/10 a)，四站点增长率相差最大为0.11℃/10 a，最小为0.01℃/10 a，整体上呈现出与多年平均气温相反的趋势，由东南向西北递增；外围区德令哈站(0.88℃/10 a)增长最快，西宁站(-0.03℃/10 a)为减小趋势，二者相差0.91℃/10 a；除了野牛沟站与西宁站没有通过显著性检验，其余的站点均通过了检验，显著性检验通过比例为89.47%。

表2　祁连山南坡及其附近地区气温的Hurst指数

图4　多年平均气温、最高与最低气温的变化趋势空间分布

4.2　年代际气温的空间变化

4.2.1年代际平均气温的空间变化 从图5可知，1960—1969年各站点的平均气温处于下降趋势的为西宁、民和、都兰、山丹、永昌、张掖、乌鞘岭、高台、民勤与酒泉，占52.63%，倾斜率为-0.09～-1.36℃/10 a，民勤站降低最明显，为-1.36℃/10 a，其余站点均为增长趋势，占47.37%，增长率最大站点为武威(1.22℃/10 a)，31.58%的气象站点通过了显著性检验，其中核心区站点的倾斜率均为增长趋势，平均值为0.35℃/10 a；1970—1979年倾斜率处于增长的站点多于处于下降的站点，比例分别为63.16%与36.84%，德令哈增长最快(1.06℃/10 a)，门源下降最快(-1.01℃/10 a)，二者相差2.07℃/10 a，15.79%的站点通过了显著性检验，其中核心区站点的倾斜率均为降低趋势，平均值为-0.51℃/10 a；1980—1989年各站点均处于上升趋势，平均值为0.41℃/10 a，上升率最大为门源(1.32℃/10 a)，民和最小(0.05℃/10 a)，大部分站点的倾斜率为0～0.5℃/10 a，所占比例为73.68%，核心区均为增长趋势，从大到小依次为门源、托勒、祁连、野牛沟，该阶段只有门源站通过了显著性检验；1990—1999年94.74%的站点气温处于增长趋势，只有西宁站为负增长(-1.41℃/10 a)，最大值为武威(1.42℃/10 a)，二者相差2.83℃/10 a，52.63%的站点通过了显著性检验，其中核心区西北两站较其余两站增长快；2000—2009年除了都兰(-0.30℃/10 a)和山丹(-0.10℃/10 a)为负增长，其余站点均为正增长，均值为0.41℃/10 a，26.32%的站点通过了显著性检验；2000—2014年除了西宁(-0.10℃/10 a)为负增长，其余站点均为正增长，均值为0.26℃/10 a，显著性检验通过率为21.05%；核心区60年代、70年代、80年代门源站平均气温变化最大，之后野牛沟站变化最大。

图5　1960-2014年祁连山南坡及其附近地区年代际平均气温的变化趋势空间分布

4.2.2年代际平均最低气温的空间变化由图6可知，1960—1969年各站点的平均最低气温的变化趋势正负增长之比为9∶11，其中茶卡增长最快，增长趋势≥1.00℃/10 a的站点为刚察(1.00℃/10 a)、茶卡(1.15℃/10 a)、恰卜恰(1.03℃/10 a)，增长趋势≤-1.00℃/10 a的站点为民和(-1.18℃/10 a)，相差最大的二者相差3.33℃/10 a，显著性通过率为26.32%，其中核心区增长趋势为由西北向东南递减，依次为托勒(0.78℃/10 a)、野牛沟(0.70℃/10 a)、祁连(0.34℃/10 a)、门源(0.22℃/10 a)；1970—1979年57.89%的站点为正增长，德令哈(3.97℃/10 a)增长最快，42.11%站点为负增长，门源(-2.13℃/10 a)下降的最快，二者相差6.10℃/10 a，门源、德令哈、刚察、民勤四站点通过了显著性检验，其中核心区站点均为负增长，均值为-0.73℃/10 a，降低较为明显；1980—1989年各站点均为增长趋势，均值为0.73℃/10 a，门源增长最快，增长趋势≥1.00℃/10 a的站点为门源(2.37℃/10 a)、西宁(1.06℃/10 a)、山丹(1.15℃/10 a)、民勤(1.02℃/10 a)，显著性检验通过率为36.84%，其中核心区站点的倾斜率由西北向东南表现为增大趋势；1990—1999年除了西宁(-2.51℃/10 a)为负增长，其余站点均为正增长，均值为0.83℃/10 a，其中10个站点通过了显著性检验。2000—2009年除了都兰(-0.30℃/10 a)为负增长，其余站点均为正增长，均值为0.82℃/10 a，均值与80年代相似，52.63%的站点通过了显著性检验；2000—2014年84.21%的站点增长率为正值，永昌的增温趋势最大为1.00℃/10 a，通过显著性检验的比率为42.11%。核心区除了1970—1979年的站点变化趋势为负增长之外，其余年代均为正增长。

4.2.3年代际平均最高气温的空间变化从图7分析得出1960—1969年73.68%的站点平均最高气温的变化趋势为下降趋势，武威降低最为明显(-1.80℃/10 a)，均值为-0.81℃/10 a，刚察没有发生变化，托勒、门源、德令哈、恰卜恰为增长趋势，31.58%的站点通过了显著性检验；1970—1979年50%的站点为正增长，9个站点为负增长，托勒站无变化，德令哈变化最大(-1.07℃/10 a)，张掖的增长趋势最明显(0.49℃/10 a)，二者相差1.56℃/10 a，只有酒泉站点通过了相关显著性检验；1980—1989年大部分站点为正增长，高台站增长最快(0.42℃/10 a)，26.32%的站点为负增长，酒泉站点通过了相关显著性检验；1990—1999年各站点均为正增长，门源增长最快(1.48℃/10 a)，增长趋势≥1.00℃/10 a的站点为12个，占到全部站点的63.16%，西宁增长最慢(0.06℃/10 a)，核心区平均增长率为1.11℃/10 a，增长较快；2000—2009年除了都兰(-0.30℃/10 a)、山丹(-0.09℃/10 a)为负增长与野牛沟为零增长外，其余16个站点均为正增长，全部站点增长趋势均值为0.29℃/10 a；2000—2014年除了野牛沟(-0.08℃/10 a)、山丹(-0.05℃/10 a)为负增长外，其余17个站点均为正增长，增长最快的是都兰(0.72℃/10 a)只有高台通过了显著性检验。

图6　1960-2014年祁连山南坡及其附近地区年代际平均最低气温的变化趋势空间分布

图7　1960-2014年祁连山南坡及其附近地区年代际平均最高气温的变化趋势空间分布

4.2.4季节平均气温的空间变化 从图8可知，研究期内各站点除了西宁春季(-0.13℃/10 a)和秋季(-0.09℃/10 a)平均最低气温为负增长之外，其余季节的平均气温、平均最低气温、平均最高气温均为增长趋势，87.28%站点的变化趋势为0～0.50℃/10 a。(1) 春季(图8A)：平均气温、平均最低气温、平均最高气温的倾斜率范围分别为0.05～0.39℃/10 a，-0.13～0.68℃/10 a，0.10～0.32℃/10 a，平均值分别为：0.27℃/10 a，0.33℃/10 a，0.20℃/10 a，变化趋势由大到小依次为：平均最低气温、平均气温、平均最高气温；平均气温、平均最低气温、平均最高气温的倾斜率最大值与最小值分别为武威与西宁、德令哈与西宁、张掖与祁连；核心研究区比外围研究区春季的平均气温、平均最低气温、平均最高气温的变化趋势均较小，其平均值分别比外围研究区低0.05℃/10 a，0.09℃/10 a，0.09℃/10 a；除了西宁春季平均气温未通过显著性检验之外，其余均通过。(2) 夏季(图8B)：变化趋势由大到小依次为：平均最低气温、平均最高气温、平均气温，其平均值分别为0.40℃/10 a，0.27℃/10 a，0.26℃/10 a；其中平均气温的最大值(恰卜恰，0.40℃/10 a)与最小值(西宁，0.02℃/10 a)相差较大(0.38℃/10 a)，平均最低气温的最大值(德令哈，0.66℃/10 a)与最小值(西宁，0.02℃/10 a)相差0.64℃/10 a，平均最高气温的最大值(西宁，1.22℃/10 a)与最小值(民勤，0.10℃/10 a)相差1.12℃/10 a，差值由大到小依次为平均最高气温、平均最低气温、平均气温；核心研究区平均气温、平均最低气温、平均最高气温温的倾斜率范围分别为0.17～0.33℃/10 a，0.35～0.60℃/10 a，0.16～0.41℃/10 a，其平均值分别为0.27℃/10 a，0.44℃/10 a，0.27℃/10 a，比外围研究区的平均气温、平均最低气温、平均最高气温变化趋势均较大；除了西宁的平均气温与平均最低气温、山丹与民勤的平均最高气温未通过显著性检验，其余均通过了显著性检验。(3) 秋季(图8C)：平均气温、平均最低气温、平均最高气温的倾斜率最大值与最小值的差值分别为：0.47℃/10 a，0.82℃/10 a，0.21℃/10 a，其均值分别为：0.33℃/10 a，0.38℃/10 a，0.33℃/10 a，变化趋势相近；核心研究区平均气温、平均最低气温、平均最高气温的倾斜率均值分别为0.32℃/10 a，0.35℃/10 a，0.32℃/10 a，比外围研究区春季的平均气温、平均最低气温、平均最高气温变化趋势均较小，其平均值分别比外围研究区低0.003℃/10 a，0.04℃/10 a，0.01℃/10 a；显著性检验通过率为94.44%。(4) 冬季(图8D)：平均气温、平均最低气温、平均最高气温的倾斜率范围分别为0.14～0.87℃/10 a，0.08～1.43℃/10 a，0.15～0.50℃/10 a，变化趋势与春季相似，由大到小依次为：平均最低气温、平均气温、平均最高气温，平均值分别为：0.45℃/10 a，0.50℃/10 a，0.33℃/10 a，核心研究区平均气温、平均最低气温、平均最高气温的倾斜率均值分别为0.44℃/10 a，0.46℃/10 a，0.32℃/10 a，比外围研究区春季的平均气温、平均最低气温、平均最高气温变化趋势均较小，其平均值分别比外围研究区低0.009℃/10 a，0.06℃/10 a，0.01℃/10 a；显著性检验通过率为91.67%。

图8　1960-2014年祁连山南坡及其附近地区四季气温的变化趋势空间分布

5　讨论与结论

5.1　讨 论

2000—2014年比1990—1999年的升高趋势降低了24.14%，但是并不能说明近10多年全球变暖停滞，可能是受到太阳活动和火山活动等自然外强迫造成的，所以关于这部分的内容今后做进一步的研究；本文在分析气温的时间序列变化上没有采用小波分析、功率谱分析等方法，这点是今后研究所考虑的；对于影响气温变化的机制，比如大气环流、局部地形等因素，今后的研究会考虑这方面的研究工作。

5.2　结 论

(1) 时间序列变化：祁连山南坡及其附近地区多年平均气温、平均最低气温、平均最高气温、季节气温的变化趋势均为上升趋势，最低气温与冬季气温对全球变暖贡献大，气温的年代际变化除了20世纪60年代的平均气温、平均最高气温与70年代的平均最高气温变化趋势为负增长之外，其余也均为正增长；R/S分析得出今后变化趋势与过去变化趋势一致。

(2) 空间分布规律：平均气温除了西宁站的最低气温为负增长之外，各站点的平均气温、最高气温均为增长趋势，年代际气温变化各站点差异较大，各站点的季节气温除了西宁春季和秋季的平均最低气温为负增长之外，其余季节的平均气温、平均最低气温、平均最高气温均为增长趋势。

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