吳丹瑞, 耿欣欣, 李 明

(1.鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江西師范大學(xué)), 南昌 330000;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 3.江蘇南水科技有限公司, 南京 210012)

?

呼倫湖流域近55年氣候變化特征

吳丹瑞1,2, 耿欣欣3, 李 明1,2

(1.鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江西師范大學(xué)), 南昌 330000;2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊凌 712100; 3.江蘇南水科技有限公司, 南京 210012)

收集了呼倫湖流域1960—2014年的逐日氣溫、降水、蒸發(fā)和相對濕度數(shù)據(jù)，提取了包括年平均、季節(jié)平均值及極端天氣等9個指標(biāo)，采用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)、線性傾向估計(jì)法以及5 a滑動平均等方法在年和季節(jié)尺度上分析了該地區(qū)的氣候變化趨勢，并利用Pearson相關(guān)系數(shù)探究這四個氣象要素之間的相關(guān)性。結(jié)果表明：(1) 年氣溫顯著上升，降水變化不顯著，蒸發(fā)顯著減少，相對濕度顯著降低，氣候向暖干化方向發(fā)展。(2) 春夏秋季溫度、蒸發(fā)和相對濕度的變化趨勢與年相同，最大升溫速率發(fā)生在春季，每十年上升0.43℃，冬季變化均不顯著。(3) 平均降水和極端降水在冬春季節(jié)都顯著增加，然而夏季降水以最大幅度減少，并且夏季持續(xù)時間較長的極端降水減少顯著。(4) 夏季氣溫升高最顯著，相對濕度顯著降低，容易發(fā)生干旱。冬季極端降水增多則可能導(dǎo)致雪災(zāi)加劇。

氣候變化; 氣象要素; 呼倫湖流域; 氣溫; 干旱

全球氣候變化帶來一系列生態(tài)環(huán)境問題，如海平面上升、干旱、極端天氣等等，近些年成為各國關(guān)注的熱點(diǎn)問題。政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報(bào)告指出[1]，過去130年全球升溫0.85℃，最近110年全球平均海平面上升0.19 m，過去10 a間冰川融化的速度比20世紀(jì)90年代加快了數(shù)倍,人類活動極有可能是20世紀(jì)中期以來全球氣候變暖的主要原因。在RCP8.5情形下，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末全球表面氣溫變化可能超過2℃，平均降水在中緯度和副熱帶干旱區(qū)可能減少，在中緯度濕潤地區(qū)可能增加[1]。20世紀(jì)80年代以來，極端天氣事件如高溫?zé)崂恕⒈┯?、干旱、冰雹等發(fā)生頻率急劇上升，各種氣象災(zāi)害也隨之增加，給全球社會經(jīng)濟(jì)以及生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的損失和破壞[2]。

呼倫湖是我國第五大淡水湖，也是北方第一大湖，與周圍濕地被稱為呼倫貝爾“草原之腎”，對呼倫貝爾草原的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)起著重要作用[3]。呼倫湖流域位于中高緯度受東南季風(fēng)影響的邊緣區(qū)域，遠(yuǎn)離海洋，大陸性極強(qiáng)，同時又是南北冷暖氣流交匯沖撞頻繁的地區(qū)[4]，成為對全球氣候變化的響應(yīng)最積極，最敏感的地區(qū)之一。近年來，呼倫湖流域春夏連續(xù)干旱以及冬季特大雪災(zāi)發(fā)生頻率加劇。研究表明，受氣候趨向暖干化的影響，呼倫湖水源補(bǔ)給不足，導(dǎo)致水位下降，湖面萎縮，周圍蘆葦大面積減少，珍稀鳥類大量遷徙，生態(tài)環(huán)境嚴(yán)重惡化[5]。目前，針對呼倫湖流域?qū)θ驓夂蜃兓憫?yīng)的研究成為熱點(diǎn)，但是大多只是集中在氣候變化對呼倫湖濕地生態(tài)環(huán)境的影響[3,5-7]，對呼倫湖流域的氣候變化特征分析大多以年均氣溫和降水為主要?dú)庀笠?，指?biāo)選取單一，缺乏對極端天氣的研究，也沒有分析相對濕度的變化。所以，利用連續(xù)多年觀測到的氣象要素資料提取多種指標(biāo)以不同的時間尺度對呼倫湖流域的氣候變化進(jìn)行分析研究，以揭示多年來當(dāng)?shù)貧夂蜃兓厔?，對呼倫湖流域生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)、重建以及可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 流域概況

呼倫湖也稱達(dá)賚湖[8]，位于呼倫貝爾草原的中部，東經(jīng)117°00′10′′—117°41′40′′，北緯48°30′40′′—49°20′40′′，呈不規(guī)則斜長方形。呼倫湖的水源補(bǔ)給除來源于大氣降水和地下水外，主要依靠境外河流克魯倫河，以及連接其“姐妹湖”貝爾湖的烏爾遜河。呼倫湖隨著歷史的構(gòu)造運(yùn)動和氣候的變化，其面積也曾多次擴(kuò)大或縮小。其歷史記錄最大水深8 m，蓄水量達(dá)138.5億立方米，由于氣候變的干旱等原因，湖體水位不斷下降。自2000—2009年，水位下降了約4.6 m，湖面縮小了477 km2，蓄水量比歷史最大蓄水量減少了一半。從前呼倫湖最北部與海拉爾河相通，湖水可以外流進(jìn)入黑龍江，現(xiàn)在已經(jīng)斷流成為內(nèi)陸湖。

呼倫湖流域?qū)儆谥袦貛О敫珊挡菰瓪夂?，氣候寒冷干燥，冬長夏短，春季干旱多風(fēng)沙，秋季霜凍早，降溫快。該地區(qū)年均氣溫1.1℃，無霜期110 d，年降雨量集中在6—9月，年均降雨量為200～300 mm左右[6]，湖水封凍時間長達(dá)180 d，冰層厚可達(dá)1 m以上。

1.2 數(shù)據(jù)獲得

本文根據(jù)位于呼倫湖流域中部的新巴爾虎右旗的氣象觀測站1960—2014年逐日平均氣溫、最高氣溫、降水、蒸發(fā)量以及相對濕度資料，分別計(jì)算了近55 a平均氣溫、最高氣溫和相對濕度的年、季節(jié)平均值以及降水和蒸發(fā)量的年、季節(jié)的總量，另外根據(jù)降水的日數(shù)據(jù)分別提取出年、季節(jié)的極端降水各指標(biāo)所需數(shù)據(jù)。季節(jié)尺度的數(shù)據(jù)采用1960年3月至2013年2月，規(guī)定春季為3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12月至次年2月。

1.3 指標(biāo)選取

本文分析氣候變化趨勢的氣象要素有4種，其中氣溫有兩個指標(biāo)，分別為日平均最高氣溫和日平均氣溫，降水有五個指標(biāo)，分為平均降水和極端降水，極端降水又有日最大降水量(AM1R)、連續(xù)3日最大降水量(AM3R)、連續(xù)5日最大降水量(AM5R)和連續(xù)7日最大降水量(AM7R)，蒸發(fā)指標(biāo)為總蒸發(fā)量，相對濕度為平均相對濕度。

1.4 分析方法

此研究采用Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)對呼倫湖流域近55 a的氣候要素指標(biāo)變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)，同時應(yīng)用線性傾向估計(jì)、5 a滑動平均分析氣候要素的變化趨勢，此外，還利用SPSS計(jì)算出Pearson相關(guān)系數(shù)來探究氣象要素間的相關(guān)關(guān)系。

Mann-Kendall(簡稱MK)是水文序列中最受歡迎的一種趨勢檢驗(yàn)方法[9-10]，被世界氣象組織(WMO)廣泛推薦應(yīng)用于時間序列的趨勢分析。許多研究人員利用MK趨勢檢驗(yàn)方法分析降水、氣溫、泥沙和徑流等的時間序列的變化趨勢。MK檢驗(yàn)中，原假設(shè)H0為各指標(biāo)時間序列數(shù)據(jù)(x1，x2，…，xn)是獨(dú)立同分布的；備擇假設(shè)H1是對于所有的k,j≤n，且k≠j，xi與xj具有不同的分布，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S被定義如下：

(1)

(2)

式中：n是數(shù)據(jù)記錄長度，即時間序列長度55;xi和xj是連續(xù)數(shù)據(jù)值。當(dāng)n≥10時，檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S近似服從正態(tài)分布，均值和方差如下：

(3)

(4)

式中：m是固定組的數(shù)量；ti是第i個固定組的大小。我們通過以下計(jì)算將檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量S轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z：

(5)

MK方法對數(shù)據(jù)有序列獨(dú)立的要求。對時間序列進(jìn)行分析時，序列自相關(guān)性的出現(xiàn)會嚴(yán)重影響趨勢檢驗(yàn)的結(jié)果[11]。序列相關(guān)為正，可能高估趨勢的顯著性；相關(guān)為負(fù)，可能導(dǎo)致低估。

yt=xt-φxt-1

(6)

式中：yt是時間序列預(yù)白化的值;xt是間隔時間為t的原始序列值;φ是滯后1個時間間隔的自相關(guān)系數(shù)。當(dāng)序列相關(guān)在置信水平為5%顯著時，使用預(yù)白化處理。我們的指標(biāo)變量中，大部分沒有顯著的序列自相關(guān)性。在進(jìn)行MK趨勢檢驗(yàn)之前，首先利用預(yù)白化去除時間序列中的自相關(guān)。

利用已經(jīng)提取出來的各項(xiàng)指標(biāo)序列，以時間t為自變量(年或月)，各氣象要素指標(biāo)為因變量，建立一元回歸方程，方程為下式，即

y(t)=b0+b1t

(7)

dy(t)/dt=b1

(8)

式中：b0，b1通過最小二乘法獲得。將b1×10稱為變化傾向率，表示每十年的變化大小。b1為正值，表示在計(jì)算時段內(nèi)有增加(上升)趨勢，b1為負(fù)值，表示有減少(降低)趨勢，絕對值越大，變化程度越大[12]。

5 a滑動平均我們采用前五年的平均值作為第五年的值，依次后推。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度與蒸發(fā)的年際變化

近55 a呼倫湖流域的年平均氣溫存在年際間的微小波動，但整體上升趨勢明顯(圖1a)。其變化傾向率為0.37℃/10 a，即55 a氣溫上升了2℃。MK檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z值為4.54，即年平均氣溫在0.01水平上顯著上升，與眾多前人研究結(jié)果[3，6，13]以及全球變暖的大趨勢一致。從5 a滑動平均可以看出，20世紀(jì)60年代初至80年代后期該地區(qū)年平均氣溫呈現(xiàn)微小波動上升，80年代后期至今上升速率加大，年際間波動也較之前大。年際間平均最高氣溫的變化趨勢與平均氣溫相同(圖1b)，其變化傾向率為0.27℃/10 a，Z值為3.17，上升趨勢顯著。

圖1 呼倫湖流域年際氣溫變化

近55 a研究區(qū)年蒸發(fā)量平均值為2 113.9 mm。MK檢驗(yàn)的Z值為-2.58，絕對值大于2.32，說明蒸發(fā)量在0.01水平顯著減少，與張娜等的研究結(jié)果相反[6]，可能是我們的時間尺度更長的原因。該地區(qū)溫度顯著上升，飽和蒸汽壓增大，理論上蒸發(fā)應(yīng)該增加，但是由圖2中的5 a滑動平均可知，年總蒸發(fā)量在波動中顯著減少?？梢姡摰貐^(qū)蒸發(fā)量的減少與氣溫變化關(guān)系不大，影響蒸發(fā)量的因子除氣溫外還包括太陽輻射、風(fēng)速、云量、水汽壓等[14]，如沙塵、霧霾以及其他氣溶膠增加可能會對太陽短波輻射的散射增強(qiáng)，這種衰減效應(yīng)會導(dǎo)致蒸發(fā)量減少。

圖2 呼倫湖流域年際蒸發(fā)變化曲線

2.2 降水與濕度的年際變化

近55 a呼倫湖流域年際變化呈現(xiàn)微小減少趨勢(圖3)，年均降水量243.3 mm。Z值為-0.73，沒有達(dá)到0.01的顯著性水平，說明降水量減少不顯著，與趙慧穎等的研究結(jié)果一致[3]。由5 a滑動平均可以看出，20世紀(jì)60年代初至70年代初降水量明顯減少，70年代初至90年代中期降水量緩慢波動增加，90年代中期至今降水量減少迅速。

圖3 呼倫湖流域年際降水變化曲線

圖4 呼倫湖流域年際濕度變化曲線

多年來呼倫湖流域平均相對濕度為59.6%。MK檢驗(yàn)的Z值為-4.19，絕對值大于2.32，所以相對濕度在0.01水平上顯著降低。近55 a相對濕度的變化傾向率為-1.19%/10 a，即55 a降低了6.5%。相對濕度的穩(wěn)定波動降低(圖4)反映了研究區(qū)近55 a來干旱正在逐漸加重，是溫度顯著上升、降水減少的結(jié)果。

2.3 氣候要素的季節(jié)變化規(guī)律

由表1可以看出，春夏秋季的溫度、濕度和蒸發(fā)的變化趨勢與冬季差異很大。根據(jù)Z值可知溫度的兩個指標(biāo)日平均氣溫和日最高氣溫在春夏秋季都顯著上升。日平均氣溫的變化傾向率在春季最大，為0.43℃/10 a，55 a來上升了2.37℃，比年平均氣溫上升快，說明春季為溫度上升做貢獻(xiàn)最大。日最高氣溫的變化傾向率在夏季最大，并且Z值超過2.32，說明夏季日最高氣溫在0.01水平顯著上升，極端高溫天氣在夏季發(fā)生的強(qiáng)度增大，促進(jìn)干旱的產(chǎn)生。冬季的溫度變化不明顯，有微小的上升趨勢，Z值沒有達(dá)到0.05的顯著水平。蒸發(fā)在春夏秋都有減少趨勢，其中夏季和秋季均達(dá)到了顯著水平，夏季蒸發(fā)減少最迅猛，變化傾向率幾乎是春季或秋季的五倍，與之相反，冬季蒸發(fā)呈不顯著的增加趨勢。相對濕度在四季都下降，除冬季外，其他季節(jié)都顯著下降，其中夏季下降最迅速，依次為秋季、春季。

表1 不同季節(jié)溫度、濕度及蒸發(fā)的線性傾向估計(jì)及M-K分析結(jié)果

注：“*”，“**”分別代表通過0.05，0.01水平顯著性檢驗(yàn)。

降水是呼倫湖流域的敏感氣象要素，降水減少是導(dǎo)致干旱的最主要原因。在年降水量變化不顯著的前提下，呼倫湖流域的冬春季降水顯著增加(表2)，秋季稍微增加，夏季降水減少，雖然夏季減少趨勢沒有達(dá)到0.05的顯著性水平，但是其變化傾向率的絕對值最大，是冬春秋季降水增加的二倍還要多。極端降水在冬春季同樣顯著增加，春季除AM3R外都達(dá)到0.05的顯著性水平，冬季幾乎所有指標(biāo)都達(dá)到0.01的顯著性水平，夏季持續(xù)時間較長的極端降水顯著減少，秋季沒有明顯變化。

呼倫湖流域?qū)儆谥芯暥劝敫珊祬^(qū)，季節(jié)尺度對全球氣候變化的響應(yīng)是夏季溫度大幅度上升同時伴隨著降水減少，冬季增溫不明顯同時平均降水和極端降水均顯著增加。夏季越來越干旱，冬季出現(xiàn)雪災(zāi)的頻率可能加劇。春季溫度升高的同時降水增多，可能對作物生長有利。秋季溫度升高、相對濕度降低的同時降水沒有變化，呈現(xiàn)出干燥的趨勢?？偟膩碚f，氣候趨向暖干化。

2.4 各要素間的相關(guān)關(guān)系

本文利用呼倫湖流域降水、氣溫和相對濕度的年均值以及年總蒸發(fā)量四個氣象要素的時間序列進(jìn)行相關(guān)性分析。由表3可以看出，相對濕度同降水和氣溫的相關(guān)系數(shù)分別是0.509和-0.391，根據(jù)t檢驗(yàn)，相對濕度同降水和氣溫的相關(guān)系數(shù)都通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明相對濕度同降水量之間呈正相關(guān)，同氣溫呈負(fù)相關(guān)，即降水量少的年份相對濕度低，氣溫越高相對濕度越低。蒸發(fā)同降水和相對濕度的相關(guān)性系數(shù)分別為0.596，0.744，均在0.01水平顯著相關(guān)，說明蒸發(fā)量大的年份相對濕度也高，由于此地區(qū)相對濕度整體較小，因此，相對濕度不是蒸發(fā)量的限制因子，反倒隨著蒸發(fā)量的增加，相對濕度會略微增大。蒸發(fā)和氣溫的相關(guān)性系數(shù)是0.015，沒有達(dá)到顯著相關(guān)。

表2 不同季節(jié)平均降雨和極端降雨指標(biāo)的線性傾向估計(jì)及M-K分析結(jié)果

注：“*”，“**”分別代表通過0.05，0.01水平顯著性檢驗(yàn)。

表3 各氣象要素的Pearson相關(guān)性分析結(jié)果

注：“**”代表在0.01水平(雙側(cè))顯著性相關(guān)。

呼倫湖流域近55 a降水、氣溫、相對濕度和蒸發(fā)的相關(guān)性與其他地區(qū)有些不同，甚至完全相反[15]，特別是溫度高的年份相對濕度低，蒸發(fā)和溫度沒有顯著相關(guān)性。研究表明潛在蒸散量與平均風(fēng)速、平均氣溫、日照時數(shù)呈正相關(guān)，與相對濕度呈負(fù)相關(guān)，風(fēng)速的下降是蒸發(fā)量減少的主要原因[16]。而Stahill等[17]則認(rèn)為是大氣中浮塵、霾等氣溶膠的增加導(dǎo)致了有效輻射量的減少，蒸發(fā)量減少。由此可知，此研究區(qū)溫度上升，氣溶膠粒子上升，削弱太陽輻射，減少蒸發(fā)量。研究區(qū)屬于半干旱地區(qū)，水是限制因子，蒸發(fā)量隨著溫度的升高而減小，但是溫度升高使得飽和水汽壓增大，造成相對濕度下降。

3 結(jié) 論

(1) 近55 a(1960—2014年)呼倫湖流域平均氣溫和最高溫均在0.01水平上顯著上升，降水量變化不顯著，相對濕度顯著降低，氣候向暖干化發(fā)展。

(2) 氣候變化在不同季節(jié)趨勢有所不同。春、夏和秋季在日均溫、日最高溫以及相對濕度這三個指標(biāo)的變化趨勢相同，均表現(xiàn)為溫度顯著上升、相對濕度顯著下降，最大升溫速率發(fā)生在春季，日平均氣溫每十年上升0.43℃，其他指標(biāo)夏季變化傾向率最大，這三個指標(biāo)在冬季的變化趨勢都不顯著。蒸發(fā)在春夏秋季為減少趨勢，并且夏秋季達(dá)到顯著水平，冬季為不顯著的增加趨勢。無論平均降水還是極端降水冬春季節(jié)均表現(xiàn)為顯著的增多趨勢，相反，夏秋季節(jié)為不顯著的減少趨勢，其中夏季歷時較長的極端降水(AM5R和AM7R)減少顯著。

(3) 呼倫湖流域近55 a干旱加重主要是因?yàn)闅鉁厣?，飽和水汽壓增大，然而全年降水卻沒有增加，蒸發(fā)不足，相對濕度顯著降低，干旱持續(xù)加重。夏季氣溫升高顯著，降水減少幅度最大，相對濕度顯著降低，相比于其他季節(jié)，最易變干旱，而冬季雖然降水增多，極端降水也增多了，雪災(zāi)可能也隨之增多。

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Characteristics of Climatic Changes in Hulun Lake Basin in Recent 55 Years

WU Danrui1,2, GENG Xinxin3, LI Ming1,2

(1.KeyLaboratoryofPoyangLakeWetlandandWatershedResearch,MinistryofEducation,JiangxiNormalUniversity,Nanchang330000,China; 2.CollegeofNaturalResourcesandEnvironment,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.JiangsuNaiwchCo.,Ltd,Nanjing210012,China)

The changes of nine meteorological indicators on temperature, precipitation, evaporation and relative humidity from 1960 to 2014 in Hulun Lake basin were analyzed at the scales of year and season. The results show that: (1) annual temperature significantly increased but evaporation and relative humidity decreased significantly, the variation of annual precipitation was insignificant, these results indicated that the climate in this area became warmer and drier; (2) the variation of temperature, evaporation and relative humidity in spring, summer and autumn are similar to their interannual variations, the maximum rate of mean temperature rise occurred in spring with 0.43℃/decade, however, variations of the three meteorological elements were not significant in winter; (3) the mean precipitation and extreme precipitation increased significantly in both winter and spring, but in summer the precipitation decreased, especially the long-time extreme precipitation which decreased significantly; (4) summer climate in this area became much drier because of significant increase in temperature and decrease in relative humidity. The increasing extreme precipitation in winter would cause snow disaster in this area.

climate change; meteorological element; Hulun Lake Basin; temperature; drought

2015-11-23

2015-12-07

鄱陽湖濕地與流域研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(江西師范大學(xué))開放基金資助項(xiàng)目(PK2014003);國家自然科學(xué)基金(51409216)

吳丹瑞(1992—),女,河南周口人,碩士研究生,研究方向是土壤侵蝕與水土保持。E-mail：wudanrui15@mails.ucas.ac.cn

李明(1986—),男,甘肅慶陽人,副教授,博士,研究方向是水環(huán)境與生態(tài)水利。E-mail：lileaf@163.com

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1005-3409(2016)06-0174-05