ChineseAgriculturalScienceBulletin
1960—2013年甘肃省气温、降水变化特征分析
邢轶兰1，邸利2，何毅3，范莉梅1，张国忠1
2
（1甘肃农业大学林学院，兰州730070；甘肃农业大学资源环境学院，兰州730070；
3
兰州大学资源环境学院，兰州730000）
摘要：为了研究近54年来甘肃省气候变化特征，根据甘肃境内28个气象站1960—2013年温度、降水数据，利用气候趋势分析、气候突变分析及Morlet小波分析等，分析甘肃省近54年来气温、降水变化特征。结果表明：（1）近54年来甘肃省的年均温总体呈上升趋势，年均降水量的总体上呈微弱增加趋势。（2）甘肃省中部地区处于暖湿化过程，而南部地区处于暖干化过程，北部地区仍然处于干旱化。（3）年均温在1994年前后出现明显的突变点，年均降水量正反序列曲线均未超过95%置信度线，但正反序列曲线在置信度区间内存在1个交叉点，出现在1993—1994年之间，有可能在1993—1994年发生突变；（4）Morlet小波分析显示，甘肃省年均温存在8年左右的显著变化周期，年均降水量的周期性较差。关键字：气候变化；突变点；小波分析；甘肃省中图分类号：P423.3+4，P426.63+3
文献标志码：A
论文编号：casb15030199
VariationCharacteristicsAnalysisofTemperatureandPrecipitationin
XingYilan1,DiLi2,HeYi3,FanLimei1,ZhangGuozhong1
GansuProvincefrom1960to2013
2
CollegeofResourcesandEnvironment,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070;
3
(1CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou730070;
CollegeofResourcesandEnvironment,LanzhouUniversity,Lanzhou730000)
Abstract:ThepaperaimstostudyclimatechangeofGansuProvinceinthepast54years.Basedonthetemperatureandprecipitationdataof28meteorologicalstationswhichweredistributedinGansuProvincefrom1960to2013,generalcharacteristicsoftemperatureandprecipitationvariationswereanalyzedwithrateof
lineartendencyanalysis,Mann-KendallbreakdetectorandMorletwaveletanalysismethods.Theresultspast54years,andtheincreaseofaverageannualprecipitationwasinsignificant;(2)fromspatialdistributiondisplay,thecentralregionsofGansuProvincewasbecomingwarmerandwetterinrecentdecades,whilethemutationofaverageannualtemperaturewasobviousaround1994,theaverageannualprecipitationcurveofthepositiveandnegativesequencedidnotexceedthe95%confidencelevelline,buttherewasanintersectionofaverageannualprecipitationwaspoor.
showedthat:(1)anincreasingtrendofaverageannualtemperatureobviouslyexistedinGansuProvinceinthesouthernregionswasinawarminganddryingprocess,andthenorthernregionswasstillindrought;(3)thewhichappearedbetween1993and1994,probablythemutationpoint;(4)resultsofMorletwaveletanalysisKeywords:climatechange;mutationpoint;waveletanalysis;GansuProvince
showedthataverageannualtemperaturehadasignificantchangeperiodofabout8years,whiletheperiodicity
基金项目：国家自然科学基金“陇东黄土高原刺槐林林分结构对侵蚀控制及生态耗水影响研究”(41461112)。
第一作者简介：邢轶兰，女，1990年出生，甘肃天水人，在读硕士，研究方向：水土保持与荒漠化防治。通信地址：730070甘肃省兰州市营门村1号甘肃农业大学林学院，E-mail：1034119378@qq.com。
通讯作者：邸利，女，1961年出生，甘肃兰州人，教授，本科，研究方向：恢复生态学。通信地址：730070甘肃省兰州市营门村1号甘肃农业大学资源与环境学院，E-mail：dili@gsau.edu.cn。
收稿日期：2015-03-24，修稿日期：2015-05-14。
·176·0引言
中国农学通报http://www.casb.org.cn
冯彩琴等[15]分析了陕南地区近47年来气温、降水变化特征分析；贾文雄等[16]研究了祁连山及河西走廊气候变化的时空分布特征；王银花等[17]分析了景泰县近50年来气温、降水变化特征分析；孙润等[18]对定西市近47年气温、降水变化特征进行了分析。为了更加深入地分析甘肃省的气候变化，笔者根据近50年来的气候观测数据，通过气候趋势分析、M-K检验和Morlet小波分析方法对甘肃省年均温、降水量的多时间尺度，以及气温和降水量的季节变化进行了分析，以期为认识和揭示本区域的气候变化特征提供研究依据。1材料与方法1.1数据来源
气象数据由中国气象科学数据共享服务网提供(http://cdc.cma.gov.cn)，选取分布在甘肃的28个气象站（见图1）1960—2013年月值平均气温、降水资料研究甘肃省气候的变化特征。时段划分：年统计按照每年的1—12月之和，四季资料以3、4、5月为春季，6、7、8月为夏季，9、10、11月为秋季，12月至次年1、2月为冬季来统计。
气候变化问题是21世纪各国可持续发展中面临的重大挑战[1-3]，也是人地关系研究中的重要前沿领域[4]。气候变化对人类的生存环境产生了直接和间接的影响[5]，引起了世界各国的广泛关注，国内外学者对此做了大量的研究探索[6-8]。气候变暖是最近100年以来气候变化方面最显著的特征，IPCC在第四次评估报告中指出，最近100年（1906—2005年）全球平均地表温度上升了0.56~0.92℃，已引起了全社会的高度重视[9]。中国也有研究表明，在1951—1900年期间年平均温度升高了0.3℃，并且这种趋势仍在继续[10-11]。降水与气温是气候的重要因素，研究气温和降水变化规律与空间分布，对促进区域经济可持续发展，合理规划水资源利用有重要意义[12]。
由于甘肃省地处中国西部地区，属于黄土、青藏和蒙古三大高原交汇地带。省内地形复杂，从东南到西北包括了北亚热带湿润区到高寒区、干旱区的各种气候类型，因此对该地区的气候分析具有典型意义[13-14]。目前，对甘肃省气温和降水的变化研究还相对较少，如
图1甘肃28个气象站分布图
1.2处理方法
1.2.1数据分析和处理采用回归分析揭示甘肃气候变化规律；运用ArcGIS10和Origin8.1绘制甘肃省各站点分布简图及平均气温降水变化图。采用一元回归线性趋势的方法，绘制出年际变化曲线、气候倾向率曲线图，运用Matlab程序实现突变点及周期分布图。1.2.2气候倾向率气象要素y的长期变化趋势采用线性回归方程来描述，计算见公式(1)。
yi=a+bti…………………………………………(1)式中：t为年份序列号(i=1,2,…,n)；a为回归常数，b为回归系数。回归系数b的符号表示气候变量x的趋势倾向。当b＞0时，说明随时间t的增加，x呈上升趋
势；当b＜0时，说明随时间t的增加，x呈下降趋势。b值表示上升或下降的倾向程度。
1.2.3气候要素变化趋势的显著性检验及突变检测采用Mann-Kendall(M-K)法研究气温和降水量变化趋势的显著性及突变情况[19]，见公式(2)。
Zc=τ/σ2r
4Pτ=
n(n-1)-1…………………………………(2)2(2n+5)σ2=r
9n(n-1)式中：Zc为秩相关系数；τ为检验统计变量；P为数
据序列所有对偶观测值(Rj,Ri,j＜i)中Rj＜Ri出现的次
邢轶兰等：1960—2013年甘肃省气温、降水变化特征分析
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数；n为序列长度；σr2为方差。
在M-K检验中，若统计量|Zc|≤Z(1-α/2)，则认为序列没有显著趋势；当Zc＜Z(1-α/2)时，表明序列有显著下降趋势；当Zc＞Z(1-α/2)时，表明序列有显著上升趋势。α表示显著性水平，当α=0.05时，Z(1-α/2)=1.96。M-K突变检验中，在正序列曲线超过临界值置信线的前提下，若正序列和反序列2个统计量序列仅有1个明显的交叉点，且位于置信线之间，则表明该交叉点为突变点，且在统计上显著；若交叉点位于置信线之外，或者是存在多个明显的交叉点，则不确定是否为突变点。
1.2.4小波分析小波分析是一种时、频多分辨率分析方法，是时间和频率的区域变换，能有效地从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化。用来做小波变换的小波有好几种，本研究简单采用Morlet能谱小波函数，具体见公式(3)。
2
Ψ(t)=e-2πitexpé-(2πkΦ)|t|2ù…………………(3)
ëû
小波变换系数，见公式(4)。
的共轭函数[20]。2结果与分析
2.1甘肃省年际气温、降水变化特征
由图2a~c可知，1960—2013年期间，年均温、年均最高温的最大值均出现在1998年，最小值均在1967年，而年均最低温的最大值发生在2007年，最小值在1976年。年际尺度上甘肃省的年平均气温(Tmean)、年平均最高气温(Tmax)和年平均最低气温(Tmin)总体上均呈增温趋势，增温幅度分别为0.24、0.21和0.27℃/10a，总体表现为Tmin＞Tmean＞Tmax。分时段分析，1998—2013期间，甘肃省年均温、年均最高温和年均最低温均呈大幅度降温趋势，尤其是年均最高温降幅最明显，达到0.68℃/10a。由图2d可知，1960—2013年，甘肃省年降水量的变化趋势不如气温变化趋势明显，总体上来看呈微弱减小趋势，减幅仅为0.28mm/10a。总体来看年均降水量波动性频繁，规律性较差。
从春、夏、秋、冬各季节年均温的变化趋势来看（见图3），甘肃省春夏秋冬四季的年递增率分别为0.20、0.21、0.22、0.26℃/10a。四季的年递增率表现出冬季最大，春季最小；春夏秋冬均温变化趋势与年序列相似。
１７１６ 年均最高温 倾向趋势线（1960-2013） 倾向趋势线（1998-2013）ｙ＝０．０２０６３ｔ－２６．４７０６９２ Ｒ＝ ０．２３８９５ （１９６０－２０１３）ξ(t′,a)=a
-12 f(t)是时间序列，Ψ*是Ψξ(t',a)ξ(t′,a)是小波系数，
１０９年均温温//？年均℃ t-töç÷dt∫f(t)ψæ
èaø
∗
′
…………………(4)
年均最高温/℃年均最高温／？８７６ 年均温 倾向趋势线（1960-2013） 倾向趋势线（1998-2013）ｙ＝０．０２４１２ｔ－４０．５７２０６２ Ｒ＝ ０．４０３２ （１９６０－２０１３）ab５１９６０ａｙ＝－０．０３２２ｔ－７２．５４３３８２ Ｒ＝ ０．１７８０６ （１９９８－２０１３）１９７０１９８０１９９０年份 １４１３ｂ２０００２０１０１９６０１９７０ ３．０２．５ c１９８０１９９０年份 ｙ＝－０．０６８３９ｔ＋１５２．２６９５４２ Ｒ＝ ０．４３１６８ （１９９８－２０１３）２０００２０１０年均最低温度/？年均最低温/℃１．５１．００．５量/年均降降水水量/？℃２．０ ０．０１９６０ｃ１９７０１９８０１９９０年份ｙ＝－０．０２９８４ｔ＋６１．９８６６３２ Ｒ＝ ０．１１８６５ （１９９８－２０１３）２０００２０１０２００１５０ｄ１９６０１９７０１９８０１９９０年份ｙ＝－０．０２８２２ｔ＋８１．１１８２ Ｒ＝ ０．０２２２ （１９６０－２０１３）２０００２０１０图2甘肃省温度降水年际变化特征
年均最低温 倾向趋势线（1960-2013） 倾向趋势线（1998-2013）ｙ＝０．０２６８４ｔ－５１．８７８０４２ Ｒ＝ ０．５０５５ （１９６０－２０１３）４００３５０３００２５０ 年均降水量 倾向趋势线（1960-2013） 倾向趋势线（1998-2013）ｙ＝－０．０６１６３ｔ＋３７．０１３２ Ｒ＝ ０．０７１３ （１９９８－２０１３）d １５·178·
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１１．０１０．５１０．０９．５ 春季均温 倾向趋势线２１．０２０．５２０．０１９．５１９．０１８．５１８．０１７．５１９６０ 夏季均温 倾向趋势线均温/均温/？℃８．５８．０７．５７．０６．５１９６０１９７０１９８０１９９０年份？？ 均温/℃均温/？ ｙ＝０．０２０２８ｔ－３１．６１８４１２ Ｒ＝０．１４８２４２０００２０１０１９７０ ９．５９．０８．５８．０７．０６．５６．０５．５１９６０ １９８０１９９０年份年份 ｙ＝０．０２０９８ｔ－２２．３５０３３２ Ｒ＝０．２２８２９２０００２０１０ 秋季均温 倾向趋势线－３－４－５ 冬季均温 倾向趋势线均温/均温/？℃均温/？均温/℃ －７－８－９１９６０１９７０１９８０１９９０年份？？ｙ＝０．０２５６８ｔ－５６．８７２４１２ Ｒ＝０．１２００２２０００２０１０１９７０１９８０１９９０年份ｙ＝０．０２１７７ｔ－３５．９２３８７２ Ｒ＝０．２０２３８ ２０００２０１０图3甘肃省年均气温各季节变化特征
2.2甘肃省气温、降水变化空间分布特征
1960—2013年甘肃省大部分站点气温呈增加趋势（见图4），但增温幅度不一致，靠近柴达木盆地的地区、中部地区、甘南、平凉和庆阳一带增温快，敦煌和玉门关一带、河西走廊中部、陇南增温慢，表现出区域性差异性；不管是增温快慢，最近几年甘肃省都处在温暖期。总体而言，气温增幅最大的台站主要集中在高海拔区，增加幅度表现为中部地区最快。从降水
量的增减来看（见图5），表现出中部地区增加最快，而南部地区最近几十年一直减少，降水量处于偏少阶段。综上所述，甘肃省近几十年中部地区处于暖湿化过程，而南部地区处于暖干化过程，北部地区仍然处于干旱化。
2.3甘肃省气温、降水突变特征
通过M-K方法对甘肃省年均温和降水量的趋势进一步分析表明：甘肃省气温反序列在1975年之前出
图4甘肃省气温变化幅度空间分布
７．５－６ ９．０邢轶兰等：1960—2013年甘肃省气温、降水变化特征分析
·179·
图5甘肃省降水量变化幅度空间分布
现2次波动，1975年之后才开始降低，正序列在1990年之前出现几次波动，之后才呈持续上升（见图6）。M-K统计量UFk的平均值未达到α=0.05的显著水平；甘肃省的统计量UFk的平均值在1994年出现拐点，同线性回归分析得出的结论一致。突变点年份出现在1994年，此结果与全国范围平均得到的突变点年限为1969年的结论不一致，说明温度的区域空间分异明
显。降水量M-K突变检测显示（见图7），正反序列曲线均没有超过95%置信度线，但正反序列曲线在置信度区间内存在1个交叉点（见图7），出现在1993—1994年之间，表明在1993—1994年可能有突变发生。2.4甘肃省气温、降水周期性特征
采用Morlet小波对甘肃省1960—2013年年均温、降水量的多时间尺度进行了分析。图8~9为小波变换
３２１０－１－２１９６０１９７０１９８０ 正序列 反序列统计量１９９０年份？？２０００２０１０上下2条虚直线为α=0.05显著性水平临界值信度线，下同
图6甘肃省1960—2013年间年均温M-K趋势变化过程
２ 正序列 反序列１统计量０－１－２１９６０１９７０１９８０１９９０年份２０００２０１０图7甘肃省1960—2013年间年均降水量M-K趋势变化过程
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同时段各时间尺度的信号强弱分布，其中贯穿于整个时间域8年左右的尺度信号最强，周期变化较为明显，且连续性强；其次是4年尺度信号；其余则较弱。这表明甘肃省年均温在8年时间尺度范围内存在比较明显的周期变化。由图9可知，甘肃省降水量演变存在着3年、6年和18年左右的周期变化规律，但降水量的演变时域上的连续性较差。
系数实部在时-频域的分布图。由图8可知，甘肃省年均温演变均存在着8年明显周期变化规律，并且有小于4年的周期变化较差的特点。在8年左右的尺度上，周期变化具有较好的连续性，经历了4次温度增大、减小的交替时期；而在18年左右的尺度上，年均温的演变时域上的连续性较差，经历2次比较明显的一个正值区和一个负值区组成的准一次振荡。还可以看出不
图8甘肃省年均温Morlet小波变换小波系数实部的时频分布
图9甘肃省年均降水量Morlet小波变换小波系数实部的时频分布
3结论
（1）通过趋势分析，甘肃省的年均温呈显著上升趋势，不同温度指标显示结果不一致，总体表现为年均最低温度(Tmin)＞年平均温度(Tmean)＞年均最高温度(Tmax)。气温升高的年内变化显著。四季的年递增率表现出冬季最为显著，春季最不明显。M-K突变检测显示，年均温在1994年发生突变。
（2）甘肃省靠近柴达木盆地的地区、中部地区、甘南、平凉和庆阳一带增温快，敦煌和玉门关一带、河西走廊中部、陇南增温慢，表现出区域性差异性；总体而言，甘肃省近几十年中部地区处于暖湿化过程，而南部
地区处于暖干化过程，北部地区仍然处于干旱化。
（3）甘肃省年均降水量的变化趋势不如气温变化趋势明显，总体上呈微弱增加趋势，M-K突变检测显示，正反序列曲线均没有超过95%置信度线，但正反序列曲线在置信度区间内存在1个交叉点出现在1993—1994年之间。
（4）Morlet小波分析显示，甘肃省年均温存在4年和8年的周期，但8年周期连续性强，周期明显。年均降水量存在3年和6年的周期变化规律，但是周期性较差。4讨论
（1）甘肃省地处黄土、青藏和蒙古三大高原交汇地
邢轶兰等：1960—2013年甘肃省气温、降水变化特征分析
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带，省内地形复杂，从东南到西北包括了北亚热带湿润区到高寒区、干旱区的各种气候类型，降水与气温是气候的重要因素，研究气温和降水变化规律与空间分布，对促进区域经济可持续发展，合理规划水资源利用有重要意义。但甘肃降水和气温南北差异及季节差异明显，因此必须根据各地实际情况，科学布局、合理利用。
（2）本研究详细揭露了甘肃省气温、降水变化特征，对甘肃省气温、降水的变化规律有可比较明确的认识。然而气温、降水的变化是多种因素共同影响的结果，各影响要素间相互依存、相互制约，更明确气温、降水的变化原因还有待今后进一步的研究。
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