荒漠氣候不穩(wěn)定性探究范文

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《干旱區(qū)研究》2016年第三期

摘要:

氣候的不穩(wěn)定性要比氣溫持續(xù)升高的危害性更大。以民勤荒漠區(qū)為例，運用1961—2013年的氣象觀測資料，分析了民勤荒漠氣候在響應全球變暖過程中的不穩(wěn)定性。結果表明:①1月和4月平均氣溫的不穩(wěn)定性增大，2月的等溫日期提前10．36d。②12月和1月的極端最高氣溫的不穩(wěn)定性增大，7月的極端最低氣溫的不穩(wěn)定性增大，5月的極端最低氣溫的變異系數高達287．3%。③1月降水量的不穩(wěn)定性增大。同時，年降水量的穩(wěn)定性增強。

關鍵詞:

氣候變化;荒漠氣候;不穩(wěn)定性;民勤

近年來，全球氣溫變暖已成為一個全世界廣泛關注的問題。IPCC(政府間氣候變化專門委員會)第三次評估報告指出，20世紀全球平均氣溫升高了(0．6±0．2)℃，20世紀80年代和90年代是近100a中最溫暖的20a〔1〕。IPCC第四次評估報告〔2〕稱，1906—2005年全球地表平均溫度上升了0．74℃，20世紀后半葉北半球平均溫度是近1300a中最高的50a。IPCC第五次評估報告〔3〕稱，20世紀50年代以來的氣候變化是千年以來所未見的。剛剛過去的3個10a每一個都刷新了氣溫最高的紀錄;從1983—2012年可能是北半球自1400年以來最熱的30a。并指出，這次評估結果要比原來認識到的更加嚴重，而且有95%以上的把握認為氣候變化是人類的行為造成的。隨著全球變暖，引發(fā)了許多生態(tài)和環(huán)境問題。極端高溫事件引發(fā)了北半球中高緯度地區(qū)發(fā)生季節(jié)性花粉過敏的時間提前、歐洲一些地區(qū)人口死亡率提高等許多負面結果〔4－5〕。我國學者預測，從現在開始到2100年，全球平均氣溫的“最可能升高幅度”是1．84℃。如果未來全球平均增溫達到1．5～2．5℃(相對于1980—1999年)，將有20%～30%的物種可能面臨滅絕的風險;如果升溫幅度超過3．5℃，則有高達40%～70%的物種可能滅絕〔6〕。地球上不同部位、不同地貌對全球變暖的響應各不相同〔7〕。在全球范圍內，除澳大利亞和北非干旱區(qū)外，南美洲、南非、北美洲、中亞和中國西北等全球主要干旱區(qū)近百年來呈明顯變干趨勢，且全球氣候變暖時段的干旱年發(fā)生概率明顯偏高〔8〕。1961—2007年我國干旱區(qū)年平均氣溫約上升了1．8℃，上升速率為0．39℃?(10a)－1〔9〕。中國西北的陜、甘、寧、新變暖的強度高于全國平均值〔7，10〕。新疆北部最近10a平均氣溫比前30a的平均值偏高0．7℃〔7〕?？茽柷呱车貫跆m敖都地區(qū)春、冬季溫度有逐漸回升的趨勢，且冬季升溫明顯大于春季，偏暖溫和高溫的年份出現頻率較多〔11〕?；哪顷懙厣系娜笞匀粎^(qū)之一，荒漠地區(qū)具有與其他地區(qū)完全不同的氣候特征。Zhu等〔12〕的分析結果表明，民勤荒漠區(qū)1961—2009年的年平均氣溫升高速率大于全球水平，也大于中國近百年來水平，但低于中國東北地區(qū)近20a的上升速率。有關氣候的不穩(wěn)定性研究主要集中在古氣候研究方面〔13－14〕。隨著全球變暖，中國旱澇氣候災害的年際和年代際變化更加明顯，東亞夏季風降水在21世紀初不僅年際變率增強，而且亞洲夏季風增強，引起中國華北和華南地區(qū)夏季降水明顯增強，洪澇災害增多〔15〕。河北衡水等縣〔16〕以及河南省獲嘉縣〔17〕等地隨著氣候變暖，氣候的不穩(wěn)定性增強。干旱、半干旱地區(qū)許多生態(tài)與環(huán)境方面的問題可能與氣溫變暖密切相關〔18〕。氣溫的不穩(wěn)定性尤其是極端氣溫的不穩(wěn)定性對農林牧業(yè)生產的影響遠比持續(xù)變暖要大得多〔19－20〕。曹玲等〔21〕將極端天氣現象定義為大雨、干旱、≥35℃高溫、≤－20℃低溫、霜凍、大風、沙塵暴、雷暴和冰雹等，利用1958—2006年甘肅河西走廊18個觀測站的觀測資料進行了分析?；哪巧鷳B(tài)系統中最為脆弱的系統。然而目前還沒有人研究過荒漠氣候的穩(wěn)定性問題，本文以民勤荒漠區(qū)為例，就這個問題作一初步分析。

一、研究區(qū)與研究方法

1.1研究區(qū)概況

民勤縣位于中國西北干旱區(qū)河西走廊東北側的石羊河流域下游，地處騰格里沙漠的西緣，地理位置101°48'～104°13'E，38°05'～39°27'N，總土地面積為16016km2，境內海拔多在1300～1350m(圖1)。民勤縣的生態(tài)退化大致可分為三個歷史景觀，即漢代以前－自然生態(tài)景觀，西漢(前206年至公元25年)至民國年間－退化生態(tài)景觀，1950年以來－人工生態(tài)景觀。民勤縣屬于中國最典型的荒漠化地區(qū)。據民勤縣統計部門提供的資料，目前，境內沙漠、戈壁、鹽堿灘地和低山殘丘占總土地面積的94．2%。其中，沙漠面積占總面積的55．03%。民勤縣多年平均降水量116．52mm，蒸發(fā)量2351．79mm，年平均≥17m?s－1大風28．2d，沙塵暴25．8d，揚沙天氣37．8d，浮塵天氣30．2d。目前綠洲內部及其邊緣地下水位已下降至20m左右。圖1研究區(qū)位置Fig．1Geographicallocationofthestudyarea由于氣候干旱，降水稀少，原有植被大面積衰敗死亡，荒漠草場退化。

1.2觀測與數據處理方法

運用民勤治沙綜合試驗站1961—2013年氣象觀測資料，觀測指標主要有日照、氣溫、氣壓、降水、空氣濕度、地溫、風速風向、大風日數、沙塵暴日數等，每一觀測指標中又包括多個統計項，如氣溫有月平均氣溫、年平均氣溫、月極端最高氣溫、月極端最低氣溫等;降水量包括各月降水量、年降水量和日降水強度。其他站點的資料來源于“中國氣象科學數據共享服務網”。本文氣候的不穩(wěn)定是指氣候指標忽高忽低，變差增大。變差的大小用3a滑動標準差(1式)計算，變差的變化趨勢用一次線性趨勢線(2式)表示，變化趨勢的顯著性用回歸趨勢線的顯著性檢驗來判定。數據分析運用SPSS13．0完成。

二、結果分析

2.1民勤荒漠氣候對全球變暖的響應

1961—2013年民勤年平均氣溫7．80℃，年平均氣溫顯著升高(P＜0．05)，升高趨勢為0．116℃?(10a)－1(圖2a)。1961—2013年的月平均氣溫只有2月、4月和6月升溫顯著(P＜0．05)(圖2b)，其他月變化不顯著(P＞0．05)。統計表明，2月氣溫標準差最大，其次是1月和12月，再次是11月和4月，7月最小(圖2c)。3a滑動標準差分析表明，只有1月和4月平均氣溫有顯著增大趨勢(圖2d)(P＜0．05)，其他各月和年平均氣溫的顯著增大趨勢不顯著(P＞0．05)。進一步按年代分組(1961—1970，1971—1980，1981—1990，1991—2000，2001—2010，2011—2013年)分析，1月標準差最大，其次是4月、2月、6月和3月，其中只有2月和4月增大趨勢顯著(P＜0．05)，年和其他月份均不顯著，11月的變異系數最高，達－42．7%(表1)。

2.2冬春季極端最高氣溫的變差

1961—2013年當地的年極端最高氣溫平均為37．16℃，1997年達到最高值41．0℃(7月22日)同期只有3月和11月極端最高氣溫(圖3b)增高趨勢顯著(P＜0．05)，其他各月和年極端最高氣溫變化趨勢均不顯著(P＞0．05)。1961—2013年各月極端最高氣溫變化的標準差(圖3c)表明，1月的標準差最大，其次是12月、2月和3月，6月極端最高氣溫的標準差最小。12月的月極端最高氣溫的3a滑動標準差增大趨勢為極顯著(P＜0．01)，1月的極端最高氣溫的標準差增大趨勢為顯著(P＜0．05)(圖3d)，年和其他各月極端最高氣溫的3a滑動標準差的變化趨勢均不顯著(P＞0．05)。按年代分組分析表明，3月標準差最大，其次是2月、4月、1月和10月，12月最小。但按年代分組的極端最高氣溫變化趨勢均不顯著(P＞0．05)，1月的變異系數最高，為12．5%(表2)。

2.3夏季極端最低氣溫的變差

1961—2013年當地的年極端最低氣溫平均為－25．07℃，2008年達到最低值－32．2℃(2月1日)，年極端最低氣溫的變化趨勢不顯著(P＞0．05)(圖4a)，而9月的極端最低氣溫增高趨勢為極顯著(P＜0．01)，4月和6月的月極端最低氣溫增高趨勢顯著(P＜0．05)(圖4b)。1961—2013年各月極端最低氣溫變化的標準差(圖4c)表明，2月標準差最大，其次是11月、12月、10月和3月，6月極端最低氣溫的標準差最小。5月的月極端最低氣溫的3a滑動標準差減小趨勢為極顯著(P＜0．01)，3月的極端最低氣溫的3a滑動標準差減小趨勢為顯著(P＜0．05)，7月的極端最低氣溫的3a滑動標準差增大趨勢為顯著(P＜0．05)(圖4d)，年和其他各月極端最低氣溫的3a滑動標準差的變化趨勢均不顯著(P＞0．05)。按年代分組分析表明，1月標準差最大，其次是10月、4月、9月、2月、11月，12月最小，但按年代分組的極端最低氣溫只有11月和年的變化趨勢顯著(P＜0．05)，其他月份均不顯著(P＞0．05)。5月的極端最低氣溫的變異系數高達287．3%(表3)。

2.4冬季

1月降水的不穩(wěn)定性1961—2013年的年平均降水量為116．4mm，最多年份為185．8mm(1973年)，最小年份為42．2mm(1961年)(圖5a)，年降水量和各月降水量多年變化趨勢在95%的置信水平上回歸趨勢均不顯著(P＞0．05)。1961—2013年各月降水量變化的標準差(圖5b)表明，降水量變差最大的是8月，其次是7月、6月、9月和5月，12月降水量的變差最小，各月降水量變化的標準差與月降水量極顯著正相關(r=0．982，P＜0．01)。分析表明，年降水量的3a滑動標準差減小趨勢為顯著(P＜0．05)，而1月降水量的3a滑動標準差增大趨勢為顯著(P＜0．05)(圖5c)。按年代分組分析表明，年降水量的標準差最大，其次是9月、7月、6月、8月，12月亦最小。但按年代分組的降水量只有10月為顯著減小趨勢(P＜0．05)，年降水量和其他月份降水量變化均不顯著(P＞0．05)(表4)。按年代分組分析表明，日最大降水量增加趨勢顯著(P＜0．05)，但日最大降水量和各月最大降水量的3a滑動標準差變化趨勢以及年和各月的最長連續(xù)無降水日均為不顯著(P＞0．05)(圖5d)，2月的變異系數最高，其次是1月和11月。

三、討論

(1)為了驗證本文的研究結果，分析了河西走廊沙漠邊緣和新疆以及內蒙古西部一些下墊面相同站點的同期資料。結果表明，在全球變暖背景下，新疆、內蒙古西部和河西走廊沙漠邊緣一些站點氣候的不穩(wěn)定性表現出了不同程度的增強(表5)。但因民勤治沙綜合試驗站深入沙漠較深(圖1)，因而氣候的不穩(wěn)定性表現較其他站點更為突出。(2)沙漠地區(qū)植被蓋度低，大面積沙面裸露。裸露的沙面將大量的太陽輻射反射到近地層大氣中，因而沙漠地區(qū)春季增溫迅速，這便是沙漠地區(qū)氣溫響應全球變暖敏感和在全球變暖過程中氣候的不穩(wěn)定性增強的主要原因。表5河西走廊沙漠邊緣氣候的不穩(wěn)定性Tab．5ClimateinstabilityinthemarginalzoneofdesertintheHexiCorridor氣象站年極端最高氣溫/℃趨勢3a滑動標準差年極端最低氣溫/℃趨勢3a滑動標準差降水量/mm趨勢3a滑動標準差鼎新站0．01*金塔站0．08*0．08*玉門鎮(zhèn)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＊＊*為顯著增大(P＜0．05)，＊＊為極顯著增大(P＜0．01)。(3)近兩年，中國出現了一些異常氣候事件:2010年中國云南遭遇百年一遇的全省性特大旱災，干旱范圍之廣、時間之長、程度之深、損失之大，均為云南省歷史少有;2011年春季，中國南方遇到了持續(xù)7個月之久的干旱，實屬百年一遇，云南、貴州、廣西、重慶、四川5省區(qū)市耕地受旱面積6．73×106hm2，2．09×107人、1．37×107頭大牲畜因旱飲水困難;2012年7月21日北京遭遇61a來的特大暴雨，受災面積1．60×106hm2，成災面積1．40×106hm2，全市受災人口1．60×106人;2005年6月1—2日，額爾齊斯河全流域發(fā)生了突發(fā)性融雪和降雨混合型大洪水事件〔22〕。以上這些“異常事件”或“百年一遇”事件反映出的共同特征，是氣候變化的不穩(wěn)定性在增強，這些是否與全球變暖有關，尚待進一步研究。(4)民勤荒漠區(qū)響應全球變暖的主要特征是春季氣溫回升早，春季物候提前〔23〕。民勤縣夏糧播種最大的是小麥和玉米，3月中旬是小麥播種季節(jié)，4月是玉米、葵花、辣椒和各種瓜類的播種季節(jié)，麥苗已經出土。3、4月也是當地各種植物萌動展葉和開花季節(jié)〔23〕，氣溫變暖，導致春季物候提前，春節(jié)氣溫不穩(wěn)定，給農業(yè)造成一定的影響:一方面農作物和其他植物遭受凍害，如葡萄、蘋果等;另一方面每年3—5月是大風、沙塵暴的集中分布季節(jié)〔24〕，大風往往造成農林業(yè)受害減產，甚至造成事故，2010年4月24日19時，民勤縣發(fā)生特強沙塵暴，最小能見度為0m，瞬間極大風速達到28m?s－1，導致停電、火災等多起事故。(5)本文在計算滑動平均標準差采用了3個數據。因為我們的目的是要尋找變差的增大趨勢，由于有的數據忽高忽低，因而其變差(標準差)的變化趨勢回歸不顯著。然而，變化趨勢不顯著并不能說明變化小而可以忽略，相反，這種忽高忽低無規(guī)律的變化或許正是氣候不穩(wěn)定的表現形成之一。

四、結論

(1)1961—2013年，民勤荒漠區(qū)氣候在響應全球變暖過程中，年平均氣溫和2月、4月以及6月上升顯著。1月和4月平均氣溫的不穩(wěn)定性增大。1961—2013年2月的等溫日期提前10．36d。(2)3月和11月的極端最高氣溫顯著增升高，12月和1月極端最高氣溫的不穩(wěn)定性增大;年極端最低氣溫和4月、6月、9月極端最低氣溫顯著升高，7月最低氣溫的不穩(wěn)定性增大，5月極端最低氣溫的變異系數高達287．3%。與此同時，3月和5月極端最低氣溫的穩(wěn)定性增強。(3)3月的最大降水量為增大趨勢，1月降水量的不穩(wěn)定性增大，10月的降水顯著減少。與此同時，年降水量的穩(wěn)定性增強。各月降水量變化的標準差與月降水量極顯著正相關。(4)氣候的不穩(wěn)定性要比在全球變暖過程中氣溫的持續(xù)升高對農牧業(yè)生產的影響更大，當地氣候變化對農牧業(yè)生產的影響主要是極端最高氣溫的突升和極端最低氣溫的突降。

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作者:常兆豐 馬中華 王大為 韓福貴 段曉峰 王強強 張劍揮 單位:甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統國家野外觀測研究站 甘肅省治沙研究所 武威市氣象局