1956-2017年錫林郭勒盟氣候變化特征

曹艷萍，龐營軍，龐肖杰

(1.河南大學(xué)環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院，河南 開封 475004；2.黃河中下游數(shù)字地理技術(shù)教育部重點實驗室，河南 開封 475004；3.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所，北京 100091；4.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，北京 100193)

氣候變化是人類共同面臨的重大危機和嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，是當(dāng)今的全球環(huán)境熱點問題。IPCC第五次綜合報告指出，1880-2012年期間的地球表面平均溫度升高了0.85℃[1]。中國“第三次氣候變化國家評估報告”中指出，1909-2011年，中國陸地區(qū)域平均增溫0.9℃～1.5℃；西部干旱和半干旱地區(qū)近30年降水持續(xù)增加[2]。近些年來，學(xué)者對中國青藏高原[3]、黃土高原[4]、新疆[5]、內(nèi)蒙古[6]等區(qū)域的氣候變化特征進行了大量研究，結(jié)果表明這些區(qū)域氣溫大多具有明顯上升趨勢；降水的變化趨勢具有一定的空間差異性。氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)具有重要影響，許多陸地、淡水和海洋物種為了應(yīng)對不斷發(fā)生的氣候變化，已經(jīng)改變了其地理分布范圍、季節(jié)活動、遷移規(guī)律、豐度等。氣候變化也會導(dǎo)致糧食減產(chǎn)，漁業(yè)生產(chǎn)力降低，全球糧食安全將面臨巨大風(fēng)險[2,7]。

錫林郭勒盟處于歐亞大陸溫帶草原的核心區(qū)域，是全球氣候變化的敏感區(qū)域，也是我國西北干旱區(qū)向東部濕潤區(qū)過渡的地帶[8]；境內(nèi)有全國唯一被聯(lián)合國教科文組織納入國際生物圈監(jiān)測體系的國家級草原自然保護區(qū)，既是華北地區(qū)的重要生態(tài)屏障，又是距首都北京最近的草原牧區(qū)[9]。近年來，隨著全球氣候變化和人類活動的加劇，錫林郭勒盟地區(qū)的氣溫呈顯著上升趨勢[10]，降水略有減少[11]，干旱程度加重[12]，導(dǎo)致錫林郭勒盟草地退化、沙化加劇，草地生產(chǎn)力下降，嚴(yán)重影響牧民生計及區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展[13-14]。

本文利用錫林郭勒盟1956-2017年的長時序氣象數(shù)據(jù)，揭示氣溫、降水、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和風(fēng)速的變化規(guī)律，研究結(jié)果有助于了解該區(qū)域?qū)θ驓夂蜃兓捻憫?yīng)，同時也可為區(qū)域草地經(jīng)營管理提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

錫林郭勒盟位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，地理位置111°09′～120°01′E，41°35′～46°46′N，北與蒙古國接壤，邊境線長1 096 km；西與烏蘭察布市交界，南與河北省毗鄰，東與赤峰市、通遼市和興安盟相連[15]。東西長700多km，南北寬500多km，總面積20.26萬km2。

錫林郭勒盟屬溫帶大陸性氣候，其氣候特點是風(fēng)大、干旱、寒冷。土壤以風(fēng)沙土為主，部分地區(qū)有栗鈣土、棕鈣土和草甸土等；主要植物種類有：克氏針茅(Stipakryloyii)、羊草(Aneurolepidiumchinense)、糙隱子草(Cleistogenesserotina)、知母(Anemarrhenaasphodeloides)、矮蔥(Alliumanisopodium)、冷蒿(Artemisiafrigida)等[16]。錫林郭勒盟擁有類型齊全、動植物種類繁多的世界馳名的四大草原之一(錫林郭勒草原)，可利用優(yōu)質(zhì)天然草場面積達18萬多km2，占全自治區(qū)的五分之一。牛、馬、羊、駝等草食家畜擁有量位居全國地區(qū)級首位，是國家重要的畜產(chǎn)品基地。錫林郭勒盟是我國最典型的草原分布區(qū)，是我國北方草原區(qū)和農(nóng)牧交錯帶的重要組成部分，自然條件的嚴(yán)酷性、氣候的波動性以及社會和經(jīng)濟條件的復(fù)雜性，使這一地區(qū)成為對全球變化響應(yīng)的敏感帶[17]。

2 研究方法

氣象數(shù)據(jù)主要來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(http://data.cma.cn/)的“中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)”。采用錫林郭勒盟內(nèi)的東烏珠穆沁、二連浩特、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、朱日和、西烏珠穆沁、錫林浩特、多倫縣8個國家氣象站點1956-2017年的氣溫、降水、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量、風(fēng)速日值數(shù)據(jù)。

蒸發(fā)量資料為1956-2017年20 cm口徑蒸發(fā)皿逐日觀測資料，2002年起每年5-9月改用E-601型蒸發(fā)皿進行觀測，1-4月和10-12月延用20 cm口徑蒸發(fā)皿觀測。利用1986-2001年20 cm口徑蒸發(fā)皿與E-601型蒸發(fā)皿的同步觀測蒸發(fā)量數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進行線性回歸，計算得到的折算系數(shù)為1.77996。根據(jù)蒸發(fā)量折算系數(shù)，計算2002-2017年5-9月20 cm口徑蒸發(fā)皿蒸發(fā)量，得到錫林郭勒盟1956-2017年的連續(xù)蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。

對錫林郭勒盟內(nèi)8個國家氣象站點日平均氣溫、風(fēng)速數(shù)據(jù)分別逐年求平均值，得到年平均氣溫和風(fēng)速數(shù)據(jù)；日降水、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量數(shù)據(jù)逐年累積，得到年降水量和蒸發(fā)皿蒸發(fā)量數(shù)據(jù)。8個國家氣象站點的年平均氣溫、年降水量、年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和年平均風(fēng)速分別求算術(shù)平均值，代表區(qū)域逐年氣象要素值。采用線性回歸方法描述氣候序列的趨勢變化特征。氣象要素(y)的趨勢變化用線性回歸方程y=at+b表示。式中t為年份；a為變化率，用于定量描述氣候序列的趨勢變化特征，a為正(負(fù))時，表示氣象要素y在所統(tǒng)計的時間有線性增加(減少)的趨勢。

在Matlab軟件平臺的支持下，采用Morlet復(fù)值小波計算小波方差，分析氣溫、降水、蒸發(fā)和風(fēng)速的周期震蕩特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 1956—2017年錫林郭勒盟氣溫變化

氣溫是表征空氣冷熱程度的物理量。如圖1a所示，1956-2017年間研究區(qū)年平均氣溫最小值-0.03℃，最大值4.87℃，平均值2.76℃。年平均氣溫具有明顯的年際波動，但是同時也呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢，上升速率約為0.43℃·(10a)-1；該上升趨勢通過了0.01水平顯著性檢驗。

年平均氣溫的小波方差圖(圖1b)中存在4個較為明顯的峰值，依次對應(yīng)著27、21、13 a和6 a的時間尺度。其中，最大峰值對應(yīng)著27 a的時間尺度，說明27 a左右的周期震蕩最強，為氣溫變化的第一主周期；21、13 a和6 a時間尺度分別對應(yīng)著第二、第三、第四主周期。其中27、21 a和13 a尺度周期對氣溫的影響最為顯著。

圖1 錫林郭勒盟年平均氣溫變化及小波方差Fig.1 The average annual air temperature variation in Xilingol League and wavelet variations

3.2 1956—2017年錫林郭勒盟降水量變化

降水是指大氣中的水汽以液態(tài)或者固態(tài)的形式到達地面，其主要形式有降雨和降雪，以及雹、露、霜等[18]。降水是水循環(huán)過程的主要環(huán)節(jié)之一，是地球上各種水體的直接或者間接補給來源，對生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的維持具有重要作用。錫林郭勒盟1956-2017年間年降水量的最小值為158.58 mm(2017年)，最大值為418.19 mm(1959年)，平均值為253.86 mm。從圖2a中的降水趨勢線來看，錫林郭勒盟1956-2017年間年降水量有微弱遞減趨勢，遞減速率約為6.32 mm·(10a)-1；該遞減趨勢未通過0.05顯著性水平檢驗。

年降水量小波方差圖(圖2b)中存在2個明顯的峰值，分別對應(yīng)28 a和7 a的時間尺度。其中，最大峰值對應(yīng)著28 a的時間尺度，28 a尺度周期對降水影響最為顯著。

3.3 1956—2017年錫林郭勒盟蒸發(fā)皿蒸發(fā)量變化

蒸發(fā)量研究不僅在水分平衡中占有重要地位，對于氣候形成和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也具有重要的意義。氣象站測定的蒸發(fā)量是用蒸發(fā)皿觀測到的水面蒸發(fā)量。如圖3a所示，錫林郭勒盟1956-2017年間蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量的最小值為1 817.26 mm(1956年)，最大值為2 471.13 mm(2001年)，平均值為2 164.75 mm。錫林郭勒盟蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量具有遞增趨勢，遞增速率為10.90 mm·(10a)-1；該遞增趨勢通過了0.01顯著性水平檢驗。

蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量小波方差圖(圖3b)沒有明顯的峰值，說明在現(xiàn)有的時間尺度上，蒸發(fā)周期性弱。

3.4 1956—2017年錫林郭勒盟風(fēng)速變化

空氣運動產(chǎn)生的氣流，稱為風(fēng)；風(fēng)是近地表土壤風(fēng)蝕和沙物質(zhì)搬運、堆積的主要動力。如圖4a所示，錫林郭勒盟1956-2017年間年平均風(fēng)速最小值為3.17 m·s-1(2011年)，最大值為4.36 m·s-1(1958年)，平均值為3.76 m·s-1。錫林郭勒盟的年平均風(fēng)速具有明顯的遞減趨勢，遞減速率為0.16 m·s-1·(10a)-1；該遞減趨勢通過了0.01顯著性水平檢驗。

年平均風(fēng)速小波方差圖(圖4b)中有唯一峰值，對應(yīng)時間尺度為28 a，說明錫林郭勒盟的風(fēng)速存在著28 a的周期變化。

4 討 論

氣候變化是指能夠識別的(如采用統(tǒng)計檢驗)氣候狀態(tài)的變化，即特征均值和/或變率的變化，并持續(xù)一段時期，通常為幾十年或者更長時間[1]。史培軍等[19]根據(jù)氣溫和降水量的變化趨勢將中國氣候變化(1961-2010年)劃分為5個變化趨勢帶，即東北-華北暖干趨勢帶、華東-華中濕暖趨勢帶、西南-華南干暖趨勢帶、藏東南-西南濕暖趨勢帶以及西北-青藏高原暖濕趨勢帶。按照這個區(qū)劃，錫林郭勒屬于東北-華北暖干趨勢帶。本文研究結(jié)果表明，錫林郭勒1956-2017年平均氣溫變化速率約為0.43℃· (10a)-1，降水量遞減速率約為6.32 mm·(10a)-1，有暖干趨勢，與上述分區(qū)結(jié)果一致。全球平均表面溫度1951-2012年期間升溫率為0.12 ℃· (10a)-1[1]，中國1961-2015年間升溫率為0.32 ℃· (10a)-1[20]，錫林郭勒1956-2017年間平均氣溫上升速率比全球升溫率高258.33%，比全國升溫率高34.38%。北半球中緯度陸地區(qū)域，降水從1901年起出現(xiàn)了上升(在1951年以前為中等信度，1951年后為高信度)[1]，中國1960-2013年降水量線性增加率為0.94 mm· (10a)-1[21]，錫林郭勒盟1956-2017年期間年降水量遞減速率約為6.32 mm· (10a)-1，與全球和全國降水量整體變化趨勢相反。

圖2 錫林郭勒盟年降水量變化及小波方差Fig.2 The average annual precipitation variation in Xilingol League and wavelet variations

圖3 錫林郭勒盟蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量變化及小波方差Fig.3 The average annual pan evaporation variation in Xilingol League and wavelet variations

圖4 錫林郭勒盟年平均風(fēng)速變化及小波方差Fig.4 The average annual wind speed variation in Xilingol League and wavelet variations

圖5 錫林郭勒盟總?cè)丝谂c地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)變化Fig.5 Changes in the total population and GDP of Xilingol League

大量研究表明，地球地表上升平均溫度中超過一半極可能是人為增加的溫室氣體(CO2、CH4、N2O等)和其他人為因素(氣溶膠、土地利用、地表反照率和臭氧變化)共同造成。從全球來看，1970-2010年CO2排放量占溫室氣體總排放量的78%；經(jīng)濟發(fā)展和人口增長仍然是推動因化石燃料燃燒造成CO2排放增加的兩個最重要因素[1]。如圖 5所示，從1947年至今，錫林郭勒盟的人口一直呈上升趨勢，1947年全盟僅有18.85萬人，2017年全盟的人口數(shù)量達到了105.16萬人。1949年的地區(qū)生產(chǎn)總值(GDP)僅為0.21億元，1949年至20世紀(jì)90年代，GDP較低，且增長緩慢；20世紀(jì)90年代至2000年前后，地區(qū)GDP增長明顯；2000年至今，地區(qū)GDP呈現(xiàn)快速增長趨勢，2017年生產(chǎn)總值高達1 090.47億元。與之相應(yīng)的能源消費總量(原煤和原油及其制品、天然氣等)也在快速增加，溫室氣體排放持續(xù)上升，這有利于本區(qū)氣溫的升高[22]。但是，錫林郭勒盟氣溫從20世紀(jì)70年代就開始上升，而GDP在2000年以后快速增加，兩者變化并未同步，說明本區(qū)氣溫的上升主要是受全球變暖背景的影響。氣候變化是生態(tài)環(huán)境各因子變化的綜合體現(xiàn)，是人類活動與自然因素共同作用的復(fù)雜過程，區(qū)域環(huán)境變化與區(qū)域氣候變化的互饋機制，以及各因子對氣候變化的作用機理及定量化，有待今后進一步研究探討，但草原生態(tài)系統(tǒng)對全球及中國氣候變暖的貢獻不可忽視[10]。

氣候變化將會放大自然系統(tǒng)和人類系統(tǒng)的現(xiàn)存風(fēng)險，同時帶來各種新生風(fēng)險；極端天氣發(fā)生的概率增加，陸地、淡水和海洋生物面臨更大滅絕風(fēng)險，水資源競爭加劇，給生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能帶來挑戰(zhàn)，對全球和區(qū)域的糧食安全帶來較大風(fēng)險[1]。錫林郭勒草原產(chǎn)草量的時空變化與主要氣候因素關(guān)系密切[23]，氣溫、降水量對錫林郭勒草原凈初級生產(chǎn)力(NPP)的影響存在正協(xié)同效應(yīng)，但氣溫不如降水的影響大[24]。近幾十年，錫林郭勒盟草地面積持續(xù)萎縮、草場質(zhì)量不斷下降，造成牧區(qū)草地生態(tài)系統(tǒng)問題的主要原因是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟活動強度加大導(dǎo)致的草地載畜量的增加、草地開墾規(guī)模的擴大以及作為社會因素的牧區(qū)人口數(shù)量的不斷上升；區(qū)域氣候的“暖干化”趨勢加劇了錫林郭勒草地的退化[13, 25]。同時，氣候變化直接引起地表水熱條件的改變，使得植物的物候[26]和生長狀況發(fā)生變化，地表反照率也隨之改變[27]。

全球許多地區(qū)的蒸發(fā)皿蒸發(fā)量存在著顯著的下降趨勢，出現(xiàn)了所謂的“蒸發(fā)悖論”[28]。中國近50年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量平均減少速率為17.2 mm·(10a)-1[29]。云量和氣溶膠的增加，導(dǎo)致的地表太陽輻射減少、氣溫日較差和水汽壓差變?nèi)跏侨蛘舭l(fā)減少的主要原因[28, 30]。錫林郭勒盟蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量變化趨勢與全球和中國的整體變化趨勢不一致。師桂花[31]研究認(rèn)為氣溫上升、相對濕度降低是造成該區(qū)蒸發(fā)量上升的主要原因。

全球范圍來看，熱帶和中緯度近地表風(fēng)速正在減小，而高緯度的地表風(fēng)速在增加[32]。中國1961-2014年近地表風(fēng)速遞減速率約為0.18 m·s-1·(10a)-1[33]。錫林郭勒盟年平均風(fēng)速的變化趨勢和全國一致，遞減速率為0.16 m·s-1·(10a)-1，比全國平均遞減速率略低。在全球和亞洲變暖的背景下，近幾十年來，亞洲冬、夏季風(fēng)減弱以及亞洲緯向環(huán)流加強、經(jīng)向環(huán)流指數(shù)減弱導(dǎo)致中國中高緯度地區(qū)冷空氣南下次數(shù)減少，中國寒潮次數(shù)減少與中國沙塵暴減少、亞洲溫帶氣旋數(shù)在中緯度明顯減少，這是中國大范圍風(fēng)速減小的體現(xiàn)和可能原因[34-35]。

佟斯琴[36]的研究結(jié)果表明， 錫林郭勒盟1961-2010年的氣溫變化具有28、9 a和5 a的顯著周期，與本試驗結(jié)果略有不同。其研究結(jié)果還表明錫林郭勒盟1961-2010年的降水存在25 a和7 a的震蕩周期[36]；王海梅[37]的研究結(jié)果表明錫林郭勒盟的降水在25～32 a的時間尺度上有較明顯的周期信號；本研究結(jié)果與上述兩個研究基本一致。宋小園[38]對位于錫林郭勒盟東南部的錫林河流域的1960-2010年蒸發(fā)的研究表明，錫林河流域年蒸發(fā)的第一主周期為23 a；研究區(qū)鄰區(qū)科右中旗1964-2010年的蒸發(fā)量有8 a的震蕩周期[39]，鄂爾多斯高原的年蒸發(fā)量在12～14 a和21～22 a尺度震蕩特征明顯[40]，上述研究結(jié)果與本研究有較大差異。

5 結(jié) 論

本文利用錫林郭勒盟8個國家氣象站點1956-2017年的氣象數(shù)據(jù)，分析了該區(qū)氣溫、降水、蒸發(fā)皿蒸發(fā)量和風(fēng)速的變化特征，得出結(jié)論如下:

1)錫林郭勒盟1956-2017年期間的年平均氣溫具有顯著上升趨勢，上升速率為0.43 ℃·(10a)-1，比全國氣溫上升速率高34.38%；存在27、21、13 a和6 a的周期。

2)錫林郭勒盟1956-2017年期間年降水量最小值為158.58 mm，最大值為418.19 mm，平均值為253.86 mm；存在28 a和7 a的周期。年降水量有微弱遞減趨勢，該遞減趨勢未通過0.05顯著性水平檢驗；遞減速率約為6.32 mm·(10a)-1，與全球和全國的整體變化趨勢相反。

3)錫林郭勒盟1956-2017年期間年蒸發(fā)皿蒸發(fā)量最小值為1 817.26 mm，最大值為2 471.13 mm，平均值為2 164.75 mm，周期性弱；蒸發(fā)皿年蒸發(fā)量具有遞增趨勢，該趨勢通過了0.01顯著性水平檢驗；遞增速率為10.90 mm·(10a)-1，與全球和全國的整體變化趨勢相反。

4)錫林郭勒盟1956-2017年期間年平均風(fēng)速最小值為3.17 m·s-1，最大值為4.36 m·s-1，平均值為3.76 m·s-1，存在28 a的周期。年平均風(fēng)速具有明顯的遞減趨勢，該遞減趨勢通過了0.01顯著性水平檢驗；遞減速率為0.16 m·s-1·(10a)-1，比全國平均遞減速率略低。