河西走廊东部近60年气候时空变化特征

罗晓玲，李岩瑛，，杨 梅，聂 鑫

（1.甘肃省武威市气象局，甘肃 武威 733000；2.中国气象局兰州干旱气象研究所/干旱气候变化与减灾重点开放实验室/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室，兰州 730020）

气候变化、全球变暖已成为世界关注热点。IPCC 第五次评估报告指出［1］，1901—2012 年全球平均气温百年升高了0.89℃，大于第四次报告中的0.74℃，近年来变暖速度明显加快，中国近百年来也升高了 0.5～0.8 ℃［2，3］，与全球气候变化趋势基本相同，特别是20世纪80年代、90年代升温迅速，西部地区的变暖程度则远高于全国［4］。已有研究表明［5］，华北地区强降水事件趋于减少，但西北地区强降水事件趋于增多［6］，且20世纪80年代后期西北地区由暖干向暖湿转型现象明显，祁连山及其北侧中西段气候转型较为显著［7-9］。

武威市位于甘肃省河西走廊东部，乌鞘岭以西，祁连山北麓，地形复杂，气候差异大，是典型的干旱半干旱气候，也是全球气候变化的敏感区。靳生理等［10］认为，河西地区降水变率大且均匀度较差。有学者［11-16］对河西走廊气温、降水、大风和沙尘暴等气候要素变化特征进行了分析，但随着时间序列变长，各要素均发生了较明显的变化。但针对该地区小区域气候变化的研究还可以更详细一点。因此，本研究以河西走廊东部为研究对象，用各站近60年的气温、降水、大风和沙尘暴数据，从时间和空间2个角度对其变化特征进行较为全面的分析，旨在揭示其气候变化规律，为地方经济发展以及防灾减灾工作提供决策参考。

1 研究区概况、资料来源与方法

1.1 研究区概况

武威市地处甘肃省河西走廊东部，位于东经101°41′—104°16′、北纬 36°29′—39°27′，共辖民勤、凉州、古浪、天祝4个县（区），地势西南高、东北低。其海拔高度为1 300～3 100 m，年降水量为110～410 mm，年蒸发量为1 500～2 700 mm。区内气候干旱少雨且温差大，随着海拔的升高，由东北向西南气温呈下降趋势，降水则相反。特别是位于最北面的民勤县，北、东、东南3面被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠所包围，大风和沙尘暴频发。

1.2 资料来源

所用气象要素数据来源于武威市凉州、民勤、古浪、天祝4个气象站的观测记录。

1.3 统计与分析方法

采用武威市4个观测站1959—2018年的气温、降水、大风和沙尘暴年序列资料，利用线性倾向率［17］方法进行气候要素的变化趋势分析，通过滑动t检验方法检验是否存在显著突变，经小波和功率谱分析求得各序列的显著周期。

通过 Excel 2007、SPSS 22.0、VB6.0 等软件，对资料进行统计、处理和分析。

2 结果与分析

2.1 气候时间变化特征

2.1.1 气温时间变化特征 1959—2018年气温年际变化（图1）显示，武威市年平均气温呈上升趋势，增温速度为 0.39℃/10年（P＜0.001），高于中国（0.24 ℃/10 年）［18］、西北地区（0.32 ℃/10 年）［19］、河西走廊（0.27℃/10年）［11］和河西走廊西部（0.25℃/10年）［20］的增温速度。气温年代际变化表明（表 1），20世纪60—80年代气温偏低，90年代为气温转折点，由降温变为升温，1999—2008年增温最快，增温速度为0.80℃/10年。

图1 武威市年平均气温变化趋势

表1 武威市各县（区）气温距平年代际变化 （单位：℃）

四季气温均有上升，增温速度是冬季＞秋季＞春季＞夏季（图略）。冬季增温速度最大，年际倾向率为 0.49℃/10年（P＜0.001），20世纪 60年代后期出现下降，1968年出现最低值，平均气温为-11.4℃，之后迅速上升，80年代后期短暂下降后，上升趋势逐渐明显，特别是近30年升温显著。春季增温速度为 0.38℃/10年（P＜0.001），20世纪 70年代、80年代略有下降，90年代开始呈持续升温状态。夏季增温速度最小，为 0.33℃/10年（P＜0.001），20世纪80年代和90年代前期略有下降，90年代后期开始持续升温。秋季增温速度为 0.42℃/10年（P＜0.001），60年代后期出现短暂下降，直线下降至最低值（1967年的3.4℃），之后呈波浪式上升。

滑动t检验检测结果表明（图略），武威市年平均气温在1967年为最低，2013年为最高，在这2年发生了显著突变（通过了α=0.05水平的置信度检验）。春、夏、秋、冬四季气温分别在1970年、2013年、2018年，2013年、2016年、2018年，1967年，1968年、2017年存在突变。

经小波和功率谱分析求得年平均气温存在显著的周期振荡，20世纪60年代主要存在2～3年的周期，70年代和80年代主要表现为5～6年的周期，90年代至2018年则是3～4年的周期（图略）。2～3年、3～4年的周期通过了α=0.05水平的置信度检验（红噪声检验）。

2.1.2 降水量时间变化特征 1959—2018年武威市年降水量变化（图2）显示，降水量呈波动增加趋势，年际倾向率为6.1 mm/10年（P＞0.05）。年代际变化（表2）表明，1959—1968年是近60年来的最干旱期，也是降水年际变化最剧烈期，1961年降水量次多，为325.1 mm，1962年降水量最少，为152.2mm；1969—1978年较湿润，1979—1998年逐渐转变为较干旱期，1999—2018年是显著湿润期，近10年尤为显著。降水存在3个转折点，1969—1978年由干旱转为较湿润，1979—1998年由较湿润转为较干旱，1999—2008年由较干旱转为湿润。

图2 1959—2018年武威市年平均降水量变化趋势

表2 武威市各县（区）降水量距平百分率年代际变化（单位：%）

各季降水变化趋势表明（图略），秋季降水呈持平状态，其他季节呈增加趋势。其中，冬季降水量年际倾向率最小，为 0.6 mm/10年（P＞0.05），1960—1981年、1984—1987年降水量在平均值以下波动，1988年以后则在平均值以上波动，近10年增加较明显，但也是波动最大的10年。冬季降水量1971年最少，为1.3 mm；2006年最多，为20.4 mm。春季降水量年际倾向率为1.5 mm/10年（P＞0.05），1968—1981年降水量在平均值以下波动，其他时间均在平均值上下波动。春季降水量1968年最少，为18.9 mm；1964年最多，为39.8 mm。夏季降水量年际倾向率为 3.0 mm/10年（P＞0.05），1962—1967年降水量在平均值以下波动，其他时间均在平均值上下波动。夏季降水量1962年最少，为53.6 mm；1994年最多，为76.8 mm。

滑动t检验检测结果显示（图略），年降水量变幅较大，呈波浪式上升趋势，在1962年发生了显著突变（通过了α=0.05水平的置信度检验），从最小值开始波浪式增加。春、夏、秋、冬四季降水量分别在1964年和1967年、1962年和1994年、1971年、2006年存在突变。

应用小波和功率谱分析求得年降水量存在显著的周期振荡（图略），20世纪60年代至70年代初期存在2～5年短周期，70年代中期至90年代中期存在3～4年的短周期，90年代后期至21世纪前15年存在2年的短周期；20世纪60年代至80年代末存在6～8年的长周期，90年代中期至21世纪前18年存在8～10年的长周期。红噪声检验发现，2年、3～4年的短周期和8～10年的长周期通过了α=0.05水平的置信度检验。

综合气温和降水量变化特征，武威市气候有暖湿化趋势，特别是近20年比较显著。

2.1.3 大风时间变化特征 1959—2018年武威市年大风日数变化（图3）显示，年大风日数呈减少趋势，年际倾向率为-0.4 d/10年（P＞0.05）。年代际变化（表3）表明，1959—1968年是近60年来大风日数最少期，1967年大风日数最少，为8.3 d；1969—1978年则是最多期，1973年大风日数最多，为40.3 d，这10年也是大风日数转折点，由偏少期转为偏多期，之后逐渐减少，近10年减少幅度降低。

各季大风日数变化趋势表明（图略），春季大风日数呈略减少趋势，年际倾向率为-0.1 d/10年（P＞0.05），1960—1968 年、2012—2017 年大风日数在平均值以下波动，1967年大风日数最少，为3.3 d；1959年大风日数最多，为17.8 d。夏季大风日数呈显著减少趋势，年际倾向率为-0.4 d/10年（P＜0.05），1960—1965年、1998—2012年大风日数在平均值以下波动，2005年大风最少，为1.8 d；1969—1975年、1980—1984年大风日数在平均值以上波动，1973年大风日数最多，为16.3 d；其他时间则在平均值上下波动。秋季大风日数呈持平状态，1960—1968年、2005—2009年大风日数在平均值以下波动，1964年和1967年大风最少，为0.5 d；其他时间则在平均值上下波动，1987年和1996大风日数最多，为6.8 d。冬季大风日数呈略增加趋势，年际倾向率为0.2 d/10年（P＞0.05），1961—1968年、1989—1993年大风日数在平均值以下波动，1968年大风日数最少，为 0.8 d；1976—1979年、2014—2018年大风日数在平均值以上波动；其他时间则在平均值上下波动，1988年大风日数最多，为10.0 d。春季大风日数的减少抵消了冬季大风日数的增多，减轻了对全年大风日数的影响程度，夏季大风日数对全年大风日数的贡献最大。

图3 1959—2018年武威市年大风日数变化趋势

表3 武威市各县（区）大风日数距平年代际变化（单位：d）

滑动t检验检测结果显示（图略），年大风日数呈波浪式下降趋势，在1967年和1973年发生了显著突变（通过了α=0.05水平的置信度检验）。春、夏、秋、冬四季大风分别在1959年和1967年、1973年和1974年、1972年、1988年和2011年存在突变。

2.1.4 沙尘暴时间变化特征 1959—2018年武威市年沙尘暴日数变化（图4）显示，年沙尘暴日数呈显著减少趋势，年际倾向率为-2.8 d/10年（P＜0.001）。年代际变化（表4）表明，1959—1998年沙尘暴日数持续减少，1999—2008年较前10年略有增加，近10年减少最显著。1959—1968年是最多期，1959年最多，为21.8 d；2017年最少，全年未出现。

四季沙尘暴均显著减少（图略），减少速度是春季＝夏季＞冬季＞秋季。春季沙尘暴日数年际倾向率为-1.2 d/10年（P＜0.001）；1959—1977年、1979—1987年沙尘暴日数在平均值以上波动，1959年沙尘暴最多，为 10.8 d；1988—1999 年、2003—2018 年在平均值以下波动；其他时间则在平均值上下波动，2015年、2018年未出现沙尘暴。夏季沙尘暴日数年际倾向率为-1.2 d/10年（P＜0.001）；1959—1984年沙尘暴日数在平均值以上波动，1966年沙尘暴日数最多，为7.3 d；1988—2018年在平均值以下波动；其他时间则在平均值上下波动，有8年未出现沙尘暴。秋季年际倾向率为-0.3 d/10年（P＜0.001）；1959—1966年、1981—1986年沙尘暴日数在平均值以上波动，1959年沙尘暴日数最多，为 4.0 d；1992—2018年在平均值以下波动，其他时间则在平均值上下波动，有21年未出现沙尘暴。冬季沙尘暴日数年际倾向率为-0.6 d/10年（P＜0.001）；1960—1983年沙尘暴日数在平均值以上波动，1963年沙尘暴日数最多，为5.5 d；1989—2018年在平均值以下波动；其他时间则在平均值上下波动，其中有9年未出现沙尘暴。

图4 1959—2018年武威市年沙尘暴日数变化趋势

表4 武威市各县（区）沙尘暴日数距平年代际变化（单位：d）

滑动t检验检测结果显示（图略），年沙尘暴日数呈显著下降趋势，在1959年发生了显著突变（通过了α=0.05水平的置信度检验）。春、夏、秋、冬四季沙尘暴日数分别在1959年和1979年、1966年和1973年、1966年和1979年、1963年和1972年存在突变。

2.2 气候空间变化特征

武威市地形南高北低，从北向南海拔高度相差1 800 m，受此影响，气象要素差异较大。年平均气温从南向北依次为天祝0.2℃、古浪5.6℃、凉州8.4℃、民勤8.6℃，南北最大相差8.4℃。近60年各地气温均呈上升趋势，增温速度为（凉州0.43℃/10年）＞民勤＝古浪（0.42℃/10年）＞天祝（0.27℃/10年）。年降水量从南向北依次为天祝406.7 mm、古浪358.2 mm、凉州 168.6 mm、民勤 115.0 mm，最大相差291.7 mm。各地降水量呈增加趋势，年际倾向率为天祝（14.2 mm/10年）＞民勤（4.1 mm/10年）＞凉州（3.7mm/10年）＞古浪2.3 mm/10年。年大风日数从南向北依次为天祝64.7 d、古浪3.8 d、凉州 10.0 d、民勤20.3 d，呈南北多、中间少的特点。近60年大风日数变化规律为天祝呈增加趋势，年际倾向率为5.4 d/10年，其他地区呈减少趋势，年际倾向率为民勤（-3.3 d/10年）＞凉州（-2.9 d/10年）＞古浪（-0.5 d/10年）。年沙尘暴日数从南向北依次为天祝0.8 d、古浪2.4 d、凉州5.7 d、民勤22.2 d，民勤由于特殊的地理位置（三面被沙漠包围），成为沙尘暴的多发区。随着时间变化各地沙尘暴日数呈减少趋势，年际倾向率为民勤（-7.1 d/10年）＞凉州（-2.8 d/10年）＞古浪（-1.1 d/10年）＞天祝（-0.4 d/10年）。由于全球剧烈变暖促使南方海洋水汽向北输送，致使河西走廊东部近60年来年降水量总体呈缓慢增加趋势，加上区域生态的重建和恢复，使得该区沙尘暴日数呈显著减少态势，民勤尤为显著，平均以7.1 d/10年的速度减少。

3 小结

1）武威市气温呈上升趋势，增温速度为0.39℃/10年，1999—2008年增温最快；气温在1967年和2013年发生了显著突变，存在 2～3年、3～4年的周期振荡。四季气温均有上升，增温速度为冬季＞秋季＞春季＞夏季。空间分布上呈南部低、北部高的特点；随着时间的变化，各地气温均显著上升，增温速度是凉州＞民勤＝古浪＞天祝。

2）武威市降水量呈波动增加趋势，年际倾向率为6.1 mm/10年，存在3个转折点，1969—1978年由干旱转为较湿润，1979—1998年由较湿润转为较干旱，1999—2008年由较干旱转为湿润；在1962年和1991 年发生了显著突变，存在 2～3 年、3～5 年、8～10年的周期振荡。四季降水量除秋季持平外，其他季节呈增加趋势，增幅为夏季＞春季＞冬季。空间分布上为南部降水量比北部多2.5倍，近60年变化特点是各地呈略增加趋势，增幅为天祝＞民勤＞凉州＞古浪。

3）武威市年大风日数呈减少趋势，年际倾向率为-0.4 d/10年。1959—1968年是近60年来大风日数最少期，1969—1978年则是最多期；在1967年和1973年发生了显著突变；春季和夏季大风日数呈略减少趋势，秋季呈持平状态，冬季则呈略增加趋势；春季大风日数的减少抵消了冬季大风日数的增多，夏季大风日数对全年大风日数的变化贡献最大。年大风日数空间分布上呈南北多、中间少的特点；近年来变化规律为天祝呈增加趋势，其他3个地区呈减少趋势。

4）武威市年沙尘暴日数呈显著减少趋势，年际倾向率为-2.8 d/10年，近10年减少最明显。1959年有显著突变发生。四季沙尘暴日数减少速度为春季＝夏季＞冬季＞秋季。年沙尘暴日数空间分布上呈南少、北多的特点；变化规律是各地均呈减少趋势，减少速度为民勤＞凉州＞古浪＞天祝。

综合来看，近60年来武威市气候暖湿化趋势明显，随着石羊河流域综合治理力度加大，大风日数和沙尘暴日数显著减少，生态环境得到改善。