渾善達(dá)克沙地及周邊地區(qū)平均最高氣溫、最低氣溫及氣溫日較差的變化特征

高濤濤,殷淑燕

(1.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院,陜西 西安 710119;2.陜西師范大學(xué) 地理學(xué)國家級實驗教學(xué)示范中心,陜西 西安 710119)

近100年來,地球氣候正經(jīng)歷一場以變暖為主要特征的顯著變化[1]。據(jù)IPCC第五次評估報告[2],過去130年全球地表平均氣溫升高了0.85 ℃。近50年,中國氣溫增暖尤其明顯,年平均地表氣溫升高了1.1 ℃,增溫速率為0. 022 ℃/a[3-4]。全球最高氣溫、最低氣溫均升高,但以最低氣溫的變暖最明顯[5-6]。近年來,這種氣溫的非對稱性變化已引起了眾多學(xué)者的關(guān)注。氣溫日較差(簡稱DTR)是指一天中氣溫的最高值與最低值之差,其大小反映氣溫日變化程度[7],是一個地區(qū)重要的氣候特征[8]。與平均氣溫不同, DTR可以反映全球或區(qū)域性的溫度變化幅度特征,有著重要的生態(tài)學(xué)意義,對于人類生存環(huán)境的變化、氣候異常的影響及可持續(xù)發(fā)展研究具有特殊的參考價值[9]。陳鐵喜等[10]的研究結(jié)果表明：近50年來,中國年平均氣溫日較差整體呈現(xiàn)下降趨勢,日較差的變化有較大的地區(qū)差異,即高緯地區(qū)的減小幅度大于低緯地區(qū)；35°N以北地區(qū)冬季最低氣溫升高是主要因子,35°S以南主要是夏季最高氣溫上升起主要作用；東部季風(fēng)區(qū)和西北地區(qū)及青藏地區(qū)的氣溫日較差的差異主要表現(xiàn)在東部地區(qū)隨緯度變化明顯,而西部地區(qū)及青藏地區(qū)與海拔高度有關(guān)。唐紅玉等[11]的研究表明,我國年平均氣溫日較差多呈下降趨勢,在北方地區(qū)尤為明顯,各季的平均氣溫日較差均呈下降趨勢,并以冬季下降幅度為最大。華麗娟等[12]研究指出：北方氣溫月較差的減小趨勢比南方顯著;季較差的下降趨勢主要表現(xiàn)在夏季,又以內(nèi)蒙古至西南一帶以及華北地區(qū)最顯著;東部年較差的下降趨勢比西部顯著。祝青林等[13]研究發(fā)現(xiàn)大連地區(qū)四季氣溫日較差呈現(xiàn)顯著減小趨勢,各季節(jié)平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫呈顯著上升趨勢,大連地區(qū)與月平均日較差相關(guān)性最強的因子是風(fēng)速。王凱等[14]指出1960～2005年華中區(qū)域平均年、冬季及夏季的氣溫日較差均呈減小趨勢,而春季、秋季的氣溫日較差變化趨勢不明顯。我國開展的關(guān)于氣溫日較差的研究已有許多[8-14],但對生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱的沙地地區(qū)尚缺乏相關(guān)研究。

渾善達(dá)克沙地是我國十大沙漠沙地之一,位于內(nèi)蒙古中部錫林郭勒草原南端,距北京直線距離180 km,是離北京最近的沙源。渾善達(dá)克沙地主體位于內(nèi)蒙古錫林郭勒盟中西部的南部,大致位于111°40′～117°30′E、41°50′～43°50′N,沿東西向橫亙于內(nèi)蒙古高原的東部、陰山北麓,緊貼燕山丘陵的北麓,從大興安嶺南部山地西麓克什克騰旗向西一直延伸到蘇尼特右旗,北至蒙古國邊境。東西長約400.0 km,南北寬約為120.0 km,加上周圍的緩沖地帶5.3 km×104.0 km[15-17]。按行政區(qū)劃該地區(qū)屬于錫林郭勒盟和赤峰市,主要包括錫林浩特市、阿巴嘎旗、蘇尼特左旗、蘇尼特右旗、鑲黃旗、正鑲白旗、正藍(lán)旗、多倫縣、太仆寺旗和克什克騰旗,部分進(jìn)河北省境內(nèi)[18]。渾善達(dá)克沙地處于半干旱草原地帶,氣候惡劣,土壤基質(zhì)不穩(wěn)定,植被蓋度較低,生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱。同時,渾善達(dá)克沙地位于京津地區(qū)天氣系統(tǒng)的上游,是京津地區(qū)北方生態(tài)屏障的重要部分,也是影響京津地區(qū)北路沙塵暴的必經(jīng)之地和沙塵源區(qū)之一。其生態(tài)系統(tǒng)狀況關(guān)系到內(nèi)地廣大區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[19-20]。在全球氣候變化背景下,對該地區(qū)氣候變化進(jìn)行研究對于指導(dǎo)沙地生態(tài)保護(hù)與建設(shè)具有重要的理論與實踐意義。因此，我們對渾善達(dá)克沙地最高氣溫、最低氣溫及氣溫日較差的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,旨在為沙地沙漠化治理和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

氣象資料來源于中國氣象局國家氣象信息中心資料服務(wù)室,選取渾善達(dá)克沙地及周邊18個地面氣象站點(圖1)1958～2015年的逐日最高氣溫、最低氣溫,逐月平均最高氣溫、最低氣溫,逐年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫的資料。本文使用的數(shù)據(jù)為均一化訂正后的數(shù)據(jù),均通過了均一性檢驗和質(zhì)量控制,具有很好的連續(xù)性。根據(jù)渾善達(dá)克沙地的氣候特征,四季的劃分如下:3～5月為春季,6～8月為夏季,9～10月為秋季,11月至翌年2月為冬季[20-21]。采用常規(guī)的線性趨勢分析；突變分析采用Mann-Kendall法和滑動t檢驗相結(jié)合,可以克服單一方法的局限性；周期分析利用小波分析方法[22-24]。

圖1 渾善達(dá)克沙地及周邊地區(qū)氣象站點的分布

2 結(jié)果與分析

2.1 渾善達(dá)克沙地氣溫的時間變化

2.1.1 渾善達(dá)克沙地的年平均氣溫的時間變化 圖2是渾善達(dá)克沙地逐年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫以及日較差的距平變化圖和M-K曲線圖。由圖2a可見：渾善達(dá)克沙地年平均氣溫的距平變化表現(xiàn)出較為明顯的上升趨勢；1988年以前以負(fù)距平為主,1988年以后以正距平為主；在1958～2015年之間有4次較為明顯的波動,分別為1969、1985、2012年的低谷以及2007年的波峰；氣溫從20世紀(jì)90年代初開始持續(xù)波動上升,于2007年達(dá)到最高值,之后迅速下降,在2012年達(dá)到低谷。根據(jù)M-K法的檢驗結(jié)果，年平均氣溫從90年代初開始呈顯著的上升趨勢(圖2b),并且在1994～2015年期間這種增暖的趨勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過顯著水平0.05的臨界線,從1999年開始甚至超過0.0001的顯著水平(U0.0001=3.29),這也說明渾善達(dá)克沙地氣溫的上升趨勢是非常顯著的。依據(jù)UF和UB兩條曲線的交點，可以確定渾善達(dá)克沙地年平均氣溫在1990年為突變點,發(fā)生了增暖突變。由表1可以看出：1961～1970年為最冷時段,氣溫從20世紀(jì)60年代開始逐步呈現(xiàn)上升趨勢；在2001～2010年期間平均氣溫達(dá)到最高,平均氣溫距平值為0.8 ℃；在2011～2015年期間平均氣溫較之前有不明顯的下降趨勢；在58年間,年平均氣溫的上升率達(dá)到0.32 ℃/10a。

a、b:平均氣溫; c、d:最高氣溫; e、f:最低氣溫; g、h:氣溫日較差。

2.1.2 渾善達(dá)克沙地年平均最高氣溫的時間變化 由圖2a和圖2c可以看出：年平均最高氣溫的變化趨勢與年平均氣溫基本一致,有4次明顯波動,分別為1969、1985、2012年的低谷和2007年的波峰；1988年以前表現(xiàn)為負(fù)距平,1988年以后以正距平為主。根據(jù)UF和UB兩條曲線的交點，渾善達(dá)克沙地年平均最高氣溫在1995年出現(xiàn)的增溫是一突變現(xiàn)象。由表1得出：年平均最高氣溫在1961～1980年期間最低且無顯著變化；1980～2010年平均最高氣溫呈穩(wěn)定逐步上升趨勢,達(dá)到平均最高氣溫距平的最大值0.8 ℃；2011～2015年又呈現(xiàn)下降趨勢,但下降趨勢不太明顯。58年間年平均最高氣溫的增溫率為0.25 ℃/10a。

2.1.3 渾善達(dá)克沙地年平均最低氣溫的時間變化 從圖2e可以看出：年平均最低氣溫在1987年以前以負(fù)距平為主,在1987年以后以正距平為主；有3次比較明顯的波動,分別為1969、2012年的低谷以及1998的波峰。根據(jù)UF和UB的交點位置，1987年氣溫出現(xiàn)顯著的增加趨勢(圖2f),這與圖2e的分析結(jié)果一致。由表1可以看出：20世紀(jì)60年代年平均最低氣溫為最低；1958～2010年年平均最低氣溫呈波動上升趨勢；2011～2015年年平均最低氣溫有所下降。年平均最低氣溫與最高氣溫、平均氣溫相比,增幅最大,58年間增溫率達(dá)0.42 ℃/10a。

2.1.4 渾善達(dá)克沙地年平均氣溫日較差的時間變化 從圖2g和圖2h可以看出：年平均氣溫日較差總體上呈下降趨勢,這與氣溫的變化趨勢相反,這是因為最低氣溫的增加趨勢比最高氣溫的大。年平均日較差在1972年以前以正距平為主,在1972年以后以負(fù)距平為主。根據(jù)UF和UB兩條曲線的交點可以確定渾善達(dá)克沙地年平均氣溫日較差在1972年為突變點。20世紀(jì)60年代氣溫日較差最大；1971～2000年呈現(xiàn)顯著下降趨勢；2001～2015年變化不顯著(表1)。在58年間年平均氣溫日較差的下降率為-0.17 ℃/10a。

表1 研究區(qū)各種氣溫及氣溫日較差的年代際變化 ℃/10a

注:“*”、“**”、“***”、“****”分別表示相關(guān)系數(shù)通過0.10、0.05、0.01、0.001水平的顯著性檢驗。下同。

2.2 渾善達(dá)克沙地氣溫的空間變化特征

1958～ 2015年渾善達(dá)克沙地年平均最高氣溫的變化傾向率為0.25 ℃/10a,通過0.05水平的顯著性檢驗,且18個站點的變化傾向率都為正值,但能通過0.05水平顯著性檢驗的只有9個站,能通過0.01水平顯著性檢驗的只有1個站(蘇尼特左旗)。從空間分布特征來看,平均最高氣溫氣候傾向率的變化范圍在0.154～0.369 ℃/10a,北部地區(qū)以及西北地區(qū)(即沙地內(nèi)部)的增溫幅度較大,增溫中心在北部的蘇尼特左旗(圖3)。1958～ 2015年渾善達(dá)克沙地年平均最低氣溫有顯著的上升趨勢,傾向率達(dá)0.42 ℃/10a,能夠通過0.001水平的顯著性檢驗。所選18個站點的年平均最低氣溫的變化傾向率都為正,其中能通過0.05水平顯著性檢驗的站點有16個,能通過0.01水平顯著性檢驗的站點有12個,能通過0.001水平顯著性檢驗的站點有11個,分別為張北、張家口、二連浩特、那仁寶力格、阿巴嘎旗、化德、西烏珠穆沁、錫林浩特、多倫縣、集寧和朱日和，其中有1個站點(化德)的增溫幅度超過了0.60 ℃/10a。從空間分布看,平均最低氣溫傾向率的變化范圍在0.103～0.606 ℃/10a,年平均最低氣溫傾向率表現(xiàn)出從西北向東南逐漸減小的趨勢,上升最明顯的是二連浩特、阿巴嘎旗和化德(圖4)。渾善達(dá)克沙地年平均氣溫日較差呈下降趨勢,傾向率為-0.17 ℃/10a,未通過0.10水平的顯著性檢驗,所選18個站點中有16個站點的傾向率為負(fù),占89%，其中能通過0.05顯著性水平檢驗的達(dá)6個站,能通過0.01顯著性水平檢驗的有1個站(化德)。從空間分布看,平均氣溫日較差傾向率的變化范圍在-0.407～0.168 ℃/10a,平均氣溫日較差在西部和北部的減小幅度較大(圖5)。

圖3 渾善達(dá)克沙地年平均最高氣溫的傾向率

圖4 渾善達(dá)克沙地年平均最低氣溫的傾向率

2.3 渾善達(dá)克沙地氣溫的季節(jié)性變化

從表2可以看出：渾善達(dá)克沙地在近58年的季平均最高氣溫均呈上升趨勢,春季和冬季均達(dá)到0.10顯著性水平,夏季和秋季甚至達(dá)到了0.05顯著性水平,其中秋季的升溫幅度最為顯著,為0.281 ℃/10a,而升溫幅度最小的為春季,升溫率為0.213 ℃/10a。在各種溫度變化中,增溫幅度最大的是最低氣溫，除夏季以外,其他各個季節(jié)均達(dá)到0.001顯著性水平,而最不明顯的夏季也達(dá)到了0.01顯著性水平，而在升溫趨勢最為明顯的冬季其升溫率達(dá)到了0.447 ℃/10a。渾善達(dá)克沙地近58年來的氣溫日較差均呈現(xiàn)下降趨勢，以春季和冬季的下降趨勢最明顯,均達(dá)到了0.10顯著性檢驗水平,而夏季和秋季均未通過顯著性檢驗；最為明顯的春季的氣溫日較差的下降率為-0.221 ℃/10a,而最不明顯的秋季的下降率僅為-0.067 ℃/10a。

圖5 渾善達(dá)克沙地年平均氣溫日較差的傾向率

由此可見,渾善達(dá)克沙地全年各個季節(jié)的平均最高氣溫、最低氣溫均呈上升趨勢,日較差呈下降趨勢。這是因為平均最高氣溫、最低氣溫的變化存在明顯的非對稱性,平均最低氣溫的增長趨勢明顯大于平均最高氣溫的增長趨勢。冬季和春季氣溫日較差的顯著下降主要是由于季平均最低氣溫的顯著上升,即冬、春季節(jié)變暖明顯。

表2 研究區(qū)的季平均最高氣溫、最低氣溫和日較差的變化趨勢 ℃/10a

2.4 平均最高氣溫和最低氣溫對冷暖的貢獻(xiàn)

2.4.1 年變化 由表1可知,渾善達(dá)克沙地58年來年平均最高氣溫、最低氣溫在20世紀(jì)60年代呈顯著下降趨勢,但是最低氣溫的降溫幅度比最高氣溫的大,這說明夜間降溫明顯。從20世紀(jì)70 年代至21世紀(jì)初，最高氣溫、最低氣溫均呈顯著的上升趨勢,但最低氣溫的增溫趨勢比最高氣溫的更加顯著,這說明白天、夜間增溫明顯,但是夜間增溫更為明顯,這也導(dǎo)致這段期間的氣溫日較差呈顯著的下降趨勢。所以,可以認(rèn)為渾善達(dá)克沙地在1971～2010年期間平均氣溫的上升主要是由最低氣溫的顯著上升引起的。但是在2011～2015年期間的最高氣溫、最低氣溫均轉(zhuǎn)為下降趨勢,這說明白天、夜間降溫明顯,從而使氣溫日較差出現(xiàn)增加趨勢。

2.4.2 季節(jié)變化 從圖6可以看出：20世紀(jì)60年代平均最高氣溫和最低氣溫在各個季節(jié)均呈下降趨勢,且各個季節(jié)平均最低氣溫的變化趨勢比平均最高氣溫顯著,尤其是在春季和秋季；20世紀(jì)70年代的平均最高氣溫、最低氣溫在各個季節(jié)也均呈下降趨勢,但是各季平均最高氣溫的下降趨勢與平均最低氣溫的基本一致；在20世紀(jì)80年代,春季和秋季的平均最高氣溫和最低氣溫呈相反的變化趨勢,最高氣溫呈減小趨勢而最低氣溫呈上升趨勢,夏季和冬季的最高氣溫與最低氣溫均呈下降趨勢；在20世紀(jì)90年代，秋季的平均最高氣溫和最低氣溫呈相反的變化趨勢,其他各季均呈上升趨勢且平均最低氣溫的變化幅度更為顯著；在2001～2010年，四季氣溫均呈上升趨勢,且春季的上升趨勢明顯,平均最高氣溫的變化幅度與平均最低氣溫的基本一致；在2011～2015年，冬季最高氣溫呈不顯著的下降趨勢，而最低氣溫呈上升趨勢,其他各季的平均最高氣溫、最低氣溫均呈上升趨勢,且變化幅度一致?？傮w來說,20世紀(jì)60～70年代的低溫是由四季的最高氣溫、最低氣溫同時下降引起的;80年代的氣溫變化不甚顯著;90年代的增溫則是由夏季、秋季和冬季平均最低氣溫顯著上升造成的；而21世紀(jì)的顯著增暖現(xiàn)象是由冬季最低氣溫的顯著上升以及其他季節(jié)的最高氣溫、最低氣溫同時升高引起的。

2.5 氣溫日較差的影響因子分析

為了更加深入地研究對氣溫日較差有影響的主要因子,本文將氣溫日較差與平均氣溫、日照時數(shù)、降水量、相對濕度、平均風(fēng)速和水汽壓進(jìn)行多元回歸分析。由于不同的氣象要素具有不同的計量單位和不同的變異程度,需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換(用變量減去其均值，再除以其標(biāo)準(zhǔn)差),得到的回歸系數(shù)即為標(biāo)準(zhǔn)回歸系數(shù)(表5)。然后,對標(biāo)準(zhǔn)化回歸系數(shù)的顯著性進(jìn)行了t檢驗分析[25]。

由表5可知,渾善達(dá)克沙地以及周邊地區(qū)的氣溫日較差與日照時數(shù)、平均風(fēng)速和平均氣溫呈正相關(guān),其中平均風(fēng)速的回歸系數(shù)遠(yuǎn)大于其他要素的,因此影響該區(qū)氣溫日較差的主要正相關(guān)因子依次是平均風(fēng)速、日照時數(shù)、平均氣溫。該區(qū)氣溫日較差與降水量、相對濕度和水汽壓呈負(fù)相關(guān)，負(fù)向作用程度表現(xiàn)為降水量>相對濕度>水汽壓?？傮w來看,影響該區(qū)氣溫日較差的主要氣象因子依次為平均風(fēng)速、降水量、日照時數(shù),而其他因子的影響較弱。由于渾善達(dá)克沙地地處內(nèi)陸地區(qū),遠(yuǎn)離海洋,空氣干燥,云量少,所以,平均風(fēng)速和日照時數(shù)直接影響地表的溫度,因此,對氣溫日較差的貢獻(xiàn)較大。

a：春季； b：夏季； c：秋季； d：冬季。

平均氣溫日照時數(shù)降水量相對濕度平均風(fēng)速水汽壓氣溫日較差0.2320.257*-0.364**-0.0440.497***-0.014

注:“***”、“**”、“*”分別表示通過了α=0.01、α=0.05、α=0.10的顯著性水平檢驗(t檢驗)。

2.6 周期性變化

通過小波分析,進(jìn)一步對近58年來渾善達(dá)克沙地及其周邊地區(qū)平均最高氣溫、最低氣溫的周期性變化進(jìn)行分析,得出近58年來平均最高氣溫的周期現(xiàn)象不太明顯，而平均最低氣溫存在9年和25年左右的周期性變化(圖7)。

圖7 渾善達(dá)克沙地年平均最低氣溫的小波周期和小波方差

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，近58年來，渾善達(dá)克沙地及其周邊地區(qū)的年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均呈上升趨勢,且低谷期出現(xiàn)時間一致。由于年平均最高氣溫、最低氣溫的非對稱變化,年平均日較差呈現(xiàn)顯著下降的趨勢。年日較差在1972年發(fā)生了突變；年平均最高氣溫、最低氣溫的突變點分別在1995、1987年。尤莉等[26]的研究結(jié)果表明,內(nèi)蒙古有著明顯的增暖突變現(xiàn)象,突變點在1987年。這與本文的研究結(jié)論一致,這表明在20世紀(jì)80年代末90年代初經(jīng)歷了一次由冷變暖的突變現(xiàn)象。

渾善達(dá)克沙地及周邊地區(qū)的年平均最高氣溫、最低氣溫的增長趨勢在空間分布上大致呈現(xiàn)出由西北向東南遞減的趨勢。從整體上來說,平均最高氣溫、最低氣溫在渾善達(dá)克沙地內(nèi)部呈顯著上升趨勢,在周邊地區(qū)呈微弱上升趨勢；而氣溫日較差在周邊地區(qū)呈微弱上升的趨勢,而在渾善達(dá)克沙地內(nèi)部呈現(xiàn)顯著減小趨勢。這是由于西北地區(qū)深居內(nèi)陸,受季風(fēng)的影響比東南地區(qū)要小。

渾善達(dá)克沙地及其周邊地區(qū)的季平均最高氣溫、最低氣溫均呈顯著的上升趨勢,對季平均最高氣溫上升貢獻(xiàn)最大的為秋季和夏季,而對季平均最低氣溫上升貢獻(xiàn)最大的為春季、冬季。氣溫日較差呈不顯著的下降趨勢,以春季、冬季最為顯著。

20世紀(jì)60～70年代的低溫現(xiàn)象是由四季的最高氣溫、最低氣溫同時下降引起的;之后的增溫現(xiàn)象主要是由最高氣溫上升以及春季、冬季最低氣溫的顯著上升引起的。

渾善達(dá)克沙地的氣溫日較差與平均風(fēng)速和日照時數(shù)呈顯著正相關(guān),與降水量呈顯著負(fù)相關(guān)。渾善達(dá)克沙地近58年間年平均最高氣溫的周期性不明顯,而年平均最低氣溫存在9年和25年左右的周期性變化。

渾善達(dá)克沙地積極響應(yīng)了全球氣候變暖下中國氣溫日較差呈減小的趨勢。渾善達(dá)克沙地作為一個相對脆弱、敏感的生態(tài)環(huán)境,不明顯的溫度變化對渾善達(dá)克沙地有非常顯著的影響。一定程度的氣溫上升,使牧草生長期延長,光合作用增強,有利于沙漠化的治理和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù),但是若持續(xù)增溫,則可能會導(dǎo)致蒸發(fā)量加大,降水量減少,干旱的氣候會導(dǎo)致植被退化,從而加劇荒漠化的進(jìn)程。冬季的增暖趨勢更為顯著,有利于害蟲的安全過冬,加大了病蟲害發(fā)生的概率。本文研究表明渾善達(dá)克沙地夜間增溫比較明顯,白天增溫不明顯,使氣溫日較差減小。在一般情況下,當(dāng)氣溫日較差較大時,白天光照充足,熱量豐富,有利于植物的光合作用;夜間溫度低,植物呼吸作用弱,有利于植物水分的保存。所以氣溫日較差變小會造成植被水分虧損現(xiàn)象明顯,從而加劇荒漠化的進(jìn)程。所以,應(yīng)該積極應(yīng)對氣溫的這種變化給沙地帶來的消極影響。

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