1956-2017年锡林郭勒盟气候变化特征

曹艳萍，庞营军，庞肖杰

(1.河南大学环境与规划学院，河南 开封 475004；2.黄河中下游数字地理技术教育部重点实验室，河南 开封 475004；3.中国林业科学研究院荒漠化研究所，北京 100091；4.中国农业大学农学院，北京 100193)

气候变化是人类共同面临的重大危机和严峻挑战，是当今的全球环境热点问题。IPCC第五次综合报告指出，1880-2012年期间的地球表面平均温度升高了0.85℃[1]。中国“第三次气候变化国家评估报告”中指出，1909-2011年，中国陆地区域平均增温0.9℃～1.5℃；西部干旱和半干旱地区近30年降水持续增加[2]。近些年来，学者对中国青藏高原[3]、黄土高原[4]、新疆[5]、内蒙古[6]等区域的气候变化特征进行了大量研究，结果表明这些区域气温大多具有明显上升趋势；降水的变化趋势具有一定的空间差异性。气候变化对生态系统具有重要影响，许多陆地、淡水和海洋物种为了应对不断发生的气候变化，已经改变了其地理分布范围、季节活动、迁移规律、丰度等。气候变化也会导致粮食减产，渔业生产力降低，全球粮食安全将面临巨大风险[2,7]。

锡林郭勒盟处于欧亚大陆温带草原的核心区域，是全球气候变化的敏感区域，也是我国西北干旱区向东部湿润区过渡的地带[8]；境内有全国唯一被联合国教科文组织纳入国际生物圈监测体系的国家级草原自然保护区，既是华北地区的重要生态屏障，又是距首都北京最近的草原牧区[9]。近年来，随着全球气候变化和人类活动的加剧，锡林郭勒盟地区的气温呈显著上升趋势[10]，降水略有减少[11]，干旱程度加重[12]，导致锡林郭勒盟草地退化、沙化加剧，草地生产力下降，严重影响牧民生计及区域经济发展[13-14]。

本文利用锡林郭勒盟1956-2017年的长时序气象数据，揭示气温、降水、蒸发皿蒸发量和风速的变化规律，研究结果有助于了解该区域对全球气候变化的响应，同时也可为区域草地经营管理提供决策依据。

1 研究区概况

锡林郭勒盟位于内蒙古自治区中部，地理位置111°09′～120°01′E，41°35′～46°46′N，北与蒙古国接壤，边境线长1 096 km；西与乌兰察布市交界，南与河北省毗邻，东与赤峰市、通辽市和兴安盟相连[15]。东西长700多km，南北宽500多km，总面积20.26万km2。

锡林郭勒盟属温带大陆性气候，其气候特点是风大、干旱、寒冷。土壤以风沙土为主，部分地区有栗钙土、棕钙土和草甸土等；主要植物种类有：克氏针茅(Stipakryloyii)、羊草(Aneurolepidiumchinense)、糙隐子草(Cleistogenesserotina)、知母(Anemarrhenaasphodeloides)、矮葱(Alliumanisopodium)、冷蒿(Artemisiafrigida)等[16]。锡林郭勒盟拥有类型齐全、动植物种类繁多的世界驰名的四大草原之一(锡林郭勒草原)，可利用优质天然草场面积达18万多km2，占全自治区的五分之一。牛、马、羊、驼等草食家畜拥有量位居全国地区级首位，是国家重要的畜产品基地。锡林郭勒盟是我国最典型的草原分布区，是我国北方草原区和农牧交错带的重要组成部分，自然条件的严酷性、气候的波动性以及社会和经济条件的复杂性，使这一地区成为对全球变化响应的敏感带[17]。

2 研究方法

气象数据主要来源于国家气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/)的“中国地面气候资料日值数据集(V3.0)”。采用锡林郭勒盟内的东乌珠穆沁、二连浩特、阿巴嘎旗、苏尼特左旗、朱日和、西乌珠穆沁、锡林浩特、多伦县8个国家气象站点1956-2017年的气温、降水、蒸发皿蒸发量、风速日值数据。

蒸发量资料为1956-2017年20 cm口径蒸发皿逐日观测资料，2002年起每年5-9月改用E-601型蒸发皿进行观测，1-4月和10-12月延用20 cm口径蒸发皿观测。利用1986-2001年20 cm口径蒸发皿与E-601型蒸发皿的同步观测蒸发量数据，采用最小二乘法进行线性回归，计算得到的折算系数为1.77996。根据蒸发量折算系数，计算2002-2017年5-9月20 cm口径蒸发皿蒸发量，得到锡林郭勒盟1956-2017年的连续蒸发量数据。

对锡林郭勒盟内8个国家气象站点日平均气温、风速数据分别逐年求平均值，得到年平均气温和风速数据；日降水、蒸发皿蒸发量数据逐年累积，得到年降水量和蒸发皿蒸发量数据。8个国家气象站点的年平均气温、年降水量、年蒸发皿蒸发量和年平均风速分别求算术平均值，代表区域逐年气象要素值。采用线性回归方法描述气候序列的趋势变化特征。气象要素(y)的趋势变化用线性回归方程y=at+b表示。式中t为年份；a为变化率，用于定量描述气候序列的趋势变化特征，a为正(负)时，表示气象要素y在所统计的时间有线性增加(减少)的趋势。

在Matlab软件平台的支持下，采用Morlet复值小波计算小波方差，分析气温、降水、蒸发和风速的周期震荡特征。

3 结果与分析

3.1 1956—2017年锡林郭勒盟气温变化

气温是表征空气冷热程度的物理量。如图1a所示，1956-2017年间研究区年平均气温最小值-0.03℃，最大值4.87℃，平均值2.76℃。年平均气温具有明显的年际波动，但是同时也呈现出显著的上升趋势，上升速率约为0.43℃·(10a)-1；该上升趋势通过了0.01水平显著性检验。

年平均气温的小波方差图(图1b)中存在4个较为明显的峰值，依次对应着27、21、13 a和6 a的时间尺度。其中，最大峰值对应着27 a的时间尺度，说明27 a左右的周期震荡最强，为气温变化的第一主周期；21、13 a和6 a时间尺度分别对应着第二、第三、第四主周期。其中27、21 a和13 a尺度周期对气温的影响最为显著。

图1 锡林郭勒盟年平均气温变化及小波方差Fig.1 The average annual air temperature variation in Xilingol League and wavelet variations

3.2 1956—2017年锡林郭勒盟降水量变化

降水是指大气中的水汽以液态或者固态的形式到达地面，其主要形式有降雨和降雪，以及雹、露、霜等[18]。降水是水循环过程的主要环节之一，是地球上各种水体的直接或者间接补给来源，对生态系统结构和功能的维持具有重要作用。锡林郭勒盟1956-2017年间年降水量的最小值为158.58 mm(2017年)，最大值为418.19 mm(1959年)，平均值为253.86 mm。从图2a中的降水趋势线来看，锡林郭勒盟1956-2017年间年降水量有微弱递减趋势，递减速率约为6.32 mm·(10a)-1；该递减趋势未通过0.05显著性水平检验。

年降水量小波方差图(图2b)中存在2个明显的峰值，分别对应28 a和7 a的时间尺度。其中，最大峰值对应着28 a的时间尺度，28 a尺度周期对降水影响最为显著。

3.3 1956—2017年锡林郭勒盟蒸发皿蒸发量变化

蒸发量研究不仅在水分平衡中占有重要地位，对于气候形成和工农业生产也具有重要的意义。气象站测定的蒸发量是用蒸发皿观测到的水面蒸发量。如图3a所示，锡林郭勒盟1956-2017年间蒸发皿年蒸发量的最小值为1 817.26 mm(1956年)，最大值为2 471.13 mm(2001年)，平均值为2 164.75 mm。锡林郭勒盟蒸发皿年蒸发量具有递增趋势，递增速率为10.90 mm·(10a)-1；该递增趋势通过了0.01显著性水平检验。

蒸发皿年蒸发量小波方差图(图3b)没有明显的峰值，说明在现有的时间尺度上，蒸发周期性弱。

3.4 1956—2017年锡林郭勒盟风速变化

空气运动产生的气流，称为风；风是近地表土壤风蚀和沙物质搬运、堆积的主要动力。如图4a所示，锡林郭勒盟1956-2017年间年平均风速最小值为3.17 m·s-1(2011年)，最大值为4.36 m·s-1(1958年)，平均值为3.76 m·s-1。锡林郭勒盟的年平均风速具有明显的递减趋势，递减速率为0.16 m·s-1·(10a)-1；该递减趋势通过了0.01显著性水平检验。

年平均风速小波方差图(图4b)中有唯一峰值，对应时间尺度为28 a，说明锡林郭勒盟的风速存在着28 a的周期变化。

4 讨 论

气候变化是指能够识别的(如采用统计检验)气候状态的变化，即特征均值和/或变率的变化，并持续一段时期，通常为几十年或者更长时间[1]。史培军等[19]根据气温和降水量的变化趋势将中国气候变化(1961-2010年)划分为5个变化趋势带，即东北-华北暖干趋势带、华东-华中湿暖趋势带、西南-华南干暖趋势带、藏东南-西南湿暖趋势带以及西北-青藏高原暖湿趋势带。按照这个区划，锡林郭勒属于东北-华北暖干趋势带。本文研究结果表明，锡林郭勒1956-2017年平均气温变化速率约为0.43℃· (10a)-1，降水量递减速率约为6.32 mm·(10a)-1，有暖干趋势，与上述分区结果一致。全球平均表面温度1951-2012年期间升温率为0.12 ℃· (10a)-1[1]，中国1961-2015年间升温率为0.32 ℃· (10a)-1[20]，锡林郭勒1956-2017年间平均气温上升速率比全球升温率高258.33%，比全国升温率高34.38%。北半球中纬度陆地区域，降水从1901年起出现了上升(在1951年以前为中等信度，1951年后为高信度)[1]，中国1960-2013年降水量线性增加率为0.94 mm· (10a)-1[21]，锡林郭勒盟1956-2017年期间年降水量递减速率约为6.32 mm· (10a)-1，与全球和全国降水量整体变化趋势相反。

图2 锡林郭勒盟年降水量变化及小波方差Fig.2 The average annual precipitation variation in Xilingol League and wavelet variations

图3 锡林郭勒盟蒸发皿年蒸发量变化及小波方差Fig.3 The average annual pan evaporation variation in Xilingol League and wavelet variations

图4 锡林郭勒盟年平均风速变化及小波方差Fig.4 The average annual wind speed variation in Xilingol League and wavelet variations

图5 锡林郭勒盟总人口与地区生产总值(GDP)变化Fig.5 Changes in the total population and GDP of Xilingol League

大量研究表明，地球地表上升平均温度中超过一半极可能是人为增加的温室气体(CO2、CH4、N2O等)和其他人为因素(气溶胶、土地利用、地表反照率和臭氧变化)共同造成。从全球来看，1970-2010年CO2排放量占温室气体总排放量的78%；经济发展和人口增长仍然是推动因化石燃料燃烧造成CO2排放增加的两个最重要因素[1]。如图 5所示，从1947年至今，锡林郭勒盟的人口一直呈上升趋势，1947年全盟仅有18.85万人，2017年全盟的人口数量达到了105.16万人。1949年的地区生产总值(GDP)仅为0.21亿元，1949年至20世纪90年代，GDP较低，且增长缓慢；20世纪90年代至2000年前后，地区GDP增长明显；2000年至今，地区GDP呈现快速增长趋势，2017年生产总值高达1 090.47亿元。与之相应的能源消费总量(原煤和原油及其制品、天然气等)也在快速增加，温室气体排放持续上升，这有利于本区气温的升高[22]。但是，锡林郭勒盟气温从20世纪70年代就开始上升，而GDP在2000年以后快速增加，两者变化并未同步，说明本区气温的上升主要是受全球变暖背景的影响。气候变化是生态环境各因子变化的综合体现，是人类活动与自然因素共同作用的复杂过程，区域环境变化与区域气候变化的互馈机制，以及各因子对气候变化的作用机理及定量化，有待今后进一步研究探讨，但草原生态系统对全球及中国气候变暖的贡献不可忽视[10]。

气候变化将会放大自然系统和人类系统的现存风险，同时带来各种新生风险；极端天气发生的概率增加，陆地、淡水和海洋生物面临更大灭绝风险，水资源竞争加剧，给生态系统服务功能带来挑战，对全球和区域的粮食安全带来较大风险[1]。锡林郭勒草原产草量的时空变化与主要气候因素关系密切[23]，气温、降水量对锡林郭勒草原净初级生产力(NPP)的影响存在正协同效应，但气温不如降水的影响大[24]。近几十年，锡林郭勒盟草地面积持续萎缩、草场质量不断下降，造成牧区草地生态系统问题的主要原因是农业经济活动强度加大导致的草地载畜量的增加、草地开垦规模的扩大以及作为社会因素的牧区人口数量的不断上升；区域气候的“暖干化”趋势加剧了锡林郭勒草地的退化[13, 25]。同时，气候变化直接引起地表水热条件的改变，使得植物的物候[26]和生长状况发生变化，地表反照率也随之改变[27]。

全球许多地区的蒸发皿蒸发量存在着显著的下降趋势，出现了所谓的“蒸发悖论”[28]。中国近50年蒸发皿蒸发量平均减少速率为17.2 mm·(10a)-1[29]。云量和气溶胶的增加，导致的地表太阳辐射减少、气温日较差和水汽压差变弱是全球蒸发减少的主要原因[28, 30]。锡林郭勒盟蒸发皿年蒸发量变化趋势与全球和中国的整体变化趋势不一致。师桂花[31]研究认为气温上升、相对湿度降低是造成该区蒸发量上升的主要原因。

全球范围来看，热带和中纬度近地表风速正在减小，而高纬度的地表风速在增加[32]。中国1961-2014年近地表风速递减速率约为0.18 m·s-1·(10a)-1[33]。锡林郭勒盟年平均风速的变化趋势和全国一致，递减速率为0.16 m·s-1·(10a)-1，比全国平均递减速率略低。在全球和亚洲变暖的背景下，近几十年来，亚洲冬、夏季风减弱以及亚洲纬向环流加强、经向环流指数减弱导致中国中高纬度地区冷空气南下次数减少，中国寒潮次数减少与中国沙尘暴减少、亚洲温带气旋数在中纬度明显减少，这是中国大范围风速减小的体现和可能原因[34-35]。

佟斯琴[36]的研究结果表明， 锡林郭勒盟1961-2010年的气温变化具有28、9 a和5 a的显著周期，与本试验结果略有不同。其研究结果还表明锡林郭勒盟1961-2010年的降水存在25 a和7 a的震荡周期[36]；王海梅[37]的研究结果表明锡林郭勒盟的降水在25～32 a的时间尺度上有较明显的周期信号；本研究结果与上述两个研究基本一致。宋小园[38]对位于锡林郭勒盟东南部的锡林河流域的1960-2010年蒸发的研究表明，锡林河流域年蒸发的第一主周期为23 a；研究区邻区科右中旗1964-2010年的蒸发量有8 a的震荡周期[39]，鄂尔多斯高原的年蒸发量在12～14 a和21～22 a尺度震荡特征明显[40]，上述研究结果与本研究有较大差异。

5 结 论

本文利用锡林郭勒盟8个国家气象站点1956-2017年的气象数据，分析了该区气温、降水、蒸发皿蒸发量和风速的变化特征，得出结论如下:

1)锡林郭勒盟1956-2017年期间的年平均气温具有显著上升趋势，上升速率为0.43 ℃·(10a)-1，比全国气温上升速率高34.38%；存在27、21、13 a和6 a的周期。

2)锡林郭勒盟1956-2017年期间年降水量最小值为158.58 mm，最大值为418.19 mm，平均值为253.86 mm；存在28 a和7 a的周期。年降水量有微弱递减趋势，该递减趋势未通过0.05显著性水平检验；递减速率约为6.32 mm·(10a)-1，与全球和全国的整体变化趋势相反。

3)锡林郭勒盟1956-2017年期间年蒸发皿蒸发量最小值为1 817.26 mm，最大值为2 471.13 mm，平均值为2 164.75 mm，周期性弱；蒸发皿年蒸发量具有递增趋势，该趋势通过了0.01显著性水平检验；递增速率为10.90 mm·(10a)-1，与全球和全国的整体变化趋势相反。

4)锡林郭勒盟1956-2017年期间年平均风速最小值为3.17 m·s-1，最大值为4.36 m·s-1，平均值为3.76 m·s-1，存在28 a的周期。年平均风速具有明显的递减趋势，该递减趋势通过了0.01显著性水平检验；递减速率为0.16 m·s-1·(10a)-1，比全国平均递减速率略低。