气候变暖背景下陕甘宁蒙接壤区1961-2015年降水变化响应特征

杨 蓉, 赵多平

(宁夏大学 资源与环境学院, 宁夏 银川 750021)

IPCC第4次评估报告指出：近100 a来全球平均气温升高了0.74 ℃，平均升温速率大致为0.1 ℃/10 a，今后20 a全球平均地面气温仍将以0.2 ℃/10 a的速率继续上升[1]，未来全球仍将表现为明显的增温趋势。地球上不同要素交界地带的区域，如水陆交界带、干湿交替带、农牧交错带、沙漠边缘带等,它们的环境要素十分敏感，这些区域能及时、灵敏的体现全球变化的早期信号，对全球变化的响应具有独特性，这就是生态脆弱带。脆弱带由于特殊的地理环境和气候条件，对于气候变化和人类干扰的影响极为敏感，使其成为研究全球变化重要的预警区[2]，其研究对全球变化以及预测区域未来气候、环境演变都具有重大科学意义。近年来很多学者针对中国不同生态脆弱带地区进行研究，大多集中在脆弱带的生态环境恶化状况、土地生产力退化和土壤侵蚀等方面[3]，也有气候变暖对脆弱带地区植被及其覆被变化的影响研究，以及全球变化与生态脆弱带各个影响因子的关系研究[4]，对其土壤、气候、植被等要素的时空分布与演变格局的研究也很多[5]。施雅风等[6]在对中国的气候变化研究中发现，在全球变暖的背景下中国西北地区气候近几十年来有向暖湿方向转变的特点，并做出了未来西北地区气候向暖湿转型的时间尺度和空间范围的预测[7]。总之，专门针对脆弱带地区的气候变化或气象要素的研究还很缺乏。

陕甘宁蒙接壤区是中国地理环境最复杂、生态环境最脆弱的特殊区域之一，在全球气候变暖的背景下更易受到全球气候变暖和气候异常的影响，也更能灵敏、及时地反映全球变化，有着独特的响应特征。这一区域也正是西北地区东部与西北地区西部的转换带，在中国气候变化格局中处于特殊地位，因此在全球变暖的大背景下有必要加强对陕甘宁蒙接壤区地区气候变化的研究。基于此，本文拟选取陕甘宁蒙接壤区作为研究区域，利用1961—2015年的降水量数据，以趋势线拟合、线性倾向估计、普通Kriging插值等数理分析方法，分析气候变暖背景下陕甘宁蒙接壤区近54 a的降水量时空变化特征，以期为本区域自然生态系统和社会经济系统可持续发展提供一些科学理论依据，同时也为全球变化研究提供一些区域性科学证据。

1 研究区概况

陕甘宁蒙接壤区地处陕、甘、宁、蒙4省的接壤地区，是一个近似四边形的区域，总面积约为3.40×105km2，包括陕西北部、宁夏、甘肃东南部和内蒙古临近宁夏的南部地区。从气候特征来看，陕甘宁蒙接壤区刚好位于中国夏季风末势力区的季风与非季风气候的贺兰山交界地区,降水的地区差异、季节和年际变率都极大，且变化十分敏感；从地形特征来看，该区地处中国中部黄土高原区向内蒙古高原边缘地带的毛乌素沙漠和腾格里沙漠过渡的地区，由东向西为东南黄土丘陵沟壑区向西南黄土丘陵沟壑区的过渡地带，地形起伏大且复杂多变，地形因素对小气候的影响较大；从生态环境来看，这里是中国典型的从半湿润区向半干旱、干旱区过渡的农牧交错区[8-9]。陕甘宁蒙接壤区的生态环境系统和社会经济活动等都是处在变化的临界区间，其自然生态环境的变化会直接影响到西部乃至全国的生态与经济安全。

2 数据来源及研究方法

2.1 数据来源

选取陕甘宁蒙接壤区气象数据比较完整的40个气象站点1961年1月至2015年12月共54 a的降水量月值数据，依此计算出降水量年值和季节值，通过对数据的分析与处理得出研究区降水量时空变化特征。所用气象数据资料来源于中国气象数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。

为了更详细分析陕甘宁蒙接壤区的降水量变化特征，依据区域自然地理环境的差异性将陕甘宁蒙接壤区做进一步中尺度的划分[10]，主要以贺兰山所在的大致105°E线作为区域的东西分界线，毛乌素沙漠南缘所在的大致37°N线作为区域的南北分界线，依此分界线做出中尺度分区：1区为半干旱的东北毛乌素沙区，2区为半湿润的东南黄土丘陵沟壑区，3区为半干旱的西南黄土丘陵沟壑区，4区则为干旱的西北腾格里沙区4个中尺度区域。

2.2 研究方法

本文主要利用Excel，ArcGIS，DPS数据处理系统等软件对要素数据进行分析处理，采用数理统计分析法、线性倾向估计法、趋势线拟合法、克里金插值法等方法，分析陕甘宁蒙接壤区近54 a来的降水量时空变化特征。

2.2.1 线性倾向估计法 线性倾向估计法是用来分析某一气候变量的变化倾向趋势及这种变化趋势显著与否的方法[11]。两者之间的一元线性回归方程：

xi=a+bti(i=1，2，…，n)

(1)

式中：xi——样本量为n的某一气候变量；ti——xi对应的时间；a，b——为回归常数、回归系数，由最小二乘法进行估计：

(2)

(3)

r为相关系数，回归系数b的符号表示气候变量x的趋势倾向方向，当符号为正，说明随时间的增加气候变量呈增加趋势，反之则为减少趋势。b值的大小反映了气候变量上升或下降的速率，即表示气候变量上升或下降的倾向程度。|r|越大，气候变量与时间之间的线性关系就越大[12]。

2.2.2 普通Kriging插值法 Kriging (克里金)插值法又称为空间自协方差最佳插值法，它是以南非矿业工程师D．G．Krige的名字命名的一种最优内插法。是地学统计学常采用的一种求最优、线形、无偏的空间内插方法[13]。它考虑的是要素空间属性在空间位置上的变异分布，它是在充分考虑观测资料之间的相互关系后，对每一个观测资料赋予一定的权重系数，然后加权平均得到估计值。本文运用此方法进行降水数据空间变化的分析。其计算公式为：

(4)

式中：h——各点之间距离；n——由h分开的成对样本点的数量；z——点的属性值[14]。

3 结果与分析

3.1 降水量年变化特征

1961—2015年陕甘宁蒙接壤区多年平均降水量为367.52 mm，符合典型半干旱区的降水特征，年降水最大值、最小值的分别为547.42 mm(1964年)、262.37 mm(1982年)，最大值和最小值相差285.05 mm，降水量年际变化幅度较大。

分析陕甘宁蒙接壤区年降水量距平值变化(图1)可知，近54 a陕甘宁蒙接壤区降水量总体呈减少趋势，减少速率为3.29 mm/10 a，降水变化趋势不明显。通过分析6阶多项拟合趋势可知，20世纪60年代，陕甘宁蒙接壤区降水波动减少趋势较明显，减少速率为49.53 mm/10 a，这与该时期自然灾害加之大搞建设，植被破坏严重而人为加剧了干旱程度有关；20世纪70年代初到90年代末降水波动变化特征不明显，整体略有增加，增加速率为1.35 mm/10 a，其中70年代略有减少，80年代有所增加，90年代又有所下降。进入21世纪是降水增加最为明显的阶段，增加速率为32.36 mm/10 a，就大尺度原因是由于2000年以来气候变暖越来越突出而导致水循环的海陆大循环旺盛，就小尺度原因则是由于该区域的生态重建工程初见成效。相比而言，20世纪60年代为下降期，70年代到90年代为平稳期，进入21世纪以后为上升期。

图1 陕甘宁蒙接壤区年降水量距平变化特征

3.2 降水量空间变化特征

运用普通Kriging插值法得出1961—2015年陕甘宁蒙接壤区年降水量及倾向率空间变化情况(附图8)，其中该区年降水量空间变化(附图8a)大致沿东南—西北方向呈现由多到少的逐步过渡，即西南黄土丘陵沟壑区、东南黄土丘陵沟壑区为相对高值区，西北腾格里沙区为相对低值区。全区年降水量最多的站点为东南黄土丘陵沟壑区内的洛川站，年降水量高达612.52 mm，最少的是西北腾格里沙区的吉兰泰站，年降水量仅为104.49 mm。全区有19个站点近50%的地区年降水量超过400 mm；有13个站点32.5%的站点年降水量为200～400 mm，有8个站点20%的地区年降水量在200 mm以下。

近54 a来，陕甘宁蒙接壤区年降水量倾向率空间变化(附图8b)差异明显，年降水倾向率空间变化大致沿东南—西北方向呈现由减少到增加的逐步过渡，西南黄土丘陵沟壑区及东南黄土丘陵沟壑区为降水减少区，东北毛乌素沙区和西北腾格里沙区为相对增加区。这表明在全球变暖的大背景下蒸发旺盛，水循环的海陆大循环加剧，使原本降水量多的区域降水减少，而原本降水量少的沙漠区则降水有所增加，且该区的沙漠治理对降水量也有调节作用。整个陕甘宁蒙接壤区有9个22.5%的站点年降水量处于增加趋势，其中上升速率最快的为位于东北毛乌素沙区内的伊金霍洛旗站(49.13 mm/10 a)，位于甘肃省境内的临夏站上升速率最小，仅有0.45 mm/10 a。其余站点降水量均呈下降趋势，约占77.5%，下降速率最大的为毛乌素沙区内的榆林站(-36.84 mm/10 a)，最小的为西南黄土丘陵沟壑区内的天水站(-0.29 mm/10 a)。

3.3 降水量季节变化特征

分析陕甘宁蒙接壤区1961—2015年4季降水距平变化趋势可知(图2)，春、夏、冬3季降水量呈增加趋势，秋季降水量呈减少趋势，变化速率大小关系为夏季(2.76 mm/10 a)>冬季(0.39 mm/10 a)>春季(0.02 mm/10 a)>秋季(-1.87 mm/10 a)，四季降水具体变化特征如图2所示。

图2 陕甘宁蒙接壤区4季降水距平变化趋势

(1) 春季多年平均降水量为59.28 mm，春季降水最大值和最小值分别为121.64 mm(1964年)、18.46 mm(1962年)，降水极值相差103.18 mm。分析春季降水距平变化特征可知(图2a)，近54 a来春季降水量呈增加趋势，增加速率为0.02 mm/10 a，降水年际变化波动幅度较大。通过分析6阶多项拟合趋势可知，春季降水量变化大概以10 a为周期经历了增加—减少—增加—减少—增加的趋势。具体而言，20世纪60年代初期降水量增加较快，之后开始持续下降，进入80年代以后呈现增加趋势，90年代略有减少，2000年以后降水量又逐步增加。

(2) 夏季多年平均降水量为177.03 mm，夏季降水最大值和最小值分别为275.01 mm(2013年)、103.65 mm(1965年)，降水极值相差171.36 mm。通过分析夏季降水距平变化特征可知(图2b)，夏季降水量增加幅度最大，增加速率为2.76 mm/10 a。分析6阶多项拟合趋势可知，近54 a来陕甘宁蒙接壤区夏季降水经历了减少期—稳定期—减少期—增加期。20世纪60年代初期降水量呈快速减少趋势，减少速率为9.94 mm/10 a，60年代中期到90年代中期相对稳定，90年代中期到2006年夏季降水量又有所减少，2007—2015年夏季降水量快速增加，增加速率为168.25 mm/10 a。

(3) 秋季多年平均降水量为77.52 mm，秋季降水最大值和最小值分别为144.69 mm(1961年)、32.48 mm(1986年)，降水极值相差112.21 mm。分析秋季降水距平变化特征可知(图2c)，近54 a来陕甘宁蒙接壤区秋季降水量呈减少趋势，也是4个季节中降水唯一呈减少趋势的季节，下降速率为1.87 mm/10 a。秋季降水量6阶多项拟合趋势显示，近54 a来陕甘宁蒙接壤区秋季降水量波动变化趋势较大，变化趋势大致呈V型，经历了较为显著的减少和增加期，其中20世纪60年代到90年代初为降水量减少期，减少速率为13.97 mm/10 a，90年代到21世纪初为增加期，增加速率为19.49 mm/10 a。

(4) 冬季多年平均降水量为12.51 mm，冬季降水最大值和最小值分别为24.15 mm(1988年)，1.57 mm(1962年)，降水极值相差22.58 mm。分析冬季降水距平变化特征可知(图2d)，陕甘宁蒙接壤区冬季降水呈增加趋势，增加速率为0.39 mm/10 a，分析冬季降水量6阶多项拟合趋势得出，陕甘宁蒙接壤区冬季降水经历了增加—减少—增加—减少的趋势，20世纪60—80年代降水量增加趋势明显，增加速率为7.69 mm/10 a，80年代到90年代末期为减少期，减少速率为3.91 mm/10 a，90年代末到2007年略有增加，2007年以后降水量又开始减少。

3.4 不同季节降水量空间变化特征

运用普通Kriging插值法得出陕甘宁蒙接壤区1961—2015年各季节降水量空间变化图(附图9)，从图中可看出，4个季节降水量的空间差异明显，大致沿东南—西北方向呈现由多到少的逐步过渡趋势[15]。

(1) 春季降水量空间变化(附图9a)大致沿东南—西北方向，呈现由多到少的逐步过渡，即东南黄土丘陵沟壑区、西南黄土丘陵沟壑区为相对高值区，东北毛乌素沙区、西北腾格里沙区为相对低值区，具体而言，全区春季降水量最多的站点为西南黄土丘陵沟壑区内的岷县站，春季降水量为138.9 mm，最少的是毛乌素沙区内的陶乐站，春季降水量仅为10.69 mm。全区有8个站点20%的地区春季降水量超过100 mm；有24个站点60%的地区春季降水量为20～100 mm，有8个站点20%的地区降水量在20 mm以下。

(2) 夏季降水量空间变化(附图9b)大致也是沿东南—西北方向呈现由多到少的逐步过渡，东南黄土丘陵沟壑区降水量最高，西南黄土丘陵沟壑区次之，西北腾格里沙区为夏季降水量最少的区域，具体而言，全区夏季降水量最多的站点为东南黄土丘陵沟壑区内的洛川站，夏季降水量为438.9 mm，最少的是腾格里沙区内的吉兰泰站，夏季降水量仅为68.98 mm。全区有7个站点18%的地区夏季降水超过300 mm；有26个站点70%的站点年均夏季降水量为100～300 mm，有5个站点12%的地区降水量在100 mm以下。

(3) 秋季降水量空间变化(附图9c)仍然是东南多西北少，西南黄土丘陵沟壑区、东南黄土丘陵沟壑区为相对高值区，东北毛乌素沙区、西北腾格里沙区为相对低值区，具体而言，全区秋季降水量最多的站点为东南黄土丘陵沟壑区内的长武站，秋季降水量为173.78 mm，最少的是毛乌素沙区内的陶乐站，秋季降水量仅为13.24 mm，两者相差160.54 mm，秋季降水空间差异较大。全区有13个站点32.5%的地区秋季降水超过100 mm；有23个站点近60%的站点年降水量在20～100 mm之间，有4个站点10%的地区降水量在20 mm以下。

(4) 冬季降水量空间变化(附图9d)，整体全区冬季降水量都比较少，相对来说，位于东部区域的东南黄土丘陵沟壑区和毛乌素沙区有部分降水，而西北腾格里沙区和西南黄土丘陵沟壑区都是降水极少的干旱期，冬季降水量最多的站点为毛乌素沙区内的伊金霍洛旗站，降水量为116.55 mm，最少的是毛乌素沙区内的陶乐站，降水量仅为0.98 mm。全区冬季有5个站点12.5%的地区冬季降水超过20 mm；全区有9个站点22.5%的站点降水量为10～20 mm，有26个站点65%的地区降水量在10 mm以下。

4 结论与讨论

(1) 研究发现，陕甘宁蒙接壤区降水对全球气候变化的响应特征是：在1961—2015年共54 a间，陕甘宁蒙接壤区多年平均降水量为367.52 mm，降水量总体呈略微减少趋势，但减少趋势并不明显。而就降水变化的阶段性来看，陕甘宁蒙接壤区20世纪60年代为降水量显著下降期，这大概与该时期自然灾害突出加之大搞建设，植被破坏严重而加剧了干旱程度有关；70年代到90年代为平稳期，但2000年以来的近十几年来陕甘宁蒙接壤区年降水量呈现出明显上升趋势，这与施雅风等[7]提出的西北地区气候已出现由暖干向暖湿转变的趋势相吻合。这表明随着全球变暖的趋势越来越明显，势将导致海洋与陆地水体蒸发旺盛，冰川消融增强，河川径流量扩大，而使大尺度的水循环更加旺盛，大部分区域降水增加[16]，加之近年来陕甘宁蒙接壤区生态建设初见成效，也使其总体降水量明显增加。

(2) 陕甘宁蒙接壤区年均降水量的空间变化趋势是：大致沿东南—西北方向呈现由多到少的逐步过渡，即年均降水量最高为东南黄土丘陵沟壑区，次之为西南黄土丘陵沟壑区，年均降水量最低为腾格里沙区，符合中国降水量整体由东南向西北递减的大趋势。陕甘宁蒙接壤区年均降水量倾向率的空间变化差异明显，其倾向率空间变化大致也沿东南—西北方向呈现由减少到增加逐步过渡，西南黄土丘陵沟壑区及东南黄土丘陵沟壑区为降水量减少区，毛乌素沙区和腾格里沙区为降水量相对增加区。此研究结果与苏俊礼等[17]的腾格里沙漠降水增加的研究结论，马晓波等[6]得出的中国极端干旱地区降水呈增加趋势的研究结论相吻合。这表明在全球变暖的大背景下蒸发旺盛，水循环的海陆大循环加剧，使原本降水量多的区域降水减少，而原本降水量少的沙漠区则降水有所增加。此外，毛乌素沙区和腾格里沙区沙漠治理对降水量也有调节作用[18]。

(3) 陕甘宁蒙接壤区1961—2015年4季的降水距平变化趋势表现为，春、夏、冬3季的降水量呈增加趋势，秋季降水量呈减少趋势，变化速率大小关系为夏季(2.76 mm/10 a)>冬季(0.39 mm/10 a)>春季(0.02 mm/10 a)>秋季(-1.87 mm/10 a)。陕甘宁蒙接壤区春、冬季节降水量变化大概以10 a为周期经历了增加—减少—增加—减少—增加的波动变化趋势，2000年以后春、冬季节降水是逐步增加的趋势。而夏、秋季节的降水变化大致经历了减少期—稳定期—减少期—增加期，2007年以来夏、秋季节降水呈快速增加趋势。4个季节降水量的空间差异明显，但大致都沿东南—西北方向，呈现由多到少的逐步过渡趋势。

(4) 气候变暖背景下陕甘宁蒙接壤区近54 a来降水量总体略微减少的趋势表明该区域气候的仍具暖干化发展趋势，这对该区的农业经济总体发展将产生威胁。但就2000年以来该区的降水量又呈现出明显的增加趋势来说，是否该区气候具有由暖干向暖湿转型的大趋势，这是该区气候状态的突变还是一个渐进的过程，还取决于今后进一步加强对陕甘宁蒙接壤区气候变化事实、降水量时空变化未来趋势的全面分析及其机制的深入研究,这无论对气象学还是国民经济发展都将是一个重大的课题。