氣候變暖背景下西北脆弱帶近54年降水季節變化特征

楊 蓉, 趙多平

(寧夏大學 資源與環境學院, 銀川 750021 )

IPCC第四次評估報告指出：近100年來全球平均氣溫升高了0.74℃，平均升溫速率大致為0.1℃/10 a，今后20 a全球平均地面氣溫仍將以0.2℃/10 a的速率繼續上升[1]，未來全球仍將表現為明顯的增溫趨勢。地球上不同要素交界地帶的區域，如水陸交界帶、干濕交替帶、農牧交錯帶、沙漠邊緣帶等，它們的環境要素十分敏感，這些區域能及時、靈敏地體現全球變化的早期信號，對全球變化的響應具有獨特性，這就是生態脆弱帶[2]。脆弱帶由于特殊的地理環境和氣候條件，對于氣候變化和人類干擾的影響極為敏感，使其成為研究全球變化重要的預警區[3]，因此，生態脆弱帶的研究對全球變化研究以及預測區域未來氣候、環境演變具有重大科學意義。對生態脆弱帶的研究大多數學者把研究重點集中在脆弱帶的生態環境惡化狀況、土地生產力退化和土壤侵蝕等方面[4]，生態脆弱帶對全球變化的響應與反饋研究，學者們主要關注的方向是氣候變暖對其植被及其覆被變化的影響研究，以及全球變化與生態脆弱帶各個影響因子的關系研究[5]，對其土壤、氣候、植被等要素的時空分布與演變格局的研究也很多[6]。近年來很多學者針對我國不同區域的氣候變化特征進行了大量的研究分析[7-8]，但對脆弱帶地區的氣候變化研究卻極少。

西北脆弱帶是我國地理環境最復雜、生態環境最脆弱的特殊區域之一，在全球氣候變暖的背景下更易受到全球氣候變暖和氣候異常的影響，也更能靈敏、及時地反映全球變化，有著獨特的響應特征，因此在全球變暖的大背景下有必要加強對西北脆弱帶地區氣候變化的研究。基于此，本文選取西北脆弱帶作為研究區域，利用1961—2015年的降水量數據，以線性傾向估計、普通Kriging插值等數理分析方法，分析氣候變暖背景下西北脆弱帶近54年的降水量時空變化特征，以期為本區域自然生態系統和社會經濟系統的可持續發展提供一些科學理論依據，同時也對全球變化研究提供一些區域的科學證據。

1 研究區與方法

1.1 研究區概況

我國脆弱帶多指北方農牧交錯帶，它自東北向西南縱貫中國北部地區，北起大興安嶺西麓的呼倫貝爾，向西南延伸至內蒙古東南部，過冀北、晉北、陜北和鄂爾多斯高原，到達寧夏、甘肅中部和青海東部地區。北方農牧交錯帶由東向西依次為東北脆弱帶、中部脆弱帶和西北脆弱帶[3]。

本文研究區西北脆弱帶地處陜、甘、寧、蒙四省的接壤地區(33°8′—40°9′N，101°2′—112°4′E)，是一個近似四邊形的區域，總面積約為34萬km2，包括陜西北部、寧夏、甘肅東南部和內蒙古臨近寧夏的南部地區。從氣候特征來看，西北脆弱帶剛好位于我國夏季風末勢力區的季風與非季風氣候的賀蘭山交界地區,降水的地區差異、季節和年際變率都極大，且變化十分敏感；從地形特征來看，該區地處我國中部黃土高原區向內蒙古高原邊緣地帶的毛烏素沙漠和騰格里沙漠過渡的地區，由東向西為東南黃土丘陵溝壑區向西南黃土丘陵溝壑區的過渡地帶，地形起伏大且復雜多變，地形因素對小氣候的影響較大；從生態環境來看，這里是我國典型的從半濕潤區向半干旱、干旱區過渡的農牧交錯區，又稱其西北農牧交錯帶[4]。該區的生態環境系統和社會經濟活動等都是處在變化的臨界區間，其自然生態環境的變化會直接影響西部乃至全國的生態與經濟安全。

1.2 數據來源

本文選取西北脆弱帶氣象數據比較完整的40個氣象站點1961年1月—2015年12月共54 a的降水量月值數據，依此計算出降水量年值和季節值，通過對數據的分析與處理得出本區降水量時空變化特征。所用氣象數據資料來源于中國氣象數據共享服務網(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。

為了更詳細分析西北脆弱帶的降水量變化特征，依據區域自然地理環境的差異性將西北脆弱帶做進一步中尺度的劃分，主要以賀蘭山所在的大致105°E線作為區域的東西分界線，毛烏素沙漠南緣所在的大致37°N線作為區域的南北分界線[7]，依此分界線做出中尺度分區(圖1)∶1區為半干旱的東北毛烏素沙區，2區為半濕潤的東南黃土丘陵溝壑區，3區為半干旱的西南黃土丘陵溝壑區，4區則為干旱的西北騰格里沙區。

圖1西北脆弱帶氣象站點分布及分區

1.3 研究方法

本文主要利用Excel，ArcGIS，DPS數據處理系統等軟件對要素數據進行分析處理，采用數理統計分析法、線性傾向估計法、趨勢線擬合法、克里金插值法等方法，詳細分析西北脆弱帶地區近54年來的降水量時空變化特征。其中，線性傾向估計法是用來分析某一氣候變量的變化傾向趨勢及這種變化趨勢顯著與否的方法，可表明隨時間增加氣候變量的變化趨勢、變化速率及氣候變量與時間之間的線性關系大小[8]。Kriging(克里金)插值法又稱為空間自協方差最佳插值法，它是以南非礦業工程師D．G．Krige的名字命名的一種最優內插法，是地學統計學常采用的一種求最優、線形、無偏的空間內插方法[9]。它考慮的是要素空間屬性在空間位置上的變異分布，它是在充分考慮觀測資料之間的相互關系后，對每一個觀測資料賦予一定的權重系數，然后加權平均得到估計值，本文運用此方法進行降水數據空間變化的分析。

2 西北脆弱帶降水量季節時空變化特征

2.1 西北脆弱帶降水量年變化特征

1961—2015年西北脆弱帶多年平均降水量為367.52 mm，年降水最大值、最小值的分別為547.42 mm(1964年)，262.37 mm(1982年)，最大值和最小值相差285.05 mm，降水量年際變化幅度較大。

分析西北脆弱帶年降水量距平值變化(圖2)可知，近54年西北脆弱帶降水量總體呈減少趨勢，減少速率為3.29 mm/10 a，降水變化趨勢不明顯。通過分析6階多項擬合趨勢可知，20世紀60年代，降水波動減少趨勢較明顯，減少速率為49.53 mm/10 a；20世紀70年代初—90年代末降水波動變化特征不明顯，整體略有增加，增加速率為1.35 mm/10 a；進入21世紀是降水增加最為明顯的階段，增加速率為32.36 mm/10 a。相比而言，20世紀60年代為下降期，70—90年代為平穩期，進入21世紀以后為上升期。

圖2西北脆弱帶年降水量距平變化特征

2.2 西北脆弱帶降水量季節變化特征

西北脆弱帶1961—2015年四季降水量距平變化趨勢可知(圖3)，春、夏、冬三季降水均呈增加趨勢，秋季降水量則呈減少趨勢，變化速率大小關系為夏季(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)，四季降水量具體變化特征表現為：

(1) 春季多年平均降水量為59.28 mm，近54年來西北脆弱帶春季降水量呈增加趨勢，增加速率為0.02 mm/10 a，年際變化波動幅度不大。通過分析6階多項擬合趨勢可知，春季降水量變化大概以10 a為周期經歷了增加—減少—增加—減少—增加的趨勢。具體而言，20世紀60年代初期降水量增加較快，之后開始持續下降，進入80年代以后呈現增加趨勢，90年代略有減少，2000年以后春季降水量又逐步增加。

(2) 夏季多年平均降水量為177.03 mm，夏季降水量增加幅度最大，增加速率為2.76 mm/10 a。分析6階多項擬合趨勢可知，近54年來西北脆弱帶夏季降水經歷了減少—穩定—減少—增加的趨勢。20世紀60年代初期降水量呈快速減少趨勢，減少速率可達9.94 mm/10 a，60年代末期—90年代相對穩定，90年代末期—2006年又有所減少，2007—2015年夏季降水量開始快速增加，增加速率為168.25 mm/10 a。

(3) 秋季多年平均降水量為77.52 mm，近54年來西北脆弱帶秋季降水量呈較少趨勢，也是4個季節中降水量唯一呈減少趨勢的季節，下降速率為1.87 mm/10 a。6階多項擬合趨勢顯示，近54年來西北脆弱帶秋季降水量波動變化趨勢較大，大致呈V型經歷了較為顯著的減少和增加期，其中20世紀60—90年代初為降水量減少期，減少速率為13.97 mm/10 a，90年代—21世紀初為增加期，增加速率為19.49 mm/10 a。

(4) 冬季多年平均降水量為12.51 mm，西北脆弱帶冬季降水呈增加趨勢，增加速率為0.39 mm/10 a。6階多項擬合趨勢得出，西北脆弱帶冬季降水經歷了增加—減少—增加—減少的趨勢，20世紀60—80年代降水增加趨勢明顯，增加速率為7.69 mm/10 a，80—90年代末為減少期，減少速率為3.91 mm/10 a，90年代末—2006年略有增加，2006年以后冬季降水量又開始減少。

2.3 中尺度分區降水量變化特征

西北脆弱帶4個中尺度分區的年均降水量變化趨勢可知(圖4)，1961—2015年，西北脆弱帶各分區降水量有增有減，增加速度最快的是東北毛烏素沙區，其次是西北騰格里沙區，西南黃土丘陵溝壑區和東南黃土丘陵溝壑區的降水則呈減少趨勢。

(1) 東北毛烏素沙區多年平均降水量276.27 mm，年降水量最大值、最小值分別為422.23 mm(1961年)，143.54 mm(1965年)，兩值相差278.69 mm，降水量年際變化幅度較大。近54年該區降水量總體呈增加趨勢，在4個分區中增加速度最快，增加速率為4.38 mm/10 a，特別是進入21世紀降水量波動增加趨勢更快，增加速率為34.54 mm/10 a。

(2) 西北騰格里沙區多年平均降水量201.26 mm，是4個分區里降水最稀少的一個區，年均降水最大值、最小值分別為271.27 mm(1961年)，126.7 mm(1962年)，兩值相差144.57 mm，降水年際變化幅度是4個區中最小的。近54年該區降水量總體呈增加趨勢，增加速率為0.76 mm/10 a，整體增加趨勢并不明顯。就降水量的波動變化來看，20世紀60—70年代中期為降水波動減少期，減少速率為4.72 mm/10 a；70年代中期—90年代末降水波動增加，增加速率為2.68 mm/10 a，進入21世紀降水量又波動減少，減少速率為17.054 mm/10 a。

圖3西北脆弱帶四季降水距平變化趨勢

圖4西北脆弱帶中尺度分區年均降水量距平變化特征

(3) 西南黃土丘陵溝壑區多年平均降水量為469.66 mm，年均降水最大值、最小值分別為758.58 mm(1964年)，337.57 mm(1997年)，兩值相差421.01 mm，在4個分區中降水量年際變化幅度最大。近54年來該區降水量總體呈減少趨勢，且減少速度較快，減少速率為12.38 mm/10 a。通過6階多項擬合趨勢可知，20世紀60年代為降水迅速減少期，減少速率為103.65 mm/10 a；70—90年代末為相對平穩期，降水仍有緩慢減少，減少速率為9.2 mm/10 a；進入21世紀西南黃土丘陵溝壑區降水量呈較快增加趨勢，增加速率為43.64 mm/10 a。

(4) 東南黃土丘陵溝壑區是4個分區中年均降水量最多、最為濕潤的區域，多年平均降水量為482.31 mm，年降水最大值、最小值分別為713.78 mm(1967年)，350.52 mm(1982年)，兩者相差363.26 mm，降水年際變化幅度較大。近54年該區降水量總體呈減少趨勢，減少速率為4.55 mm/10 a。通過6階多項擬合趨勢可知，20世紀60年代為降水量快速減少期，減少速率為74.6 mm/10 a；70—90年代末為降水量持續減少期，減少速率為10.24 mm/10 a；進入21世紀該區降水量波動增加，增加速率為52.86 mm/10 a。

2.4 中尺度分區降水量季節變化特征

分析1961—2015年西北脆弱帶4個中尺度區域的四季降水距平變化趨勢(圖5—6)可知：

(1) 東北毛烏素沙區春夏秋冬四季的多年平均降水量分別為34.94，124.88，48.71，13.24 mm。近54年來東北毛烏素沙區春、夏、秋季降水量均呈增加趨勢，夏季增幅最大，而冬季降水量則呈減少趨勢。四季降水量變化速率大小關系為夏季(5.13 mm/10 a)>秋季(2.98 mm/10 a)>春季(2.68 mm/10 a)>冬季(-1.79 mm /10 a)。4個季節的降水都是波動變化的，夏秋兩季的降水年際波動最大，就20世紀以來的十幾年來看，春、夏、秋季降水量增加趨勢明顯，冬季降水則呈波動減少趨勢。

(2) 西北騰格里沙區春夏秋冬四季的多年平均降水量分別為35.57，116.32，45.27，4.11mm。近54年來西北騰格里沙區春、秋、冬三季降水量呈增加趨勢，冬季增幅最大，唯有夏季降水量呈減少趨勢，四季降水量變化速率大小關系為冬季(0.5 mm/10 a)>春季(0.4 mm/10 a)>秋季(0.15 mm/10 a)>夏季(-0.16 mm/10 a)。4個季節的降水量波動變化，就20世紀以來的十幾年來看，春、秋、冬3個季節降水量呈波動減少，夏季降水則呈緩慢增加趨勢。

(3) 西南黃土丘陵溝壑區春夏秋冬四季的多年平均降水量分別為66.5，209.36，97.81，17.79 mm。西南黃土丘陵溝壑區夏、冬兩季降水量呈增加趨勢，春、秋兩季降水量呈減少趨勢，秋季減少最為明顯，四季降水量變化速率大小關系為夏季(4.28 mm/10 a)>冬季(1.77 mm/10 a)>春季(-3.26 mm/10 a)>秋季(-6.89 mm/10 a)。4個季節的降水波動變化，秋季的降水年際波動最大，就20世紀以來的十幾年來看，春、夏、秋季降水呈波動增加趨勢，而冬季降水則呈波動減少趨勢。

(4) 東南黃土丘陵溝壑區春夏秋冬四季的多年平均降水量分別為100.54，250.67，113.95，11.02mm。東南黃土丘陵溝壑區春、冬兩季降水量呈增加趨勢，但增加幅度不大，夏、秋兩季降水量呈減少趨勢，秋季減少明顯，四季降水量變化速率大小關系為冬季(1.4 mm/10 a)>春季(0.57 mm/10 a)>夏季(-0.16 mm/10 a)>秋季(-3.23 mm/10 a)。4個季節的降水均呈波動變化，就20世紀以來的十幾年來看，春、夏兩季降水呈波動增加趨勢，而秋、冬兩季降水則呈波動減少趨勢。

2.5 西北脆弱帶降水量空間變化特征

運用普通Kriging插值法得出1961—2015年西北脆弱帶年降水量及傾向率空間變化圖，其中年降水量空間變化(附圖1A)大致沿東南—西北方向，呈現由多到少的逐步過渡，即西南黃土丘陵溝壑區、東南黃土丘陵溝壑區為降水相對高值區，騰格里沙區為相對低值區。全區年降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區內的洛川站，年降水量高達612.52 mm，最少的是騰格里沙區內的吉蘭泰站，年降水量僅為104.49 mm。全區有19個站點近50%的地區降水超過400 mm；13個站點32.5%的站點年降水量為200～400 mm，有8個站點20%的地區降水量在200 mm以下。

近54年來，西北脆弱帶年降水量傾向率空間變化差異明顯(附圖1B)，年降水傾向率空間變化大致沿東南—西北方向呈現由減少到增加的逐步過渡，西南黃土丘陵溝壑區及東南黃土丘陵溝壑區為降水減少區，毛烏素沙區和騰格里沙區為相對增加區。整個西北脆弱帶有9個22.5%的站點年降水量處于增加趨勢，上升速率最快的是位于毛烏素沙區內的伊金霍洛旗站(49.13 mm/10 a)，上升速率最小是位于甘肅省境內的臨夏站，僅有0.45 mm/10 a。其余站點降水量均呈下降趨勢，約占77.5%，下降速率最大的為毛烏素沙區內的榆林站(-36.84 mm/10 a)，最小的為西南黃土丘陵溝壑區內的天水站(-0.29 mm/10 a)。

2.6 西北脆弱帶不同季節降水量空間變化特征

西北脆弱帶1961—2015年各季節降水量空間變化分布如附圖2所示，可看出4個季節降水量的空間差異明顯，大致都沿東南—西北方向呈現由多到少的逐步過渡趨勢。

圖5東北毛烏素沙區、西北騰格里沙區四季降水距平變化趨勢

圖6西南黃土丘陵溝壑區、東南黃土丘陵溝壑區四季降水距平變化趨勢

(1) 春季降水量空間變化(附圖2A)大致沿東南—西北方向，呈現由多到少的逐步過渡，即東南黃土丘陵溝壑區、西南黃土丘陵溝壑區為相對高值區，東北毛烏素沙區、西北騰格里沙區為相對低值區。全區春季降水量最多的站點為西南黃土丘陵溝壑區內的岷縣站，為138.9 mm，最少的是毛烏素沙區內的陶樂站，春季降水量僅為10.69 mm。全區有8個站點20%的地區春季降水量超過100 mm；有24個站點60%的地區為20～100 mm，還有8個站點20%的地區春季降水量僅在20 mm以下。

(2) 夏季降水量空間變化(附圖2B)大致也是沿東南—西北方向呈現由多到少的逐步過渡，東南黃土丘陵溝壑區夏季降水量最高，西南黃土丘陵溝壑區次之，西北騰格里沙區為夏季降水量最少的區域。全區夏季降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區內的洛川站，為438.9 mm，最少的是騰格里沙區內的吉蘭泰站，夏季降水量僅為68.98 mm。全區有7個站點18%的地區夏季降水超過300 mm；26個站點70%的站點夏季降水量為100～300 mm，5個站點12%的地區在100 mm以下。

(3) 秋季降水量空間變化(附圖2C)仍是東南多西北少，西南黃土丘陵溝壑區、東南黃土丘陵溝壑區為相對高值區，東北毛烏素沙區、西北騰格里沙區為相對低值區。全區秋季降水量最多的站點為東南黃土丘陵溝壑區內的長武站，為173.78 mm，最少的是毛烏素沙區內的陶樂站，僅為13.24 mm，兩站相差160.54 mm，秋季降水空間差異較大。全區有13個站點32.5%的地區秋季降水超過100 mm；23個站點近60%的站點秋季降水量為20～100 mm，4個站點10%的地區在20 mm以下。

(4) 冬季降水量整體全區都比較少(附圖2D)，相對來說，東部的東南黃土丘陵溝壑區和毛烏素沙區有部分降水，而西北騰格里沙區和西南黃土丘陵溝壑區都是降水極少的干旱期。冬季降水量最多的站點為毛烏素沙區內的伊金霍洛旗站，為116.55 mm，最少的是毛烏素沙區內的陶樂站，僅為0.98 mm。全區有5個站點12.5%的地區冬季降水超過20 mm；9個站點22.5%的站點冬季降水為10～20 mm，26個站點65%的地區僅在10 mm以下。

3 討論與結論

(1) 研究發現，西北脆弱帶降水對全球氣候變化的響應特征是：在1961—2015年共54年間，西北脆弱帶多年平均降水量為367.52 mm，降水量總體呈減少趨勢，但減少趨勢并不明顯。表明在全球變暖背景下，西北脆弱帶的降水有所減少，這與我國近百年來降水量的增加趨勢是相反的[10]。但就降水變化的階段性來看，2000年以來的近十幾年來西北脆弱帶年降水量呈現出明顯上升趨勢，表明隨著全球變暖的趨勢越來越明顯，勢將導致海洋與陸地水體蒸發旺盛，而使大尺度的水循環更加旺盛，大部分區域降水增加[11]，加之近年來西北脆弱帶生態建設初見成效，也使其總體降水量明顯增加。

(2) 西北脆弱帶年均降水量的空間變化趨勢是沿東南—西北方向逐漸減少，年均降水量最高為東南黃土丘陵溝壑區，最低為西北騰格里沙區，符合我國降水量整體由東南向西北遞減的大趨勢。西北脆弱帶年均降水量傾向率的空間變化大致沿東南—西北方向呈現由減少到增加的過渡，西南黃土丘陵溝壑區及東南黃土丘陵溝壑區為降水量減少區，毛烏素沙區和騰格里沙區為降水量相對增加區。表明在全球變暖的大背景下蒸發旺盛，水循環的海陸大循環加劇，使原本降水量多的區域降水減少，而原本降水量少的沙漠區則降水有所增加。此外，毛烏素沙區和騰格里沙區的沙漠治理對降水量也有調節作用[12]。

(3) 西北脆弱帶54年間四季的降水距平變化趨勢表現為，春、夏、冬三季的降水量呈增加趨勢，秋季降水量呈減少趨勢，變化速率大小關系為夏季(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)。西北脆弱帶春、冬季節降水量變化大概以10 a為周期經歷了增加—減少—增加—減少—增加的趨勢，2000年以后春、冬季節降水是逐步增加的趨勢。而夏、秋季節的降水變化大致經歷了減少期—穩定期—減少期—增加期，2007年以來夏、秋季節降水呈快速增加趨勢。4個季節降水量的空間差異明顯，但大致都沿東南—西北方向，呈現由多到少的逐步過渡趨勢。

(4) 西北脆弱帶4個中尺度分區四季均以夏秋季節降水為主。東北毛烏素沙區春、夏、秋季降水呈增加趨勢，冬季降水呈減少趨勢；西北騰格里沙區春、秋、冬季降水增加，夏季降水減少；西南黃土丘陵溝壑區夏、冬兩季降水量增加，春、秋兩季降水量減少；東南黃土丘陵溝壑區春、冬兩季降水增加，夏、秋兩季降水減少。就20世紀以來的近十幾年來看，東北毛烏素沙區和西南黃土丘陵溝壑區春、夏、秋季降水量增加趨勢明顯，西北騰格里沙區春、秋、冬季降水量增加趨勢明顯，而東南黃土丘陵溝壑區僅春、夏兩季降水呈波動增加趨勢。

(5) 氣候變暖背景下西北脆弱帶近54年來降水量總體略微減少的趨勢表明該區域氣候的仍具暖干化發展趨勢，這對該區的農業經濟總體發展將產生威脅。但就2000年以來該區的降水量又呈現出明顯的增加趨勢來說，是否本區氣候具有由暖干向暖濕轉型的大趨勢[14]，這是本區氣候狀態的突變還是一個漸進的過程，還取決于今后進一步加強對西北脆弱帶氣候變化事實、降水量時空變化未來趨勢的全面分析及其機制的深入研究,這無論對氣象學還是國民經濟發展都將是一個重大的課題。