王勝杰，趙國(guó)強(qiáng)，王旻燕，范學(xué)峰,,王成剛

(1.中國(guó)氣象局氣象發(fā)展與規(guī)劃院，北京 100081；2.河南省氣象局，鄭州 450003；3.國(guó)家氣象信息中心，北京 100081;4.南京信息工程大學(xué)，南京 210044)

引 言

全球氣候系統(tǒng)變暖的事實(shí)是毋庸置疑的，近百年來(lái)全球地表溫度持續(xù)升高，平均增加了0.85 ℃，氣溫普遍升高尤以北半球中高緯度地區(qū)最為明顯，氣候變化對(duì)人類和自然系統(tǒng)產(chǎn)生著廣泛影響[1-3]。過(guò)去100年中國(guó)平均地表氣溫增加1.3～1.7 ℃，與全球變化趨勢(shì)一致，且增溫幅度明顯高于全球的增溫幅度[3-4]。黃河是中國(guó)第二大內(nèi)河，發(fā)源于青藏高原巴顏喀拉山北麓的約古宗列盆地，自西向東流經(jīng)青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個(gè)省(區(qū))。黃河流域在中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和生態(tài)安全等方面具有重要的戰(zhàn)略地位[5]，是中國(guó)重要的農(nóng)業(yè)和能源基地[6]，保護(hù)黃河是事關(guān)中華民族偉大復(fù)興和永續(xù)發(fā)展的千秋大計(jì)[7]。黃河流域橫跨青藏高原、內(nèi)蒙古高原、黃土高原和華北平原等4個(gè)地貌單元，地勢(shì)西高東低，形成三級(jí)階梯，氣候類型復(fù)雜多樣，從高原濕潤(rùn)區(qū)逐步向荒漠干旱區(qū)、溫帶半濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡[8]，區(qū)域氣候特征鮮明。

在全球氣候變化背景下，黃河流域氣候資源也發(fā)生了改變。前人研究結(jié)果表明，近50年來(lái)黃河流域氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，冬季的增幅最大[9]，年降水量和年降雨日數(shù)均呈下降趨勢(shì)，特別是秋季的減少最為顯著[9-10]，參考作物蒸散量呈顯著增加的趨勢(shì)[11]。整體而言，冬季全流域出現(xiàn)暖濕化趨勢(shì)，春季上游呈暖濕化趨勢(shì)，而秋季中游為暖干化趨勢(shì)[9]。1960-2000年，黃河流域太陽(yáng)總輻射和日照百分率呈下降趨勢(shì)，尤以夏季和冬季的下降趨勢(shì)明顯[12-13]。與此同時(shí)，黃河流域極端天氣氣候事件頻發(fā)，水資源、生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也受到了氣候變化影響[14-19]。全流域極端氣溫指數(shù)均呈上升趨勢(shì)[14]，極端降水量級(jí)存在顯著變異特征，且極端降水頻率增加[15]；徑流量明顯減少，中游和下游徑流顯著下降[16-17]；植被覆蓋呈現(xiàn)整體緩慢升高、局部退化趨勢(shì)；荒漠化擴(kuò)展態(tài)勢(shì)得到遏制，但總體形勢(shì)依然嚴(yán)峻[18]；作物生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，一年一熟區(qū)和一年兩熟區(qū)邊界向北擴(kuò)張[19]。前人對(duì)黃河流域氣候變化的研究多集中在全流域、黃土高原等局部地區(qū)或沿黃行政區(qū)域，側(cè)重于對(duì)溫度、降水、徑流等變化特征的探討[20-23]，且以季節(jié)特征分析居多，少有對(duì)不同氣候基準(zhǔn)期黃河流域及上、中、下游氣候變化特征的系統(tǒng)分析，大多未兼顧光照變化。在前人研究的基礎(chǔ)上，基于不同氣候基準(zhǔn)期及黃河流域上、中、下游區(qū)劃，在了解黃河流域氣候變化概況的同時(shí)，分析探究不同時(shí)段的氣候變化時(shí)空特征。本研究基于1961-2020年黃河流域氣象臺(tái)站的地面觀測(cè)資料，明確近60年來(lái)全流域及上、中、下游不同地區(qū)平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫等溫度要素，降水量和降水日數(shù)等降水要素，日照時(shí)數(shù)和太陽(yáng)輻射等光照要素的時(shí)空分布特征，并將1961-2020年劃分為4個(gè)氣候基準(zhǔn)期(1961-1990年為時(shí)段Ⅰ、1971-2000年為時(shí)段Ⅱ、1981-2010年為時(shí)段Ⅲ、1991-2020年為時(shí)段Ⅳ)，分析不同氣候基準(zhǔn)期氣候要素空間分布特征和時(shí)間演變趨勢(shì)，以直觀反映氣候變化對(duì)黃河流域全區(qū)及上、中、下游地區(qū)的影響，旨在為該區(qū)域積極應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氣候變化，推進(jìn)黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

研究區(qū)域?yàn)辄S河流域(95°53′-119°05′E、32°10′-41°50′N)，涉及青海、四川、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、山東9個(gè)省(區(qū))。氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，包括研究區(qū)域內(nèi)72個(gè)氣象站點(diǎn)1961-2020年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫、降水量、平均相對(duì)濕度、平均氣壓、日照時(shí)數(shù)和風(fēng)速等觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布如圖1所示。

圖1 研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布

1.2 研究方法

1.2.1 太陽(yáng)輻射

本文采用?ngstr?m公式計(jì)算太陽(yáng)輻射[24-25]：

(1)

式中，RS為太陽(yáng)輻射(MJ·m-2·d-1)；Ra為晴空太陽(yáng)輻射(MJ·m-2·d-1)；N為最大天文日照時(shí)數(shù)(h)；n為實(shí)際日照時(shí)數(shù)(h)；a和b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，隨大氣狀況(濕度、塵埃)和太陽(yáng)傾角(緯度和月份)而變化，推薦使用a=0.25，b=0.50[26-27]。

1.2.2 氣候傾向率

本文采用最小二乘法[28]計(jì)算氣候傾向率，用xi表示樣本量為n的氣候變化量，用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立xi與ti的一元線性回歸方程：

(2)

式中，a′為回歸系數(shù)，b′為回歸常數(shù)。以a′的10倍作為氣候傾向率，表示氣候要素每10年的變化趨勢(shì)，其中正值表示增加趨勢(shì)，負(fù)值表示減少趨勢(shì)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述方法計(jì)算出72個(gè)氣象站點(diǎn)的氣候要素各個(gè)指標(biāo)后，運(yùn)用ArcGIS的IDW(反距離權(quán)重法)插值方法對(duì)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間表達(dá)。本文設(shè)定的Cell size參數(shù)均為0.002，生成空間柵格數(shù)據(jù)，獲得空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征

2.1.1 年平均氣溫

研究期間，黃河流域年平均氣溫平均為8.0 ℃，空間上呈現(xiàn)東高西低、南高北低的分布特征(圖2a)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年平均氣溫分別為5.5、10.4和14.4 ℃。其中，年平均氣溫高值區(qū)集中在黃河流域中游東部及下游地區(qū)，包括陜西武功、寶雞，山西運(yùn)城、流域河南段及山東段等地區(qū)，均高于12.0 ℃；低值區(qū)集中在黃河流域源區(qū)，年平均氣溫均低于0.0 ℃。1961-2020年，黃河流域年平均氣溫的氣候傾向率為0.33 ℃·10a-1，變化趨勢(shì)極顯著(P<0.01)。黃河流域上、中、下游地區(qū)的年平均氣溫氣候傾向率分別為0.36、0.28和0.30 ℃·10a-1。

比較不同氣候基準(zhǔn)期年平均氣溫可知，4個(gè)氣候基準(zhǔn)期年平均氣溫逐漸增加，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年平均氣溫平均值分別為7.4、7.7、8.1 和8.5 ℃(表1)。如圖2(a)所示，4個(gè)時(shí)段年平均氣溫分別為-4.1～14.5 ℃、-3.8～14.8 ℃、-3.3～14.9 ℃和-2.8～15.5 ℃，最高值差距為0.1～1.0 ℃，最低值差距為0.3～1.3 ℃。時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ年平均氣溫最高值均出現(xiàn)在山東濟(jì)南，時(shí)段Ⅳ的最高值出現(xiàn)在河南鄭州，而4個(gè)時(shí)段的最低值均出現(xiàn)在青?，敹?。從時(shí)間變化看(表1)，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年平均氣溫氣候傾向率分別為0.12、0.36、0.54和0.38 ℃·10a-1，其中，時(shí)段Ⅲ升溫趨勢(shì)最為顯著，時(shí)段Ⅰ升溫趨勢(shì)最緩。4個(gè)時(shí)段大部分地區(qū)年平均氣溫均呈增加趨勢(shì)，時(shí)段Ⅱ-Ⅳ有97%以上的站點(diǎn)呈升溫趨勢(shì)，時(shí)段Ⅰ相對(duì)較少，為81%。

2.1.2 年平均最高氣溫

研究期間，黃河流域年平均最高氣溫平均為14.9 ℃，空間上呈現(xiàn)東高西低、南高北低的分布特征(圖2b)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年平均最高氣溫分別為12.9、16.8和19.9 ℃(表1)。其中，平均最高氣溫高值區(qū)集中在黃河流域中游東部及下游地區(qū)，包括陜西武功，山西臨汾、運(yùn)城，黃河流域河南段及山東段等地區(qū)，均高于19.0 ℃；低值區(qū)集中在黃河流域源區(qū)，均低于8.0 ℃。1961-2020年，黃河流域年平均最高氣溫的氣候傾向率為0.31 ℃·10a-1，變化趨勢(shì)極顯著(P<0.01)。黃河流域上、中、下游地區(qū)的年平均最高氣溫氣候傾向率分別為0.32、0.31和0.18 ℃·10a-1，均呈極顯著增溫趨勢(shì)(P<0.01)。

比較不同氣候基準(zhǔn)期年平均最高氣溫可知，4個(gè)氣候基準(zhǔn)期年平均最高氣溫逐漸增加，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年平均最高氣溫平均值分別為14.3、14.6、14.9和15.4 ℃(表1)。如圖2(b)所示，4個(gè)時(shí)段年平均最高氣溫分別為3.5～20.1 ℃、3.5～20.2 ℃、5.0～20.4 ℃、5.4～20.8 ℃。4個(gè)時(shí)段的年平均最高氣溫最高值均出現(xiàn)在河南鄭州，最低值均出現(xiàn)在青?，敹唷臅r(shí)間變化看(表1)，4個(gè)時(shí)段年平均最高氣溫的氣候傾向率差異較大，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分別為0.03、0.37、0.59和0.35 ℃·10a-1。其中，時(shí)段Ⅱ-Ⅳ總體呈極顯著增加的趨勢(shì)(P<0.01)，而時(shí)段Ⅰ升溫較為緩慢。4個(gè)時(shí)段中，時(shí)段Ⅲ呈升溫趨勢(shì)的站點(diǎn)最多，全部站點(diǎn)均呈升溫趨勢(shì)，而時(shí)段Ⅰ僅有一半的站點(diǎn)呈升溫趨勢(shì)。

2.1.3 年平均最低氣溫

研究期間，黃河流域年平均最低氣溫平均為2.4 ℃，空間上呈現(xiàn)東高西低、南高北低的分布特征(圖2c)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年平均最低氣溫分別為-0.4、5.1和9.7 ℃(表1)。其中，平均最低氣溫高值區(qū)集中在黃河流域中游東部及下游地區(qū)，包括陜西武功、寶雞，山西運(yùn)城，黃河流域河南段及山東段等地區(qū)，均高于8.0 ℃；低值區(qū)集中在黃河流域源區(qū)，均低于-4.0 ℃。1961-2020年，黃河流域年平均最低氣溫的氣候傾向率為0.39 ℃·10a-1，變化趨勢(shì)極顯著(P<0.01)。黃河流域上、中、下游地區(qū)的年平均最低氣溫的氣候傾向率分別為0.44、0.31和0.42 ℃·10a-1，均呈極顯著增溫趨勢(shì)(P<0.01)。

圖2 1961-2020年黃河流域年均氣溫(a)、年均最高氣溫(b)、年均最低氣溫(c)及其氣候傾向率(E)分布

表1 1961-2020年黃河流域上、中、下游氣候變化特征

比較不同氣候基準(zhǔn)期年平均最低氣溫可知，4個(gè)氣候基準(zhǔn)期年平均最低氣溫逐漸增加，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年平均最低氣溫平均值分別為1.8、2.1、2.5和3.0 ℃(表1)。如圖2(c)所示，4個(gè)時(shí)段年平均最低氣溫分別為-10.1～10.2 ℃、-9.7～10.6 ℃、-9.0～10.7 ℃和-8.5～11.0 ℃。時(shí)段Ⅰ-Ⅲ的年平均最低氣溫最高值均出現(xiàn)在山東濟(jì)南，時(shí)段Ⅳ的最高值出現(xiàn)在河南開(kāi)封，最低值均出現(xiàn)在青?，敹?。4個(gè)時(shí)段平均最低氣溫最高值和最低值差異不大。從時(shí)間變化看(表1)，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年平均最低氣溫氣候傾向率分別為0.23、0.36、0.56和0.49 ℃·10a-1，4個(gè)時(shí)段均呈極顯著增加的趨勢(shì)(P<0.01)。4個(gè)時(shí)段中，時(shí)段Ⅲ呈升溫趨勢(shì)的站點(diǎn)最多，除青海西寧、寧夏鹽池站點(diǎn)外，其他站點(diǎn)均呈升溫趨勢(shì)；時(shí)段Ⅰ的相對(duì)最少，有85%的站點(diǎn)呈升溫趨勢(shì)。

2.2 降水變化特征

2.2.1 年降水量

研究期間，黃河流域年降水量平均為458 mm，空間上呈現(xiàn)為南高北低的緯向分布特征(圖3a)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年降水量分別為379、535和664 mm(表1)。其中，降水量高值區(qū)位于黃河流域上游若爾蓋地區(qū)、中游欒川等地及下游華北平原，均高于650 mm；低值區(qū)集中在黃河流域上游地區(qū)，包括內(nèi)蒙古杭錦后旗、臨河及寧夏惠農(nóng)、陶樂(lè)等地區(qū)，均低于200 mm。1961-2020年黃河流域年降水量的氣候傾向率為-0.85 mm·10a-1，變化趨勢(shì)從西北向東南表現(xiàn)為由增加變?yōu)闇p少。黃河流域上、中、下游地區(qū)年降水量的氣候傾向率分別為2.62、-4.92和-5.02 mm·10a-1。

比較不同氣候基準(zhǔn)期年降水量可知，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年降水量平均值分別為464、445、443和452 mm(表1)。如圖3(a)所示，4個(gè)時(shí)段分別為126～879 mm、134～816 mm、137～848 mm和144～811 mm，與時(shí)段Ⅰ相比，時(shí)段Ⅱ的年降水量最高值減少了63 mm，最低值增加了8 mm；與時(shí)段Ⅱ相比，時(shí)段Ⅲ的年降水量最高值增加了32 mm，最低值增加了3 mm；與時(shí)段Ⅲ相比，時(shí)段Ⅳ的年降水量最高值減少了37 mm，最低值增加了7 mm。其中，時(shí)段Ⅰ的年降水量最高值出現(xiàn)在陜西華山，時(shí)段Ⅱ-Ⅳ的年降水量最高值均出現(xiàn)在河南欒川；4個(gè)時(shí)段的年降水量最低值均出現(xiàn)在內(nèi)蒙古杭錦后旗。從時(shí)間變化看(表1)，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年降水量氣候傾向率分別為-11.75、-12.25、-5.15和27.79 mm·10a-1。其中，時(shí)段Ⅳ呈顯著增加趨勢(shì)，其他3個(gè)時(shí)段呈減少趨勢(shì)。時(shí)段Ⅰ-Ⅲ均有60%以上的站點(diǎn)年降水量呈減少趨勢(shì)，時(shí)段Ⅳ僅有9%的站點(diǎn)年降水量呈減少趨勢(shì)，大部分站點(diǎn)呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢(shì)。

2.2.2 年降水日數(shù)

研究期間，黃河流域年降水日數(shù)平均為91 天，空間上呈現(xiàn)西南高北部低的分布特征(圖3b)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年降水日數(shù)分別為94、89和78天(表1)。其中，降水日數(shù)高值區(qū)集中在黃河流域上游南部地區(qū)，包括青海達(dá)日、久治及四川若爾蓋、紅原等地，均高于140天；低值區(qū)集中在黃河流域上游西北部地區(qū)，包括內(nèi)蒙古杭錦后旗、臨河及寧夏惠農(nóng)、銀川等地，均低于50天。1961-2020年黃河流域年降水日數(shù)的氣候傾向率為-1.88 天·10a-1，變化趨勢(shì)顯著(P<0.05)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年降水日數(shù)呈極顯著(P<0.01)下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-1.19、-2.74和-2.32天·10a-1。

比較不同氣候基準(zhǔn)期年降水日數(shù)可知，4個(gè)氣候基準(zhǔn)期年降水日數(shù)逐漸減少，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年降水日數(shù)平均值分別為94、90、88和87 天(表1)。如圖3(b)所示，4個(gè)時(shí)段年降水日數(shù)分別為36～179天、35～174天、35～173和35～174 天，最高值差距為0～5天，最低值差距為0～1天。其中，時(shí)段Ⅰ和Ⅱ的年降水日數(shù)最高值出現(xiàn)在四川紅原，時(shí)段Ⅲ和Ⅳ的年降水日數(shù)最高值均出現(xiàn)在青海久治；時(shí)段Ⅰ的年降水日數(shù)最低值均出現(xiàn)在內(nèi)蒙古臨河，時(shí)段Ⅱ-Ⅳ的最低值出現(xiàn)在內(nèi)蒙古杭錦后旗。從時(shí)間變化看(表1)，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年降水日數(shù)氣候傾向率為-2.92、-4.20、-2.76和2.25天·10a-1。其中，時(shí)段Ⅱ的年降水日數(shù)呈極顯著減少趨勢(shì)，時(shí)段Ⅳ的年降水日數(shù)呈增加趨勢(shì)。時(shí)段Ⅱ和Ⅲ均有86%的站點(diǎn)年降水日數(shù)呈減少趨勢(shì)，而時(shí)段Ⅳ有86%的站點(diǎn)年降水日數(shù)呈增加趨勢(shì)。

圖3 1961-2020年黃河流域年降水量(a)、年降水日數(shù)(b)及其氣候傾向率(E)分布

2.3 光照變化特征

2.3.1 年日照時(shí)數(shù)

研究期間，黃河流域年日照時(shí)數(shù)平均為2556 h，空間上呈現(xiàn)西南高東南低的分布特征(圖4a)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年日照時(shí)數(shù)分別為2708、2390和2288 h(表1)。其中，日照時(shí)數(shù)高值區(qū)集中在黃河流域上游北部地區(qū)，包括內(nèi)蒙古烏拉特中旗、杭錦后旗、臨河、東勝及寧夏惠農(nóng)等地，均高于3000 h；低值區(qū)集中在黃河流域中下游南部地區(qū)，包括陜西寶雞、武功，甘肅天水，河南盧氏、欒川等地，均低于2100 h。1961—2020年黃河流域年日照時(shí)數(shù)的氣候傾向率為-33 h·10a-1，變化趨勢(shì)極顯著(P<0.01)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年日照時(shí)數(shù)也均呈現(xiàn)極顯著(P<0.01)下降趨勢(shì)，氣候傾向率分別為-24、-36和-101 h·10a-1。

比較不同氣候基準(zhǔn)期年日照時(shí)數(shù)可知，4個(gè)氣候基準(zhǔn)期年日照時(shí)數(shù)逐漸減少，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的年日照時(shí)數(shù)平均值分別為2601、2569、2529和2511 h(表1)。如圖4(a)所示，4個(gè)時(shí)段年日照時(shí)數(shù)分別為1870～3213 h、1805～3216 h、1755～3211和1755～3218 h，與時(shí)段Ⅰ相比，時(shí)段Ⅱ年日照時(shí)數(shù)最高值增加了3 h，最低值減少了65 h；與時(shí)段Ⅱ相比，時(shí)段Ⅲ年日照時(shí)數(shù)最高值減少了5 h，最低值減少了50 h；與時(shí)段Ⅲ相比，時(shí)段Ⅳ年日照時(shí)數(shù)最高值增加了7 h，最低值差異較小。其中，4個(gè)時(shí)段的年日照時(shí)數(shù)最高值均出現(xiàn)在內(nèi)蒙古杭錦后旗；時(shí)段Ⅰ和Ⅱ的年日照時(shí)數(shù)最低值出現(xiàn)在陜西寶雞，時(shí)段Ⅲ和Ⅳ的最低值則出現(xiàn)在陜西武功。從時(shí)間變化看(表1)，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年日照時(shí)數(shù)氣候傾向率分別為-50、-33、-7和-37 h·10a-1。其中，時(shí)段Ⅰ和Ⅳ減少趨勢(shì)最顯著，有20%左右的站點(diǎn)年日照時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì)，時(shí)段Ⅲ的減少趨勢(shì)最緩，有54%的站點(diǎn)年日照時(shí)數(shù)呈增加趨勢(shì)。

2.3.2 年太陽(yáng)輻射

研究期間，黃河流域年太陽(yáng)輻射平均為5751 MJ·m-2，空間上呈現(xiàn)西部高東南低的分布特征(圖4b)。黃河流域上、中、下游地區(qū)年太陽(yáng)輻射分別為5896、5584和5558 MJ·m-2(表1)。其中，太陽(yáng)輻射高值區(qū)集中在黃河流域上游北部地區(qū)，包括內(nèi)蒙古臨河及寧夏同心、中寧、陶樂(lè)等地，均高于6200 MJ·m-2；低值區(qū)集中在黃河流域中、下游南部地區(qū)，包括陜西寶雞、武功及甘肅天水、河南盧氏等地，均低于5300 MJ·m-2。1961-2020年黃河流域年太陽(yáng)輻射的氣候傾向率為-39 MJ·m-2·10a-1，上、中、下游地區(qū)的分別為-27、-43和-126 MJ·m-2·10a-1，均呈現(xiàn)極顯著(P<0.01)下降趨勢(shì)。

比較不同氣候基準(zhǔn)期年太陽(yáng)輻射可知，4個(gè)氣候基準(zhǔn)期太陽(yáng)輻射逐漸減少，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ年太陽(yáng)輻射平均值分別為5801、5765、5716和5701 MJ·m-2(表1)。如圖4(b)所示，4個(gè)時(shí)段年太陽(yáng)輻射分別為5102～6348 MJ·m-2、5029～6248 MJ·m-2、4981～6275 MJ·m-2、4987～6251 MJ·m-2，與時(shí)段Ⅰ相比，時(shí)段Ⅱ年太陽(yáng)輻射最高值減少了100 MJ·m-2，最低值減少了73 MJ·m-2；與時(shí)段Ⅱ相比，時(shí)段Ⅲ年太陽(yáng)輻射最高值增加了27 MJ·m-2，最低值減少了48 MJ·m-2；與時(shí)段Ⅲ相比，時(shí)段Ⅳ年太陽(yáng)輻射最高值減少了24 MJ·m-2，最低值增加了6 MJ·m-2。其中，4個(gè)時(shí)段年太陽(yáng)輻射最高值出現(xiàn)在寧夏中部，最低值出現(xiàn)在陜西寶雞。從時(shí)間變化看(表1)，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ的年太陽(yáng)輻射氣候傾向率分別為-64、-41、-5和-45 MJ·m-2·10a-1，其中，時(shí)段Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ均有66%以上的站點(diǎn)年太陽(yáng)輻射呈增加趨勢(shì)，而時(shí)段Ⅲ僅有51%的站點(diǎn)年太陽(yáng)輻射呈增加趨勢(shì)。

圖4 1961-2020年黃河流域年日照時(shí)數(shù)(a)、年太陽(yáng)總輻射(b)及其氣候傾向率(E)分布

3 結(jié)論與討論

(1)氣候變化背景下，1961-2020年黃河流域年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫總體呈東高西低、南高北低的空間分布特征，這與黃河流域地形及緯度帶有關(guān)。從時(shí)間上看，溫度變化表現(xiàn)為極顯著的升高趨勢(shì)。年平均最高氣溫與年平均最低氣溫的變化具有不對(duì)稱性，且年平均最低氣溫變化對(duì)年平均氣溫升高的貢獻(xiàn)率更大，這與劉勤等[9]的研究結(jié)論一致。對(duì)比上、中、下游的年平均氣溫變化特征發(fā)現(xiàn)，上游的升溫趨勢(shì)最為明顯，下游的升溫相對(duì)較緩；對(duì)于年平均最高氣溫，上游的升溫趨勢(shì)最為明顯，下游的趨勢(shì)相對(duì)較緩；對(duì)于年平均最低氣溫，上游的升溫趨勢(shì)最為明顯，中游的趨勢(shì)相對(duì)較緩。對(duì)比4個(gè)氣候基準(zhǔn)期的溫度變化特征發(fā)現(xiàn)，時(shí)段Ⅳ的平均值高于前3個(gè)時(shí)段的平均值，除時(shí)段Ⅰ升溫趨勢(shì)相對(duì)緩慢外，其他3個(gè)時(shí)段均呈極顯著增加趨勢(shì)，其中時(shí)段Ⅲ升溫趨勢(shì)最顯著。

(2)1961-2020年黃河流域年降水量和年降水日數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，主要是受大氣環(huán)流變化的影響[10]。年降水量在空間上呈現(xiàn)為南高北低的緯向分布特征。以降水量作為指標(biāo)所劃分的干旱、半干旱、半濕潤(rùn)和濕潤(rùn)地區(qū)，對(duì)應(yīng)的年降水量分別為200～250 mm、250～450 mm、450～650 mm和>650 mm。據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，黃河流域大部分地區(qū)屬于半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)。上游的年降水量呈增加趨勢(shì)，中游和下游的呈減少趨勢(shì)。年降水日數(shù)在空間上呈西南高北部低的分布特征，上、中、下游地區(qū)的年降水日數(shù)均為極顯著減少趨勢(shì)，中游的減少幅度最大，上游的減少幅度最小。對(duì)比4個(gè)氣候基準(zhǔn)期的降水變化特征發(fā)現(xiàn)，時(shí)段Ⅰ的平均值高于后3個(gè)時(shí)段的平均值。從時(shí)間變化趨勢(shì)看，年降水量呈先減少后增加的趨勢(shì)，年降水日數(shù)呈逐漸減少的趨勢(shì)，其中時(shí)段Ⅳ年降水量顯著增加，時(shí)段Ⅱ和Ⅲ年降水日數(shù)顯著減少。

(3)1961-2020年黃河流域年日照時(shí)數(shù)和年太陽(yáng)輻射總體呈下降趨勢(shì)，可能是由于氣溶膠濃度增加和風(fēng)速降低等因素導(dǎo)致的，同時(shí)還受到云量、降水的影響[29-30]。年日照時(shí)數(shù)空間上呈現(xiàn)為西南高東南低的分布特征，年太陽(yáng)輻射空間上呈西部高東南低的分布特征。黃河流域下游地區(qū)的年日照時(shí)數(shù)和年太陽(yáng)輻射下降趨勢(shì)最為明顯，中游地區(qū)的下降幅度次之，上游地區(qū)的下降幅度最小。對(duì)比4個(gè)氣候基準(zhǔn)期的年日照時(shí)數(shù)和年太陽(yáng)輻射變化特征發(fā)現(xiàn)，時(shí)段Ⅰ的平均值高于后3個(gè)時(shí)段的平均值。從時(shí)間變化趨勢(shì)看，時(shí)段Ⅰ和Ⅳ年日照時(shí)數(shù)和年太陽(yáng)輻射的減少最為明顯，且呈顯著減少趨勢(shì)，而時(shí)段Ⅲ的減少趨勢(shì)較緩。

(4)近60年來(lái)黃河流域總體呈現(xiàn)暖干變暗的過(guò)程，但干濕變化特征在區(qū)域間差異較大，上游地區(qū)整體呈暖濕化特征，而中游和下游地區(qū)呈暖干化特征。對(duì)比4個(gè)氣候基準(zhǔn)期，時(shí)段Ⅰ-Ⅲ整體呈暖干變暗的過(guò)程，而時(shí)段Ⅳ表現(xiàn)為暖濕變暗的過(guò)程。由于受到條件限制，本研究未能從氣候機(jī)理和物理過(guò)程角度出發(fā)，分析探討氣候變化特征成因，需要未來(lái)深入研究分析。黃河流域熱量資源不同程度的豐富，可能使作物生長(zhǎng)季延長(zhǎng)，喜溫作物的潛在適宜種植面積增大，但同時(shí)中、下游地區(qū)降水資源呈減少趨勢(shì)，也將進(jìn)一步加劇該地區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的供需矛盾。未來(lái)氣候變化情景下，黃河流域氣溫將持續(xù)升高，降水變化具有較大的不確定性，水熱資源變化的季節(jié)分配和空間分布差異明顯[31]。因此，黃河流域應(yīng)對(duì)氣候變化，需制定并采取適應(yīng)性對(duì)策，合理配置水資源，提高水資源利用效率；加強(qiáng)上游水源涵養(yǎng)、中游荒漠化和水土流失治理、下游濕地保護(hù)，改善生態(tài)環(huán)境；培育優(yōu)良抗逆品種，優(yōu)化調(diào)整種植制度，以減少氣候變化對(duì)水資源、生態(tài)環(huán)境及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等方面的不利影響[32-33]。