近60年毛乌素沙地北缘气候特征分析——以乌审召镇为例

郑玉峰，赵海波，任余艳，张连霞，许晶，红儿

（1.鄂尔多斯市气象局，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.鄂尔多斯市林业和草原科学研究所，内蒙古鄂尔多斯 017000）

毛乌素沙区主要分布于鄂尔多斯高原和黄土高原之间的湖积冲积平原凹地上，兼具气候上属于半干旱气候区、植被上处于草原向荒漠化草原的过渡带和农业上位于农牧交错带的三重属性[1]。该区生态环境脆弱，对全球气候变化响应敏感[2-6]。1992 年联合国科教文组织通过对全球环境分析，认定鄂尔多斯地区(毛乌素沙区)属于全球九大环境敏感区[7]，是中国生态安全屏障建设的重点地区。20 世纪70年代后期，国家和地方政府开展了“三北”防护林工程，特别是进入21 世纪，鄂尔多斯市确立建设“绿色大市”的发展战略，在全国率先推行“禁休轮牧”，实行“优化发展区、限制发展区、禁止发展区的“三区规划”政策，有力地促进了沙漠地区自然修复，毛乌素沙区植被覆盖度总体趋于好转态势[8]。因此，毛乌素沙地植被动态及其气候变化等问题受到众多学者高度关注[9-14]。

沙漠治理和植被修复可以在一定程度上影响局部气候变化。本文选取毛乌素沙地腹地的乌审召镇作为研究对象，利用1961-2020年气象数据对近60 年的气温、降水、风及沙尘天气变化规律进行分析，揭示地区性生态修复工程的实施对区域的影响，为今后合理制定防治荒漠化策略提供依据。

1 研究区概况与研究方法

1.1 研究区概况

乌审召镇地处毛乌素沙地腹地，位于鄂尔多斯市乌审旗最北部，北与鄂托克旗和杭锦旗接壤，东依伊金霍洛旗，地势北高南低，流动、半流动沙丘占总面积的70%以上，呈梁、滩、沙丘相间分布状况。全镇生态治理总规模已达到181万亩，植被覆盖度达74%，森林覆盖率达33.29%。地表水与地下水资源丰富，湖泊、温泉、自流井星罗棋布。乌审召镇属温带大陆性季风气候，其特点是日照强烈，四季分明，降水主要集中在4-9 月。乌审召镇气象观测站四周无高楼大厦，人烟稀少，不存在城市热岛效应及其他对生态环境破坏（人工治沙除外）行为，观测数据与自然状态最为符合，这也是本文选取乌审召镇作为研究对象的主要原因。

图1 乌审召镇在毛乌素沙地中的地理位置

1.2 研究方法

1.2.1 数据来源

本文利用国家科技资源共享服务平台提供的“中国地面气候资料日值数据集”中乌审召镇的气象站1961-2020年的气温数据来研究毛乌素沙地的气候变化特征。

1.2.2 增广迪基-福勒ADF平稳性检验

经典的时间序列分析以数据平稳性假设为基础，因此平稳性检验是经典的时间序列分析的重要前提[15]。平稳性检验一般分为参数检验和非参数检验两种，前者包括t 检验、u 检验、χ2检验法等；后者以单位根检验为代表，包括迪基-福勒检验（Dicky-Fuller test，DF）检验和增广迪基-福勒检验（Augmented Dicky-Fuller test，ADF）[16]。本文的数据平稳性ADF检验基于软件Eviews10[17]完成。在软件Eviews10中的检验结果基于Dicky等构造的两种检验统计量，并根据Monte Carlo 实验方法给出了临界值。若变量的检验值小于临界值，则拒绝零假设，反之则接受零假设。ADF 检验相对于DF检验的改进在于增加了滞后项。

1.2.3 气象数据突变性变化的检验方法

曼-肯德尔（Mann-Kendall）非参数统计检验法是由国际气象组织（WMO）推荐的应用于环境数据时间序列趋势分析的方法，也是检验水文数据时间序列单调趋势的有效工具。Mann-Kendall趋势检验的统计量为：

式中：

Mann-Kendall 检验同时可以给出序列x(x1,x2,…,xn)的单调倾斜度指标β，其计算方法如下：

若β＞0，则表示趋势上升，变量随时间增大；β＜0，则表示趋势下降，变量随时间下降[19]。

同样，Mann-Kendall 检验也可进一步用于序列突变检验。气候突变是普遍存在于气候系统的一个重要现象，气候突变的普遍定义为：气候从一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）跳跃式地转变到另一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）的现象，它表现为气候在时空上从一个统计特性到另一个统计特性的急剧变化[20]。

Mann-Kendall(M-K)非参数检验法以时间序列平稳为前提，不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰[21]以及正态分布特征的限制[22]，从而可以检测出某一要素长期变化趋势和突变情况。

其基本原理[19]为：设气候序列为x(x1,x2,…,xn)，构造一秩序列如下：

在原序列的随机独立等假定下，Sk的均值、方差分别为：

将Sk标准化[21]，有：

UFK为标准正态分布，是按照时间序列x1,x2,…,xn计算出的统计量序列，其概率可以通过计算或查表获得，给定显著性水平α=0.05，置信区间U0.05=±1.96。若|UF1|＞Uα，则表明序列存在明显的变化趋势。

按时间序列x的逆序xn,xn-1,…,x1，再重复上述过程，便得到UBk= -UFK(k=n,n-1,…,1)，UB1= 0。

绘制出UBk和UFK两条曲线，通过综合分析统计序列UBk和UFK，可以进一步分析序列x的变化趋势，而且可以明确突变的时间，指出突变区域。若UBk或UFK值大于0，表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势，当超过置信水平时，表明上升（下降）趋势显著。若两条曲线出现交点，则交点对应的是时刻便可能是发生突变的时间，当交点位置位于置信区间之内，那么交点对应的时刻即是突变发生时间。

1.2.4 气候长期的演变趋势及持续性变化分析

累计距平是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法[23]。对于序列x，其某一时刻t的累积距平表示为：

将n个时刻的累计距平值全部算出，即可绘出累积距平曲线进行趋势分析。累积距平曲线比较直观，可以从曲线明显的上下起伏来判断其长期显著的演变趋势及持续性变化，甚至还可以诊断出发生突变的大致时间[24]。

2 结果与分析

2.1 近60年毛乌素沙地多年平均气温的变化特征

1961-2020年乌审召镇年平均气温变化在5.4～8.2 ℃之间，60年的年均气温为6.8 ℃，20世纪90年代之前，年代平均气温低于年均气温值0.4～0.5 ℃，之后较年均气温值偏高0.2～0.4 ℃。通过线性回归、曼—肯德尔趋势检验对平均气温变化分析表明（图2），气温倾向率0.187 ℃/10 a，气温单调倾斜度指标β=0.0195＞0，相当于0.2 ℃/10 a 左右的增温，与线性回归结果较为一致，即年平均气温在波动中呈缓慢上升趋势，略低于全国平均增暖速率0.22 ℃/10 a 的变化趋势[25]，且相较全国近百年的气温变暖趋势0.2～0.8 ℃/100 a的变化速率要高许多，但与近50年0.6～1.1 ℃/50 a的变化趋势则相差无几[26]。累积距平气温曲线呈现“凹”型（图2），波动性较小。气温突变点在1986-1996年之间，与20 世纪80 年代全球气候变暖的结论较为接近[27]。由距平分布来看（图2），在1988 年之前，气温距平值以负值为主，在1988年之后，气温距平值以正值为主。

图2 乌审召镇1961-2020年气温变化与趋势性分析

用Mann-Kendall 法对乌审召镇1961-2020年平均气温进行突变检验分析，由图3 可以看出，UFk曲线在1970年前总体呈现波动下降的趋势，之后呈现波动上升趋势。UFk曲线在置信区间内与UBk曲线有一个交点（1988-1992年间）。结合上述累积距平（见图2）的分析结果，在1988-1992年间乌审召镇平均气温发生了由低温向高温的突变，气温突变发生在1990年左右。

图3 乌审召镇1961-2020年平均气温的曼—肯德尔突变检验

2.2 多年平均降水量的变化

在年降水量方面，时间序列为1961-2020年，其年均降水量为339.4 mm，最高1961年为714.9 mm，最低1962年为19.5 mm。乌审召镇年降水量呈现弱增加趋势（图4）统计分析表明，降水倾向率为3.151 mm/10 a，降水单调倾斜度指标β=0.807＞0，相当于8 mm/10 a左右的降水量增加。累积距平曲线波动性大，说明乌审召镇降水量年代际变化并不稳定，20 世纪60-80年代和2011-2020年间降水量比较多；20世纪70 年代至2011 年之间降水起伏变化不大，比较稳定。

图4 乌审召镇1961-2020年平均降水量变化与趋势分析

年降水量的突变性检验结果显示（图5），UFk线波动上升，但这种上升趋势未能越过置信水平，UFk曲线在置信区间内与UBk曲线有6个交点（1961-1970 年，2000-2010 年），说明乌审召镇年均降水量未发生明显的突变。但结合累积距平（见图4）分析，1961-2020年乌审召镇年均降水量经历了明显的升降变化过程，1961-1980 年间降水量在波动中缓慢上升，1981-2011 年降水量减少明显，2011 年下降到最低值后陡增，由此推断1981 年和2011 年可能是降水发生突变的年份。综合两种方法的分析结果，判断乌审召镇年均降水量在1980-1981 年间发生了由多到少的突变，在2011 年左右发生了由少到多的突变。

图5 乌审召镇1961-2020年平均降水量的突变性检验

2.3 大风、沙尘暴等灾害性天气日数变化

1961-2020 年乌审召镇大风、沙尘暴天气日数均值分别为23.7天、8.6天，通过对大风和沙尘暴日数的统计（图6）分析可知，大风日数倾向率-0.761 d/10 a；沙尘暴日数倾向率-3.249 d/10 a。大风日数单调倾斜度指标β=-0.069＜0，相当于0.6 d/10 a左右的减少；沙尘暴日数单调倾斜度指标β=-0.287＜0，相当于2.9 d/10 a左右的减少。二者均与线性回归结果较为一致，即大风和沙尘暴天气发生的天数在波动中呈缓慢下降趋势。

从累积距平曲线来看，累积距平大风日数曲线波动性大（图6a），说明乌审召镇出现大风天气的日数年代际变化并不稳定，从年代上看，20 世纪60-80 年代大风天气日数呈现下降趋势，1982 年以来，大风天气呈现出剧烈增长—较平稳波动—波动下降的过程。可以看出在2010 年之后，大风天气减少明显，从而预测后几年均以减少趋势为主。累积距平沙尘暴日数曲线（图6b）呈“凸”型（凸向正值），波动较小，说明乌审召镇的沙尘暴天气日数经历了上升—下降的过程，其突变点在1990 年左右，在1990 年之前，沙尘暴频发；在1990 年之后，沙尘暴日数由20世纪后期的波动下降到21世纪初期的急剧下降，可以看出后期沙尘暴日数以降低为主，从而能预测后几年以减少为主。

图6 乌审召镇1961-2020年大风（a）和沙尘暴（b）日数变化与趋势分析

1961-2020年乌审召镇沙尘暴日数呈显著减少趋势，从20世纪60年代的平均每年10天，减少至近10 年平均每年1 天，其中最严重的1972年出现过26天沙尘暴，2002年之后年沙尘暴日数均在5天以下，尤其是2014年之后再没有出现沙尘暴天气。大风天气从20世纪60-80年代呈增加趋势，之后显著减少，20世纪80年代最多，平均每年33 天，近10 年最少，每年16天。从表1可以看出，20世纪90年代开始，沙尘暴和大风日数均明显减少，这与“50年代风吹草低见牛羊，60 年代滥垦乱牧闹开荒，70 年代沙逼人退无处藏，80 年代人沙对峙互不让，90 年代人进沙退变了样”的说法是完全一致的。

表1 乌审召镇1961-2020年沙尘暴、大风日数年际变化 单位：天

3 结论

对毛乌素沙地北缘的乌审召镇近60 年气温、降水、大风和沙尘暴变化规律进行分析，得出如下结论：

（1）1961-2020 年年平均气温变化在5.4～8.2 ℃之间，近60 年的年平均气温为6.8 ℃，年平均气温在波动中呈缓慢上升趋势，增温率0.2 ℃/10 a 左右，略低于全国平均增暖速率0.22 ℃/10 a 的变化趋势。期间经历了下降—上升的过程，在1988-1992 年间发生了由低温向高温的突变，气温突变发生在1990年左右。

（2）1961-2020年年均降水量为339.4 mm，介于19.5 ～714.9 mm 之间。1961-1980 年在波动中缓慢增加，1981-2011年减少明显，降水量在1980-1981 年间发生了由多到少的突变，在2011年左右发生了由少到多的突变。

（3）1961-2020年大风日数每10年减少7.6天，沙尘暴日数每10 年减少3.2 天。20 世纪60-80 年代大风天气日数呈现下降趋势，1982年以来，大风天气呈现出剧烈增长—较平稳波动—波动下降的过程；在2010 年之后，大风天气减少明显。沙尘暴天气日数经历了上升—下降的过程，其突变点在1990年左右，1990年之前沙尘暴频发，1990 年之后沙尘暴日数由20世纪后期的波动下降到21世纪初期的急剧下降。