武威市近50年气候年代际变化特征

颉随明

（甘肃国图测绘地理信息有限公司，甘肃兰州 730020）

全球气候变化是确定的事实，已成为21世纪全球普遍关注与重视的问题。近1个世纪以来，全球平均地表观测温度上升了0.74℃，1908—2007年我国地表平均温度升高达1.1℃[1-2]。

在我国西北干旱半干旱区不仅是全球范围内气候变化响应最敏感的区域，而且还是生态环境变化最脆弱的地区，生态环境的变化对区域气候和全球气候均会产生非常大的影响[3]。为了应对气候变化可能引发的问题，许多研究者对该区的气候变化状况进行了深入的分析和预测[4-6]。但是综合来看，目前的大部分研究均侧重于对该区气候的年际变化探讨，而对该区气候的年代际变化特征关注不足。年代际气候变化作为短期气候变化的背景，往往会影响年际和月季时间尺度的气候变化特征。随着科学的发展和社会需求的提高，年代际气候变化已成为人们关注的重要问题。李崇银等[7]分析表明，过去20年华北地区干旱以及近40年西部降水的增加，可能都是降水量的年代际变化引起的。而从近百年气候变化序列来看，降水量的变化以20～30年循环为主。IPCC的报告也指出，在近百年来，全球平均观测气温总体呈现升高的趋势（IPCC，2007），并存在明显的年代际变化（北京地区长期增暖中的一个减缓期）。施雅风等[8]的研究发现，1987年开始西北区气候由暖干向暖湿发生了转型，这一转型可能是因气候年代际波动，也可能是因世纪性的趋势引发。既然气候变化存在年代际的变化规律，那么以年代际为尺度分析气候变化规律，必将能得出一些对气候预测具有指导作用的信息。

本文以位于西北地区中部石羊河流域的武威市为例，以10 a年代际尺度，分析该区50年气候年代际变化规律，并结合对干旱指标的分析，进一步认识该区未来气候演变的方向，为该区农牧业结构调整、水资源的合理开发利用提供参考。

1 研究资料和研究手段

1.1 研究区域和资料来源

武威市位于河西走廊东部地区，该地区处于青藏高原北坡，南靠祁连山脉，北邻腾格里和巴丹吉林沙漠，东接黄土高坡西缘。由于深居内陆，远离海洋，加上境内地形和海拔高度的影响，武威市长期降水稀少且年际及年代际变率很大，高温干旱频发，属于典型的干旱和半干旱区。

本文利用武威市1961—2010年逐日平均气温、最高、最低空气温度、降水、风速、相对湿度和日照时数等气象资料，对武威10 a年代际气温、降水、参考蒸散量及其计算获得的SPI和SPEI2个干旱指标变化特征进行研究探讨。基本气象资料来自中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.cma.gov.cn）。

1.2 数据处理方法

以武威市1961—2010年逐日气温和降水资料计算其逐年的总量；参考蒸散量采用联合国粮农组织推荐的公式计算[9]，依据每天的气象资料计算出当天的参考蒸散量，累加求和算出每月和每年的值；气候10 a年代际线性倾向率结果的显著性检验使用F检验；气候突变特征分析采用Mann-Kendall方法[10]。标准化降水指标SPI和标准化降水及蒸散指标的计算分别参考文献[11]和[12]。

2 结果与分析

2.1 气象要素及干旱指标的年代际变化趋势

2.1.1 气温的年代际变化趋势 武威市气温在1961—2010年间以上升为主，平均增温率为0.4 25℃/10 a，且这种增加趋势统计检验极显著（表1），这与全球和全国近年来的气温变化规律相同，但是又明显地大于全国0.220℃/10 a的平均增温速率，也比全球近50年来的增温速率大[13]。说明武威市气温的变化与全国及全球的变化趋势具有一致性，但是在增幅大小和变化过程上存在明显的差别。

表1 武威市1960—201年气象要素及干旱指标数值10 a变化统计检验

以10 a为尺度分析武威市气温的年代际变化状况（图1）。从图1中可以看出，在1961—2010年，武威市气温每10 a的变化趋势并不完全一致。其中，1961—1970年武威市气温趋向于降低，降低速率为1.230℃/10 a，并且降低趋势统计检验达到了显著水平（P＜0.05）。1971—1980年武威市年平均气温在波动中上升，速率较小，为0.206℃/10 a，而且增温趋势统计检验不显著。1981—1990年武威市气温变化也是以增温为主，增温速率较上一个10 a有一定的增大，为0.602℃/10 a，不过增温趋势统计检验也不显著。1991—2000年武威市年平均气温有一个快速的增长期，增温速率达到1.983℃/10 a，而且统计检验显著（P＜0.05），这是武威50年来增温速度最快的10年。2000—2010年武威市年平均气温的变动再次放缓，经历了一个在其他国内外研究中称之为暖平台的时期[14-15]，不过武威市的气温依然保持0.447℃/10 a的速率，在波动中不断升高。

图1 武威市1960—2010年气象要素变化序列

2.1.2 降水的年代际变化趋势 武威市1961—2010年降水量总体呈增加趋势，速率为81.300 mm/10 a，但是这种趋势并没有通过显著性检验。以10 a尺度进行分析比较，可以看出武威市降水量的变化还是有一定的规律可循，即存在明显的年代际振荡。武威市降水量从1961—1970年到2000—2010年间，每10 a表现为快速增加、缓慢减小、缓慢增加、平稳增加以及快速减少的变化趋势，变化速率分别为93.509 mm/10 a、9.218 mm/10 a、32.770 mm/10 a、14.309 mm/10 a以及-81.061 mm/10 a，且在1961—2010年，每10 a的变化趋势均没有通过显著性检验（表1、图1）。说明在这50年里，武威市的降水量变化趋势并不明显，只是急剧波动中存在较为微弱的增加趋势。

2.1.3 蒸散的年代际变化趋势 参考蒸散量是大气蒸发力的表现，在一定程度上可以反映大气的干湿状况。分析武威市1961—2010年参考蒸散量的变化趋势，可以发现参考蒸散量变幅较大，而且存在一个明显的低值时段，即1985—1995年。1961—2010年每10 a蒸散量的平均增加值并不大，为2.260 mm/10 a，而且并没有通过显著性检验。对蒸散量的变化趋势分阶段进行分析，发现1961—1970年参考蒸散量为降低趋势，降低速率为174.320 mm/10 a；1971—1980年参考蒸散量的变化速率为-137.150 mm/10 a，统计检验不显著；1981—1990年武威市参考蒸散量有一个明显的降低趋势，降幅为283.360 mm/10 a，而且统计检验达到了显著水平；而在1991—2000年，参考蒸散量变化趋势急剧转向，表现为增加趋势，而且波动较小，蒸散量逐年持续增加，增幅为488.620 mm/10 a，并且统计检验达到了极显著水平；在此后的2001—2010年，蒸散量变动趋势放缓，变化趋势并不明显，在波动中缓慢增加，增加速率为58.292 mm/10a（P＞0.05）（表1、图1）。

2.1.4 SPI和SPEI两个干旱指标的年代际变化趋势 以国际上较为常用的标准化降水指标SPI和新近考虑了温度对蒸散作用的标准化降水蒸散指标SPEI为干旱指标，分析武威市1961—2010年干旱发生状况变化趋势。从图2中可以看出，2种干旱指标的变化趋势在50 a尺度上存在差异，SPI逐渐增大，而SPEI却逐渐减小。说明用这2种干旱指标对武威市干旱状况的反映并不完全一致。

图2 武威市1960—2010年SPI和SPEI两个干旱指标变化序列

以10 a为时间尺度，观察武威市1961—2010年SPI与SPEI的增减趋势，发现在1961—1970、1970—1980、1981—1990以及2000—2010年这4个10 a中，SPI与SPEI的变化趋势基本一致，每10 a分别为2.360和3.020（P＜0.05）、-0.090和-0.010、0.830和0.680以及-1.730和-1.990。这2个指标每10 a年代际变化趋势中，在1991—2000年这个阶段存在明显的差异，SPI表现为不断增大，每10 a速率为0.480，而SPEI却表现为不断减小，每10 a速率为1.470。而在其他阶段这2个指标的变化趋势又相同，说明1961—2010年2个指标变动趋势的差异主要是1991—2000年的不同造成的。

2.2 气象要素及干旱指标的突变分析

2.2.1 气象要素的突变分析 使用M-K检验对武威市1961—2010年气温变化趋势进行分析（图3a），可以看出武威市50 a气温存在由降低到升高的转变。在1961—1997年，武威市气温一直表现为波动中减少的趋势，在1970年代，出现了气温降低的最大倾向，并通过显著性检验。在1998年开始，武威市气温呈增加趋势，而且表现为急剧的上升，在2002年左右趋势超过统计检验临界值，达到了显著性水平。在2000年和2001年之间，UF和UB线存在交点，说明在这个时期，武威市气温变化存在突变，气温开始转向为较高的阶段。

分析武威市1961—2010年降水量的M-K检验结果，发现降水的变化波动要较气温的波动大（图3b）。在1960年代前期降水量表现为减少趋势，而后在1960年代的中后期急剧上升，并存在一个突变。而后在1970年代初期缓慢增加，又经历了一次突变，在1970年代中后期降水量开始下降。在1980年代中期，降水量的变化再次经历了一次突变，之后表现为波动性地增加，一直持续到了2010年，而且在这个过程中，在2001—2010年之间降水量的增加趋势达到了显著性水平。

参考蒸散量的变化经M-K检验分析得出（图3c），其在1961—2010年大部分时期都表现为减少趋势，只在1970年代前中期有轻微的增加趋势，而后又迅速地减小，在1980年代中后期到2000年，参考蒸散量的减小趋势达到了显著性水平。此外观察参考蒸散量与降水量差值的M-K统计检验结果（图4d），可以看出参考蒸散量与降水量差值的统计检验与参考蒸散量的统计检验结果基本保持一致，说明在西北内陆干旱半干旱地区，蒸散量占据水分平衡的很大部分，降水量的增幅对蒸散量与降水量差值的影响基本可以忽略，因而可以得出在考虑该地区气候干湿状况时，更应该关注蒸散量的变动状况。

图3 武威市1961—2010年气象要素变化趋势分析

2.2.2 干旱指标的突变分析 对2个干旱指标的变动状况进行M-K检验，能够从图4中看出，SPI的变动与图3中降水量的变动趋势大致相同，都表现出较大的波动性，而且其除了在1960年代和1980年代有明显的降低趋势外，在其他大部分时期趋势都表现为增加趋势，并且SPI和降水量的变化发生在1960年代后期、1970年代前期，并在1980年代中期发生了突变，而且SPI的增加趋势也在2001—2010年达到了显著性水平。SPI的计算依赖于降水量，且仅仅依靠这一个气象因子，所以其变动趋势完全与降水量一致。

图4 武威市1961—2010年SPI和SPEI两个干旱指标数值变化趋势分析

图4b是SPEI的变化状趋势，从中可以发现，SPEI在1960年代前期表现为减少趋势，而后大部分时期都表现为增加趋势，且在1960年代中后期增加趋势达到了显著性水平。此外，SPEI与SPI变化趋势的很大不同表现为，SPEI在2000年代中期存在明显的下降趋势，而SPI则并没有这种表现。SPEI的计算依赖降水量和温度两个气象因子，全面考虑了区域水分平衡的2个主要方面，即降水和蒸散，其更能有效地反映出在气温升高状态下，区域的干湿变化状况，因而全面考察SPEI变化趋势更有意义。从SPEI的监测结果可以看出，武威市气候在2000年代中后期有变干的迹象，这与仅仅考虑降水量的干旱指标SPI的变化状况所反映的监测结果不完全一致，甚至相反。

3 讨论和结论

不同于气候的年际变化（气象要素月或年的平均值在不同年份间的变化），年代际变化所指的时间尺度目前并没有明确的定义，在CLIVAR（国际气候变化及其可预报性研究）计划中年代际气候变化研究指的是10年至100年尺度的气候变化[16]。由于年代际变化是年际变化的重要背景，对年际尺度的气候变化现象产生重要的调制和影响，是一个非常重要的时间尺度。此外，气候的年际变化波动性大，异常干旱与洪涝、高热与冷害在一定的大气环流状况下发生，在较短的时期内往往带有随机性和不确定性，旱涝急转的现象在1年内或2～3年间经常发生，从而给气候监测预测带来了很大的难度。而气候往往在年际尺度上表现出很强的规律性，许多研究都发现气温、降水等气象因子都存在明显的年代际振荡和变化，因而研究气候的年代际变化对于气候的预测有很重要的意义[7，16]。本文并没有从常规的线性分段拟合、气候突变转折点等角度来分析气候的转变发展趋势，而是仅仅以简单的10 a年代划分了不同的时期，分析了武威市气温、降水量、参考蒸散量以及SPI和SPEI，从1961—2010年50年来的每个10 a的变化趋势，得出了一些气候变化倾向的规律。从分析结果中得出，武威市气温在1990年代存在明显的增温趋势，而且增温倾向非常明显，在2000年代前期出现了增温的突变点，之后温度继续保持较前期相对平缓的增加趋势。武威市地处西北内陆，地理位置及气候特点较为特殊，该地区气温增加趋势较全国和全球都要明显偏大，代表了未来气候发展趋势的方向，需要着重注意该地区的气候变化动向。

对降水量的M-K检验发现，武威市降水量变化趋势在1980年代发生突变后表现为波动中持续的增加状态，甚至在2000年代中期这种增加趋势达到了显著性水平，不过观察降水量的年际变化与10 a尺度的年代际变化趋势可以看出，降水量的增加波动较大，而且除了1960年代降水量的增幅较大外（达到了93.509 mm/10 a），其他时期降水量的增加幅度并不很大，但是与之相反，2000年代降水量的减少幅度反而达到了81.061 mm/10 a，而且更为重要的是该时段前期和同期参考蒸散量的增加幅度达到了488.620 mm/10 a和58.292 mm/10 a。在不考虑灌溉、渗漏以及地下水补给的情况下，区域水分平衡“源”和“汇”的2个主要方面即降水和蒸散，若要综合考察一个特定研究区域的干湿状况必须得既考虑降水的影响，又得关注蒸散量的变化状况。对SPEI和SPI两个不同的干旱指标变化趋势进行对比分析后，即可发现在考虑降水和蒸散以及仅仅考虑降水一个气象因子时的差异。在武威市1990年代后期降水量和温度（蒸散也相应增加）都增加的情况下，SPI只反映了降水量的变化趋势，表现为持续的增加，即表明武威市干旱状况为减轻趋势。而与之相反，SPEI的监测结果则显示出武威市干旱状况有明显的加重趋势。此外，在考虑气候的变化时，其实应该不仅仅考虑平均气温和降水量的变化方面，众所周知，极端气象事件的频率和强度的变化更可能对社会和环境产生严重影响，但对其气候变化规律还认识不足。IPCC（1995）第二次科学评估报告指出了极端气象事件变化研究的重要意义，并力图回答“气候是否更加容易变化或更加极端化了?”这一难题[17-18]。降水变率增大，强度增大，危害加大。对武威市过去降水量的变化研究就发现，武威市降水日数明显减少，而降雨强度却有增加趋势[19-20]，说明在全球气候变化背景下，灾害性天气，诸如较强的对流性天气有可能增多，而对农业及生态用水有利的雨强不大且持续时间较长的降水将减少，这对西北内陆有效地利用雨水资源将是一大挑战。

过去几年，一些研究者的研究结果认为西北地区有可能会经历一个由暖干向暖湿转型的过程[4，8]。我国西北地区西北部，以天山西部为代表区域，其气候转向暖湿的信号最为强劲，降水量、冰川消融量和径流量呈现出连年增加的趋势，引起湖泊水位显著上升、洪水灾害增加迅速、植被得到了改善、沙尘暴也逐渐减少。不过这样的转型是否存在或者是否会扩及整个西北地区乃至华北，尚存在不确定性。通过本文的研究发现，地处西北地区中部的武威市尽管降水量在1980及1990年代有一定的上升，而且降水的M-K检验在2000年代初期也达到了显著性水平，但是2000年代后期降水的线性减少趋势却也非常明显，而且由于前期和同期的气温及蒸散量增幅较大，会导致区域水分的损失量加大，气候有可能向着干旱化的趋势发展。