王鵬濤， 延軍平， 蔣 沖， 劉憲鋒, 廖光明

(1.陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院， 陜西 西安 710119； 2.北京師范大學 全球變化與地球科學研究院 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室， 北京 100875； 3.北京師范大學 資源學院， 北京 100875)

1978年11月，為改善中國北方的生態(tài)環(huán)境，防止三北地區(qū)風沙災害和水土流失的惡化，正式啟動三北防護林工程，工程建設35 a以來取得了一定的生態(tài)效益[1]。20世紀以來全球進入變暖期[2-5]，而防護林的建設期，正處在近百年全球變暖加劇期[4-6]。中國對氣候變暖有著顯著的響應[4-5]，但這種響應存在區(qū)域差異[7]，三北防護林建設以來，工程區(qū)氣候?qū)θ蜃兓憫臅r間、幅度如何，這種變化是否會阻礙防護林生態(tài)效益的發(fā)揮都是亟需探討的問題。

多年來，針對全國氣候變化及北方地區(qū)的局部氣候變化的研究較多[4-15]，可作為研究區(qū)域氣候背景的科學依據(jù)，但未充分揭示出三北防護林工程區(qū)的氣候變化特點。而關(guān)于三北防護林的研究，又多集中在防護林建設給區(qū)域帶來的生態(tài)效應[16-21]，對該區(qū)多年來的氣候變化的響應研究較少。趙國藏[21]選用氣溫及相對濕度的指標，分析了1951—1988年工程實施引起的區(qū)域氣候變化。但是研究序列過短，對氣候變化的空間差異也未作分析。王強[22]在分析植被覆被變化對氣候變化的響應時，采用1982—2006年氣象數(shù)據(jù)，對工程區(qū)25 a的氣溫降水變化作了研究，可是該研究也存在時間序列過短的問題，對于防護林建設前后氣候變化的階段特征缺乏對比。

本文選取117個站點52 a的氣象數(shù)據(jù)，對三北防護林多年氣候變化進行分析，探討該區(qū)氣候?qū)θ蜃兓捻憫捌鋵θ狈雷o林工程建設的可能影響，以期為防護林后續(xù)建設布局及改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境等提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

三北防護林工程區(qū)位于中國北半部，東起黑龍江省的賓縣，西至新疆維吾爾自治區(qū)的烏孜別克里山，北抵國界線，南沿天津、汾河、渭河、洮河下游、布爾汗達山、喀喇昆侖山，東西長4 480 km，南北寬560～1 460 km，面積約4.069×106km2，占國土總面積的42.4%。建設范圍包括黑龍江、吉林、遼寧、北京、天津、河北、山西、內(nèi)蒙古、陜西、甘肅、寧夏、青海、新疆13個省(自治區(qū)、直轄市)的551個縣(市、旗、區(qū))[23]。

三北地區(qū)地勢西高東低，呈3級臺階分布。全區(qū)地貌類型多樣，山地，丘陵，平原，高原盆地，沙漠均有分布。根據(jù)區(qū)域自然特征差異，三北防護林工程區(qū)在地域上區(qū)劃為東北西部，蒙新，黃土高原，華北北部4個Ⅰ級區(qū)，22個Ⅱ級區(qū)，59個Ⅲ級區(qū)。該區(qū)氣候類型屬北溫帶大陸性季風氣候，就全國范圍而言屬少雨區(qū)，氣候干旱，自然植被以森林草原，草原，荒漠草原為主，生態(tài)環(huán)境脆弱[24-26],再加上三北地區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)的不合理，干旱、半干旱地區(qū)沙漠化逐年加劇，導致生態(tài)平衡嚴重失調(diào)和經(jīng)濟的惡性循環(huán)。

2 資料與方法

2.1 資料選取

為反映各站點在防護林建設前后的氣候變化，參考在一期工程規(guī)劃的縣域，選取其中代表性站點117個，并從氣象數(shù)據(jù)完整的1960年開始，統(tǒng)計到2011年，建立氣象資料的時間序列。劃分1960—1977年建設前為第一時段；1978年(一期工程開始)—1995年(二期工程結(jié)束)命名為第二時段，此時一期117個站點防護林生態(tài)效應已經(jīng)發(fā)揮出來；1996—2011年為第三時段，以對比分析近期區(qū)域氣候變化。三個時段跨度分別為18,18,16 a，序列長短接近，有利于進行數(shù)據(jù)的比較。站點的氣溫、降水資料，來源于中國氣象資源共享網(wǎng)。

2.2 研究方法

本文采用氣候傾向率，距平分析法及空間插值等方法，分析該區(qū)的近52 a的氣候變化趨勢。統(tǒng)計各站點不同時段的氣象要素距平值(均以52 a均值為距平基準值)及氣候傾向率，利用ArcGIS軟件繪制出各時段的距平分布圖及多年傾向率分布圖。為了直觀反映氣象數(shù)據(jù)的正負距平及正負傾向率變化，我們把零值線在相應的分圖中標注出來。

3 氣溫變化趨勢分析

3.1 氣溫的時間變化

該區(qū)近52 a來平均氣溫為6.81 ℃，年均溫的三個高值均出現(xiàn)在1996—2011年，分別為1998年(8.10 ℃)，2006年(7.82 ℃)，2007年(8.29 ℃)，3個低值均出現(xiàn)在1960—1977年時間段，分別為1967年(5.78 ℃)，1969年(5.50 ℃)，1976年(5.79 ℃)。其中最高溫出現(xiàn)在1998年，這與李慶偉等[9]研究結(jié)果一致，最低溫出現(xiàn)在1969年，與最高溫相差2.79 ℃。多年來區(qū)域氣溫呈明顯上升趨勢，由1960年的年均溫6.29 ℃上升到2011年的7.19 ℃，線性擬合增溫速率為0.346 ℃/10 a，符合全球氣溫變化趨勢,但區(qū)域增溫速率明顯高于同期全球增溫速率 0.13±0.03 ℃/10 a[4,10]和全國增溫速率0.25 ℃/10 a[8]。

從年平均距平圖(圖1)來看，在1960—1977年，區(qū)域溫度先下降，1970年開始緩慢上升。各年氣溫，除1975年外，均處于負距平狀態(tài)，階段距平為-0.57 ℃，氣溫偏低。1978—1995年氣溫正距平年份達39%，階段距平為-0.09 ℃，已經(jīng)接近52 a平均值。 1996—2011年氣溫繼續(xù)上升，在2004年達到峰值，階段距平上升到0.74 ℃，增暖趨勢顯著。統(tǒng)計年均溫3個高值均出現(xiàn)在該段時間，也與此階段溫度升高的趨勢相符。

圖1 1960-2011年三北防護林工程區(qū)氣溫變化

3.2 氣溫的空間變化

3.2.1 氣溫距平空間變化 由圖2可見，1960—1977年工程區(qū)相對溫度普遍偏低，大多站點為負距平?？臻g分布上，氣溫距平的分布存在南北差異，以工程區(qū)東部的南北差異最為明顯。北部除吐魯番盆地、河西走廊外，黑龍江松嫩平原、吉林西部平原、內(nèi)蒙古高原、冀西北山地、新疆阿勒泰地區(qū)、柴達木地區(qū)為顯著低值區(qū)。遼寧北部、冀北山地、山西西部黃土高原、陜北地區(qū)、隴中地區(qū)、青海東部、新疆吐魯番盆地、天山南部地區(qū)及塔里木盆地為高值分布區(qū)，距平值在-0.56 ℃以上。3個正距平站河曲、庫車、承德均分布在該范圍內(nèi)。

1978—1995年區(qū)域大部分地區(qū)仍為負距平區(qū)，但是氣溫正距平站點明顯增加，各站點的溫度顯著提高，平均距平值上升0.48 ℃。區(qū)域氣溫正距平站點32個，其中30個都分布在東北、華北和北疆地區(qū)。新疆阿勒泰地區(qū)、黑龍江松嫩平原、遼西走廊、冀北山地為氣溫正距平區(qū)。距平高值中心已經(jīng)發(fā)生了遷移，相較于第一階段氣溫分布，陜西、山西、甘肅、青海東部、新疆南部由高值中心轉(zhuǎn)為低值中心，絕對溫度降低較大。

1996—2011年氣溫正距平區(qū)進一步擴大，僅西寧，承德，庫車3站為負距平，區(qū)域整體距平值達到正距平0.74 ℃，提高了0.85 ℃，增溫趨勢相對第二階段更為明顯，相對氣溫的高溫中心繼續(xù)遷移，內(nèi)蒙古及柴達木盆地增溫最顯著，成為新的高值中心，距平值可以達到0.78 ℃以上。塔里木盆地、華北平原的相對溫度較低。

圖2 三個時段氣溫距平及其變化趨勢分布

3.2.2 氣溫傾向率分布 統(tǒng)計各站點氣溫傾向值，除承德、河曲、庫車3站為負值，其他站均為正值，區(qū)域整體變暖趨勢明顯。整個工程區(qū)，除了南部的柴達木盆地為增溫高值區(qū)外，大致反映出南低北高的線性變化趨勢。內(nèi)蒙古高原、黑龍江松嫩平原、吉林西部平原、柴達木盆地均為顯著增暖區(qū)，華北北部、山西西部、陜北、隴東、塔里木盆地為增溫低值區(qū)，這與氣溫距平圖的反映出的高低值中心遷移變化過程相符。

另外，觀察第一階段距平分布圖2a與氣溫傾向圖2d，1960—1977年氣溫在空間上，呈現(xiàn)出“高值增溫慢，低值增溫快”的變化規(guī)律，即建設初期的相對氣溫低值區(qū)增溫速率最大，高值區(qū)域增溫速率最小的對應變化趨勢，其中河北、遼寧、陜西、山西、甘肅、新疆等建設初期的高值中心，多年來增溫趨勢最為緩慢。這與郭志梅等[14]的研究結(jié)果基本一致，但是從圖2d分析，第三階段西北西部的增溫趨勢已明顯放緩。

4 降水變化趨勢分析

4.1 降水的時間變化

區(qū)域多年平均降水309.0 mm，降水的高值在3個時段均有分布(圖3)， 3個年份分別為1964年(387.8 mm)，1990年(367.7 mm)，1998年(392.2 mm)，這與氣溫高值的分布有所差異。降水3個低值則分布在前兩個時段內(nèi)，分別為1965年(242.2 mm)，1980年(253.4 mm)，1982年(246.2 mm)。最大降水量與最小降水量相差達149.9 mm。52 a來工程區(qū)年平均降水量從1960年的317.6 mm下降到2011年的280.8 mm，下降擬合速率為3.554 mm/10 a。

從降水距平的擬合曲線來看，區(qū)域平均降水總體呈現(xiàn)波動下降趨勢。第一時段，區(qū)域降水先波動下降，在后半段1975年附近降水量開始緩慢增加，整個時段降水距平3.42 mm。第二時段，降水量先呈升高趨勢，在90年代初期又逐漸減少，此階段降水量平均距平增加為7.84 mm，平均降水量有所增加。1996—2011年，降水變化也是呈現(xiàn)先減少，在2006年附近又波動增加的趨勢，平均距平為-12.7 mm，此階段降水量較常年平均值偏少。

圖3 1960-2011年三北防護林工程區(qū)降水量變化

4.2 降水的空間變化

4.2.1 降水量距平空間變化 圖4為各站點不同時段降水量距平的空間分布。在第一時段(圖4a)，區(qū)域降水距平3.42 mm，其空間分布基本呈現(xiàn)出東高西低的變化特征，西部地區(qū)相對降水量普遍偏少。雨量負值區(qū)分布在東部的黑龍江松嫩平原和大興安嶺及內(nèi)蒙古陰山山地。東北西部其他地區(qū)、華北北部、黃土高原均為降水距平高值區(qū)，58個正距平站均分布在此區(qū)。

圖4 3個時段降水距平及其變化趨勢分布

第二時段(圖4b)，降水正距平面積進一步擴大，有77個站為高值站，平均距平增加為7.84 mm?？梢钥闯鲞@一時段，工程區(qū)普遍降水增加，降水空間分布仍然表現(xiàn)出東西差異，低值區(qū)主要分布在山西西部、陜西、青海及甘肅祁連山區(qū)、塔里木盆地及天山山地、其他地區(qū)降水量普遍增加，其中東部的東北西部、華北北部地區(qū)為降水高值中心，與前一時段相比，陜西、山西、甘肅祁連山地降水量明顯下降。新疆、柴達木盆地、河西走廊地區(qū)降水有所增加。

第三時段(圖4c)，降水平均距平為-12.7 mm，整體降水呈下降趨勢。降水分布的東西差異明顯，大致以河西走廊及青藏高原為界，界線以西為降正距平區(qū)。此階段37個降水正距平站，有28個都分布在界限以西。對比前一時段，可以看出，東部地區(qū)除黑龍江松嫩平原外，其他區(qū)域普遍降水有所減少，而西部區(qū)域仍然為正距平態(tài)勢，降水量進一步增加。

4.2.2 降水傾向率分布 從降水傾向率統(tǒng)計來看(圖4d)，降水線性趨勢的東西差異明顯，全區(qū)降水呈增加趨勢的站點達到了59%。西部地區(qū)除庫爾勒，額濟納旗，民和站外，降水傾向率均大于0，傾向率的最大值伊寧站就位于西部，傾向率達到了21.4 mm/10 a。說明近52 a來，中國西部地區(qū)降水量顯著增加。這與葉柏生等[11]，姚惠明等[12]研究結(jié)果一致。區(qū)域東部的黑龍江松嫩平原、內(nèi)蒙古陰山山地也是顯著的增加區(qū)。東部其余地區(qū)，降水則呈現(xiàn)減少趨勢，線性趨勢圖與工程區(qū)降水高值區(qū)的空間變化結(jié)果相符，只是總的變化趨勢反映不出東部的東北西部、華北北部地區(qū)在第二時段降水增加的過程。

5 結(jié) 論

(1)近52 a來，工程區(qū)氣溫呈顯著增加趨勢，多年增溫速率為0.346 ℃/10 a。防護林建設前為偏冷期，第二時段，區(qū)域的氣溫逐步升高，第三時段為顯著偏暖期，其中1998年達到多年最高值。區(qū)域氣溫距平在三個時段表現(xiàn)出普遍低溫—高溫區(qū)增多—普遍高溫的變化規(guī)律。另外區(qū)域的高低溫區(qū)發(fā)生明顯的遷移，高溫區(qū)由黃土高原、塔里木盆地、華北平原北部遷移到第二時段的黑龍江、吉林、北疆阿勒泰地區(qū)，再到第三時段的內(nèi)蒙古及柴達木盆地。線性增溫趨勢大致表現(xiàn)出南北差異，顯著區(qū)主要集中在柴達木盆地、內(nèi)蒙古高原、黑龍江松嫩平原、吉林西部平原。另外第一時段距平分布圖與氣溫傾向圖呈現(xiàn)出低值區(qū)增溫速率最大，高值區(qū)域增溫速率最小的對應變化趨勢。綜合氣溫各時段距平及傾向率變化，可以看出三北防護林區(qū)在全球變化的背景下，區(qū)域響應仍是以變暖趨勢為主，但是三北防護林的工程的建設實施，可能在局部地區(qū)起到了減緩這種趨勢的作用。其中河北、吉林、遼寧、內(nèi)蒙、陜西、山西、黑龍江省，均由建設初期的升溫趨勢變?yōu)榻禍刳厔荨：颖?、遼寧、陜西、山西、甘肅、新疆等建設初期的高溫中心增溫趨勢較為緩慢的現(xiàn)象，說明這幾個省區(qū)的三北防護林工程對其氣溫增暖起到了一定的抑制作用。

(2)多年來區(qū)域降水量呈下降趨勢，下降速率為-3.5 mm/10 a。其時段性特征建設前偏少，建設初期有所增加，但是1996年后又有明顯減少趨勢。 區(qū)域降水量距平，在三個時段發(fā)生了顯著的空間變化。第一時段東部地區(qū)普遍降水較常年平均值高。第二時段，工程區(qū)大部分地區(qū)降水成正距平，高值區(qū)仍然位于東部。第三時段工程區(qū)西部降水較東部豐沛，降水增距平區(qū)均位于西部。降水的高值區(qū)，由工程區(qū)中部的黃土高原、華北平原北部向上轉(zhuǎn)移到東北地區(qū)北部，再轉(zhuǎn)移到西部地區(qū)。各時段降水量均有正負距平站點，這與氣溫距平的顯著變化不同，表現(xiàn)出了降水變化的復雜性，可能是因為與降水受更多的因素影響有關(guān)。降水的傾向率分布，表現(xiàn)為明顯的東西差異，東部地區(qū)降水普遍減少，西部大部分地區(qū)降水均在增加，黑龍江松嫩平原、內(nèi)蒙古陰山山地也是顯著的增加區(qū)。綜合降水距平及傾向率分布，降水整體減少，而三北防護林的建設只是在局部地區(qū)起到了減緩這種趨勢的作用。

(3)綜合氣溫及降水變化，52 a來工程區(qū)總體暖干化趨勢增加，其中氣溫變化以南北分布差異為主，而降水變化的東西差異變化更為顯著。增暖顯著區(qū)主要位于工程區(qū)北部高緯區(qū)，降水增加區(qū)則主要集中在工程區(qū)西部?？梢耘袛喑?，多年來在西部以北疆阿勒泰地區(qū)、柴達木盆地暖濕化趨勢最為明顯，西部其余地區(qū)則表現(xiàn)為微弱的暖濕化。在東部，內(nèi)蒙古陰山地區(qū)及河套平原地區(qū)、黑龍江松嫩平原有暖濕化趨勢，內(nèi)蒙古呼倫貝爾草原、大興安嶺山區(qū)、遼嫩平原均呈明顯暖干化趨勢。黃土高原、華北北部地區(qū)、吉林，遼寧則為微弱的暖干化趨勢。

(4)一個地區(qū)的氣候變化，是由自然氣候波動和人類活動的影響兩類因素造成的[27]。就工程區(qū)的氣候變化而言，三北防護林的建設對工程區(qū)小區(qū)域的氣候變化起到了一定的改善作用[17-19]，但并沒有改變區(qū)域長期的氣候變化趨勢。多年來,東部大部呈暖干化趨勢，西部地區(qū)雖然為暖濕化趨勢，但由于西部地區(qū)年降水總量較少[11-12]，這種變化并不能改善工程區(qū)西部干旱的氣候特征。工程區(qū)整體氣候的發(fā)展趨勢，將會限制防護林工程的實施。因此，繼續(xù)深入研究工程區(qū)氣候變化規(guī)律，制定適應氣候變化的工程建設策略，對改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境顯得很有必要。

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