劉 念，費良軍，馮纏利，同海麗，介飛龍，郝 琨

(1.西安理工大學水利水電學院，陜西 西安 710048；2.陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001)

我國西北地區(qū)由于其地理位置特殊，是全球氣候變化響應敏感地帶之一，也是生態(tài)環(huán)境變化脆弱的地區(qū)[1]。無定河濕地保護區(qū)以保護無定河流域濕地生態(tài)系統(tǒng)為主，兼顧了保護水源地及動植物資源的生態(tài)功能。由于濕地保護區(qū)內的水資源短缺，供需矛盾突出及水土流失日趨嚴重，導致天然河流濕地面積大幅萎縮。因此，無定河濕地保護區(qū)內氣候變化對當地生態(tài)環(huán)境影響很大。近年來，西北地區(qū)的氣候變化問題一直是科學研究的熱點，以往研究側重于整個西北地區(qū)的氣候變化特征[2-3]，或是流域整體的氣候變化與徑流響應[4]。張強等[5]分析了西北地區(qū)氣候的時空變化特征，發(fā)現西北地區(qū)氣溫呈顯著的上升趨勢，而降水具有顯著的區(qū)域差異并表現出整體暖干化局部暖濕化現象。劉曉瓊等[6]指出，2006年來榆林市出現弱度的減溫增濕，氣溫、降水量變化分別存在冷暖與干濕交替的多時間尺度變化特征，降水量序列突變不明顯。本文利用1981-2019年無定河濕地保護區(qū)橫山站的逐日氣象資料，研究無定河濕地保護區(qū)氣候變化特征，以期揭示無定河濕地保護區(qū)氣象因子變化規(guī)律，為無定河濕地保護區(qū)水資源管理和生態(tài)環(huán)境治理提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

陜西無定河濕地省級自然保護區(qū)，位于陜西北部鄂爾多斯高原南部毛烏素沙地南緣，地理坐標北緯37°58′00″～38° 07′00″，東經109°15′00″～109° 50′00″。保護區(qū)長度為55.2 km，總面積11 480 hm2，以保護區(qū)域內濕地生態(tài)系統(tǒng)為主，兼顧保護水源地環(huán)境、濕地珍稀水禽以及陜北黃土高原風沙區(qū)濕地景觀。研究區(qū)氣候屬于半干旱大陸性季風氣候，四季分明，日照時間長，冬季寒冷，夏季高溫炎熱。年降水量為379.7 mm，降水大部分集中在7-9月，占全年的60%～70%。保護區(qū)較大支流有蘆河、海流兔河、黑木頭河，主要以降水補給為主，年徑流量約為6.11億 m3。

1.2 數據來源

本研究選取1981-2019年無定河濕地自然保護區(qū)橫山站的逐日氣象觀測數據，包括降水量、平均氣溫、相對濕度、日照時數、平均風速，對個別月份缺測數據進行了插補延長。采用Microsoft Excel軟件進行數據處理，用SPSS軟件進行顯著性檢驗。

1.3 研究方法

1.3.1 Mann-Kendall趨勢檢驗

在M-K檢驗中，原假設H0為樣本數為n的序列X(x1，x2，…，xn)，備擇H1為雙邊檢驗，通過對統(tǒng)計量S和M-K統(tǒng)計量建立關系式計算Zc值[7-8]，β為傾斜度。在雙邊趨勢檢驗中，當-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2時，表示研究對象沒有顯著趨勢；相反，表示時間序列有顯著變化趨勢。Zc>0表示序列呈增加趨勢，Zc<0表示減少趨勢。本文取α=0.05，±Z1-α/2=1.64。|Zc|> 1.64表示通過了0.05顯著性檢驗。

1.3.2 非參數Mann-Kendall法突變檢驗

設時間序列X(x1，x2，…，xn)，Sk表示第i個樣本Xi>Xj(1≤j≤i)的累計數，計算統(tǒng)計量如下：

(1)

(2)

(3)

分別按序列X順序與逆序計算出統(tǒng)計量序列UFk和UBk。對于給定的顯著性水平，繪制UFk、UBk、臨界值曲線，得到突變性檢驗圖[9]。本文選定顯著性水平為α=0.05，對應的臨界值為±1.96。

1.3.3 滑動t檢驗法

2 成果分析

2.1 年際變化分析

年降水量的檢驗統(tǒng)計值|Zc|=1.44<1.64(見表1)，表明降水量在近40 a內有緩慢上升趨勢。平均每10 a降水增加23.86 mm，多年平均降水量為379.73 mm。研究區(qū)降水量在1998年之前波動較小，1998年之后波動幅度增大。2015年為年降水量增多的突變起始年。UFk曲線在1993、1995、1997、1999、2000、2001年超過臨界值曲線，降水量在這一年下降趨勢明顯。由圖1(c)可知，當n=5時，未檢測出降水量突變年份，當n=7時，在2010年統(tǒng)計值為-2.61，其絕對值大于臨界值2.18，故將2010年作為研究區(qū)降水量突變開始年。

表1 無定河濕地保護區(qū)氣象要素趨勢變化的M-K統(tǒng)計參數表

圖1 1981-2019年無定河濕地保護區(qū)降水量變化特征

研究區(qū)年均氣溫的檢驗統(tǒng)計值|Zc|=3.34>1.64，表明氣溫在近40 a內呈顯著上升趨勢。由圖2(a)可知，1996年以前年均氣溫高于多年平均氣溫的年份僅有4年，滑動曲線在多年平均氣溫曲線下方，往后氣溫僅有4年低于平均氣溫，滑動曲線基本在多年平均氣溫曲線上方。利用Mann-Kendall法檢驗出氣溫開始突變的年份為1994年，UFk曲線在1999年之后超過臨界值曲線，表明平均氣溫在該時間段內上升趨勢顯著。采用滑動t檢驗法進行平均氣溫突變點確認，在n=5時，1996、2012年統(tǒng)計值的絕對值均大于臨界值2.31，表明平均氣溫可能發(fā)生突變的年份為1996、2012年。改變子序列長度，得出平均氣溫在1996年出現上升突變。

圖2 1981-2019年無定河濕地保護區(qū)平均氣溫變化特征

相對濕度的檢驗統(tǒng)計值|Zc|=2.64>1.64，表明相對濕度在近40 a呈顯著的增大趨勢，由圖3a可知，相對濕度的變化波動較大，平均每10 a濕度增大1.12%。UFk值在2006年之后均大于0，且呈上升趨勢變化直至超過臨界值曲線，表明相對濕度在該時間段內上升趨勢顯著，根據交點位置判斷突變時間為2006年。由圖3(c)可知，當n=5時，1987、1988、2008年統(tǒng)計值向下超出臨界線，表明出現增加突變。1994年統(tǒng)計值為2.78>2.31，表明出現減少突變。當n=7時，相對濕度發(fā)生突變減小在1994年，發(fā)生突變增加在2010年。

圖3 1981-2019年無定河濕地保護區(qū)相對濕度變化特征

平均風速在近40 a內呈現顯著的減小趨勢。平均每10 a風速下降0.16 m/s，多年平均風速為2.37 m/s。由圖4(b)可知，平均風速繼1981-1985年緩慢上升，之后的一段時間直至1990年呈顯著上升趨勢，而在1990-1997年經歷了一段緩慢上升之后，至2019年平均風速呈下降趨勢。因為風是氣團之間存在溫差、出現氣壓梯度而造成的氣體流動，平均氣溫的上升在一定程度上會影響風速減弱，平均風速減弱也可能與城鎮(zhèn)化的影響有關。

圖4 1981-2019年無定河濕地保護區(qū)平均風速變化特征

2.2 逐月變化分析

由圖5可以看出，近40 a無定河濕地保護區(qū)降水量、氣溫、風速在年內呈單峰型分布，夏季7、8月是降水最集中時期；由表2可看出，9月降水量增大趨勢顯著(P<0.05)，平均每10 a增加10.46 mm；月平均氣溫峰值在7月，各月平均氣溫均逐年升高，平均每10 a升高0.07℃～0.73℃。3月和6月氣溫升高幅度明顯(P<0.01)，對形成年均氣溫以較高的速率升高有很大貢獻。相對濕度1-4、9-12月呈逐漸降低趨勢，4-9月逐漸增大，相對濕度的增大主要發(fā)生在9月和10月(P<0.01)，氣候傾向率分別為3.17%/10a、3.2%/10a。年內日照時數呈先降低再增大，而后又呈降低的變化趨勢，其中5月日照時數最大，7月和9月逐年減幅明顯(P<0.01)。研究區(qū)3-10月的平均風速逐年減小趨勢顯著(P<0.01)，8月風速減小幅度最大，平均每10 a減小0.28 m/s。

表2 無定河濕地保護區(qū)氣象要素逐月變化傾向率表

研究區(qū)降水量集中時段氣溫較高，雨熱同期現象明顯，加上冬春連旱，使得植物生長所必須的氣候環(huán)境進一步破壞，同時夏季7、8月降水多以暴雨的形式出現，在黃土高原等土質疏松的地區(qū)易引起山洪，造成水土流失，使得城市內澇災害的風險也加大。由圖5可知，日照時數越大，相對濕度越小，由于日照時間增大導致空氣中水分散失增大，從而導致濕度降低。

圖5 無定河濕地保護區(qū)氣象要素年內變化圖

3 結語

1981-2019年無定河濕地保護區(qū)氣候呈現“暖濕化”趨勢。氣溫、降水和濕度總體呈現出氣溫上升、降水增加、濕度增大的趨勢，降水量增幅明顯小于年均氣溫的增幅。平均風速具有顯著下降趨勢；平均氣溫發(fā)生突變上升的年份為1996年和2012年，降水量發(fā)生突變的年份為2010年，相對濕度突變減小發(fā)生的年份為1994年；無定河濕地保護區(qū)平均氣溫、降水量與風速在年內呈單峰型分布，雨熱同期現象明顯，夏季7、8月降水多以暴雨的形式出現。日照時數與相對濕度的年內變化趨勢相反，日照時數越大，相對濕度越小。