基于氣候數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古達(dá)茂旗草原區(qū)氣候變化特征分析

基于氣候數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古達(dá)茂旗草原區(qū)氣候變化特征分析

中國(guó)的牧區(qū)包括內(nèi)蒙古、新疆、西藏和青海的12個(gè)?。▍^(qū)）的264個(gè)半牧區(qū)，總面積為385公里2米，占中國(guó)總面積的40%。牧區(qū)既是邊疆地區(qū)、又是少數(shù)民族聚居區(qū),同時(shí)也是我國(guó)主要江河的發(fā)源地和水源涵養(yǎng)區(qū),在全國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。同時(shí),牧區(qū)草地在我國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位,具有調(diào)節(jié)氣候、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣以及維護(hù)生物多樣性等重要生態(tài)功能,由于我國(guó)牧區(qū)大多處于內(nèi)陸偏遠(yuǎn)地區(qū),因此,降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、水資源天然匱乏、自然環(huán)境惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱等是其自然特點(diǎn)。自20世紀(jì)70年代特別是80年代,在全球氣候干熱化趨勢(shì)背景下,草原退化、沙化、荒漠化日益加劇,有些地區(qū)已經(jīng)成為我國(guó)沙塵暴天氣發(fā)生的主要沙源區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì),與20世紀(jì)80年代初相比,90%以上的可利用草原面積已呈現(xiàn)不同程度的退化、沙化。綜合分析其產(chǎn)生沙退化的原因,除人類活動(dòng)外,最主要的影響因子為氣候變化。研究我國(guó)北方干旱牧區(qū)氣候變化特征、揭示其演變規(guī)律是了解和認(rèn)識(shí)草地沙退化的重要基礎(chǔ),具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。達(dá)茂旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市北部,北與蒙古國(guó)接壤,西與巴彥淖爾市的烏拉特中旗毗鄰,南與呼和浩特市的武川縣、包頭市的固陽(yáng)縣相鄰,東與烏蘭察布市的四子王旗交界,地理坐標(biāo)E109°15′~111°25′、N41°16′~42°45′,總面積18177km2。達(dá)茂旗地處內(nèi)陸干旱地區(qū),降水稀少、蒸發(fā)強(qiáng)烈、水資源天然匱乏,屬于嚴(yán)重缺水的牧業(yè)旗之一,具有北方干旱牧區(qū)的顯著特點(diǎn)(圖1)。1數(shù)據(jù)來(lái)源與分析1.1資料的插值分析資料來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù),選取達(dá)茂旗周邊12個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值計(jì)算,得出研究區(qū)1954~2012年月平均氣溫,月降水資料進(jìn)行分析計(jì)算。1.2標(biāo)準(zhǔn)化與距平處理作出研究區(qū)年平均氣溫,年降水的年變化曲線及5年滑動(dòng)平均曲線圖,進(jìn)行數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化與距平處理。運(yùn)用線性傾向估計(jì)法及回歸分析法分析年平均氣溫、年降水的變化趨勢(shì),應(yīng)用Mann-Kendll非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法進(jìn)行突變檢驗(yàn),應(yīng)用morlet復(fù)變小波分析方法研究其變化周期。2分析氣候趨勢(shì)2.1時(shí)間序列分析建立xi與ti之間的一元線性回歸方程:式中:xi表示樣本量為n的某一氣候變量,用ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。這一方法屬于時(shí)間序列分析范疇,方程中a為回歸常數(shù),b為回歸系數(shù)。a和b可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。其中:b×10a即為氣候傾向率,單位為℃/10a或mm/10a。b的符號(hào)表示氣候變量的趨勢(shì)傾向,即b>0時(shí),說(shuō)明隨時(shí)間t的增加x呈上升趨勢(shì);反之則下降。b值的大小反映了上升或下降的速率,即表示上升或下降的傾向度。2.2年平均最低氣溫下降快從圖2可以看出,研究區(qū)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始,年平均氣溫開(kāi)始呈上升趨勢(shì),上升速度明顯加快,年平均最低氣溫出現(xiàn)在1956年的2.1℃,年平均最高氣溫出現(xiàn)在2007年的6.3℃。從線性傾向率來(lái)看,年平均以0.41℃/10a的速度上升,并通過(guò)了a=0.05的顯著性檢驗(yàn),說(shuō)明研究區(qū)年平均氣溫呈較強(qiáng)的上升趨勢(shì)。2.3年降水量的增加年降水量從20世紀(jì)50年代開(kāi)始,呈緩慢的減少趨勢(shì),但趨勢(shì)不明顯,試驗(yàn)沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn),年降水量增幅僅為-0.08mm/(10a)。年降水量最低為2009年,為138.4mm,年降水量最高的是2003年,為425.2mm(圖3)。3ufk近序秩序序的變化Mann-Kendall法,是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法。當(dāng)Mann-Kendall檢驗(yàn)進(jìn)一步用于檢驗(yàn)序列突變時(shí),通過(guò)構(gòu)造一秩序列:在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下,定義統(tǒng)計(jì)量:UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,它是按時(shí)間序列x順序x1,x2,…,xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列,若|UFi∣>Ua,則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。按時(shí)間序列x逆序xn,xn-1,x1,再重復(fù)上述過(guò)程,同時(shí)使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。3.1線性傾向估計(jì)法與線性傾向估計(jì)法的對(duì)比由圖4中的UF曲線可見(jiàn),自20世紀(jì)50年代開(kāi)始,年平均氣溫呈現(xiàn)了明顯的上升趨勢(shì),這與線性傾向估計(jì)法的結(jié)論相一致。從1987年開(kāi)始,這種增暖趨勢(shì)均大大超過(guò)了顯著性水平0.05的臨界線,表明研究區(qū)氣溫的上升趨勢(shì)十分顯著,根據(jù)UF和UB曲線交點(diǎn)的位置,確定研究區(qū)年平均氣溫20世紀(jì)80年代的增暖是一突變現(xiàn)象。3.2降水上升期20世紀(jì)20世紀(jì)20年代中期至20世紀(jì)20年代中期利用M-K突變檢驗(yàn)分析研究了研究區(qū)降水量的變化趨勢(shì),通過(guò)圖5可知,研究區(qū)20世紀(jì)50年代末到60年代初,70年代中期到80年代末為2個(gè)典型的降水上升期;60年代初到70年代中期為降水下降期。其他時(shí)期降水趨勢(shì)不明顯,降水總體趨勢(shì)是小幅波動(dòng)下降,并沒(méi)有顯著的突變,與線性傾向估計(jì)法得出的結(jié)論吻合。4在molet復(fù)變小波的周期分析中4.1小波周期和時(shí)間因子對(duì)于給定的小波函數(shù)ψ(t),時(shí)間序列號(hào)f(t)∈L2(R)連續(xù)小波變換定義為:式中:a為尺度因子,反映小波的周期長(zhǎng)度;b時(shí)間因子,反映時(shí)間上的平移。為ψ(t)的復(fù)共軛函數(shù),Wf(a,b)稱小波(變換)系數(shù)。其離散形式為:Wf(a,b)能同時(shí)反映時(shí)域參數(shù)b和頻域參數(shù)a的特性,它是時(shí)間序列f(t)或f(kΔt)通過(guò)單位脈沖響應(yīng)的濾波器的輸出。4.2小波方差圖的概念將時(shí)間域上的關(guān)于a的所有小波系數(shù)的平方在b域上積分,即為小波方差。小波方差隨尺度a變化過(guò)程稱為小波方差圖。它能反映信號(hào)波動(dòng)的能量隨尺度a的分布。通過(guò)小波方差圖,可以確定一個(gè)水文水資源時(shí)間序列中存在的主要時(shí)間尺度,即主周期。4.3時(shí)間尺度變化的變化應(yīng)用matlab軟件繪制年平均氣溫小波系數(shù)實(shí)部等值線圖和小波方差圖。小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能反映年平均氣溫不同時(shí)間序列不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間域中的分布,進(jìn)而能判斷在不同的時(shí)間尺度上,年平均氣溫的未來(lái)變化趨勢(shì)。在小波系數(shù)實(shí)部等值線圖中,橫坐標(biāo)為時(shí)間(年份),縱坐標(biāo)為時(shí)間尺度。從圖6可以看出,在年平均氣溫演變過(guò)程中存在著3~7a,8~16a,17~32a的3類尺度的周期變化規(guī)律。其中,在17-32a尺度上出現(xiàn)了高-低-高-低的兩次震蕩;其周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定,具有全域性。從圖7年平均氣溫小波方差圖中可以看出,存在著3個(gè)明顯的峰值,分別對(duì)應(yīng)著7a,14a,22a的時(shí)間尺度,其中,最大峰值對(duì)應(yīng)著22a的時(shí)間尺度,說(shuō)明22a的同期震蕩最強(qiáng),為年平均氣溫的第1主周期;14a和7a時(shí)間尺度分別對(duì)應(yīng)著年平均氣溫的第2、3周期。上述3個(gè)周期的波動(dòng)控制著氣溫在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。4.4變過(guò)程中降水小波方差圖的分析同樣,應(yīng)用matlab軟件繪制年降水小波系數(shù)實(shí)部等值線圖和小波方差圖。從圖8年降水小波系數(shù)實(shí)部等值線圖可以看出,在年降水演變過(guò)程中也存在著3類時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律,分別為3~6a,7~9a,12~22a。從圖9年降水小波方差圖中可以看出,存在著3個(gè)明顯的峰值,分別對(duì)應(yīng)著4a,8a,18a的時(shí)間尺度,其中最大峰值對(duì)應(yīng)著18a的時(shí)間尺度,說(shuō)明18a周期震蕩最強(qiáng),為年降水的第1主周期;8a和4a時(shí)間尺度分別對(duì)應(yīng)著年降水的第2、3周期。上述3個(gè)周期的波動(dòng)控制著降水在整個(gè)時(shí)間域的變化特征。5年平均氣溫增暖下降的年增通過(guò)線性傾向率法,M-K突變檢驗(yàn)法,morlet復(fù)變小波分析方法對(duì)我國(guó)北方典型干旱牧區(qū)達(dá)茂旗氣候特征進(jìn)行了分析。(1)研究區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢(shì),年均溫以0.41℃/(10a)的速度上升;年降水變化趨勢(shì)不明顯,總體趨勢(shì)為緩慢下降,年增幅僅為-0.08mm/(10a)。(2)經(jīng)M-K突變檢驗(yàn),驗(yàn)證了研究區(qū)年平均氣溫的變化趨勢(shì),確定了平均氣溫20世紀(jì)80年代的增暖是一突變現(xiàn)象,具體從1986年開(kāi)始。對(duì)于年降水,在20世紀(jì)50年代末到60年代初,70年代中期到80年代末為2個(gè)典型的降水上升期;60年代初到70年代中期為降水下降期。其他時(shí)期降水變化不明顯。