葉秣麟， 秦寧生，2，3， 白愛娟， 李金建， 李媛媛， 趙 藝

(1.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，四川 成都610225;2.中國氣象局成都高原氣象研究所，四川 成都610072;3.四川省氣候中心，四川成都610072;4.四川省農(nóng)業(yè)氣象中心，四川成都610072)

0 引言

黃河源位于青海省南部，青藏高原腹地，具體位置為 95°50＇E ～103°30＇E，32°30＇N ～36°12＇N ，源區(qū)內(nèi)以山地為主，地勢起伏大且地形復(fù)雜，其北部為布爾汗布達山和布青山，東部被阿尼瑪卿山包圍，南部是巴顏喀拉山，它是黃河流域的源頭，流域內(nèi)一半以上的水量出自該地區(qū)，所以黃河源區(qū)氣候、環(huán)境、生態(tài)等方面的變化不僅對流域周邊區(qū)域造成影響，還能對流域中下游的西北和華北地區(qū)帶來生態(tài)、氣候和社會等各方面產(chǎn)生作用［1-3］。近年，由于氣候變暖和頻繁的人類活動等因素影響，源區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了冰川融化速度加快，雪線上升明顯，地下水位下降，凍土層變薄等一系列生態(tài)和環(huán)境惡化現(xiàn)象，給整個黃河流域的經(jīng)濟的發(fā)展、資源的利用、生態(tài)環(huán)境以及人類的生產(chǎn)生活帶來嚴重的威脅［4-6］，因此，對黃河源區(qū)歷史氣候變化規(guī)律進行探討，加深對該區(qū)域氣候變化的了解，有利于源區(qū)的資源利用和生態(tài)保護工作。在已重建好的黃河源區(qū)1618～2009年最高氣溫序列的基礎(chǔ)上對該序列進行突變及周期分析，對過去近400年黃河源區(qū)溫度突變的產(chǎn)生、升溫降溫的持續(xù)過程和序列周期等相關(guān)方面進行探究。

1 序列重建

1．1 資料來源及重建過程

黃河源區(qū)平均海拔在3700 m以上，山地河谷地形居多，由于高原地區(qū)寒冷的氣候使樹木生長緩慢且不易腐爛，因此源區(qū)內(nèi)生長著許多數(shù)百年以上樹木［7］，而這些樹中祁連圓柏占據(jù)大量的比例［8］。采集時多選擇距離水源較遠的樹木以減小其他因素對重建結(jié)果的影響。

圖1 重建序列和11a滑動平均曲線

重建過程中使用的站點資料數(shù)據(jù)包括黃河源區(qū)內(nèi)果洛、興海、同德和瑪多4個氣象站點各氣候要素逐月數(shù)據(jù)，以及利用源區(qū)內(nèi)的祁連圓柏樹輪寬度所計算出的標(biāo)準(zhǔn)化年表。4個站點各氣候要素算術(shù)平均值代表整個源區(qū)，經(jīng)過一系列的計算發(fā)現(xiàn)5～6月最高氣溫與標(biāo)準(zhǔn)化年表相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達到-0.650，因此選擇5～6月最高氣溫作為重建的氣候要素，重建方程

方程中y代表源區(qū)5～6月最高氣溫，x表示標(biāo)準(zhǔn)年表，方程方差解釋量為42.2%，各種方程檢驗量表明重建方程式穩(wěn)定、可靠的。根據(jù)式(1)可以推測出近400年黃河源區(qū)5～6月最高氣溫，圖1表示1618～2009年5～6月最高氣溫序列以及11a滑動平均序列，可初步地從11a滑動平均曲線看出，在17世紀中期，20世紀初期和20世紀末期有較為明顯的突變產(chǎn)生，前兩處的突變均為由低溫值向高溫值變化，20世紀末期的突變則表現(xiàn)為氣溫的驟降。

1．2 重建序列的空間代表性

圖2 實測最高氣溫和重建最高氣溫與CRU格點C5C6最高氣溫(1960～2009年)空間相關(guān)性圖

為探索此次重建結(jié)果在更大空間尺度上的變化響應(yīng)特征，利用 Climate Research Unit(CRU TS 3.22，0.5°×0.5°)格點數(shù)據(jù)中1960～2009年5～6月平均最高氣溫與黃河源區(qū)實際測量的同期最高氣溫及同期重建最高氣溫作相關(guān)分析。圖2(a)為實際測量的最高氣溫與格點資料相關(guān)系數(shù)空間分布圖，在黃河源地區(qū)及周邊高原地區(qū)相關(guān)系數(shù)值較大，基本在0.5以上，正相關(guān)性顯著，圖2(b)則是重建的最高氣溫序列與格點數(shù)據(jù)相關(guān)分布，相關(guān)系數(shù)在青藏高原地區(qū)與圖2(a)分布基本一致，數(shù)值也在0.5以上，說明重建的5～6月最高氣溫序列對黃河源區(qū)乃至整個高原區(qū)域都具有很好的空間代表性。

2 重建序列分析

2．1 突變分析

圖3 突變曲線

為了觀察研究重建序列在1618～2009年間的突變特征，采用Cramer檢驗、滑動t檢驗、M-K檢驗和Yamamoto檢驗方法對序列作突變分析并相互對比，如圖3所示。圖3(a)采用Cramer檢驗法對整條重建序列進行檢驗，發(fā)現(xiàn)序列總共產(chǎn)生3次突變，包括2次負突變和1次正突變，其中，2次負突變分別發(fā)生在20世紀中前期(1934年)和21世紀初期(2004年)，正突變出現(xiàn)在20世紀初期(1911年)?；瑒觮檢驗的原理與Cramer檢驗方法類似，但它要根據(jù)兩段子序列的平局值間的顯著差異來判斷突變是否產(chǎn)生［9］，曲線如圖3(b)所示，滑動步長取值取10，從圖上直接反映出超出α=0.01顯著性檢驗線的突變有很多，總共有10個，其中正突變4次，負突變6次，正突變分別出現(xiàn)在17世紀中期(1643年)，18世紀中前期(1730年)以及20世紀初期(1913年)和末期(1990年)，負突變分別在17世紀中期(1634年和1654年)，18世紀中期(1749年)及末期(1799年)，19世紀末期(1883年)以及20世紀中前期(1934年)。較為顯著的突變都是正突變，分別出現(xiàn)在1913年和1643年附近?；瑒觮檢驗曲線中1913年的正突變和1934年附近的負突變與Cramer檢驗結(jié)果相一致，可以推測出，在20世紀初期，黃河源地區(qū)經(jīng)歷了由冷向暖的轉(zhuǎn)變過程，之后氣溫一直回升，到了20世紀30年代，溫度回升已超過顯著性水平，在1934附近年產(chǎn)生突變，源區(qū)又經(jīng)歷一次由暖向冷的變化，這與前面重建序列11a滑動平均曲線變化相一致。圖3(c)為M-K檢驗，UF與UB曲線在17世紀初期及21世紀初期均有交錯點，說明重建序列在這兩個時間段都有顯著突變產(chǎn)生，其中17世紀初的突變與滑動t檢驗結(jié)果相一致，氣溫迅速降低，21世紀初的突變則在Cramer曲線中也被檢測出。圖3(d)采用Yamamoto檢驗法，發(fā)現(xiàn)序列中超出α=0.01顯著性水平線的有3處，分別是17世紀中期(1634年和1643年)以及20世紀前期(1913年)，這3個突變點在圖3(b)滑動t檢驗中也分別被捕獲，進一步證明了這幾個突變點的可信性。

綜合以上4種突變檢驗方法，得出重建的最高氣溫序列在過去近400年間產(chǎn)生6次突變，包括3次正突變和3次負突變，在17世紀中前期(1634年)，溫度急劇下降，但持續(xù)時間不長，到了17世紀中期(1643年)，氣溫下降的趨勢結(jié)束，溫度值有所回升。在20世紀氣溫變化趨勢也有所類似，在初期(1911～1913年)溫度值驟然上升，一直持續(xù)到20世紀中期(1934年)過后，氣溫開始呈下降趨勢。另外，在20世紀末期(1990年)氣溫值也產(chǎn)生過驟然上升的趨勢，持續(xù)時間10年左右，到了2004年，上升的趨勢結(jié)束，氣溫開始下降。

以上幾次氣溫突變及氣溫持續(xù)變化過程在其他重建序列或在文獻［10-13］也有印證，17世紀中期氣溫由高向低的變化過程在X.Gou等［10］重建的青藏高原東北部過去700年夏半年最高氣溫序列中有所體現(xiàn)，17世紀中前期到中期的降溫過程以及20世紀初期至中期的氣溫持續(xù)上升過程與段建平重建的青海高原南部春季最高氣溫序列［11］冷暖期的劃分相一致(1916～1934年為暖期，1632～1643年為冷期)。據(jù)文獻［12-13］研究結(jié)果表明，20世紀初期存在由冷向暖的轉(zhuǎn)變過程，證實了該時期突變的可靠性。

2．2 周期分析

圖4 重建序列Morlet小波變換系數(shù)模

小波分析在頻域時域上都具有很好的局部性質(zhì)［14］，根據(jù)重建結(jié)果(圖1)可明顯看出該序列具有明顯的波動特征，采用小波分析的方法對本次重建的最高氣溫序列進行周期分析，圖4為重建序列小波變換系數(shù)模，可以發(fā)現(xiàn)重建序列在低頻和高頻段都存在一定的周期變化，2～4a的周期出現(xiàn)在整個序列中，6～8a，20～24a周期也較為明顯，而32～40a周期最明顯，具有較高的能量。

所有的信號周期中，2～4a的周期極值中心在1650～1660年，1700年，1750年，1770年，1820～1830年，1900年，1940～1960年及2000年這些年份附近出現(xiàn)，涵蓋的時段范圍包括17世紀初期到20世紀末期，2～4 a周期的出現(xiàn)較為普遍，與“準(zhǔn)兩年振蕩”［15］和ENSO［16］周期基本一致，與這二者間有很大的聯(lián)系。6～8 a的周期主要在17世紀初期和18世紀中后期顯著，19世紀40、70年代和20世紀30年代雖也有極值出現(xiàn)，但不如前面時期那么顯著。20～24 a周期與太平洋年代際振蕩(PDO)和北大西洋濤動(NAO)存在關(guān)系［17-18］，在17世紀中期還有20世紀初期較為顯著。最為顯著的周期32～40 a，極值中心出現(xiàn)在20世紀中期，極有可能跟太陽黑子周期長度(SCL)有關(guān)［19］。

結(jié)合功率譜的方法對小波分析周期進行驗證，在計算過程中，最大滯后系數(shù)取重建序列長度三分之一，即130 a，功率譜計算結(jié)果曲線如圖5所示，譜曲線中有3處明顯的峰值超過了95%的置信度檢驗，分別在t=7，t=78和t=99處，根據(jù)周期計算關(guān)系，周期為2 m/t，得出顯著周期分別有2.6年、3.3年以及37.1年左右，這跟小波分析結(jié)果基本相一致，對于未檢測出6～8 a和20～24 a周期，這可能是由于功率譜原理你是將序列拆分為各周期成分之和［20］，對于周期成分的乘積并不能予準(zhǔn)確檢測出。另外通過與青藏高原地區(qū)其他文獻［11，21］比較證實這次周期檢驗的可信性，2～4 a的高頻振蕩與32～40 a的低頻振蕩在青海高原南部近450年春季最高氣溫序列中研究中有所體現(xiàn)［11］，24 a左右周期在 Eryuan Liang［21］的文中也有提及。

圖5 重建序列功率譜分析圖

3 結(jié)果與討論

重建黃河源區(qū)1618～2009年5～6月最高氣溫具有一定的穩(wěn)定性和可靠性?？臻g相關(guān)分析結(jié)果表明，實際值和重建值與格點資料的相關(guān)性在青藏高原地區(qū)均為顯著正相關(guān)，說明重建的5～6月最高氣溫序列對黃河源區(qū)甚至整個青藏高原地區(qū)都具有很好的空間代表性。用Cramer、滑動t檢驗、M-K和Yamamoto 4種檢驗方法對重建序列進行突變檢驗，經(jīng)對比驗證后得出過去近400年間序列產(chǎn)生6次突變，包括3次正突變和3次負突變。正突變發(fā)生在17世紀中期(1643年)，20世紀初期(1911～1913年)以及20世紀末期(1990年)，負突變產(chǎn)生在17世紀中期(1643年)，20世紀中期(1934年)和21世紀初期(2004年)。重建的最高氣溫序列經(jīng)小波周期檢驗發(fā)現(xiàn)存在2～4 a、6～8 a、20 ～24 a和32 ～40 a的顯著周期，其中2 ～4 a周期出現(xiàn)頻率高，而能量極值出現(xiàn)在20世紀中期，對應(yīng)周期為32～40a，經(jīng)功率譜檢驗后以上周期基本可靠。另外，根據(jù)一些關(guān)于災(zāi)害的歷史資料記載［22］，氣溫的周期性變化跟個別的極端事件也有體現(xiàn)，如在1762年，記錄有“巴燕戎格廳冰雹、霜凍成災(zāi)”，給當(dāng)時的社會經(jīng)濟發(fā)展帶來了嚴重影響。

［1］ 徐叔鷹.黃河源地區(qū)晚第四紀環(huán)境變遷［J］.鐵道師院學(xué)報:自然科學(xué)版，1995，12(4):36-46.

［2］ 王鶯，李耀輝，孫旭映.黃河源區(qū)域生態(tài)環(huán)境演變與對策建議［J］.干旱氣象，2013，31(3):550-557.

［3］ 谷源澤，李慶金，楊風(fēng)棟，等.黃河源地區(qū)水文資源及生態(tài)環(huán)境變化研究［J］.海洋湖沼通報，2002，(1):18-25.

［4］ 丁一匯，張莉.青藏高原與中國其他地區(qū)氣候突變的時間比較［J］.大氣科學(xué)，2008，32(4):794-805.

［5］ 劉禹，安芷生，Hans W Linderholm，等.青藏高原中東部過去2485年以來溫度變化的樹輪記錄［J］.中國科學(xué)(D 輯:地球科學(xué))，2009，39(2):166-176.

［6］ 李開明，李絢，王翠云.黃河源區(qū)氣候變化的環(huán)境效應(yīng)研究［J］.冰川凍土，2013，35(5):1183-1192.

［7］ 黃磊，邵雪梅，劉洪濱，等.青海德令哈地區(qū)千年來降水量的突變分析［J］.地理學(xué)報，2006，61(7):713-719.

［8］ 何友均.三江源自然保護區(qū)森林植物多樣性及其保護研究［M］.北京:中國林業(yè)出版社，2008.

［9］ 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)［M］.北京:氣象出版社，2007.

［10］ X Gou，J Peng，F(xiàn) Chen，et al.A dendrochronological analysis of maximum summer half-year temperature variations over the past 700 years on the northeastern Tibetan Plateau［J］.Theoretical and Applied Climatology，2008，93:195-206.

［11］ 靳立亞，秦寧生，勾曉華，等.青海南部高原近450年來春季最高氣溫序列及其時變特征［J］.第四紀研究，2005，25(2):193-201.

［12］ Ge Quansheng，Zheng Jingyun，F(xiàn)ang Xiuqi，et al.Winter half-year temperature reconstruction for the middle and lower reaches of yellow river and Yangtze river during past 2000 years［J］.Holocene，2003，13(6):933-940.

［13］ Mann M E，Bradley R S，Hughes M K.North Hemisphere temperatures during the past millennium:inferences，uncertainties，and limitations［J］.Geophysical Research Letters，1999，26(6):759-763.

［14］ 林振山，鄧子旺.子波氣候診斷技術(shù)的研究［M］.北京:氣象出版社，1999.

［15］ 李崇銀，龍振夏.準(zhǔn)兩年振蕩及其對東亞大氣環(huán)流和氣候的影響［J］.大氣科學(xué)，1992，16(2):167-176.

［16］ 李崇銀，穆穆，周廣慶，等.ENSO機理及其預(yù)測研究［J］.大氣科學(xué)，2008，32(4):761-781.

［17］ Chen Z J，He X Y，Chen W，et al.Solar activity，global surface air temperature anomaly and Pacific Decadal Oscillation signals observed in urban outskirts tree ring records from Shenyang，China［J］.Adv Space Res.2006，38:2272-2284.

［18］ Biondi F，Gershunov A，Cayan D R.North Pacific decadal climate variability since 1661［J］.Journal of Climate，2001，14:5-10.

［19］ Silverman S M.Secular variation of the aurora for the past 500 years［J］.Rev Geophys，1992，30:333-351.

［20］ 吳洪寶，吳蕾.氣候變率診斷和預(yù)測方法［M］.北京:氣象出版社，2010.

［21］ Eryuan Liang，Xuemei Shao，Ningsheng Qin.Tree-ring based summer temperature reconstruction for the source region of the Yangtze River on the Tibetan Plateau［J］.Global and Planetary Change，2008，61:313-320.

［22］ 溫克剛，王莘.中國氣象災(zāi)害大典——青海卷［M］.北京:氣象出版社，2006.