蚂蚁森林种植地鄂尔多斯市1959-2018年气温及降水变化特征研究

马 凯， 徐玉霞,2， 方 锋

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院， 陕西 宝鸡 721013； 2.宝鸡文理学院灾害监测与机理模拟陕西省重点实验室， 陕西 宝鸡721013； 3.兰州区域气候中心， 甘肃 兰州 730020)

1 研究背景

IPCC第五次评估报告指出，随着人类活动的加剧，在2012年前的130余年间全球平均气温上升显著，增长了0.85℃，其中尤以20世纪50年代后的增温(0.12℃/ 10a)最为显著[1]。全球气候变暖趋势的日渐显著，已使其成为全球性热点问题[2-4]，受到诸多学者和民众的广泛关注。全球气候变暖会引起洪涝、干旱等灾害，进而影响地球的生态坏境和人类生存发展[5-6]。中国是受旱涝灾害影响较大的国家[7]，因此对于气温及降水变化规律的研究也就显得尤为必要。

目前，国内众多学者对不同尺度下的气温和降水特征进行了研究。在海岛与其近岸陆地气候变化特征对比研究中，李嘉琪等[8]通过距平分析和线性回归法对涠洲岛、西沙群岛及其近岸陆地1959-2014年气温和降水特征进行了分析，发现涠洲岛、西沙群岛及其近岸陆地年平均气温呈上升趋势；年降水量变化方面，海岛降水量低于陆地，其中湄洲岛及其近海陆地朝湿润化发展。在大区域尺度下的干旱区气候变化研究中，商莎莎等[9]基于中国西北地区1961-2014年气温及降水数据，运用反距离空间插值和线性回归等方法，分析了中国西北地区气温和降水变化特征。指出西北地区降水和气温整体呈上升趋势，并向暖湿化发展，降水量表现为东多西少，天山西南地区和准格尔盆地气温上升最为显著。

近年来，针对内蒙古自治区的气温和降水变化也开展了较多研究，李虹雨等[10]基于内蒙古自治区1951-2014年气温和降水数据，运用气候倾向率、中心聚类等方法对内蒙古自治区气温和降水特征进行分析，发现内蒙古自治区年降水量整体呈下降趋势，降水量随纬度变化，纬度越高其变化越大；年平均气温整体呈上升趋势，纬度越高气温变化越小，最低气温升高是内蒙古自治区气候变暖的首要原因。路云阁等[11]利用小波变换对内蒙古自治区1956-1995年的气温和降水特征进行分析，表明内蒙古自治区气温和降水上升时期主要是20世纪60年代初和90年代初，整体表现为由暖湿向暖干转变，气候在1994年之后最为干燥。任建美等[12]分析了鄂尔多斯高原1961-2000年的气温及降水特征，指出平均气温增温幅度(0.43℃/ 10a)高于内蒙古自治区平均水平，鄂尔多斯高原西北部地区增温幅度最为明显；鄂尔多斯高原整体降水趋势表现为略微下降，南部地区降水量下降较为显著。

鄂尔多斯市处于内蒙古自治区的西南部和鄂尔多斯高原中心地带，是蚂蚁森林的主要种植区之一，沙漠占总地区近一半的面积，生态系统脆弱。因研究区有着丰富的天然气、煤产等资源，且地区有着库布齐、毛乌素两大沙漠，在互联网公益植树蚂蚁森林日益流行的今天，对鄂尔多斯市气候变化特征进行研究已显得尤为必要，但目前对于该方面的研究较少。本文通过对研究区1959-2018年的气温及降水进行分析，以期为当地工农业发展、人民生产生活提供相关依据。

2 研究区概况

鄂尔多斯市(37°35′24″～40°51′40″N、106°42′40″～111°27′20″E)属于中国西北地区，位于内蒙古、陕西、宁夏及山西4省(区)的交界地，与同为蚂蚁森林主种植区的阿拉善盟隔黄河而邻。鄂尔多斯市下辖2区7旗，总面积86 752 km2，地势东南低西北高，中部的库布齐和毛乌素沙漠占总土地面积的47.95%，西部高原地区约占总土地面积的1/3，高原及沙漠占研究区面积的4/5。鄂尔多斯市属中温带大陆性季风气候，多年平均气温6.78℃，四季分明，尤以夏、冬二季差异显著，多年平均年降水量339.2 mm，降水量仅为蒸发量的1/7且降水大多集中在夏季。

3 数据来源与研究方法

本文所使用的气温及降水数据来自于中国气象数据网(http://data.cma.cn/)，选取了东胜区、伊金霍洛旗和鄂托克旗3个气象站点1959-2018年的月平均最低、最高气温和月平均降水量以及月平均气温数据，采用均值法并对个别缺失数据进行插补处理。运用线性回归分析[13]和滑动平均[14]分析了鄂尔多斯市年平均气温、年极端气温与年降水量的逐年变化特征。使用Mann-Kendall(M-K)检验法[15-16]进行趋势检验，UFk和UBk曲线在临界线(±1.96)之间相交的点即为突变开始的时间，UFk大于0表明序列表现为上升，小于0表明序列表现为下降，超过临界值则表明序列上升(下降)趋势显著。借助Morlet小波分析法[17]揭示气温及降水在时间序列上的不同变化周期。利用R/S分析法[18-20]来判别时间序列变化的持续性及反持续性的强度，得出Hurst指数0.5

图1 鄂尔多斯市气象站点及蚂蚁森林地理位置分布

4 结果与分析

4.1 气温变化分析

4.1.1 气温年代际变化趋势 图2为1959-2018年鄂尔多斯市年平均气温变化特征图，由图2可以看出，近60年来鄂尔多斯市年平均气温呈显著上升趋势(0.38℃/ 10a)，高于全国平均增温速率(0.25℃/ 10a)[21]和西北干旱半干旱区增温速率(0.34℃/ 10a)[22]。整体上有32 a的年平均气温高于趋势值，有28 a的年平均气温低于趋势值，在趋势值之上的年份略多于低于趋势值的年份。5 a滑动年平均气温在1963-1969年呈急剧下降，1969-2015年呈波动式上升，其中1973-1984年气温变化震荡较小，处于平稳时期。多年的平均气温为6.78℃，年平均气温最小的年份为1967年(4.94℃)，最大的年份为1998年(8.41℃)，二者年平均气温相差3.47℃。

图2 1959-2018年鄂尔多斯市年平均气温变化

4.1.2 极端气温年代际变化趋势 图3为1959-2018年鄂尔多斯市年极端气温变化特征图，由图3可知，鄂尔多斯市近60年的年极端最高气温增长显著(0.31℃/ 10a)，有27 a年极端最高气温高于趋势值，在趋势值之上的年份略少于低于趋势值的年份，有33 a年极端最高气温低于趋势值。年极端最高气温在1962-1999年呈波动式上升，1999-2016年呈波动式下降。多年平均年极端最高气温为33.57℃，多年的年极端最高气温极大值为2005年和2010年的36.8℃，极小值为1964年的30.27℃。其中年极端最高气温在1994年提前于4月份出现，比多年极端最高气温出现的月份早了3个月。鄂尔多斯市年极端最低气温上升趋势显著，增温速率为0.51℃/ 10a，有29 a年极端最低气温大于趋势值，31 a年极端最低气温小于趋势值。年极端最低气温下降时段为1963-1969年和1996-2005年，上升时段为1969-1996年和2005-2016年。多年平均年极端最低气温为-24.79℃，多年的年极端最低气温极大值为2007年的-19.63℃，极小值为1971年的-29.4℃，1971年也是同年极端最高气温和最低气温差值最大的一年，达到了65℃。

图3 1959-2018年鄂尔多斯市年极端气温变化

4.1.3 气温突变分析 图4为1959-2018年鄂尔多斯市年平均气温Mann-Kendall突变检验图。由图4可知，UF曲线自1987年开始大于0并持续上升超过临界线(α=0.05，置信区间为±1.96)，在1993年UF、UB曲线相交于一点，UF曲线自1994年开始超越临界值上限，表明鄂尔多斯市近60年年平均气温从1993年开始突变上升。图5为对年极端气温序列进行M-K突变检测图，由图5可以看出，UF曲线和UB曲线在置信区间内相交于1970年(图5(a))，UF曲线在1997年开始超越临界值上限，表明鄂尔多斯市近60年年极端最高气温在1970年开始突变上升。UF、UB曲线于1975年相交于置信区间(图5(b))，UF曲线在1987年开始超越临界值上限，表明鄂尔多斯市近60年年极端最低气温从1975年开始突变上升。

4.1.4 气温周期分析 图6为1959-2018年鄂尔多斯市年平均气温、年极端气温小波分析图。

图4 1959-2018年鄂尔多斯市年平均气温Mann-Kendall突变检验

图5 1959-2018年鄂尔多斯市年极端气温Mann-Kendall突变检验

图6 1959-2018年鄂尔多斯市年平均气温、年极端气温小波分析

由图6可知，鄂尔多斯市近60年年极端最高气温和年平均气温周期变化相同，存在着同为24～32 a的主周期变化，对应峰值均为28 a，都经历了高-低-高-低-高等6次高低温交替；目前正处于年平均气温、年极端最高气温上升期，且气温上升显著。年极端最低气温存在24～30 a的主周期变化，对应峰值为28 a，经历了低-高-低-高-低等6次冷暖交替；目前正处于年极端最低气温下降时期。28 a左右为鄂尔多斯市近60年年极端最低、最高气温和年平均气温的共振周期。

4.2 降水变化分析

4.2.1 降水年代际变化趋势 图7为1959-2018年鄂尔多斯市年降水量变化特征图。由图7可知，鄂尔多斯市近60年年降水量表现为微弱升高(0.12 mm/ 10a)，远低于西北地区整体降水趋势(4.87 mm/ 10a)[9]。整体上有33 a的年降水量高于趋势值，27 a的年降水量低于趋势值。年降水量在1962-1978年、2000-2016年呈波动式上升，1978-2000年呈波动式下降。多年的平均年降水量为339.16 mm，年降水量极值差异显著，581 mm(1961年)与145.03 mm(1965年)，二者相差435.97 mm。

4.2.2 降水突变及周期分析 图8为1959-2018年鄂尔多斯市年降水量Mann-Kendall突变检验图。由图8可知，在研究时段内，UF曲线一直在0以下波动，UF、UB曲线在置信区间内相交于1961、1976、1978和2016年，表明鄂尔多斯市近60年年降水量突变点较多，并于1961年开始突变下降，其之后的57 a平均年降水量为333.19 mm，低于多年平均年降水量5.97 mm。

图9为1959-2018年鄂尔多斯市年降水量小波分析图。由图9可知，鄂尔多斯市近60年年降水量存在4～6 a、7 ～9 a、11～16 a、21～24 a和25～32 a的周期变化，分别对应的峰值为5 、8 、13 、23 和28 a。主周期为25～32 a，经历了高-低-高-低-高等6次高低交替，目前正处于鄂尔多斯市年降水量的上升时期。

图71959-2018年鄂尔多斯市年降水量变化 图81959-2018年鄂尔多斯市年降水量Mann-Kendall突变检验

图9 1959-2018年鄂尔多斯市年降水量小波分析

4.3 气温及降水未来趋势分析

表1为根据Hurst指数分级[23]的鄂尔多斯市年平均气温、年极端气温和年降水量Hurst指数情况。由表1可知，鄂尔多斯市年平均气温Hurst指数为0.91，高于0.5且略微低于1，持续性强度很强，表明在未来年平均气温仍呈现显著升温趋势。年极端最高气温Hurst指数为0.74，大于0.5且接近0.75，持续性强度较强，表明在未来年极端最高气温会仍然延续增长趋势。年极端最低气温Hurst指数为0.76，大于0.5且接近0.8，持续性强度强，表明未来时间内年极端最低气温仍会呈上升趋势。年降水量Hurst指数为0.39，低于0.5且接近0.35，较弱强度的反持续性，表明未来时间内年降水量会与现有趋势呈相反方向发展，可能呈现小幅度下降趋势。整体来看，鄂尔多斯市未来气温与降水特征呈增温和减湿趋势，气候向暖湿化发展趋势减缓，转为向暖干化发展。

表1 鄂尔多斯市气温及降水Hurst指数

5 讨 论

在人类活动加剧导致全球气候变暖的大背景下，以及蚂蚁森林互联网公益植树流行的今日，对人们生活中关联紧密、更为关注的地区气候特征进行分析。分析表明研究区气温增长速度快，降水少且增长速度缓慢，此结果表明在未来一段时间内，气候条件恶劣的情况将会继续深化。蚂蚁森林在该地区种植有着极为重要的现实意义，后续扩大种植将益于改善鄂尔多斯市的生态环境。

对鄂尔多斯市气温和降水量进行研究，杨雪昆[24]运用趋势分析、累积距平和信噪比方法分析了鄂尔多斯市1961-2013年气温及降水量特征，研究发现：鄂尔多斯市53 a年平均气温增温显著(0.39℃/ 10a)，突变时间是1986年；年降水量呈下降趋势，下降速率为0.27 mm/ 10a，突变时间不明显，气候暖干趋势明显。本文在继承前人的研究基础上，利用M-K检验、滑动平均、Morlet小波分析、线性回归及R/S分析对鄂尔多斯市1959-2018年气温及降水特征进行了研究，研究发现：鄂尔多斯市近60年平均气温上升显著，增温速率(0.38℃/ 10a)低于前者的研究，突变时间是1993年，比前者的研究结果要晚7 a；年降水量趋势不同于前者，呈微弱上升趋势(0.12 mm/ 10a)，突变时间是1961年，气候由暖干向暖湿转变。与前者气候倾向率的偏差应该与所选取站点和时间尺度的不同有关，突变时间的偏差主要与采用的突变分析方法和选取站点的不同相关。后续的相关研究应考虑这些偏差因素，从而选取对于研究方向最优的方法。对蚂蚁森林种植地鄂尔多斯市这一典型的干旱、半干旱地区近60年气温及降水特征进行研究，以期更好地让人们了解自己所植树地区的气候特征。借此提升我国民众的环保意识，更多参与到绿色公益中，并以科学依据指导当地人民生产生活，为未来相关研究提供参考。

6 结 论

基于鄂尔多斯市3个气象站点月气温、降水数据，对鄂尔多斯市1959-2018年气温和降水量特征进行了研究，结论如下：

(1)1959-2018年鄂尔多斯市年降水量增长速度缓慢，仅为0.12 mm/ 10a，远低于全国整体上升趋势。年极端气温和年平均气温均呈上升趋势，其中尤以年极端最低气温增长最为显著，为0.51℃/ 10a，此结果验证了全球气候变暖的事实。鄂尔多斯市气温增速快、极端气温差异大、降水量低，不适宜大多数绿植生长，使得沙漠逐渐扩张，也正因此使其成为了蚂蚁森林主要种植区之一。

(2)1959-2018年鄂尔多斯市年平均气温和年极端最高、最低气温分别于1993、1970和1987年开始突变上升，其中年极端最高气温对全球气候变暖响应最为敏感。年降水量突变时间最早，自1961年开始降水减少，比年平均气温突变时间要早上32 a。

(3)24～32 a为1959-2018年鄂尔多斯市年极端最高气温和年平均气温均存在的周期变化，且二者周期变化过程较为相近，年极端最低气温存在24～30 a的周期变化，气温周期变化与太阳活动周期联系紧密。25～32 a为年降水量多尺度周期的主周期，28 a左右的周期为鄂尔多斯近60年年平均气温、年极端最高和最低气温及年降水量的共振周期。

(4)鄂尔多斯市在未来一段时间内年降水量会呈下降趋势(Hurst指数H<0.5)，年极端最低、最高气温和平均气温则呈上升趋势(Hurst指数H>0.5)。此结果表明未来一段时间内鄂尔多斯市气候变化向暖干化发展，生态环境恶劣程度加深，可以基于此研究成果加强当地生态管控。

(5)在对鄂尔多斯市气候变化研究上除自然因素外，人为因素对其影响也颇深。在以后的相关研究中，应该充分考虑人类活动和后续蚂蚁森林在该区域不断扩大种植对气候变化的影响。也可结合遥感技术，分析研究区内近年来NDVI指数的时空变化与当地蚂蚁森林种植的相关性，以更好地揭示蚂蚁森林种植对当地植被覆盖和气候的影响。