毛乌素沙地1960-2018年气候变化特征及影响因子分析

方 欣, 刘小槺,2, 岳大鹏

(1.陕西师范大学 地理科学与旅游学院, 西安 710119; 2.陕西师范大学 行星风沙科学研究院, 西安 710119)

地球是人类赖以生存栖息的家园，但近年其环境温度不断攀升导致各类气象灾害频频发生，这给人类的生命安全、生产生活等各方面带来一系列问题与挑战。IPCC第5次报告指出，在1983—2012年期间，北半球的气温可能达到近1 400 a以来的气温最高值[1]。国内外学者在此背景下从不同时空尺度视角对全球各区域的气候变化情况进行分析研究，研究发现：亚太地区的极端气温事件与近期平均温度上升之间存在着季节性和日不对称性的变化[2]；伊朗近50 a的平均气温不断上升，降水量逐渐减少[3]；马尔马拉地区在1975—2006年的春夏秋季节气温显著上升[4]；半干旱区博茨瓦纳的降雨量与南方涛动指数(SOI)呈正相关，与海表温度(SSTs)呈负相关[5]。中国近59 a的气候也呈现暖湿化趋势，年平均气温的增速达到0.278℃/10 a，其中北方地区的增温幅度大于南方地区的增温幅度[6]；西北地区近52 a的年降水量呈略微增加趋势，增速为1.73 mm/10 a[7]；蒙古高原近54 a的降水整体呈减少趋势，其中夏秋季节降水不断减少，而冬春季节降水逐渐增加[8]；罗布泊地区的气温和降水均呈现增加趋势，冬季温度增速最快，夏季降水增幅最为显著[9]。综上可见，中国整体的近现代气候变化与全球气候变化方向保持一致，但区域内部的气候变化却存在着明显的时空差异性特征。

毛乌素沙地地处东亚夏季风的尾闾区，对全球气候变化响应较为敏感，且其又位于北方农业区与牧区交错过渡地带，南部与黄土高原相连，生态环境脆弱[10]，是研究气候变化的理想区域。有研究显示毛乌素沙地是世界沙漠暴雨中心[11]，这意味着毛乌素沙地内部的降水虽多，但大都以短时强降水的方式呈现，变率大且不稳定，因此十分有必要对其近几十年的气候变化特征进行分析研究。目前与毛乌素沙地气候有关的研究，一方面集中于对区域气候变化与沙漠化、沙漠植被关系的研究[12-13]，另一方面集中于对区域古气候或局部区域气候变化特征的研究[14-16]。相对来说，对毛乌素沙地整个区域近现代气候变化特征进行系统讨论的研究较少。因此本文选取毛乌素沙地及其周边地区10个气象站点1960—2018年的逐月气温和降水资料，运用线性倾向估计、Anusplin插值、Mann-Kendall突变检验、Morlet小波分析和R/S分析等方法对沙地近59 a的气候变化特征和未来气候变化趋势进行分析预测，以期得到较为详细系统的毛乌素沙地气候变化规律，为区域土地沙漠化防治、气候灾害预警提供科学依据。

1 研究区域概况

毛乌素沙地主体包括内蒙古自治区鄂尔多斯市南部和陕西省榆林市北部(37°30′—39°22.5′N，107°20′—110°30′E)，总面积约4万km2(图1)。且其处于鄂尔多斯高原向黄土高原过渡的区域，地势呈现自西北向东南倾斜的趋势，整体海拔处于1 300～1 600 m。此外，沙区位于北半球中纬度西风带，在我国四大沙区中属于受东亚夏季风影响较大的东部沙区。区域多年的平均温度为6.0～8.5℃，多年平均降水量自东南部(440 mm)向西北部(250 mm)呈现梯度式递减，区域内70%以上的降水由6—9月的夏季风所带来[17]。

注：图中DEM数据来自地理空间数据云(http://www.gscloud.cn/)。

2数据来源及研究方法

2.1 数据来源

本文所使用的各气象站点的数据资料均源于中国气象科学数据共享服务网。考虑到数据时间序列的完整性，剔除掉缺测时段较多的气象站点，最终选取了毛乌素沙地及其周围邻近地区10个气象站点(榆林、绥德、横山、定边、东胜、伊金霍洛旗、盐池、惠农、陶乐、鄂托克旗)的逐月降水和平均气温数据。另外，对于这10个气象站点中的缺测数据，运用区域内多年同月平均值进行插补。

本文所使用的北极涛动指数(AO)、北大西洋涛动指数(NAO)和表征厄尔尼诺—南方涛动(ENSO)事件的各个指标数据均来自于美国国家海洋大气局(NOAA)。选取用于表征ENSO事件的指标有Nio3.4区(5°S—5°N，170°—120°W)的海表温度距平指数(SSTA)、多变量厄尔尼诺指数(MEI)和南方涛动指数(SOI)。对于研究区域的季节划分，采用气象季节划分法，即3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。

2.2 研究方法

本文运用线性倾向估计法[18]研究毛乌素沙地年、季节气温和降水的变化趋势；运用Anusplin模型进行空间插值[19-20]以得到毛乌素沙地气温和降水多年变化的空间分布格局；运用Mann-Kendall突变检验法[18]分析毛乌素沙地气温和降水的突变情况，同时辅以累积距平法[18]和滑动t检验法[18]对突变点进行核实检验；采用Morlet连续小波分析法[21]研究毛乌素沙地气温和降水的周期变化状况；运用R/S分析法[21]预测毛乌素沙地气温和降水的未来变化趋势；最后基于Pearson相关分析法[18]分析毛乌素沙地近几十年气温和降水变化的影响因素。

本文在运用Anusplin4.2软件对年平均气温变化率和年降水变化率数据进行插值时，使用的是三变量局部薄盘光滑样条函数，即自变量为经度和纬度，协变量为海拔高度。此外，插值中所使用的DEM数据分辨率为1 km×1 km，样条次数设置为3。

3 结果与分析

3.1 气温和降水的变化趋势

根据毛乌素沙地及其周围邻近地区气象站点的数据计算得出，在1960—2018年，毛乌素沙地的多年平均温度为8.27℃，增温速率为0.35℃/10 a，其略高于黄土高原地区的增温速率(0.31℃/10 a)[22]，略低于内蒙古地区的增温速率(0.38℃/10 a)[23]。在20世纪60年代—80年代中期，毛乌素沙地年平均温度的累积距平值不断下降，最低温度值出现在1967年，为6.71℃，此时沙地气候偏冷。但自90年代中期以来，特别是在近10 a，沙地气候迅速转暖，且在1998年，沙地的年均温达到最高值，为9.76℃，详见图2A。而同在1998年，距毛乌素沙地较近的内蒙古[23]、山西[24]也出现了有观测以来的温度最高值。

毛乌素沙地的季节增温速率分别为0.40℃/10 a(春季)，0.21℃/10 a(夏季)，0.29℃/10 a(秋季)和0.48℃/10 a(冬季)，均通过了0.01显著性水平检验，详见表1。沙地四季增温显著，尤其是在冬春季节，增温速率非常快，明显地高于中国中部地区[春季(0.29℃/10 a)、冬季(0.28℃/10 a)]的增温速率[25]。这与全球的“暖冬化”趋势是基本保持一致的。

在1960—2018年，毛乌素沙地的多年平均降水量为325.07 mm，年降水量的变化速率为2.88 mm/10 a(未通过0.05显著性水平检验)，整体呈现略微的增加趋势，但增加趋势并不显著。自20世纪80年代—21世纪初，毛乌素沙地的年降水量累积距平值不断波动下降，沙地处于偏干旱时期，年降水量谷值出现于1965年，为159.36 mm。但自2010年以来，沙地的降水开始明显增多，气候开始转湿，详见图2B。

图2 毛乌素沙地年平均气温和年降水量变化趋势

毛乌素沙地四季降水量的变化速率分别为-0.02 mm/10 a(春季)，1.68 mm/10 a(夏季)，0.67 mm/10 a(秋季)和0.54 mm/10 a(冬季)，其中夏季降水的增速最快，但也未通过0.05显著性水平检验，详见表1。可见，沙地的季节降水变化趋势并不显著。

近59 a，毛乌素沙地年平均温度的变化速率处于0.10～0.65℃/10 a范围内。其中沙地东北部和西北部地区的增温速率较快，特别是在沙地东北部的神木地区，增温速率最快，而在沙地的中部和南部地区，增温速率相对较慢。此外，毛乌素沙地的温度变化速率随地区的海拔升高而加快。毛乌素沙地近59 a的年降水变化速率处于-1.03～16.25 mm/10 a范围内，其中沙地中部的大部分地区年降水呈增加趋势，增加速率较快，但西北部和东南部地区的年降水变化并不明显，且沙地的年降水变化速率与地区海拔无明显相关性，详见图3。

3.2 气温和降水的突变性检验

根据毛乌素沙地年平均气温的M-K突变检验结果来看(图4A)，UF和UK时间序列曲线出现交点的时间为1994年，且此交点处于两条0.05置信水平线间，可认定其为突变点。在1978—1994年，UF序列曲线值大于0，毛乌素沙地的年平均气温缓慢上升，自1994年之后，UF序列曲线值逐渐开始超过0.05置信水平线，甚至越过0.001置信水平线，沙地的年平均气温显著上升，据此可初步判断毛乌素沙地近59 a的年平均气温在1994年迅速转暖。但这与前文中毛乌素沙地年平均气温累积距平图(图1)显示的结果(年平均气温在1996年发生突变)并不一致，为进一步确定毛乌素沙地年平均气温的突变时间，于是对其进行了10 a，15 a步长的滑动t检验，结果分别显示沙地的年平均气温可能在1986年、1996年发生突变，详见图5A。综合3种检验方法的结果来看，可判定毛乌素沙地的年平均气温在1996年发生突变，这与我国中部地区安徽的年平均气温突变时间[25]是一致的。同样综合分析毛乌素沙地各季节平均气温的累积距平、M-K突变检验和滑动t检验结果，可得到毛乌素沙地季节平均气温的突变时间点分别在1996年(春季、夏季)，1986年(秋季、冬季)，详见表2。

表1 毛乌素沙地气温和降水季节变化趋势

图3 毛乌素沙地年平均气温和年降水量多年变化的空间分布格局

图4 毛乌素沙地年平均气温和年降水的M-K统计曲线

表2 毛乌素沙地气温和降水的突变年份分析

图5 毛乌素沙地年平均气温和年降水的滑动t检验曲线

根据毛乌素沙地近59 a的年降水M-K突变检验结果来看，UF和UK时间序列曲线交点出现的时间为2016年。在2016年以前，毛乌素沙地的年降水不断减少，自此之后沙地的年降水量开始不断增加，但在这两段时间序列内，UF时间序列的曲线值一直未突破0.05置信水平线，意味着在此期间沙地年降水的下降和上升趋势并不显著。并且此交叉点出现在研究时段的尾期，交叉点后的数据时间序列过短，因此认为得到的结果可信度不高，详见图4B。同样根据累积距平和滑动t检验的结果来看，毛乌素沙地的年降水变化也未呈现出明显的突变时间点，详见图5B，三者综合分析可判断毛乌素沙地的年降水在近59 a内无明显突变，这与张雪琴等[26]的研究结果是一致的。同样综合分析可得到近59 a内毛乌素沙地春、夏、冬季的降水无明显突变，秋季降水可能在2000年、2006年发生突变，详见表2。

3.3 气温和降水的周期变化

对于毛乌素沙地的年平均温度时间序列，其滞后自相关系数为0.68，因此采用红噪音标准谱进行显著性检验。而对于毛乌素沙地的年降水时间序列，其滞后自相关系数为-0.01，是负值，因此采用白噪音标准谱进行显著性检验。当所研究时间序列的小波功率谱值大于标准谱值(本研究选取0.05置信水平值)时，所研究的结果是可信的，即对应本文小波功率谱图中黑色粗曲线圈起来的区域[18]。

毛乌素沙地年平均温度存在4 a，7 a，16 a左右的周期变化，其中4 a，7 a左右的振荡周期存在于整个时间序列，但在20世纪80—90年代，4 a左右的振荡周期较为显著，且通过了95%的红噪音标准谱检验，因此认为其是年平均温度时间序列的主周期，详见图6A。

毛乌素沙地的年降水主要存在3～4 a，8 a，12 a左右的振荡周期，其中3～4 a的短振荡周期存在于整个时间序列。在20世纪70—80年代主要存在8 a左右的振荡周期，而在20世纪90年代主要存在12 a左右的振荡周期。图中虽存在一个通过95%白噪音标准谱检验的4 a左右的显著振荡周期，但由于其位于受边缘效应影响较大的区域，因此认为该结果不可信，详见图6B。综上可见，近59 a来，毛乌素沙地的年降水不存在显著振荡周期变化。

图6 毛乌素沙地年平均气温和年降水的小波功率谱和小波方差

3.4 气温和降水的未来变化趋势预测

毛乌素沙地年平均气温和年降水的Hurst指数均大于0.5，说明二者未来均会持续增加。尤其是年平均气温的Hurst指数为0.998，非常接近于1，表明毛乌素沙地未来的年平均温度会呈现持续性较强的上升趋势，详见图7。

毛乌素沙地四季平均温度的Hurst指数分别为0.86(春季)，0.84(夏季)，0.90(秋季)和0.96(冬季)，均大于0.8，表明沙地未来各季节的平均温度均会呈现强持续性上升趋势，尤其是冬季平均气温持续性上升的趋势最强。未来毛乌素沙地的春、夏季降水会逐渐减少，而冬季降水会持续增加，但因其Hurst指数均接近于0.5，所以减少和增加趋势的持续性均较弱。秋季降水的Hurst指数为0.89，远高于其他各季节，表明沙地秋季未来降水会呈现持续性很强的增加趋势，详见表3。

图7 毛乌素沙地年平均气温和年降水的Hurst指数

表3 毛乌素沙地季节气温和降水的Hurst指数

3.5 气温和降水变化的影响因素分析

ENSO与毛乌素沙地冬季气温、秋季降水的相关性较强。其中MEI，SSTA与沙地冬季温度呈显著正相关(p<0.05)，与沙地秋季降水呈负相关。SOI与沙地冬季温度呈负相关，与沙地秋季降水呈正相关，但其相关性均未通过0.05显著性水平检验。所以总的来看，ENSO对毛乌素沙地冬季气温有较为显著的影响。

AO和NAO对毛乌素沙地的降水影响较为明显。其中AO与毛乌素沙地春、夏、冬季的降水呈显著正相关(p<0.05)，尤其是与冬夏季节降水的相关性通过了0.01显著性水平检验。NAO与毛乌素沙地冬、夏季节降水呈显著正相关(p<0.05)。综合可见，AO和NAO对毛乌素沙地冬夏季节的降水影响比较显著，详见表4。

表4 毛乌素沙地气温和降水变化与大气环流指数的相关性

4 结 论

(1) 毛乌素沙地近59 a来的年平均气温显著上升，增温速率达到0.35℃/10 a。在冬春季节，升温现象最为显著，且毛乌素沙地的增温速率随地区海拔升高而加快。年降水变化整体呈上升趋势，变化速率为2.88 mm/10 a，其中夏季降水的增速相对较快，为1.68 mm/10 a，但变化趋势均不显著。总体来看，毛乌素沙地近10 a气候呈现较明显的暖湿化趋势。

(2) 近59 a来，毛乌素沙地的年平均温度约在1996年发生突变，其主要存在4 a左右的短变化周期。其中春、夏季节的平均温度约在1996年发生突变，而秋、冬季节的平均温度约在1986年发生突变。对于年降水而言，其在近59 a无明显的突变时间点，且无显著的变化周期，秋季降水可能在2000年、2006年发生突变。

(3) 未来毛乌素沙地的年和各季节平均温度依然会呈上升趋势，且持续性较强。年降水未来变化也基本呈现增加趋势，其中秋季降水持续性增加的趋势较强。

(4) ENSO事件对毛乌素沙地冬季温度影响较大，北极涛动(AO)和北大西洋涛动(NAO)对毛乌素沙地冬夏季降水影响较为显著。

近年来，毛乌素沙地的生态环境不断得到改善，特别是榆林地区的森林覆盖率达到了34.8%[27]，昔日的滚滚黄沙如今已绿树成荫。本文通过对毛乌素沙地近59 a平均气温和降水的变化规律进行定量分析，有助于甄别分析区域近年植被覆盖度发生变化的原因。同时区域植物群落、植被覆盖度发生变化又会影响到该地气温和降水的变化，因此准确把握毛乌素沙地近年气候变化与植被变化之间的关系对推进区域沙地治理、促进区域可持续发展具有重要意义。此外，区域气候变化是多要素综合作用的结果，其不仅会受到地形地势、植物群落变化等外部因素的影响，也会受到各气象因子内部间相互作用的制约，如何综合且定量地分析各要素对毛乌素沙地气温和降水变化的作用程度，并基于此对该区域未来气候变化进行精准预测，仍待日后进一步深入研究与完善。