无定河湿地保护区气候变化特征研究

刘 念，费良军，冯缠利，同海丽，介飞龙，郝 琨

(1.西安理工大学水利水电学院，陕西 西安 710048；2.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001)

我国西北地区由于其地理位置特殊，是全球气候变化响应敏感地带之一，也是生态环境变化脆弱的地区[1]。无定河湿地保护区以保护无定河流域湿地生态系统为主，兼顾了保护水源地及动植物资源的生态功能。由于湿地保护区内的水资源短缺，供需矛盾突出及水土流失日趋严重，导致天然河流湿地面积大幅萎缩。因此，无定河湿地保护区内气候变化对当地生态环境影响很大。近年来，西北地区的气候变化问题一直是科学研究的热点，以往研究侧重于整个西北地区的气候变化特征[2-3]，或是流域整体的气候变化与径流响应[4]。张强等[5]分析了西北地区气候的时空变化特征，发现西北地区气温呈显著的上升趋势，而降水具有显著的区域差异并表现出整体暖干化局部暖湿化现象。刘晓琼等[6]指出，2006年来榆林市出现弱度的减温增湿，气温、降水量变化分别存在冷暖与干湿交替的多时间尺度变化特征，降水量序列突变不明显。本文利用1981-2019年无定河湿地保护区横山站的逐日气象资料，研究无定河湿地保护区气候变化特征，以期揭示无定河湿地保护区气象因子变化规律，为无定河湿地保护区水资源管理和生态环境治理提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 研究区域概况

陕西无定河湿地省级自然保护区，位于陕西北部鄂尔多斯高原南部毛乌素沙地南缘，地理坐标北纬37°58′00″～38° 07′00″，东经109°15′00″～109° 50′00″。保护区长度为55.2 km，总面积11 480 hm2，以保护区域内湿地生态系统为主，兼顾保护水源地环境、湿地珍稀水禽以及陕北黄土高原风沙区湿地景观。研究区气候属于半干旱大陆性季风气候，四季分明，日照时间长，冬季寒冷，夏季高温炎热。年降水量为379.7 mm，降水大部分集中在7-9月，占全年的60%～70%。保护区较大支流有芦河、海流兔河、黑木头河，主要以降水补给为主，年径流量约为6.11亿 m3。

1.2 数据来源

本研究选取1981-2019年无定河湿地自然保护区横山站的逐日气象观测数据，包括降水量、平均气温、相对湿度、日照时数、平均风速，对个别月份缺测数据进行了插补延长。采用Microsoft Excel软件进行数据处理，用SPSS软件进行显著性检验。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall趋势检验

在M-K检验中，原假设H0为样本数为n的序列X(x1，x2，…，xn)，备择H1为双边检验，通过对统计量S和M-K统计量建立关系式计算Zc值[7-8]，β为倾斜度。在双边趋势检验中，当-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2时，表示研究对象没有显著趋势；相反，表示时间序列有显著变化趋势。Zc>0表示序列呈增加趋势，Zc<0表示减少趋势。本文取α=0.05，±Z1-α/2=1.64。|Zc|> 1.64表示通过了0.05显著性检验。

1.3.2 非参数Mann-Kendall法突变检验

设时间序列X(x1，x2，…，xn)，Sk表示第i个样本Xi>Xj(1≤j≤i)的累计数，计算统计量如下：

(1)

(2)

(3)

分别按序列X顺序与逆序计算出统计量序列UFk和UBk。对于给定的显著性水平，绘制UFk、UBk、临界值曲线，得到突变性检验图[9]。本文选定显著性水平为α=0.05，对应的临界值为±1.96。

1.3.3 滑动t检验法

2 成果分析

2.1 年际变化分析

年降水量的检验统计值|Zc|=1.44<1.64(见表1)，表明降水量在近40 a内有缓慢上升趋势。平均每10 a降水增加23.86 mm，多年平均降水量为379.73 mm。研究区降水量在1998年之前波动较小，1998年之后波动幅度增大。2015年为年降水量增多的突变起始年。UFk曲线在1993、1995、1997、1999、2000、2001年超过临界值曲线，降水量在这一年下降趋势明显。由图1(c)可知，当n=5时，未检测出降水量突变年份，当n=7时，在2010年统计值为-2.61，其绝对值大于临界值2.18，故将2010年作为研究区降水量突变开始年。

表1 无定河湿地保护区气象要素趋势变化的M-K统计参数表

图1 1981-2019年无定河湿地保护区降水量变化特征

研究区年均气温的检验统计值|Zc|=3.34>1.64，表明气温在近40 a内呈显著上升趋势。由图2(a)可知，1996年以前年均气温高于多年平均气温的年份仅有4年，滑动曲线在多年平均气温曲线下方，往后气温仅有4年低于平均气温，滑动曲线基本在多年平均气温曲线上方。利用Mann-Kendall法检验出气温开始突变的年份为1994年，UFk曲线在1999年之后超过临界值曲线，表明平均气温在该时间段内上升趋势显著。采用滑动t检验法进行平均气温突变点确认，在n=5时，1996、2012年统计值的绝对值均大于临界值2.31，表明平均气温可能发生突变的年份为1996、2012年。改变子序列长度，得出平均气温在1996年出现上升突变。

图2 1981-2019年无定河湿地保护区平均气温变化特征

相对湿度的检验统计值|Zc|=2.64>1.64，表明相对湿度在近40 a呈显著的增大趋势，由图3a可知，相对湿度的变化波动较大，平均每10 a湿度增大1.12%。UFk值在2006年之后均大于0，且呈上升趋势变化直至超过临界值曲线，表明相对湿度在该时间段内上升趋势显著，根据交点位置判断突变时间为2006年。由图3(c)可知，当n=5时，1987、1988、2008年统计值向下超出临界线，表明出现增加突变。1994年统计值为2.78>2.31，表明出现减少突变。当n=7时，相对湿度发生突变减小在1994年，发生突变增加在2010年。

图3 1981-2019年无定河湿地保护区相对湿度变化特征

平均风速在近40 a内呈现显著的减小趋势。平均每10 a风速下降0.16 m/s，多年平均风速为2.37 m/s。由图4(b)可知，平均风速继1981-1985年缓慢上升，之后的一段时间直至1990年呈显著上升趋势，而在1990-1997年经历了一段缓慢上升之后，至2019年平均风速呈下降趋势。因为风是气团之间存在温差、出现气压梯度而造成的气体流动，平均气温的上升在一定程度上会影响风速减弱，平均风速减弱也可能与城镇化的影响有关。

图4 1981-2019年无定河湿地保护区平均风速变化特征

2.2 逐月变化分析

由图5可以看出，近40 a无定河湿地保护区降水量、气温、风速在年内呈单峰型分布，夏季7、8月是降水最集中时期；由表2可看出，9月降水量增大趋势显著(P<0.05)，平均每10 a增加10.46 mm；月平均气温峰值在7月，各月平均气温均逐年升高，平均每10 a升高0.07℃～0.73℃。3月和6月气温升高幅度明显(P<0.01)，对形成年均气温以较高的速率升高有很大贡献。相对湿度1-4、9-12月呈逐渐降低趋势，4-9月逐渐增大，相对湿度的增大主要发生在9月和10月(P<0.01)，气候倾向率分别为3.17%/10a、3.2%/10a。年内日照时数呈先降低再增大，而后又呈降低的变化趋势，其中5月日照时数最大，7月和9月逐年减幅明显(P<0.01)。研究区3-10月的平均风速逐年减小趋势显著(P<0.01)，8月风速减小幅度最大，平均每10 a减小0.28 m/s。

表2 无定河湿地保护区气象要素逐月变化倾向率表

研究区降水量集中时段气温较高，雨热同期现象明显，加上冬春连旱，使得植物生长所必须的气候环境进一步破坏，同时夏季7、8月降水多以暴雨的形式出现，在黄土高原等土质疏松的地区易引起山洪，造成水土流失，使得城市内涝灾害的风险也加大。由图5可知，日照时数越大，相对湿度越小，由于日照时间增大导致空气中水分散失增大，从而导致湿度降低。

图5 无定河湿地保护区气象要素年内变化图

3 结语

1981-2019年无定河湿地保护区气候呈现“暖湿化”趋势。气温、降水和湿度总体呈现出气温上升、降水增加、湿度增大的趋势，降水量增幅明显小于年均气温的增幅。平均风速具有显著下降趋势；平均气温发生突变上升的年份为1996年和2012年，降水量发生突变的年份为2010年，相对湿度突变减小发生的年份为1994年；无定河湿地保护区平均气温、降水量与风速在年内呈单峰型分布，雨热同期现象明显，夏季7、8月降水多以暴雨的形式出现。日照时数与相对湿度的年内变化趋势相反，日照时数越大，相对湿度越小。