疏勒河流域最高、最低气温变化规律

贾 玲, 孙栋元, 牛最荣, 鄢继选, 武兰珍, 王兴繁, 肖 锋, 马亚丽

(甘肃农业大学 水利水电工程学院, 兰州 730070)

在全球气候变暖的背景下，极端气候事件频频发生，给农业生产、水资源供给、生态系统安全、灾害预测等方面带来直接影响[1]。气温和降水是研究水文气候的两个基本要素，其变化对该地区生态环境的变迁起着决定性作用[2-3]。随着变暖趋势的不断上升，极端气候的频发和强度加深引发了一些气象灾害，对农业生产造成重大威胁。极端高温的不断加剧，会出现高温热害，引发灾害干旱，有利于作物病虫生长，影响作物减产。极端低温引发冰冻冷寒，在一定程度上抑制了作物生长。因此研究极端气温和极端降水的变化特征成为了当前的热点。研究结果表明：全国各区域气温均呈上升趋势[4]，未来也继续保持不断上升。其中，东北、西北和华北地区的增暖幅度最为明显，而西南、华南地区增暖幅度最小[5]。

近年来，大流域尺度下的极端气温研究引得了国内众多学者的关注。时光训等[6]研究发现长江流域平均气温呈显著增加趋势，张克新等[7]研究发现黄河流域极端高温天气日数在各个季节均呈现上升趋势，而极端低温天气日数在四季呈现下降趋势，黄强等[8]研究发现在过去半个多世纪里，珠江流域总体上呈现出极端高温事件增多，极端低温事件减少。同时，国内一些学者针对石羊河、疏勒河和黑河这三大内陆河流域开展了极端水文气候方面的相关研究。马亚兰等[9]研究表明石羊河流域极端气温有明显的增温趋势，最低气温增暖幅度较最高气温显著。李玲萍等[10]研究表明近45 a以来，石羊河流域气温整体呈上升趋势。王兴梅等[11]研究表明近50 a来，石羊河流域最高气温和最低气温在所有季节均呈现增高趋势。郭昆明等[12]研究阐明了黑河流域逐年和各季节气温均呈显著上升趋势。然而，针对疏勒河流域极端气温研究相对较少。

疏勒河是甘肃省河西走廊内流水系的第二大河，是区域农业灌溉、工业供水、生态供水以及水利发电供水的主要水源。目前针对疏勒河流域，诸多学者展开了大量研究，主要集中在水资源调度和评价、生态保护、气候变化、降水和径流变化特征以及它们之间的响应关系等方面[13-19]，而对极端气温方面的研究仍然相对薄弱。本文以疏勒河流域月气温极值为基本数据，运用线性倾向估计法、滑动平均、累计距平和Mann-Kendall检验法，研究分析极端气温的趋势性、突变性以及周期性，以此为疏勒河流域自然灾害防治、促进农业生产高质量发展、水资源合理调配等方面提供参考，为区域极端气候、灾旱预测、预警与评估提供可借鉴依据。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

疏勒河流域作为甘肃省三大内陆河流域之一，位于欧亚大陆腹地，远离海洋，地理位置介于92°11′—98°30′E，38°00′—42°48′N，干流全长670 km，流域面积4.13万km2[16]。由于独特的地理地形特征，使得太平洋、印度洋和北冰洋的暖湿气流无法到达本区，就形成了气候干旱、风沙大，蒸发量大、降水极少的大陆性荒漠气候，是我国极度干旱地区之一。

敦煌、瓜州、玉门为疏勒河水系三大代表性水文站，通过这3个水文站的气温数据对疏勒河流域气候变化进行分析研究，从而为疏勒河旱情防控、水资源调度提供有力的参考依据。

1.2 数据来源与研究方法

本文采用瓜州、敦煌和玉门三大站点1951—2018年月最大气温值、月最小气温值作为基础数据，所有数据均来自于甘肃省水文水资源局。文中春季为3—5月，夏季为6—8月，秋季为9—11月，冬季为12-次年的2月[20]。将三站数据的平均值作为流域极端气温变化分析的依据。

采用线性倾向估计法研究气温随时间变化的趋势，根据倾向值和相关系数来判断极端气温变化特征趋势。通过5 a滑动平均法，以确定时间序列的平滑值来显示气温变化趋势[21]。以累计距平曲线明显的起伏趋势，分析气温演变规律和持续性变化特征。利用Mann-Kendall检验法对气温进行突变检验。运用小波分析，研究气温极值变化的周期规律，通过小波方差进一步确定主周期。

2 分析与结果

2.1 年、季变化特征

2.1.1 年气温变化特征 图1为疏勒河流域1951—2018年最高气温变化趋势。由图可知，流域年平均最高气温为37.14℃，年最高气温总体以0.06℃/10 a的速率上升、1952年出现年最大值43.20℃、1993年出现年最小值33.93℃，整体上呈波动上升、其中1951—1970年呈明显下降趋势、倾向率为-1.22℃/10 a，1971—2018年以0.40℃/10 a的速率上升。图2为疏勒河流域1951—2018年最高气温累积距平曲线。由图可知：流域年最高气温以上升—下降—上升的变化过程变化，1951—1953年以44.43℃/10 a的速率上升，1954—2004年呈现下降趋势，倾向率为-5.54℃/10 a，2005—2018年呈现上升趋势，倾向率为8.74℃/10 a。

图1 疏勒河流域1951-2018年最高气温变化趋势

图2 疏勒河流域1951-2018年最高气温累积距平

图3为疏勒河流域1951—2018年最低气温变化趋势，由图可知：流域年平均最低气温为-23.43℃，流域年最低气温整体以0.27℃/10 a的速率上升，增温率明显大于年最高气温变化，1987年出现年最大值-19.57℃，1991年出现年最小值-30.60℃，整体上呈多段缓慢下降—上升—下降—上升的变化过程变化。图4为疏勒河流域1951—2018年最低气温累积距平曲线，整体上呈多段下降—上升—下降—上升的波动变化，其中，1951—1961年、1971—1981年、1992—1993年呈现下降趋势，1962—1970年、1982—1991年、1994—2018年呈现上升趋势。

图3 疏勒河流域1951-2018年最低气温变化趋势

图4 疏勒河流域1951-2018年最低气温累积距平

2.1.2 季气温变化特征 图5为疏勒河流域1951—2018年季最高气温变化趋势。倾向率排序为：冬季(0.36℃/10 a)>春季(0.23℃/10 a)>夏季(0.07℃/10 a)>秋季(0.01℃/10 a)，即各个季度增温幅度存在明显差异，其中春季、夏季、秋季检验值均为正值，且均未通过显著性水平α=0.05的信度检验，表现为不显著增加趋势，而冬季通过了显著性检验，表现为显著增加趋势。夏季最高气温增温率与年最高气温增温率大致接近，由5 a滑动平均曲线知，春季、夏季、秋季和冬季均呈现多段下降—上升—下降—上升的波动变化趋势。

图5 疏勒河流域1951—2018年季最高气温变化趋势

图6为疏勒河流域1951—2018年季最高气温累积距平曲线。总体上，流域春季和夏季最高气温以下降—上升变化过程变化，春季1951—1993年呈现下降趋势，1994—2018年呈现上升趋势；夏季1951—2004年呈现下降趋势，2005—2018年呈现上升趋势；秋季最高气温以下降—上升—下降变化过程变化，1951—1991年呈现下降趋势，1992—2007年呈现上升趋势，2008—2018年呈现下降趋势；冬季最高气温以下降—上升—下降—上升变化趋势变化，1951—1972年和1980—2000年呈现下降趋势，1973—1979年和2001—2018年呈现上升趋势。总体上，疏勒河流域季最高气温呈现不同波动变化趋势。

图6 疏勒河流域1951—2018年季最高气温累积距平

图7为疏勒河流域1951—2018年季最低气温变化趋势，根据图7倾向率排序为：秋季(0.53℃/10 a)>春季(0.39℃/10 a)>冬季(0.24℃/10 a)>夏季(0.19℃/10 a)，即各个季度的增温幅度存在明显差异。虽整体都呈现上升趋势，但其中春季、夏季、冬季检验值均为正值，且均未通过显著性水平α=0.05的信度检验，表现为不显著增加趋势，而秋季通过了显著性检验，表现为显著增加趋势。相比较图5，季最低气温变化幅度更大。由5 a滑动平均曲线可知，春季、秋季和冬季呈现多段缓慢上升—下降—上升—下降的变化趋势，夏季呈现多段下降—上升—下降—上升的变化趋势。

图7 疏勒河流域1951—2018年季最低气温变化趋势

图8为疏勒河流域1951—2018年季最低气温累积距平曲线。由图可知：流域春季、夏季和秋季最低气温以下降—上升的变化过程变化，春季1951—1989年呈现下降趋势，1990—2018年呈现上升趋势；夏季1951—1993年呈现下降趋势，1994—2018年呈现上升趋势；秋季1951—1971年呈现下降趋势，1972—1993年呈现多次缓慢波动变化，1994—2018年呈现上升趋势；冬季最高气温以下降—上升—下降—上升的变化趋势变化，1951—1958年呈现下降趋势，1959—1972年呈现上升趋势，1973—1984年呈现下降趋势，1985—2018年呈现上升趋势。总体上，疏勒河流域季最低气温呈现不同波动变化趋势。

图8 疏勒河流域1951—2018年季最低气温累积距平

2.2 突变特征分析

2.2.1 年最高气温突变特征 图9为疏勒河流域1951—2018年最高气温M-K检验突变曲线，根据Ufk曲线可见，1951—1953年呈上升趋势，1954—2009年呈下降趋势，其中1969—1984年超过显著性水平0.05临界线，说明下降趋势显著。自2010年以后，疏勒河流域年最高气温出现了增暖趋势，但并不显著。Ufk和Ubk曲线在U±0.05区间里存在交点，表明疏勒河流域年最高气温在2011年发生突变。用滑动t检验，假设基准点为2011年，计算得|t|=2.12>t0.05，即认为年最高气温在2011年处发生了突变。

图9 疏勒河流域1951-2018年最高气温M-K检验

2.2.2 年最低气温突变特征 图10为疏勒河流域1951—2018年最低气温M-K检验突变曲线，根据Ufk曲线可见，自20世纪60年代以后，疏勒河流域年最低气温出现了明显的增暖趋势。90年代末至21世纪初，增暖趋势超过了显著性水平0.05的临界线，这表明疏勒河流域年最低气温在这一时段上升趋势比较显著。由Ufk和Ubk曲线在1961年的交点位置，确定疏勒河流域年最低气温自20世纪60年代以后呈现出不断上升的趋势。同样的，用滑动t检验，假设基准点为1961年，计算得|t|=2.25>t0.05，即认为年最低气温在1961年处发生了突变。

图10 疏勒河流域1951年-2018年最低气温M-K检验

2.3 周期特征分析

近68年来，疏勒河流域气温具有多尺度的变化特征。其年际尺度周期不具有全时域性，年最高气温具有18 a的振荡周期，且该周期在小波方差图中峰值不明显。年最高气温还存在45 a，58 a的振荡周期，以58 a为第一主周期，该周期在小波方差图中峰值最明显，振荡较强烈。第二周期为45 a(图11)；年最低气温具有4个振荡周期，58 a为第一主周期，该周期在小波方差图中峰值最明显，振荡较强烈。第二、第三、第四周期分别为43 a，17 a，9 a(图12)。

图11 疏勒河流域1951-2018年最高气温小波实部等值线和小波方差

图12 疏勒河流域1951-2018年最低气温小波实部等值线和小波方差

进一步分析可知，本区的小波分析等值线均为闭合，在年际尺度上分别处于正、负相位。可推测疏勒河流域在未来较长时间将处于持续偏暖。年最高气温、最低气温振荡周期基本一致，在58 a周期振荡明显、强烈，但本文采用68 a研究时长，因而该尺度周期有待更长时间序列进一步证实。

3 结 论

(1)疏勒河流域气温极值的变化呈上升趋势，同全球增暖变化趋势相同。年最高气温以0.06℃/10 a的速率上升，年最低气温以0.27℃/10 a的速率上升。年最低气温的增暖率大于年最高气温。

(2)疏勒河流域1951—2018年季最高气温变化总体上都呈上升趋势，倾向率排序为表现为冬季(0.36℃/10 a)>春季(0.23℃/10 a)>夏季(0.07℃/10 a)>秋季(0.01℃/10 a)，且各季呈现不同波动变化趋势，其中，冬季增温率最大，秋季增温率最小，夏季增温率与年最高气温增温率大体接近。

(3)疏勒河流域1951—2018年季最低气温变化总体上都呈上升趋势，倾向率排序表现为秋季(0.53℃/10 a)>春季(0.39℃/10 a)>冬季(0.24℃/10 a)>夏季(0.19℃/10 a)，且各季呈现不同波动变化趋势，其中，秋季增温率最大，夏季增温率最小，与季最高气温相比，季最低气温上升趋势整体明显。

(4)通过M-K检验表明疏勒河流域极端气温年最低温突变时间在1961年，年最高温突变时间在2011年。

(5)年最高气温的振荡周期为58 a，45 a和18 a；年最低气温的振荡周期为58 a，43 a，17 a和9 a，其中年最高气温和年最低气温的主周期均为58 a。