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标题 马海盆地近40年以来气温、降水演变规律
范文 项洋旭　娄华君　张征　刘圣　贾绍凤　代莉　娄懿珈



摘要：为研究在全球气温变暖条件下以马海盆地为代表的青藏高原北缘地区的气候变化特征，运用累积距平法、MannKendall检验法、小波分析法对马海盆地的年降水量和年平均气温时间序列变化进行了多周期分析。研究表明，1970年-2010年马海盆地年降水量基本处于稳定状态，而年均气温有升高的趋势；在2001年之前，马海盆地降水呈减少的趋势，之后降水有增多的趋势，而年均气温在1995年之前呈现下降的趋势，之后开始回升；这一地区降水量变化震荡周期主要为15 a、30 a，气温变化则以26 a为主周期；研究区降水和气温在不同的时间尺度上经历了不同的多少及冷暖的循环变化过程。对于不同的尺度周期，同一时段的降水量、气温变化会有所不同，时间尺度越小，气温、降水变化位相差异越小。
关键词：小波分析；年均气温；年降水；马海盆地
中图分类号：P333.1 文献标志码：A 文章编号：16721683（2015）06104005
Abstract：In order to investigate the climate change in the Mahai Basin of the QinghaiTibet Plateau under the conditions of global warming，the variations of annual precipitation and temperature data in the Mahai Basin were analyzed using the accumulative anomaly method，MannKendall test，and wavelet analysis.The results suggested that （1） annual precipitation is stable from 1970 to 2010 while annual temperature has an increasing trend；（2） annual precipitation has a decreasing trend before 2001 and increases after that，while annual temperature has a decreasing trend before 1995 and increases after that；（3） the primary oscillation periods of annual precipitation are 15 and 30 years while the primary oscillation period of annual temperature is 26 years；and （4） annual precipitation has different drywet cycles while annual temperature has different hotcold cycles under different time scales.The variations of precipitation and temperature are different under different time scales，and the variations are lower when the time scale is smaller.
Key words：wavelet analysis；annual average temperature；annual precipitation；Mahai Basin
近年来，国内外学者对青藏高原气候变化特征做了大量的研究，认为近30年以来青藏高原地区气温上升显著，大约以0.4～0.5 ℃/a的速率升高，其降水量也在增加，青藏高原边缘地区气候变化比青藏高原腹地显著[12]。柴达木盆地位于青藏高原的北缘[3]，气候变化趋势要明显强于腹地，是青藏高原气候变化的敏感区[45]。马海盆地位于青海省海西蒙古族藏族自治州，柴达木盆地西北部（图1），其气候特征体现出柴达木盆地所特有的内陆干旱型气候特征。马海盆地西部为狭窄的谷地，与阿尔金山山前平原相通，北部及东部分别为赛什腾山、马海大坂山、土尔根大板山和达肯大坂山。
20世纪50年代，已有相关学者对降水与干旱问题以及干旱条件下降水与温度的关系等问题开展了大量研究[67]；21世纪以来，在降水时空演变规律以及与干旱的关系、降水对大气环流的影响等方面也取得了一系列的研究成果[811]。但之前学者对整个柴达木盆地大地区的气候变化特征研究较多，而缺少对马海盆地这种典型的内陆小盆地的具体研究。本文旨在检验青藏高原气候变化特征在小的典型范围是否得到验证，同时为马海盆地的生产生活、环境保护、生态治理提供决策依据。为此，本文运用累积距平法、小波分析等方法对马海盆地40年（1970年-2010年）来的年平均气温和年降水量进行时间序列分析，探讨其气候变化规律及其影响因素。
1 资料与方法
1.1 数据来源
本文使用的大柴旦、冷湖1970年-2010年降水量、年平均气温资料均来自青海省气象科学所。研究区域马海盆地为荒漠无人区，无降水气温等气象资料记录，故将大柴旦（距其78 km）与冷湖（距其80 km）气象站的气象资料用线性内插法计算得出马海盆地的降水量和气温值。
1.2 研究方法
1.2.1 小波分析计算方法
小波分析（Wavelet Analysis，WA）是在Fourier基础上发展起来的一种信号分析方法，因其方法中窗口大小固定不变而时域和频域不断变化，从而具有良好的局部化特性，被人称之为“数学放大镜”或“数学显微镜”[1217]。
在水文序列中，包含了低频和高频两个部分，其中低频部分代表了序列中的趋势，高频部分隐含了序列中周期性信息。小波分析中的多分辨分析方法（Multiresolution Analysis，MRA）把水文序列中的高频和低频部分分开从而得到水文序列中周期性和趋势性信息[18]。
小波函数的选取非常重要，目前常用的小波有Morlet小波、Daubechies正交小波、样条小波、双正交小波等，不同的小波用于水文时间序列分析，结果相差很大。通过选用不同小波分析计算，认为Morlet小波比较适合降雨、气温序列[20]。Morlet函数定义为ψ（x）=Ce-x2/2cos（5x），是高斯包络下的单频率复正弦函数[21]。复Morle小波变换下的模和实数部存在实际的意义，模的大小表示了特征时间尺度信号的强弱，实数部的正负表示了降水的多少以及气温的高低，故可以在Morlet小波图中可以看出降水、气温变化的不同时间尺度结构[2223]。
1.2.2 累积距平法
2 年降雨量演变规律分析
2.1 年降水量变化趋势分析
如图2所示，马海盆地1970年-2010年间降水变化趋势不明显（R2=0.16）。经MannKendall秩次相关检验（见表1），在a=0.05显著性水平上，降水变化无明显趋势。
图3为马海盆地在1970年-2010年降水量的累积距平，在此41年间，年降水量经历了一次较大时间尺度的变化和三次较小的时间尺度变化。总体而言，在2001年之前，此地区降水量一直处于减少状态，在2001年之后，降水量显著增加。
2.2 年降水量周期分析
图4（a）为马海盆地年降水量小波变换系数分布图，其中正数和零值用实线表示，负数用虚线表示。随着时间尺度的增大（从1到32），可以清晰地分辨出不同时间尺度震荡的小波变换部分。从上往下分析可得，年降水量存在30 a以上、10～20 a以及5～10 a以下的时间尺度。在30 a以上的时间尺度的周期中心为32 a，10～20 a时间尺度的周期中心为15a，5～10 a时间尺度的周期中心为8 a。
在30 a以上的时间尺度上，等值线未闭合，无法看到周期中心。但从图中可以看出在1970年-2010年这41年中，年均降水量经历了多-少-多-少-多的周期性变化。
在10～20 a时间尺度上，以15 a为周期中心，降水量经历了多次丰枯变化，具体分析为：1970年-1973年降水偏多；1974年-1978年降水偏少；1979年-1983年降水偏多；1984年-1988年降水偏少；1989年-1993年降水偏多；1994年-1997年降水偏少；1998年-2003年降水偏多；2004年-2007年降水偏少；2008年后等值线未闭合。
在5～10 a时间尺度上，20世纪80年代之前周期中心为9 a，1970年-1973年降水偏多；1974年-1975年降水偏少，1976年-1980年降水偏多。20世纪80年代之后周期中心为8 a，1981年-1985年降水偏少；1986年-1988年降水偏多；1989年-1992年降水偏少；1993年降水偏多；1994年-1996年降水偏少；1997年-1999年降水偏多；2000年-2002年降水偏少；2003年降水偏多；2004年-2005年降水偏少；2005年-2007年降水偏多；2008年等值线未闭合。
在小波方差图（图4（b））中，存在有三个波峰，分别对应着8 a、15 a、32 a的时间尺度。其中32 a时间尺度震荡变化强烈，为第一主周期，8 a、15 a时间尺度分别为第二、三周期。
3 年均气温演变规律
如图5所示，马海盆地从1970年-2010年间年均气温上升显著（R2=0.419），平均气温增速为0.32 ℃/a。经MannKendall秩次相关检验（见表2），在a=0.05显著性水平上，1970年-2010年间气温变化有明显上升趋势。
图6表示了马海盆地在1970年-2010年年均气温的累积距平。整体可分为两个阶段，在1995年之前，此地区气温一直处于下降的状态，而在2001年之后气温开始回升且趋势明显。
图7（a）中正值用实线表示，说明其温度偏高，负值和零值用虚线表示，说明其温度偏低。随着时间尺度的增大（从1到32），可以清晰地分辨出不同时间尺度震荡的小波变换部分。从上往下分析可得，年均降水量存在25～30 a、10～20 a以及5 a左右的时间尺度。在25～30 a的时间尺度的周期中心为28 a，10～20 a时间尺度的周期中心为15 a，5 a左右的时间尺度的周期中心为5 a。
在以25～30 a的时间尺度上以28 a为周期中心分析，此地区气温经历了低-高-低-高-低的周期性变化，其中1970年-1976年为偏冷期；1977年-1984年为偏暖期；1985年-1995年为偏冷期；1996年-2003年为偏暖期，2004年-2010年为偏冷期。
在10～20 a的时间尺度上，1985年之前是以10 a为周期中心，经历了多次的冷暖周期变化。具体分析为：1970年-1973年为偏暖期；1974年-1976年为偏冷期；1977年-1982年为偏暖期；1983年-1985年为偏冷期。在1985年之后周期中心上移，以15年为周期中心；1986年-1990年为偏暖期；1991年-1995年为偏冷期；1996年-2001年为偏暖期；2002年-2006年为偏冷期，2007年之后属于偏暖期。
在较小时间尺度上分析，以5 a为周期中心分析可以看到，1970年-2010年中气温经历了几乎一年一个周期的变化过程。
由小波方差图（图7（b））可以看出，4个波峰分别对应5 a、10 a、15 a和28 a的时间尺度，其中28 a时间尺度的震荡变化最强，为第一主周期；10 a和15 a的震荡变化大小差别不大，为第二周期；第三主周期为5 a。
4 结论
（1）经MannKendall检验，在a=0.05显著性水平上，降水变化无明显趋势，气温呈上升趋势。基于累计距平法的检验判断，马海盆地年降水量在2001年之前呈减少的趋势，而在2001年之后呈现上升的趋势。年均气温变化与降水变化类似，1995年之前气温呈下降趋势，在1995年之后气温回升。
（2）近40年以来，马海盆地年降水量变化以15 a、30 a震荡周期比较强，气温变化以15 a震荡周期比较强。
（3）时间尺度越小，气温、降水变化位相差异越小，在3 a尺度左右两者具有大致相同的位相结构，位相差不超过π/2，而在更大尺度上，位相差增大，位相结构相对复杂。对于不同的尺度周期，同一时段的降水量、气温变化会有所不同，因此只有在一定周期、一定时段内这样的分析才有意义。
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