荒漠气候不稳定性探究范文

《干旱区研究》2016年第三期

摘要:

气候的不稳定性要比气温持续升高的危害性更大。以民勤荒漠区为例，运用1961—2013年的气象观测资料，分析了民勤荒漠气候在响应全球变暖过程中的不稳定性。结果表明:①1月和4月平均气温的不稳定性增大，2月的等温日期提前10．36d。②12月和1月的极端最高气温的不稳定性增大，7月的极端最低气温的不稳定性增大，5月的极端最低气温的变异系数高达287．3%。③1月降水量的不稳定性增大。同时，年降水量的稳定性增强。

关键词:

气候变化;荒漠气候;不稳定性;民勤

近年来，全球气温变暖已成为一个全世界广泛关注的问题。IPCC(政府间气候变化专门委员会)第三次评估报告指出，20世纪全球平均气温升高了(0．6±0．2)℃，20世纪80年代和90年代是近100a中最温暖的20a〔1〕。IPCC第四次评估报告〔2〕称，1906—2005年全球地表平均温度上升了0．74℃，20世纪后半叶北半球平均温度是近1300a中最高的50a。IPCC第五次评估报告〔3〕称，20世纪50年代以来的气候变化是千年以来所未见的。刚刚过去的3个10a每一个都刷新了气温最高的纪录;从1983—2012年可能是北半球自1400年以来最热的30a。并指出，这次评估结果要比原来认识到的更加严重，而且有95%以上的把握认为气候变化是人类的行为造成的。随着全球变暖，引发了许多生态和环境问题。极端高温事件引发了北半球中高纬度地区发生季节性花粉过敏的时间提前、欧洲一些地区人口死亡率提高等许多负面结果〔4－5〕。我国学者预测，从现在开始到2100年，全球平均气温的“最可能升高幅度”是1．84℃。如果未来全球平均增温达到1．5～2．5℃(相对于1980—1999年)，将有20%～30%的物种可能面临灭绝的风险;如果升温幅度超过3．5℃，则有高达40%～70%的物种可能灭绝〔6〕。地球上不同部位、不同地貌对全球变暖的响应各不相同〔7〕。在全球范围内，除澳大利亚和北非干旱区外，南美洲、南非、北美洲、中亚和中国西北等全球主要干旱区近百年来呈明显变干趋势，且全球气候变暖时段的干旱年发生概率明显偏高〔8〕。1961—2007年我国干旱区年平均气温约上升了1．8℃，上升速率为0．39℃?(10a)－1〔9〕。中国西北的陕、甘、宁、新变暖的强度高于全国平均值〔7，10〕。新疆北部最近10a平均气温比前30a的平均值偏高0．7℃〔7〕。科尔沁沙地乌兰敖都地区春、冬季温度有逐渐回升的趋势，且冬季升温明显大于春季，偏暖温和高温的年份出现频率较多〔11〕。荒漠是陆地上的三大自然区之一，荒漠地区具有与其他地区完全不同的气候特征。Zhu等〔12〕的分析结果表明，民勤荒漠区1961—2009年的年平均气温升高速率大于全球水平，也大于中国近百年来水平，但低于中国东北地区近20a的上升速率。有关气候的不稳定性研究主要集中在古气候研究方面〔13－14〕。随着全球变暖，中国旱涝气候灾害的年际和年代际变化更加明显，东亚夏季风降水在21世纪初不仅年际变率增强，而且亚洲夏季风增强，引起中国华北和华南地区夏季降水明显增强，洪涝灾害增多〔15〕。河北衡水等县〔16〕以及河南省获嘉县〔17〕等地随着气候变暖，气候的不稳定性增强。干旱、半干旱地区许多生态与环境方面的问题可能与气温变暖密切相关〔18〕。气温的不稳定性尤其是极端气温的不稳定性对农林牧业生产的影响远比持续变暖要大得多〔19－20〕。曹玲等〔21〕将极端天气现象定义为大雨、干旱、≥35℃高温、≤－20℃低温、霜冻、大风、沙尘暴、雷暴和冰雹等，利用1958—2006年甘肃河西走廊18个观测站的观测资料进行了分析。荒漠是生态系统中最为脆弱的系统。然而目前还没有人研究过荒漠气候的稳定性问题，本文以民勤荒漠区为例，就这个问题作一初步分析。

一、研究区与研究方法

1.1研究区概况

民勤县位于中国西北干旱区河西走廊东北侧的石羊河流域下游，地处腾格里沙漠的西缘，地理位置101°48'～104°13'E，38°05'～39°27'N，总土地面积为16016km2，境内海拔多在1300～1350m(图1)。民勤县的生态退化大致可分为三个历史景观，即汉代以前－自然生态景观，西汉(前206年至公元25年)至民国年间－退化生态景观，1950年以来－人工生态景观。民勤县属于中国最典型的荒漠化地区。据民勤县统计部门提供的资料，目前，境内沙漠、戈壁、盐碱滩地和低山残丘占总土地面积的94．2%。其中，沙漠面积占总面积的55．03%。民勤县多年平均降水量116．52mm，蒸发量2351．79mm，年平均≥17m?s－1大风28．2d，沙尘暴25．8d，扬沙天气37．8d，浮尘天气30．2d。目前绿洲内部及其边缘地下水位已下降至20m左右。图1研究区位置Fig．1Geographicallocationofthestudyarea由于气候干旱，降水稀少，原有植被大面积衰败死亡，荒漠草场退化。

1.2观测与数据处理方法

运用民勤治沙综合试验站1961—2013年气象观测资料，观测指标主要有日照、气温、气压、降水、空气湿度、地温、风速风向、大风日数、沙尘暴日数等，每一观测指标中又包括多个统计项，如气温有月平均气温、年平均气温、月极端最高气温、月极端最低气温等;降水量包括各月降水量、年降水量和日降水强度。其他站点的资料来源于“中国气象科学数据共享服务网”。本文气候的不稳定是指气候指标忽高忽低，变差增大。变差的大小用3a滑动标准差(1式)计算，变差的变化趋势用一次线性趋势线(2式)表示，变化趋势的显著性用回归趋势线的显著性检验来判定。数据分析运用SPSS13．0完成。

二、结果分析

2.1民勤荒漠气候对全球变暖的响应

1961—2013年民勤年平均气温7．80℃，年平均气温显著升高(P＜0．05)，升高趋势为0．116℃?(10a)－1(图2a)。1961—2013年的月平均气温只有2月、4月和6月升温显著(P＜0．05)(图2b)，其他月变化不显著(P＞0．05)。统计表明，2月气温标准差最大，其次是1月和12月，再次是11月和4月，7月最小(图2c)。3a滑动标准差分析表明，只有1月和4月平均气温有显著增大趋势(图2d)(P＜0．05)，其他各月和年平均气温的显著增大趋势不显著(P＞0．05)。进一步按年代分组(1961—1970，1971—1980，1981—1990，1991—2000，2001—2010，2011—2013年)分析，1月标准差最大，其次是4月、2月、6月和3月，其中只有2月和4月增大趋势显著(P＜0．05)，年和其他月份均不显著，11月的变异系数最高，达－42．7%(表1)。

2.2冬春季极端最高气温的变差

1961—2013年当地的年极端最高气温平均为37．16℃，1997年达到最高值41．0℃(7月22日)同期只有3月和11月极端最高气温(图3b)增高趋势显著(P＜0．05)，其他各月和年极端最高气温变化趋势均不显著(P＞0．05)。1961—2013年各月极端最高气温变化的标准差(图3c)表明，1月的标准差最大，其次是12月、2月和3月，6月极端最高气温的标准差最小。12月的月极端最高气温的3a滑动标准差增大趋势为极显著(P＜0．01)，1月的极端最高气温的标准差增大趋势为显著(P＜0．05)(图3d)，年和其他各月极端最高气温的3a滑动标准差的变化趋势均不显著(P＞0．05)。按年代分组分析表明，3月标准差最大，其次是2月、4月、1月和10月，12月最小。但按年代分组的极端最高气温变化趋势均不显著(P＞0．05)，1月的变异系数最高，为12．5%(表2)。

2.3夏季极端最低气温的变差

1961—2013年当地的年极端最低气温平均为－25．07℃，2008年达到最低值－32．2℃(2月1日)，年极端最低气温的变化趋势不显著(P＞0．05)(图4a)，而9月的极端最低气温增高趋势为极显著(P＜0．01)，4月和6月的月极端最低气温增高趋势显著(P＜0．05)(图4b)。1961—2013年各月极端最低气温变化的标准差(图4c)表明，2月标准差最大，其次是11月、12月、10月和3月，6月极端最低气温的标准差最小。5月的月极端最低气温的3a滑动标准差减小趋势为极显著(P＜0．01)，3月的极端最低气温的3a滑动标准差减小趋势为显著(P＜0．05)，7月的极端最低气温的3a滑动标准差增大趋势为显著(P＜0．05)(图4d)，年和其他各月极端最低气温的3a滑动标准差的变化趋势均不显著(P＞0．05)。按年代分组分析表明，1月标准差最大，其次是10月、4月、9月、2月、11月，12月最小，但按年代分组的极端最低气温只有11月和年的变化趋势显著(P＜0．05)，其他月份均不显著(P＞0．05)。5月的极端最低气温的变异系数高达287．3%(表3)。

2.4冬季

1月降水的不稳定性1961—2013年的年平均降水量为116．4mm，最多年份为185．8mm(1973年)，最小年份为42．2mm(1961年)(图5a)，年降水量和各月降水量多年变化趋势在95%的置信水平上回归趋势均不显著(P＞0．05)。1961—2013年各月降水量变化的标准差(图5b)表明，降水量变差最大的是8月，其次是7月、6月、9月和5月，12月降水量的变差最小，各月降水量变化的标准差与月降水量极显著正相关(r=0．982，P＜0．01)。分析表明，年降水量的3a滑动标准差减小趋势为显著(P＜0．05)，而1月降水量的3a滑动标准差增大趋势为显著(P＜0．05)(图5c)。按年代分组分析表明，年降水量的标准差最大，其次是9月、7月、6月、8月，12月亦最小。但按年代分组的降水量只有10月为显著减小趋势(P＜0．05)，年降水量和其他月份降水量变化均不显著(P＞0．05)(表4)。按年代分组分析表明，日最大降水量增加趋势显著(P＜0．05)，但日最大降水量和各月最大降水量的3a滑动标准差变化趋势以及年和各月的最长连续无降水日均为不显著(P＞0．05)(图5d)，2月的变异系数最高，其次是1月和11月。

三、讨论

(1)为了验证本文的研究结果，分析了河西走廊沙漠边缘和新疆以及内蒙古西部一些下垫面相同站点的同期资料。结果表明，在全球变暖背景下，新疆、内蒙古西部和河西走廊沙漠边缘一些站点气候的不稳定性表现出了不同程度的增强(表5)。但因民勤治沙综合试验站深入沙漠较深(图1)，因而气候的不稳定性表现较其他站点更为突出。(2)沙漠地区植被盖度低，大面积沙面裸露。裸露的沙面将大量的太阳辐射反射到近地层大气中，因而沙漠地区春季增温迅速，这便是沙漠地区气温响应全球变暖敏感和在全球变暖过程中气候的不稳定性增强的主要原因。表5河西走廊沙漠边缘气候的不稳定性Tab．5ClimateinstabilityinthemarginalzoneofdesertintheHexiCorridor气象站年极端最高气温/℃趋势3a滑动标准差年极端最低气温/℃趋势3a滑动标准差降水量/mm趋势3a滑动标准差鼎新站0．01*金塔站0．08*0．08*玉门镇站0．04＊＊塔中站0．04*若羌站0．53＊＊0．33＊＊和田站0．02*0．31＊＊左旗站0．03*0．01＊＊0．12＊＊0．02*赤峰站0．05*0．00＊＊*为显著增大(P＜0．05)，＊＊为极显著增大(P＜0．01)。(3)近两年，中国出现了一些异常气候事件:2010年中国云南遭遇百年一遇的全省性特大旱灾，干旱范围之广、时间之长、程度之深、损失之大，均为云南省历史少有;2011年春季，中国南方遇到了持续7个月之久的干旱，实属百年一遇，云南、贵州、广西、重庆、四川5省区市耕地受旱面积6．73×106hm2，2．09×107人、1．37×107头大牲畜因旱饮水困难;2012年7月21日北京遭遇61a来的特大暴雨，受灾面积1．60×106hm2，成灾面积1．40×106hm2，全市受灾人口1．60×106人;2005年6月1—2日，额尔齐斯河全流域发生了突发性融雪和降雨混合型大洪水事件〔22〕。以上这些“异常事件”或“百年一遇”事件反映出的共同特征，是气候变化的不稳定性在增强，这些是否与全球变暖有关，尚待进一步研究。(4)民勤荒漠区响应全球变暖的主要特征是春季气温回升早，春季物候提前〔23〕。民勤县夏粮播种最大的是小麦和玉米，3月中旬是小麦播种季节，4月是玉米、葵花、辣椒和各种瓜类的播种季节，麦苗已经出土。3、4月也是当地各种植物萌动展叶和开花季节〔23〕，气温变暖，导致春季物候提前，春节气温不稳定，给农业造成一定的影响:一方面农作物和其他植物遭受冻害，如葡萄、苹果等;另一方面每年3—5月是大风、沙尘暴的集中分布季节〔24〕，大风往往造成农林业受害减产，甚至造成事故，2010年4月24日19时，民勤县发生特强沙尘暴，最小能见度为0m，瞬间极大风速达到28m?s－1，导致停电、火灾等多起事故。(5)本文在计算滑动平均标准差采用了3个数据。因为我们的目的是要寻找变差的增大趋势，由于有的数据忽高忽低，因而其变差(标准差)的变化趋势回归不显著。然而，变化趋势不显著并不能说明变化小而可以忽略，相反，这种忽高忽低无规律的变化或许正是气候不稳定的表现形成之一。

四、结论

(1)1961—2013年，民勤荒漠区气候在响应全球变暖过程中，年平均气温和2月、4月以及6月上升显著。1月和4月平均气温的不稳定性增大。1961—2013年2月的等温日期提前10．36d。(2)3月和11月的极端最高气温显著增升高，12月和1月极端最高气温的不稳定性增大;年极端最低气温和4月、6月、9月极端最低气温显著升高，7月最低气温的不稳定性增大，5月极端最低气温的变异系数高达287．3%。与此同时，3月和5月极端最低气温的稳定性增强。(3)3月的最大降水量为增大趋势，1月降水量的不稳定性增大，10月的降水显著减少。与此同时，年降水量的稳定性增强。各月降水量变化的标准差与月降水量极显著正相关。(4)气候的不稳定性要比在全球变暖过程中气温的持续升高对农牧业生产的影响更大，当地气候变化对农牧业生产的影响主要是极端最高气温的突升和极端最低气温的突降。

参考文献:

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作者:常兆丰 马中华 王大为 韩福贵 段晓峰 王强强 张剑挥 单位:甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外观测研究站 甘肃省治沙研究所 武威市气象局