浑善达克沙地及周边地区平均最高气温、最低气温及气温日较差的变化特征

高涛涛,殷淑燕

(1.陕西师范大学 地理科学与旅游学院,陕西 西安 710119;2.陕西师范大学 地理学国家级实验教学示范中心,陕西 西安 710119)

近100年来,地球气候正经历一场以变暖为主要特征的显著变化[1]。据IPCC第五次评估报告[2],过去130年全球地表平均气温升高了0.85 ℃。近50年,中国气温增暖尤其明显,年平均地表气温升高了1.1 ℃,增温速率为0. 022 ℃/a[3-4]。全球最高气温、最低气温均升高,但以最低气温的变暖最明显[5-6]。近年来,这种气温的非对称性变化已引起了众多学者的关注。气温日较差(简称DTR)是指一天中气温的最高值与最低值之差,其大小反映气温日变化程度[7],是一个地区重要的气候特征[8]。与平均气温不同, DTR可以反映全球或区域性的温度变化幅度特征,有着重要的生态学意义,对于人类生存环境的变化、气候异常的影响及可持续发展研究具有特殊的参考价值[9]。陈铁喜等[10]的研究结果表明：近50年来,中国年平均气温日较差整体呈现下降趋势,日较差的变化有较大的地区差异,即高纬地区的减小幅度大于低纬地区；35°N以北地区冬季最低气温升高是主要因子,35°S以南主要是夏季最高气温上升起主要作用；东部季风区和西北地区及青藏地区的气温日较差的差异主要表现在东部地区随纬度变化明显,而西部地区及青藏地区与海拔高度有关。唐红玉等[11]的研究表明,我国年平均气温日较差多呈下降趋势,在北方地区尤为明显,各季的平均气温日较差均呈下降趋势,并以冬季下降幅度为最大。华丽娟等[12]研究指出：北方气温月较差的减小趋势比南方显著;季较差的下降趋势主要表现在夏季,又以内蒙古至西南一带以及华北地区最显著;东部年较差的下降趋势比西部显著。祝青林等[13]研究发现大连地区四季气温日较差呈现显著减小趋势,各季节平均气温、最高气温和最低气温呈显著上升趋势,大连地区与月平均日较差相关性最强的因子是风速。王凯等[14]指出1960～2005年华中区域平均年、冬季及夏季的气温日较差均呈减小趋势,而春季、秋季的气温日较差变化趋势不明显。我国开展的关于气温日较差的研究已有许多[8-14],但对生态系统十分脆弱的沙地地区尚缺乏相关研究。

浑善达克沙地是我国十大沙漠沙地之一,位于内蒙古中部锡林郭勒草原南端,距北京直线距离180 km,是离北京最近的沙源。浑善达克沙地主体位于内蒙古锡林郭勒盟中西部的南部,大致位于111°40′～117°30′E、41°50′～43°50′N,沿东西向横亘于内蒙古高原的东部、阴山北麓,紧贴燕山丘陵的北麓,从大兴安岭南部山地西麓克什克腾旗向西一直延伸到苏尼特右旗,北至蒙古国边境。东西长约400.0 km,南北宽约为120.0 km,加上周围的缓冲地带5.3 km×104.0 km[15-17]。按行政区划该地区属于锡林郭勒盟和赤峰市,主要包括锡林浩特市、阿巴嘎旗、苏尼特左旗、苏尼特右旗、镶黄旗、正镶白旗、正蓝旗、多伦县、太仆寺旗和克什克腾旗,部分进河北省境内[18]。浑善达克沙地处于半干旱草原地带,气候恶劣,土壤基质不稳定,植被盖度较低,生态系统十分脆弱。同时,浑善达克沙地位于京津地区天气系统的上游,是京津地区北方生态屏障的重要部分,也是影响京津地区北路沙尘暴的必经之地和沙尘源区之一。其生态系统状况关系到内地广大区域的生态环境和社会经济的可持续发展[19-20]。在全球气候变化背景下,对该地区气候变化进行研究对于指导沙地生态保护与建设具有重要的理论与实践意义。因此，我们对浑善达克沙地最高气温、最低气温及气温日较差的变化规律进行了研究,旨在为沙地沙漠化治理和生态环境恢复提供科学依据。

1 资料与方法

气象资料来源于中国气象局国家气象信息中心资料服务室,选取浑善达克沙地及周边18个地面气象站点(图1)1958～2015年的逐日最高气温、最低气温,逐月平均最高气温、最低气温,逐年平均气温、平均最高气温和平均最低气温的资料。本文使用的数据为均一化订正后的数据,均通过了均一性检验和质量控制,具有很好的连续性。根据浑善达克沙地的气候特征,四季的划分如下:3～5月为春季,6～8月为夏季,9～10月为秋季,11月至翌年2月为冬季[20-21]。采用常规的线性趋势分析；突变分析采用Mann-Kendall法和滑动t检验相结合,可以克服单一方法的局限性；周期分析利用小波分析方法[22-24]。

图1 浑善达克沙地及周边地区气象站点的分布

2 结果与分析

2.1 浑善达克沙地气温的时间变化

2.1.1 浑善达克沙地的年平均气温的时间变化 图2是浑善达克沙地逐年平均气温、最高气温、最低气温以及日较差的距平变化图和M-K曲线图。由图2a可见：浑善达克沙地年平均气温的距平变化表现出较为明显的上升趋势；1988年以前以负距平为主,1988年以后以正距平为主；在1958～2015年之间有4次较为明显的波动,分别为1969、1985、2012年的低谷以及2007年的波峰；气温从20世纪90年代初开始持续波动上升,于2007年达到最高值,之后迅速下降,在2012年达到低谷。根据M-K法的检验结果，年平均气温从90年代初开始呈显著的上升趋势(图2b),并且在1994～2015年期间这种增暖的趋势远远超过显著水平0.05的临界线,从1999年开始甚至超过0.0001的显著水平(U0.0001=3.29),这也说明浑善达克沙地气温的上升趋势是非常显著的。依据UF和UB两条曲线的交点，可以确定浑善达克沙地年平均气温在1990年为突变点,发生了增暖突变。由表1可以看出：1961～1970年为最冷时段,气温从20世纪60年代开始逐步呈现上升趋势；在2001～2010年期间平均气温达到最高,平均气温距平值为0.8 ℃；在2011～2015年期间平均气温较之前有不明显的下降趋势；在58年间,年平均气温的上升率达到0.32 ℃/10a。

a、b:平均气温; c、d:最高气温; e、f:最低气温; g、h:气温日较差。

2.1.2 浑善达克沙地年平均最高气温的时间变化 由图2a和图2c可以看出：年平均最高气温的变化趋势与年平均气温基本一致,有4次明显波动,分别为1969、1985、2012年的低谷和2007年的波峰；1988年以前表现为负距平,1988年以后以正距平为主。根据UF和UB两条曲线的交点，浑善达克沙地年平均最高气温在1995年出现的增温是一突变现象。由表1得出：年平均最高气温在1961～1980年期间最低且无显著变化；1980～2010年平均最高气温呈稳定逐步上升趋势,达到平均最高气温距平的最大值0.8 ℃；2011～2015年又呈现下降趋势,但下降趋势不太明显。58年间年平均最高气温的增温率为0.25 ℃/10a。

2.1.3 浑善达克沙地年平均最低气温的时间变化 从图2e可以看出：年平均最低气温在1987年以前以负距平为主,在1987年以后以正距平为主；有3次比较明显的波动,分别为1969、2012年的低谷以及1998的波峰。根据UF和UB的交点位置，1987年气温出现显著的增加趋势(图2f),这与图2e的分析结果一致。由表1可以看出：20世纪60年代年平均最低气温为最低；1958～2010年年平均最低气温呈波动上升趋势；2011～2015年年平均最低气温有所下降。年平均最低气温与最高气温、平均气温相比,增幅最大,58年间增温率达0.42 ℃/10a。

2.1.4 浑善达克沙地年平均气温日较差的时间变化 从图2g和图2h可以看出：年平均气温日较差总体上呈下降趋势,这与气温的变化趋势相反,这是因为最低气温的增加趋势比最高气温的大。年平均日较差在1972年以前以正距平为主,在1972年以后以负距平为主。根据UF和UB两条曲线的交点可以确定浑善达克沙地年平均气温日较差在1972年为突变点。20世纪60年代气温日较差最大；1971～2000年呈现显著下降趋势；2001～2015年变化不显著(表1)。在58年间年平均气温日较差的下降率为-0.17 ℃/10a。

表1 研究区各种气温及气温日较差的年代际变化 ℃/10a

注:“*”、“**”、“***”、“****”分别表示相关系数通过0.10、0.05、0.01、0.001水平的显著性检验。下同。

2.2 浑善达克沙地气温的空间变化特征

1958～ 2015年浑善达克沙地年平均最高气温的变化倾向率为0.25 ℃/10a,通过0.05水平的显著性检验,且18个站点的变化倾向率都为正值,但能通过0.05水平显著性检验的只有9个站,能通过0.01水平显著性检验的只有1个站(苏尼特左旗)。从空间分布特征来看,平均最高气温气候倾向率的变化范围在0.154～0.369 ℃/10a,北部地区以及西北地区(即沙地内部)的增温幅度较大,增温中心在北部的苏尼特左旗(图3)。1958～ 2015年浑善达克沙地年平均最低气温有显著的上升趋势,倾向率达0.42 ℃/10a,能够通过0.001水平的显著性检验。所选18个站点的年平均最低气温的变化倾向率都为正,其中能通过0.05水平显著性检验的站点有16个,能通过0.01水平显著性检验的站点有12个,能通过0.001水平显著性检验的站点有11个,分别为张北、张家口、二连浩特、那仁宝力格、阿巴嘎旗、化德、西乌珠穆沁、锡林浩特、多伦县、集宁和朱日和，其中有1个站点(化德)的增温幅度超过了0.60 ℃/10a。从空间分布看,平均最低气温倾向率的变化范围在0.103～0.606 ℃/10a,年平均最低气温倾向率表现出从西北向东南逐渐减小的趋势,上升最明显的是二连浩特、阿巴嘎旗和化德(图4)。浑善达克沙地年平均气温日较差呈下降趋势,倾向率为-0.17 ℃/10a,未通过0.10水平的显著性检验,所选18个站点中有16个站点的倾向率为负,占89%，其中能通过0.05显著性水平检验的达6个站,能通过0.01显著性水平检验的有1个站(化德)。从空间分布看,平均气温日较差倾向率的变化范围在-0.407～0.168 ℃/10a,平均气温日较差在西部和北部的减小幅度较大(图5)。

图3 浑善达克沙地年平均最高气温的倾向率

图4 浑善达克沙地年平均最低气温的倾向率

2.3 浑善达克沙地气温的季节性变化

从表2可以看出：浑善达克沙地在近58年的季平均最高气温均呈上升趋势,春季和冬季均达到0.10显著性水平,夏季和秋季甚至达到了0.05显著性水平,其中秋季的升温幅度最为显著,为0.281 ℃/10a,而升温幅度最小的为春季,升温率为0.213 ℃/10a。在各种温度变化中,增温幅度最大的是最低气温，除夏季以外,其他各个季节均达到0.001显著性水平,而最不明显的夏季也达到了0.01显著性水平，而在升温趋势最为明显的冬季其升温率达到了0.447 ℃/10a。浑善达克沙地近58年来的气温日较差均呈现下降趋势，以春季和冬季的下降趋势最明显,均达到了0.10显著性检验水平,而夏季和秋季均未通过显著性检验；最为明显的春季的气温日较差的下降率为-0.221 ℃/10a,而最不明显的秋季的下降率仅为-0.067 ℃/10a。

图5 浑善达克沙地年平均气温日较差的倾向率

由此可见,浑善达克沙地全年各个季节的平均最高气温、最低气温均呈上升趋势,日较差呈下降趋势。这是因为平均最高气温、最低气温的变化存在明显的非对称性,平均最低气温的增长趋势明显大于平均最高气温的增长趋势。冬季和春季气温日较差的显著下降主要是由于季平均最低气温的显著上升,即冬、春季节变暖明显。

表2 研究区的季平均最高气温、最低气温和日较差的变化趋势 ℃/10a

2.4 平均最高气温和最低气温对冷暖的贡献

2.4.1 年变化 由表1可知,浑善达克沙地58年来年平均最高气温、最低气温在20世纪60年代呈显著下降趋势,但是最低气温的降温幅度比最高气温的大,这说明夜间降温明显。从20世纪70 年代至21世纪初，最高气温、最低气温均呈显著的上升趋势,但最低气温的增温趋势比最高气温的更加显著,这说明白天、夜间增温明显,但是夜间增温更为明显,这也导致这段期间的气温日较差呈显著的下降趋势。所以,可以认为浑善达克沙地在1971～2010年期间平均气温的上升主要是由最低气温的显著上升引起的。但是在2011～2015年期间的最高气温、最低气温均转为下降趋势,这说明白天、夜间降温明显,从而使气温日较差出现增加趋势。

2.4.2 季节变化 从图6可以看出：20世纪60年代平均最高气温和最低气温在各个季节均呈下降趋势,且各个季节平均最低气温的变化趋势比平均最高气温显著,尤其是在春季和秋季；20世纪70年代的平均最高气温、最低气温在各个季节也均呈下降趋势,但是各季平均最高气温的下降趋势与平均最低气温的基本一致；在20世纪80年代,春季和秋季的平均最高气温和最低气温呈相反的变化趋势,最高气温呈减小趋势而最低气温呈上升趋势,夏季和冬季的最高气温与最低气温均呈下降趋势；在20世纪90年代，秋季的平均最高气温和最低气温呈相反的变化趋势,其他各季均呈上升趋势且平均最低气温的变化幅度更为显著；在2001～2010年，四季气温均呈上升趋势,且春季的上升趋势明显,平均最高气温的变化幅度与平均最低气温的基本一致；在2011～2015年，冬季最高气温呈不显著的下降趋势，而最低气温呈上升趋势,其他各季的平均最高气温、最低气温均呈上升趋势,且变化幅度一致。总体来说,20世纪60～70年代的低温是由四季的最高气温、最低气温同时下降引起的;80年代的气温变化不甚显著;90年代的增温则是由夏季、秋季和冬季平均最低气温显著上升造成的；而21世纪的显著增暖现象是由冬季最低气温的显著上升以及其他季节的最高气温、最低气温同时升高引起的。

2.5 气温日较差的影响因子分析

为了更加深入地研究对气温日较差有影响的主要因子,本文将气温日较差与平均气温、日照时数、降水量、相对湿度、平均风速和水汽压进行多元回归分析。由于不同的气象要素具有不同的计量单位和不同的变异程度,需要对数据进行标准化变换(用变量减去其均值，再除以其标准差),得到的回归系数即为标准回归系数(表5)。然后,对标准化回归系数的显著性进行了t检验分析[25]。

由表5可知,浑善达克沙地以及周边地区的气温日较差与日照时数、平均风速和平均气温呈正相关,其中平均风速的回归系数远大于其他要素的,因此影响该区气温日较差的主要正相关因子依次是平均风速、日照时数、平均气温。该区气温日较差与降水量、相对湿度和水汽压呈负相关，负向作用程度表现为降水量>相对湿度>水汽压。总体来看,影响该区气温日较差的主要气象因子依次为平均风速、降水量、日照时数,而其他因子的影响较弱。由于浑善达克沙地地处内陆地区,远离海洋,空气干燥,云量少,所以,平均风速和日照时数直接影响地表的温度,因此,对气温日较差的贡献较大。

a：春季； b：夏季； c：秋季； d：冬季。

平均气温日照时数降水量相对湿度平均风速水汽压气温日较差0.2320.257*-0.364**-0.0440.497***-0.014

注:“***”、“**”、“*”分别表示通过了α=0.01、α=0.05、α=0.10的显著性水平检验(t检验)。

2.6 周期性变化

通过小波分析,进一步对近58年来浑善达克沙地及其周边地区平均最高气温、最低气温的周期性变化进行分析,得出近58年来平均最高气温的周期现象不太明显，而平均最低气温存在9年和25年左右的周期性变化(图7)。

图7 浑善达克沙地年平均最低气温的小波周期和小波方差

3 结论与讨论

本研究结果表明，近58年来，浑善达克沙地及其周边地区的年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温均呈上升趋势,且低谷期出现时间一致。由于年平均最高气温、最低气温的非对称变化,年平均日较差呈现显著下降的趋势。年日较差在1972年发生了突变；年平均最高气温、最低气温的突变点分别在1995、1987年。尤莉等[26]的研究结果表明,内蒙古有着明显的增暖突变现象,突变点在1987年。这与本文的研究结论一致,这表明在20世纪80年代末90年代初经历了一次由冷变暖的突变现象。

浑善达克沙地及周边地区的年平均最高气温、最低气温的增长趋势在空间分布上大致呈现出由西北向东南递减的趋势。从整体上来说,平均最高气温、最低气温在浑善达克沙地内部呈显著上升趋势,在周边地区呈微弱上升趋势；而气温日较差在周边地区呈微弱上升的趋势,而在浑善达克沙地内部呈现显著减小趋势。这是由于西北地区深居内陆,受季风的影响比东南地区要小。

浑善达克沙地及其周边地区的季平均最高气温、最低气温均呈显著的上升趋势,对季平均最高气温上升贡献最大的为秋季和夏季,而对季平均最低气温上升贡献最大的为春季、冬季。气温日较差呈不显著的下降趋势,以春季、冬季最为显著。

20世纪60～70年代的低温现象是由四季的最高气温、最低气温同时下降引起的;之后的增温现象主要是由最高气温上升以及春季、冬季最低气温的显著上升引起的。

浑善达克沙地的气温日较差与平均风速和日照时数呈显著正相关,与降水量呈显著负相关。浑善达克沙地近58年间年平均最高气温的周期性不明显,而年平均最低气温存在9年和25年左右的周期性变化。

浑善达克沙地积极响应了全球气候变暖下中国气温日较差呈减小的趋势。浑善达克沙地作为一个相对脆弱、敏感的生态环境,不明显的温度变化对浑善达克沙地有非常显著的影响。一定程度的气温上升,使牧草生长期延长,光合作用增强,有利于沙漠化的治理和生态环境的恢复,但是若持续增温,则可能会导致蒸发量加大,降水量减少,干旱的气候会导致植被退化,从而加剧荒漠化的进程。冬季的增暖趋势更为显著,有利于害虫的安全过冬,加大了病虫害发生的概率。本文研究表明浑善达克沙地夜间增温比较明显,白天增温不明显,使气温日较差减小。在一般情况下,当气温日较差较大时,白天光照充足,热量丰富,有利于植物的光合作用;夜间温度低,植物呼吸作用弱,有利于植物水分的保存。所以气温日较差变小会造成植被水分亏损现象明显,从而加剧荒漠化的进程。所以,应该积极应对气温的这种变化给沙地带来的消极影响。

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