螞蟻森林種植地鄂爾多斯市1959-2018年氣溫及降水變化特征研究

馬 凱， 徐玉霞,2， 方 鋒

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院， 陜西 寶雞 721013； 2.寶雞文理學(xué)院災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 寶雞721013； 3.蘭州區(qū)域氣候中心， 甘肅 蘭州 730020)

1 研究背景

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，隨著人類活動(dòng)的加劇，在2012年前的130余年間全球平均氣溫上升顯著，增長(zhǎng)了0.85℃，其中尤以20世紀(jì)50年代后的增溫(0.12℃/ 10a)最為顯著[1]。全球氣候變暖趨勢(shì)的日漸顯著，已使其成為全球性熱點(diǎn)問(wèn)題[2-4]，受到諸多學(xué)者和民眾的廣泛關(guān)注。全球氣候變暖會(huì)引起洪澇、干旱等災(zāi)害，進(jìn)而影響地球的生態(tài)壞境和人類生存發(fā)展[5-6]。中國(guó)是受旱澇災(zāi)害影響較大的國(guó)家[7]，因此對(duì)于氣溫及降水變化規(guī)律的研究也就顯得尤為必要。

目前，國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)不同尺度下的氣溫和降水特征進(jìn)行了研究。在海島與其近岸陸地氣候變化特征對(duì)比研究中，李嘉琪等[8]通過(guò)距平分析和線性回歸法對(duì)潿洲島、西沙群島及其近岸陸地1959-2014年氣溫和降水特征進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)潿洲島、西沙群島及其近岸陸地年平均氣溫呈上升趨勢(shì)；年降水量變化方面，海島降水量低于陸地，其中湄洲島及其近海陸地朝濕潤(rùn)化發(fā)展。在大區(qū)域尺度下的干旱區(qū)氣候變化研究中，商莎莎等[9]基于中國(guó)西北地區(qū)1961-2014年氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用反距離空間插值和線性回歸等方法，分析了中國(guó)西北地區(qū)氣溫和降水變化特征。指出西北地區(qū)降水和氣溫整體呈上升趨勢(shì)，并向暖濕化發(fā)展，降水量表現(xiàn)為東多西少，天山西南地區(qū)和準(zhǔn)格爾盆地氣溫上升最為顯著。

近年來(lái)，針對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)的氣溫和降水變化也開(kāi)展了較多研究，李虹雨等[10]基于內(nèi)蒙古自治區(qū)1951-2014年氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，運(yùn)用氣候傾向率、中心聚類等方法對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)氣溫和降水特征進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)蒙古自治區(qū)年降水量整體呈下降趨勢(shì)，降水量隨緯度變化，緯度越高其變化越大；年平均氣溫整體呈上升趨勢(shì)，緯度越高氣溫變化越小，最低氣溫升高是內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候變暖的首要原因。路云閣等[11]利用小波變換對(duì)內(nèi)蒙古自治區(qū)1956-1995年的氣溫和降水特征進(jìn)行分析，表明內(nèi)蒙古自治區(qū)氣溫和降水上升時(shí)期主要是20世紀(jì)60年代初和90年代初，整體表現(xiàn)為由暖濕向暖干轉(zhuǎn)變，氣候在1994年之后最為干燥。任建美等[12]分析了鄂爾多斯高原1961-2000年的氣溫及降水特征，指出平均氣溫增溫幅度(0.43℃/ 10a)高于內(nèi)蒙古自治區(qū)平均水平，鄂爾多斯高原西北部地區(qū)增溫幅度最為明顯；鄂爾多斯高原整體降水趨勢(shì)表現(xiàn)為略微下降，南部地區(qū)降水量下降較為顯著。

鄂爾多斯市處于內(nèi)蒙古自治區(qū)的西南部和鄂爾多斯高原中心地帶，是螞蟻森林的主要種植區(qū)之一，沙漠占總地區(qū)近一半的面積，生態(tài)系統(tǒng)脆弱。因研究區(qū)有著豐富的天然氣、煤產(chǎn)等資源，且地區(qū)有著庫(kù)布齊、毛烏素兩大沙漠，在互聯(lián)網(wǎng)公益植樹(shù)螞蟻森林日益流行的今天，對(duì)鄂爾多斯市氣候變化特征進(jìn)行研究已顯得尤為必要，但目前對(duì)于該方面的研究較少。本文通過(guò)對(duì)研究區(qū)1959-2018年的氣溫及降水進(jìn)行分析，以期為當(dāng)?shù)毓まr(nóng)業(yè)發(fā)展、人民生產(chǎn)生活提供相關(guān)依據(jù)。

2 研究區(qū)概況

鄂爾多斯市(37°35′24″～40°51′40″N、106°42′40″～111°27′20″E)屬于中國(guó)西北地區(qū)，位于內(nèi)蒙古、陜西、寧夏及山西4省(區(qū))的交界地，與同為螞蟻森林主種植區(qū)的阿拉善盟隔黃河而鄰。鄂爾多斯市下轄2區(qū)7旗，總面積86 752 km2，地勢(shì)東南低西北高，中部的庫(kù)布齊和毛烏素沙漠占總土地面積的47.95%，西部高原地區(qū)約占總土地面積的1/3，高原及沙漠占研究區(qū)面積的4/5。鄂爾多斯市屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，多年平均氣溫6.78℃，四季分明，尤以夏、冬二季差異顯著，多年平均年降水量339.2 mm，降水量?jī)H為蒸發(fā)量的1/7且降水大多集中在夏季。

3 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文所使用的氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)，選取了東勝區(qū)、伊金霍洛旗和鄂托克旗3個(gè)氣象站點(diǎn)1959-2018年的月平均最低、最高氣溫和月平均降水量以及月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，采用均值法并對(duì)個(gè)別缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)處理。運(yùn)用線性回歸分析[13]和滑動(dòng)平均[14]分析了鄂爾多斯市年平均氣溫、年極端氣溫與年降水量的逐年變化特征。使用Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法[15-16]進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，UFk和UBk曲線在臨界線(±1.96)之間相交的點(diǎn)即為突變開(kāi)始的時(shí)間，UFk大于0表明序列表現(xiàn)為上升，小于0表明序列表現(xiàn)為下降，超過(guò)臨界值則表明序列上升(下降)趨勢(shì)顯著。借助Morlet小波分析法[17]揭示氣溫及降水在時(shí)間序列上的不同變化周期。利用R/S分析法[18-20]來(lái)判別時(shí)間序列變化的持續(xù)性及反持續(xù)性的強(qiáng)度，得出Hurst指數(shù)0.5

圖1 鄂爾多斯市氣象站點(diǎn)及螞蟻森林地理位置分布

4 結(jié)果與分析

4.1 氣溫變化分析

4.1.1 氣溫年代際變化趨勢(shì) 圖2為1959-2018年鄂爾多斯市年平均氣溫變化特征圖，由圖2可以看出，近60年來(lái)鄂爾多斯市年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)(0.38℃/ 10a)，高于全國(guó)平均增溫速率(0.25℃/ 10a)[21]和西北干旱半干旱區(qū)增溫速率(0.34℃/ 10a)[22]。整體上有32 a的年平均氣溫高于趨勢(shì)值，有28 a的年平均氣溫低于趨勢(shì)值，在趨勢(shì)值之上的年份略多于低于趨勢(shì)值的年份。5 a滑動(dòng)年平均氣溫在1963-1969年呈急劇下降，1969-2015年呈波動(dòng)式上升，其中1973-1984年氣溫變化震蕩較小，處于平穩(wěn)時(shí)期。多年的平均氣溫為6.78℃，年平均氣溫最小的年份為1967年(4.94℃)，最大的年份為1998年(8.41℃)，二者年平均氣溫相差3.47℃。

圖2 1959-2018年鄂爾多斯市年平均氣溫變化

4.1.2 極端氣溫年代際變化趨勢(shì) 圖3為1959-2018年鄂爾多斯市年極端氣溫變化特征圖，由圖3可知，鄂爾多斯市近60年的年極端最高氣溫增長(zhǎng)顯著(0.31℃/ 10a)，有27 a年極端最高氣溫高于趨勢(shì)值，在趨勢(shì)值之上的年份略少于低于趨勢(shì)值的年份，有33 a年極端最高氣溫低于趨勢(shì)值。年極端最高氣溫在1962-1999年呈波動(dòng)式上升，1999-2016年呈波動(dòng)式下降。多年平均年極端最高氣溫為33.57℃，多年的年極端最高氣溫極大值為2005年和2010年的36.8℃，極小值為1964年的30.27℃。其中年極端最高氣溫在1994年提前于4月份出現(xiàn)，比多年極端最高氣溫出現(xiàn)的月份早了3個(gè)月。鄂爾多斯市年極端最低氣溫上升趨勢(shì)顯著，增溫速率為0.51℃/ 10a，有29 a年極端最低氣溫大于趨勢(shì)值，31 a年極端最低氣溫小于趨勢(shì)值。年極端最低氣溫下降時(shí)段為1963-1969年和1996-2005年，上升時(shí)段為1969-1996年和2005-2016年。多年平均年極端最低氣溫為-24.79℃，多年的年極端最低氣溫極大值為2007年的-19.63℃，極小值為1971年的-29.4℃，1971年也是同年極端最高氣溫和最低氣溫差值最大的一年，達(dá)到了65℃。

圖3 1959-2018年鄂爾多斯市年極端氣溫變化

4.1.3 氣溫突變分析 圖4為1959-2018年鄂爾多斯市年平均氣溫Mann-Kendall突變檢驗(yàn)圖。由圖4可知，UF曲線自1987年開(kāi)始大于0并持續(xù)上升超過(guò)臨界線(α=0.05，置信區(qū)間為±1.96)，在1993年UF、UB曲線相交于一點(diǎn)，UF曲線自1994年開(kāi)始超越臨界值上限，表明鄂爾多斯市近60年年平均氣溫從1993年開(kāi)始突變上升。圖5為對(duì)年極端氣溫序列進(jìn)行M-K突變檢測(cè)圖，由圖5可以看出，UF曲線和UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)相交于1970年(圖5(a))，UF曲線在1997年開(kāi)始超越臨界值上限，表明鄂爾多斯市近60年年極端最高氣溫在1970年開(kāi)始突變上升。UF、UB曲線于1975年相交于置信區(qū)間(圖5(b))，UF曲線在1987年開(kāi)始超越臨界值上限，表明鄂爾多斯市近60年年極端最低氣溫從1975年開(kāi)始突變上升。

4.1.4 氣溫周期分析 圖6為1959-2018年鄂爾多斯市年平均氣溫、年極端氣溫小波分析圖。

圖4 1959-2018年鄂爾多斯市年平均氣溫Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖5 1959-2018年鄂爾多斯市年極端氣溫Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖6 1959-2018年鄂爾多斯市年平均氣溫、年極端氣溫小波分析

由圖6可知，鄂爾多斯市近60年年極端最高氣溫和年平均氣溫周期變化相同，存在著同為24～32 a的主周期變化，對(duì)應(yīng)峰值均為28 a，都經(jīng)歷了高-低-高-低-高等6次高低溫交替；目前正處于年平均氣溫、年極端最高氣溫上升期，且氣溫上升顯著。年極端最低氣溫存在24～30 a的主周期變化，對(duì)應(yīng)峰值為28 a，經(jīng)歷了低-高-低-高-低等6次冷暖交替；目前正處于年極端最低氣溫下降時(shí)期。28 a左右為鄂爾多斯市近60年年極端最低、最高氣溫和年平均氣溫的共振周期。

4.2 降水變化分析

4.2.1 降水年代際變化趨勢(shì) 圖7為1959-2018年鄂爾多斯市年降水量變化特征圖。由圖7可知，鄂爾多斯市近60年年降水量表現(xiàn)為微弱升高(0.12 mm/ 10a)，遠(yuǎn)低于西北地區(qū)整體降水趨勢(shì)(4.87 mm/ 10a)[9]。整體上有33 a的年降水量高于趨勢(shì)值，27 a的年降水量低于趨勢(shì)值。年降水量在1962-1978年、2000-2016年呈波動(dòng)式上升，1978-2000年呈波動(dòng)式下降。多年的平均年降水量為339.16 mm，年降水量極值差異顯著，581 mm(1961年)與145.03 mm(1965年)，二者相差435.97 mm。

4.2.2 降水突變及周期分析 圖8為1959-2018年鄂爾多斯市年降水量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)圖。由圖8可知，在研究時(shí)段內(nèi)，UF曲線一直在0以下波動(dòng)，UF、UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)相交于1961、1976、1978和2016年，表明鄂爾多斯市近60年年降水量突變點(diǎn)較多，并于1961年開(kāi)始突變下降，其之后的57 a平均年降水量為333.19 mm，低于多年平均年降水量5.97 mm。

圖9為1959-2018年鄂爾多斯市年降水量小波分析圖。由圖9可知，鄂爾多斯市近60年年降水量存在4～6 a、7 ～9 a、11～16 a、21～24 a和25～32 a的周期變化，分別對(duì)應(yīng)的峰值為5 、8 、13 、23 和28 a。主周期為25～32 a，經(jīng)歷了高-低-高-低-高等6次高低交替，目前正處于鄂爾多斯市年降水量的上升時(shí)期。

圖71959-2018年鄂爾多斯市年降水量變化 圖81959-2018年鄂爾多斯市年降水量Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖9 1959-2018年鄂爾多斯市年降水量小波分析

4.3 氣溫及降水未來(lái)趨勢(shì)分析

表1為根據(jù)Hurst指數(shù)分級(jí)[23]的鄂爾多斯市年平均氣溫、年極端氣溫和年降水量Hurst指數(shù)情況。由表1可知，鄂爾多斯市年平均氣溫Hurst指數(shù)為0.91，高于0.5且略微低于1，持續(xù)性強(qiáng)度很強(qiáng)，表明在未來(lái)年平均氣溫仍呈現(xiàn)顯著升溫趨勢(shì)。年極端最高氣溫Hurst指數(shù)為0.74，大于0.5且接近0.75，持續(xù)性強(qiáng)度較強(qiáng)，表明在未來(lái)年極端最高氣溫會(huì)仍然延續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。年極端最低氣溫Hurst指數(shù)為0.76，大于0.5且接近0.8，持續(xù)性強(qiáng)度強(qiáng)，表明未來(lái)時(shí)間內(nèi)年極端最低氣溫仍會(huì)呈上升趨勢(shì)。年降水量Hurst指數(shù)為0.39，低于0.5且接近0.35，較弱強(qiáng)度的反持續(xù)性，表明未來(lái)時(shí)間內(nèi)年降水量會(huì)與現(xiàn)有趨勢(shì)呈相反方向發(fā)展，可能呈現(xiàn)小幅度下降趨勢(shì)。整體來(lái)看，鄂爾多斯市未來(lái)氣溫與降水特征呈增溫和減濕趨勢(shì)，氣候向暖濕化發(fā)展趨勢(shì)減緩，轉(zhuǎn)為向暖干化發(fā)展。

表1 鄂爾多斯市氣溫及降水Hurst指數(shù)

5 討 論

在人類活動(dòng)加劇導(dǎo)致全球氣候變暖的大背景下，以及螞蟻森林互聯(lián)網(wǎng)公益植樹(shù)流行的今日，對(duì)人們生活中關(guān)聯(lián)緊密、更為關(guān)注的地區(qū)氣候特征進(jìn)行分析。分析表明研究區(qū)氣溫增長(zhǎng)速度快，降水少且增長(zhǎng)速度緩慢，此結(jié)果表明在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，氣候條件惡劣的情況將會(huì)繼續(xù)深化。螞蟻森林在該地區(qū)種植有著極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，后續(xù)擴(kuò)大種植將益于改善鄂爾多斯市的生態(tài)環(huán)境。

對(duì)鄂爾多斯市氣溫和降水量進(jìn)行研究，楊雪昆[24]運(yùn)用趨勢(shì)分析、累積距平和信噪比方法分析了鄂爾多斯市1961-2013年氣溫及降水量特征，研究發(fā)現(xiàn)：鄂爾多斯市53 a年平均氣溫增溫顯著(0.39℃/ 10a)，突變時(shí)間是1986年；年降水量呈下降趨勢(shì)，下降速率為0.27 mm/ 10a，突變時(shí)間不明顯，氣候暖干趨勢(shì)明顯。本文在繼承前人的研究基礎(chǔ)上，利用M-K檢驗(yàn)、滑動(dòng)平均、Morlet小波分析、線性回歸及R/S分析對(duì)鄂爾多斯市1959-2018年氣溫及降水特征進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：鄂爾多斯市近60年平均氣溫上升顯著，增溫速率(0.38℃/ 10a)低于前者的研究，突變時(shí)間是1993年，比前者的研究結(jié)果要晚7 a；年降水量趨勢(shì)不同于前者，呈微弱上升趨勢(shì)(0.12 mm/ 10a)，突變時(shí)間是1961年，氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)變。與前者氣候傾向率的偏差應(yīng)該與所選取站點(diǎn)和時(shí)間尺度的不同有關(guān)，突變時(shí)間的偏差主要與采用的突變分析方法和選取站點(diǎn)的不同相關(guān)。后續(xù)的相關(guān)研究應(yīng)考慮這些偏差因素，從而選取對(duì)于研究方向最優(yōu)的方法。對(duì)螞蟻森林種植地鄂爾多斯市這一典型的干旱、半干旱地區(qū)近60年氣溫及降水特征進(jìn)行研究，以期更好地讓人們了解自己所植樹(shù)地區(qū)的氣候特征。借此提升我國(guó)民眾的環(huán)保意識(shí)，更多參與到綠色公益中，并以科學(xué)依據(jù)指導(dǎo)當(dāng)?shù)厝嗣裆a(chǎn)生活，為未來(lái)相關(guān)研究提供參考。

6 結(jié) 論

基于鄂爾多斯市3個(gè)氣象站點(diǎn)月氣溫、降水?dāng)?shù)據(jù)，對(duì)鄂爾多斯市1959-2018年氣溫和降水量特征進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

(1)1959-2018年鄂爾多斯市年降水量增長(zhǎng)速度緩慢，僅為0.12 mm/ 10a，遠(yuǎn)低于全國(guó)整體上升趨勢(shì)。年極端氣溫和年平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，其中尤以年極端最低氣溫增長(zhǎng)最為顯著，為0.51℃/ 10a，此結(jié)果驗(yàn)證了全球氣候變暖的事實(shí)。鄂爾多斯市氣溫增速快、極端氣溫差異大、降水量低，不適宜大多數(shù)綠植生長(zhǎng)，使得沙漠逐漸擴(kuò)張，也正因此使其成為了螞蟻森林主要種植區(qū)之一。

(2)1959-2018年鄂爾多斯市年平均氣溫和年極端最高、最低氣溫分別于1993、1970和1987年開(kāi)始突變上升，其中年極端最高氣溫對(duì)全球氣候變暖響應(yīng)最為敏感。年降水量突變時(shí)間最早，自1961年開(kāi)始降水減少，比年平均氣溫突變時(shí)間要早上32 a。

(3)24～32 a為1959-2018年鄂爾多斯市年極端最高氣溫和年平均氣溫均存在的周期變化，且二者周期變化過(guò)程較為相近，年極端最低氣溫存在24～30 a的周期變化，氣溫周期變化與太陽(yáng)活動(dòng)周期聯(lián)系緊密。25～32 a為年降水量多尺度周期的主周期，28 a左右的周期為鄂爾多斯近60年年平均氣溫、年極端最高和最低氣溫及年降水量的共振周期。

(4)鄂爾多斯市在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)年降水量會(huì)呈下降趨勢(shì)(Hurst指數(shù)H<0.5)，年極端最低、最高氣溫和平均氣溫則呈上升趨勢(shì)(Hurst指數(shù)H>0.5)。此結(jié)果表明未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)鄂爾多斯市氣候變化向暖干化發(fā)展，生態(tài)環(huán)境惡劣程度加深，可以基于此研究成果加強(qiáng)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)管控。

(5)在對(duì)鄂爾多斯市氣候變化研究上除自然因素外，人為因素對(duì)其影響也頗深。在以后的相關(guān)研究中，應(yīng)該充分考慮人類活動(dòng)和后續(xù)螞蟻森林在該區(qū)域不斷擴(kuò)大種植對(duì)氣候變化的影響。也可結(jié)合遙感技術(shù)，分析研究區(qū)內(nèi)近年來(lái)NDVI指數(shù)的時(shí)空變化與當(dāng)?shù)匚浵伾址N植的相關(guān)性，以更好地揭示螞蟻森林種植對(duì)當(dāng)?shù)刂脖桓采w和氣候的影響。