渾善達(dá)克沙地1953—2018年熱量資源變化特征分析

李佳燕，楊舒暢

（1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧 沈陽 110866；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019）

IPCC第六次評(píng)估報(bào)告指出，2010—2019年全球平均表面溫度較1850—1900年變暖0.9~1.2 ℃，全球氣候變化再次受到國際社會(huì)的高度關(guān)注［1］.熱量資源是直接參與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和植物生長(zhǎng)的主要資源之一，其數(shù)量和分配狀況在一定程度上決定一個(gè)地區(qū)的農(nóng)業(yè)格局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)潛力［2］.氣溫升高引起熱量資源的增加，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育造成明顯的影響，利用好熱量資源可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和激發(fā)植物生長(zhǎng)潛力［3-6］.渾善達(dá)克沙地是我國沙漠化最嚴(yán)重的沙地之一，同時(shí)也是我國北方春季沙塵暴的主要源地和距離北京最近的沙地［7］，沙地屬于溫帶季風(fēng)半干旱和干旱氣候區(qū)，年平均氣溫0~3 ℃［8］，受東南季風(fēng)影響，區(qū)域降雨量由東南向西北遞減［9］，沙地風(fēng)力強(qiáng)大且大風(fēng)多發(fā)，每年大風(fēng)日數(shù)在50~70 d［7］，該區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱，受氣候變化和人為活動(dòng)的影響敏感［10］.因此，研究分析渾善達(dá)克沙地?zé)崃抠Y源變化，對(duì)于修復(fù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、合理利用熱量資源和更新防沙固沙植物新品種等具有重要科學(xué)意義.

張寶林等［11］研究了1953—2014年渾善達(dá)克沙地氣候變化，結(jié)果表明，渾善達(dá)克沙地年平均氣溫整體上呈現(xiàn)波動(dòng)性上升趨勢(shì)，在空間上的變化表現(xiàn)為由西南向東北逐漸降低.劉美萍等［12］研究結(jié)果也表明，1956—2016年渾善達(dá)克沙地平均每10 a氣溫上升0.43 ℃，極端最高氣溫沙地西部比沙地東部出現(xiàn)得早，而極端最低氣溫則相反，沙地西部比沙地東部出現(xiàn)得晚.白美蘭等［13］研究了1961—2003年渾善達(dá)克沙地氣候變化，研究表明，2000年以后渾善達(dá)克沙地氣溫逐年升高，且降雨量減少、蒸發(fā)量增大，不利于區(qū)域生態(tài)環(huán)境恢復(fù).前人對(duì)渾善達(dá)克沙地的研究大多集中在氣溫和降雨等氣候因素的變化趨勢(shì)上，對(duì)農(nóng)業(yè)界限溫度起止日期、持續(xù)日數(shù)及對(duì)應(yīng)活動(dòng)積溫等的變化缺乏系統(tǒng)研究.筆者采用渾善達(dá)克沙地四周的8個(gè)氣象站1953—2018年的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫等觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用5 d滑動(dòng)平均法計(jì)算穩(wěn)定通過各界限溫度起始日期、終止日期、持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫等指標(biāo)和氣候傾向率指標(biāo)，研究分析近66 a渾善達(dá)克沙地各項(xiàng)熱量資源的變化規(guī)律，以期全面認(rèn)識(shí)區(qū)域熱量變化特點(diǎn)，為生態(tài)治理和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)提供理論參考.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域范圍渾善達(dá)克沙地位于內(nèi)蒙古錫林郭勒高原中部，東起大興安嶺南段西麓達(dá)來諾爾，向西一直延伸到蘇尼特右旗集二鐵路沿線，東西跨度約400 km，南北跨度約30~100 km.沙地面積約2.1萬~3.8萬km2，面積在中國沙漠、沙地中位列第七［7，14］.

1.2 數(shù)據(jù)來源選取阿巴嘎旗、朱日和、蘇尼特左旗、多倫、克什克騰旗、正鑲白旗及正藍(lán)旗、錫林浩特市8個(gè)氣象站1953—2018年連續(xù)66 a逐日平均氣溫、日最高溫度、日最低溫度等資料進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.cma.gov.cn）.其中，阿巴嘎旗、朱日和、錫林浩特市、多倫4 個(gè)氣象站數(shù)據(jù)為1953—2018年數(shù)據(jù)，蘇尼特左旗數(shù)據(jù)為1956—2018年數(shù)據(jù)，克什克騰旗、正鑲白旗、正藍(lán)旗3個(gè)氣象站數(shù)據(jù)為1960—2018年數(shù)據(jù).

1.3 研究方法用渾善達(dá)克沙地四周8 個(gè)氣象站數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值代表平均狀況；利用逐日最高、最低氣溫計(jì)算平均溫度日較差；采用5 d滑動(dòng)平均法確定日平均氣溫穩(wěn)定通過0、5、10、15 ℃界限溫度起、止日期，計(jì)算界限溫度的持續(xù)日數(shù)和對(duì)應(yīng)的活動(dòng)積溫；用最小二乘法計(jì)算氣候傾向率，用t檢驗(yàn)的方法檢驗(yàn)變化趨勢(shì)顯著性.

氣候傾向率：建立溫度y與時(shí)間t線性方程，表達(dá)式為y（t）=a+bt，公式中，t為時(shí)間序列，a為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可通過回歸分析方法中的最小二乘法求取，b為趨勢(shì)變化率，把b×（10 a）稱為氣候傾向率.

2 結(jié)果與分析

2.1 渾善達(dá)克沙地年均溫度變化特征1953—2018年渾善達(dá)克沙地四周8個(gè)代表性站點(diǎn)年平均氣溫變化見圖1.由圖1可知，渾善達(dá)克沙地年平均氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)，氣候傾向率為0.42 ℃·（10 a）-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全球0.07 ℃·（10 a）-1，歷年氣溫平均值為2.8 ℃.從氣溫年代平均值來看，20世紀(jì)50年代氣溫最低，年代氣溫平均值為1.4 ℃，21世紀(jì)初期年平均氣溫相對(duì)較高，年代氣溫平均值達(dá)到3.8 ℃，較20世紀(jì)50年代和歷年氣溫平均值分別高出2.4 ℃和1.0 ℃，氣溫變暖趨勢(shì)十分明顯.年代間氣溫變化幅度相對(duì)較低，其中，20世紀(jì)90年代氣溫升高幅度較大，較80年代升溫0.9 ℃.21世紀(jì)10年代年平均氣溫變化幅度較大，氣溫呈現(xiàn)下降—升高—下降的冷暖交替變化現(xiàn)象，氣溫的不穩(wěn)定性增加明顯.

2.2 渾善達(dá)克沙地四季溫度變化特征以3、4、5月為春季，6、7、8月為夏季，9、10、11月為秋季，12月和次年1、2月為冬季，對(duì)渾善達(dá)克沙地1953—2018年連續(xù)66 a四季溫度變化特征進(jìn)行分析.

渾善達(dá)克沙地春季年平均氣溫呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.50 ℃·（10 a）-1，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)，歷年春季平均氣溫值為4.3 ℃.從年代氣溫平均值變化幅度來看，20世紀(jì)90年代氣溫增溫幅度較大，較80年代增溫0.8 ℃；從年代氣溫平均值來看，20世紀(jì)50年代，渾善達(dá)克沙地春季平均氣溫最低，其值為2.5 ℃，21世紀(jì)10年代春季平均氣溫最大值為5.6 ℃，分別較20世紀(jì)50年代和歷年平均值增加3.1 ℃和1.3 ℃，春季變暖趨勢(shì)較為明顯（圖2-a）.

渾善達(dá)克沙地夏季年平均氣溫呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.33 ℃·（10 a）-1，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)，歷年夏季平均氣溫值達(dá)到19.2 ℃.從年代氣溫平均值來看，21世紀(jì)初期升溫幅度較大，較20世紀(jì)90年代增加1.0 ℃，21世紀(jì)10年代夏季平均氣溫最大值為20.4 ℃，分別較20世紀(jì)50年代和歷年氣溫平均值增加1.9 ℃和1.2 ℃，夏季也有明顯的變暖趨勢(shì)（圖2-b）.

渾善達(dá)克沙地秋季年平均氣溫呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.32 ℃·（10 a）-1，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)，歷年秋季平均氣溫值達(dá)到3.2 ℃.從年代氣溫平均值來看，20世紀(jì)90年代升溫幅度較大，較20世紀(jì)80年代增加0.9 ℃，2000—2009年2010—2018年秋季平均氣溫相同，且達(dá)到最大值4.0 ℃，分別較20世紀(jì)50年代和歷年氣溫平均值增加1.7 ℃和0.8 ℃，這表明，近年來秋季氣溫呈變暖趨勢(shì)（圖2-c）.

渾善達(dá)克沙地冬季年平均氣溫呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.53 ℃·（10 a）-1，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)，歷年冬季平均氣溫值達(dá)到-15.7 ℃.從年代氣溫平均值來看，20世紀(jì)90年代升溫幅度較大，較20世紀(jì)80年代增加1.8 ℃，20世紀(jì)50年代渾善達(dá)克沙地冬季平均氣溫最低為-18.2 ℃，20世紀(jì)90年代冬季平均氣溫達(dá)到最大值為-14.3 ℃，較20世紀(jì)50年代和歷年平均氣溫增加3.9 ℃和1.4 ℃，冬季變暖趨勢(shì)明顯（圖2-d）.

圖2 1953—2018年渾善達(dá)克沙地四季氣溫變化Fig. 2 Changes of the four seasons temperature in the Hunshandake Sandy Land from 1953 to 2018

2.3 渾善達(dá)克沙地日平均最高、最低及日較差變化特征圖3為1953—2018年渾善達(dá)克沙地日均最高氣溫、日均最低氣溫和日較差變化.由圖3可知，渾善達(dá)克沙地近66 a日均最高氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.31 ℃·（10 a）-1，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)；66 a渾善達(dá)克沙地日均最低氣溫呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為0.50 ℃·（10 a）-1，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)，日均最低氣溫變暖趨勢(shì)明顯.1953—2018年渾善達(dá)克沙地日較差呈縮小趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.19 ℃·（10 a）-1，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn).這表明，渾善達(dá)克沙地近66 a日均最低氣溫變暖速率大于日均最高氣溫變暖速率.

圖3 1953—2018年渾善達(dá)克沙地日平均最高氣溫、日平均最低氣溫、日較差年變化Fig. 3 Annual variation of daily average maximum temperature，daily average minimum temperature，and daily range in the Hunshandake Sandy Land from 1953 to 2018

2.4 渾善達(dá)克沙地穩(wěn)定通過0、5、10、15 ℃的起止日期、持續(xù)日數(shù)及積溫變化特征近66 a渾善達(dá)克沙地各界限溫度活動(dòng)積溫均呈現(xiàn)增加趨勢(shì).與20世紀(jì)50年代相比，21世紀(jì)10年代≥15 ℃積溫增幅最大，達(dá)482 ℃·d；其次為≥10 ℃積溫，增加442 ℃·d；≥0 ℃積溫，增加438 ℃·d；增幅最小的是≥5 ℃積溫，增加436 ℃·d.從積溫增加變化趨勢(shì)來看，進(jìn)入21世紀(jì)10年代以后積溫增加趨勢(shì)有所放緩.就積溫增加的原因而言，≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃積溫增加主要通過各界限溫度持續(xù)日數(shù)延長(zhǎng)和平均氣溫的增加而增加.從統(tǒng)計(jì)上來看，各年代≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃的持續(xù)日數(shù)均呈現(xiàn)延長(zhǎng)趨勢(shì).在全球氣候變暖的趨勢(shì)下，渾善達(dá)克沙地穩(wěn)定通過≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃的初始日期呈提前的趨勢(shì)，終止日期呈延后趨勢(shì)，≥0 ℃和≥5 ℃終止日期延后明顯，≥10 ℃和≥15 ℃初始日期提前更加明顯（表1）.

表1 1953—2018年渾善達(dá)克沙地各年代穩(wěn)定通過0、5、10、15 ℃的初日、終日、持續(xù)日數(shù)及對(duì)應(yīng)積溫Tab. 1 The first，the last，the number of continuous days and the corresponding accumulated temperature of the Hunshandake Sandy Land that passed 0，5，10，15 ℃stably in each period from 1953 to 2018

渾善達(dá)克沙地1953—2018 年穩(wěn)定通過0、5、10、15 ℃持續(xù)日數(shù)的氣候傾向率均為正值，各界限溫度持續(xù)日數(shù)呈增加趨勢(shì)，平均每10 a增加2~3 d，持續(xù)日數(shù)增加趨勢(shì)顯著，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn)；穩(wěn)定通過0、5、10、15 ℃的活動(dòng)積溫的氣候傾向率在78.38~86.91 ℃·d·（10 a）-1之間，各界限溫度活動(dòng)積溫平均每10 a增加78~87 ℃·d·（10 a）-1，各界限溫度活動(dòng)積溫增加顯著，通過了α=0.01水平顯著性檢驗(yàn).可見，近66 a渾善達(dá)克沙地?zé)崃抠Y源整體呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)（表2）.

表2 1953—2018年渾善達(dá)克沙地各項(xiàng)熱量資源距平氣候傾向性及顯著性Tab. 2 The climate tendency and significance of the anomalies of various heat resources in the Hunshandake Sandy Land from 1953 to 2018

3 討論與結(jié)論

近66 a渾善達(dá)克沙地年平均氣溫呈升高趨勢(shì)，氣候傾向率為0.42 ℃·（10 a）-1.四季平均氣溫均有所上升，其中，冬季上升趨勢(shì)最為明顯，其氣候傾向率為0.53 ℃·（10 a）-1；春季次之，為0.50 ℃·（10 a）-1；夏季和秋季再次，分別為0.33 ℃·（10 a）-1和0.32 ℃·（10 a）-1.日均最高氣溫氣候傾向率為0.31 ℃·（10 a）-1，日均最低氣溫氣候傾向率為0.50 ℃·（10 a）-1，平均日較差氣候傾向率為-0.19 ℃·（10 a）-1，日最低溫度升幅高于日最高溫度，溫度日較差呈下降趨勢(shì).穩(wěn)定通過各界限溫度的起始日期均呈現(xiàn)提前趨勢(shì)，終止日期均呈現(xiàn)延后趨勢(shì)，≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃持續(xù)日數(shù)氣候傾向率分別為2.23、2.15、2.50、2.62 d·（10 a）-1.高于各界限溫度的活動(dòng)積溫均有所增加，其氣候傾向率分別為78.38、78.64、80.85、86.91 ℃·d·（10 a）-1.

在全球變暖背景下，渾善達(dá)克沙地?zé)崃抠Y源增加明顯，年平均溫度、四季溫度、最高溫度、最低溫度、穩(wěn)定通過界限溫度的持續(xù)日數(shù)及時(shí)段內(nèi)活動(dòng)積溫均呈上升趨勢(shì)，這與前人［15-16］研究結(jié)論基本一致，但研究區(qū)各熱量指標(biāo)的增幅較高.渾善達(dá)克沙地年平均溫度氣候傾向率為0.42 ℃·（10 a）-1，高于同期華北平原的0.25 ℃·（10 a）-1和全國的0.25 ℃·（10 a）-1［17-18］；除秋季外，沙地內(nèi)的增溫幅度遠(yuǎn)高于1951—2001年全國四季增溫幅度［19］.渾善達(dá)克沙地通過各界限溫度的持續(xù)日數(shù)和活動(dòng)積溫的增幅也明顯高于同溫度帶內(nèi)的平均水平［20-21］.究其原因，應(yīng)與研究時(shí)段選取及沙地特殊屬性有關(guān)，研究區(qū)內(nèi)農(nóng)田、草地、沙丘交錯(cuò)分布，屬于典型的生態(tài)環(huán)境脆弱帶，具有對(duì)氣候變化響應(yīng)敏感的特性，溫度變化更為顯著.

近66 a渾善達(dá)克沙地日平均最高氣溫增加幅度小于日平均最低氣溫變暖幅度，日較差呈減小趨勢(shì)，對(duì)作物光合物質(zhì)積累不利.穩(wěn)定通過≥0 ℃、≥5 ℃、≥10 ℃、≥15 ℃的起始日期提前和終止日期延后，各界限溫度持續(xù)日數(shù)延長(zhǎng)，活動(dòng)積溫增加，這對(duì)植物生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有積極作用.渾善達(dá)克沙地氣候變暖顯著，生態(tài)建設(shè)和農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)必須充分考慮熱量增加帶來的影響，調(diào)整生產(chǎn)方式，主動(dòng)適應(yīng)氣候變化，趨利避害，實(shí)現(xiàn)生態(tài)建設(shè)與農(nóng)牧業(yè)發(fā)展的雙贏.