大柴旦地区降雨、温度及蒸发变化特征分析

齐 燕

大柴旦地区降雨、温度及蒸发变化特征分析

齐 燕

（长安大学 水利与环境学院，西安 710061）

【】探索影响雨养农业生产的关键气象要素温度、降水和蒸发的变化特征。以大柴旦1956—2017年的逐月降水量、温度、蒸发量数据为基础，采用线性倾向估计法、Mann-Kendall突变检验法、Morlet小波分析方法对该地区的降水量、温度、蒸发量进行了系统分析。大柴旦地区降水量呈增多趋势，温度呈增高趋势，蒸发量呈减小趋势；通过改进的Mann-Kendall突变检验法确定2001—2002年为降水量序列上升突变点，温度序列未发生突变，1998—1999年为蒸发量序列的减少突变点。降水量序列存在8、19 a和29 a左右的变化周期；温度序列存在5、9、14 a和19 a左右的周期；蒸发量序列存在10 a和18 a左右的周期。预测大柴旦地区未来几年降水量处于小周期减少期，温度处于增高阶段，蒸发量将处于减少期。

降水；温度；蒸发；Mann-Kendall检验；Morlet小波函数；大柴旦

0 引言

【研究意义】气候变化问题持续受到各界的关注。农业生产与气候条件息息相关，温度、降雨、蒸发等气候因子的变化对农作物生长、农业生产活动产生巨大影响。适时认识气候规律、气象变化，及时采取有效的预防措施，是确保农业生产效率的重要途径之一。

【研究进展】IPCC第5次气候变化评估报告指出，1880—2012年全球表面平均温度升高了0.85 ℃，变暖最为显著[1]。我国在1909—2011年平均增温0.9～1.5 ℃，其中北方增暖大于南方，内陆大于沿海，并且这种趋势仍在延续[2]。受人为活动、大气环流、地形等因素的影响，我国不同地区气温和降水的变化幅度有所不同[3-5]，表明响应全球变暖的过程和程度具有地域性和空间差异[6]。大柴旦位于青海省西北部、柴达木盆地北缘，干旱少雨，温差较大，降水主要集中在夏季，属于典型的内陆高原生态环境脆弱地带[7]。自然降水是该区农业生产水分供给的直接来源，而以气候变暖、降水量减少为主要特征的气候变化会对雨养农业区的种植结构及功能有着广泛而显著的影响[8]。蒸发是热量和水资源平衡的重要组成部分，同时有调节相对湿度、温度的作用[9]，蒸发量的变化对作物的蒸腾作用和水分利用率有重要影响。因此，深入研究大柴旦地区温度、降水与蒸发的演变趋势对农业发展及生态建设具有重要意义。

气候变化引起的相关问题已经成为当前研究的热点[10-11]，很多的学者对全球变暖背景下降水量、温度和蒸发量的变化进行了研究。岳永杰等[12]分析了根河流域1980—2017年气候的变化，结果表明该流域1980—2017年降水量没有很大的变化，但是气温却呈迅猛上升趋势。马日新等[13]分析了格尔木河流域近60年降水、蒸发及温度的变化特征，表明该流域气候由冷干向暖湿转变，研究区降雨和温度呈波动上升趋势，而蒸发呈下降趋势；李环环等[14]对腰坝绿洲降雨、蒸发序列进行了周期演变及趋势预测，表明该地区降雨量呈增多趋势，蒸发量呈显著减少趋势；何庆龙等[15]分析了延安市降水的年内和年际空间变化特征，结果表明年内汛期降雨占全年降雨的70%，且分布极为不均匀，年际降雨呈现“增-减-增”的波动减少趋势。Bradley等[16]根据降雨量的伽马分布分析了1850—1980年北半球陆地的年、季降雨的长期变化，结果表明中纬度降雨显著增加，而低纬度降雨同时减小。Diza等[17]分析了1890—1986年沿各纬度带及全球平均降雨指数，结果表明南半球自20世纪40年代以来除南方夏季外均呈正异常增加，而北半球的降雨指数几乎没有与时间的相关性。国内外学者对蒸发量的变化也做了大量研究，Golubev等[18]发现1950—1990年美国和苏联的蒸发量呈逐渐下降的趋势。唐凯等[19]研究潮州市蒸发变化特征，发现年平均蒸发量有明显的减少趋势；邱新法等[20]和谢平等[21]分别研究黄河和东江流域蒸发量的变化也得到同样的规律。

【切入点】以往对大柴旦雨养农业区气候变化的研究大多是讨论降雨、温度或者温度、蒸发2种气候因子，而对3种因子都讨论的研究较少。此外，研究还存在选取时间序列短，也没有分析未来气候变化的趋势等问题。【拟解决的关键问题】因此，本文选用大柴旦气象站1956—2017年的气象资料，在分析降雨、温度、蒸发序列线性趋势变化的基础上，利用Mann-Kendall检验法和小波分析法对降雨、温度、蒸发序列进行突变与周期性分析，并预测未来气象变化趋势，以提高对大柴旦地区气候变化趋势的认识，揭示干旱半干旱区气候变化区域差异性，对保护农业生产与生态环境建设具有十分重要意义。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

研究区位于青海省西北部，柴达木盆地北缘的大柴旦盆地内，地势由山前洪积扇到洪积平原或湖积平原逐渐降低，地形由北向南倾斜。气候类型属于典型的内陆盆地气候，冬季寒冷，夏季凉爽，昼夜温差大，多年平均气温2.04 ℃，多年平均降雨量88.87 mm，多年平均蒸发量1 938 mm。

大柴旦地区总面积约有210万hm2。该区可利用的农业用地1.3万hm2；草场面积为39.16万hm2，草场可利用面积为20.01万hm2；林地面积为4.53万hm2，其中灌木林地面积为3.73万hm2，占林地面积的82.3%。研究区农作物主要有春小麦、冬小麦、青稞、马铃薯、油菜和线椒等。

1.2 数据来源

降水、温度、蒸发数据为大柴旦气象站气象要素的月平均观测资料，时间为1956年1月—2017年12月。

1.3 研究方法

采用一元线性回归[21-22]模拟合方法分析气候要素的变化趋势，用气候倾向率表征气象要素变化程度；应用Mann-Kendall[23-25]非参数统计检验法对气候要素进行突变检验，排除杂点，确定1956—2017年降水量、温度、蒸发量因子的突变期；在以上2种方法的基础上使用小波分析[26-29]确定气候变化的周期性，不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示其变化的时间段，并预测气候要素未来的变化趋势。

2 结果与分析

2.1 降水量、温度及蒸发量变化特征

2.1.1 降水量变化特征

图1为1956—2017年大柴旦年降水量变化曲线和月平均降水量分布图。从图1（a）可以看出，大柴旦地区降水量年际变化较大，最小年降水量为33.7 mm（1976年），最大降水量为168.2 mm（2017年），多年平均降水量为88.86 mm，降水量趋势方程为=0.55+71.43，其相关系数为0.08（<0.05），变化倾向率为5.54 mm/10 a，表明1956年以来大柴旦地区降水量呈逐渐增加趋势。

从图1（b）可以看出，1956—2017年大柴旦地区降水量年内分配不均匀，降雨主要集中在6月和7月，分别占全年降水量的24.36%、24.83%；其次为5、8、9月，分别占全年降水量的12.93%、15.61%、8.33%；其余各月仅占全年总降水量的13.94%。

2.1.2 温度变化特征

图2为1956—2017年大柴旦温度变化曲线和月平均温度变化图。从图2（a）可以看出，大柴旦地区多年平均温度呈上升趋势，年温度趋势变化方程为=0.055+0.31，变化倾向率为0.55 ℃/10 a，相关系数为0.77（<0.01）。多年平均温度为0.24℃，最大平均温度为4.84 ℃（2009年），最小平均温度为-0.34 ℃（1956年）。

从图2（b）可以看出，与我国大多数地区温度变化相似，大柴旦地区7、8月温度最高，12、1月温度最低，年内温度变化幅度大，变化幅度可达29 ℃。

图2 1956—2017年大柴旦温度变化曲线和月平均温度变化

2.1.3 蒸发量变化特征

图3为1956—2017年大柴旦蒸发量变化曲线和月平均蒸发量变化图。从图3（a）可以看出，大柴旦地区的年蒸发量呈下降趋势，其趋势方程为=-14.95+2 409.1，其相关系数为0.49（<0.01），变化倾向率为-149.5 mm/10 a，多年平均蒸发量为1 938.2 mm，最大年蒸发量为2 369.1 mm（1973年），最小蒸发量为1 105 mm（2005年）。2000年之前，蒸发量变化较为稳定，2000年以后，蒸发量急剧变小，产生这种现象的原因可能与日照时间有关，郭素荣等[30]提到2000年以后青海省的日照时间呈下降趋势，这一现象可能导致该地区在降雨和温度都增加的条件下，蒸发量范围减小。

从图3（b）可以看出，月平均蒸发量变化与温度变化规律相似。5—8月蒸发量均在250 mm以上，占全年蒸发量的57.8%，3—4月、9—10月蒸发量次之，占全年蒸发量的33.1%，11月至次年2月蒸发量较小，仅占全年蒸发量的9.1%。

图3 1956—2017年大柴旦蒸发量变化

2.2 降水量、温度及蒸发量突变分析

运用Mann-Kendall检验方法对1956—2017年大柴旦地区的降水量、温度、蒸发量序列进行突变检验（采用0.05显著性检验值），结果见图4。由图4（a）可知，1956—2017年，>0，表明在这期间降雨呈增加趋势，其中在1967、1970—1975、2010、2012、2015、2017年超过0.05显著水平线，表明在这期间降水量的增加趋势明显。和曲线相交于1962—1963年、1964—1965年、1965—1966年、1975—1976年、1976—1977年、1977—1978年、1991—1992年、1992—1993年、1962—1963年、2001—2002年、2012—2013年、2013—2014年有些点实际上不是突变点，而是杂点，采用改进的Mann-Kendall突变检验法来排除杂点，最终确定2001—2002年为降水序列的突变点，且为上升突变点，突变前年降水量为49.2 mm，突变后年降水量为164.9 mm，增加了115.7 mm。

由图4（b）可知，在1956—2017年，>0，表明在这期间温度呈增加趋势，且在1972年之后超过0.05显著水平线，表明在这期间温度增加趋势明显。和曲线相交于1987年，且交点位于0.05显著水平线外，表明温度系列不存在突变点。

由图4（c）可知，在1960—1994年>0，表明在这期间蒸发量呈增加趋势，且在1969—1982年之间超过0.05显著水平线，说明在这期间蒸发量增加趋势明显；1956—1959年、1995—2017年<0，表明在这期间蒸发量呈减小趋势，且在2004年之后超过0.05显著水平线，表明2004年以后蒸发量减小趋势明显。和曲线相交于1998—1999年，采用改进的Mann-Kendall突变检验法，最终确定1998—1999年为蒸发序列的突变点，且为下降。

2.3 降水量、温度及蒸发量小波分析

选用Morlet小波，对大柴旦地区1956—2017年降水量、温度和蒸发量序列进行不同时间尺度的周期演变特征分析。

图4 Mann-Kendall突变检验曲线

由图5（a）可知，大柴旦年降水量在24～37、15～23、4～8 a的时间尺度上存在周期性，其中24～37 a尺度的震荡最强且贯穿整个序列，1956—2017年的降水量变化表现为4个偏枯期和3个偏丰期，年降水量经过了“降-升-降-升-降-升-降”的变化规律。前文中提到2002年是大时间周期下降雨增加的转折点，但是图5（a）显示2010—2017年小周期下的等值线负相关，且到2017年等值线还没有完全闭合，说明大柴旦在未来一定时间内降水量减少的趋势仍会持续下去。从图5（b）可以看出，降水存在3个峰值，29 a的时间尺度为降水序列的第一主周期，说明大柴旦地区年降水29 a左右的周期振荡最强，第二主周期为8 a，第三主周期为19 a，是降水进入小周期下降。

图6为温度序列小波变化系数实部和小波方差图。由图6（a）可知，大柴旦温度序列在19～25、12～19、8～9、4～6 a的时间尺度上存在周期性。从图6（b）可以看出，温度序列存在5、9、14、19 a的震荡周期，且14 a的周期震荡最强，为温度变化第一主周期，在14 a的尺度上，温度经历了7次“降-增”循环的变化规律，在14 a的尺度下，2017年等值线处于正相位，且等值线未闭合，推测未来一段时间大柴旦地区温度处于增高阶段。

图5 降雨序列小波变换系数实部和小波方差图

图6 温度序列小波变换系数实部和小波方差图

图7为蒸发量序列小波变化系数实部和小波方差图。由7（a）可知，大柴旦蒸发序列在15～25、7～13 a的时间尺度上存在周期性。从图7（b）可以看出，蒸发量序列存在10、18 a的震荡周期，且18 a的周期震荡最强，为蒸发量变化第一主周期，在18 a的尺度上，蒸发量经历了4次“多-少”循环的变化规律，在18 a和10 a的尺度下，2017年以后小波系数实部等值线均为负相位，且等值线未闭合，推测未来一段时间大柴旦地区年蒸发量将处于偏少期。

图7 蒸发序列小波变换系数实部和小波方差图

3 讨论

1956—2017年研究区年均气温呈明显的上升趋势，1956—2017年变幅不大，温度序列未发生突变，未来一段时间大柴旦地区温度处于增高阶段，这与郭素荣等[30]研究结果一致。1956—2017年近61年研究区降水量在波动的过程中整体呈上升趋势，2001—2002年为降雨序列上升突变点，降水序列存在8、19 a以及29 a左右的变化周期，预测大柴旦未来几年降水量会处于小周期减少期，这与近50年西北地区气温与降水的变化趋势是一致的[32-35]。1998—1999年为蒸发量序列下降突变点，2000年以后蒸发量呈下降趋势，这与马日新等[13]研究格尔木河流域蒸发量变化趋势一致。

农业区受气候变化的影响最大，加之人类活动的作用，部分地区出现草场退化、冻土退化等现象[35]，在一定程度上改变了原来的下垫面状况，对其增温起到了加速作用。研究发现近半个世纪青藏高原总云量的不断减少导致云层对太阳辐射的吸收和反射作用被削弱，从而使太阳短波辐射更易直接到达地表导致该区气温升高，而低云量的增加促进了阵性降水的频率，是导致青藏高原年降水量增加的最直接原因[36-37]。同时研究区由于其特殊的地理位置，深居西北内陆，距海遥远，受局地水汽输送的影响，可造成降水量处于小周期内减少趋势。

一般认为，温度升高、降水量增加，其蒸发量必然增加，但是本文研究发现，该地区的蒸发量从2000年开始有逐渐减小的趋势。影响蒸发量变化的因素很多，主要有风速、相对湿度、降雨、水汽压、日照时间、气温日较差等。禹东晖等[9]的研究结果表明，蒸发量与日照时间和气温日较差正相关，而与相对湿度、水汽压、风速等呈负相关关系。而郭素荣等[31]对青海省气候变化特征的研究中发现，青海省的日照时长和风速自2000年以来有明显下降的趋势，而本文中蒸发量的减少，可能与日照时长和风速这2个气象因素的减小有关。

气候变暖对熟制作物的推广及森林生产力的提高具有促进作用，同时也增加了农业生产的风险[38]。就大柴旦雨养农业区而言，气候变化将会严重冲击该区的农业生产，而气温和降水量则是影响该区域植被结构和功能可持续的关键气候要素。气候的小周期暖干化趋势会对研究区未来农业发展造成影响，为此，须因地制宜，趋利避害，科学调整农业生产格局，全力提高生产力水平，促进气候变化背景下农业的可持续发展。

4 结论

1）1956—2017年大柴旦地区的降水量总体呈增长趋势，变化倾向率为5.54 mm/10 a，降水量年内分配不均匀，主要集中在6、7月；通过改进的Mann-Kendall突变检验法确定了在大时间周期里2001—2002年为降水量序列的突变点，且为上升突变点，突变前后降水量增加了115.7 mm；降水量序列存在明显的8、19 a和29 a左右的周期震荡，小时间周期里2010—2017年降水量呈减少趋势，且2017年负相位等值线在29 a左右的时间尺度上还没有闭合，可知研究区未来几年降水量仍处于小幅度减小趋势。

2）1956—2017年大柴旦地区的温度呈上升趋势，变化倾向率为0.55 ℃/10 a，未发生突变；温度序列存在5、9、14 a和19 a的震荡周期，在14 a的尺度下、2017年等值线处于正相位，且等值线未闭合，预测未来一段时间大柴旦地区温度处于增高阶段。

3）1956—2017年大柴旦地区的年蒸发量呈下降趋势，变化倾向率为-149.5 mm/10 a，通过改进的Mann-Kendall突变检验法确定1998—1999年为蒸发量序列的突变点，且为下降突变点，2000年之前，蒸发量变化较为稳定，2000年以后，蒸发量急剧减小。蒸发序列存在10 a和18 a的震荡周期，2017年以后小波系数实部等值线均为负相位，且等值线未闭合，预测未来一段时间大柴旦地区年蒸发量将处于偏少期。

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Variation of Rainfall, Temperature and Evaporation in the Region of Da Chaidan

QI Yan

(School of Water and Environment, Chang’an University, Xi’an 710061, China)

【】Precipitation, temperature and evapotranspiration are factors controlling water resource dynamics and crop growth in a region. Taking the region of Da Chaidan as an example, this paper analyzed their evolution over the past 50 years.【】Monthly meteorological data measured from 1956 to 2017 at different weather stations across the region of Da Chaidan were used in the analysis. Linear tendency estimation, Mann-Kendall test and Morlet wavelet analysis were used to analyze the characteristics of precipitation, temperature and evaporation.【】Precipitation and temperature had both been in increase while the evaporation had been in a decline during the studied period. Mann-Kendall test showed that 2001—2002 was the abrupt changing point for precipitation, while 1998—1999 was the abrupt changing point for evaporation. In contrast, the temperature did not show any abnormal change during this period. Three periodicities were identified for precipitation: 8, 19, and 29 years, four for temperature: 5, 9, 14 and 19 years, and two for evaporation: 10 and 18 years.【】Precipitation in the region of Da Chaidan is likely to enter a reduction cycle in the coming years, while the temperature is likely to rise and annual evaporation decreases.

precipitation; temperature; evaporation; Mann-Kendall test; Morlet wavelet; Da Chaidan

P426

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021152

齐燕．大柴旦地区降雨、温度及蒸发变化特征分析[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(11): 115-121.

QI Yan. Variation of Rainfall, Temperature and Evaporation in the Region of Da Chaidan[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 115-121.

1672 - 3317（2021）11 - 0115 - 07

2021-04-15

齐燕（1995-），女。硕士研究生，主要从事水利工程研究。E-mail: qy15619283620@163.com

责任编辑：赵宇龙