鄭玉峰，趙海波，任余艷，張連霞，許晶，紅兒

（1.鄂爾多斯市氣象局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.鄂爾多斯市林業(yè)和草原科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000）

毛烏素沙區(qū)主要分布于鄂爾多斯高原和黃土高原之間的湖積沖積平原凹地上，兼具氣候上屬于半干旱氣候區(qū)、植被上處于草原向荒漠化草原的過(guò)渡帶和農(nóng)業(yè)上位于農(nóng)牧交錯(cuò)帶的三重屬性[1]。該區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，對(duì)全球氣候變化響應(yīng)敏感[2-6]。1992 年聯(lián)合國(guó)科教文組織通過(guò)對(duì)全球環(huán)境分析，認(rèn)定鄂爾多斯地區(qū)(毛烏素沙區(qū))屬于全球九大環(huán)境敏感區(qū)[7]，是中國(guó)生態(tài)安全屏障建設(shè)的重點(diǎn)地區(qū)。20 世紀(jì)70年代后期，國(guó)家和地方政府開(kāi)展了“三北”防護(hù)林工程，特別是進(jìn)入21 世紀(jì)，鄂爾多斯市確立建設(shè)“綠色大市”的發(fā)展戰(zhàn)略，在全國(guó)率先推行“禁休輪牧”，實(shí)行“優(yōu)化發(fā)展區(qū)、限制發(fā)展區(qū)、禁止發(fā)展區(qū)的“三區(qū)規(guī)劃”政策，有力地促進(jìn)了沙漠地區(qū)自然修復(fù)，毛烏素沙區(qū)植被覆蓋度總體趨于好轉(zhuǎn)態(tài)勢(shì)[8]。因此，毛烏素沙地植被動(dòng)態(tài)及其氣候變化等問(wèn)題受到眾多學(xué)者高度關(guān)注[9-14]。

沙漠治理和植被修復(fù)可以在一定程度上影響局部氣候變化。本文選取毛烏素沙地腹地的烏審召鎮(zhèn)作為研究對(duì)象，利用1961-2020年氣象數(shù)據(jù)對(duì)近60 年的氣溫、降水、風(fēng)及沙塵天氣變化規(guī)律進(jìn)行分析，揭示地區(qū)性生態(tài)修復(fù)工程的實(shí)施對(duì)區(qū)域的影響，為今后合理制定防治荒漠化策略提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

烏審召鎮(zhèn)地處毛烏素沙地腹地，位于鄂爾多斯市烏審旗最北部，北與鄂托克旗和杭錦旗接壤，東依伊金霍洛旗，地勢(shì)北高南低，流動(dòng)、半流動(dòng)沙丘占總面積的70%以上，呈梁、灘、沙丘相間分布狀況。全鎮(zhèn)生態(tài)治理總規(guī)模已達(dá)到181萬(wàn)畝，植被覆蓋度達(dá)74%，森林覆蓋率達(dá)33.29%。地表水與地下水資源豐富，湖泊、溫泉、自流井星羅棋布。烏審召鎮(zhèn)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，其特點(diǎn)是日照強(qiáng)烈，四季分明，降水主要集中在4-9 月。烏審召鎮(zhèn)氣象觀測(cè)站四周無(wú)高樓大廈，人煙稀少，不存在城市熱島效應(yīng)及其他對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞（人工治沙除外）行為，觀測(cè)數(shù)據(jù)與自然狀態(tài)最為符合，這也是本文選取烏審召鎮(zhèn)作為研究對(duì)象的主要原因。

圖1 烏審召鎮(zhèn)在毛烏素沙地中的地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用國(guó)家科技資源共享服務(wù)平臺(tái)提供的“中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集”中烏審召鎮(zhèn)的氣象站1961-2020年的氣溫?cái)?shù)據(jù)來(lái)研究毛烏素沙地的氣候變化特征。

1.2.2 增廣迪基-福勒ADF平穩(wěn)性檢驗(yàn)

經(jīng)典的時(shí)間序列分析以數(shù)據(jù)平穩(wěn)性假設(shè)為基礎(chǔ)，因此平穩(wěn)性檢驗(yàn)是經(jīng)典的時(shí)間序列分析的重要前提[15]。平穩(wěn)性檢驗(yàn)一般分為參數(shù)檢驗(yàn)和非參數(shù)檢驗(yàn)兩種，前者包括t 檢驗(yàn)、u 檢驗(yàn)、χ2檢驗(yàn)法等；后者以單位根檢驗(yàn)為代表，包括迪基-福勒檢驗(yàn)（Dicky-Fuller test，DF）檢驗(yàn)和增廣迪基-福勒檢驗(yàn)（Augmented Dicky-Fuller test，ADF）[16]。本文的數(shù)據(jù)平穩(wěn)性ADF檢驗(yàn)基于軟件Eviews10[17]完成。在軟件Eviews10中的檢驗(yàn)結(jié)果基于Dicky等構(gòu)造的兩種檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，并根據(jù)Monte Carlo 實(shí)驗(yàn)方法給出了臨界值。若變量的檢驗(yàn)值小于臨界值，則拒絕零假設(shè)，反之則接受零假設(shè)。ADF 檢驗(yàn)相對(duì)于DF檢驗(yàn)的改進(jìn)在于增加了滯后項(xiàng)。

1.2.3 氣象數(shù)據(jù)突變性變化的檢驗(yàn)方法

曼-肯德?tīng)枺∕ann-Kendall）非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法是由國(guó)際氣象組織（WMO）推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析的方法，也是檢驗(yàn)水文數(shù)據(jù)時(shí)間序列單調(diào)趨勢(shì)的有效工具。Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量為：

式中：

Mann-Kendall 檢驗(yàn)同時(shí)可以給出序列x(x1,x2,…,xn)的單調(diào)傾斜度指標(biāo)β，其計(jì)算方法如下：

若β＞0，則表示趨勢(shì)上升，變量隨時(shí)間增大；β＜0，則表示趨勢(shì)下降，變量隨時(shí)間下降[19]。

同樣，Mann-Kendall 檢驗(yàn)也可進(jìn)一步用于序列突變檢驗(yàn)。氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)的一個(gè)重要現(xiàn)象，氣候突變的普遍定義為：氣候從一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì)）跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì)）的現(xiàn)象，它表現(xiàn)為氣候在時(shí)空上從一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性的急劇變化[20]。

Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)法以時(shí)間序列平穩(wěn)為前提，不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[21]以及正態(tài)分布特征的限制[22]，從而可以檢測(cè)出某一要素長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和突變情況。

其基本原理[19]為：設(shè)氣候序列為x(x1,x2,…,xn)，構(gòu)造一秩序列如下：

在原序列的隨機(jī)獨(dú)立等假定下，Sk的均值、方差分別為：

將Sk標(biāo)準(zhǔn)化[21]，有：

UFK為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，是按照時(shí)間序列x1,x2,…,xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列，其概率可以通過(guò)計(jì)算或查表獲得，給定顯著性水平α=0.05，置信區(qū)間U0.05=±1.96。若|UF1|＞Uα，則表明序列存在明顯的變化趨勢(shì)。

按時(shí)間序列x的逆序xn,xn-1,…,x1，再重復(fù)上述過(guò)程，便得到UBk= -UFK(k=n,n-1,…,1)，UB1= 0。

繪制出UBk和UFK兩條曲線，通過(guò)綜合分析統(tǒng)計(jì)序列UBk和UFK，可以進(jìn)一步分析序列x的變化趨勢(shì)，而且可以明確突變的時(shí)間，指出突變區(qū)域。若UBk或UFK值大于0，表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)，當(dāng)超過(guò)置信水平時(shí)，表明上升（下降）趨勢(shì)顯著。若兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是時(shí)刻便可能是發(fā)生突變的時(shí)間，當(dāng)交點(diǎn)位置位于置信區(qū)間之內(nèi)，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即是突變發(fā)生時(shí)間。

1.2.4 氣候長(zhǎng)期的演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化分析

累計(jì)距平是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法[23]。對(duì)于序列x，其某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

將n個(gè)時(shí)刻的累計(jì)距平值全部算出，即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析。累積距平曲線比較直觀，可以從曲線明顯的上下起伏來(lái)判斷其長(zhǎng)期顯著的演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化，甚至還可以診斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間[24]。

2 結(jié)果與分析

2.1 近60年毛烏素沙地多年平均氣溫的變化特征

1961-2020年烏審召鎮(zhèn)年平均氣溫變化在5.4～8.2 ℃之間，60年的年均氣溫為6.8 ℃，20世紀(jì)90年代之前，年代平均氣溫低于年均氣溫值0.4～0.5 ℃，之后較年均氣溫值偏高0.2～0.4 ℃。通過(guò)線性回歸、曼—肯德?tīng)栚厔?shì)檢驗(yàn)對(duì)平均氣溫變化分析表明（圖2），氣溫傾向率0.187 ℃/10 a，氣溫單調(diào)傾斜度指標(biāo)β=0.0195＞0，相當(dāng)于0.2 ℃/10 a 左右的增溫，與線性回歸結(jié)果較為一致，即年平均氣溫在波動(dòng)中呈緩慢上升趨勢(shì)，略低于全國(guó)平均增暖速率0.22 ℃/10 a 的變化趨勢(shì)[25]，且相較全國(guó)近百年的氣溫變暖趨勢(shì)0.2～0.8 ℃/100 a的變化速率要高許多，但與近50年0.6～1.1 ℃/50 a的變化趨勢(shì)則相差無(wú)幾[26]。累積距平氣溫曲線呈現(xiàn)“凹”型（圖2），波動(dòng)性較小。氣溫突變點(diǎn)在1986-1996年之間，與20 世紀(jì)80 年代全球氣候變暖的結(jié)論較為接近[27]。由距平分布來(lái)看（圖2），在1988 年之前，氣溫距平值以負(fù)值為主，在1988年之后，氣溫距平值以正值為主。

圖2 烏審召鎮(zhèn)1961-2020年氣溫變化與趨勢(shì)性分析

用Mann-Kendall 法對(duì)烏審召鎮(zhèn)1961-2020年平均氣溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)分析，由圖3 可以看出，UFk曲線在1970年前總體呈現(xiàn)波動(dòng)下降的趨勢(shì)，之后呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。UFk曲線在置信區(qū)間內(nèi)與UBk曲線有一個(gè)交點(diǎn)（1988-1992年間）。結(jié)合上述累積距平（見(jiàn)圖2）的分析結(jié)果，在1988-1992年間烏審召鎮(zhèn)平均氣溫發(fā)生了由低溫向高溫的突變，氣溫突變發(fā)生在1990年左右。

圖3 烏審召鎮(zhèn)1961-2020年平均氣溫的曼—肯德?tīng)柾蛔儥z驗(yàn)

2.2 多年平均降水量的變化

在年降水量方面，時(shí)間序列為1961-2020年，其年均降水量為339.4 mm，最高1961年為714.9 mm，最低1962年為19.5 mm。烏審召鎮(zhèn)年降水量呈現(xiàn)弱增加趨勢(shì)（圖4）統(tǒng)計(jì)分析表明，降水傾向率為3.151 mm/10 a，降水單調(diào)傾斜度指標(biāo)β=0.807＞0，相當(dāng)于8 mm/10 a左右的降水量增加。累積距平曲線波動(dòng)性大，說(shuō)明烏審召鎮(zhèn)降水量年代際變化并不穩(wěn)定，20 世紀(jì)60-80年代和2011-2020年間降水量比較多；20世紀(jì)70 年代至2011 年之間降水起伏變化不大，比較穩(wěn)定。

圖4 烏審召鎮(zhèn)1961-2020年平均降水量變化與趨勢(shì)分析

年降水量的突變性檢驗(yàn)結(jié)果顯示（圖5），UFk線波動(dòng)上升，但這種上升趨勢(shì)未能越過(guò)置信水平，UFk曲線在置信區(qū)間內(nèi)與UBk曲線有6個(gè)交點(diǎn)（1961-1970 年，2000-2010 年），說(shuō)明烏審召鎮(zhèn)年均降水量未發(fā)生明顯的突變。但結(jié)合累積距平（見(jiàn)圖4）分析，1961-2020年烏審召鎮(zhèn)年均降水量經(jīng)歷了明顯的升降變化過(guò)程，1961-1980 年間降水量在波動(dòng)中緩慢上升，1981-2011 年降水量減少明顯，2011 年下降到最低值后陡增，由此推斷1981 年和2011 年可能是降水發(fā)生突變的年份。綜合兩種方法的分析結(jié)果，判斷烏審召鎮(zhèn)年均降水量在1980-1981 年間發(fā)生了由多到少的突變，在2011 年左右發(fā)生了由少到多的突變。

圖5 烏審召鎮(zhèn)1961-2020年平均降水量的突變性檢驗(yàn)

2.3 大風(fēng)、沙塵暴等災(zāi)害性天氣日數(shù)變化

1961-2020 年烏審召鎮(zhèn)大風(fēng)、沙塵暴天氣日數(shù)均值分別為23.7天、8.6天，通過(guò)對(duì)大風(fēng)和沙塵暴日數(shù)的統(tǒng)計(jì)（圖6）分析可知，大風(fēng)日數(shù)傾向率-0.761 d/10 a；沙塵暴日數(shù)傾向率-3.249 d/10 a。大風(fēng)日數(shù)單調(diào)傾斜度指標(biāo)β=-0.069＜0，相當(dāng)于0.6 d/10 a左右的減少；沙塵暴日數(shù)單調(diào)傾斜度指標(biāo)β=-0.287＜0，相當(dāng)于2.9 d/10 a左右的減少。二者均與線性回歸結(jié)果較為一致，即大風(fēng)和沙塵暴天氣發(fā)生的天數(shù)在波動(dòng)中呈緩慢下降趨勢(shì)。

從累積距平曲線來(lái)看，累積距平大風(fēng)日數(shù)曲線波動(dòng)性大（圖6a），說(shuō)明烏審召鎮(zhèn)出現(xiàn)大風(fēng)天氣的日數(shù)年代際變化并不穩(wěn)定，從年代上看，20 世紀(jì)60-80 年代大風(fēng)天氣日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1982 年以來(lái)，大風(fēng)天氣呈現(xiàn)出劇烈增長(zhǎng)—較平穩(wěn)波動(dòng)—波動(dòng)下降的過(guò)程?？梢钥闯鲈?010 年之后，大風(fēng)天氣減少明顯，從而預(yù)測(cè)后幾年均以減少趨勢(shì)為主。累積距平沙塵暴日數(shù)曲線（圖6b）呈“凸”型（凸向正值），波動(dòng)較小，說(shuō)明烏審召鎮(zhèn)的沙塵暴天氣日數(shù)經(jīng)歷了上升—下降的過(guò)程，其突變點(diǎn)在1990 年左右，在1990 年之前，沙塵暴頻發(fā)；在1990 年之后，沙塵暴日數(shù)由20世紀(jì)后期的波動(dòng)下降到21世紀(jì)初期的急劇下降，可以看出后期沙塵暴日數(shù)以降低為主，從而能預(yù)測(cè)后幾年以減少為主。

圖6 烏審召鎮(zhèn)1961-2020年大風(fēng)（a）和沙塵暴（b）日數(shù)變化與趨勢(shì)分析

1961-2020年烏審召鎮(zhèn)沙塵暴日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，從20世紀(jì)60年代的平均每年10天，減少至近10 年平均每年1 天，其中最嚴(yán)重的1972年出現(xiàn)過(guò)26天沙塵暴，2002年之后年沙塵暴日數(shù)均在5天以下，尤其是2014年之后再?zèng)]有出現(xiàn)沙塵暴天氣。大風(fēng)天氣從20世紀(jì)60-80年代呈增加趨勢(shì)，之后顯著減少，20世紀(jì)80年代最多，平均每年33 天，近10 年最少，每年16天。從表1可以看出，20世紀(jì)90年代開(kāi)始，沙塵暴和大風(fēng)日數(shù)均明顯減少，這與“50年代風(fēng)吹草低見(jiàn)牛羊，60 年代濫墾亂牧鬧開(kāi)荒，70 年代沙逼人退無(wú)處藏，80 年代人沙對(duì)峙互不讓，90 年代人進(jìn)沙退變了樣”的說(shuō)法是完全一致的。

表1 烏審召鎮(zhèn)1961-2020年沙塵暴、大風(fēng)日數(shù)年際變化 單位：天

3 結(jié)論

對(duì)毛烏素沙地北緣的烏審召鎮(zhèn)近60 年氣溫、降水、大風(fēng)和沙塵暴變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

（1）1961-2020 年年平均氣溫變化在5.4～8.2 ℃之間，近60 年的年平均氣溫為6.8 ℃，年平均氣溫在波動(dòng)中呈緩慢上升趨勢(shì)，增溫率0.2 ℃/10 a 左右，略低于全國(guó)平均增暖速率0.22 ℃/10 a 的變化趨勢(shì)。期間經(jīng)歷了下降—上升的過(guò)程，在1988-1992 年間發(fā)生了由低溫向高溫的突變，氣溫突變發(fā)生在1990年左右。

（2）1961-2020年年均降水量為339.4 mm，介于19.5 ～714.9 mm 之間。1961-1980 年在波動(dòng)中緩慢增加，1981-2011年減少明顯，降水量在1980-1981 年間發(fā)生了由多到少的突變，在2011年左右發(fā)生了由少到多的突變。

（3）1961-2020年大風(fēng)日數(shù)每10年減少7.6天，沙塵暴日數(shù)每10 年減少3.2 天。20 世紀(jì)60-80 年代大風(fēng)天氣日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，1982年以來(lái)，大風(fēng)天氣呈現(xiàn)出劇烈增長(zhǎng)—較平穩(wěn)波動(dòng)—波動(dòng)下降的過(guò)程；在2010 年之后，大風(fēng)天氣減少明顯。沙塵暴天氣日數(shù)經(jīng)歷了上升—下降的過(guò)程，其突變點(diǎn)在1990年左右，1990年之前沙塵暴頻發(fā)，1990 年之后沙塵暴日數(shù)由20世紀(jì)后期的波動(dòng)下降到21世紀(jì)初期的急劇下降。