毛烏素沙地氣候變暖停滯現(xiàn)象及其氣溫和降水特征

李 佳，郭 嵐，楊梅煥，趙 剛，王 濤

(1.西安科技大學 測繪科學與技術學院，陜西 西安 710054；2.陜西國圖信息技術有限公司，陜西 西安 710034)

1 研究背景

全球氣候變暖及其引發(fā)的全球和區(qū)域極端氣候事件(極端降水和極端干旱事件)頻發(fā)等，給人類社會造成了極大的生命和財產(chǎn)損失，受到廣泛重視[1-2]。氣候變化過程較為復雜，存在明顯周期性特征。全球氣候變暖過程中氣溫變化的波動性也受到較多關注，其中1998-2012年全球平均氣溫變化速率僅為0.05 ℃/10a(HadCRUT 4數(shù)據(jù)集)，遠低于1970-1998年的變化速率0.18 ℃/10a，部分學者將氣溫增速放緩、部分區(qū)域氣溫增速不變或下降的1998-2012年稱為氣候變暖停滯時期(hiatus)[3-5]，并開展了氣候變暖停滯時期的湖泊響應、氣候變化特征等方面的研究[6-8]。盡管氣候變暖停滯并未改變?nèi)驓夂蜃兣M程及其所引起的全球極端氣候事件的發(fā)生[9]，但氣候變暖停滯作為全球氣候變暖過程中的特殊現(xiàn)象，對其發(fā)生期間和發(fā)生前后的氣溫、降水變化特征、驅(qū)動因素、生態(tài)響應等，以及其可能導致的潛在氣候災害進行科學研究與判斷，有助于合理調(diào)整我國生態(tài)環(huán)境及公共管理政策，以適應未來氣候變化。

氣候變暖停滯現(xiàn)象是否存在、是否具有全球同步性以及極端氣候事件對其的響應狀況是國內(nèi)外學者關注的問題。Wang等[10]研究證實1998-2012年δ18O略有下降，表明了全球氣候變暖停滯現(xiàn)象的存在。但Huang等[11]研究認為全球平均氣溫計算時若考慮北極情況，則不存在氣候停滯現(xiàn)象。Trenberth[12]研究認為冬季北半球尤其是歐亞大陸氣候變暖停滯現(xiàn)象尤為明顯。這些研究結果表明hiatus現(xiàn)象確實存在，但不具有全球同步性。國內(nèi)學者對我國氣候變暖停滯現(xiàn)象也開展了國家和區(qū)域?qū)用嫦嚓P研究工作。如杜勤勤等[13]研究認為我國平均氣溫存在明顯的變暖中斷，尤其是我國東部和西北地區(qū)。李哲等[14]通過進一步研究表明，我國西北地區(qū)1998-2012年年平均氣溫增速(-0.20 ℃/10a)較全球同期(0.05 ℃/10a)下降了0.25 ℃/10a，氣候變暖停滯現(xiàn)象明顯，冬季平均氣溫增速減緩可能是氣候變暖停滯的主因。區(qū)域?qū)用嫔?，Ma等[15]研究認為內(nèi)蒙古也存在同全球氣候變化過程中類似的hiatus現(xiàn)象。我國大部分地區(qū)1998-2012年存在hiatus現(xiàn)象[13-16]，但青藏高原地區(qū)該現(xiàn)象不明顯[17]。在氣候變暖停滯導致的極端氣候事件方面，Wang等[18]研究認為氣候變暖停滯導致我國干旱發(fā)生概率提高了2倍；Chen等[19]研究表明氣候變暖停滯導致長江-淮河流域極端低溫頻率增大；Oiu等[20]研究認為氣候變暖停滯導致長江流域降水量低于正常水平。上述研究表明我國存在hiatus現(xiàn)象并且該現(xiàn)象具有明顯的區(qū)域差異。

毛烏素沙地屬于農(nóng)林牧交錯區(qū)域，氣候變化對其生態(tài)環(huán)境影響較大。受全球氣候變暖影響，20世紀60年代以來毛烏素沙地氣候整體呈變暖趨勢，植被生態(tài)狀況逐步改善[21-23]。已有研究主要開展了長時間序列的氣候變化研究，缺少毛烏素沙地氣候變暖停滯現(xiàn)象的針對性研究。本研究利用1970-2019年毛烏素沙地地面氣象站點觀測數(shù)據(jù)，開展1998-2012年hiatus現(xiàn)象研究，并對比不同時期其氣溫、降水變化特征，以期為該地區(qū)應對氣候變化產(chǎn)生的水資源、植被生態(tài)環(huán)境變化提供科學參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

毛烏素沙地位于36°48′N～40°12′N、106°10′E～110°55′E之間，屬于鄂爾多斯高原與黃土高原過渡帶，涉及3省(自治區(qū))12縣(區(qū)、市、旗)，主要位于陜西省榆林市北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯高原東南部和寧夏回族自治區(qū)東北部。沙地行政總面積約為9.20×104km2，海拔介于255～2 000 m之間，整體南北高，東西低(圖1)。年平均氣溫為6.7～9.7 ℃，氣候由西北向東南呈干旱-半干旱-半濕潤的過渡。年降水量為210～475 mm，主要集中在7-9月，呈東南向西北遞減特征。植被類型主要由西北向東南表現(xiàn)為半荒漠草原-草原-森林草原的過渡。土地類型錯綜復雜，農(nóng)林牧交錯分布，礦產(chǎn)資源、地下水資源豐富，是我國重要的能源化工基地之一。

圖1 毛烏素沙地概況及氣象站點分布

2.2 數(shù)據(jù)來源

本文采用的氣象數(shù)據(jù)收集自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http：//data.cma.cn)，包括毛烏素沙地及其周邊13個氣象站點1970-2019年逐日平均氣溫和逐日降水量數(shù)據(jù)。對于缺失的氣溫和降水數(shù)據(jù)，采用1970-2019年該站點同日多年平均值進行插補。日降水量為微量值時，用其實際值進行替換。季節(jié)劃分采用3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季、12-次年2月為冬季的方式。

2.3 研究方法

2.3.1 線性趨勢法 線性趨勢法是用于分析氣溫、降水等時間序列數(shù)據(jù)的常用方法之一，具體計算方法參見文獻[24]。線性趨勢包括線性變化速率的計算和顯著性檢驗。本文利用線性趨勢方法對1970-2019年、1970-1998年、1998-2012年、2012-2019年4個不同時間階段毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫、降水量變化趨勢特征進行對比分析，明確毛烏素沙地是否存在hiatus現(xiàn)象及其表現(xiàn)出的氣溫、降水變化特征。

2.3.2 Mann-Kendall突變檢驗 Mann-Kendall(M-K)法是一種人為影響少、定量化程度高的非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，具體計算方法參見文獻[25]。本文采用此方法對1970-2019年毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫、降水量進行突變檢驗，并結合年際和季節(jié)平均氣溫、降水量的距平值變化曲線，綜合分析判斷變化過程的突變年份及突變前后的平均氣溫和降水量的變化特征。

3 結果與分析

3.1 氣溫年際和季節(jié)變化特征

1970-2019年不同時段毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫線性變化速率見表1，年際和季節(jié)平均氣溫距平值變化如圖2所示。

表1 1970-2019年不同時段毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫線性變化速率℃/10a

圖2 1970-2019年毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫距平值變化

對表1和圖2綜合分析如下：

(1)氣溫年際變化特征方面，1970-2019年毛烏素沙地年平均氣溫總體呈顯著線性增加趨勢，增加速率為0.42 ℃/10a(P<0.01)，約為我國年平均氣溫增加速率(0.23 ℃/10a)的2倍，是全球年平均氣溫增加速率(0.12 ℃/10a)的3.5倍[2]。分階段來看，1970-1998年毛烏素沙地年平均氣溫呈不顯著線性增加過程，增加速率為0.39 ℃/10a；1998-2012年呈顯著線性減少過程，減少速率為-0.70 ℃/10a(P<0.05)，低于HadCRUT4數(shù)據(jù)集給出的1998-2012年全球平均氣溫增加速率(0.05 ℃/10a)[5]，這一結果表明1998-2012年毛烏素沙地存在明顯的Hiatus現(xiàn)象。2012年以后毛烏素沙地年平均氣溫呈不顯著線性增加過程，增加速率達到1.03 ℃/10a。世界氣象組織在報告中指出[26]，2015年以后全球擁有了有記錄以來最熱的5年，全球變暖沒有停止。盡管全球氣候變暖大趨勢不會因為短時期氣溫下降或增加速率停滯而改變，但毛烏素沙地氣候變暖停滯過程中的降溫作用和結束后的大幅升溫過程可能對植被生態(tài)產(chǎn)生影響，需重點關注。

(2)氣溫季節(jié)變化特征方面，1970-2019年毛烏素沙地各季節(jié)平均氣溫均呈顯著線性增加趨勢，春季和冬季平均氣溫增加速率高于1970-2019年，分別為0.54 ℃/10a(P<0.01)和0.50 ℃/10a(P<0.01)；秋季和夏季平均氣溫增加速率低于1970-2019年，分別為0.36 ℃/10a(P<0.01)和0.25 ℃/10a(P<0.01)。分階段來看，氣候變暖停滯發(fā)生前的1970-1998年，毛烏素沙地各季節(jié)平均氣溫均呈線性增加過程，其中冬季和秋季平均氣溫增加速率最高，分別達到0.77 ℃/10a(P<0.05)和0.41 ℃/10a(P<0.05)，春季平均氣溫增加速率也較高，但未通過0.05顯著性水平檢驗。氣候變暖停滯發(fā)生的1998-2012年，毛烏素沙地各季節(jié)平均氣溫均呈線性減少過程，其中冬季平均氣溫減少速率最高，達到-1.35 ℃/10a，春季和秋季次之，分別為-0.69和-0.59 ℃/10a。氣候變暖停滯結束后的2012-2019年，毛烏素沙地各季節(jié)平均氣溫均呈線性增加過程，各季節(jié)增加速率均高于1970-1998年，其中秋季和冬季的增加速率分別達到1.18和1.01 ℃/10a，春季和夏季也分別達到0.91和0.85 ℃/10a。

對13個氣象站點年際和季節(jié)平均氣溫變化速率進行統(tǒng)計，結果見圖3。圖3表明，1970-2019、1970-1998和2012-2019年各站點年際和季節(jié)平均氣溫變化速率均為正值，表現(xiàn)為平均氣溫的增加過程，其中尤以2012-2019年平均氣溫增加速率最高；1998-2012年各站點年際和季節(jié)平均氣溫變化速率均為負值，表現(xiàn)為平均氣溫的減少過程，即該時段出現(xiàn)氣候變暖停滯現(xiàn)象。

圖3 1970-2019年不同時段毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫線性變化速率

3.2 降水量年際和季節(jié)變化特征

1970-2019年不同時段毛烏素沙地年際和季節(jié)降水量線性變化速率見表2，年際和季節(jié)降水量距平值變化如圖4所示。

表2 1970-2019年不同時段毛烏素沙地年際和季節(jié)降水量線性變化速率 mm/10a

對表2和圖4綜合分析如下：

圖4 1970-2019年毛烏素沙地年際和季節(jié)降水量距平值變化

(1)降水年際變化特征方面，1970-2019年毛烏素沙地年降水量總體呈顯著線性增加趨勢，增加速率為17.42 mm/10a(P<0.05)。分階段來看，1970-1998年和1998-2012年年降水量呈不顯著增加過程，增加速率分別為18.72和47.61 mm/10a，2012-2019年年降水量呈減少過程，減少速率為2.71 mm/10a。結合氣溫年際變化特征，總體上1970-2019年毛烏素沙地呈現(xiàn)暖濕化趨勢，但在氣候變暖停滯發(fā)生的1998-2012年，隨著氣溫的大幅下降，降水呈現(xiàn)大幅增加態(tài)勢。同時在氣候變暖停滯結束后，毛烏素沙地年降水量呈現(xiàn)出下降趨勢。這些跡象表明，hiatus現(xiàn)象可能已經(jīng)對區(qū)域乃至全球氣候變化產(chǎn)生了重要影響，還需對其內(nèi)在機理加強研究。

(2)降水季節(jié)變化特征方面，1970-2019年毛烏素沙地各季節(jié)降水量均呈顯著線性增加趨勢(P<0.05)，增加速率表現(xiàn)為秋季(6.98 mm/10a)>春季(4.29 mm/10a)>夏季(4.02 mm/10a)>冬季(1.82 mm/10a)。分階段來看，氣候變暖停滯發(fā)生前的1970-1998年，毛烏素沙地除秋季降水量呈減少過程外，夏季、春季和冬季降水量均呈增加過程，以夏季和春季降水量增加速率最高。氣候變暖停滯發(fā)生的1998-2012年，毛烏素沙地春季降水量呈下降過程，秋季、夏季和冬季降水量呈增加過程，以秋季和夏季降水量增加速率最高，其中秋季降水量增加速率達到29.33 mm/10a(P<0.05)。氣候變暖停滯結束后的2012-2019年，毛烏素沙地降水量以秋季和春季變化過程相反為特征，其中秋季降水量減少速率最高，達到32.03 mm/10a，春季降水量增加速率最高，達到26.00 mm/10a。

對13個氣象站點年際和季節(jié)降水量變化速率進行統(tǒng)計，結果見圖5。圖5表明，1970-2019年各站點年際和季節(jié)降水量變化速率均為正值，即降水量呈增加過程。1970-1998年秋季、1998-2012年春季和2012-2019年秋季降水量變化速率為負值，呈減少過程。2012-2019年各站點年際和夏季降水量變化速率差異較大，年際總體表現(xiàn)為減少過程，夏季總體表現(xiàn)為增加過程，但有部分站點表現(xiàn)特征與此相反。

圖5 1970-2019年不同時段毛烏素沙地年際和季節(jié)降水量線性變化速率

3.3 氣溫與降水量突變分析

3.3.1 氣溫突變分析 基于1970-2019年年際和季節(jié)平均氣溫數(shù)據(jù)，進行M-K突變檢驗，分析毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫突變特征，如圖6所示。

由圖6可以看出：(1)年際上，UF曲線與UB曲線在1996年出現(xiàn)交點，且交點在顯著性水平(α=0.05)以內(nèi)，表明毛烏素沙地年平均氣溫于1996年發(fā)生增加突變，UF曲線在1998年以后超過0.05顯著性水平，增加趨勢明顯(圖6(a))。結合年際平均氣溫距平變化(圖2(a))，毛烏素沙地年平均氣溫在1996年發(fā)生增加突變后，于1998年開始波動，1998-2012年表現(xiàn)為降溫過程，2012年年平均氣溫出現(xiàn)最低值，之后快速回溫。(2)季節(jié)上，毛烏素沙地夏季、秋季和冬季UF曲線與UB曲線存在交點，且均在臨界線(α=0.05)以內(nèi)，表明1970-2019年毛烏素沙地夏季、秋季和冬季平均氣溫存在增加突變(圖6(b)～6(e))。結合季節(jié)平均氣溫距平變化(圖2(b)～2(e))，毛烏素沙地夏季平均氣溫于1998年發(fā)生增加突變，1998-2012年未表現(xiàn)為增加過程，2012年之后呈增加過程。秋季平均氣溫于1998年發(fā)生增加突變后開始波動，呈下降過程，2012年出現(xiàn)極低值后快速增加。冬季平均氣溫于1994年發(fā)生增加突變后，1998年開始高位震蕩，并在2012年出現(xiàn)極低值，之后快速增加。春季平均氣溫1970-2019年未發(fā)生突變，1998-2012年平均氣溫呈穩(wěn)定狀態(tài)，2012年前后出現(xiàn)極低值，之后呈增加過程。

圖6 1970-2019年毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫突變分析

氣溫的年際和季節(jié)突變分析表明，1998-2012年毛烏素沙地氣候變暖停滯并未影響1970-2019年的總體氣候變暖趨勢。

3.3.2 降水量突變分析 基于1970-2019年年際和季節(jié)降水量數(shù)據(jù)，進行M-K突變檢驗，分析毛烏素沙地年際和季節(jié)降水量突變特征，如圖7所示。

圖7 1970-2019年毛烏素沙地年際和季節(jié)降水量突變分析

由圖7可以看出：(1)年際上，UF曲線與UB曲線在2015年出現(xiàn)交點，且交點在顯著性水平(α=0.05)以內(nèi)，即毛烏素沙地年降水量于2015年發(fā)生增加突變，UF曲線在2017年以后超過0.05顯著性水平，呈明顯增加過程(圖7(a))。結合年降水量距平變化(圖4(a))，毛烏素沙地年降水量在1998-2012年處于高位波動增加狀態(tài)，2000年出現(xiàn)極低值，2012年之后呈減少過程。(2)季節(jié)上，毛烏素沙地秋季和冬季UF曲線與UB曲線在顯著性水平界線以內(nèi)均存在交點，表明1970-2019年毛烏素沙地秋季和冬季降水量均存在突變(圖7(b)～7(e))。結合季節(jié)降水量距平變化(圖4(b)～4(e))，秋季降水量1998-2012年處于波動增加狀態(tài)，于2009年發(fā)生增加突變，2012年以后，呈波動減少過程。冬季降水量在1983年發(fā)生增加突變，之后整體呈波動增加趨勢，1998-2012年處于波動減少過程，之后呈波動增加過程。春季降水量在1983年發(fā)生增加突變之后，存在高位震蕩現(xiàn)象，后期突變特征不明顯。夏季降水量未發(fā)生突變，1998-2012年呈穩(wěn)定增加過程，2012年以后，呈減少過程。

4 討 論

本研究通過對1970-2019年毛烏素沙地氣溫及降水量變化趨勢與突變特征的分析，認為該地區(qū)1970-2019年氣候變化存在暖濕化過程(氣溫升高、降水增加)，并且1998-2012年存在明顯氣候變暖停滯現(xiàn)象(氣溫下降)。毛烏素沙地氣候變化的暖濕化過程及氣候變暖停滯現(xiàn)象在已有文獻中已得到驗證[14]。但在氣候變暖停滯時期的水熱匹配，氣候變暖停滯現(xiàn)象發(fā)生期間與結束后的水熱變化方面尚需討論。

(1)氣候變暖停滯時期的水熱匹配問題。1998-2012年的氣候變暖停滯時期，毛烏素沙地年平均氣溫下降而年降水量增加。年降水量增加很有可能是導致年平均氣溫下降的重要驅(qū)動因素，原因有二，一是地球表面熱量的分布主要與緯度位置有關，其他因素不變的情況下，太陽輻射強度變化是地表獲取熱量變化的主因；二是考慮其他因素的情況下，天氣變化尤其是陰雨天數(shù)量的增加，會顯著增加平流層大氣對太陽輻射的反射率，減少到達地表的太陽輻射量，引起近地表大氣降溫過程。降水天氣的增多主要與全球及區(qū)域大氣環(huán)流有關。已有研究在氣候變暖停滯現(xiàn)象形成機制方面存在兩種認識，一種認為太陽輻射強度減弱和平流層水汽減少及氣溶膠增加導致氣候變暖停滯[27-29]，該認識與前述觀點基本一致，即太陽輻射強度減弱、大氣反射率增加導致氣候變暖停滯。但水汽減少作為氣候變暖停滯產(chǎn)生的原因，明顯與毛烏素沙地實際情況不符，體現(xiàn)了毛烏素沙地的區(qū)域獨特性。另一種認為氣候系統(tǒng)內(nèi)部變化導致氣候變暖停滯[30-33]，如厄爾尼諾(El Nio)、南方濤動(El Nio southem oscillation,ENSO)、北大西洋濤動(north Atlantic oscillation,NAO)、北極濤動(Arctic oscillation,AO)等減弱引起氣候變暖停滯[34-37]。這種觀點強調(diào)氣候系統(tǒng)內(nèi)部異常，其實際強調(diào)的是全球熱量再分配的過程，如全球性大洋環(huán)流循環(huán)過程等。后續(xù)可進一步開展毛烏素沙地水熱匹配問題的研究，驗證氣候變暖停滯是否受到降水增多引起的大氣反射率增強影響。

(2)氣候變暖停滯期間與結束后的水熱變化問題。本研究結果反映出氣候變暖停滯的1998-2012年和結束之后的2012-2019年毛烏素沙地氣溫、降水存在極端相反的情況，即氣候變暖停滯期間氣溫下降而降水增加形成的冷濕過程，結束之后呈現(xiàn)的氣溫快速回升而降水迅速減少的暖干過程。氣溫和降水短時期內(nèi)由冷濕向暖干的變化過程，其驅(qū)動因素可能與前述一致。但氣溫和降水快速轉變可能會對較為敏感和脆弱的毛烏素沙地植被生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[38]，并且按照Bozkurt等[39]和Xu等[40]的研究結論，氣候變暖停滯現(xiàn)象可能具有周期性。1998年我國長江流域發(fā)生強降水引發(fā)洪澇災害，全球氣候變暖進入停滯時期。2021年河南中北部強降水過程是否也預示全球氣候會進入下一個變暖停滯時期？盡管氣候變暖停滯不會改變氣候變暖過程，但其產(chǎn)生的極端天氣事件需要開展深入研究。

5 結 論

(1)毛烏素沙地1970-2019年年平均氣溫呈顯著線性增加過程，增加速率為0.42 ℃/10a(P<0.01)，其中春季和冬季貢獻最大，增加速率分別達到0.54 ℃/10a(P<0.01)和0.50 ℃/10a(P<0.01)。1998-2012年毛烏素沙地存在明顯的氣候變暖停滯現(xiàn)象，年平均氣溫呈下降趨勢，變化速率為-0.70 ℃/10a(P<0.05)，其中冬季貢獻最大，變化速率達到-1.35 ℃/10a。氣候變暖停滯現(xiàn)象結束后，毛烏素沙地年際和季節(jié)平均氣溫呈現(xiàn)大幅增加過程，遠高于氣候變暖停滯之前。

(2)毛烏素沙地1970-2019年年降水量呈顯著線性增加過程，增加速率為17.42 mm/10a(P<0.05)，其中秋季貢獻最大，增加速率為6.98 mm/10a(P<0.05)，其次為春季和夏季。1998-2012年氣候變暖停滯時期，毛烏素沙地年降水量仍呈增加過程，增加速率達到47.61 mm/10a，其中秋季和夏季貢獻最大。氣候變暖停滯現(xiàn)象結束后，毛烏素沙地年降水量呈下降過程，其中秋季和春季降水量變化最為突出。

(3)毛烏素沙地1970-2019年年平均氣溫和年降水量分別于1996年和2015年發(fā)生增加突變。其中，夏季和秋季平均氣溫于1998年發(fā)生增加突變，冬季平均氣溫于1994年發(fā)生增加突變。冬季和秋季降水量分別于1983年和2009年發(fā)生增加突變。

(4)毛烏素沙地1970-2019年總體呈暖濕化過程，1998-2012年存在的氣候變暖停滯過程并未改變氣候變暖趨勢，進一步驗證了全球氣候變暖停滯現(xiàn)象的發(fā)生及其區(qū)域差異特性。關于毛烏素沙地氣候變暖停滯問題，還需在降水變化與氣溫變化的水熱匹配關系等氣候變暖停滯的發(fā)生機理方面及氣候變暖停滯對植被生態(tài)影響方面開展研究工作。