甄 英，何 靜

(1.內(nèi)江師范學院地理與資源科學學院，四川內(nèi)江 641199；2.成都信息工程大學大氣科學學院，四川成都 610225)

當前，氣候變化及其對人類環(huán)境的影響已成為全球科學界日益重視的重大科學問題?？茖W研究以及政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第四次評估報告表明，近百年來全球氣候正經(jīng)歷1次以全球變暖為主要特征的顯著變化，20世紀全球平均地表溫度增加了0.6 ℃左右[1]。我國近百年來地面氣溫變化趨勢與全球的情況相似，以氣候變暖為主要特征的全球變化已成為一個不爭的事實[2-3]。近年來，很多學者對我國氣候的變化特征及趨勢[4-5]、較大區(qū)域氣候變化[6-7]、流域氣候[1，8-9]等方面做了較為詳細的研究，但是這些研究均針對大范圍區(qū)域內(nèi)的氣候，而沒有對局部區(qū)域的氣候進行分析。因此，將岷江流域分為若干單元，利用準確的氣象觀測資料專門分析該流域的氣溫變化趨勢及突變性的特點，仍然有重要的科學意義。已有很多學者對岷江流域水資源安全[10]、水資源生態(tài)足跡[11]、水質(zhì)[12]、徑流和降水[13-15]等方面做了大量研究，都是從流域整體或某一部分進行分析，但將流域分段對其氣溫的變化進行整體研究的還鮮見報道。筆者利用岷江流域的松潘、都江堰、樂山、宜賓氣象觀測站1955—2014年氣溫實測數(shù)據(jù)，對岷江流域上、中、下游的氣溫變化特征、突變性和周期性進行分析，以期為流域生態(tài)環(huán)境和水資源開發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1研究區(qū)概況岷江發(fā)源于岷山南麓松潘縣郎架嶺，由西北向東南流經(jīng)四川盆地，于宜賓市合江門匯入長江。全長735 km，總落差3 560 m，流域面積14萬km2。岷江是長江上游水量最大的一條支流，都江堰以上為上游，都江堰至樂山段為中游，樂山以下至宜賓為下游。

1.2資料選取選用岷江流域的松潘(32°39′N、103°34′E，2850.7 m)、都江堰(30°59′N、103°40′E，706.7 m)、樂山(29°34′N、103°45′E，424.2 m)、宜賓(28°48′N、104°36′E，340.8 m)這4個氣象觀測站1955—2014年的逐年、逐月氣溫實測數(shù)據(jù)為樣本，將岷江流域分為上游、中游、下游三部分，對其氣溫變化進行分析。

1.3研究方法

1.3.1Mann-Kendall非參數(shù)檢驗。Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(簡稱M-K檢驗)是一種廣泛應用于氣溫、降水、徑流等水文現(xiàn)象的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法[16]。M-K檢驗法能很好地揭示時間序列的趨勢變化及突變特征[17-18]。在時間序列為隨機的假設下，定義統(tǒng)計量[19]：

對于具有n個樣本的時間序列x，構造一秩序列：

(1)

在時間序列獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

(2)

再按時間序列x的逆序重復上述過程，并且令UBk=UFk(k=n，n-1，…，2，1)，UB1=0。

一般取顯著性水平α=0.05，那么臨界值U0.05=±1.96[20]。將UFk和UBk兩序列曲線和±1.96兩條直線均繪在一張圖上。若UFk和UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域。如果UFk和UBk2條曲線出現(xiàn)交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

1.3.2小波變換。對于給定的小波函數(shù)ψ(t)，離散水文時間序列為取樣時間間隔的小波變換為[21]：

(3)

1.3.3小波方差。小波方差Var(a)反映了波動的能量隨尺度的分布，它是指小波變換系數(shù)WTf(a,b)的平方在時間域上對b的積分，即[21]

(4)

2 結果與分析

2.1氣溫變化趨勢分析

2.1.1平均氣溫年變化。由圖1可知，近60年岷江流域年均氣溫整體呈波動上升趨勢，上、中、下游增幅分別為0.22、0.18和0.11 ℃/10 a，且中、下游年均氣溫與上游年均氣溫相差較大，其主要原因是上游所在的地理位置海拔較高，且與中下游海拔高差相差較大造成。該流域年均氣溫在20世紀80年代中后期開始上升，且上升速度快，持續(xù)時間長，上、中、下游分別在1998、1996、1996年超過年均氣溫，這與伍清等[25]、劉曉冉等[26]對西南地區(qū)氣溫變化分析的結論一致。

圖1 1955—2014年岷江流域上游(a)、中游(b)和下游(c)年均氣溫變化Fig.1 Annual average temperature changes in the upper reaches(a)，middle reaches(b)and lower reaches(c)of Minjiang River Basin from 1955 to 2014

2.1.2平均氣溫年代際變化。從圖2可以看出，近60年岷江流域平均氣溫年代際變化明顯，主要表現(xiàn)為兩部分：20世紀50年代中期—90年代末流域上游、中游、下游的年均氣溫均低于多年平均氣溫，且在80年代均達到最低值；21世紀以來年均氣溫均高于多年平均氣溫，上游、中游在2010—2014年達到這60年的最大值，下游在2000—2009年達到最大值。由此可見，近60年來該流域上游、中游、下游平均氣溫年代際間變化并不一致。

圖2 1955—2014年岷江流域年代際氣溫距平變化Fig.2 Anomaly change of interdecadal temperature in the Minjiang River Basin from 1955 to 2014

2.1.3平均氣溫季變化。近60年來流域上、中、下游多年平均氣溫均在10.0 ℃以上，并以由北向南溫度遞增的規(guī)律變化。上游各季平均氣溫從高到低依次為夏季、秋季、春季、冬季，其中夏、冬季平均氣溫相差17.0 ℃，春秋季平均氣溫較接近，僅相差0.3 ℃；中游平均氣溫從高到低依次為夏季、秋季、春季、冬季，夏、冬季平均氣溫相差17.4 ℃，春秋季平均氣溫相差0.4 ℃；下游平均氣溫從高到低依次為夏季、春季、秋季、冬季，夏、冬季平均氣溫相差19.2 ℃，但冬季比中游平均氣溫低0.8 ℃，且流域三部分冬季溫度與其他季節(jié)溫差較大。

2.1.4最高、最低氣溫變化。根據(jù)1955—2014年岷江流域上、中、下游各月平均氣溫，統(tǒng)計出年最高、最低氣溫時間序列變化趨勢(圖3)，其變化范圍及增幅見表1。從圖3和表1可以看出，近60年該流域的最高、最低氣溫均呈上升趨勢，且在20世紀80年代開始顯著上升，這與年均氣溫變化趨勢一致。

2.2氣溫突變分析由圖4可知，流域上、中、下游UF曲線均在20世紀80年代中后期開始整體上升，在90年代后期超過0值線，表明氣溫呈上升趨勢，21世紀后超過α=0.05臨界線，上升趨勢顯著，這與圖1所得結果相一致。具體來看，上游UF與UB曲線有3個交點，但均在臨界線外，所以將超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域，其中1956—1958、1976—1990年為下降突變時間區(qū)域(UF<0)，2003—2014年是氣溫上升突變時間區(qū)域(UF>0)；中游UF與UB曲線在臨界線內(nèi)相交于1971和1999年，這兩點即為氣溫下降突變的時間點；下游UF與UB曲線在臨界線外相交于1971、1985和1998年，同樣將超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域，即1957—1958、1968—1972和1983—1999年為氣溫下降突變時間區(qū)域，2009—2014年為氣溫上升突變時間區(qū)域。綜上分析，雖然流域上、中、下游平均氣溫回暖時間大體一致，但突變時間卻不一致。

注：a1、b1為上游；a2、b2為中游；a3、b3為下游Note：a1，b1 is the upper reaches；a2，b2 is the middle reaches；a3，b3 is the lower reaches圖3 1955—2014年岷江流域最高氣溫(a)和最低氣溫(b)變化趨勢Fig.3 Change trend of the maximum temperature(a)and minimum temperature(b)in Minjiang River Basin from 1955 to 2014

表1 1955—2014年岷江流域最高、最低氣溫的變化范圍及其增幅

表2 1955—2014年岷江流域季節(jié)平均氣溫

圖4 1955—2014年岷江流域上游(a)、中游(b)和下游(c)平均氣溫M-K檢驗Fig.4 M-K test of average temperature in the upper reaches(a)，middle reaches(b)and lower reaches(c)of Minjiang River Basin from 1955 to 2014

2.3氣溫周期分析從圖5可看出，近60年岷江流域平均氣溫周期在23～60年的低頻振蕩，上游出現(xiàn)了3條突變線，分別出現(xiàn)在20世紀60年代中后期、80年代中后期和21世紀初，將60年的氣溫分為偏低、偏高、偏低、偏高4個時間段；中游有3條突變線，分別出現(xiàn)在20世紀60年代后期、80年代初期、90年代末期，4個時間段內(nèi)的氣溫分別為偏低、偏高、偏低、偏高；下游有5條突變線，分別出現(xiàn)在20世紀50年代末期、60年代末期、80年代中期、90年代末期及2010年，6個時間段內(nèi)的氣溫分別為偏低、偏高、偏低、偏高、偏低、偏高。周期在15～22年的低頻振蕩，上游有5條突變線，中游、下游有6條突變線，氣溫上、中游在此周期內(nèi)出現(xiàn)低溫-高溫-低溫的循環(huán)變化規(guī)律，下游在此周期內(nèi)出現(xiàn)高溫-低溫-高溫的循環(huán)變化規(guī)律。流域周期在14年以下的時間尺度變換中高頻振蕩位相結構和突變線更加復雜。

圖5 1955—2014年岷江流域上游(a)、中游(b)和下游(c)平均氣溫小波系數(shù)時頻變換Fig.5 Wavelet coefficient time-frequency transform of average temperature in the upper reaches(a)，middle reaches(b)and lower reaches(c)of Minjiang River Basin from 1955 to 2014

為進一步確定岷江流域氣溫變化的顯著周期，對研究期間流域上、中、下游進行小波方差分析。從圖6可看出，上游流域平均氣溫存在1個較為明顯的峰值，對應著9年左右時間尺度，說明9年左右時間尺度周期振蕩最為強烈，為上游流域氣溫變化主周期。中、下游流域平均氣溫均存在2個較為明顯的峰值，均分別對應著4和7年左右時間尺度，其中4年左右時間尺度峰值最大，說明4年左右的周期振蕩最為強烈，為中、下游流域氣溫變化的第一主周期；7年左右時間尺度峰值次之，為該段流域氣溫變化的第二主周期。

圖6 1955—2014年岷江流域上游(a)、中游(b)和下游(c)平均氣溫小波方差Fig.6 Wavelet variance of average temperature in the upper reaches(a)，middle reaches(b)and lower reaches(c)of Minjiang River Basin from 1955 to 2014

3 結論

(1)1955—2014年岷江流域平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫整體均呈上升趨勢，20世紀80年代中后期尤為明顯，增速從大到小依次為上游、中游、下游；流域平均溫度年代際升溫過程不同步，上、中游2010—2014年平均氣溫達到最大值，下游在2000—2009年出現(xiàn)；從季節(jié)來看年均溫度呈由北向南遞增的規(guī)律變化，但冬季中游比下游溫度高出0.8 ℃。

(2)M-K突變檢驗發(fā)現(xiàn)，在20世紀80年代中后期平均氣溫UF曲線開始整體上升，21世紀后上升趨勢顯著。雖然流域上、中、下游平均氣溫回升時間大體一致，但突變時間卻不一致。

(3)Morlet小波分析表明，岷江流域上、中、下游存在周期為23～60年的低頻振蕩，分別出現(xiàn)了3、3、5條突變線；在周期15～22年的低頻振蕩中，分別出現(xiàn)了5、6、6條突變線；周期14年以下的時間尺度變換中高頻振蕩位相結構和突變線更加復雜。通過小波方差進一步確認流域三部分分別以9、4、4年左右的周期振蕩為主。

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