基于氣候數(shù)據(jù)的內蒙古達茂旗草原區(qū)氣候變化特征分析

基于氣候數(shù)據(jù)的內蒙古達茂旗草原區(qū)氣候變化特征分析

中國的牧區(qū)包括內蒙古、新疆、西藏和青海的12個?。▍^(qū)）的264個半牧區(qū)，總面積為385公里2米，占中國總面積的40%。牧區(qū)既是邊疆地區(qū)、又是少數(shù)民族聚居區(qū),同時也是我國主要江河的發(fā)源地和水源涵養(yǎng)區(qū),在全國經濟發(fā)展大局中具有重要戰(zhàn)略地位。同時,牧區(qū)草地在我國陸地生態(tài)系統(tǒng)中占有重要地位,具有調節(jié)氣候、防風固沙、涵養(yǎng)水源、保持水土、凈化空氣以及維護生物多樣性等重要生態(tài)功能,由于我國牧區(qū)大多處于內陸偏遠地區(qū),因此,降水稀少、蒸發(fā)強烈、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。自20世紀70年代特別是80年代,在全球氣候干熱化趨勢背景下,草原退化、沙化、荒漠化日益加劇,有些地區(qū)已經成為我國沙塵暴天氣發(fā)生的主要沙源區(qū)。據(jù)統(tǒng)計,與20世紀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。綜合分析其產生沙退化的原因,除人類活動外,最主要的影響因子為氣候變化。研究我國北方干旱牧區(qū)氣候變化特征、揭示其演變規(guī)律是了解和認識草地沙退化的重要基礎,具有重要的現(xiàn)實意義。達茂旗位于內蒙古自治區(qū)包頭市北部,北與蒙古國接壤,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、包頭市的固陽縣相鄰,東與烏蘭察布市的四子王旗交界,地理坐標E109°15′~111°25′、N41°16′~42°45′,總面積18177km2。達茂旗地處內陸干旱地區(qū),降水稀少、蒸發(fā)強烈、水資源天然匱乏,屬于嚴重缺水的牧業(yè)旗之一,具有北方干旱牧區(qū)的顯著特點(圖1)。1數(shù)據(jù)來源與分析1.1資料的插值分析資料來源于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù),選取達茂旗周邊12個氣象站點的氣象數(shù)據(jù)進行空間插值計算,得出研究區(qū)1954~2012年月平均氣溫,月降水資料進行分析計算。1.2標準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年滑動平均曲線圖,進行數(shù)據(jù)的標準化與距平處理。運用線性傾向估計法及回歸分析法分析年平均氣溫、年降水的變化趨勢,應用Mann-Kendll非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法進行突變檢驗,應用morlet復變小波分析方法研究其變化周期。2分析氣候趨勢2.1時間序列分析建立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所對應的時間。這一方法屬于時間序列分析范疇,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行估計。其中:b×10a即為氣候傾向率,單位為℃/10a或mm/10a。b的符號表示氣候變量的趨勢傾向,即b>0時,說明隨時間t的增加x呈上升趨勢;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50年代開始,年平均氣溫開始呈上升趨勢,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℃。從線性傾向率來看,年平均以0.41℃/10a的速度上升,并通過了a=0.05的顯著性檢驗,說明研究區(qū)年平均氣溫呈較強的上升趨勢。2.3年降水量的增加年降水量從20世紀50年代開始,呈緩慢的減少趨勢,但趨勢不明顯,試驗沒有通過顯著性檢驗,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)計檢驗法。當Mann-Kendall檢驗進一步用于檢驗序列突變時,通過構造一秩序列:在時間序列隨機獨立的假定下,定義統(tǒng)計量:UFk為標準正態(tài)分布,它是按時間序列x順序x1,x2,…,xn計算出的統(tǒng)計量序列,若|UFi∣>Ua,則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時間序列x逆序xn,xn-1,x1,再重復上述過程,同時使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。3.1線性傾向估計法與線性傾向估計法的對比由圖4中的UF曲線可見,自20世紀50年代開始,年平均氣溫呈現(xiàn)了明顯的上升趨勢,這與線性傾向估計法的結論相一致。從1987年開始,這種增暖趨勢均大大超過了顯著性水平0.05的臨界線,表明研究區(qū)氣溫的上升趨勢十分顯著,根據(jù)UF和UB曲線交點的位置,確定研究區(qū)年平均氣溫20世紀80年代的增暖是一突變現(xiàn)象。3.2降水上升期20世紀20世紀20年代中期至20世紀20年代中期利用M-K突變檢驗分析研究了研究區(qū)降水量的變化趨勢,通過圖5可知,研究區(qū)20世紀50年代末到60年代初,70年代中期到80年代末為2個典型的降水上升期;60年代初到70年代中期為降水下降期。其他時期降水趨勢不明顯,降水總體趨勢是小幅波動下降,并沒有顯著的突變,與線性傾向估計法得出的結論吻合。4在molet復變小波的周期分析中4.1小波周期和時間因子對于給定的小波函數(shù)ψ(t),時間序列號f(t)∈L2(R)連續(xù)小波變換定義為:式中:a為尺度因子,反映小波的周期長度;b時間因子,反映時間上的平移。為ψ(t)的復共軛函數(shù),Wf(a,b)稱小波(變換)系數(shù)。其離散形式為:Wf(a,b)能同時反映時域參數(shù)b和頻域參數(shù)a的特性,它是時間序列f(t)或f(kΔt)通過單位脈沖響應的濾波器的輸出。4.2小波方差圖的概念將時間域上的關于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變化過程稱為小波方差圖。它能反映信號波動的能量隨尺度a的分布。通過小波方差圖,可以確定一個水文水資源時間序列中存在的主要時間尺度,即主周期。4.3時間尺度變化的變化應用matlab軟件繪制年平均氣溫小波系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖。小波系數(shù)實部等值線圖能反映年平均氣溫不同時間序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布,進而能判斷在不同的時間尺度上,年平均氣溫的未來變化趨勢。在小波系數(shù)實部等值線圖中,橫坐標為時間(年份),縱坐標為時間尺度。從圖6可以看出,在年平均氣溫演變過程中存在著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;其周期變化在整個分析時段表現(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個明顯的峰值,分別對應著7a,14a,22a的時間尺度,其中,最大峰值對應著22a的時間尺度,說明22a的同期震蕩最強,為年平均氣溫的第1主周期;14a和7a時間尺度分別對應著年平均氣溫的第2、3周期。上述3個周期的波動控制著氣溫在整個時間域內的變化特征。4.4變過程中降水小波方差圖的分析同樣,應用matlab軟件繪制年降水小波系數(shù)實部等值線圖和小波方差圖。從圖8年降水小波系數(shù)實部等值線圖可以看出,在年降水演變過程中也存在著3類時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個明顯的峰值,分別對應著4a,8a,18a的時間尺度,其中最大峰值對應著18a的時間尺度,說明18a周期震蕩最強,為年降水的第1主周期;8a和4a時間尺度分別對應著年降水的第2、3周期。上述3個周期的波動控制著降水在整個時間域的變化特征。5年平均氣溫增暖下降的年增通過線性傾向率法,M-K突變檢驗法,morlet復變小波分析方法對我國北方典型干旱牧區(qū)達茂旗氣候特征進行了分析。(1)研究區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢,年均溫以0.41℃/(10a)的速度上升;年降水變化趨勢不明顯,總體趨勢為緩慢下降,年增幅僅為-0.08mm/(10a)。(2)經M-K突變檢驗,驗證了研究區(qū)年平均氣溫的變化趨勢,確定了平均氣溫20世紀80年代的增暖是一突變現(xiàn)象,具體從1986年開始。對于年降水,在20世紀50年代末到60年代初,70年代中期到80年代末為2個典型的降水上升期;60年代初到70年代中期為降水下降期。其他時期降水變化不明顯。