楊 蓉, 趙多平

(寧夏大學 資源與環(huán)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(xù)上升[1]，未來全球仍將表現(xiàn)為明顯的增溫趨勢。地球上不同要素交界地帶的區(qū)域，如水陸交界帶、干濕交替帶、農(nóng)牧交錯帶、沙漠邊緣帶等,它們的環(huán)境要素十分敏感，這些區(qū)域能及時、靈敏的體現(xiàn)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(tài)脆弱帶。脆弱帶由于特殊的地理環(huán)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(qū)[2]，其研究對全球變化以及預測區(qū)域未來氣候、環(huán)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(tài)脆弱帶地區(qū)進行研究，大多集中在脆弱帶的生態(tài)環(huán)境惡化狀況、土地生產(chǎn)力退化和土壤侵蝕等方面[3]，也有氣候變暖對脆弱帶地區(qū)植被及其覆被變化的影響研究，以及全球變化與生態(tài)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(fā)現(xiàn)，在全球變暖的背景下中國西北地區(qū)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(qū)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(qū)的氣候變化或氣象要素的研究還很缺乏。

陜甘寧蒙接壤區(qū)是中國地理環(huán)境最復雜、生態(tài)環(huán)境最脆弱的特殊區(qū)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(qū)域也正是西北地區(qū)東部與西北地區(qū)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(qū)地區(qū)氣候變化的研究?；诖耍疚臄M選取陜甘寧蒙接壤區(qū)作為研究區(qū)域，利用1961—2015年的降水量數(shù)據(jù)，以趨勢線擬合、線性傾向估計、普通Kriging插值等數(shù)理分析方法，分析氣候變暖背景下陜甘寧蒙接壤區(qū)近54 a的降水量時空變化特征，以期為本區(qū)域自然生態(tài)系統(tǒng)和社會經(jīng)濟系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供一些科學理論依據(jù)，同時也為全球變化研究提供一些區(qū)域性科學證據(jù)。

1 研究區(qū)概況

陜甘寧蒙接壤區(qū)地處陜、甘、寧、蒙4省的接壤地區(qū)，是一個近似四邊形的區(qū)域，總面積約為3.40×105km2，包括陜西北部、寧夏、甘肅東南部和內(nèi)蒙古臨近寧夏的南部地區(qū)。從氣候特征來看，陜甘寧蒙接壤區(qū)剛好位于中國夏季風末勢力區(qū)的季風與非季風氣候的賀蘭山交界地區(qū),降水的地區(qū)差異、季節(jié)和年際變率都極大，且變化十分敏感；從地形特征來看，該區(qū)地處中國中部黃土高原區(qū)向內(nèi)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(qū)，由東向西為東南黃土丘陵溝壑區(qū)向西南黃土丘陵溝壑區(qū)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(tài)環(huán)境來看，這里是中國典型的從半濕潤區(qū)向半干旱、干旱區(qū)過渡的農(nóng)牧交錯區(qū)[8-9]。陜甘寧蒙接壤區(qū)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)和社會經(jīng)濟活動等都是處在變化的臨界區(qū)間，其自然生態(tài)環(huán)境的變化會直接影響到西部乃至全國的生態(tài)與經(jīng)濟安全。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

選取陜甘寧蒙接壤區(qū)氣象數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，依此計算出降水量年值和季節(jié)值，通過對數(shù)據(jù)的分析與處理得出研究區(qū)降水量時空變化特征。所用氣象數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。

為了更詳細分析陜甘寧蒙接壤區(qū)的降水量變化特征，依據(jù)區(qū)域自然地理環(huán)境的差異性將陜甘寧蒙接壤區(qū)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(qū)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(qū)域的南北分界線，依此分界線做出中尺度分區(qū)：1區(qū)為半干旱的東北毛烏素沙區(qū)，2區(qū)為半濕潤的東南黃土丘陵溝壑區(qū)，3區(qū)為半干旱的西南黃土丘陵溝壑區(qū)，4區(qū)則為干旱的西北騰格里沙區(qū)4個中尺度區(qū)域。

2.2 研究方法

本文主要利用Excel，ArcGIS，DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等軟件對要素數(shù)據(jù)進行分析處理，采用數(shù)理統(tǒng)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(qū)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(shù)、回歸系數(shù)，由最小二乘法進行估計：

(2)

(3)

r為相關系數(shù)，回歸系數(shù)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(xié)方差最佳插值法，它是以南非礦業(yè)工程師D．G．Krige的名字命名的一種最優(yōu)內(nèi)插法。是地學統(tǒng)計學常采用的一種求最優(yōu)、線形、無偏的空間內(nèi)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(shù)，然后加權平均得到估計值。本文運用此方法進行降水數(shù)據(jù)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(shù)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(qū)多年平均降水量為367.52 mm，符合典型半干旱區(qū)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(qū)年降水量距平值變化(圖1)可知，近54 a陜甘寧蒙接壤區(qū)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(qū)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(huán)的海陸大循環(huán)旺盛，就小尺度原因則是由于該區(qū)域的生態(tài)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(wěn)期，進入21世紀以后為上升期。

圖1 陜甘寧蒙接壤區(qū)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(qū)年降水量及傾向率空間變化情況(附圖8)，其中該區(qū)年降水量空間變化(附圖8a)大致沿東南—西北方向呈現(xiàn)由多到少的逐步過渡，即西南黃土丘陵溝壑區(qū)、東南黃土丘陵溝壑區(qū)為相對高值區(qū)，西北騰格里沙區(qū)為相對低值區(qū)。全區(qū)年降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區(qū)內(nèi)的洛川站，年降水量高達612.52 mm，最少的是西北騰格里沙區(qū)的吉蘭泰站，年降水量僅為104.49 mm。全區(qū)有19個站點近50%的地區(qū)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(qū)年降水量在200 mm以下。

近54 a來，陜甘寧蒙接壤區(qū)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(xiàn)由減少到增加的逐步過渡，西南黃土丘陵溝壑區(qū)及東南黃土丘陵溝壑區(qū)為降水減少區(qū)，東北毛烏素沙區(qū)和西北騰格里沙區(qū)為相對增加區(qū)。這表明在全球變暖的大背景下蒸發(fā)旺盛，水循環(huán)的海陸大循環(huán)加劇，使原本降水量多的區(qū)域降水減少，而原本降水量少的沙漠區(qū)則降水有所增加，且該區(qū)的沙漠治理對降水量也有調(diào)節(jié)作用。整個陜甘寧蒙接壤區(qū)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(qū)內(nèi)的伊金霍洛旗站(49.13 mm/10 a)，位于甘肅省境內(nèi)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(qū)內(nèi)的榆林站(-36.84 mm/10 a)，最小的為西南黃土丘陵溝壑區(qū)內(nèi)的天水站(-0.29 mm/10 a)。

3.3 降水量季節(jié)變化特征

分析陜甘寧蒙接壤區(qū)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(qū)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(jīng)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(xù)下降，進入80年代以后呈現(xiàn)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(qū)夏季降水經(jīng)歷了減少期—穩(wěn)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(wěn)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(qū)秋季降水量呈減少趨勢，也是4個季節(jié)中降水唯一呈減少趨勢的季節(jié)，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(qū)秋季降水量波動變化趨勢較大，變化趨勢大致呈V型，經(jīng)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(qū)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(qū)冬季降水經(jīng)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(jié)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(qū)1961—2015年各季節(jié)降水量空間變化圖(附圖9)，從圖中可看出，4個季節(jié)降水量的空間差異明顯，大致沿東南—西北方向呈現(xiàn)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(xiàn)由多到少的逐步過渡，即東南黃土丘陵溝壑區(qū)、西南黃土丘陵溝壑區(qū)為相對高值區(qū)，東北毛烏素沙區(qū)、西北騰格里沙區(qū)為相對低值區(qū)，具體而言，全區(qū)春季降水量最多的站點為西南黃土丘陵溝壑區(qū)內(nèi)的岷縣站，春季降水量為138.9 mm，最少的是毛烏素沙區(qū)內(nèi)的陶樂站，春季降水量僅為10.69 mm。全區(qū)有8個站點20%的地區(qū)春季降水量超過100 mm；有24個站點60%的地區(qū)春季降水量為20～100 mm，有8個站點20%的地區(qū)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(xiàn)由多到少的逐步過渡，東南黃土丘陵溝壑區(qū)降水量最高，西南黃土丘陵溝壑區(qū)次之，西北騰格里沙區(qū)為夏季降水量最少的區(qū)域，具體而言，全區(qū)夏季降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區(qū)內(nèi)的洛川站，夏季降水量為438.9 mm，最少的是騰格里沙區(qū)內(nèi)的吉蘭泰站，夏季降水量僅為68.98 mm。全區(qū)有7個站點18%的地區(qū)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(qū)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(qū)、東南黃土丘陵溝壑區(qū)為相對高值區(qū)，東北毛烏素沙區(qū)、西北騰格里沙區(qū)為相對低值區(qū)，具體而言，全區(qū)秋季降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區(qū)內(nèi)的長武站，秋季降水量為173.78 mm，最少的是毛烏素沙區(qū)內(nèi)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(qū)有13個站點32.5%的地區(qū)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(qū)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(qū)冬季降水量都比較少，相對來說，位于東部區(qū)域的東南黃土丘陵溝壑區(qū)和毛烏素沙區(qū)有部分降水，而西北騰格里沙區(qū)和西南黃土丘陵溝壑區(qū)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(qū)內(nèi)的伊金霍洛旗站，降水量為116.55 mm，最少的是毛烏素沙區(qū)內(nèi)的陶樂站，降水量僅為0.98 mm。全區(qū)冬季有5個站點12.5%的地區(qū)冬季降水超過20 mm；全區(qū)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(qū)降水量在10 mm以下。

4 結論與討論

(1) 研究發(fā)現(xiàn)，陜甘寧蒙接壤區(qū)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(qū)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(qū)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(wěn)期，但2000年以來的近十幾年來陜甘寧蒙接壤區(qū)年降水量呈現(xiàn)出明顯上升趨勢，這與施雅風等[7]提出的西北地區(qū)氣候已出現(xiàn)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(fā)旺盛，冰川消融增強，河川徑流量擴大，而使大尺度的水循環(huán)更加旺盛，大部分區(qū)域降水增加[16]，加之近年來陜甘寧蒙接壤區(qū)生態(tài)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(qū)年均降水量的空間變化趨勢是：大致沿東南—西北方向呈現(xiàn)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(qū)，次之為西南黃土丘陵溝壑區(qū)，年均降水量最低為騰格里沙區(qū)，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(qū)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(xiàn)由減少到增加逐步過渡，西南黃土丘陵溝壑區(qū)及東南黃土丘陵溝壑區(qū)為降水量減少區(qū)，毛烏素沙區(qū)和騰格里沙區(qū)為降水量相對增加區(qū)。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(qū)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(fā)旺盛，水循環(huán)的海陸大循環(huán)加劇，使原本降水量多的區(qū)域降水減少，而原本降水量少的沙漠區(qū)則降水有所增加。此外，毛烏素沙區(qū)和騰格里沙區(qū)沙漠治理對降水量也有調(diào)節(jié)作用[18]。

(3) 陜甘寧蒙接壤區(qū)1961—2015年4季的降水距平變化趨勢表現(xiàn)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(qū)春、冬季節(jié)降水量變化大概以10 a為周期經(jīng)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(jié)降水是逐步增加的趨勢。而夏、秋季節(jié)的降水變化大致經(jīng)歷了減少期—穩(wěn)定期—減少期—增加期，2007年以來夏、秋季節(jié)降水呈快速增加趨勢。4個季節(jié)降水量的空間差異明顯，但大致都沿東南—西北方向，呈現(xiàn)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(qū)近54 a來降水量總體略微減少的趨勢表明該區(qū)域氣候的仍具暖干化發(fā)展趨勢，這對該區(qū)的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟總體發(fā)展將產(chǎn)生威脅。但就2000年以來該區(qū)的降水量又呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢來說，是否該區(qū)氣候具有由暖干向暖濕轉型的大趨勢，這是該區(qū)氣候狀態(tài)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(qū)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(jīng)濟發(fā)展都將是一個重大的課題。