吕梁山地形对气候的影响分析

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　　摘要    本研究以中尺度区域气候差异与地形的关系为研究方向，对吕梁山东、西两侧近同一纬度区域的气候要素数据进行分析。以榆林市、原平市、延安市、介休市为研究样区，收集30年（1989—2018年）的年均气温和年均降水量数据，采用Mann-Kendall检验方法进行气候变化趋势分析和气候突变检验。结果表明，北段、南段的东西侧气候变化趋势和气候突变具有差异性，但南北段东西两侧气候变化不同步。由于南北段的东西侧研究区域纬度地带性和经度地带性影响很小，可见吕梁山地形对吕梁山东、西两侧的气候产生了一定的影响。通过本研究，对于如何根据吕梁山具体地形条件分析气候变化，进一步合理配置农、林、牧、副和旅游等产业具有重要意义。
　　关键词    地形;气候;Mann-Kendall检验;吕梁山
　　中图分类号    P461+.3        文献标识码    A
　　Abstract    This study took the relationship between climatic differences and topography in the mesoscale region as the research direction，and analyzed the climatic factor data of the same latitude area on the east and west sides of Lvliang Mountain. Taking Yulin City，Yuanping City，Yan′an City and Jiexiu City as research samples，annual average temperature and annual precipitation datas for 30 years（1989-2018） were collected，the climate change trend analysis and climate sudden change test were conducted by using the Mann-Kendall test method. The results showed that the climate change trend and climate change between the eastern and western sides of both north and south sections of Lvliang Mountain were different，but climate change difference of between the eastern and western sides was not synchronous in north and south sections of Lvliang Mountain. The zonal and longitude zonal impacts of the north-south study area were small，so the Lvliang Mountain terrain could have a certain impact on the climate of the eastern and western sides of Lvliang Mountain.This research has important significance to rationally allocate the industrial development of agriculture，forestry，animal husbandry，sidelines and tourism，according to the specific terrain conditions of Lvliang Mountain.
　　Key words    terrain;climate;Mann-Kendall test;Lvliang Mountain
　　近年來，伴随着全球气侯变暖，气候由一种稳定的状态经短时间跳跃式转变成另一种稳定气候状态形式[1]。气候的这种变化对人类生产活动以及生态环境产生了严重影响，如何快速、准确地检测气候突变，对于人们认识气候系统的变化以及预测未来气候趋势变化具有重要的现实意义。部分学者已经发现了气候突变现象，符棕斌[2]着重讨论了气候突变的定义、气候突变现象的研究;闫敏华等[3]通过运用累积距平法和Jy参数法研究了三江平原气候的突变情况，讨论了引起三江平原气候突变的原因;任玉国等[4]通过研究1951年以来的极端气候，分析对比极端降水指数和极端气温指数，得到极端气候发生的强度和频率，同时指出研究极端气候常用方法的某些不足及改进方法。此外，部分学者也研究了气候与地形的关系，例如，邱旭梅等[5]通过研究我国气候分布情况分析得到，同一纬度由于地形不同从而导致不同的气候类型;山脉的迎风坡与背风坡的气温、降水有明显的差异，向阳坡比背阳坡气温高，山地的迎风坡比背风坡多雨，并且某些地区地形对气候状态产生了影响。从已有的研究可以看出，许多学者研究气候突变是通过对同一气象站点进行长时间观测得到气候突变的结论，对于地形引起气候突变的研究仍不足。本研究以榆林市、原平市、延安市、介休市为研究对象，收集这4个气象站点的近30年年均温度和年均降水量数据，借助Mann-Kendall检验方法进行气候变化趋势分析、气候突变分析，找到吕梁山地形对气候变化及气候突变的影响。
　　1    区域概况与研究方法 　　1.1    区域概况
　　1.1.1    地形区。本研究样带位于吕梁山，吕梁山脉位于山西西部，处在山西省中部断陷盆地以西，北起管涔山，由北往南经黑驼山、芦芽山、云中山、关帝山、起云山、直至龙门山，这一系列山脉总称吕梁山脉。它和太行山脉为纵贯山西的2座山脉。吕梁山是中国黄土高原上的重要山脉之一，由于其呈东北—西南走向，不仅是黄河中游区域黄河干流与支流汾河的分水岭，更由于整个山脉以主峰关帝山为中心中间全线突起，两侧的管涔山、芦芽山、云中山、紫荆山、龙门山分别逐渐降低，整个地貌成穹隆状，这样连绵不断的崇山峻岭如同一条脊梁，纵贯三晋西部，延绵400 km以上;而且，吕梁山北段分为东西平行的2列，不少山峰高于2 700 m;吕梁山南段降低到1 000～1 500 m，中段气温比较高;因而整个吕梁山脉两侧气候差异明显。本文研究选取目标场地为榆林市、原平市、延安市、介休市，该研究区域气象数据易收集且海拔高度和地势相同，榆林市和原平市、延安市和介休市分别位于近同一纬度地带，通过对比这2对气象数据可以得出研究结论。
　　1.1.2    样点。研究区域如图1所示。
　　（1）北段。①吕梁山北段东坡一侧的榆林市，地理坐标：北纬36°57′～39°35′，东经107°28′～111°15′。榆林位于中国陕西省的最北部，处于黄土高原与毛乌素沙地交界处，是黄土高原和内蒙古高原的过渡区;地势总体由西向东倾斜，西南部平均海拔1 600～1 800 m，其他区域平均海拔1 000～1 200 m;属大陆性季风气候中温带半干旱，四季分明冷暖干温，年平均气温9.1 ℃，年平均降水量453.5 mm[6]。②吕梁山北段西坡一侧的原平市，地理坐标：北纬38°35′～39°09′，东经112°17′～113°35′之间。原平市地势起伏显著，全境各地气候差异甚大，一般年均气温8 ℃左右，年降雨量500 mm左右。
　　（2）南段。①吕梁山南段东坡一侧的延安市，地理坐标：北纬35°21′～37°31′、东经107°41′～110°31′。延安位于黄河中游属黄土高原丘陵沟壑区，地貌以黄土高原和延安地貌丘陵为主，地势西北高东南低，平均海拔1 200 m左右;属于暖温带大陆性气候，气候较为干燥，早晚温差较大，年均无霜期170 d，年均气温9.2 ℃，年均降水量在500 mm浮动。②呂梁山南段西坡一侧的介休市，地理坐标：北纬36°50′～37°11′、东经111°44′～112°10′。介休地处太原盆地与太岳山的结合部，位于太原盆地西南端、汾河南畔、太丘山北侧。年平均气温10 ℃，降水量493 mm。
　　1.2    数据来源
　　目标场地数据来源于中国气象科学数据共享服务网，在其网站收集得到榆林市、原平市、延安市和介休市4个气象站点30年（1989—2018年）年均温度和年均降水量数据。
　　1.3    研究方法
　　1.3.1    Man-Kendall趋势检验。Mann-Kendall检验是一种非参数检验，能有效区分某一自然过程是出于自然波动还是存在确定的变化趋势[7-9]。对于非正态分布的水文气象数据，Mann-Kendall秩次相关检验具有更加突出的适用性;在时间序列中无需指定是否是线性趋势，通过Mann-Kendall趋势检验可找到得到4个气象站点年均气温和年均降水量的变化趋势[7]。
　　1.3.2    非参数Mann-Kendall法突变检测。Mann-Kendall检验不仅可以检验时间序列的变化趋势，还可以检验时间序列是否发生了突变，通过该方法可找到得到4个气象站点年均气温和年均降水量的突变点[10]。
　　2    结果与分析
　　2.1    Man-Kendall趋势检验分析
　　为了检验吕梁山气候变化的显著性特征，本研究选择位于吕梁山南北段东、西两侧的4个气象站点30年（1989—2018年）的年平均气温和年均降水量时间序列数据，运用Mann-Kendall方法对这4个气象观测站数据进行气候变化趋势检验，在合适的置信水平区间下，对年平均气温（℃），年平均降水量（mm）序列进行统计检验[12]。气候变化趋势检验结果如表1所示。
　　从表1可以看出，在合适的置信水平区间下，位于吕梁山东西侧南北段的榆林市、原平市、延安市、介休市4个研究区域的年均气温30年来呈上升趋势，并且都通过了99%的显著性检验，说明研究区域的年均气温增加趋势十分明显。
　　在置信水平区间下，尽管榆林市、原平市、延安市、介休市气象台站的β均为正值，即近30年来各站台的年均降水量均呈现出一定的上升趋势，但以统计结果来看，吕梁山西侧北段的榆林市、吕梁山东侧北段原平市和吕梁山西侧南段延安市未通过90%的显著性检验，说明这3座城市年均降水量增加趋势不明显。吕梁山东侧南段介休市年均降水量通过了90%的显著性检验，说明吕梁山东侧南段介休市年均降水量增加趋势比较明显。
　　对比吕梁山东、西两侧南北段年均气温和年均降水量的变化趋势，可以看出，分析比较位于吕梁山北部东西侧气象站点的年均气温检验结果，发现榆林市和原平市近30年的年均气温倾斜度β为正值，都通过了99%的显著性检验，说明研究区域年均气温增加趋势十分明显。榆林市年均气温趋势倾斜度β较原平市大，因而位于吕梁山以西的榆林市气温升高趋势比原平市的较大。分析比较位于吕梁山北部东、西坡两侧气象站点的年均降水量检验结果，发现榆林市和原平市近30年的年均降水量倾斜度β为正值，榆林市年均降水量倾斜度β高与原平市。榆林市和原平市都没有通过了90%的显著性检验。
　　分析比较位于吕梁山南部东、西两侧气象站点年均气温检验结果，发现延安市和介休市近30年的年均气温倾斜度β为正值，都通过了99%的显著性检验，说明研究区域年均气温增加趋势十分明显，且延安市年均气温趋势倾斜度β较介休市大，因而介休市气温升高趋势比延安市的较大。分析比较位于吕梁山南部东、西两侧气象站点年均降水量检验结果，发现延安市和介休市近30年的年均降水量倾斜度β为正值，延安市倾斜度β较原平市大，并且介休市通过了90%的显著性检验，而延安市未通过90%的显著性检验。 　　2.2    突变检验结果分析
　　作为Mann-Kendall突变检验方法的应用实例，本研究为了检验吕梁山气候的突变性，选择位于吕梁山东西坡内4个气象站点30年（1989—2018年）的年均气温和年均降水量时间序列数据，运用Mann-Kendall方法对这4个气象观测站数据进行气候突变检验[13]。如图2、3所示。
　　从图2（a）可以看出，由UF曲线分析得到榆林市自1989年开始，除1989年和1990年<0、1992年和1997年=0之外，其余值都>0;而且2000—2018年UF值都>0，呈现明显的上升趋势。进一步观察UF和UB曲线的交点，发现其位置在1998年，这表明榆林市气象站的年均气温变化趋势于1998年开始发生转折，出现了突变。从图3（a）可以看出，由UF曲线分析得到榆林市自1989年开始，除个别年份1992年、1998年、2016年、2017年、2018年>0，1989年、1997年、1999年、2015年=0之外，其值都<0;而且1999—2015年UF值都<0，呈现明显的波动趋势。进一步观察UF和UB曲线的交点，发现其位置在2014年，这表明榆林市气象站点的年均降水量变化趋势于2014年开始发生转折，出现了突变。
　　从图2（b）可以看出，由UF曲线分析得到原平市自1989年开始，其值都>0。进一步观察UF和UB曲线的交点，发现其位置在1994年，这表明原平市气象站的年均气温变化趋势于1994年开始发生转折，出现了突变。由图3（b）可以看出，从UF曲线分析得到原平市1989—2008年，除1991年=0之外，UF曲线值都>0，且变化剧烈。进一步观察UF和UB曲线的交点，发现其位置在1992年、1993年、2009年，这表明原平市气象站的年均降水量变化趋势于1992年、1993年、2009年开始发生转折，出现了突变。
　　从图2（c）可以看出，由UF曲线分析得到延安市自1989年开始，除个别年份1989年、1990年、1991年外，其值都>0;而且从1991年开始，UF值都>0，呈现明显的上升趋势。进一步观察UF和UB曲线的交点，发现其位置在1993年，这表明延安市气象站的年均气温变化趋势于1993年开始发生转折，出现了突变。从图3（c）可以看出，由UF曲线分析得到延安市自1989年开始，除个别年份（1992年、1998年、2017年、2018年）外，其值都<0;而且1999—2011年UF值都<0，呈现明显的波动趋势。进一步观察UF和UB曲线的交点，发现其位置在2015年，这表明延安市气象站的年均降水量变化趋势于2015年开始发生转折，出现了突变。
　　从图2（d）可以看出，由UF曲线分析得到介休市自1989年开始，除个别年份（1989年、1996年、1997年、1998年、2000年）外，其他值都>0;而且从2000年开始，UF值都>0，呈现明显的上升趋势。进一步观察UF和UB曲线的交点，发现其位置在1998年，这表明介休市气象站的年均气温量变化趋势于1998年开始发生转折，出现了突变。从图3（d）可以看出，由UF曲线分析得到介休市自1989年开始，除个别年份（1992年、2016年、2017年、2018年）>0外，其值都≤0;而且1993—2015年，UF值都<0，呈现先下降后上升的趋势。进一步观察UF和UB曲线的交点，发现其位置在2015年，这表明介休市气象站的年均降水量变化趋势于2015年开始发生转折，出现了突变。
　　由榆林市和原平市分析比较位于吕梁山北部东、西两侧气象站点气温突变结果，发现榆林市近30年的年均气温突变年份比原平市的突变年份提前，原平市的UF和UB曲线波动趋势比较大;榆林市年均降水量趋势的UF和UB曲线波动趋势比较大。榆林市年均降水量突变年份为2014年，年均气温突变年份发生在1998年，原平市年均降水量出现3次突变年份，分别为1992年、1993年、2009年。
　　由延安市和介休市分析比较位于吕梁山南部东、西坡两侧气象站点气温突变结果，发现延安市近30年的年均气温突变年份比介休市的突变年份提前，而且介休市的UF和UB曲线波动趋势比较大;介休市年均降水量趋势的UF和UB曲线波动趋势比较大，而且延安市与介休市年均降水量出现突变年份都在2015年。
　　3    结论
　　（1）采用Mann-Kendall方法分析榆林市、原平市、延安市、介休市4个气象站点30年（1989—2018年）的年均温度和年均降水量数据，得到在年均温度变化趋势方面，4个气象站点的数据都通过了99%显著性检验，说明研究区域年均气温增加趋势十分明显。在年均降水量变化趋势方面，4个气象站点中介休市通过了90%显著性检验，榆林市、原平市、延安市均未通过90%显著性检验，说明研究区域中介休市年均降水量增加趋势比榆林市、原平市、延安市都显著。在气候突变方面，4个气象站点的年均气温和年均降水量都找到了气候的突变点和突变年份（气候的突变点所在的年份即为气候的突变年份）。
　　（2）通过研究对比吕梁山北段东侧的原平市和吕梁山北段西侧的榆林市年均温度和年均降水量数据趋势分析结果，发现榆林市的年均气温升高趋势大于原平市。在年均降水量变化方面，榆林市年均降水量升高趋势和原平市年均降水量升高趋势未通过90%的显著性检验，因而不能得出年均降水量升高趨势在榆林市和介休市哪个更显著的结论。在气候突变方面，对比得到榆林市年均气温和年均降水量突变点和突变年份，榆林市年均气温突变年份为1998年，榆林市年均降水量突变年份为2014年;以及原平市年均气温和年均降水量的突变点和突变年份，年均气温的突变年份为1994年，年均降水量的突变年份为1992年、1993年、2009年。
　　（3）通过对比研究吕梁山南段东侧的介休市和吕梁山南段西侧的延安市年均温度和年均降水量数据，在年均气温变化方面，对比得到介休市的年均气温升高趋势大于延安市。在年均降水量变化方面，介休市年均降水量升高趋势通过90%的显著性检验，而延安市年均降水量未通过90%的显著性检验，因而得出介休市年均降水量升高趋势比延安市显著。在气候突变方面，对比分析得到介休市年均气温和年均降水量突变点和突变年份，介休市年均气温突变年份为1998年，介休市年均降水量突变年份为2015年;以及延安市年均气温和年均降水量的突变点和突变年份，延安市的年均气温的突变年份为1993年，延安市年均降水量的突变年份为2015年。 　　（4）通过对比分析吕梁山北段东侧（原平市）和西侧（榆林市）区域的气候变化和气候突变，发现吕梁山北段东侧和西侧研究区域区域的气候变化和气候突变具有差异性;对比呂梁山南段东侧（介休市）和西侧（延安市）区域的气候变化和气候突变，同样发现吕梁山南段东侧和西侧研究区域的气候变化和气候突变也具有差异性。可见，吕梁山地形对其东西侧区域的气候变化和气候突变产生了影响。
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