毛烏素沙地1960-2018年氣候變化特征及影響因子分析

方 欣, 劉小槺,2, 岳大鵬

(1.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119; 2.陜西師范大學(xué) 行星風(fēng)沙科學(xué)研究院, 西安 710119)

地球是人類賴以生存棲息的家園，但近年其環(huán)境溫度不斷攀升導(dǎo)致各類氣象災(zāi)害頻頻發(fā)生，這給人類的生命安全、生產(chǎn)生活等各方面帶來一系列問題與挑戰(zhàn)。IPCC第5次報(bào)告指出，在1983—2012年期間，北半球的氣溫可能達(dá)到近1 400 a以來的氣溫最高值[1]。國內(nèi)外學(xué)者在此背景下從不同時(shí)空尺度視角對(duì)全球各區(qū)域的氣候變化情況進(jìn)行分析研究，研究發(fā)現(xiàn)：亞太地區(qū)的極端氣溫事件與近期平均溫度上升之間存在著季節(jié)性和日不對(duì)稱性的變化[2]；伊朗近50 a的平均氣溫不斷上升，降水量逐漸減少[3]；馬爾馬拉地區(qū)在1975—2006年的春夏秋季節(jié)氣溫顯著上升[4]；半干旱區(qū)博茨瓦納的降雨量與南方濤動(dòng)指數(shù)(SOI)呈正相關(guān)，與海表溫度(SSTs)呈負(fù)相關(guān)[5]。中國近59 a的氣候也呈現(xiàn)暖濕化趨勢(shì)，年平均氣溫的增速達(dá)到0.278℃/10 a，其中北方地區(qū)的增溫幅度大于南方地區(qū)的增溫幅度[6]；西北地區(qū)近52 a的年降水量呈略微增加趨勢(shì)，增速為1.73 mm/10 a[7]；蒙古高原近54 a的降水整體呈減少趨勢(shì)，其中夏秋季節(jié)降水不斷減少，而冬春季節(jié)降水逐漸增加[8]；羅布泊地區(qū)的氣溫和降水均呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，冬季溫度增速最快，夏季降水增幅最為顯著[9]。綜上可見，中國整體的近現(xiàn)代氣候變化與全球氣候變化方向保持一致，但區(qū)域內(nèi)部的氣候變化卻存在著明顯的時(shí)空差異性特征。

毛烏素沙地地處東亞夏季風(fēng)的尾閭區(qū)，對(duì)全球氣候變化響應(yīng)較為敏感，且其又位于北方農(nóng)業(yè)區(qū)與牧區(qū)交錯(cuò)過渡地帶，南部與黃土高原相連，生態(tài)環(huán)境脆弱[10]，是研究氣候變化的理想?yún)^(qū)域。有研究顯示毛烏素沙地是世界沙漠暴雨中心[11]，這意味著毛烏素沙地內(nèi)部的降水雖多，但大都以短時(shí)強(qiáng)降水的方式呈現(xiàn)，變率大且不穩(wěn)定，因此十分有必要對(duì)其近幾十年的氣候變化特征進(jìn)行分析研究。目前與毛烏素沙地氣候有關(guān)的研究，一方面集中于對(duì)區(qū)域氣候變化與沙漠化、沙漠植被關(guān)系的研究[12-13]，另一方面集中于對(duì)區(qū)域古氣候或局部區(qū)域氣候變化特征的研究[14-16]。相對(duì)來說，對(duì)毛烏素沙地整個(gè)區(qū)域近現(xiàn)代氣候變化特征進(jìn)行系統(tǒng)討論的研究較少。因此本文選取毛烏素沙地及其周邊地區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2018年的逐月氣溫和降水資料，運(yùn)用線性傾向估計(jì)、Anusplin插值、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、Morlet小波分析和R/S分析等方法對(duì)沙地近59 a的氣候變化特征和未來氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，以期得到較為詳細(xì)系統(tǒng)的毛烏素沙地氣候變化規(guī)律，為區(qū)域土地沙漠化防治、氣候?yàn)?zāi)害預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

毛烏素沙地主體包括內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市南部和陜西省榆林市北部(37°30′—39°22.5′N，107°20′—110°30′E)，總面積約4萬km2(圖1)。且其處于鄂爾多斯高原向黃土高原過渡的區(qū)域，地勢(shì)呈現(xiàn)自西北向東南傾斜的趨勢(shì)，整體海拔處于1 300～1 600 m。此外，沙區(qū)位于北半球中緯度西風(fēng)帶，在我國四大沙區(qū)中屬于受東亞夏季風(fēng)影響較大的東部沙區(qū)。區(qū)域多年的平均溫度為6.0～8.5℃，多年平均降水量自東南部(440 mm)向西北部(250 mm)呈現(xiàn)梯度式遞減，區(qū)域內(nèi)70%以上的降水由6—9月的夏季風(fēng)所帶來[17]。

注：圖中DEM數(shù)據(jù)來自地理空間數(shù)據(jù)云(http://www.gscloud.cn/)。

2數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文所使用的各氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)資料均源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)?？紤]到數(shù)據(jù)時(shí)間序列的完整性，剔除掉缺測(cè)時(shí)段較多的氣象站點(diǎn)，最終選取了毛烏素沙地及其周圍鄰近地區(qū)10個(gè)氣象站點(diǎn)(榆林、綏德、橫山、定邊、東勝、伊金霍洛旗、鹽池、惠農(nóng)、陶樂、鄂托克旗)的逐月降水和平均氣溫?cái)?shù)據(jù)。另外，對(duì)于這10個(gè)氣象站點(diǎn)中的缺測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用區(qū)域內(nèi)多年同月平均值進(jìn)行插補(bǔ)。

本文所使用的北極濤動(dòng)指數(shù)(AO)、北大西洋濤動(dòng)指數(shù)(NAO)和表征厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(ENSO)事件的各個(gè)指標(biāo)數(shù)據(jù)均來自于美國國家海洋大氣局(NOAA)。選取用于表征ENSO事件的指標(biāo)有Nio3.4區(qū)(5°S—5°N，170°—120°W)的海表溫度距平指數(shù)(SSTA)、多變量厄爾尼諾指數(shù)(MEI)和南方濤動(dòng)指數(shù)(SOI)。對(duì)于研究區(qū)域的季節(jié)劃分，采用氣象季節(jié)劃分法，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

2.2 研究方法

本文運(yùn)用線性傾向估計(jì)法[18]研究毛烏素沙地年、季節(jié)氣溫和降水的變化趨勢(shì)；運(yùn)用Anusplin模型進(jìn)行空間插值[19-20]以得到毛烏素沙地氣溫和降水多年變化的空間分布格局；運(yùn)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法[18]分析毛烏素沙地氣溫和降水的突變情況，同時(shí)輔以累積距平法[18]和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[18]對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行核實(shí)檢驗(yàn)；采用Morlet連續(xù)小波分析法[21]研究毛烏素沙地氣溫和降水的周期變化狀況；運(yùn)用R/S分析法[21]預(yù)測(cè)毛烏素沙地氣溫和降水的未來變化趨勢(shì)；最后基于Pearson相關(guān)分析法[18]分析毛烏素沙地近幾十年氣溫和降水變化的影響因素。

本文在運(yùn)用Anusplin4.2軟件對(duì)年平均氣溫變化率和年降水變化率數(shù)據(jù)進(jìn)行插值時(shí)，使用的是三變量局部薄盤光滑樣條函數(shù)，即自變量為經(jīng)度和緯度，協(xié)變量為海拔高度。此外，插值中所使用的DEM數(shù)據(jù)分辨率為1 km×1 km，樣條次數(shù)設(shè)置為3。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫和降水的變化趨勢(shì)

根據(jù)毛烏素沙地及其周圍鄰近地區(qū)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，在1960—2018年，毛烏素沙地的多年平均溫度為8.27℃，增溫速率為0.35℃/10 a，其略高于黃土高原地區(qū)的增溫速率(0.31℃/10 a)[22]，略低于內(nèi)蒙古地區(qū)的增溫速率(0.38℃/10 a)[23]。在20世紀(jì)60年代—80年代中期，毛烏素沙地年平均溫度的累積距平值不斷下降，最低溫度值出現(xiàn)在1967年，為6.71℃，此時(shí)沙地氣候偏冷。但自90年代中期以來，特別是在近10 a，沙地氣候迅速轉(zhuǎn)暖，且在1998年，沙地的年均溫達(dá)到最高值，為9.76℃，詳見圖2A。而同在1998年，距毛烏素沙地較近的內(nèi)蒙古[23]、山西[24]也出現(xiàn)了有觀測(cè)以來的溫度最高值。

毛烏素沙地的季節(jié)增溫速率分別為0.40℃/10 a(春季)，0.21℃/10 a(夏季)，0.29℃/10 a(秋季)和0.48℃/10 a(冬季)，均通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)，詳見表1。沙地四季增溫顯著，尤其是在冬春季節(jié)，增溫速率非?？?，明顯地高于中國中部地區(qū)[春季(0.29℃/10 a)、冬季(0.28℃/10 a)]的增溫速率[25]。這與全球的“暖冬化”趨勢(shì)是基本保持一致的。

在1960—2018年，毛烏素沙地的多年平均降水量為325.07 mm，年降水量的變化速率為2.88 mm/10 a(未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn))，整體呈現(xiàn)略微的增加趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)并不顯著。自20世紀(jì)80年代—21世紀(jì)初，毛烏素沙地的年降水量累積距平值不斷波動(dòng)下降，沙地處于偏干旱時(shí)期，年降水量谷值出現(xiàn)于1965年，為159.36 mm。但自2010年以來，沙地的降水開始明顯增多，氣候開始轉(zhuǎn)濕，詳見圖2B。

圖2 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水量變化趨勢(shì)

毛烏素沙地四季降水量的變化速率分別為-0.02 mm/10 a(春季)，1.68 mm/10 a(夏季)，0.67 mm/10 a(秋季)和0.54 mm/10 a(冬季)，其中夏季降水的增速最快，但也未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)，詳見表1?？梢?，沙地的季節(jié)降水變化趨勢(shì)并不顯著。

近59 a，毛烏素沙地年平均溫度的變化速率處于0.10～0.65℃/10 a范圍內(nèi)。其中沙地東北部和西北部地區(qū)的增溫速率較快，特別是在沙地東北部的神木地區(qū)，增溫速率最快，而在沙地的中部和南部地區(qū)，增溫速率相對(duì)較慢。此外，毛烏素沙地的溫度變化速率隨地區(qū)的海拔升高而加快。毛烏素沙地近59 a的年降水變化速率處于-1.03～16.25 mm/10 a范圍內(nèi)，其中沙地中部的大部分地區(qū)年降水呈增加趨勢(shì)，增加速率較快，但西北部和東南部地區(qū)的年降水變化并不明顯，且沙地的年降水變化速率與地區(qū)海拔無明顯相關(guān)性，詳見圖3。

3.2 氣溫和降水的突變性檢驗(yàn)

根據(jù)毛烏素沙地年平均氣溫的M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果來看(圖4A)，UF和UK時(shí)間序列曲線出現(xiàn)交點(diǎn)的時(shí)間為1994年，且此交點(diǎn)處于兩條0.05置信水平線間，可認(rèn)定其為突變點(diǎn)。在1978—1994年，UF序列曲線值大于0，毛烏素沙地的年平均氣溫緩慢上升，自1994年之后，UF序列曲線值逐漸開始超過0.05置信水平線，甚至越過0.001置信水平線，沙地的年平均氣溫顯著上升，據(jù)此可初步判斷毛烏素沙地近59 a的年平均氣溫在1994年迅速轉(zhuǎn)暖。但這與前文中毛烏素沙地年平均氣溫累積距平圖(圖1)顯示的結(jié)果(年平均氣溫在1996年發(fā)生突變)并不一致，為進(jìn)一步確定毛烏素沙地年平均氣溫的突變時(shí)間，于是對(duì)其進(jìn)行了10 a，15 a步長的滑動(dòng)t檢驗(yàn)，結(jié)果分別顯示沙地的年平均氣溫可能在1986年、1996年發(fā)生突變，詳見圖5A。綜合3種檢驗(yàn)方法的結(jié)果來看，可判定毛烏素沙地的年平均氣溫在1996年發(fā)生突變，這與我國中部地區(qū)安徽的年平均氣溫突變時(shí)間[25]是一致的。同樣綜合分析毛烏素沙地各季節(jié)平均氣溫的累積距平、M-K突變檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)果，可得到毛烏素沙地季節(jié)平均氣溫的突變時(shí)間點(diǎn)分別在1996年(春季、夏季)，1986年(秋季、冬季)，詳見表2。

表1 毛烏素沙地氣溫和降水季節(jié)變化趨勢(shì)

圖3 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水量多年變化的空間分布格局

圖4 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的M-K統(tǒng)計(jì)曲線

表2 毛烏素沙地氣溫和降水的突變年份分析

圖5 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的滑動(dòng)t檢驗(yàn)曲線

根據(jù)毛烏素沙地近59 a的年降水M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果來看，UF和UK時(shí)間序列曲線交點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間為2016年。在2016年以前，毛烏素沙地的年降水不斷減少，自此之后沙地的年降水量開始不斷增加，但在這兩段時(shí)間序列內(nèi)，UF時(shí)間序列的曲線值一直未突破0.05置信水平線，意味著在此期間沙地年降水的下降和上升趨勢(shì)并不顯著。并且此交叉點(diǎn)出現(xiàn)在研究時(shí)段的尾期，交叉點(diǎn)后的數(shù)據(jù)時(shí)間序列過短，因此認(rèn)為得到的結(jié)果可信度不高，詳見圖4B。同樣根據(jù)累積距平和滑動(dòng)t檢驗(yàn)的結(jié)果來看，毛烏素沙地的年降水變化也未呈現(xiàn)出明顯的突變時(shí)間點(diǎn)，詳見圖5B，三者綜合分析可判斷毛烏素沙地的年降水在近59 a內(nèi)無明顯突變，這與張雪琴等[26]的研究結(jié)果是一致的。同樣綜合分析可得到近59 a內(nèi)毛烏素沙地春、夏、冬季的降水無明顯突變，秋季降水可能在2000年、2006年發(fā)生突變，詳見表2。

3.3 氣溫和降水的周期變化

對(duì)于毛烏素沙地的年平均溫度時(shí)間序列，其滯后自相關(guān)系數(shù)為0.68，因此采用紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。而對(duì)于毛烏素沙地的年降水時(shí)間序列，其滯后自相關(guān)系數(shù)為-0.01，是負(fù)值，因此采用白噪音標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。當(dāng)所研究時(shí)間序列的小波功率譜值大于標(biāo)準(zhǔn)譜值(本研究選取0.05置信水平值)時(shí)，所研究的結(jié)果是可信的，即對(duì)應(yīng)本文小波功率譜圖中黑色粗曲線圈起來的區(qū)域[18]。

毛烏素沙地年平均溫度存在4 a，7 a，16 a左右的周期變化，其中4 a，7 a左右的振蕩周期存在于整個(gè)時(shí)間序列，但在20世紀(jì)80—90年代，4 a左右的振蕩周期較為顯著，且通過了95%的紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)，因此認(rèn)為其是年平均溫度時(shí)間序列的主周期，詳見圖6A。

毛烏素沙地的年降水主要存在3～4 a，8 a，12 a左右的振蕩周期，其中3～4 a的短振蕩周期存在于整個(gè)時(shí)間序列。在20世紀(jì)70—80年代主要存在8 a左右的振蕩周期，而在20世紀(jì)90年代主要存在12 a左右的振蕩周期。圖中雖存在一個(gè)通過95%白噪音標(biāo)準(zhǔn)譜檢驗(yàn)的4 a左右的顯著振蕩周期，但由于其位于受邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域，因此認(rèn)為該結(jié)果不可信，詳見圖6B。綜上可見，近59 a來，毛烏素沙地的年降水不存在顯著振蕩周期變化。

圖6 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的小波功率譜和小波方差

3.4 氣溫和降水的未來變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的Hurst指數(shù)均大于0.5，說明二者未來均會(huì)持續(xù)增加。尤其是年平均氣溫的Hurst指數(shù)為0.998，非常接近于1，表明毛烏素沙地未來的年平均溫度會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)性較強(qiáng)的上升趨勢(shì)，詳見圖7。

毛烏素沙地四季平均溫度的Hurst指數(shù)分別為0.86(春季)，0.84(夏季)，0.90(秋季)和0.96(冬季)，均大于0.8，表明沙地未來各季節(jié)的平均溫度均會(huì)呈現(xiàn)強(qiáng)持續(xù)性上升趨勢(shì)，尤其是冬季平均氣溫持續(xù)性上升的趨勢(shì)最強(qiáng)。未來毛烏素沙地的春、夏季降水會(huì)逐漸減少，而冬季降水會(huì)持續(xù)增加，但因其Hurst指數(shù)均接近于0.5，所以減少和增加趨勢(shì)的持續(xù)性均較弱。秋季降水的Hurst指數(shù)為0.89，遠(yuǎn)高于其他各季節(jié)，表明沙地秋季未來降水會(huì)呈現(xiàn)持續(xù)性很強(qiáng)的增加趨勢(shì)，詳見表3。

圖7 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的Hurst指數(shù)

表3 毛烏素沙地季節(jié)氣溫和降水的Hurst指數(shù)

3.5 氣溫和降水變化的影響因素分析

ENSO與毛烏素沙地冬季氣溫、秋季降水的相關(guān)性較強(qiáng)。其中MEI，SSTA與沙地冬季溫度呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，與沙地秋季降水呈負(fù)相關(guān)。SOI與沙地冬季溫度呈負(fù)相關(guān)，與沙地秋季降水呈正相關(guān)，但其相關(guān)性均未通過0.05顯著性水平檢驗(yàn)。所以總的來看，ENSO對(duì)毛烏素沙地冬季氣溫有較為顯著的影響。

AO和NAO對(duì)毛烏素沙地的降水影響較為明顯。其中AO與毛烏素沙地春、夏、冬季的降水呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，尤其是與冬夏季節(jié)降水的相關(guān)性通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)。NAO與毛烏素沙地冬、夏季節(jié)降水呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。綜合可見，AO和NAO對(duì)毛烏素沙地冬夏季節(jié)的降水影響比較顯著，詳見表4。

表4 毛烏素沙地氣溫和降水變化與大氣環(huán)流指數(shù)的相關(guān)性

4 結(jié) 論

(1) 毛烏素沙地近59 a來的年平均氣溫顯著上升，增溫速率達(dá)到0.35℃/10 a。在冬春季節(jié)，升溫現(xiàn)象最為顯著，且毛烏素沙地的增溫速率隨地區(qū)海拔升高而加快。年降水變化整體呈上升趨勢(shì)，變化速率為2.88 mm/10 a，其中夏季降水的增速相對(duì)較快，為1.68 mm/10 a，但變化趨勢(shì)均不顯著?？傮w來看，毛烏素沙地近10 a氣候呈現(xiàn)較明顯的暖濕化趨勢(shì)。

(2) 近59 a來，毛烏素沙地的年平均溫度約在1996年發(fā)生突變，其主要存在4 a左右的短變化周期。其中春、夏季節(jié)的平均溫度約在1996年發(fā)生突變，而秋、冬季節(jié)的平均溫度約在1986年發(fā)生突變。對(duì)于年降水而言，其在近59 a無明顯的突變時(shí)間點(diǎn)，且無顯著的變化周期，秋季降水可能在2000年、2006年發(fā)生突變。

(3) 未來毛烏素沙地的年和各季節(jié)平均溫度依然會(huì)呈上升趨勢(shì)，且持續(xù)性較強(qiáng)。年降水未來變化也基本呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，其中秋季降水持續(xù)性增加的趨勢(shì)較強(qiáng)。

(4) ENSO事件對(duì)毛烏素沙地冬季溫度影響較大，北極濤動(dòng)(AO)和北大西洋濤動(dòng)(NAO)對(duì)毛烏素沙地冬夏季降水影響較為顯著。

近年來，毛烏素沙地的生態(tài)環(huán)境不斷得到改善，特別是榆林地區(qū)的森林覆蓋率達(dá)到了34.8%[27]，昔日的滾滾黃沙如今已綠樹成蔭。本文通過對(duì)毛烏素沙地近59 a平均氣溫和降水的變化規(guī)律進(jìn)行定量分析，有助于甄別分析區(qū)域近年植被覆蓋度發(fā)生變化的原因。同時(shí)區(qū)域植物群落、植被覆蓋度發(fā)生變化又會(huì)影響到該地氣溫和降水的變化，因此準(zhǔn)確把握毛烏素沙地近年氣候變化與植被變化之間的關(guān)系對(duì)推進(jìn)區(qū)域沙地治理、促進(jìn)區(qū)域可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。此外，區(qū)域氣候變化是多要素綜合作用的結(jié)果，其不僅會(huì)受到地形地勢(shì)、植物群落變化等外部因素的影響，也會(huì)受到各氣象因子內(nèi)部間相互作用的制約，如何綜合且定量地分析各要素對(duì)毛烏素沙地氣溫和降水變化的作用程度，并基于此對(duì)該區(qū)域未來氣候變化進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，仍待日后進(jìn)一步深入研究與完善。