典型喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)近25年來(lái)氣候變化特征分析
——以貴州中部為例

張勇榮， 周忠發(fā)， 閆利會(huì)

(1.六盤(pán)水師范學(xué)院 環(huán)境與資源科學(xué)系，貴州 六盤(pán)水 553004；2.貴州師范大學(xué) 中國(guó)南方喀斯特研究院，貴州 貴陽(yáng) 550001；3.六盤(pán)水師范學(xué)院 烏蒙山發(fā)展研究院，貴州 六盤(pán)水.553004)

典型喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)近25年來(lái)氣候變化特征分析
——以貴州中部為例

張勇榮1,3， 周忠發(fā)2， 閆利會(huì)2

(1.六盤(pán)水師范學(xué)院 環(huán)境與資源科學(xué)系，貴州 六盤(pán)水 553004；2.貴州師范大學(xué) 中國(guó)南方喀斯特研究院，貴州 貴陽(yáng) 550001；3.六盤(pán)水師范學(xué)院 烏蒙山發(fā)展研究院，貴州 六盤(pán)水.553004)

根據(jù)1990-2013年研究區(qū)13個(gè)氣象臺(tái)站年均溫和年降水量數(shù)據(jù)，運(yùn)用線性趨勢(shì)分析、Mann-Kendall突變檢測(cè)法分析近25年來(lái)典型喀斯生態(tài)脆弱區(qū)的氣候變化狀況及時(shí)空特征.結(jié)果表明：①研究區(qū)內(nèi)年均溫呈不顯著升溫趨勢(shì)，線性升溫率為0.0126/年，冬季均溫變化最為顯著；除貴陽(yáng)站年均溫在2000年出現(xiàn)突變外，其余各站點(diǎn)年均溫變化趨勢(shì)基本一致，并呈5年左右小時(shí)間尺度周期變化.②研究區(qū)年降水量呈顯著下降趨勢(shì)，線性下降率為12.359mm/年，夏季降水量變化對(duì)全年降水量變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)最大；各月降水量除12月以外其余月份研究時(shí)段內(nèi)都呈減少趨勢(shì)；③突變檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)1990-2013年間年均溫未現(xiàn)明顯突變，年降水量在1998-2000年間存在突變點(diǎn)，這可能與當(dāng)年的厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān).④總體看，研究區(qū)1990-2013年間氣候呈暖干趨勢(shì)變化并在夏、冬季最為突出，這將對(duì)喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)發(fā)展軌跡產(chǎn)生較大影響，生態(tài)修復(fù)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注.

喀斯特；生態(tài)脆弱；氣候變化；時(shí)空分布

引 言

全球氣候變暖是地球最顯著的環(huán)境變化之一，政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)第四次評(píng)估報(bào)告指出，最近100年(1906-2005年)地表平均溫度增加0.74℃[1]，同時(shí)近幾十年來(lái)，極端氣候事件發(fā)生的頻率也逐漸在增加.由此可以看出氣候系統(tǒng)理論及氣候變化相關(guān)問(wèn)題的研究意義重大.

相關(guān)學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了大量的研究，在國(guó)內(nèi)分別開(kāi)展了對(duì)全國(guó)尺度及區(qū)域尺度氣候問(wèn)題的研究.如陳隆勛等通過(guò)分析氣象要素的線性傾向值研究了我國(guó)近45年來(lái)(1951-1995年)氣候變化特征及其空間差異[2]，任國(guó)玉等研究了近50年來(lái)中國(guó)地面氣候變化基本特征[3]，尹云鵬等對(duì)1961年-2006年中國(guó)氣候變化趨勢(shì)與突變的區(qū)域差異[4]，邵井安等研究了川渝地區(qū)的氣候變化特征[5]，許格希等開(kāi)展了近50a來(lái)海南島不同氣候區(qū)氣候變化特征的研究，楊東等對(duì)近50年青海省氣候變化特征進(jìn)行了研究，辛惠娟等對(duì)青藏高原東緣玉龍雪山的氣候變化特征進(jìn)行了研究[6-8].通過(guò)對(duì)全國(guó)及區(qū)域氣候變化的研究，基本得出我國(guó)氣候變化的一般性規(guī)律特征及相應(yīng)的區(qū)域性規(guī)律.針對(duì)貴州省典型喀斯特區(qū)域氣候的變化也開(kāi)展了相關(guān)研究，如馬士彬等、鄭小波、黃桂東等[9-11]，這些研究基本停留于對(duì)某一點(diǎn)或氣候條件的某一方面，缺乏針對(duì)典型喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)的整體氣候變化規(guī)律的研究，所以喀斯特地貌背景下氣候變化規(guī)律及下墊面對(duì)氣候變化的影響還比較模糊.

本文以典型喀斯特脆弱區(qū)為研究區(qū)，對(duì)近25年的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，有針對(duì)性的探索在喀斯特地貌環(huán)境背景下氣候變化的特征及對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)，為探索喀斯特生態(tài)環(huán)境演化軌跡及石漠化治理模式提供氣候依據(jù).

2 研究區(qū)概況與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省中部，分屬于長(zhǎng)江流域和珠江流域.氣象觀測(cè)站所跨經(jīng)緯度為25°23′-27°6′N，105°11′E-106°44′E，涉及黔西、織金、六枝、晴隆、興仁、貞豐、長(zhǎng)順、惠水、龍里、貴定等縣及安順市、貴陽(yáng)市(除開(kāi)陽(yáng))，面積約3.4萬(wàn)Km2.研究區(qū)為典型喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)，地勢(shì)西高東低，地表起伏大、切割深，以喀斯特峰叢、峰林為主要地貌形態(tài).研究區(qū)內(nèi)包含紅楓湖國(guó)家石漠化治理示范區(qū)和花江流域國(guó)家石漠化治理示范區(qū)，喀斯特石漠化分布面積較廣，等級(jí)程度高[12].

2.2 數(shù)據(jù)與研究方法

為了全面反映研究區(qū)氣候變化特征，選取覆蓋區(qū)域內(nèi)部的所有13個(gè)(表1)氣象觀測(cè)站點(diǎn)的1990-2013年月平均氣溫和逐月降水量.根據(jù)研究區(qū)所屬氣候帶特征及植物物候生長(zhǎng)規(guī)律劃分季節(jié)，具體春季：3、4、5月，夏季：6、7、8月，秋季：9、10、11月，冬季：12、1、2月，并對(duì)逐月氣候數(shù)據(jù)按季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).

氣候變化趨勢(shì)分析主要采用線性趨勢(shì)法[13]和相關(guān)分析[14]氣象要素序列的變化，氣候突變分析主要采用Mann-Kendall法[9]進(jìn)行突變檢驗(yàn).

Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)中，在正序列曲線(UFk) 超過(guò)臨界值信度線的前提下，若正序列和反序列兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量序列僅有一個(gè)明顯的交叉點(diǎn)，且位于信度線之間，則表明該交叉點(diǎn)為突變點(diǎn)，且統(tǒng)計(jì)上顯著.若交叉點(diǎn)位于信度線之外，或者是存在多個(gè)明顯的交叉點(diǎn)，則不確定是否為突變點(diǎn)[4].

表1 研究區(qū)各站基本信息Tab.1 the basic information of 13 meteorological stations in the study area

3 氣溫變化分析

3.1 氣溫年際變化特征分析

如圖2所示，研究區(qū)1990-2013年間氣溫呈不顯著上升趨勢(shì)，線性趨勢(shì)為y=0.0126x+15.059，相關(guān)系數(shù)R=0.21，未通過(guò)0.05置信水平檢驗(yàn).最大值出現(xiàn)在2013年為15.9℃，最小值為1996年的14.48℃；標(biāo)準(zhǔn)差為0.42，表明氣溫年際波動(dòng)明顯(圖2).1990-2013年間，喀斯特石漠化治理示范區(qū)周邊13個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)的年平均氣溫范圍為14.3-16.7℃.其中惠水、貞豐、關(guān)嶺的站點(diǎn)溫度高于16℃，貴定、興仁、紫云的站點(diǎn)溫度高于15℃，其余站點(diǎn)溫度在14-15℃.研究區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)的年均溫呈現(xiàn)從東南向西北遞減的趨勢(shì)，這主要是緯度與海拔雙重作用形成的氣溫分布格局.

通過(guò)各站點(diǎn)1990-2013年年均溫分布曲線(圖3)可以看出，研究時(shí)段內(nèi)各站點(diǎn)氣溫變化趨勢(shì)基本一致，都在1994、1998、2000、2005、2008年出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，形成大概五年左右為一個(gè)波動(dòng)周期的變化趨勢(shì).1998年溫度轉(zhuǎn)折應(yīng)該與1997-1998年的厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān)，2008年的溫度轉(zhuǎn)折與2007-2008年的冰雪凝凍災(zāi)害有關(guān)，其余時(shí)間點(diǎn)的氣溫轉(zhuǎn)折原因有待進(jìn)一步驗(yàn)證.其中值得注意的是貴陽(yáng)站氣溫曲線變化趨勢(shì)基本與前述一致，但2000年前后氣溫出現(xiàn)明顯下降，并且1990年代均溫明顯高于2000年以后的均溫1.03℃.

根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法(圖4),平均溫度的正序列曲線未超過(guò)0.05顯著行水平的信度線.研究時(shí)段內(nèi)，平均溫度的正反序列曲線在信度線內(nèi)有兩個(gè)明顯的交叉點(diǎn)，最后一個(gè)交叉點(diǎn)出現(xiàn)在2011年前后.滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn).所以認(rèn)為研究時(shí)段內(nèi)研究區(qū)年均溫不存在明顯突變，但小時(shí)間尺度的波動(dòng)性變化明顯.

3.2 氣溫的季節(jié)變化特征

對(duì)研究區(qū)研究時(shí)段內(nèi)各季節(jié)氣溫變化做趨勢(shì)線分析，結(jié)果都未通過(guò)0.05置信水平檢驗(yàn)，其中春、秋季節(jié)氣溫變化在0.1置信水平上表現(xiàn)顯著遞增，所以觀察期內(nèi)年均溫變化趨勢(shì)不明顯.通過(guò)將研究區(qū)1990-2013年年均溫、年降水量與各季節(jié)均溫進(jìn)行相關(guān)分析可以看出，年均溫變化與冬季均溫極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.77，與其他季節(jié)相關(guān)系數(shù)分別為春季0.66、夏季0.44、秋季0.25.可以得出，冬春季節(jié)的均溫變化制約年均溫的變化.

從年代際來(lái)看，對(duì)比1990年代-2000年代研究區(qū)年均溫變化，可知增溫特別明顯的是3、5、7月，增溫均超過(guò)0.9℃；12、6月出現(xiàn)明顯降溫，降溫水平達(dá)到1.0℃以上.

4 降水量變化分析

4.1 降水年際變化特征分析

研究區(qū)降水整體空間分布由西南向東北方向遞減，晴隆站年平均降水量最高，為1457.8mm，黔西站年平均降水量最低，為944.8mm.研究區(qū)為典型的喀斯特地貌區(qū)，地形復(fù)雜，易受局地天氣對(duì)流系統(tǒng)的影響，導(dǎo)致降水空間分配不均，降水空間變異較大，具體表現(xiàn)為降水并沒(méi)隨海拔的變化而表現(xiàn)出一致性的規(guī)律.

通過(guò)圖6可以看出，研究區(qū)1990-2013年年降水量呈顯著(P<0.01)下降趨勢(shì)，線性趨勢(shì)為y=-12.395x+1380.6，相關(guān)系數(shù)r=0.5379.標(biāo)準(zhǔn)差為160.11，年際波動(dòng)較大，年降水量最大值為1991年的1460mm，最低值為2011年846.7mm，平均值為1225.96mm.近25年內(nèi)降水減少速率為12.4mm/年.

通過(guò)對(duì)1990-2013的年年降水量進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)可知(圖7)，UFk曲線中1998年以后呈現(xiàn)明顯的降水量減少，降水量出現(xiàn)變化的時(shí)間段與年平均降水量趨勢(shì)基本相同.在臨界線內(nèi)有一個(gè)交點(diǎn)，所處時(shí)間點(diǎn)為1998-2000年間，通過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果達(dá)到0.05的顯著性水平，所以認(rèn)為研究區(qū)研究時(shí)段內(nèi)年降水量出現(xiàn)明顯突變.結(jié)合具體突變時(shí)間點(diǎn)及當(dāng)時(shí)氣候事件，推測(cè)研究區(qū)年降水量發(fā)生突變與大尺度厄爾尼諾現(xiàn)象有一定關(guān)系，但須進(jìn)一步證實(shí).

4.2 降水量季節(jié)變化分析

對(duì)季節(jié)平均進(jìn)行趨勢(shì)線分析，各季節(jié)的年降水量均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，其中夏季和冬季年降水量變化通過(guò)P<0.05顯著性水平檢驗(yàn).年降水量與夏季降水量極顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=0.86，與其他季節(jié)相關(guān)系數(shù)分別為春季0.15、秋季0.39、冬季0.26，夏秋季節(jié)的降水量制約年降水量變化.

從月平均降水的年代際變化上看(圖8)，變化較為復(fù)雜，除12月以外其余各月份三個(gè)年代降水都呈減少趨勢(shì)，其中1、2、3、6、7降水量明顯.12月呈顯著上升趨勢(shì).

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)典型喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)13個(gè)氣象站點(diǎn)近25年的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析表明：

①研究區(qū)年均溫在14.3-16.7℃之間，空間上呈現(xiàn)從東南向西北遞減的趨勢(shì).研究時(shí)段內(nèi)年均溫呈不顯著升溫趨勢(shì)，線性升溫率為0.0126℃/年，冬季均溫變化最為顯著；除貴陽(yáng)站年均溫在2000年出現(xiàn)突變外，其余各站點(diǎn)年均溫變化趨勢(shì)基本一致，并呈5年左右小時(shí)間尺度周期變化.

②研究區(qū)年降水量為1140mm/年，主要集中于夏季，為典型的季風(fēng)性氣候.研究區(qū)1990-2013年降水量呈顯著下降趨勢(shì)，線性下降率為12.359mm/年，夏季降水量變化對(duì)全年降水量變化趨勢(shì)的貢獻(xiàn)最大；除12月以外其余月份研究時(shí)段內(nèi)降水量都呈減少趨勢(shì).

③突變檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)1990-2013年間年均溫未現(xiàn)明顯突變，年降水量在1998-2000年間存在突變點(diǎn)，這可能與當(dāng)年的厄爾尼諾現(xiàn)象有關(guān).

總體看，研究區(qū)1990-2013年間氣候呈暖干趨勢(shì)變化，這種趨勢(shì)在夏、冬季最為突出，這將對(duì)喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)生態(tài)發(fā)展軌跡產(chǎn)生較大影響，生態(tài)修復(fù)過(guò)程中應(yīng)加以注意.

[1]IPCC.ClimateChange2007:SynthesisReport[R]. Oslo: Intergovernmental Panel on Climate Change,2007．

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On Climate Change Characteristics of the Typical Ecologically Vulnerable Karst Area in the Recent 25 Years——a case study area of the central Guizhou Province

ZHANG Yong-rong1,3, ZHOU Zhong-fa2, YAN Li-hui2

(1. Department of Environment and Resource Sciences, Liupanshui Normal College, Liupanshui 553004， China; 2. Karst Institute of Southern China, Guizhou Normal University, Guiyang 550001， China; 3. Research Institute of Development in the Wumeng Mountain Area, Liupanshui Normal University, Liupanshui 553004， China)

According to the annual average temperature and the annual precipitation data of thirteen observatories in the study area from 1990 to 2013, with liner trend analysis and the method of mutation detection, the climate change and the spatial and temporal distribution features in typical ecologically vulnerable Karst area was analyzed. Results showed that: ① the annual average temperature in the study area heated up insignificantly and the liner heating rate was 0.0126/a. The annual average temperature change was mainly influenced by the average temperature change in winter; except Guiyang observatory of which the annual average temperature mutated in 2000, the change trend of those in other observatories’ basically coincide and the cycle was about five years. ② the annual precipitation in the study area showed a trend of descending and the liner descending rate was 12.359mm/a. The change of annual precipitation was mainly affected by the precipitation change in summer and the monthly precipitation descended from 1990 to 2013 except that in November. ③ according to mutation detection, the annual average temperature did not have an obvious mutation in thisperiod while the annual precipitation mutated from 1998 to 2000 which might be caused by the El Nino phenomenon. ④ as a whole, the climate change showed a trend of warming and drying and it was more outstanding in summer and winter which would influence the ecology development greatly in the typical ecologically vulnerable Karst area. Therefore, it should have significant attention in the process of ecological restoration.

Karst; ecologically vulnerable; climate change; spatial and temporal distribution

10.14182/J.cnki.1001-2443.2015.05.013

2014-12-01

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2012CB723202)；貴州省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(黔教合KY字[2013]173號(hào))；貴州省科學(xué)技術(shù)基金(黔科合J字[2012]2309號(hào))； 六盤(pán)水市科技局科技創(chuàng)新能力建設(shè)計(jì)劃項(xiàng)目(52020 2012-04-01-01).

張勇榮(1982-)，女，黑龍江牡丹江人，副教授，碩士，研究方向：環(huán)境遙感與地理信息系統(tǒng)應(yīng)用.通訊作者：周忠發(fā)(1969-)，男，貴州遵義人，教授，博導(dǎo).

張勇榮，周忠發(fā)，閆利會(huì).典型喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)近25年來(lái)氣候變化特征分析[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015，38(5)：474-478.

P467;K903

A

1001-2443(2015)05-0474-05