晉西北地區(qū)近60a來的氣候變化特征

池政+陳振孝+王曦謙+李繼彥

摘要：目的：明確晉西北地區(qū)近年來的氣候變化狀況，可為區(qū)域沙漠化趨勢(shì)的判定提供理論依據(jù)。方法：根據(jù)晉西北地區(qū)9個(gè)代表站近60a逐月的氣溫、降水資料，運(yùn)用Mann-KendaⅡ檢驗(yàn)法（以下簡(jiǎn)稱M-K法）和線性回歸等方法分析了季節(jié)、年氣溫和降水的變化特征。結(jié)果：晉西北地區(qū)氣溫除70到80年代年際變化較大之外，其余年際變化幅度較小，總體呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，冬季年際變化尤其顯著；降水集中在夏季，冬季很少，年際變化幅度較大，近年來呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。總體來看，晉西北地區(qū)除個(gè)別年份降水量有所增加以外，多數(shù)年份呈逐年遞減趨勢(shì)。結(jié)論：晉西北地區(qū)氣候條件中氣溫和降水量兩者的相互作用進(jìn)一步促使該地區(qū)暖干化程度加深，從而導(dǎo)致研究區(qū)潛在沙漠化程度具有加劇的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：晉西北；氣候變化；沙漠化

0引言

沙漠化對(duì)氣候變化的響應(yīng)十分敏感，而氣候變化則對(duì)沙漠化過程產(chǎn)生重要影響。沙漠化作為目前人類面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一，是在氣候變化和人為因素的相互作用下引起的、主要發(fā)生于干旱半干旱地區(qū)的土地退化過程，最終會(huì)導(dǎo)致土地生態(tài)系統(tǒng)趨于無序。沙漠化土地分布廣泛，危害嚴(yán)重，即使是沙漠化防治活動(dòng)，一旦超出了生態(tài)閾值，就會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失衡，甚至進(jìn)入不可逆的退化過程。若按這樣的趨勢(shì)發(fā)展下去，必將成為一個(gè)全球性的災(zāi)難。

我國是世界上受沙漠化危害最為嚴(yán)重的國家之一，沙漠化土地處于局部逆轉(zhuǎn)、整體蔓延的態(tài)勢(shì)。晉西北地區(qū)處于我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶上，生態(tài)環(huán)境脆弱，是全國荒漠化監(jiān)測(cè)與防治的12個(gè)重點(diǎn)省（市、區(qū)）之一。這里的雨量集中在夏末秋初，占全年的50%～75%，年變率很大，加上陡坡與土質(zhì)疏松的地形條件，暴雨來時(shí)水土流失嚴(yán)重。因干旱多風(fēng)和沙源豐富也會(huì)造成以風(fēng)力作用為主的土地荒漠化。因此，研究該區(qū)的氣候變化狀況為今后對(duì)該區(qū)綜合治理與科學(xué)開發(fā)提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)也對(duì)我國北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的生態(tài)保護(hù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1材料和方法

1.1研究區(qū)概況

晉西北地區(qū)位于晉、陜、蒙三省交界地帶，地理坐標(biāo)為38°43'～40°17'N，110°06'112°58'E，北與內(nèi)蒙古自治區(qū)為鄰，以西隔黃河與陜西省相望，南部以蘆芽山為界，東接大同盆地與大同市為鄰，土地總面積約15500k㎡：屬于黃土丘陵溝壑區(qū)，全區(qū)海拔1300～1500m，是黃土高原的重要組成部分（圖1）。

晉西北地區(qū)屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有夏季炎熱多雨，冬季寒冷少雪的特點(diǎn)：年平均氣溫為3.6～7.5℃：年平均降水量380～450mm，季節(jié)分配不均且變率較大，多集中在7～9月：年均蒸發(fā)量為2000～2300mm，處于半干旱半濕潤地區(qū)：無霜期100～130d：8級(jí)以上的年大風(fēng)日數(shù)為20～40d，年平均風(fēng)速為2.4～4.2ms。大風(fēng)主要發(fā)生于冬春季節(jié)，且與干旱同期，再加上地表豐富的沙黃土沉積物，為沙漠化的發(fā)生提供了條件。

1.2數(shù)據(jù)來源與方法

鑒于晉西北地區(qū)內(nèi)各站點(diǎn)的氣象資料完整性不一，因而選取了其中的左云縣、右玉縣等九縣為代表站進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其中神池縣、山陰縣、偏關(guān)縣、左云縣、岢嵐縣、保德縣等六縣的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.crd）的“中國地面國際交換站氣候資料日值數(shù)據(jù)集”：右玉縣、河曲縣、五寨縣三縣的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)來自山西省氣象局（http：//www.sxsqxj.gov.cn/）。按6～8月為夏季、12月～翌年2月為冬季進(jìn)行季節(jié)劃分，對(duì)氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)按季節(jié)進(jìn)行匯總分析。本文采用的分析方法簡(jiǎn)介如下：

①M(fèi)-K法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，也稱為無分布檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)在于不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，同時(shí)適用于類型變量和順序變量，計(jì)算也比較簡(jiǎn)便，而且可以明確突變開始的時(shí)間，并指出突變區(qū)域。

②回歸分析法通過建立年份為自變量、降水或氣溫為因變量的一元線性回歸方程，判斷因變量的趨勢(shì)傾向。回歸系數(shù)b的符號(hào)為正，說明隨時(shí)間的增加因變量呈上升趨勢(shì)；b的符號(hào)為負(fù)，說明隨時(shí)間的增加，因變量呈下降趨勢(shì)。b值的大小反映了上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾斜程度。

2氣溫變化及趨勢(shì)分析

2.1氣溫年際變化

晉西北年和夏、冬季平均氣溫年際變化均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)（圖2）。在所分析的60a中，年平均氣溫呈逐年上升趨勢(shì)，最低溫為1967年的4.74℃，最高溫為1975年的9.16℃，溫差為4.42℃：夏季平均最低溫為1976年的18.68℃，最高溫為1975年的23.19℃，最大溫差為4.51℃：冬季平均最低溫為1967年的-14.41℃，最高溫為2015年的6.00℃，其最大溫差達(dá)到8.41℃。在這60a中，60年代到70年代氣溫變化幅度最大，年和夏、冬季平均氣溫上升分別為0.81℃、0.45℃、1.60℃（表1）。

2.2氣溫趨勢(shì)分析

通過將晉西北地區(qū)的年、夏季、冬季平均氣溫與年份進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)均為正值，分別為0.0289、0.0152、0.0501（圖2）。晉西北60a的年平均氣溫隨時(shí)間變化不斷上升，幅度較大，趨勢(shì)明顯：夏季平均氣溫也隨時(shí)間變化而呈上升趨勢(shì)，上升幅度小，趨勢(shì)較平緩：冬季平均氣溫隨時(shí)間序列上升幅度最大，趨勢(shì)最顯著。

通過對(duì)晉西北地區(qū)年和夏、冬季平均氣溫進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，得出表2，可以看出通過99%的可信度檢驗(yàn)，并進(jìn)行了M-K突變檢驗(yàn)（圖3）。根據(jù)突變檢驗(yàn)圖可以得知，年均溫趨勢(shì)檢驗(yàn)1974年到2015年，增溫速度日益加快，1998年超過0.00l的顯著性水平。在1990年兩條曲線的重合點(diǎn)處出現(xiàn)突變。夏季均溫趨勢(shì)檢驗(yàn)在2009年超過了0.001的顯著性水平。在1991年附近出現(xiàn)了UFk和UBk兩條曲線的交點(diǎn)，氣溫出現(xiàn)突變。冬季均溫趨勢(shì)檢驗(yàn)在1956年到1975年間呈降溫趨勢(shì)，在1964年和1968年以后的連續(xù)幾年中超過了0.05的顯著性水平，80年代至今增幅上升，在1996年超過了0.001的顯著性水平。1986年到1987年附近出現(xiàn)了兩條曲線的交點(diǎn)，正是氣溫突變點(diǎn)。endprint

3降水量變化及趨勢(shì)分析

3.1降水量年際變化

由表3和圖4可知，晉西北地區(qū)冬季降水量變化小，夏季降水量變化較大。從1956年到2015年，年均降水量的最低值為1965年的19.38mm，最高值為1967年的56.57mm，相差達(dá)37.19mm：夏季平均降水量的最低值為1965年的46.32mm，最高值為1967年的161.50mm，相差高達(dá)115.18mm：冬季平均降水量的最低值為1996年的0.27mm，最高值為1979年的6.93mm，相差僅為6.66mm。在這印年中，50到印年代降水量變化幅度最大，年和夏季、冬季平均降水量分別下降4.08mm、14.77mm、0.89mm，其余年份上下變動(dòng)也較大，尤其是在夏季（表3）。

3.2降水量趨勢(shì)分析

通過將晉西北地區(qū)60a的年、夏季、冬季平均降水量與年份進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)其相關(guān)系數(shù)分別為0.0853、-0.3476、-0.0019，表明降水量隨時(shí)間的推移呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)（圖4）。據(jù)圖分析還可以得出，年和夏季平均降水量隨時(shí)間增加在不斷下降且降幅大，夏季平均降水量降幅更大，趨勢(shì)明顯：冬季平均降水量隨時(shí)間變化微弱下降，幅度最小。

對(duì)晉西北地區(qū)年、夏季、冬季平均降水量進(jìn)行M-K統(tǒng)計(jì)量曲線進(jìn)行突變檢驗(yàn)（圖5）。從年均降水量的突變曲線可以得出60a中降水量除在1958年到1960年期間有小幅增加以外，其余年份都呈下降趨勢(shì)，在2001年和2006年超過了0.05的顯著性水平。冬季平均降水量M-K統(tǒng)計(jì)量曲線從1956年到1966年降水量遞增，在1959年超過了0.05的顯著性水平；從1966年到2015年降水量逐年遞減。

4討論與結(jié)論

通過運(yùn)用M-K檢驗(yàn)法以及線性回歸等各種分析數(shù)據(jù)的方法，我們對(duì)晉西北地區(qū)九個(gè)縣60a的氣溫降水進(jìn)行了分析，氣溫的年代際變化表現(xiàn)出氣溫波動(dòng)上升的趨勢(shì)，其中20世紀(jì)60到70年代變幅最大；年和夏季平均氣溫變幅相對(duì)較小，冬季增幅較大，最大溫差達(dá)到8.41℃。根據(jù)氣溫M-K曲線，20世紀(jì)90年代增溫速度開始加快，尤其是步入21世紀(jì)以來更為顯著。綜上可以看出，從上世紀(jì)50年代至今，氣溫總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，并且有可能會(huì)繼續(xù)上升且增速日益加快。

從降水的年代際變化可以看出降水量呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。晉西北地處溫帶季風(fēng)氣候與溫帶大陸性氣候的過渡區(qū)域，年降水量不多，一年中多數(shù)集中在夏季且變幅大。20世紀(jì)50年代到60年代，降水量變幅最大，年平均降水量下降了4.08mm，夏季尤為突出，達(dá)到了14.76mm：冬季的降水量則呈現(xiàn)出總量少、穩(wěn)定的特征。通過M-K突變檢驗(yàn)得出，在60a中多數(shù)時(shí)期降水量減小的趨勢(shì)明顯，在近些年特別突出。根據(jù)上述結(jié)果不難得出，降水量在未來可能會(huì)繼續(xù)呈現(xiàn)逐年減少的趨勢(shì)，降幅也可能繼續(xù)增加。

當(dāng)氣溫升高，會(huì)使地表蒸發(fā)量增大。下墊面因溫度增高而分解破碎，形成呈沙化狀態(tài)的松散物質(zhì)，為原本土質(zhì)疏松的晉西北地區(qū)的沙漠化提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。溫度升高的同時(shí)降水量減少，不僅會(huì)增大區(qū)域內(nèi)的干燥度，而且破壞了原有生物種群的生存環(huán)境，使高大植被覆蓋率大幅降低，為大風(fēng)提供了便捷的自然通道。由于氣溫升高與降水減少造成的干旱、松散沙質(zhì)與大風(fēng)等自然條件同各種人為因素共同耦合影Ⅱ向，最終導(dǎo)致晉西北地區(qū)土地潛在沙漠化現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，形成一個(gè)正反饋的環(huán)節(jié)。endprint