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        松花江流域氣溫時(shí)空變化規(guī)律

        2020-04-27 06:07:30吐尼亞孜亞森熊繼東江洪珊
        水土保持研究 2020年1期
        關(guān)鍵詞:松花江流域最低氣溫時(shí)間尺度

        汪 飛, 洪 林, 吐尼亞孜·亞森, 熊繼東, 江洪珊

        (武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430072)

        隨著全球氣候變暖,氣候的變化及其影響受到越來(lái)越多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注和研究[1-3]。根據(jù)IPCC第五次的研究報(bào)告[4],近百年全球變暖已高達(dá)0.85~0.89℃。與全球變化相一致,中國(guó)氣溫也呈現(xiàn)出增溫特征[5-6],其增長(zhǎng)速率高于同期北半球水平,且在20世紀(jì)80年代中后期增溫速率有加大趨勢(shì)[7]。氣候變化使得水資源的分布、循環(huán)以及生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生改變,使得水土資源之間的矛盾進(jìn)一步加劇,同時(shí)也增加了極端事件發(fā)生的可能性[8]。氣溫作為氣候變化的重要指標(biāo),對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的變化起著重要的作用。

        松花江流域位于我國(guó)的東北地區(qū),是我國(guó)重要的商品糧基地,氣候變化對(duì)區(qū)域的發(fā)展具有重要影響。目前已有諸多學(xué)者對(duì)該區(qū)域的氣候變化進(jìn)行了分析和研究,姜曉艷等[9]分析了東北地區(qū)的冷暖交替特征;曾小凡等[10]利用距平法探討了松花江流域氣溫和降水的變化趨勢(shì);孫文等[11]研究了全球變暖背景下松花江流域氣溫年內(nèi)的趨勢(shì)和突變特征。以往結(jié)果分析了流域內(nèi)年平均氣溫的變化趨勢(shì),但對(duì)年平均最低和最高氣溫以及氣溫序列周期特征的研究相對(duì)較少。本文以松花江流域上年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫為研究對(duì)象,對(duì)其時(shí)空變化特征、變異特征和周期特征進(jìn)行較為深入的研究分析,以期對(duì)流域的氣溫變化特征有更為深刻的認(rèn)識(shí),為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、水土資源平衡調(diào)整提供一定的參考依據(jù)。

        1 資料和方法

        1.1 資料來(lái)源

        本研究選取松花江流域上分布較為均勻、資料序列相對(duì)完整的35個(gè)氣象站點(diǎn),從中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)上獲取這35個(gè)站點(diǎn)從1956—2015年的年值氣象數(shù)據(jù),建立松花江流域年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的數(shù)據(jù)系列,并對(duì)由于遷站、漏測(cè)等原因?qū)е碌臄?shù)據(jù)缺失項(xiàng)采取線性回歸的方式進(jìn)行插補(bǔ),從而研究松花江流域氣溫變化趨勢(shì)和規(guī)律。松花江流域上的氣象站點(diǎn)的分布如圖1所示。

        1.2 研究方法

        對(duì)松花江流域氣溫變化規(guī)律的研究主要包括氣溫的趨勢(shì)分析、突變點(diǎn)分析和周期性分析。

        圖1 松花江流域氣象站點(diǎn)分布

        本文選取線性回歸法并輔以5 a滑動(dòng)平均趨勢(shì)法來(lái)研究松花江流域氣溫的變化趨勢(shì)[12],趨勢(shì)變化采用氣溫傾向率來(lái)定量分析;利用ArcGIS中的空間插值工具得到流域的氣溫變化率分布圖,結(jié)合各站點(diǎn)的分布特征和傾向特征分析氣溫在流域空間上的差異性;利用Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法[13]對(duì)松花江流域氣溫序列進(jìn)行突變識(shí)別,分析其變化規(guī)律及可能存在的突變特征,并結(jié)合Pettitt法進(jìn)行突變結(jié)果檢驗(yàn);通過(guò)Morlet小波分析氣溫變化的周期性特征[14]。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 氣溫時(shí)空變化分析

        2.1.1 氣溫變化趨勢(shì)分析 通過(guò)線性回歸法和5 a滑動(dòng)平均法對(duì)整個(gè)流域上的氣溫序列做趨勢(shì)分析,分別得到年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的變化趨勢(shì)圖,結(jié)果如圖2所示;對(duì)氣溫變化的趨勢(shì)進(jìn)行顯著性水平為0.05的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn),顯著性檢驗(yàn)結(jié)果見表1。

        由線性趨勢(shì)圖可以看出,松花江流域上的3種氣溫序列均呈顯著的波動(dòng)上升趨勢(shì),其變化趨勢(shì)也基本保持一致,但在增長(zhǎng)率上存在一定的差異性。其中年平均最低氣溫的線性增長(zhǎng)幅度最大,以0.429℃/10 a的幅值增長(zhǎng);其次是年平均氣溫,為0.322℃/10 a;年平均最高氣溫的線性增長(zhǎng)幅度為0.19℃/10 a。這3種氣溫的增長(zhǎng)趨勢(shì)均通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn),可認(rèn)為增長(zhǎng)是顯著的。年平均氣溫上升程度處于同期全國(guó)增溫范圍內(nèi)[5,15],0.322℃/10 a的增溫略低于姜曉艷等[9]對(duì)東北地區(qū)氣溫變化的研究成果,與孫文等[11]對(duì)松花江流域最新氣溫研究的結(jié)果基本一致,同時(shí)年平均最低氣溫比最高氣溫增長(zhǎng)更快也符合全國(guó)氣溫變化特征[5]。

        圖2 松花江流域氣溫變化趨勢(shì)

        表1 氣溫變化趨勢(shì)檢驗(yàn)

        從5 a滑動(dòng)平均的結(jié)果來(lái)看,年平均氣溫和年平均最高氣溫的變化趨勢(shì)較為一致,在20世紀(jì)50年代至80年代雖呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),但趨勢(shì)較為平緩,相比而言,從20世紀(jì)90年代開始,氣溫的增長(zhǎng)趨勢(shì)更為顯著,且氣溫的波動(dòng)更為劇烈;而對(duì)于年平均最低氣溫,氣溫序列從20世紀(jì)80年代開始即有較為劇烈的增長(zhǎng)趨勢(shì),先于年平均氣溫和年平均最高氣溫。

        2.1.2 氣溫空間變化規(guī)律 利用ArcGIS軟件將各站點(diǎn)3種氣溫序列的變化趨勢(shì)按照反距離加權(quán)平均(IDW)的插值方式繪制松花江流域氣溫變化的空間分布圖(圖3)。

        圖3 松花江流域氣溫空間變化

        從空間分布圖中可以看出,在整個(gè)松花江流域上,3種氣溫序列的增長(zhǎng)趨勢(shì)大致相同。年平均氣溫上升范圍在0.190~0.458℃/10 a;年平均最高氣溫變化范圍處于0.052~0.328℃/10 a,同比另外兩種氣溫序列而言變化較為平緩;年平均最低氣溫變化幅度非常劇烈,其上升范圍在0.265~0.669℃/10 a,這可能是由于東北地區(qū)冬季呈現(xiàn)明顯的暖干變化,從而導(dǎo)致年平均最低氣溫整體上升較快。

        3種氣溫變化的空間分布都不均勻。且存在較為明顯的高值區(qū),其中嫩江流域的大興安嶺站、松花江干流的綏化站、黑龍江站的增長(zhǎng)趨勢(shì)最為顯著,這些站點(diǎn)的3種氣溫均表現(xiàn)極高的增溫趨勢(shì)。整體上看,年平均氣溫和年平均最低氣溫的增長(zhǎng)趨勢(shì)具有非常高的相似性,且變化傾向率較高的站點(diǎn)基本分布在流域的西北—東南沿江條帶上,在其兩側(cè)的氣溫增幅則稍弱;而對(duì)于年平均最高氣溫來(lái)說(shuō),其變幅較大的區(qū)域在空間分布上整體向東北方向遷移??紤]到站點(diǎn)在松花江流域上的地理特征,氣溫變化的這種分布情況可能與區(qū)域自身的氣候特征以及地理?xiàng)l件有關(guān),另外也可能是受到靠近河流的地區(qū)城市化水平、土地利用率以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響。

        2.2 變異分析

        用Mann-Kendall法對(duì)松花江流域1956—2015年年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)(取0.05的顯著性水平),分別繪制正向序列UFk、反向序列UBk兩條折線和顯著性水平上、下信度線(U0.05=1.96),見圖4。

        M-K法用于突變檢驗(yàn)時(shí),當(dāng)正向序列曲線超過(guò)信度線,即表示存在明顯的變化趨勢(shì)時(shí),若正、反曲線的交叉點(diǎn)位于信度線之間,這點(diǎn)便是突變點(diǎn)的開始[16-17]。

        由圖4檢驗(yàn)結(jié)果分析可得:3種氣溫的正向序列曲線UFk均超過(guò)了上信度線,即都顯示出氣溫序列存在明顯的正向變化趨勢(shì);對(duì)于年平均氣溫和年平均最高氣溫,增溫趨勢(shì)在20世紀(jì)80年代后期非常顯著,而年平均最低氣溫則在80年代前期就表現(xiàn)為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì),這與前面的趨勢(shì)分析結(jié)果相符。

        在上、下信度線內(nèi),3種氣溫的正、反序列曲線均存在交點(diǎn)。其中,年平均氣溫序列交點(diǎn)位于1989年左右,年平均最高氣溫序列交于1 992左右,年平均最低氣溫則落在1 987左右。在交點(diǎn)之后,3種氣溫均呈明顯的增溫趨勢(shì)。為進(jìn)一步驗(yàn)證其突變的可能性,結(jié)合Pettitt檢驗(yàn)法對(duì)氣溫序列做突變檢驗(yàn),其結(jié)果如圖5所示,對(duì)于年平均氣溫和年平均最低氣溫,其Pettitt最低值均只有一處,對(duì)應(yīng)的年份分別為1988年,1987年,與M-K法識(shí)別結(jié)果基本一致;而對(duì)于年平均最高氣溫,M-K法檢驗(yàn)的突變年份1992年對(duì)應(yīng)了一個(gè)低值,但其右側(cè)仍存在較低值,從M-K檢驗(yàn)圖上可以看到,年平均氣溫在高于上信度線外,正、反序列曲線同樣出現(xiàn)了交點(diǎn),考慮到M-K法并不能肯定或排除其為該序列突變點(diǎn)的可能性,而Pettitt法不適用于多個(gè)突變點(diǎn)情況,可考慮該氣溫序列在其他點(diǎn)處依舊可能存在突變點(diǎn)的情況。結(jié)合兩種突變識(shí)別的分析結(jié)果,可認(rèn)為松花江流域的氣溫序列在1987—1992年之間存在突變。

        圖4 松花江流域氣溫Mann-Kendall法突變識(shí)別

        圖5 松花江流域氣溫Pettitt法突變識(shí)別

        2.3 周期分析

        借助MATLAB的小波分析工具,得到小波系數(shù),通過(guò)提取小波系數(shù)的實(shí)部部分后,利用克里金插值法繪制小波系數(shù)實(shí)部等值線圖,見圖6。對(duì)不同的時(shí)間尺度求取氣溫變化的小波方差值并繪制小波方差圖,見圖7。對(duì)小波系數(shù)的模取平方,同樣利用克里金插值法繪制小波系數(shù)模方圖,見圖8。

        小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能夠反映在不同的時(shí)間尺度下序列的周期變化,同時(shí)能夠體現(xiàn)不同周期在時(shí)間域上的分布情況,小波方差圖能夠表明不同時(shí)間尺度下時(shí)間序列波動(dòng)能量的分布情況。因此可以利用實(shí)部等值線圖和方差圖分析氣溫系列的周期分布特征;小波系數(shù)的模值顯示了整個(gè)時(shí)間域上不同時(shí)間尺度下變化周期所對(duì)應(yīng)的能量密度,因此小波系數(shù)模方圖可用來(lái)分析對(duì)應(yīng)尺度的周期性的顯著性特征。

        由圖6和圖7可以看出,3種氣溫序列的周期性特征較為類似,均存在3個(gè)明顯的峰值,其時(shí)間尺度分別為28 a,14 a和7 a,其中28 a所對(duì)應(yīng)的周期震蕩最劇烈,可認(rèn)為是氣溫變化的第一主周期;14 a是峰值的次高點(diǎn),其周期震蕩較為明顯,但弱于28 a所對(duì)應(yīng)的周期,可認(rèn)為是第二主周期;第三主周期為7 a,從等值線圖中可以明顯得看出,該周期出現(xiàn)的次數(shù)最為頻繁。流域在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的氣溫變化周期基本是由以上3個(gè)周期波動(dòng)控制。

        圖6 松花江流域氣溫小波系數(shù)實(shí)部等值線

        圖7 松花江流域氣溫小波方差

        圖8 松花江流域氣溫小波系數(shù)模方等值線

        由圖8可知,3種氣溫序列中20~30 a時(shí)間尺度所對(duì)應(yīng)的能量密度均最為集中,且貫穿于整個(gè)時(shí)間域內(nèi),說(shuō)明該時(shí)間尺度內(nèi)的變化周期最為明顯,對(duì)整個(gè)研究時(shí)間域內(nèi)的氣溫變化都起控制作用;但在10~15 a和5~10 a時(shí)間尺度,能量密度的表現(xiàn)形式并不一致。對(duì)于年平均氣溫和年平均最高氣溫,10~15 a時(shí)間尺度的能量主要集中在1990年以后,而5~10 a時(shí)間尺度能量分布貫穿整個(gè)研究時(shí)間域;年平均最低氣溫在10~15 a時(shí)間尺度上的能量密度集中在1990年之前,而5~10 a時(shí)間尺度的主要分布于1990年之后。這可能與氣溫序列在1987—1992年時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)了突變有關(guān),從而導(dǎo)致氣溫序列出現(xiàn)了新的周期性變化特征。

        3 結(jié) 論

        (1) 松花江流域3種氣溫序列總體呈上升趨勢(shì),且上升趨勢(shì)均是顯著的。流域年平均氣溫以0.322℃/10 a的趨勢(shì)增長(zhǎng),年平均最高氣溫增幅為0.190℃/10 a,年平均最低氣溫為0.429℃/10 a

        (2) 3種氣溫序列變化的空間分布并不均勻,年平均氣溫和年平均最低氣溫變化在空間分布上具有較大的相似性,在西北—東南沿江條帶上上升趨勢(shì)大于其他區(qū)域,相比而言,年平均最高氣溫的增溫變幅較大的區(qū)域更偏向東北方向。

        (3) 從M-K法和Pettitt法突變檢驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,松花江流域氣溫序列在1987—1992年之間發(fā)生突變,突變后的氣溫呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)。

        (4) 松花江流域氣溫變化存在3個(gè)主周期,對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度分別為28 a,14 a和7 a,其中28 a時(shí)間尺度的主周期貫穿于整個(gè)時(shí)間域內(nèi),起主要控制作用,而其他兩個(gè)主周期在1990年前后出現(xiàn)了一定的差異性。

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