遼西北地區(qū)近60 a氣候變化趨勢及空間分異特征1)

王笑影

(中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所,沈陽,110166)

李雪華 溫日紅 季飛龍 張英明

(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所)(中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所)(中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所(中國科學(xué)院大學(xué)))

以氣候變暖為主要特征的全球變化,對地球生態(tài)系統(tǒng)、人類社會都產(chǎn)生了巨大影響[1-3]。全球氣溫顯著升高,且不同區(qū)域間有強烈的時間效應(yīng)、空間尺度依賴性。IPCC第五次評估報告指出1880—2012年全球海陸表面升溫幅度在0.65～1.06 ℃之間,平均升溫0.85 ℃[4],2018年10月IPCC進一步得出全球較工業(yè)革命前升溫1.5 ℃的結(jié)論[5]。有研究表明,自1909年我國氣候變暖速率高于全球水平,自1951年以來中國增溫速率為0.023 ℃·a-1,但我國降水量變化趨勢不明顯[6-8]。我國不同區(qū)域不同季節(jié)的氣溫和降水量變化傾向、幅度存在明顯差異[9-10]。北方農(nóng)牧交錯帶,1971—2015年平均氣溫升高0.040 ℃·a-1,但其東北部、西北部的降水量傾向率分別為-0.242、0.065 mm·a-1,即局域出現(xiàn)氣候暖干化、暖濕化的分異現(xiàn)象[11]。1961—2005年東北地區(qū)平均氣溫、降水量傾向率分別為0.038 ℃·a-1、-0.571 mm·a-1[12]。劉和平等[13]確定1966—2010年遼西北地區(qū)降水量傾向率為-0.293 mm·a-1,張藝萌等[14]研究表明遼西北地區(qū)降水量減少,1961—2010年平均氣溫傾向率為0.028 ℃·a-1。

氣候變化對人類的生產(chǎn)生活、社會經(jīng)濟、自然環(huán)境等方面存在廣泛的影響。氣候變化對陸地森林生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的影響較為明顯[15-16],特別是位于干旱、半干旱地區(qū)的脆弱生態(tài)系統(tǒng)更容易受到氣候變化的影響[17]。遼西北地區(qū)土地受沙化影響嚴重,作為遼西以北沙化生態(tài)脆弱重點區(qū)域、國家級水土流失重點治理區(qū),其生態(tài)脆弱性不容忽視[18-19]。土地利用變化的研究證實遼西北地區(qū)也是東北重要糧食主產(chǎn)區(qū)、三北防護林的重要組成部分,具有重要的生態(tài)、生產(chǎn)安全屏障功能[20-21]。以往對遼西北地區(qū)的氣候變化研究,主要集中在氣溫、降水量變化上,缺乏對遼西北整體區(qū)域多種氣象要素,特別是對不同行政區(qū)局域尺度的氣候變化比較分析[22-23]。目前已證實的氣溫、降水量變化傾向推斷遼西北地區(qū)呈現(xiàn)氣候暖干化趨勢,但目前對其他氣象要素的變化傾向、季節(jié)動態(tài)對氣候的影響以及不同局域的氣候動態(tài)差異尚不明確,導(dǎo)致對遼西北區(qū)域、不同局域的生態(tài)環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)的氣象服務(wù)功能相對比較缺乏。

本研究將遼西北地區(qū)整體視為區(qū)域尺度,遼西北地區(qū)內(nèi)部所轄23個縣市行政區(qū)域視為局域尺度,通過對近60 a(1961—2020年)的多種氣象要素動態(tài)趨勢解析,分析區(qū)域尺度上多種氣象要素的變化傾向和季節(jié)差異、局域尺度上氣象要素的變化趨勢及空間格局分異特征。本研究結(jié)果將為遼西北半干旱生態(tài)脆弱區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 研究區(qū)概況

遼西北地區(qū)是遼寧省重點干旱區(qū)域,素有“十年九旱”之稱[24],行政區(qū)劃包括鐵嶺、阜新、朝陽、錦州以及沈陽西北部的康平、法庫縣等[20],地理坐標為118°51′～124°26′E、40°35′～43°29′N。該地區(qū)屬于中溫帶季風(fēng)性氣候,自西北向東南由半干旱過渡到半濕潤,日照豐富、雨季同熱、積溫較高、降水多集中在夏季,且年際間變化較大[25]。1960—2010年間的年平均氣溫為8.3 ℃;年平均降水量為543.5 mm,年平均蒸發(fā)量為1 042.4 mm;年日照時間為2 728.5 h,大風(fēng)時間為25.7 d。該地區(qū)地形、地貌復(fù)雜多樣性,以山地丘陵為主;主要土地類型為耕地、林地、草地等。該地區(qū)主要由三大水系(遼河、大凌河、繞陽河)組成。土壤類型大體分為草甸土、鹽漬土、褐成土、森林土、生草風(fēng)沙土。植被兼有華北植物區(qū)系及內(nèi)蒙古植物區(qū)系溫帶草原特征,原生植被為少量的灌木、草本?？傮w上,該地區(qū)水土流失嚴重、生態(tài)環(huán)境脆弱,屬于干旱缺水地區(qū),特別是隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和氣候變化,水分缺失成為制約區(qū)域發(fā)展的重要因素。

2 研究方法

遼西北地區(qū)23個氣象站點60 a(1961—2020)逐日氣溫、風(fēng)速、空氣相對濕度、氣壓、日照時間、降水量、蒸發(fā)量等數(shù)據(jù)來源于遼寧省氣象局?；赑enman-Monteith公式,利用參考作物蒸發(fā)量計算軟件(ET0Calculator)計算遼西北地區(qū)23個氣象站點的逐日潛在蒸散量[26]。用降水量和潛在蒸散量比值即濕潤指數(shù)來表征氣候干濕變化趨勢[27]。針對氣象要素原始數(shù)據(jù)進行整理并形成月值、年值時序,按季節(jié)將2月3日—5月4日劃分為春季、5月5日—8月6日為夏季、8月7日—11月6日為秋季、11月7日—次年2月2日為冬季。氣象要素分析在遼西北整體區(qū)域、區(qū)域內(nèi)23個縣市行政區(qū)局域兩個尺度進行。

采用Theil-Sen Median斜率估算法、Mann-Kendall趨勢檢驗法統(tǒng)計分析氣象要素每10 a的變化傾向率,并進行變化趨勢的顯著性分析(Z<0為下降趨勢、Z>0為增高趨勢。|Z|≥1.96表示通過95%置信度檢驗,即p<0.05為顯著;|Z|≥2.38表示通過99%置信度檢驗,即p<0.01為極顯著)。利用R軟件進行SE+MK趨勢、MK突變檢驗分析并作圖。利用地理信息系統(tǒng)軟件(Geographic Information System,GIS)進行反距離加權(quán)插值(Inverse Distance Weight,IDW),并繪制多種氣象要素傾向率的空間格局分異圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 區(qū)域尺度上氣象要素的變化傾向及顯著性

1961—2020年遼西北地區(qū)年平均氣溫為8.44 ℃,年降水量、潛在蒸散量分別為542.04、951.64 mm,日照時間達到2 723.52 h(表1)。1961—2020年間年平均氣溫變化以0.027 ℃·a-1傾向率呈顯著增加趨勢,但年降水量以-0.686 mm·a-1傾向率呈下降趨勢。年均風(fēng)速、大氣壓、日照時間均顯著下降,但潛在蒸散量、濕潤指數(shù)下降不明顯,空氣相對濕度升高傾向率僅為0.014%·a-1,且變化趨勢不顯著(表1,圖1)。MK突變檢驗結(jié)果表明,氣溫在1980年以前出現(xiàn)多個突變點,但均未達到顯著程度,降水量則是2000年以前出現(xiàn)多個不顯著突變點,是年際間動態(tài)變化所致(圖2)。風(fēng)速、日照時間、大氣壓、潛在蒸散量、相對濕度都在上世紀70年代末期發(fā)生突變,風(fēng)速、大氣壓、潛在蒸散量的突變達到顯著程度,而日照時間、相對濕度的突變點接近顯著程度(圖2)?？傮w上,降水量、相對濕度、濕潤指數(shù)都在不顯著變化范圍內(nèi)波動。

圖1 1961—2020年遼西北地區(qū)氣象要素的變化趨勢曲線

Z>1.96或Z<-1.96表示突變點達到顯著程度。UF為統(tǒng)計量的標準化數(shù)值曲線;UB為反向統(tǒng)計量的標準化數(shù)值曲線。

圖3 1961—2020年遼西北地區(qū)氣象要素傾向率的空間格局

表1 1961—2020年遼西北地區(qū)的氣象要素傾向率和MK趨勢顯著性檢驗

3.2 區(qū)域尺度上的氣象要素季節(jié)動態(tài)差異性

以氣象要素年均值變化趨勢分析,忽略了季節(jié)動態(tài)的周期性、差異性,導(dǎo)致氣象要素月均值與年均值變化趨勢的顯著性差異較大。1960—2020年遼西北地區(qū)溫度、大氣壓的月均值與年均值變化趨勢一致,但檢驗結(jié)果卻不顯著,只有風(fēng)速、日照時間的月均值與年均值變化趨勢一致,即保持顯著下降趨勢,而降水量、濕潤指數(shù)則由年均值的下降趨勢變?yōu)樵戮档脑黾于厔?進而說明季節(jié)周期對氣象要素的變化趨勢有明顯影響(表1)。1961—2020年遼西北地區(qū)四季的平均氣溫均呈顯著增加趨勢,且春季、冬季的增溫傾向明顯高于夏季、秋季;春季、冬季的降水量呈不顯著增加趨勢,而夏季、秋季則呈不顯著下降趨勢(表2)。春季、夏季、秋季的潛在蒸散量下降趨勢明顯高于冬季,而秋季、冬季濕潤指數(shù)及空氣相對濕度分別呈不顯著下降和增加趨勢。四季風(fēng)速、日照時間均呈顯著下降趨勢,但春季風(fēng)速、日照時間的下降趨勢均明顯高于其他季節(jié)。

表2 1961—2020年遼西北地區(qū)氣象要素的季節(jié)變化傾向率及MK趨勢顯著性檢驗

3.3 局域尺度上的氣象要素傾向率時空格局

遼西北地區(qū)所轄局域均增溫顯著,其中北鎮(zhèn)(0.036 ℃·a-1)、朝陽(0.037 ℃·a-1)、錦州(0.038 ℃·a-1)增溫傾向率相對最高,羊山(0.013 ℃·a-1)、建平鎮(zhèn)(0.014 ℃·a-1)增溫傾向率相對最低。建平縣、新民、綏中、彰武、康平等局域的降水量略有增加,而北鎮(zhèn)、義縣、朝陽、錦州、北票的降水量傾向率達到-1.096～-1.551 mm·a-1(圖2)。大部分局域的風(fēng)速均呈顯著下降,其中錦州和康平風(fēng)速下降傾向率最高都達到-0.040 m·s-1,但只有阜蒙風(fēng)速呈不顯著增加趨勢(0.007 m·s-1)。大部分局域的日照時間呈顯著下降趨勢,其中法庫下降傾向率最高達到-10.944 h·a-1,但錦州僅小幅度下降(-0.506 h·a-1),而綏中(0.430 h·a-1)、興城(0.370 h·a-1)呈小幅度增加。彰武、阜蒙、錦州、興城的潛在蒸散量呈增加趨勢,其他局域呈下降趨勢,其中阜蒙(4.026 mm·a-1)、建昌(-5.127 mm·a-1)、羊山(-4.031 mm·a-1)、建平鎮(zhèn)(-3.728 mm·a-1)潛在蒸散量傾向率變化均達到顯著程度。遼西北地區(qū)所轄局域濕潤指數(shù)傾向率變化范圍為-0.003～0.002,中部濕潤指數(shù)呈下降趨勢,而東北、西南局域略有增加,空氣相對濕度傾向率與濕潤指數(shù)變化格局基本一致。阜蒙、北票、北鎮(zhèn)的氣壓傾向率下降幅度最高達到-0.066～-0.070 hPa·a-1,其他局域傾向率變化范圍為-0.029～0.011 hPa·a-1。

4 討論與結(jié)論

20世紀80年代以來全球增溫趨勢明顯[26-27],本研究年平均氣溫變化趨勢也支持該結(jié)論。遼西北地區(qū)1961—2020年氣溫以0.027 ℃·a-1的傾向率呈顯著升高趨勢,明顯低于東北區(qū)域1961—2005年氣溫變化傾向率(0.038 ℃·a-1)[12],但與全球增溫速率分布范圍(0.011～0.030 ℃·a-1)相比仍達到了中等偏高的增溫程度[26]。張藝萌等[14]研究發(fā)現(xiàn)遼西北地區(qū)1961—2010年氣溫變化傾向率為0.028 ℃·a-1,說明近10年遼西北地區(qū)增溫趨勢不明顯。遼西北地區(qū)四季增溫極其顯著且春季、冬季增溫速率明顯高于夏季、秋季。遼西北地區(qū)1961—2020年降水量變化傾向率為-0.686 mm·a-1,下降幅度高于遼西北地區(qū)1966—2010年降水量變化傾向率(-0.293 mm·a-1)和北方農(nóng)牧交錯帶地區(qū)1971—2015年降水量變化傾向率(-0.571 mm·a-1)[11,13]。遼西北地區(qū)的夏季降水量下降傾向率最大(-0.949 mm·a-1),其次是秋季(-0.292 mm·a-1),而春季、冬季則略有增加,說明降水量變化傾向率的季節(jié)性差異可以部分解釋年均降水量下降不顯著的結(jié)果。研究發(fā)現(xiàn)遼西北地區(qū)濕潤指數(shù)下降傾向率可以忽略不計、而相對濕度變化傾向率則有不顯著的增加趨勢(0.014%·a-1)。上述結(jié)果表明,遼西北地區(qū)雖然增溫顯著但干旱趨勢并不明顯,說明增溫和降水減少不能明確預(yù)示氣候暖干化趨勢,還需結(jié)合濕潤指數(shù)、相對濕度等共同研判區(qū)域的氣候暖干化走勢。遼西北地區(qū)濕潤指數(shù)的變化趨勢也支持1960—2019年我國濕潤指數(shù)變化趨勢不顯著的研究結(jié)果[28],而且相對濕度變化趨勢與降水量關(guān)系符合二者趨勢變化之間的非一致性特征[29]。

遼西北地區(qū)1961—2020年潛在蒸散量以-1.143 mm·a-1傾向率呈下降趨勢,下降速率明顯大于1961—2015年中國年均蒸散量的下降傾向率(-0.520 mm·a-1)[30],但小于1966—2015年遼寧省區(qū)域尺度上潛在蒸散量下降傾向率(-1.430 mm·a-1)[31]。遼西北地區(qū)春季、夏季潛在蒸散量傾向率的下降幅度略大于秋季、冬季。遼西北地區(qū)20世紀70年代末潛在蒸散發(fā)、風(fēng)速、大氣壓都發(fā)生顯著突變,而相對濕度、日照時間的突變也接近顯著程度,說明該時段是遼西北地區(qū)氣候變化的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期。遼西北地區(qū)1961—2020年風(fēng)速下降傾向率達到-0.021 m·s-1·a-1,四季風(fēng)速均顯著下降且春季下降傾向率最顯著(-0.031 m·s-1·a-1)。遼西北地區(qū)1961—2020年日照時間、大氣壓均呈顯著性下降趨勢,特別是日照時間下降傾向率較大(-4.829 h·a-1),日照時間符合我國大部分區(qū)域日照時間明顯下降的總體變化趨勢[32-33]。從季節(jié)分異來看,夏季、秋季、冬季的日照時間下降趨勢均達到顯著程度,而大氣壓則只有夏季、秋季達到顯著性下降程度。

以往對遼西北區(qū)域所轄縣市局域尺度上氣象要素變化特征研究較少。研究結(jié)果表明,遼西北地區(qū)23個縣市行政區(qū)多個氣象要素具有明顯的空間分異特征,有助于深入分析不同局域間的氣候變化差異。遼西北地區(qū)近60 a升溫趨勢最為顯著的局域是中部的朝陽、錦州、北鎮(zhèn),其次是東北部的新民、康平等,而西南部整體升溫趨勢較低。遼西北地區(qū)降水變化傾向率在-1.553～0.421 mm·a-1之間,明顯低于以往對遼西北地區(qū)1966—2010年不同局域降水量變化傾向率(-5.900～2.100 mm·a-1)的研究結(jié)果[13],這是不同研究數(shù)據(jù)的時空差異所致。降水量傾向率下降幅度最高的局域也是中部的北鎮(zhèn)、義縣、錦州、朝陽、盤山等地,而且濕潤指數(shù)、相對濕度變化幅度也比較小,說明中部的朝陽、錦州、北鎮(zhèn)等地氣候暖干化趨勢較明顯[23]。中部阜蒙地區(qū)的增溫趨勢[22]、降水下降趨勢明顯低于朝陽、錦州、北鎮(zhèn)等地,但風(fēng)速增加、潛在蒸散量的極顯著增加,說明阜蒙縣的生態(tài)環(huán)境有惡化傾向,而濕潤指數(shù)、相對濕度、大氣壓傾向率的下降趨勢,進一步證實該局域存在氣象生態(tài)惡化的較大可能性,符合阜新地區(qū)1980—2016年間干旱偏多的研究結(jié)論[34]。基于氣溫、降水、濕潤指數(shù)、相對濕度、潛在蒸散量等多氣象要素的綜合評估,遼西北地區(qū)的中部局域確實表現(xiàn)出更明顯的暖干化趨勢,而東北部、西南部的暖干化趨勢不明顯,特別是西南部的建平鎮(zhèn)、羊山、建昌等地的氣象生態(tài)環(huán)境總體上相對穩(wěn)定。遼西北地區(qū)局域尺度上降水量和多氣象要素呈現(xiàn)以暖干化中部為主且向東北、西南趨勢遞減的空間分異特征,這與以往針對遼西北地區(qū)年降水量傾向率由東南向西北遞增的研究結(jié)果不同[13],其原因是不同研究選取的局域氣象站點、氣象要素時間序列及分析指標間存在一定的差異。

氣象要素的變化趨勢對農(nóng)業(yè)具有重要影響,已成為影響和制約經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要因素[35-36]。相關(guān)研究認為氣溫升高會產(chǎn)生縮短農(nóng)作物生長期以抵消生長期延長效應(yīng)的積極影響[37],但升溫對農(nóng)作物生長期的光合作用、作物產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分流失等方面的負面影響更為突出[38]。有研究認為,氣溫升高對東北地區(qū)糧食總產(chǎn)量增加有促進作用[39],高江波等[40]預(yù)測全球升溫2 ℃時,東北松嫩黑土區(qū)糧食產(chǎn)量會減少10%。但目前對遼西北地區(qū)升溫與農(nóng)作物產(chǎn)量關(guān)系的相關(guān)研究還未見報道。有研究學(xué)者指出,未來全球降水波動異質(zhì)性強,農(nóng)作物產(chǎn)量對降水的敏感性或許高于溫度[41]。但本研究發(fā)現(xiàn),遼西北地區(qū)降水變化趨勢并不顯著,而且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水分的需求關(guān)系是一個多因素綜合作用的復(fù)雜過程,目前水分變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效應(yīng)定量化分析還需深入[42]。多氣象要素變化趨勢綜合來看,遼西北中部地區(qū)暖干旱趨勢和氣象生態(tài)惡化趨勢較為明顯,說明遼西北中部地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力會受到氣候變化影響而下降。日照時間主要通過影響農(nóng)作物的光合作用途徑而影響到農(nóng)作物的生長發(fā)育、產(chǎn)量以及品質(zhì)。研究表明,低云量會導(dǎo)致日照時間減少,而大氣氣溶膠光學(xué)厚度增加對日照時間減少也有顯著影響[43]。遼西北地區(qū)日照時間下降傾向率時空格局表現(xiàn)為由東北向西南逐漸遞減。對于昌圖、康平、法庫、彰武、阜蒙、朝陽等毗鄰科爾沁沙地南緣的生態(tài)脆弱區(qū)來說,氣候暖干化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響目前還不明顯,但日照時間顯著下降會進一步阻礙原本薄弱的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。未來需要結(jié)合農(nóng)業(yè)監(jiān)測數(shù)據(jù)資料,深入探討氣候變化對該地區(qū)農(nóng)作物生長、產(chǎn)量、水資源、農(nóng)業(yè)災(zāi)害等方面的影響趨勢[44-45]。