渾善達克地區(qū)溫度和降水的時空變化特征分析

張寶林，羅瑞林

（1.內(nèi)蒙古師范大學化學與環(huán)境科學學院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古師范大學圖書館，呼和浩特 010020）

渾善達克地區(qū)溫度和降水的時空變化特征分析

張寶林1，羅瑞林2

（1.內(nèi)蒙古師范大學化學與環(huán)境科學學院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古師范大學圖書館，呼和浩特 010020）

渾善達克地區(qū)年均溫度空間上變異表現(xiàn)為由西南向東北逐漸降低；近60年年均溫度呈上升趨勢，區(qū)域間溫度差逐漸縮小。年降水量地域間差異較大，自東向西遞減；近60年降水量變化總趨勢不明顯，但波動性較大。Mann-Kendall檢驗表明，渾善達克地區(qū)5個氣象站點年均溫度在20世紀70～90年代發(fā)生突變；除阿巴嘎旗以外，20世紀60年代以后，渾善達克地區(qū)降水量呈下降趨勢，說明整個研究區(qū)域趨于干化。以朱日和與二連浩特為代表的西部地區(qū)，較東部有明顯暖干化趨勢，生態(tài)環(huán)境脆弱。在全球氣候變化背景下，渾善達克地區(qū)氣候暖干化趨于一致，需及時調(diào)節(jié)生產(chǎn)生活模式，減輕氣候變化帶來不利影響。

渾善達克；溫度；降水量；Mann-Kendall檢驗

網(wǎng)絡出版時間2015-4-30 14:42:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150430.1442.009.html

張寶林,羅瑞林.渾善達克地區(qū)溫度和降水的時空變化特征分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報,2015,46(5):51-59.

Zhang Baolin,Luo Ruilin.Analysis on temporal and spatial characters of temperature and precipitation in Otintag[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(5):51-59.(in Chinese with English abstract)

渾善達克沙地是我國四大沙地之一，也是我國陸地生態(tài)系統(tǒng)對氣候變化及人類活動影響較為敏感地區(qū)之一[1]。歷史上渾善達克水草豐美、沙地穩(wěn)定[2-3]。20世紀40年代，地貌類型仍基本屬于固定、半固定沙丘，流沙不足3%[4]。但20世紀60年代以后，渾善達克沙地發(fā)生嚴重沙漠化，60年代初沙漠化土地面積為19.2萬hm2，70年代中期沙漠化土地面積達26.59萬hm2，新增7.39萬hm2，年增長率為2.57%[4-5]。據(jù)1995年全國沙漠化普查結果顯示，渾善達克沙地是全國少數(shù)幾個沙漠化土地擴展速率超過4%的地區(qū)之一[5]。沙漠化不僅惡化當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，制約區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展，且由于渾善達克地區(qū)位于京津地區(qū)天氣系統(tǒng)上游，是京津地區(qū)最主要沙塵源之一[6-7]，對京津、華北等周邊地區(qū)生態(tài)安全構成威脅。

渾善達克沙漠化過程是以氣候為主導的自然過程[8-9]。氣候變化對沙地活動性影響包括溫度和降水，以溫度升降為標志的氣候波動是沙地生物氣候帶南北水平移動和沙漠化正逆過程波動主要原因[3]。渾善達克沙地全新世（11 500年前至現(xiàn)在）氣候變化經(jīng)歷升溫波動期、溫暖期和溫干冷干頻繁波動期3個演變階段[10]。近年來，全球氣候變暖，尤其是20世紀90年代以后干旱化嚴重、濕地變干、泡沼干涸、地下水位下降、極端氣候頻發(fā)，沙漠化局部發(fā)展[11]。1953～2002年，渾善達克地區(qū)，年均氣溫平均增溫率+0.054℃·年-1，高于中國1963～2002年平均增溫率，更高于全球近百年來增溫水平；20世紀80年代中期后，增溫趨勢明顯，1983～2002年平均增溫率高達0.0695℃·年-1[12]。1953～2002年，渾善達克地區(qū)降水總趨勢略有減少跡象，波動幅度變大；降水量變化存在明顯區(qū)域差異，降水減少幅度由東南向西北遞增，越靠近季風邊緣區(qū)的地方，降水變幅越大[12]。

氣候變化作為基本事實研究具有重要理論和現(xiàn)實意義，對作物生產(chǎn)潛力具有重要影響。溫度作為控制植被生長和分布的關鍵環(huán)境因素之一，其變化勢必對自然生態(tài)系統(tǒng)結構和功能產(chǎn)生深刻影響[13-14]。近年全球變暖引發(fā)一系列農(nóng)業(yè)和生態(tài)安全問題。

本研究根據(jù)長時間序列資料，運用Mann-Ken?dall檢驗法對渾善達克地區(qū)近60年溫度和降水量變化進行分析，為區(qū)域環(huán)境研究和京津、華北等生態(tài)圈防沙治沙，為區(qū)域社會可持續(xù)發(fā)展提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

渾善達克地區(qū)位于內(nèi)蒙古高原東部，包括錫林郭勒盟10個旗縣和赤峰市西北部克什克騰旗，東起大興安嶺南麓西側(cè)，西至集二線鐵路，東西綿延450 km，南北最寬處達300 km，土地總面積約為7.10萬km2[15]。從生態(tài)地理區(qū)看，該區(qū)是獨特溫帶稀樹草原區(qū)，是風積沙覆蓋在高平原上東西伸展沙地，海拔高度1 000～1 400 m，從東部草甸草原向西伸展到荒漠草原，東西長500 km，南北寬50～100 km（見圖1）。

圖1 研究區(qū)域植被類型及氣象站點的地理位置Fig.1 Vegetations in study area and meterological station locations

渾善達克沙地主要是以固定、半固定沙丘為主的沙地地貌景觀，沙地呈不規(guī)則分布，是距離北京最近的大型沙地，直線距離不足200 km[16]。受非地帶性影響，分布最廣泛的是溫帶沙漠植被和風沙土。沙地內(nèi)部由于其原始地表的復雜性，存在風成沙丘與丘間低地，并有大小不等湖泊，沙地西半部以半固定沙地為主，有流動的新月形沙丘鏈呈斑點狀分布，沙地東半部以固定沙丘為主[17]。渾善達克沙地以草原植被為主，針闊葉喬木、榆樹疏林等超地帶性植被明顯。渾善達克沙地的主要地帶性土壤類型為栗鈣土，其次為棕鈣土；非地帶性土壤類型為風沙土。

渾善達克地區(qū)屬中溫帶半干旱、干旱大陸性季風氣候，該區(qū)大部分處于中國季風邊緣地區(qū)、中國東北樣帶內(nèi)。年均氣溫0～4℃，≥10℃年積溫2 000～2 600℃；冬春季節(jié)，風力強大而多發(fā)，年平均風速3.5～5.0 m·s-1，大風日數(shù)50～80 d，其中4～5月大風日數(shù)占全年40%～50%，是全國沙區(qū)大風區(qū)之一[15]。因受東南季風影響，降水量自東向西遞減[18]，干燥度為4.0～14.0；年蒸發(fā)量為2 000～2 700 mm，為年降雨量5～13倍；年日照時數(shù)3 000～3 200 h。

1.2 數(shù)據(jù)來源

研究所用年均降水量和溫度等氣象數(shù)據(jù)（1953～2014年）來自中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)?？紤]資料連貫性和可獲得性，同時為獲得較長時間序列，在渾善達克地區(qū)選擇5個典型站點，對近60年來氣象要素的變化進行分析（二連浩特為1956～2014年，其他站點均為1953～2014年）。同時利用中國及周邊國家600余氣象觀測站點數(shù)據(jù)，基于1981～2000年降水、溫度觀測值，通過ArcGIS的Kriging插值、裁剪，獲得研究區(qū)域年均降水量和溫度的空間分布。研究區(qū)域植被類型數(shù)據(jù)來源于國家自然科學基金委員會“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學數(shù)據(jù)中心”（http://westdc.westgis.ac.cn）[19]。

1.3 研究方法

降水量演變規(guī)律及降水變化系統(tǒng)性研究多采用累積距平法[20]、分形分析[21]和小波分析[22]等。就趨勢分析而言，傳統(tǒng)回歸分析具有一個定量趨勢系數(shù)而被廣泛采用，但對于非正態(tài)分布、不完整或有少數(shù)異常值資料，回歸分析無法完成?？系聽枺∕ann-Kendall，M-K）檢驗法用于趨勢分析時彌補其缺點，因其理論基礎好和計算方便被廣泛采用[23-25]。非參數(shù)的肯德爾檢驗法（M-K法）被廣范應用于氣象資料波動性分析，彌補回歸分析只能對正態(tài)分布或偏正態(tài)分布檢驗不足，是聯(lián)合國糧農(nóng)組織推薦氣候突變分析方法。本文采用M-K法。

2 結果與分析

2.1 渾善達克地區(qū)年均溫度變化特征分析

2.1.1 渾善達克地區(qū)年均溫度空間變化特征分析

圖2 渾善達克地區(qū)年均溫度空間變化Fig.2 Spatial heterogeneity of average annual temperature in Otintag

渾善達克地區(qū)年均溫度空間變化如圖2所示。由圖2可知，渾善達克地區(qū)年均溫度最高區(qū)域是克什克騰旗東部，其次為蘇尼特右旗、二連浩特市、太仆寺旗和多倫縣；溫度最低區(qū)域是北部阿巴嘎，其次為蘇尼特左旗、正藍旗、錫林浩特市等。在錫林郭勒盟內(nèi)，年均溫度基本表現(xiàn)為由西南向東北逐漸降低。

2.1.2 渾善達克地區(qū)年均溫度時間變化特征分析

1953～2014年渾善達克地區(qū)5個代表性站點年均溫度的變化見圖3。由圖3可知，渾善達克地區(qū)年平均溫度呈波動上升趨勢。1956～1957年渾善達克大部分地區(qū)年平均溫度較低，是60年來最低值，其他低溫年包括1969和1985年；20世紀50年代到80年代前半段氣溫無顯著上升趨勢，從1986年開始到2007年平均氣溫呈明顯上升趨勢，2007年均氣溫為近60年最高，2008～2012年氣溫出現(xiàn)下降趨勢，2013年后再次明顯回升。

研究所選5個典型站點年均溫度基本上表現(xiàn)為朱日和＞二連浩特＞錫林浩特＞多倫＞阿巴嘎旗，即位于西部站點溫度高于位于東部、北部站點溫度，與研究區(qū)域年均溫度空間變異一致（見圖2）。除此之外，位于溫度相近站點間溫度差逐漸縮小，進入21世紀后趨勢尤為明顯。研究所選5個典型站點代表不同區(qū)域氣溫變化趨勢幾乎平行，說明研究區(qū)域普遍增溫。

圖3 1953～2014年渾善達克地區(qū)5個代表性站點年均溫度變化Fig.3 Average annual temperature changes at five stations in Otintag in 1953-2014

2.1.3 渾善達克地區(qū)年均溫度變化M-K檢驗

阿巴嘎地區(qū)年均溫度發(fā)生突變，突變點是1987年。1958年以來，UF＞0，溫度呈上升趨勢，1989年后，UF超越上臨界線，溫度升高趨勢顯著（α= 0.01）（見圖4a）。多倫近60年間年均溫度存在突變，突變點在1982年。1960～1987年，UF為正，溫度呈上升狀態(tài)，但未超越臨界值。1988年后，UF超過上臨界線，說明溫度上升趨勢顯著（α=0.01）（見圖4b）。在二連浩特地區(qū)，1958年后，UF＞0，說明溫度變化呈上升趨勢，UF和UB在1991年相交，即二連浩特地區(qū)年均溫度變化突變點為1991年，在1995年UF超過上臨界線，說明1995年后溫度上升趨勢顯著（α=0.01）（見圖4c）。蘇尼特右旗（朱日和）近60年間年均溫度存在突變，突變點發(fā)生在1979年。雖然自1958年以來UF＞0，即年平均溫度呈上升趨勢，但1988年后UF超過上臨界線，說明有顯著上升趨勢（α=0.01）（見圖4d）。錫林浩特年均溫度在1978年發(fā)生突變，從1958年以后UF＞0，年均溫度有上升趨勢，在1979年后，UF超過上臨界線，說明溫度上升趨勢顯著（α=0.01）（見圖4e）。

2.2 渾善達克地區(qū)降雨量變化特征分析

2.2.1 渾善達克地區(qū)降雨量空間變化特征分析

渾善達克地區(qū)降水量自東向西遞減，年均降水量從東南部350～400 mm，向西北遞減至100～200 mm。年降水量地域差異較大，東多西少，蘇尼特左旗、蘇尼特右旗和二連浩特部分地區(qū)不足200 mm，東部和南部地區(qū)降水較多，多在300 mm以上，部分地區(qū)可達400 mm（見圖5）。

圖4 1953～2014年渾善達克沙地5個代表性站點年均溫度突變檢驗Fig.4 Abrupt changes of average annual temperature at five stations in Otintag in 1953-2014

圖5 渾善達克地區(qū)年降水量空間變化Fig.5 Spatial heterogeneity of annual precipitation in Otintag

2.2.2 渾善達克地區(qū)降雨量時間變化特征分析

由圖6可知，渾善達克地區(qū)年降水量變化總趨勢不顯著，但波動性較大。年降水量基本表現(xiàn)為多倫＞錫林浩特＞阿巴嘎旗＞朱日和＞二連浩特。其中在大部分地區(qū)較濕潤年份有1959、1967、1979、1996、1998和2012年等，較干旱年份出現(xiàn)在1965、1972、1980、1989、1997、2001、2005 和2011年等。相對而言，降水量較少的地區(qū)（西部），如二連浩特、朱日和和阿巴嘎旗，降水量變幅較??；在降水量偏多的錫林浩特和多倫地區(qū)（渾善達克東部），降水量波動幅度較大。從站點分布可見渾善達克沙地地區(qū)總體上降水量空間分布呈現(xiàn)由東南向西北逐漸遞減趨勢，說明該地區(qū)多年平均降水量地域分布不均，分布規(guī)律為東多西少、南多北少，與年降水量空間分布情況吻合（見圖5）。

2.2.3 渾善達克地區(qū)降雨量變化M-K檢驗

渾善達克地區(qū)降雨量變化M-K檢驗見圖7。

圖6 1953～2014年渾善達克地區(qū)5個代表性站點年降水量變化Fig.6 Average annual precipitation changes at five stations in Otintag in 1953-2014

圖7 1953～2014年渾善達克地區(qū)5個代表性站點年均降水量變化的M-K檢驗Fig.7 M-K test of annual precipitation changes at five stations in Otintag in 1953-2014

阿巴嘎旗年降水量在1969～2001年呈增加趨勢，但2002年后開始下降（見圖7a）。多倫縣1955～1961年降水量呈增加趨勢，1965年（1998～2000除外）年降水量呈下降趨勢；但是多倫縣1961年后降水量變化相對平緩（見圖7b）。二連浩特年降水量變化不大，略呈下降趨勢（見圖7c）。蘇尼特右旗（朱日和）降雨量變化存在突變，突變點為1967～1968年，1966年開始降水量下降，1985年開始蘇尼特右旗降雨量多呈現(xiàn)顯著減少趨勢變化（見圖7d）。錫林浩特降雨量1961～1997年變化不明顯，突變點發(fā)生在1994～1995年，1999年開始降水量呈下降趨勢（見圖7e）。從5個站點降水量突變檢驗發(fā)現(xiàn)，所有站點進入21世紀以后，降水量均出現(xiàn)下降趨勢。

3 討論與結論

a.渾善達克地區(qū)年均溫度在空間上差異基本表現(xiàn)為由西南向東北逐漸降低；近60年渾善達克地區(qū)年均溫度呈上升趨勢，與劉樹林等研究結論一致[12，26]；氣溫升高同時，南北區(qū)域溫度差逐漸縮小。過去溫度較接近地區(qū)間（二連浩特和朱日和；阿巴嘎、錫林浩特和多倫）溫度差異縮小，表明溫度相對較低地區(qū)溫度升高速度快，使渾善達克地區(qū)溫度呈現(xiàn)區(qū)域性升高趨勢，這一趨勢與全球變暖表現(xiàn)一致。1953～2007年，渾善達克地區(qū)增溫達+0.052℃·年-1，高于全球近百年平均增溫率，與劉樹林等研究結論一致[12]，但該區(qū)域2008～2012年溫度呈下降趨勢。M-K突變檢驗表明，渾善達克地區(qū)5個氣象站點年均溫度均發(fā)生突變，突變點在20世紀70～90年代。尤莉等研究表明，內(nèi)蒙古氣溫存在明顯增暖突變事實，突變點在1987年[27]，錫林郭勒溫度突變點在1989年前后[28]，與本研究結論一致。

b.渾善達克地區(qū)年降水量在空間上表現(xiàn)為地域差異較大，自東向西遞減。年降水量受地形和東南季風影響，具有明顯地帶性，由西北向東南依次遞增，緯度低海拔高地區(qū)降水多[26]。從1953～2014年年降水量變化看，渾善達克沙地年降水量變化總趨勢不明顯，但波動性較大。降水量較少地區(qū)較降水量偏多地區(qū)波動幅度小。劉樹林等研究認為，1953～2002年渾善達克沙地降水總趨勢略有減少跡象，波動幅度變大，變異系數(shù)在波動中增加；且降水量變化存在較明顯的區(qū)域差異，降水減少幅度呈由東南向西北遞增趨勢，越靠近季風邊緣區(qū)地方，降水變幅越大[12]。本研究中，M-K檢驗表明除阿巴嘎旗以外，20世紀60年代以后年降水量基本為下降趨勢，但進入21世紀后，渾善達克地區(qū)降水量均出現(xiàn)下降趨勢，與春風等研究結果一致[22]，說明整個研究區(qū)域趨于干化。

c.以朱日和和二連浩特為代表的西部地區(qū)較東部有明顯暖干化趨勢。陳重潘研究表明，氣溫升高造成蒸發(fā)量增大，連續(xù)干旱會造成植被退化[29]，溫暖化造成非生物過程氮的流失也可能成為全球變暖背景下沙漠化發(fā)展重要原因[30-31]。以朱日和為中心的渾善達克沙塵暴中心是亞洲沙塵源之一[32]，從氣溫、降水量變化情況看，暖干化趨勢將可能使該區(qū)域未來生態(tài)環(huán)境更加脆弱[12]。阿如旱等研究表明，1961～2005年，多倫縣氣候呈現(xiàn)增溫增濕趨勢[33]。本研究M-K檢驗發(fā)現(xiàn)，20世紀60年代后期以來，多倫縣降水為下降趨勢。渾善達克地區(qū)21世紀前氣候基本為暖干化發(fā)展，在全球氣候變化下整個區(qū)域氣候變化趨于一致，需要及時調(diào)節(jié)生產(chǎn)生活模式，降低氣候變化帶來的不利影響。

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Analysis on temporal and spatial characters of temperature and precip?itation in Otintag

ZHANG Baolin1,LUO Ruilin2(1.School of Chemistry and Environmental Sci-

ences,Inner Mongolia Normal University,Hohhot 010020,China;2.Library of Inner Mongolia Normal University,Hohhot 010020,China)

In Otintag,annual average temperature spatially decreased from southwest to northeast, and temporally increased in last 60 years,with gradually declining regional temperature differences. Precipitation decreased from east to west,with large gaps between different regions;it didn't show obvious trend,but demonstrating violent change in the last 60 years.Mann-Kendall tests verified abrupt changes of temperature in 1970-1990s at five stations;the tests also proved that precipitation at stations,except Abaga, generally decreased since 1960s,showing Otintag was becoming drying.Compared with environment in the east,the west represented by Jurh and Erenhot shifted to warm and dry,where eco-environment in the future will be more fragile.Under the background of global change,the whole Otintag became dry and warm, as a result,the policy-makers should adjust production and life modes to alleviate the adverse effects of climatic change.

Otintag;temperature;precipitation;Mann-Kendall test

P423

A

1005-9369（2015）05-0051-09

2014-09-05

國家自然科學基金項目（D0104/41261048，40961014）；內(nèi)蒙古師范大學高層次人才科研啟動經(jīng)費項目（GCRC09003）

張寶林（1971-），男，副教授，博士，研究方向為3S技術應用。E-mail:nmzhangbaolin@hotmail.com