氣候變暖背景下陜甘寧蒙接壤區1961-2015年降水變化響應特征

楊 蓉, 趙多平

(寧夏大學 資源與環境學院, 寧夏 銀川 750021)

IPCC第4次評估報告指出：近100 a來全球平均氣溫升高了0.74 ℃，平均升溫速率大致為0.1 ℃/10 a，今后20 a全球平均地面氣溫仍將以0.2 ℃/10 a的速率繼續上升[1]，未來全球仍將表現為明顯的增溫趨勢。地球上不同要素交界地帶的區域，如水陸交界帶、干濕交替帶、農牧交錯帶、沙漠邊緣帶等,它們的環境要素十分敏感，這些區域能及時、靈敏的體現全球變化的早期信號，對全球變化的響應具有獨特性，這就是生態脆弱帶。脆弱帶由于特殊的地理環境和氣候條件，對于氣候變化和人類干擾的影響極為敏感，使其成為研究全球變化重要的預警區[2]，其研究對全球變化以及預測區域未來氣候、環境演變都具有重大科學意義。近年來很多學者針對中國不同生態脆弱帶地區進行研究，大多集中在脆弱帶的生態環境惡化狀況、土地生產力退化和土壤侵蝕等方面[3]，也有氣候變暖對脆弱帶地區植被及其覆被變化的影響研究，以及全球變化與生態脆弱帶各個影響因子的關系研究[4]，對其土壤、氣候、植被等要素的時空分布與演變格局的研究也很多[5]。施雅風等[6]在對中國的氣候變化研究中發現，在全球變暖的背景下中國西北地區氣候近幾十年來有向暖濕方向轉變的特點，并做出了未來西北地區氣候向暖濕轉型的時間尺度和空間范圍的預測[7]。總之，專門針對脆弱帶地區的氣候變化或氣象要素的研究還很缺乏。

陜甘寧蒙接壤區是中國地理環境最復雜、生態環境最脆弱的特殊區域之一，在全球氣候變暖的背景下更易受到全球氣候變暖和氣候異常的影響，也更能靈敏、及時地反映全球變化，有著獨特的響應特征。這一區域也正是西北地區東部與西北地區西部的轉換帶，在中國氣候變化格局中處于特殊地位，因此在全球變暖的大背景下有必要加強對陜甘寧蒙接壤區地區氣候變化的研究。基于此，本文擬選取陜甘寧蒙接壤區作為研究區域，利用1961—2015年的降水量數據，以趨勢線擬合、線性傾向估計、普通Kriging插值等數理分析方法，分析氣候變暖背景下陜甘寧蒙接壤區近54 a的降水量時空變化特征，以期為本區域自然生態系統和社會經濟系統可持續發展提供一些科學理論依據，同時也為全球變化研究提供一些區域性科學證據。

1 研究區概況

陜甘寧蒙接壤區地處陜、甘、寧、蒙4省的接壤地區，是一個近似四邊形的區域，總面積約為3.40×105km2，包括陜西北部、寧夏、甘肅東南部和內蒙古臨近寧夏的南部地區。從氣候特征來看，陜甘寧蒙接壤區剛好位于中國夏季風末勢力區的季風與非季風氣候的賀蘭山交界地區,降水的地區差異、季節和年際變率都極大，且變化十分敏感；從地形特征來看，該區地處中國中部黃土高原區向內蒙古高原邊緣地帶的毛烏素沙漠和騰格里沙漠過渡的地區，由東向西為東南黃土丘陵溝壑區向西南黃土丘陵溝壑區的過渡地帶，地形起伏大且復雜多變，地形因素對小氣候的影響較大；從生態環境來看，這里是中國典型的從半濕潤區向半干旱、干旱區過渡的農牧交錯區[8-9]。陜甘寧蒙接壤區的生態環境系統和社會經濟活動等都是處在變化的臨界區間，其自然生態環境的變化會直接影響到西部乃至全國的生態與經濟安全。

2 數據來源及研究方法

2.1 數據來源

選取陜甘寧蒙接壤區氣象數據比較完整的40個氣象站點1961年1月至2015年12月共54 a的降水量月值數據，依此計算出降水量年值和季節值，通過對數據的分析與處理得出研究區降水量時空變化特征。所用氣象數據資料來源于中國氣象數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。

為了更詳細分析陜甘寧蒙接壤區的降水量變化特征，依據區域自然地理環境的差異性將陜甘寧蒙接壤區做進一步中尺度的劃分[10]，主要以賀蘭山所在的大致105°E線作為區域的東西分界線，毛烏素沙漠南緣所在的大致37°N線作為區域的南北分界線，依此分界線做出中尺度分區：1區為半干旱的東北毛烏素沙區，2區為半濕潤的東南黃土丘陵溝壑區，3區為半干旱的西南黃土丘陵溝壑區，4區則為干旱的西北騰格里沙區4個中尺度區域。

2.2 研究方法

本文主要利用Excel，ArcGIS，DPS數據處理系統等軟件對要素數據進行分析處理，采用數理統計分析法、線性傾向估計法、趨勢線擬合法、克里金插值法等方法，分析陜甘寧蒙接壤區近54 a來的降水量時空變化特征。

2.2.1 線性傾向估計法 線性傾向估計法是用來分析某一氣候變量的變化傾向趨勢及這種變化趨勢顯著與否的方法[11]。兩者之間的一元線性回歸方程：

xi=a+bti(i=1，2，…，n)

(1)

式中：xi——樣本量為n的某一氣候變量；ti——xi對應的時間；a，b——為回歸常數、回歸系數，由最小二乘法進行估計：

(2)

(3)

r為相關系數，回歸系數b的符號表示氣候變量x的趨勢傾向方向，當符號為正，說明隨時間的增加氣候變量呈增加趨勢，反之則為減少趨勢。b值的大小反映了氣候變量上升或下降的速率，即表示氣候變量上升或下降的傾向程度。|r|越大，氣候變量與時間之間的線性關系就越大[12]。

2.2.2 普通Kriging插值法 Kriging (克里金)插值法又稱為空間自協方差最佳插值法，它是以南非礦業工程師D．G．Krige的名字命名的一種最優內插法。是地學統計學常采用的一種求最優、線形、無偏的空間內插方法[13]。它考慮的是要素空間屬性在空間位置上的變異分布，它是在充分考慮觀測資料之間的相互關系后，對每一個觀測資料賦予一定的權重系數，然后加權平均得到估計值。本文運用此方法進行降水數據空間變化的分析。其計算公式為：

(4)

式中：h——各點之間距離；n——由h分開的成對樣本點的數量；z——點的屬性值[14]。

3 結果與分析

3.1 降水量年變化特征

1961—2015年陜甘寧蒙接壤區多年平均降水量為367.52 mm，符合典型半干旱區的降水特征，年降水最大值、最小值的分別為547.42 mm(1964年)、262.37 mm(1982年)，最大值和最小值相差285.05 mm，降水量年際變化幅度較大。

分析陜甘寧蒙接壤區年降水量距平值變化(圖1)可知，近54 a陜甘寧蒙接壤區降水量總體呈減少趨勢，減少速率為3.29 mm/10 a，降水變化趨勢不明顯。通過分析6階多項擬合趨勢可知，20世紀60年代，陜甘寧蒙接壤區降水波動減少趨勢較明顯，減少速率為49.53 mm/10 a，這與該時期自然災害加之大搞建設，植被破壞嚴重而人為加劇了干旱程度有關；20世紀70年代初到90年代末降水波動變化特征不明顯，整體略有增加，增加速率為1.35 mm/10 a，其中70年代略有減少，80年代有所增加，90年代又有所下降。進入21世紀是降水增加最為明顯的階段，增加速率為32.36 mm/10 a，就大尺度原因是由于2000年以來氣候變暖越來越突出而導致水循環的海陸大循環旺盛，就小尺度原因則是由于該區域的生態重建工程初見成效。相比而言，20世紀60年代為下降期，70年代到90年代為平穩期，進入21世紀以后為上升期。

圖1 陜甘寧蒙接壤區年降水量距平變化特征

3.2 降水量空間變化特征

運用普通Kriging插值法得出1961—2015年陜甘寧蒙接壤區年降水量及傾向率空間變化情況(附圖8)，其中該區年降水量空間變化(附圖8a)大致沿東南—西北方向呈現由多到少的逐步過渡，即西南黃土丘陵溝壑區、東南黃土丘陵溝壑區為相對高值區，西北騰格里沙區為相對低值區。全區年降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區內的洛川站，年降水量高達612.52 mm，最少的是西北騰格里沙區的吉蘭泰站，年降水量僅為104.49 mm。全區有19個站點近50%的地區年降水量超過400 mm；有13個站點32.5%的站點年降水量為200～400 mm，有8個站點20%的地區年降水量在200 mm以下。

近54 a來，陜甘寧蒙接壤區年降水量傾向率空間變化(附圖8b)差異明顯，年降水傾向率空間變化大致沿東南—西北方向呈現由減少到增加的逐步過渡，西南黃土丘陵溝壑區及東南黃土丘陵溝壑區為降水減少區，東北毛烏素沙區和西北騰格里沙區為相對增加區。這表明在全球變暖的大背景下蒸發旺盛，水循環的海陸大循環加劇，使原本降水量多的區域降水減少，而原本降水量少的沙漠區則降水有所增加，且該區的沙漠治理對降水量也有調節作用。整個陜甘寧蒙接壤區有9個22.5%的站點年降水量處于增加趨勢，其中上升速率最快的為位于東北毛烏素沙區內的伊金霍洛旗站(49.13 mm/10 a)，位于甘肅省境內的臨夏站上升速率最小，僅有0.45 mm/10 a。其余站點降水量均呈下降趨勢，約占77.5%，下降速率最大的為毛烏素沙區內的榆林站(-36.84 mm/10 a)，最小的為西南黃土丘陵溝壑區內的天水站(-0.29 mm/10 a)。

3.3 降水量季節變化特征

分析陜甘寧蒙接壤區1961—2015年4季降水距平變化趨勢可知(圖2)，春、夏、冬3季降水量呈增加趨勢，秋季降水量呈減少趨勢，變化速率大小關系為夏季(2.76 mm/10 a)>冬季(0.39 mm/10 a)>春季(0.02 mm/10 a)>秋季(-1.87 mm/10 a)，四季降水具體變化特征如圖2所示。

圖2 陜甘寧蒙接壤區4季降水距平變化趨勢

(1) 春季多年平均降水量為59.28 mm，春季降水最大值和最小值分別為121.64 mm(1964年)、18.46 mm(1962年)，降水極值相差103.18 mm。分析春季降水距平變化特征可知(圖2a)，近54 a來春季降水量呈增加趨勢，增加速率為0.02 mm/10 a，降水年際變化波動幅度較大。通過分析6階多項擬合趨勢可知，春季降水量變化大概以10 a為周期經歷了增加—減少—增加—減少—增加的趨勢。具體而言，20世紀60年代初期降水量增加較快，之后開始持續下降，進入80年代以后呈現增加趨勢，90年代略有減少，2000年以后降水量又逐步增加。

(2) 夏季多年平均降水量為177.03 mm，夏季降水最大值和最小值分別為275.01 mm(2013年)、103.65 mm(1965年)，降水極值相差171.36 mm。通過分析夏季降水距平變化特征可知(圖2b)，夏季降水量增加幅度最大，增加速率為2.76 mm/10 a。分析6階多項擬合趨勢可知，近54 a來陜甘寧蒙接壤區夏季降水經歷了減少期—穩定期—減少期—增加期。20世紀60年代初期降水量呈快速減少趨勢，減少速率為9.94 mm/10 a，60年代中期到90年代中期相對穩定，90年代中期到2006年夏季降水量又有所減少，2007—2015年夏季降水量快速增加，增加速率為168.25 mm/10 a。

(3) 秋季多年平均降水量為77.52 mm，秋季降水最大值和最小值分別為144.69 mm(1961年)、32.48 mm(1986年)，降水極值相差112.21 mm。分析秋季降水距平變化特征可知(圖2c)，近54 a來陜甘寧蒙接壤區秋季降水量呈減少趨勢，也是4個季節中降水唯一呈減少趨勢的季節，下降速率為1.87 mm/10 a。秋季降水量6階多項擬合趨勢顯示，近54 a來陜甘寧蒙接壤區秋季降水量波動變化趨勢較大，變化趨勢大致呈V型，經歷了較為顯著的減少和增加期，其中20世紀60年代到90年代初為降水量減少期，減少速率為13.97 mm/10 a，90年代到21世紀初為增加期，增加速率為19.49 mm/10 a。

(4) 冬季多年平均降水量為12.51 mm，冬季降水最大值和最小值分別為24.15 mm(1988年)，1.57 mm(1962年)，降水極值相差22.58 mm。分析冬季降水距平變化特征可知(圖2d)，陜甘寧蒙接壤區冬季降水呈增加趨勢，增加速率為0.39 mm/10 a，分析冬季降水量6階多項擬合趨勢得出，陜甘寧蒙接壤區冬季降水經歷了增加—減少—增加—減少的趨勢，20世紀60—80年代降水量增加趨勢明顯，增加速率為7.69 mm/10 a，80年代到90年代末期為減少期，減少速率為3.91 mm/10 a，90年代末到2007年略有增加，2007年以后降水量又開始減少。

3.4 不同季節降水量空間變化特征

運用普通Kriging插值法得出陜甘寧蒙接壤區1961—2015年各季節降水量空間變化圖(附圖9)，從圖中可看出，4個季節降水量的空間差異明顯，大致沿東南—西北方向呈現由多到少的逐步過渡趨勢[15]。

(1) 春季降水量空間變化(附圖9a)大致沿東南—西北方向，呈現由多到少的逐步過渡，即東南黃土丘陵溝壑區、西南黃土丘陵溝壑區為相對高值區，東北毛烏素沙區、西北騰格里沙區為相對低值區，具體而言，全區春季降水量最多的站點為西南黃土丘陵溝壑區內的岷縣站，春季降水量為138.9 mm，最少的是毛烏素沙區內的陶樂站，春季降水量僅為10.69 mm。全區有8個站點20%的地區春季降水量超過100 mm；有24個站點60%的地區春季降水量為20～100 mm，有8個站點20%的地區降水量在20 mm以下。

(2) 夏季降水量空間變化(附圖9b)大致也是沿東南—西北方向呈現由多到少的逐步過渡，東南黃土丘陵溝壑區降水量最高，西南黃土丘陵溝壑區次之，西北騰格里沙區為夏季降水量最少的區域，具體而言，全區夏季降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區內的洛川站，夏季降水量為438.9 mm，最少的是騰格里沙區內的吉蘭泰站，夏季降水量僅為68.98 mm。全區有7個站點18%的地區夏季降水超過300 mm；有26個站點70%的站點年均夏季降水量為100～300 mm，有5個站點12%的地區降水量在100 mm以下。

(3) 秋季降水量空間變化(附圖9c)仍然是東南多西北少，西南黃土丘陵溝壑區、東南黃土丘陵溝壑區為相對高值區，東北毛烏素沙區、西北騰格里沙區為相對低值區，具體而言，全區秋季降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區內的長武站，秋季降水量為173.78 mm，最少的是毛烏素沙區內的陶樂站，秋季降水量僅為13.24 mm，兩者相差160.54 mm，秋季降水空間差異較大。全區有13個站點32.5%的地區秋季降水超過100 mm；有23個站點近60%的站點年降水量在20～100 mm之間，有4個站點10%的地區降水量在20 mm以下。

(4) 冬季降水量空間變化(附圖9d)，整體全區冬季降水量都比較少，相對來說，位于東部區域的東南黃土丘陵溝壑區和毛烏素沙區有部分降水，而西北騰格里沙區和西南黃土丘陵溝壑區都是降水極少的干旱期，冬季降水量最多的站點為毛烏素沙區內的伊金霍洛旗站，降水量為116.55 mm，最少的是毛烏素沙區內的陶樂站，降水量僅為0.98 mm。全區冬季有5個站點12.5%的地區冬季降水超過20 mm；全區有9個站點22.5%的站點降水量為10～20 mm，有26個站點65%的地區降水量在10 mm以下。

4 結論與討論

(1) 研究發現，陜甘寧蒙接壤區降水對全球氣候變化的響應特征是：在1961—2015年共54 a間，陜甘寧蒙接壤區多年平均降水量為367.52 mm，降水量總體呈略微減少趨勢，但減少趨勢并不明顯。而就降水變化的階段性來看，陜甘寧蒙接壤區20世紀60年代為降水量顯著下降期，這大概與該時期自然災害突出加之大搞建設，植被破壞嚴重而加劇了干旱程度有關；70年代到90年代為平穩期，但2000年以來的近十幾年來陜甘寧蒙接壤區年降水量呈現出明顯上升趨勢，這與施雅風等[7]提出的西北地區氣候已出現由暖干向暖濕轉變的趨勢相吻合。這表明隨著全球變暖的趨勢越來越明顯，勢將導致海洋與陸地水體蒸發旺盛，冰川消融增強，河川徑流量擴大，而使大尺度的水循環更加旺盛，大部分區域降水增加[16]，加之近年來陜甘寧蒙接壤區生態建設初見成效，也使其總體降水量明顯增加。

(2) 陜甘寧蒙接壤區年均降水量的空間變化趨勢是：大致沿東南—西北方向呈現由多到少的逐步過渡，即年均降水量最高為東南黃土丘陵溝壑區，次之為西南黃土丘陵溝壑區，年均降水量最低為騰格里沙區，符合中國降水量整體由東南向西北遞減的大趨勢。陜甘寧蒙接壤區年均降水量傾向率的空間變化差異明顯，其傾向率空間變化大致也沿東南—西北方向呈現由減少到增加逐步過渡，西南黃土丘陵溝壑區及東南黃土丘陵溝壑區為降水量減少區，毛烏素沙區和騰格里沙區為降水量相對增加區。此研究結果與蘇俊禮等[17]的騰格里沙漠降水增加的研究結論，馬曉波等[6]得出的中國極端干旱地區降水呈增加趨勢的研究結論相吻合。這表明在全球變暖的大背景下蒸發旺盛，水循環的海陸大循環加劇，使原本降水量多的區域降水減少，而原本降水量少的沙漠區則降水有所增加。此外，毛烏素沙區和騰格里沙區沙漠治理對降水量也有調節作用[18]。

(3) 陜甘寧蒙接壤區1961—2015年4季的降水距平變化趨勢表現為，春、夏、冬3季的降水量呈增加趨勢，秋季降水量呈減少趨勢，變化速率大小關系為夏季(2.76 mm/10 a)>冬季(0.39 mm/10 a)>春季(0.02 mm/10 a)>秋季(-1.87 mm/10 a)。陜甘寧蒙接壤區春、冬季節降水量變化大概以10 a為周期經歷了增加—減少—增加—減少—增加的波動變化趨勢，2000年以后春、冬季節降水是逐步增加的趨勢。而夏、秋季節的降水變化大致經歷了減少期—穩定期—減少期—增加期，2007年以來夏、秋季節降水呈快速增加趨勢。4個季節降水量的空間差異明顯，但大致都沿東南—西北方向，呈現由多到少的逐步過渡趨勢。

(4) 氣候變暖背景下陜甘寧蒙接壤區近54 a來降水量總體略微減少的趨勢表明該區域氣候的仍具暖干化發展趨勢，這對該區的農業經濟總體發展將產生威脅。但就2000年以來該區的降水量又呈現出明顯的增加趨勢來說，是否該區氣候具有由暖干向暖濕轉型的大趨勢，這是該區氣候狀態的突變還是一個漸進的過程，還取決于今后進一步加強對陜甘寧蒙接壤區氣候變化事實、降水量時空變化未來趨勢的全面分析及其機制的深入研究,這無論對氣象學還是國民經濟發展都將是一個重大的課題。