張姚姚，劉政鑫，張思悅，徐德華，李繼彥

(太原師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院，山西 晉中 030619)

0 引言

IPCC第5次氣候變化評(píng)估報(bào)告指出，近100年來(lái)全球平均溫度不斷升高．1900—2017年全球陸地平均氣溫升高趨勢(shì)為1.00±0.06 ℃/100 a，全球平均表面溫度0.86±0.06 ℃/100 a，全國(guó)近100年氣溫上升趨勢(shì)為0.5～0.8 ℃/100 a[1]，更新的近54年和近100年全國(guó)年平均地面氣溫升高趨勢(shì)顯著分別達(dá)到0.25 ℃/10 a和0.08 ℃/10 a[2]．嚴(yán)中偉等通過(guò)研發(fā)一系列均一化的長(zhǎng)期氣溫觀測(cè)序列集，估算出近百年來(lái)中國(guó)氣候變暖趨勢(shì)遠(yuǎn)高于全球平均水平且整體氣溫呈上升趨勢(shì)大致為1.3～1.7 ℃/100 a[3]，平均氣溫最大增溫主要在東北、華北、西北和青藏高原北部．全球氣溫上升，勢(shì)將導(dǎo)致降水量的變化，全國(guó)年均降水量近40年呈不明顯減少趨勢(shì)但區(qū)域差異性明顯，華北和東南地區(qū)降水量減少，西南個(gè)別地區(qū)降水量有所增加[4-15]．

在全球氣候變暖的背景下，關(guān)于黃河流域氣候變化規(guī)律取得了諸多研究成果：從平均氣溫來(lái)看黃河流域平均氣溫呈上升趨勢(shì)，呈現(xiàn)出東高西低、南高北低的空間分布特征，其中平均最低氣溫變化對(duì)平均氣溫升高的貢獻(xiàn)率大于平均最高氣溫．黃河流域降水總體呈下降趨勢(shì)，空間上呈現(xiàn)南高北低的緯向分布特征，中游地區(qū)降水量減少明顯，近60來(lái)黃河流域中游和下游區(qū)域呈暖干化特征[16-17]．

呂梁山區(qū)位于黃河流域中游，是拱衛(wèi)黃河生態(tài)安全的重要屏障，生態(tài)系統(tǒng)脆弱[18]．呂梁山脈以西為黃土連續(xù)分布的典型黃土高原，水土流失嚴(yán)重，山脈以東黃土間斷分布,山脊一帶少量分布有草場(chǎng)資源與森林資源[19]．呂梁山區(qū)作為中國(guó)氣候敏感區(qū)之一，目前氣候變化方面的研究甚少，因此基于呂梁山區(qū)11個(gè)氣象站1957—2020年多年平均氣溫、平均最高(最低)氣溫和降水資料對(duì)呂梁山區(qū)氣候特征進(jìn)行研究，旨對(duì)呂梁山區(qū)連片貧困區(qū)合理開(kāi)發(fā)利用氣候資源提供參考．

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本文研究呂梁山區(qū)總面積約9.072萬(wàn)km2，包括呂梁山脈及周邊地理單元，包含山西、陜西的部分地區(qū)(35°33′-39°37′N，109°63′-113°13′E，圖1)．該區(qū)為溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均氣溫5～13 ℃，多年平均降水量為330～500 mm，降水季節(jié)分布不均，光熱資源豐富，雨熱同季[20]．區(qū)域內(nèi)黃河干流與汾河支流從北到南縱貫而過(guò)，地勢(shì)起伏較大，土壤貧瘠，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境脆弱.煤炭、鋁土礦、鐵礦、鉀礦等礦產(chǎn)資源豐富，草場(chǎng)資源與森林資源較少．植被垂直地帶性和緯度地帶性特征明顯，優(yōu)勢(shì)樹種包括油松(Pinustabulaeformis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、白皮松(Pinusbungeana)、華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtiiMayr.)、云杉林(PiceaasperataMast)、遼東櫟(Quercuswutaishanica)、白樺(Betulaplatyphylla)、楊樹(Populusspecies)等[21-23]．

圖1 呂梁山區(qū)氣象站點(diǎn)分布

1.2 數(shù)據(jù)來(lái)源

所使用數(shù)據(jù)均來(lái)自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心(http:∥data.cma.cn/)．對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行空間匹配與異常值剔除，最終選取呂梁山區(qū)11個(gè)氣象站點(diǎn)(河曲、五寨、興縣、原平、侯馬、介休、隰縣、臨汾、太原、呂梁、綏德)作為本文研究對(duì)象，其中山西境內(nèi)10個(gè)，陜西境內(nèi)1個(gè)．時(shí)段選擇1957—2020年，研究氣候要素有平均氣溫、平均最高(最低)氣溫和平均降水量．

1.3 研究方法

運(yùn)用滑動(dòng)平均和線性傾向評(píng)估法對(duì)1957—2020年的平均氣溫、年平均最高(最低)氣溫和年累計(jì)降水量進(jìn)行5a滑動(dòng)平均值計(jì)算，得出滑動(dòng)平均數(shù)據(jù)，然后分析其線性變化趨勢(shì)和變化幅度并對(duì)趨勢(shì)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)．利用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法分析呂梁山區(qū)氣溫和降水趨勢(shì)突變情況，確定突變時(shí)間，使用Kriging進(jìn)行空間插值得到呂梁山區(qū)氣溫與降水的空間分布格局并用Morlet連續(xù)小波分析研究呂梁山區(qū)氣溫和降水的周期性變化狀況．

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間特征分析

2.1.1 氣溫時(shí)間變化分析

對(duì)呂梁山區(qū)11個(gè)站點(diǎn)年平均氣溫做線性擬合以及滑動(dòng)平均看出，1957—2020年呂梁山區(qū)年平均氣溫為9.79 ℃，變化趨向率以0.30 ℃/10a呈顯著升高，5a滑動(dòng)平均曲線20世紀(jì)80年代前期上升(下降)趨勢(shì)不明顯，90年代后期顯著升高(圖2a)．相比較呂梁山區(qū)平均氣溫變暖趨勢(shì)高于全國(guó)平均氣溫變暖趨勢(shì)0.23 ℃/10a，其略低于黃河流域平均氣溫變暖趨勢(shì)0.32 ℃/10a[3]．年平均最高溫(圖2b)與年平均最低溫(圖2c)的趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)分別為0.22 ℃/10a和0.30 ℃/10a，年平均最低氣溫變化強(qiáng)度高于年平均最高溫．從5a滑動(dòng)曲線看，年平均最高溫(圖2b)整體呈上升趨勢(shì)，60年代—80年代年平均最高氣溫?zé)o明顯升高或降低，但自1995年以后升溫明顯，這與年平均氣溫變化趨勢(shì)一致，其中出現(xiàn)兩個(gè)高峰年分別為2006年、2010年．年平均最低溫(圖2c)整體呈下降趨勢(shì)，1957—1999年年平均最低氣溫呈偏低趨勢(shì)，最低值出現(xiàn)在1999年，自1999至今年近20年年平均最低溫呈偏高趨勢(shì)．根據(jù)1957—2020年氣溫M-K突變檢驗(yàn)曲線看，UF和UB統(tǒng)計(jì)量曲線交點(diǎn)在α=0.05顯著水平測(cè)限±2.00臨界值之內(nèi)，認(rèn)定該數(shù)據(jù)存在突變性．其中根據(jù)UF和UB 兩條曲線的交點(diǎn)，確定年平均氣溫(圖2d)發(fā)生突變時(shí)間為1995年，年平均最高氣溫(圖2e)發(fā)生兩次突變分別為1973年和1995年.

圖2 1957—2020年呂梁山區(qū)年平均氣溫(a)、年平均最高(低)氣溫(b)(c)趨勢(shì)和年平均氣溫(d)、年平均最高(低)氣溫(e)(f)M-K突變檢驗(yàn)

2.1.2 降水時(shí)間變化分析

1957—2020年呂梁山區(qū)年均累計(jì)降水為470.89 mm整體呈波動(dòng)下降趨勢(shì)(圖3a)，變化速率為6.49 mm/10 a(未通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn))下降趨勢(shì)不明顯．60年代中期前降水偏多，峰值為1964年的741.31 mm，80年代和90年代降水量相對(duì)偏少上下波動(dòng)明顯．年降水量M-K突變檢驗(yàn)曲線(圖3b)可知，1957—2020年降水量發(fā)生兩次顯著突變，突變均發(fā)生在置信區(qū)間內(nèi)，60年代后期到80年代降水量減少，從2000年開(kāi)始降水增多．

圖3 1957—2020年呂梁山區(qū)年平均降水量

2.2 空間特征分析

2.2.1 氣溫空間變化分析

1957—2020年呂梁山區(qū)氣溫空間分布如圖4，年平均溫度傾向率(圖4a)在0.19～0.42 ℃/10 a范圍內(nèi)，其中山脈東南部增溫速率較快，尤其是介休和臨汾盆地地區(qū)，而呂梁山區(qū)的北部和西部地區(qū)增溫速率較慢．區(qū)域年平均氣溫范圍在7.50～11.99 ℃之間，山區(qū)東南部年平均氣溫偏高，中部和西北部年平均氣溫偏低(圖4b)．年平均最高氣溫(圖4c)東南部臨汾和侯馬地區(qū)在36.4～38.7 ℃之間，西北部和中部在34.71～35.82 ℃之間，年平均最低溫(圖4d)北部河曲、西部綏德等區(qū)域氣溫在-29.84～-19.13 ℃，而東南部臨汾盆地地區(qū)年平均最低溫在-17.84～-15.07 ℃．

圖4 1957—2020年呂梁山區(qū)氣溫空間分布

2.2.2 降水空間變化分析

1957—2020年呂梁山區(qū)年降水量?jī)A向率(圖5a)在 -1.51～-0.04 mm/10 a之間，自南向北降水量減少速率變小，整體差異不顯著．年均累計(jì)降水量(圖5b)南部臨汾、侯馬、隰縣等地區(qū)在463.24～521.20 mm之間，北部河曲縣、五寨縣、原平、興縣等地區(qū)在416.77～456.99 mm之間，中部離石區(qū)和太原在440.37～476.52 mm之間．如果僅以降水為標(biāo)準(zhǔn)衡量氣候狀況，呂梁山區(qū)大部分區(qū)域?qū)儆诎霛駶?rùn)地區(qū)，年均降水量自南部向北部減少．

圖5 1957—2020年呂梁山區(qū)降水空間分布

3 氣溫變化的周期性

對(duì)呂梁山區(qū)近1957—2020年年平均氣溫、年平均最高溫(最低溫)以及年平均降水量進(jìn)行Morlet小波分析研究其周期性特征(圖6)可見(jiàn)，年平均氣溫(圖6a)在1970—2021年左右在4～7a和12～18a尺度內(nèi)存在高低值變化的振蕩周期，前者年代際尺度小、頻率高，存在時(shí)間為1979-2010年，后者年代際尺度大、頻率低，存在時(shí)間為1970—2010年．1973—2003年左右年平均最高溫(圖6b)在13～27a存在波數(shù)少、頻率低振蕩周期，年平均最低溫(圖6c)在13～23 a尺度內(nèi)存在波數(shù)少、頻率低振蕩周期．年平均最高(最低)氣溫在4～7a出現(xiàn)波數(shù)多、頻率高振蕩周期并存在于整個(gè)時(shí)間序列，在1990-2020年間出現(xiàn)2a頻率振蕩周期．年平均降水量(圖6d)除1977—1980年間在4～7 a無(wú)振蕩周期，其他年份在這個(gè)時(shí)間尺度內(nèi)周期振蕩波數(shù)多、頻率高，2a頻率在1967年前周期振蕩明顯，10～25a在1975—2010年存在波數(shù)少、頻率低年代際較大尺度的周期振蕩．

圖6 1957—2020年呂梁山區(qū)氣溫和降水變化小波分析

4 討論

呂梁山區(qū)以分水嶺為界可分為西部黃土丘陵溝壑區(qū)、中部山區(qū)和東部黃土丘陵區(qū)，受地形地勢(shì)、下墊面狀況影響，氣候要素在時(shí)空上分布有所差異．研究區(qū)年平均氣溫增溫速率達(dá)到0.30 ℃/10a，高于全國(guó)平均水平0.25 ℃/10a低于黃河流域平均水平0.33 ℃/10 a[16,24]．研究區(qū)年最高最低溫變化具有非對(duì)稱性，其降溫速率高于年平均最高溫增溫速率，夜間降溫趨勢(shì)明顯，白天氣溫變化較弱氣溫日較差逐漸變大，年平均氣溫升溫受年平均最低氣溫影響更為強(qiáng)烈，該研究結(jié)果與同時(shí)期黃土高原最高氣溫的增幅度大于最低氣溫，年平均氣溫升溫受年平均最高氣溫升高影響更為強(qiáng)烈結(jié)果相反，與華北平原研究結(jié)果一致．從空間上看，山區(qū)東南部和南部溫度和增溫速率高，中部和西北部較低，年平均氣溫增溫速率隨緯度升高而變大，年均降水量自南部向北部遞減，且降水量減小速率比北部地區(qū)快，即氣候暖干速率自南部向北部逐漸減慢，這與同時(shí)期同氣候區(qū)黃土高原和華北平原的空間分布一致[25-29]．呂梁山區(qū)屬于黃河流域中游地區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，研究區(qū)年平均氣溫和年降水特征與同時(shí)期黃河流域氣溫在空間上呈南高北低，時(shí)間上顯著升高，降水空間上呈南高北低緯向分布特征一致，相較于黃河流域上游整體呈暖濕化特征，呂梁山所在地中游區(qū)域整體呈暖干化特征[30-32]．

在影響因素方面，在全球氣候變暖大背景下，呂梁山區(qū)的年平均氣溫和最高氣溫呈顯著升高趨勢(shì)．呂梁山區(qū)與之對(duì)比區(qū)域降水受大氣環(huán)流影響，盧愛(ài)剛等[15,33]研究得出近半個(gè)世紀(jì)控制我國(guó)夏季降水東南季風(fēng)呈減弱趨勢(shì)，致使研究區(qū)內(nèi)年均降水下降．地形因子導(dǎo)致水熱分配在區(qū)域上的差異，研究區(qū)東南部盆地和平原地帶暖干顯著．區(qū)域氣候變化原因復(fù)雜多樣，我國(guó)中部地區(qū)氣候在時(shí)間和空間上的變化，受全球大氣環(huán)境的影響，如太平洋和北印度洋海溫、厄爾尼諾年的頻繁出現(xiàn)和太陽(yáng)活動(dòng)等，同時(shí)還與人口分布、城市化和工農(nóng)業(yè)發(fā)展相關(guān)．呂梁山區(qū)氣候暖干變化必將影響呂梁山區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展，如日較差變大一方面利于呂梁山區(qū)農(nóng)作物有機(jī)物的積累，使作物品質(zhì)提高，另一方面導(dǎo)致呂梁山區(qū)低溫凍害、高溫干旱等極端天氣出現(xiàn)頻率增加，使區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不穩(wěn)定性增加．如何科學(xué)制定適應(yīng)性對(duì)策減緩呂梁山區(qū)連片貧困，應(yīng)對(duì)氣候變化改善農(nóng)業(yè)耕作條件值得我們進(jìn)一步深入研究．

5 結(jié)論

1)呂梁山區(qū)1957—2020年近60年間增溫趨勢(shì)明顯，區(qū)域氣候趨向暖干．其增溫突變時(shí)間約為1995年，年平均氣溫升溫受年平均最低氣溫影響更為強(qiáng)烈且氣溫日較差逐漸變大．年平均降水量變化趨勢(shì)不明顯，自20世紀(jì)60年代中后期，區(qū)域由多雨期轉(zhuǎn)為少雨期，近20年來(lái)降水逐漸恢復(fù)．

2)空間上，1957—2020年呂梁山區(qū)年平均氣溫、年平均氣溫傾向率、年平均最高(最低)氣溫、平均降水量及傾向率變化有顯著的地域差異性，整體隨緯度升高而變大，區(qū)域東南部較中部、北部暖干顯著.

3)呂梁山區(qū)1957—2020年來(lái)年平均氣溫、年平均最高(最低)氣溫和年平均降水量均存在明顯周期性．各要素主要在4～7 a時(shí)間尺度上存在波數(shù)多、頻率高振蕩周期，70年代中期到90年代存在波數(shù)少、頻率低、年代際有較大尺度的周期振蕩．