Vol.39 No.1Jan. 2021
第39卷第1期2021 年 01 月干旱地区农业研究
Agricultural Research in the Arid Areas 文章编号：1000-7601(2021)01-0200-07 doi ：10.7606/j.issn.l000-7601.2021.01.26
近45年来甘肃省雨养农业区
气候变化的时空特征
卓玛草打李广1，马维伟1，王钧2，刘强2
(1.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州730070；2.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃兰州730070)
摘要：为了探索影响雨养农业区农业生产的关键气象要素一气温和降水的变化特征，以甘肃省雨养农业区 55个气象站1971—2015年气温和降水实测资料为基础，采用线性倾向率法、空间插值及Mann-Kendall 法对研究区 气温和降水量的时空变化特征及突变进行了分析。结果表明：近45年来，甘肃省雨养农业区气温呈明显的上升趋
势，以0.36P - 10a -1的速率显著增暖,20世纪90年代后进入快速增温阶段，且在1996年发生突变；年降水量总体呈
减少趋势，存在强烈波动变化，以-2.57 mm - 10a -1的速率缓慢下降，1988年发生突变。从空间分布来看，年均气温
总体呈现出由北向南、由西向东递增的规律，气温随海拔升高而降低，而气温倾向率呈现出由北向南、由西向东递减 的规律，以甘南高海拔地区增温速率最大，达0.47^ - 10a -1 ；研究区降水量空间变化不规律，呈现出研究区中部地区 降水少，四周降水较多的空间格局，降水量随海拔升高而逐渐增大，而降水倾向率自西向东递减，陇东半干旱地区出
现降水量小幅度的增加，变化速率为2.54 mm - 10a -1，气温及降水变化具有明显的空间差异性。陇东地区呈现暖湿 化态势，其他区域整体朝着暖干化方向发展。
关键词：气候变化；雨养农业区；气温；降水量；时空变化中图分类号:S161.2；S161.6
文献标志码:A
Spatial and temporal characteristics of climate change in rain-fed
agricultural area of Gansu Province in recent 45 years
ZHUO Macao 1 , LI Guang 1 , MA Weiwei 1 , WANG Jun 2, LIU Qiang 2
有关生命的格言(1. College of Forestry , Gansu Agricultural University, Lanzhou , Gansu 730070, China ；
2. College of/^formation Science and Technology , Gansu Agricultural University, Lanzhou , Gansu 730070, China )
Abstract : In order to explore the characteristics of changes of key meteorological factors in temperature and precipitation, which affect agricultural productions in rain-fed agricultural areas, this study used the data of temper
ature and precipitation from 55 meteorological stations in rain-fed agricultural areas in Gansu Province from 1971 to 2015 as the basis, linear tendency rate method, spatial interpolation, and Mann-Kendall method were used to ana
lyze the spatial and temporal change characteristics and mutation of temperature and precipitation. The results
showed that: ( 1) In recent 45 years, the temperature in rain-fed agricultural area in Gansu Province significantly rose at a rate of 0.36咒• 10a 1. After 1990s , the temperature increased
rapidly but had a mutation in 1996. The
annual precipitation generally showed a decreasing trend, with strong fluctuations, it declined slowly at a rate of
-2.57 mm • 10a 1 and the mutation of precipitation occurred in 1988. (2) From the perspective of spatial distribu tions, the mean annual air temperature generally showed an increasing pattern from the north to south and the west
to east and the temperature decreased with the elevation , but the temperature tendency rate showed a decreasing
trend from the north to south and the west to east, and the highest increasing rate of temperature was in the high al
titude areas of Gannan at about 0.47咒 • 10a -1. The spatial trend of the precipitation varied irregularly , which
收稿日期：2020-03-26
修回日期：2020-05-08
国际版下载基金项目：甘肃省重点研发计划(18YF1NA070)；甘肃省高等学校协同创新团队项目(2018C-16)；甘肃省财政专项(SSCZZ- 20160909)；
国家自然科学基金项目(31560378,31560343)
作者简介：卓玛草( 1995-)，女，甘肃甘南州人，硕士研究生，研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail ： **************** 通信作者：李广(1971-)，男，内蒙古化德人，教授，博士生导师，研究方向为水土保持与荒漠化防治。E-mail ： ************
第1期卓玛草等：近45年来甘肃省雨养农业区气候变化的时空特征201
showed that less precipitation in the central area of the study area and more precipitation in the surrounding area. The precipitation gradually increased with the elevation,but the precipitation tendency rate decreased from the west to east.There was a small precipitation increase in the semi-arid area of Longdong at2.54mm•10a1,the temperature and precipitation showed obvious spatial differences.The Longdong area shows a trend of warming and humidification,while other areas were developing into warming and drying situation as a whole.This study provides a theoretical reference for the system and structure layout of local rain-fed agriculture.
Keywords:climate change;rain-fed agricultural area;temperature;precipitation；spatio-temporal variation
气候变化是当今全球普遍关注的问题，也是学术界一直研究的热点［1」o IPCC第5次气候变化评估报告指出，1880—2012年全球表面平均温度升高了0.85T，以1983—2012年变暖最为显著［2」。我国在1909—2011年期间平均增温0.9T〜1.5T，北方增暖大于南方，内陆大于沿海，并且这种趋势仍在延续；全国年均降水量变化趋势不显著，降水量区域变化波动［3」。受人为活动、大气环流、地形等因素的影响，我国南北方［4］、西北［5」陈北⑷等不同地区和不同流域［7-9］气温及降水的变化幅度与中国总体的变化幅度有所不同，体现出我国不同区域响应全球变暖的过程具有独特的演化趋势和空间差异［10」。甘肃处于三大高原交汇地带，经纬度、海拔跨度大外加复杂的下垫面环境条件导致该区地形地貌，地理位置相当独特，属于气候类型复杂、变化敏感的生态环境脆弱地带［11］。研究发现甘肃省部分地区温度偏高在2T以上，变暖幅度明显高于全国平均水平［12」。甘肃省雨养农业区农作物以玉米、小麦和马铃薯为主，是我国重要的粮食生产基地。自然降水是该区农业生产水分供给的直接来源，而气候变暖延长作物生长季，增加产出，以变暖、降水量减少为主要特征的气候变化对甘肃省尤其是雨养农业区的农业种植结构及功能有着广泛而显著的影响［13」。因此，深入研究甘肃省雨养农业区气温与降水的演变趋势对农业发展及生态建设具有重要意义。
近年来，区域尺度的气候要素变化深受国内外学者的关注，研究者从不同角度出发对气候变化做了大
量工作。诸多学者论证了甘肃省各地区气温升高现象，而降水量变化相对复杂［"T5］。魏娜等［16］研究了西北地区近50年降水变化及水汽输送的特征，得出降水具有明显的区域性变化，西北东部干旱化，西部暖湿化；武金慧等［17］研究得出甘肃省降水量呈减少走向，但河西中部、西部地区出现相反趋势；尚艳等［18］研究结果表明黄土高原干旱半干旱雨养农业区通渭气象站在过去40年间气温及降水均呈显著变化，变化速率分别为0.22T-10a-1,-23.87mm•10a-1；陆登荣等［19］根据甘肃河东雨养农业区旬降水的变化特征，发现降水量在3月上旬至6月中旬呈现出由南向北的减少趋势,6月下旬至11月下旬呈现出由东向西的减少趋势。然而甘肃省气候的区域变化研究大多集中于某一行政区划的气温或降水单一因子的变化趋势研究［20-22］，对整个雨养农业区气候时空变化特征的研究少有涉及。因此，本文选取甘肃省雨养农业区55个气象站点1971—2015年的气象资料，运用线性倾向率、空间插值及Mann-Kendall法对整个雨养农业区气温和降水的时空变化特征进行分析，以期为甘肃省雨养农业区适应气候变化、合理利用农业气候资源以提高生产力发展提供科学基础。
1材料与方法
1.1研究区概况
甘肃省深居内陆，地处青藏、蒙古和黄土三大高原结合地带，是西北地区主要的旱作农业区，气候类型复杂多样。甘肃省雨养农业区（北纬32°35,—37°15,，东经100°45,—108°21,）地处黄河上游，地
理位置独特而又显著。涵盖9个市州，55个地县，境内海拔相差悬殊，介于900~3500m，总体表现出西高东低，地形地貌复杂的特征。全年平均气温从西北到东南递增，介于0T〜15T，气温日较差大。多年平均降水量在200~1000mm，降水季节分配不均匀，多集中在6—9月，雨热同季，各地区降水差异较大，南湿北干。研究区内常有旱灾、沙尘暴等自然灾害天气，年日照约1700〜3300h，太阳辐射强度和总量都很大，光热资源丰富。根据地理位置及气候、地形等特征，可将甘肃省雨养农业区划分为陇东、陇中、陇南及甘南4大区域［14」。陇东地区位于研究区东部，为温带半干旱区，包括平凉、庆阳、环县等地市；陇中地区位于研究区中部及北部区域，为温带半湿润区，包括兰州、定西等地市；陇南地区位于雨养农业区南部，为暖温带湿润区，包括徽县、武都等地市；高寒湿润区甘南地区位于研究区西南部，包括合作、碌曲等地市（图1）o
202干旱地区农业研究第39卷
图例Legend
---边界Boundary
---县界County boundary
°气象立占Meteorological stations
图1研究区范围与气象站点分布
Fig.1Study area and meteorological site distribution
1.2研究方法
对甘肃省雨养农业区的气温和降水量数据进行统计分析。采用一元线性回归模型拟合方法对所需气象要素的线性变化趋势进行分析，用气候倾向率表征气象要素变化程度;ArcGIS软件空间插值法绘制研究区各站点分布图和气温、降水量空间变化趋势图，分析区域气候变化的差异性［23］;Mann-Kendall非参数统计检验法(MK)进行气候要素的突变检验，排除杂点，研究气温、降水因子的突变期［24］。
1.2.1气候倾向率为了更好地表示气温和降水的时间变化走向，采用一元线性回归模型拟合方法对所需气象要素的变化速率和变化幅度进行计算，分析其线性变化趋势，绘制气温、降水量年际变化曲线。将气象要素y表示为时间的线性函数，即
y=at+b(t=1,2,…，n)(1)式中,t为时间尺度(年);a为线性趋势项，正负分别表示气象要素上升或下降的变化速率，接近0表示无明显变化趋势;b为截距。
1.2.2空间插值利用ArcGIS10.2软件，根据各个站点经纬度信息建立研究区气象站点地理信息数据库。采用空间插值方法对研究区年平均气温、降水量及其倾向率进行插值，做出分布图，分析区域气候变
化的差异性。该方法的原理是通过已知点的数据推求同一区域未知点的数据，很大程度地避免了气候站点的局限性［23］。
1.2.3气候突变检测气候突变是气候系统中普遍存在的一个重要现象。本研究选用Mann-Kendall非参数统计检验法来分析突变，研究气温、降水因子的突变期。优点是不需要样本遵从一定的分布，同时也避免了少数异常值的干扰，计算方便简单［24］。其原理是对于时间序列X，构造一个秩序列比以反映第i个时刻数值大于第j个时刻时数值个数的累加值。并在时间序列随机的假设下定义统计量UF k:
［S k-E(S k)］
UF k=k k(k=1,2,…，n)(2)
"ar(SQ
式中，UF1=0,E(S k)和Far(SQ分别是S k的均值和方差。在进行突变检验时，把此方法引用到反序列当中，计算UB k，同时使UB k=-UF k(k=n,n-1, (1)
o在分析过程中，若UF k>0，则表明序列呈上升趋势,UF k<0则表明呈下降趋势；显著性水平为a= 0.05，上下线临界值为土1.96，当UF超过信度线，表明序列上升或下降趋势显著。如果两序列的交点位于显著性区间内，则该点就是突变点。
1.3数据来源
甘肃省雨养农业区55个气象站1971—2015年的气温和降水观测数据由甘肃省气象局(http：// v/)提供，该资料经过严格控制，质量可靠。
2结果与分析
2.1近45年来甘肃省雨养农业区气温与降水量的
时间变化特征
近45年研究区年均气温为8.49T，通过分析历年年均天气序列发现，年均温最大值和最小值出现在2013,1976年，分别为9.70T、7.22°C，振幅达2.48T o年均气温年代际间波动变化，但整体呈逐步上升走向，气温倾向率为0.36C・10a-1(图2a)o 20世纪70,80年代气温距平相差不明显，但总体却是一个轻微的降温走向，90年代比上一年代偏暖0.56C,21世纪期间气温明显高于20世纪90年代，增幅为0.53C。70年代前期以及1976—1996年期间气温围绕均值波动，以1986—1995年幅度最大,
第1期卓玛草等：近45年来甘肃省雨养农业区气候变化的时空特征
203
80年代有8 a 气温平均值处于均值以下,90年代后 期气温距平由负向正转变，进入偏暖期，从1995年
开始呈现出持续快速的增温过程，上升幅度达到最 大（1.24兀）。年均气温在年际的波动中总体上升, 但在上升过程中其变化趋势呈显著的曲折变化。
甘肃省雨养农业区多年平均降水量为509.4
mm，与年均温趋势相反，降水量的年际变化波动强
烈，但整体呈现出降低的趋势，以-2.57 mm ・10a -1
的速率下降（图2b ）o 2003年降水量累积距平值达 到最大，之后降水量显著减小，丰水年和枯水年差
距悬殊，年最大降水量为660 mm （2003年），最低降
水量为373 mm （ 1997年），相差287 mm 。年代间， 20世纪70年代降水量呈现出先增后减的变化趋
势,90年代为降水明显减少期,2000年后，降水量在 历年平均值上下波动，总体增减幅度不大。20世纪 90 年代和 21 世纪 00 年代分别较多年降水量平均
值低37.09 mm 和5.46 mm,2011—2015年较多年降
水量平均值高22.42 mm 。
研究发现，甘肃省河西地区年均温代，增温幅
度高于甘肃省雨养农业区，为0.38°C ・10a -1[15，17],
呈现出中部降水量增加而其余地区减少的趋势，气 温与降水量均于1994年发生突变；黄土高原气温以
0. 1C ・10a -1的速率缓慢变暖，而降水量年际变化
趋势不显著[25]；青藏高原东缘地区增温率达 0.136C ・10a -1,90年代升温明显，降水量与甘肃省
雨养农业区变化趋势相反，增加率约为1.7 mm • 10a -1,1994年发生气温突变，降水量分别于1965, 1977,1995年发生突变〔26]。
2.2近45年来甘肃省雨养农业区气温与降水量的 空间变化特征虽然热量资源研究区各地都明显增加，但各地
区所处地理位置与海拔高度不同，年均气温上升幅
度和比率不同。由甘肃省近45年年均气温变化的 空间分布（图3a ）可看出，海拔高的地区气温低，反
之气温高，两者呈相反趋势。研究区年均气温总体 上呈现出由北向南、由西向东的递增变化走向，海
拔最高的玛曲县（3473 mm ）与最低的徽县（927 mm ）年均气温相差10.3Co 陇南湿润区年均气温
将近甘南高寒湿润地区的2倍，陇东半干旱地区年
均温稳定在8C 〜10C 。而研究区年均气温倾向率
呈现出由北向南、由西向东的递减变化（图3b ）o 高
纬度地区上升比率明显高于低纬度地区，增温上升
幅度以地处青藏高原东北边缘与黄土高原西部过
渡地段的甘南高海拔地区最为显著，达0.47C ・10a
-1，从1971年的2.38C 上升至6.08C ，陇中，陇东、
陇南地区升温速率依次降低，分别为0.38,0.36, 0.32C ・10a -1。陇中、陇东两地区增温幅度相差不
大，但陇东地区气温普遍高于陇中地区，是甘肃省
雨养农业区热量条件较佳的区域；陇南及甘南地区 气温增加的趋势较为均匀。人口集中的区域气温
增幅最高，增大了温热、温暖区的干旱几率。
研究区年降水量较年均气温呈现出较大的不
一致性，具有明显的区域差异（图3c ）o 降水量随海 拔升高而逐渐增大，总体上呈现出中部地区降水
少，四周降水较多的空间格局。降水量最低值出现
在陇中高原地区的永靖县，仅275.1 mm，最高值出
现在陇南的康县，达754.6 mm，相差479.5 mm，区域
最大降水量是最小降水量的2.7倍。降水量总体上 呈减少趋势，但并不是所有台站降水量都符合这一
趋势。陇中地区年降水量（469.5 mm ）低于陇东、陇 南、甘南等地区，陇南地区降水量最大。而降水倾向
率呈现出自西向东递减的变化规律（图3d ）o 55个气
象站中,27.3%的站台降水量表现出增加的趋势，大多
集中在陇东半干旱地区，但增幅不大，以华亭最为显 著，达13.35 mm ・10a -1。陇东地区降水量以2.54
七上语文课堂作业本答案mm ・10a -1的变化速率从1971年的422.2 mm 上升
至 568.8 mm,45 年间上升了 146.6 mm 。 陇南地区降水
量呈现出波动下降趋势，倾向率为-4.69 mm ・10a -1。
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趋势线Trend line 年均气温距平值Mean annual air temperature anomalies -0.2572X +512.43 心 0.0023
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图2研究区年均气温及年均降水量变化趋势
Fig.2 Variation trend of annual average temperature and annual precipitation in the study area
-200
204干旱地区农业研究第39卷
陇中地区降水量以-5.57mm・10a-1速率快速下降，干旱化趋势最明显。甘南地区降水量以-1.66 mm-10a-1的速率缓慢下降，但该地区海拔过高，日较差大，甚至在5月份会有降雪的特殊天气。研究发现，西藏地区近40年仅个别局部地区出现气温下降现象，其余地区均升高，将近46%的地区降水呈增加趋势[27]；新疆近半个世纪呈现出气温南高北低，降水北多南少的空间差异，且气温倾向率与降水倾向率随海拔增加分别减少、增加[28]°降水量的区域变化具有不确定性。
2.3近45年甘肃省雨养农业区年均气温与降水量
的突变分析
图4为1971—2015年甘肃省雨养农业区年均气温与降水量Mann-Kendall突变检验结果。除1973及1991年外,70年代起至90年代前期，年均气温UF统计值小于0，可见这21年间并无增暖趋势,1976—1977年,UF超过临界值(-1.96)，说明此两年间有变冷加剧的趋势(图4a)o1995—2000年期间,UF统计值大于0，表明序列呈增加趋势，但统计值未达到a二0.05的显著性水平，故此阶段年均气温增加趋势不明显。21世纪00年代后UF统计值大于0且超过95%的临界线范围，增暖趋势十分显著。两曲线在1997年出现交点，且交点位于临界线之间，可判定甘肃省雨养农业区年均温在90年代的增温属于突变现象，发生了由冷变暖的突变。
45年来，降水量UF统计值始终处于置信区间内，说明变化趋势不显著，1973—1995年、2013—2014年UF统计值大于0，表明有24a降水量出现上升现象，但总体呈“增一减一增”的变化趋势。根据置信区间内交点的位置，可以检测出年降水量发生了6次统计意义上的可能性突变，分别为1972, 1982,1986,1988,1990,2011年，采用改进后的Mann -Kendall突变检验法来排除杂点，绘制0.5UB和1.5UB曲线,3条曲线与UF曲线的交点为真正突变点，结合累积距平法对研究区1971—2015年降水量的变化分析，推断1988年为降水量突变点。
050100km
图例Legend
谭均气温/°C
Annual average temperature
■高High:15.2
■低Low:1.8
•气象站Meteorological stations
等値线Contour
■高High:0.62
•低Low:0.18
•气象站Meteorological stations
•…等值线Contour
例Legend
气温倾向率
杨幂演过哪些电视剧050100km
图例Legend
哪个儿童年龄符合我国古代总角年降水量/mm
Annual precipitation
高High:667.7
低Low:343.1
•气象站Meteorological stations050100km
•…等值线Contour一一
降水倾向率优秀学生干部事迹材料
Precipitation tendency rate
高High:13.4
—低Low：-21.8
•气象站Meteorological stations
等值线Contour
图3研究区年均气温(a)及其变化趋势(b)和年均降水量(c)及其变化趋势(d) Fig.3Average annual temper
ature(a)and its variation trend(b)and average annual precipitation(c)and its variation trend(d)in the study area
197219771982198719921997200220072012
年份Year
(a)年均气温Mean annual air temperature -2
_3---------------1-----1-----1-----1-----1-----—197219771982198719921997200220072012
年份Year
(b)年均降水量Annual precipitation
图4研究区气候要素M-K检验Fig.4M-K test of climatic factors in the study
area
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