毛烏素沙地1960-2018年氣候變化特征及影響因子分析

方 欣, 劉小槺,2, 岳大鵬

(1.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710119; 2.陜西師范大學 行星風沙科學研究院, 西安 710119)

地球是人類賴以生存棲息的家園，但近年其環境溫度不斷攀升導致各類氣象災害頻頻發生，這給人類的生命安全、生產生活等各方面帶來一系列問題與挑戰。IPCC第5次報告指出，在1983—2012年期間，北半球的氣溫可能達到近1 400 a以來的氣溫最高值[1]。國內外學者在此背景下從不同時空尺度視角對全球各區域的氣候變化情況進行分析研究，研究發現：亞太地區的極端氣溫事件與近期平均溫度上升之間存在著季節性和日不對稱性的變化[2]；伊朗近50 a的平均氣溫不斷上升，降水量逐漸減少[3]；馬爾馬拉地區在1975—2006年的春夏秋季節氣溫顯著上升[4]；半干旱區博茨瓦納的降雨量與南方濤動指數(SOI)呈正相關，與海表溫度(SSTs)呈負相關[5]。中國近59 a的氣候也呈現暖濕化趨勢，年平均氣溫的增速達到0.278℃/10 a，其中北方地區的增溫幅度大于南方地區的增溫幅度[6]；西北地區近52 a的年降水量呈略微增加趨勢，增速為1.73 mm/10 a[7]；蒙古高原近54 a的降水整體呈減少趨勢，其中夏秋季節降水不斷減少，而冬春季節降水逐漸增加[8]；羅布泊地區的氣溫和降水均呈現增加趨勢，冬季溫度增速最快，夏季降水增幅最為顯著[9]。綜上可見，中國整體的近現代氣候變化與全球氣候變化方向保持一致，但區域內部的氣候變化卻存在著明顯的時空差異性特征。

毛烏素沙地地處東亞夏季風的尾閭區，對全球氣候變化響應較為敏感，且其又位于北方農業區與牧區交錯過渡地帶，南部與黃土高原相連，生態環境脆弱[10]，是研究氣候變化的理想區域。有研究顯示毛烏素沙地是世界沙漠暴雨中心[11]，這意味著毛烏素沙地內部的降水雖多，但大都以短時強降水的方式呈現，變率大且不穩定，因此十分有必要對其近幾十年的氣候變化特征進行分析研究。目前與毛烏素沙地氣候有關的研究，一方面集中于對區域氣候變化與沙漠化、沙漠植被關系的研究[12-13]，另一方面集中于對區域古氣候或局部區域氣候變化特征的研究[14-16]。相對來說，對毛烏素沙地整個區域近現代氣候變化特征進行系統討論的研究較少。因此本文選取毛烏素沙地及其周邊地區10個氣象站點1960—2018年的逐月氣溫和降水資料，運用線性傾向估計、Anusplin插值、Mann-Kendall突變檢驗、Morlet小波分析和R/S分析等方法對沙地近59 a的氣候變化特征和未來氣候變化趨勢進行分析預測，以期得到較為詳細系統的毛烏素沙地氣候變化規律，為區域土地沙漠化防治、氣候災害預警提供科學依據。

1 研究區域概況

毛烏素沙地主體包括內蒙古自治區鄂爾多斯市南部和陜西省榆林市北部(37°30′—39°22.5′N，107°20′—110°30′E)，總面積約4萬km2(圖1)。且其處于鄂爾多斯高原向黃土高原過渡的區域，地勢呈現自西北向東南傾斜的趨勢，整體海拔處于1 300～1 600 m。此外，沙區位于北半球中緯度西風帶，在我國四大沙區中屬于受東亞夏季風影響較大的東部沙區。區域多年的平均溫度為6.0～8.5℃，多年平均降水量自東南部(440 mm)向西北部(250 mm)呈現梯度式遞減，區域內70%以上的降水由6—9月的夏季風所帶來[17]。

注：圖中DEM數據來自地理空間數據云(http://www.gscloud.cn/)。

2數據來源及研究方法

2.1 數據來源

本文所使用的各氣象站點的數據資料均源于中國氣象科學數據共享服務網。考慮到數據時間序列的完整性，剔除掉缺測時段較多的氣象站點，最終選取了毛烏素沙地及其周圍鄰近地區10個氣象站點(榆林、綏德、橫山、定邊、東勝、伊金霍洛旗、鹽池、惠農、陶樂、鄂托克旗)的逐月降水和平均氣溫數據。另外，對于這10個氣象站點中的缺測數據，運用區域內多年同月平均值進行插補。

本文所使用的北極濤動指數(AO)、北大西洋濤動指數(NAO)和表征厄爾尼諾—南方濤動(ENSO)事件的各個指標數據均來自于美國國家海洋大氣局(NOAA)。選取用于表征ENSO事件的指標有Nio3.4區(5°S—5°N，170°—120°W)的海表溫度距平指數(SSTA)、多變量厄爾尼諾指數(MEI)和南方濤動指數(SOI)。對于研究區域的季節劃分，采用氣象季節劃分法，即3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

2.2 研究方法

本文運用線性傾向估計法[18]研究毛烏素沙地年、季節氣溫和降水的變化趨勢；運用Anusplin模型進行空間插值[19-20]以得到毛烏素沙地氣溫和降水多年變化的空間分布格局；運用Mann-Kendall突變檢驗法[18]分析毛烏素沙地氣溫和降水的突變情況，同時輔以累積距平法[18]和滑動t檢驗法[18]對突變點進行核實檢驗；采用Morlet連續小波分析法[21]研究毛烏素沙地氣溫和降水的周期變化狀況；運用R/S分析法[21]預測毛烏素沙地氣溫和降水的未來變化趨勢；最后基于Pearson相關分析法[18]分析毛烏素沙地近幾十年氣溫和降水變化的影響因素。

本文在運用Anusplin4.2軟件對年平均氣溫變化率和年降水變化率數據進行插值時，使用的是三變量局部薄盤光滑樣條函數，即自變量為經度和緯度，協變量為海拔高度。此外，插值中所使用的DEM數據分辨率為1 km×1 km，樣條次數設置為3。

3 結果與分析

3.1 氣溫和降水的變化趨勢

根據毛烏素沙地及其周圍鄰近地區氣象站點的數據計算得出，在1960—2018年，毛烏素沙地的多年平均溫度為8.27℃，增溫速率為0.35℃/10 a，其略高于黃土高原地區的增溫速率(0.31℃/10 a)[22]，略低于內蒙古地區的增溫速率(0.38℃/10 a)[23]。在20世紀60年代—80年代中期，毛烏素沙地年平均溫度的累積距平值不斷下降，最低溫度值出現在1967年，為6.71℃，此時沙地氣候偏冷。但自90年代中期以來，特別是在近10 a，沙地氣候迅速轉暖，且在1998年，沙地的年均溫達到最高值，為9.76℃，詳見圖2A。而同在1998年，距毛烏素沙地較近的內蒙古[23]、山西[24]也出現了有觀測以來的溫度最高值。

毛烏素沙地的季節增溫速率分別為0.40℃/10 a(春季)，0.21℃/10 a(夏季)，0.29℃/10 a(秋季)和0.48℃/10 a(冬季)，均通過了0.01顯著性水平檢驗，詳見表1。沙地四季增溫顯著，尤其是在冬春季節，增溫速率非常快，明顯地高于中國中部地區[春季(0.29℃/10 a)、冬季(0.28℃/10 a)]的增溫速率[25]。這與全球的“暖冬化”趨勢是基本保持一致的。

在1960—2018年，毛烏素沙地的多年平均降水量為325.07 mm，年降水量的變化速率為2.88 mm/10 a(未通過0.05顯著性水平檢驗)，整體呈現略微的增加趨勢，但增加趨勢并不顯著。自20世紀80年代—21世紀初，毛烏素沙地的年降水量累積距平值不斷波動下降，沙地處于偏干旱時期，年降水量谷值出現于1965年，為159.36 mm。但自2010年以來，沙地的降水開始明顯增多，氣候開始轉濕，詳見圖2B。

圖2 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水量變化趨勢

毛烏素沙地四季降水量的變化速率分別為-0.02 mm/10 a(春季)，1.68 mm/10 a(夏季)，0.67 mm/10 a(秋季)和0.54 mm/10 a(冬季)，其中夏季降水的增速最快，但也未通過0.05顯著性水平檢驗，詳見表1。可見，沙地的季節降水變化趨勢并不顯著。

近59 a，毛烏素沙地年平均溫度的變化速率處于0.10～0.65℃/10 a范圍內。其中沙地東北部和西北部地區的增溫速率較快，特別是在沙地東北部的神木地區，增溫速率最快，而在沙地的中部和南部地區，增溫速率相對較慢。此外，毛烏素沙地的溫度變化速率隨地區的海拔升高而加快。毛烏素沙地近59 a的年降水變化速率處于-1.03～16.25 mm/10 a范圍內，其中沙地中部的大部分地區年降水呈增加趨勢，增加速率較快，但西北部和東南部地區的年降水變化并不明顯，且沙地的年降水變化速率與地區海拔無明顯相關性，詳見圖3。

3.2 氣溫和降水的突變性檢驗

根據毛烏素沙地年平均氣溫的M-K突變檢驗結果來看(圖4A)，UF和UK時間序列曲線出現交點的時間為1994年，且此交點處于兩條0.05置信水平線間，可認定其為突變點。在1978—1994年，UF序列曲線值大于0，毛烏素沙地的年平均氣溫緩慢上升，自1994年之后，UF序列曲線值逐漸開始超過0.05置信水平線，甚至越過0.001置信水平線，沙地的年平均氣溫顯著上升，據此可初步判斷毛烏素沙地近59 a的年平均氣溫在1994年迅速轉暖。但這與前文中毛烏素沙地年平均氣溫累積距平圖(圖1)顯示的結果(年平均氣溫在1996年發生突變)并不一致，為進一步確定毛烏素沙地年平均氣溫的突變時間，于是對其進行了10 a，15 a步長的滑動t檢驗，結果分別顯示沙地的年平均氣溫可能在1986年、1996年發生突變，詳見圖5A。綜合3種檢驗方法的結果來看，可判定毛烏素沙地的年平均氣溫在1996年發生突變，這與我國中部地區安徽的年平均氣溫突變時間[25]是一致的。同樣綜合分析毛烏素沙地各季節平均氣溫的累積距平、M-K突變檢驗和滑動t檢驗結果，可得到毛烏素沙地季節平均氣溫的突變時間點分別在1996年(春季、夏季)，1986年(秋季、冬季)，詳見表2。

表1 毛烏素沙地氣溫和降水季節變化趨勢

圖3 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水量多年變化的空間分布格局

圖4 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的M-K統計曲線

表2 毛烏素沙地氣溫和降水的突變年份分析

圖5 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的滑動t檢驗曲線

根據毛烏素沙地近59 a的年降水M-K突變檢驗結果來看，UF和UK時間序列曲線交點出現的時間為2016年。在2016年以前，毛烏素沙地的年降水不斷減少，自此之后沙地的年降水量開始不斷增加，但在這兩段時間序列內，UF時間序列的曲線值一直未突破0.05置信水平線，意味著在此期間沙地年降水的下降和上升趨勢并不顯著。并且此交叉點出現在研究時段的尾期，交叉點后的數據時間序列過短，因此認為得到的結果可信度不高，詳見圖4B。同樣根據累積距平和滑動t檢驗的結果來看，毛烏素沙地的年降水變化也未呈現出明顯的突變時間點，詳見圖5B，三者綜合分析可判斷毛烏素沙地的年降水在近59 a內無明顯突變，這與張雪琴等[26]的研究結果是一致的。同樣綜合分析可得到近59 a內毛烏素沙地春、夏、冬季的降水無明顯突變，秋季降水可能在2000年、2006年發生突變，詳見表2。

3.3 氣溫和降水的周期變化

對于毛烏素沙地的年平均溫度時間序列，其滯后自相關系數為0.68，因此采用紅噪音標準譜進行顯著性檢驗。而對于毛烏素沙地的年降水時間序列，其滯后自相關系數為-0.01，是負值，因此采用白噪音標準譜進行顯著性檢驗。當所研究時間序列的小波功率譜值大于標準譜值(本研究選取0.05置信水平值)時，所研究的結果是可信的，即對應本文小波功率譜圖中黑色粗曲線圈起來的區域[18]。

毛烏素沙地年平均溫度存在4 a，7 a，16 a左右的周期變化，其中4 a，7 a左右的振蕩周期存在于整個時間序列，但在20世紀80—90年代，4 a左右的振蕩周期較為顯著，且通過了95%的紅噪音標準譜檢驗，因此認為其是年平均溫度時間序列的主周期，詳見圖6A。

毛烏素沙地的年降水主要存在3～4 a，8 a，12 a左右的振蕩周期，其中3～4 a的短振蕩周期存在于整個時間序列。在20世紀70—80年代主要存在8 a左右的振蕩周期，而在20世紀90年代主要存在12 a左右的振蕩周期。圖中雖存在一個通過95%白噪音標準譜檢驗的4 a左右的顯著振蕩周期，但由于其位于受邊緣效應影響較大的區域，因此認為該結果不可信，詳見圖6B。綜上可見，近59 a來，毛烏素沙地的年降水不存在顯著振蕩周期變化。

圖6 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的小波功率譜和小波方差

3.4 氣溫和降水的未來變化趨勢預測

毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的Hurst指數均大于0.5，說明二者未來均會持續增加。尤其是年平均氣溫的Hurst指數為0.998，非常接近于1，表明毛烏素沙地未來的年平均溫度會呈現持續性較強的上升趨勢，詳見圖7。

毛烏素沙地四季平均溫度的Hurst指數分別為0.86(春季)，0.84(夏季)，0.90(秋季)和0.96(冬季)，均大于0.8，表明沙地未來各季節的平均溫度均會呈現強持續性上升趨勢，尤其是冬季平均氣溫持續性上升的趨勢最強。未來毛烏素沙地的春、夏季降水會逐漸減少，而冬季降水會持續增加，但因其Hurst指數均接近于0.5，所以減少和增加趨勢的持續性均較弱。秋季降水的Hurst指數為0.89，遠高于其他各季節，表明沙地秋季未來降水會呈現持續性很強的增加趨勢，詳見表3。

圖7 毛烏素沙地年平均氣溫和年降水的Hurst指數

表3 毛烏素沙地季節氣溫和降水的Hurst指數

3.5 氣溫和降水變化的影響因素分析

ENSO與毛烏素沙地冬季氣溫、秋季降水的相關性較強。其中MEI，SSTA與沙地冬季溫度呈顯著正相關(p<0.05)，與沙地秋季降水呈負相關。SOI與沙地冬季溫度呈負相關，與沙地秋季降水呈正相關，但其相關性均未通過0.05顯著性水平檢驗。所以總的來看，ENSO對毛烏素沙地冬季氣溫有較為顯著的影響。

AO和NAO對毛烏素沙地的降水影響較為明顯。其中AO與毛烏素沙地春、夏、冬季的降水呈顯著正相關(p<0.05)，尤其是與冬夏季節降水的相關性通過了0.01顯著性水平檢驗。NAO與毛烏素沙地冬、夏季節降水呈顯著正相關(p<0.05)。綜合可見，AO和NAO對毛烏素沙地冬夏季節的降水影響比較顯著，詳見表4。

表4 毛烏素沙地氣溫和降水變化與大氣環流指數的相關性

4 結 論

(1) 毛烏素沙地近59 a來的年平均氣溫顯著上升，增溫速率達到0.35℃/10 a。在冬春季節，升溫現象最為顯著，且毛烏素沙地的增溫速率隨地區海拔升高而加快。年降水變化整體呈上升趨勢，變化速率為2.88 mm/10 a，其中夏季降水的增速相對較快，為1.68 mm/10 a，但變化趨勢均不顯著。總體來看，毛烏素沙地近10 a氣候呈現較明顯的暖濕化趨勢。

(2) 近59 a來，毛烏素沙地的年平均溫度約在1996年發生突變，其主要存在4 a左右的短變化周期。其中春、夏季節的平均溫度約在1996年發生突變，而秋、冬季節的平均溫度約在1986年發生突變。對于年降水而言，其在近59 a無明顯的突變時間點，且無顯著的變化周期，秋季降水可能在2000年、2006年發生突變。

(3) 未來毛烏素沙地的年和各季節平均溫度依然會呈上升趨勢，且持續性較強。年降水未來變化也基本呈現增加趨勢，其中秋季降水持續性增加的趨勢較強。

(4) ENSO事件對毛烏素沙地冬季溫度影響較大，北極濤動(AO)和北大西洋濤動(NAO)對毛烏素沙地冬夏季降水影響較為顯著。

近年來，毛烏素沙地的生態環境不斷得到改善，特別是榆林地區的森林覆蓋率達到了34.8%[27]，昔日的滾滾黃沙如今已綠樹成蔭。本文通過對毛烏素沙地近59 a平均氣溫和降水的變化規律進行定量分析，有助于甄別分析區域近年植被覆蓋度發生變化的原因。同時區域植物群落、植被覆蓋度發生變化又會影響到該地氣溫和降水的變化，因此準確把握毛烏素沙地近年氣候變化與植被變化之間的關系對推進區域沙地治理、促進區域可持續發展具有重要意義。此外，區域氣候變化是多要素綜合作用的結果，其不僅會受到地形地勢、植物群落變化等外部因素的影響，也會受到各氣象因子內部間相互作用的制約，如何綜合且定量地分析各要素對毛烏素沙地氣溫和降水變化的作用程度，并基于此對該區域未來氣候變化進行精準預測，仍待日后進一步深入研究與完善。