大柴旦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境影響要素變化特征

摘要：氣象要素變化對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響極為重要，尤其是在我國青藏高原寒旱區(qū)，全面系統(tǒng)地了解歷史氣象要素變化特征對高寒礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護具有指導作用。本研究首先基于青藏高原大柴旦礦區(qū)19562022年的逐月降水、氣溫、蒸發(fā)數據，采用線性傾向估計法、集合經驗模態(tài)分解（EEMD）、Morlet小波變換等方法對大柴旦地區(qū)的降水、氣溫、蒸發(fā)等氣象要素的變化趨勢進行了全面分析研究；然后選取三期空間分辨率為30 m的 Landsat衛(wèi)星數據，從衛(wèi)星圖像中計算了歸一化差異植被指數（INDV）。結果表明：大柴旦礦區(qū)氣候呈現暖濕化態(tài)勢，在此因素驅動下，降水量呈現輕微增加趨勢，氣溫呈現明顯增高趨勢，蒸發(fā)量呈明顯減小趨勢；降水量和氣溫序列沒有突變點，而蒸發(fā)量在1979年存在突變，在19561979年蒸發(fā)量緩慢增加，在19792022年緩慢減?。唤邓吭?0002016年具有顯著12個月的震蕩周期，氣溫和蒸發(fā)量在整個時間尺度上都具有12個月的震蕩周期；植被多集中分布在水體附近，研究區(qū)內整體呈現覆蓋增加、生長活動增強趨勢。預測大柴旦礦區(qū)未來幾年降水量仍處于增加狀態(tài)，溫度處于增高階段，年蒸發(fā)量將處于偏少期，植被生長活動整體呈增強趨勢。

關鍵詞：

高寒礦區(qū)；氣象要素；集合經驗模態(tài)分解；Morlet小波函數；降水；氣溫；蒸發(fā)

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230027

中圖分類號：X24；P49

文獻標志碼：A

顧小凡 ，石建省，陳寶輝，等.大柴旦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境影響要素變化特征.吉林大學學報（地球科學版），2024，54（5）：16751684. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230027.

Gu Xiaofan，Shi Jiansheng，Chen Baohui，et al. Variation Characteristics of Meteorological Elements Influencing Ecosystem Environment in Da Qaidam Mining Area. Journal of Jilin University （Earth Science Edition），2024，54（5）：16751684. doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20230027.

收稿日期：20220215

作者簡介：顧小凡（1983-），男，正高級工程師，博士，主要從事西北地區(qū)水資源與水文地質調查方面的研究，E-mail： 251335419@qq.com

基金項目：國家自然科學基金項目（42177346）；中國地質調查局地質調查項目（DD20160291，DD20221751，DD20230082）

Supported by the National Natural Science Foundation of China （42177346） and the Project of China Geological Survey （DD20160291， DD20221751， DD20230082）

Variation Characteristics of Meteorological Elements Influencing Ecosystem Environment in Da Qaidam Mining Area

Gu Xiaofan1，2， Shi Jiansheng3， Chen Baohui4， Chang Liang2， You Xiangzhi2， Lin Chuan5

1. Chinese Academy of Geological Sciences， Beijing 100037， China

2. Xi’an Center of China Geological Survey， Xi’an 710054， China

3. China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Natural Resource， Beijing 100083， China

4. Xi’an Research Institute， China Coal Technology ＆ Engineering Group Corp， Xi’an 710054， China

5. Beijing Tiandi Huatai Mining Management Co.， Ltd.， Beijing 100020， China

Abstract：

Changes in meteorological elements have a highly important impact to the ecological environment of the mining area， especially in the cold and arid region of the Qinghai-Tibet Plateau， China. A comprehensive and systematic understanding of characteristics of historical meteorological changes plays a guiding role in the ecological environment protection for alpine mining areas. In this study， trends of precipitation， air temperature， and evaporation were comprehensively analyzed by linear tendency estimation， the ensemble empirical mode decomposition （EEMD）， and Morlet wavelet analysis using monthly data from 1956 to 2022 in the Da Qaidam mining area of the Qinghai-Tibet Plateau. The normalized difference vegetation index （INDV） was extracted from three phases of Landsat satellite images with a spatial resolution of 30 m. Results showed that the climate in the study area developed towards warming and humidification with a slightly increasing trend of precipitation， a significantly trend of temperature， and a markedly decreasing trend of evaporation. No abrupt changes points were detected for precipitation and temperature， but a sudden change in evaporation existed in 1979. Evaporation increased slowly from 1956 to 1979， and decreased slowly from 1979 to 2022. Precipitation had a significant 12month oscillation period from 2000 to 2016， while temperature and evaporation had a 12month oscillation period throughout the entire study period. INDV data indicated that vegetation was mostly concentrated near the water bodies， and the coverage expanded and the growth activity enhanced over time in the entire study area. It is predicted that precipitation and temperature would continuously increase and annual evaporation would be in a relatively small period. The vegetation growth activity would be strengthened for next few years in the Da Qaidam mining area.

Key words：

high-cold mining area; meteorological elements; EEMD; Morlet wavelet function；precipitation； air temperature；evaporation

0" 引言

目前，在經濟快速發(fā)展、人口迅速增長以及資源不合理開發(fā)利用等影響下，青藏高原的生態(tài)環(huán)境產生了局部地區(qū)環(huán)境污染破壞［12］、土地退化［3］、湖泊濕地萎縮［4］以及生物多樣性減少［5］等多種危機。同時，隨著國家生態(tài)文明建設的不斷深入，青藏高原高寒地區(qū)生態(tài)環(huán)境受到社會各界的關注，其中生態(tài)環(huán)境保護和修復成為高寒礦區(qū)綠色持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)［67］，其涉及礦產開發(fā)利用、水資源保護、土壤植被修復、生物多樣性保護等多方面生態(tài)環(huán)境科學難題。

2021年，國家提出要統(tǒng)籌指導構建新發(fā)展格局，推動青藏高原生態(tài)環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展［8］。之后，眾多學者［911］對青藏高原生態(tài)環(huán)境影響要素開展了大量研究，認為氣象要素與礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的演化關系極為密切，其中，降水量、氣溫以及蒸發(fā)量等氣象要素直接影響著礦區(qū)地貌景觀、植被生態(tài)、水環(huán)境資源、生命活動等多個方面。

柴達木盆地地處青藏高原北部干旱區(qū)，是受氣候變化影響最為敏感的區(qū)域之一［12］，且生態(tài)環(huán)境較為脆弱，研究其氣候變化趨勢對于了解青藏高原氣象要素和生態(tài)環(huán)境對全球氣候變化的響應特征具有重要意義。已有學者開展了不同時期盆地尺度和流域局部尺度研究。例如：Wang等［13］研究指出 ，19612010年間柴達木盆地變暖趨勢強烈，年均氣溫增速為0.053 ℃/a，年均降水量增速為0.738 mm/a，高于青藏高原其他區(qū)域。相守貴等［14］分析了柴達木盆地19662015年間氣候變化和降水特征，指出氣溫在2001年發(fā)生突變，1996年以前呈下降趨勢，不存在10 a以上周期，其后呈上升趨勢，具有4 a準周期；降水量在19852000年存在10～11 a周期，在2001年發(fā)生突變，進入濕潤期，20042015年存在6 a準周期。許婉彤等［15］分析了19822013年柴達木盆地氣候變化特征，認為除相對濕度變化不明顯外，降水量和氣溫顯著上升，日照時數和平均風速顯著減?。磺医邓吭?980年代至21世紀初存在5～6 a的周期變化，但2003年后消失，氣溫變化存在10～12 a、30～32 a周期。杜玉娥［16］研究認為19612016年間柴達木盆地氣溫和降水量總體上均呈顯著增加，20022015年，植被覆蓋度增大。馬日新等［17］通過對格爾木河流域近60 a氣象要素變化特征進行分析，指出該流域氣候向暖濕化轉變，為流域水資源利用配置提供了良好的條件。文廣超等［18］分析了近60 a來巴音河流域氣象要素變化特征，認為巴音河流域降水量有進一步增多趨勢，需對流域下游因地下水位上漲引起的生態(tài)環(huán)境危害進一步防治。靳錚等［19］對三江源近60 a氣象要素的空間格局和氣候指標進行了對比，指出溫濕氣候態(tài)沿西北東南方向正溫濕梯度的空間變化特征和格局，為從區(qū)域山水林田湖草協同治理提供了氣候依據。次央等［20］分析了近50 a藏北高原地區(qū)氣象要素的變化趨勢和周期時長，指出氣溫和降水量在發(fā)生時域上的互補性。

目前這些研究主要針對氣候變化進行分析，但在生態(tài)環(huán)境脆弱的高寒礦區(qū)，對氣象要素變化的研究存在時間序列相對較短、對未來短期內的氣候變化預測不足等問題。大柴旦礦區(qū)位于我國的聚寶盆——柴達木盆地內，區(qū)內礦產豐富，富含大量的硼鋰等礦產資源，是我國內陸重要的能源基地。但是該礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，區(qū)域內生態(tài)植被和牧場逐步退化［2122］;因此，為了預防和杜絕青海木里礦區(qū)式的生態(tài)環(huán)境破壞問題再次發(fā)生，亟需實現大柴旦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護和修復治理。文章選取柴達木盆地內大柴旦氣象站19562022年降水量、氣溫、蒸發(fā)量資料，首先在分析其趨勢變化的基礎上，進行突變分析及其周期性分析，然后利用遙感影像提取分析植被覆蓋狀況，進一步預測未來變化趨勢，以期為生態(tài)環(huán)境保護和修復以及礦產開發(fā)活動提供相應的決策依據。

1" 材料與研究方法

1.1" 研究區(qū)概況和數據來源

研究區(qū)位于平均海拔3 500 m的大柴旦盆地內（圖1），冬寒夏涼，晝夜溫差大，多年平均降水量、氣溫和蒸發(fā)量分別為89.43 mm、2.10 ℃和1 371.00 mm，植被覆蓋度低，屬高寒氣候區(qū)。文章所引用的氣象數據為大柴旦氣象站月平均觀測資料，時間為1956年1月至2022年12月。植被數據選用生長期內Landsat遙感影像來提取分析植被指數變化。

1.2" 研究方法

1.2.1" 線性傾向估計

一般來說，氣象要素隨時間變化有一定的傾向性，因此利用線性方程來擬合其變化趨勢［23］：

y=at+b。（1）

式中：y為某類氣象要素；a為斜率，代表氣象要素時間序列的變化率；t為時間；b為截距。

1.2.2" 集合經驗模態(tài)分解

集合經驗模態(tài)分解（EEMD）是由Wu等［24］提出的一種分離非線性和非平穩(wěn)數據的時間序列分解方法。EEMD是經驗模態(tài)分解（EMD）［13］的改進版，其能夠識別共存的各種振蕩模態(tài)，并將原始時間序列分解成一系列模態(tài)，即有限的固有模態(tài)函數（IMF）以及趨勢項。EEMD方法在原始時間序列中加入白噪聲以克服EMD方法中的模式混合［19］?；贓EMD分解，添加的白噪聲可以在多次平均后被去除，原始數據序列可以被分解為IMF和殘差趨勢。

1.2.3" 小波分析

小波分析法作為一種時間頻率信號分析方法，可將時間序列分解為時間域和頻率域，準確揭示非平穩(wěn)時間序列序列細微的變化特征［2527］。

連續(xù)小波變換定義為

W（m，n）=1" m∫f（t）φ-t-nmdt。（2）

式中：W（m，n）為變換系數；m為周期伸縮因子；n為時間平移因子；f（t）為原時域信號；φ-（t）為復共軛函數。

對時域上所有小波系數的平方進行積分，得到小波方差Var（m）：

Var（m）=∫SymboleB@-SymboleB@Wf（m，n）2dn。

（3）

根據小波方差分析時間序列變化的主要時間尺度，進一步確定序列變化的主要周期。

1.2.4" 歸一化植被指數提取

由于植物葉片組織對藍光（470 nm）和紅光（650 nm）有強烈吸收，而對綠光和紅外光強烈反射；故植被覆蓋越高，紅光反射越小，近紅外光反射越大。歸一化植被指數（INDV）可通過測量近紅外（植被強烈反射）和紅光（植被吸收）之間的差異來量化植被覆蓋度。

INDV=λN-λRλN+λR。

（4）

式中：λN為近紅外波段的反射率；λR為紅光波段的反射率。

本研究選用Landsat 5和Landsat 8的遙感數據為數據源，

Landsat

遙感影像是提取植被信息的有效數據［28］，

Landsat 5和Landsat 8

分別為美國陸地衛(wèi)星系列

Landsat的第5顆衛(wèi)星和第8顆衛(wèi)星。

分別選取植被生長期內1987年7月3日、2000年8月7日、2019年8月28日三期衛(wèi)星圖像來計算INDV，以對比研究時段內的植被變化。

2" 結果與分析

2.1" 降水、氣溫、蒸發(fā)年際變化特征

2.1.1" 降水

大柴旦礦區(qū)多年平均降水量為89.43 mm，降水量年際變化較大（圖2a），年最大、最小降水量分別為168.2 mm（2017年）、33.7 mm（1976年），降水量變化傾向率為0.47 mm/a，表明60多a以來大柴旦礦區(qū)降水呈增加趨勢。

2.1.2" 氣溫

礦區(qū)多年平均氣溫為2.10 ℃，最大、最小年平均氣溫分別為3.90 ℃（2022年）、-0.05 ℃（1957年）。礦區(qū)多年平均氣溫呈上升趨勢（圖2b），年氣溫變化傾向率為0.05 ℃/a。

2.1.3" 蒸發(fā)

大柴旦礦區(qū)多年平均蒸發(fā)量為1 371.46 mm，最大、最小年蒸發(fā)量分別為1 587.3 mm（1973年）、1 032.96 mm（2012年）。近67 a大柴旦礦區(qū)的年蒸發(fā)量呈下降趨勢（圖2c），其變化傾向率為-5.21 mm/a。這可能與日照時間變短、風速減小等因素有關［15］。

R為相關系數。

2.2" 降水、氣溫、蒸發(fā)年內變化特征

研究區(qū)降水量、氣溫、蒸發(fā)量年內變化如圖3所示。降水量年內分配不均勻，降水主要集中在6月和7月，分別占多年平均降水量的24.42%、25.19%；其次為5、8、9月，分別占全年降水量的12.94%、15.50%、7.98%；其余各月總和僅占全年總降水量的13.98%。與中國大多數地區(qū)氣溫變化相

似，7、8月氣溫最高，12、1月氣溫最低，年內氣溫變

化幅度大，變化幅度可達24 ℃。由月平均蒸發(fā)量可以看出，受氣溫影響，月平均蒸發(fā)量變化與氣溫變化規(guī)律相似，58月較強烈，12、1月較弱。58月蒸發(fā)量均在150 mm以上，占全年蒸發(fā)量的58.57%，34月和910月蒸發(fā)量次之，占全年蒸發(fā)量的32.77%，12月和1112月蒸發(fā)量較小，僅占全年蒸發(fā)量的8.66%。

2.3" 植被變化特征

研究區(qū)內三個時段植被覆蓋情況如圖4所示，植被多集中分布在水源附近。隨著時間推移，該研究區(qū)內植被覆蓋擴張、植被生長強度增加，在水體周邊表現尤為明顯。1987年7月3日、2000年8月7日和2019年8月28日三個時段內， INDV＞0.1的植被覆蓋網格分別約占到總植被分布網格的13.9%、17.8%和30.0%；INDV＞0.4植被覆蓋的網格分別約占到0.7%、1.6%和3.1%，植被覆蓋增加顯著。由圖5可見：與1987年7月3日相比，2000年8月7日水體周圍的INDV增加較為明顯，增加幅度最大約0.4；相比于2000年8月7日，2019年8月28日研究區(qū)內植被INDV整體上呈現增加狀態(tài)。綜上，研究區(qū)在植被生長季內整體上呈現出增強的趨勢。

3" 討論

3.1" 降水量、氣溫、蒸發(fā)量時間序列集合經驗模態(tài)分解

通過EEMD對大柴旦地區(qū)19562022年月降水量從高頻到低頻分解后，共得到7個IMF分量

（IMF17）和一個殘差項（圖6）。由圖6和表1可知，IMF1、IMF2和IMF3對原始數據的方差貢獻率

較高，累計貢獻率分別為32.76%、16.59%和19.32%，

即表明大柴旦地區(qū)月降水量主要由IMF1、IMF2以及IMF3

所決定。殘差項表明時間序列的長期變化，殘差項從1956年1月到2022年12月呈逐漸增加的趨勢，表明降水量多年逐漸增多，這與一元線性回歸得到的結果相同。

通過EEMD對大柴旦地區(qū)19562022年月平均氣溫從高頻到低頻分解，共得到6個IMF分量（IMF16）和一個殘差項（圖7）。由圖7和表1可

知，IMF2對原始數據的方差貢獻率較高，累計貢獻率為61.78%，即表明大柴旦地區(qū)月平均溫度主要由IMF2所決定。殘差項表明研究區(qū)氣溫呈多年升高趨勢，這與一元線性回歸得到的結果相同。

大柴旦地區(qū)19562022年月蒸發(fā)量從高頻到低頻分解后，共得到6個IMF分量（IMF16）

和一個殘差項（圖8），由圖8和表1可知，IMF2對原

始數據的方差貢獻率較高，累計貢獻率為63.13%，即表明大柴旦地區(qū)月平均蒸發(fā)量主要由IMF2所決定。殘差項表明研究區(qū)蒸發(fā)量先緩慢增高，然后再快速降低，1979年為蒸發(fā)量的一個突變點。

3.2" 降水量、氣溫、蒸發(fā)量的周期性特征

在內在因素和外在因素的共同作用驅動下，降水的氣象因子動態(tài)不僅具有年內、年際等變化規(guī)律，還具有極端復雜的隨機性與周期性等非線性響應特征。本節(jié)利用連續(xù)小波變換分別對研究區(qū)19562022年月尺度和年際降水量、氣溫、蒸發(fā)量進行周期性演化特征分析，結果如圖9和圖10所示。影響錐內的區(qū)域為有效波譜值，表示震蕩時間尺度通過了0.05顯著性水平的紅噪聲標準譜檢驗，而影響錐外的區(qū)域表示無效波譜值。由圖9可知，小波影響錐范圍內降水量在19861995年、20002016年具有12個月的震蕩周期，而氣溫和蒸發(fā)量在整個時間尺度上都具有12個月的震蕩周期，這與降水量、氣溫、蒸發(fā)量的年內變化特征相同。而對于年尺度的降水量、氣溫、蒸發(fā)量的周期性特征結果，僅在少數時間觀察到2 a尺度的周期性，沒有明顯的周期性演化特征（圖10）。

可見，在未來一段時間內，大柴旦礦區(qū)的降水相對豐沛，且降水相對集中在6、7月，且氣溫不斷回暖，蒸發(fā)量不斷減少，因此，在4、5月份可以加強植被種植和保護，有利于該礦區(qū)復綠復牧。

綜合以上分析，降水量的年際動態(tài)變化特征、突變特征及小波分析均表明，大柴旦礦區(qū)降水量呈增多趨勢，目前降水量增加的趨勢依然會持續(xù)，且處于震蕩周期最強時期。顯然，降水量的增加對于加強生態(tài)修復是極其有利的。

盡管氣溫的年際變化呈現增加的趨勢，且未來會處于氣溫增高階段，但氣溫的年際變化未出現上

圖中黑色輪廓表示95%顯著性水平，黑色曲線為小波影響錐。

圖中黑色輪廓表示95%顯著性水平，黑色曲線為小波影響錐。

升突變點，表明氣溫這一因素的變化并未由量變達到質變，對生態(tài)環(huán)境影響較小。

采用年際動態(tài)變化特征、突變特征及小波分析三種方法對蒸發(fā)量年際變化進行分析可知，蒸發(fā)量

在經過了1979年蒸發(fā)序列下降突變點后，呈現減小的趨勢；且未來一段時期內礦區(qū)年蒸發(fā)量將處于偏少期。顯然，蒸發(fā)量的減小也會進一步促進大柴旦礦區(qū)的生態(tài)修復。

因此，受全球溫室效應影響，在降水、氣溫和蒸發(fā)三個因素的協同作用下，大柴旦地區(qū)氣候呈現暖濕變化態(tài)勢，且未來一段時期內這種趨勢依然會十分顯著。這種變化的趨勢有利于植被的快速恢復和生長，保證了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境植被生長的穩(wěn)定性和長效性，有利于礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復。

4" 結論

1）19562022年研究區(qū)的降水量、氣溫總體呈增長趨勢，增長速率分別為0.47 mm/a、0.05 ℃/a，降水量年內分配不均勻，主要集中在6、7月；年蒸發(fā)量呈顯著降低趨勢，降低速率為5.21 mm/a。

2）研究區(qū)月降水量主要由IMF1、IMF2和IMF3所決定，氣溫和蒸發(fā)量主要由IMF2所決定，EEMD趨勢項表明多年降水量和平均氣溫呈逐漸增加的趨勢，蒸發(fā)量先緩慢增高，然后再降低，1979年為其突變點。

3）月尺度降水量在19861995年、20002016年具有顯著的12個月震蕩周期，而氣溫和蒸發(fā)量在整個時間尺度上都具有12個月的震蕩周期。年尺度沒有明顯的周期性演化特征。

4）研究區(qū)內植被覆蓋多集中分布在水源附近，在1987年7月3日、2000年8月7日和2019年8月28日三個時段內，植被覆蓋擴張，植被生長強度增加，水體周邊增加幅度尤為明顯。

5）整體來看，在全球氣候變化的大背景下，大柴旦礦區(qū)氣候呈現暖濕化態(tài)勢，在此因素驅動下，未來一段時間大柴旦礦區(qū)將處于年降水量偏多且蒸發(fā)量偏少期；在降水、氣溫和蒸發(fā)三個因素的協同作用下有效地保證了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境植被生長的穩(wěn)定性和長效性，有利于大柴旦礦區(qū)生態(tài)環(huán)境的修復。

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