浑善达克地区温度和降水的时空变化特征分析

张宝林，罗瑞林

（1.内蒙古师范大学化学与环境科学学院，呼和浩特 010020；2.内蒙古师范大学图书馆，呼和浩特 010020）

浑善达克地区温度和降水的时空变化特征分析

张宝林1，罗瑞林2

（1.内蒙古师范大学化学与环境科学学院，呼和浩特 010020；2.内蒙古师范大学图书馆，呼和浩特 010020）

浑善达克地区年均温度空间上变异表现为由西南向东北逐渐降低；近60年年均温度呈上升趋势，区域间温度差逐渐缩小。年降水量地域间差异较大，自东向西递减；近60年降水量变化总趋势不明显，但波动性较大。Mann-Kendall检验表明，浑善达克地区5个气象站点年均温度在20世纪70～90年代发生突变；除阿巴嘎旗以外，20世纪60年代以后，浑善达克地区降水量呈下降趋势，说明整个研究区域趋于干化。以朱日和与二连浩特为代表的西部地区，较东部有明显暖干化趋势，生态环境脆弱。在全球气候变化背景下，浑善达克地区气候暖干化趋于一致，需及时调节生产生活模式，减轻气候变化带来不利影响。

浑善达克；温度；降水量；Mann-Kendall检验

网络出版时间2015-4-30 14:42:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20150430.1442.009.html

张宝林,罗瑞林.浑善达克地区温度和降水的时空变化特征分析[J].东北农业大学学报,2015,46(5):51-59.

Zhang Baolin,Luo Ruilin.Analysis on temporal and spatial characters of temperature and precipitation in Otintag[J].Journal of Northeast Agricultural University,2015,46(5):51-59.(in Chinese with English abstract)

浑善达克沙地是我国四大沙地之一，也是我国陆地生态系统对气候变化及人类活动影响较为敏感地区之一[1]。历史上浑善达克水草丰美、沙地稳定[2-3]。20世纪40年代，地貌类型仍基本属于固定、半固定沙丘，流沙不足3%[4]。但20世纪60年代以后，浑善达克沙地发生严重沙漠化，60年代初沙漠化土地面积为19.2万hm2，70年代中期沙漠化土地面积达26.59万hm2，新增7.39万hm2，年增长率为2.57%[4-5]。据1995年全国沙漠化普查结果显示，浑善达克沙地是全国少数几个沙漠化土地扩展速率超过4%的地区之一[5]。沙漠化不仅恶化当地生态环境，制约区域经济发展，且由于浑善达克地区位于京津地区天气系统上游，是京津地区最主要沙尘源之一[6-7]，对京津、华北等周边地区生态安全构成威胁。

浑善达克沙漠化过程是以气候为主导的自然过程[8-9]。气候变化对沙地活动性影响包括温度和降水，以温度升降为标志的气候波动是沙地生物气候带南北水平移动和沙漠化正逆过程波动主要原因[3]。浑善达克沙地全新世（11 500年前至现在）气候变化经历升温波动期、温暖期和温干冷干频繁波动期3个演变阶段[10]。近年来，全球气候变暖，尤其是20世纪90年代以后干旱化严重、湿地变干、泡沼干涸、地下水位下降、极端气候频发，沙漠化局部发展[11]。1953～2002年，浑善达克地区，年均气温平均增温率+0.054℃·年-1，高于中国1963～2002年平均增温率，更高于全球近百年来增温水平；20世纪80年代中期后，增温趋势明显，1983～2002年平均增温率高达0.0695℃·年-1[12]。1953～2002年，浑善达克地区降水总趋势略有减少迹象，波动幅度变大；降水量变化存在明显区域差异，降水减少幅度由东南向西北递增，越靠近季风边缘区的地方，降水变幅越大[12]。

气候变化作为基本事实研究具有重要理论和现实意义，对作物生产潜力具有重要影响。温度作为控制植被生长和分布的关键环境因素之一，其变化势必对自然生态系统结构和功能产生深刻影响[13-14]。近年全球变暖引发一系列农业和生态安全问题。

本研究根据长时间序列资料，运用Mann-Ken⁃dall检验法对浑善达克地区近60年温度和降水量变化进行分析，为区域环境研究和京津、华北等生态圈防沙治沙，为区域社会可持续发展提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

浑善达克地区位于内蒙古高原东部，包括锡林郭勒盟10个旗县和赤峰市西北部克什克腾旗，东起大兴安岭南麓西侧，西至集二线铁路，东西绵延450 km，南北最宽处达300 km，土地总面积约为7.10万km2[15]。从生态地理区看，该区是独特温带稀树草原区，是风积沙覆盖在高平原上东西伸展沙地，海拔高度1 000～1 400 m，从东部草甸草原向西伸展到荒漠草原，东西长500 km，南北宽50～100 km（见图1）。

图1 研究区域植被类型及气象站点的地理位置Fig.1 Vegetations in study area and meterological station locations

浑善达克沙地主要是以固定、半固定沙丘为主的沙地地貌景观，沙地呈不规则分布，是距离北京最近的大型沙地，直线距离不足200 km[16]。受非地带性影响，分布最广泛的是温带沙漠植被和风沙土。沙地内部由于其原始地表的复杂性，存在风成沙丘与丘间低地，并有大小不等湖泊，沙地西半部以半固定沙地为主，有流动的新月形沙丘链呈斑点状分布，沙地东半部以固定沙丘为主[17]。浑善达克沙地以草原植被为主，针阔叶乔木、榆树疏林等超地带性植被明显。浑善达克沙地的主要地带性土壤类型为栗钙土，其次为棕钙土；非地带性土壤类型为风沙土。

浑善达克地区属中温带半干旱、干旱大陆性季风气候，该区大部分处于中国季风边缘地区、中国东北样带内。年均气温0～4℃，≥10℃年积温2 000～2 600℃；冬春季节，风力强大而多发，年平均风速3.5～5.0 m·s-1，大风日数50～80 d，其中4～5月大风日数占全年40%～50%，是全国沙区大风区之一[15]。因受东南季风影响，降水量自东向西递减[18]，干燥度为4.0～14.0；年蒸发量为2 000～2 700 mm，为年降雨量5～13倍；年日照时数3 000～3 200 h。

1.2 数据来源

研究所用年均降水量和温度等气象数据（1953～2014年）来自中国气象科学数据共享服务网。考虑资料连贯性和可获得性，同时为获得较长时间序列，在浑善达克地区选择5个典型站点，对近60年来气象要素的变化进行分析（二连浩特为1956～2014年，其他站点均为1953～2014年）。同时利用中国及周边国家600余气象观测站点数据，基于1981～2000年降水、温度观测值，通过ArcGIS的Kriging插值、裁剪，获得研究区域年均降水量和温度的空间分布。研究区域植被类型数据来源于国家自然科学基金委员会“中国西部环境与生态科学数据中心”（http://westdc.westgis.ac.cn）[19]。

1.3 研究方法

降水量演变规律及降水变化系统性研究多采用累积距平法[20]、分形分析[21]和小波分析[22]等。就趋势分析而言，传统回归分析具有一个定量趋势系数而被广泛采用，但对于非正态分布、不完整或有少数异常值资料，回归分析无法完成。肯德尔（Mann-Kendall，M-K）检验法用于趋势分析时弥补其缺点，因其理论基础好和计算方便被广泛采用[23-25]。非参数的肯德尔检验法（M-K法）被广范应用于气象资料波动性分析，弥补回归分析只能对正态分布或偏正态分布检验不足，是联合国粮农组织推荐气候突变分析方法。本文采用M-K法。

2 结果与分析

2.1 浑善达克地区年均温度变化特征分析

2.1.1 浑善达克地区年均温度空间变化特征分析

图2 浑善达克地区年均温度空间变化Fig.2 Spatial heterogeneity of average annual temperature in Otintag

浑善达克地区年均温度空间变化如图2所示。由图2可知，浑善达克地区年均温度最高区域是克什克腾旗东部，其次为苏尼特右旗、二连浩特市、太仆寺旗和多伦县；温度最低区域是北部阿巴嘎，其次为苏尼特左旗、正蓝旗、锡林浩特市等。在锡林郭勒盟内，年均温度基本表现为由西南向东北逐渐降低。

2.1.2 浑善达克地区年均温度时间变化特征分析

1953～2014年浑善达克地区5个代表性站点年均温度的变化见图3。由图3可知，浑善达克地区年平均温度呈波动上升趋势。1956～1957年浑善达克大部分地区年平均温度较低，是60年来最低值，其他低温年包括1969和1985年；20世纪50年代到80年代前半段气温无显著上升趋势，从1986年开始到2007年平均气温呈明显上升趋势，2007年均气温为近60年最高，2008～2012年气温出现下降趋势，2013年后再次明显回升。

研究所选5个典型站点年均温度基本上表现为朱日和＞二连浩特＞锡林浩特＞多伦＞阿巴嘎旗，即位于西部站点温度高于位于东部、北部站点温度，与研究区域年均温度空间变异一致（见图2）。除此之外，位于温度相近站点间温度差逐渐缩小，进入21世纪后趋势尤为明显。研究所选5个典型站点代表不同区域气温变化趋势几乎平行，说明研究区域普遍增温。

图3 1953～2014年浑善达克地区5个代表性站点年均温度变化Fig.3 Average annual temperature changes at five stations in Otintag in 1953-2014

2.1.3 浑善达克地区年均温度变化M-K检验

阿巴嘎地区年均温度发生突变，突变点是1987年。1958年以来，UF＞0，温度呈上升趋势，1989年后，UF超越上临界线，温度升高趋势显著（α= 0.01）（见图4a）。多伦近60年间年均温度存在突变，突变点在1982年。1960～1987年，UF为正，温度呈上升状态，但未超越临界值。1988年后，UF超过上临界线，说明温度上升趋势显著（α=0.01）（见图4b）。在二连浩特地区，1958年后，UF＞0，说明温度变化呈上升趋势，UF和UB在1991年相交，即二连浩特地区年均温度变化突变点为1991年，在1995年UF超过上临界线，说明1995年后温度上升趋势显著（α=0.01）（见图4c）。苏尼特右旗（朱日和）近60年间年均温度存在突变，突变点发生在1979年。虽然自1958年以来UF＞0，即年平均温度呈上升趋势，但1988年后UF超过上临界线，说明有显著上升趋势（α=0.01）（见图4d）。锡林浩特年均温度在1978年发生突变，从1958年以后UF＞0，年均温度有上升趋势，在1979年后，UF超过上临界线，说明温度上升趋势显著（α=0.01）（见图4e）。

2.2 浑善达克地区降雨量变化特征分析

2.2.1 浑善达克地区降雨量空间变化特征分析

浑善达克地区降水量自东向西递减，年均降水量从东南部350～400 mm，向西北递减至100～200 mm。年降水量地域差异较大，东多西少，苏尼特左旗、苏尼特右旗和二连浩特部分地区不足200 mm，东部和南部地区降水较多，多在300 mm以上，部分地区可达400 mm（见图5）。

图4 1953～2014年浑善达克沙地5个代表性站点年均温度突变检验Fig.4 Abrupt changes of average annual temperature at five stations in Otintag in 1953-2014

图5 浑善达克地区年降水量空间变化Fig.5 Spatial heterogeneity of annual precipitation in Otintag

2.2.2 浑善达克地区降雨量时间变化特征分析

由图6可知，浑善达克地区年降水量变化总趋势不显著，但波动性较大。年降水量基本表现为多伦＞锡林浩特＞阿巴嘎旗＞朱日和＞二连浩特。其中在大部分地区较湿润年份有1959、1967、1979、1996、1998和2012年等，较干旱年份出现在1965、1972、1980、1989、1997、2001、2005 和2011年等。相对而言，降水量较少的地区（西部），如二连浩特、朱日和和阿巴嘎旗，降水量变幅较小；在降水量偏多的锡林浩特和多伦地区（浑善达克东部），降水量波动幅度较大。从站点分布可见浑善达克沙地地区总体上降水量空间分布呈现由东南向西北逐渐递减趋势，说明该地区多年平均降水量地域分布不均，分布规律为东多西少、南多北少，与年降水量空间分布情况吻合（见图5）。

2.2.3 浑善达克地区降雨量变化M-K检验

浑善达克地区降雨量变化M-K检验见图7。

图6 1953～2014年浑善达克地区5个代表性站点年降水量变化Fig.6 Average annual precipitation changes at five stations in Otintag in 1953-2014

图7 1953～2014年浑善达克地区5个代表性站点年均降水量变化的M-K检验Fig.7 M-K test of annual precipitation changes at five stations in Otintag in 1953-2014

阿巴嘎旗年降水量在1969～2001年呈增加趋势，但2002年后开始下降（见图7a）。多伦县1955～1961年降水量呈增加趋势，1965年（1998～2000除外）年降水量呈下降趋势；但是多伦县1961年后降水量变化相对平缓（见图7b）。二连浩特年降水量变化不大，略呈下降趋势（见图7c）。苏尼特右旗（朱日和）降雨量变化存在突变，突变点为1967～1968年，1966年开始降水量下降，1985年开始苏尼特右旗降雨量多呈现显著减少趋势变化（见图7d）。锡林浩特降雨量1961～1997年变化不明显，突变点发生在1994～1995年，1999年开始降水量呈下降趋势（见图7e）。从5个站点降水量突变检验发现，所有站点进入21世纪以后，降水量均出现下降趋势。

3 讨论与结论

a.浑善达克地区年均温度在空间上差异基本表现为由西南向东北逐渐降低；近60年浑善达克地区年均温度呈上升趋势，与刘树林等研究结论一致[12，26]；气温升高同时，南北区域温度差逐渐缩小。过去温度较接近地区间（二连浩特和朱日和；阿巴嘎、锡林浩特和多伦）温度差异缩小，表明温度相对较低地区温度升高速度快，使浑善达克地区温度呈现区域性升高趋势，这一趋势与全球变暖表现一致。1953～2007年，浑善达克地区增温达+0.052℃·年-1，高于全球近百年平均增温率，与刘树林等研究结论一致[12]，但该区域2008～2012年温度呈下降趋势。M-K突变检验表明，浑善达克地区5个气象站点年均温度均发生突变，突变点在20世纪70～90年代。尤莉等研究表明，内蒙古气温存在明显增暖突变事实，突变点在1987年[27]，锡林郭勒温度突变点在1989年前后[28]，与本研究结论一致。

b.浑善达克地区年降水量在空间上表现为地域差异较大，自东向西递减。年降水量受地形和东南季风影响，具有明显地带性，由西北向东南依次递增，纬度低海拔高地区降水多[26]。从1953～2014年年降水量变化看，浑善达克沙地年降水量变化总趋势不明显，但波动性较大。降水量较少地区较降水量偏多地区波动幅度小。刘树林等研究认为，1953～2002年浑善达克沙地降水总趋势略有减少迹象，波动幅度变大，变异系数在波动中增加；且降水量变化存在较明显的区域差异，降水减少幅度呈由东南向西北递增趋势，越靠近季风边缘区地方，降水变幅越大[12]。本研究中，M-K检验表明除阿巴嘎旗以外，20世纪60年代以后年降水量基本为下降趋势，但进入21世纪后，浑善达克地区降水量均出现下降趋势，与春风等研究结果一致[22]，说明整个研究区域趋于干化。

c.以朱日和和二连浩特为代表的西部地区较东部有明显暖干化趋势。陈重潘研究表明，气温升高造成蒸发量增大，连续干旱会造成植被退化[29]，温暖化造成非生物过程氮的流失也可能成为全球变暖背景下沙漠化发展重要原因[30-31]。以朱日和为中心的浑善达克沙尘暴中心是亚洲沙尘源之一[32]，从气温、降水量变化情况看，暖干化趋势将可能使该区域未来生态环境更加脆弱[12]。阿如旱等研究表明，1961～2005年，多伦县气候呈现增温增湿趋势[33]。本研究M-K检验发现，20世纪60年代后期以来，多伦县降水为下降趋势。浑善达克地区21世纪前气候基本为暖干化发展，在全球气候变化下整个区域气候变化趋于一致，需要及时调节生产生活模式，降低气候变化带来的不利影响。

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Analysis on temporal and spatial characters of temperature and precip⁃itation in Otintag

ZHANG Baolin1,LUO Ruilin2(1.School of Chemistry and Environmental Sci-

ences,Inner Mongolia Normal University,Hohhot 010020,China;2.Library of Inner Mongolia Normal University,Hohhot 010020,China)

In Otintag,annual average temperature spatially decreased from southwest to northeast, and temporally increased in last 60 years,with gradually declining regional temperature differences. Precipitation decreased from east to west,with large gaps between different regions;it didn't show obvious trend,but demonstrating violent change in the last 60 years.Mann-Kendall tests verified abrupt changes of temperature in 1970-1990s at five stations;the tests also proved that precipitation at stations,except Abaga, generally decreased since 1960s,showing Otintag was becoming drying.Compared with environment in the east,the west represented by Jurh and Erenhot shifted to warm and dry,where eco-environment in the future will be more fragile.Under the background of global change,the whole Otintag became dry and warm, as a result,the policy-makers should adjust production and life modes to alleviate the adverse effects of climatic change.

Otintag;temperature;precipitation;Mann-Kendall test

P423

A

1005-9369（2015）05-0051-09

2014-09-05

国家自然科学基金项目（D0104/41261048，40961014）；内蒙古师范大学高层次人才科研启动经费项目（GCRC09003）

张宝林（1971-），男，副教授，博士，研究方向为3S技术应用。E-mail:nmzhangbaolin@hotmail.com