基于morle的毛烏素沙地氣候變化特征分析

基于morle的毛烏素沙地氣候變化特征分析

1氣候變化的生態(tài)單元氣候系統(tǒng)的復雜性和變異系統(tǒng)已被許多研究機構(gòu)所證明，并已為公眾所感知。時間和空間變化的區(qū)域、相關(guān)性、周期性和不確定性，以及氣候變化對生態(tài)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展的影響，已成為國內(nèi)外研究的熱點。毛烏素沙地屬典型的生態(tài)過渡帶,其生物氣候帶處于干旱荒漠帶與半濕潤森林草原帶之間的干旱荒漠草原至半干旱干草原亞地帶的過渡位置,氣候變化敏感區(qū)與生態(tài)系統(tǒng)脆弱帶的雙重屬性,使得該區(qū)域?qū)儆牮B(yǎng)農(nóng)業(yè),農(nóng)牧林業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境對氣候條件的依賴性極強,氣候變化對社會經(jīng)濟影響重大。在全球氣候變化背景下,施雅風等、陶健紅等、張存杰等對西北地區(qū)氣溫和降水變化趨勢,劉曉清等對黃土高原氣候暖干化趨勢,馬義娟等對晉西北暖干化趨勢對土地沙漠化的影響,郝興明等、常兆豐等、馬寧等分別對西北干旱區(qū)的北疆西部、典型荒漠地區(qū)民勤和巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)的氣候變化進行了相關(guān)研究。而對于地處干旱半干旱生態(tài)過渡帶的毛烏素沙地而言,魯瑞潔等、郭堅等、房世波等重點就不同時域中氣候與沙漠化過程進行了研究,但對于毛烏素沙地區(qū)域氣候變化周期與突變特征的研究還比較缺乏。通過對毛烏素沙地1969—2009年氣溫、降水和相對濕度的氣候變化規(guī)律進行深入分析,為全面認識中國西北干旱、半干旱區(qū)區(qū)域氣候變化特征以及各典型生態(tài)系統(tǒng)間氣候的相關(guān)性和差異性,科學制定區(qū)域經(jīng)濟、社會發(fā)展規(guī)劃和生態(tài)系統(tǒng)恢復重建策略提供參考。2地形地貌和高度毛烏素沙地地處內(nèi)蒙古、陜西、寧夏交界處,是鄂爾多斯高原向陜北黃土高原的過渡區(qū)域,大部分屬溫帶半干旱區(qū),年均溫度6.0~8.5℃,年降水量東南部為440mm,向西減至250mm,海拔1300~1600m,總面積約4萬km2(圖1)。地形自西北向東南傾斜,“梁”、“灘”相間,其上大部覆沙,沙丘高度一般在10m以下。植被由東部、中部的典型草原(干草原)和西部的荒漠草原為主的地帶性植被組成,干草原帶占毛烏素沙地面積的90%。3毛烏素沙地氣候因子周期振蕩特征及方法利用毛烏素沙地內(nèi)蒙古范圍內(nèi)鄂托克旗、鄂托克前旗、烏審召、烏審旗、河南5個氣象站1969—2009年41年的氣象觀測資料,對年平均氣溫、年降水量和年平均相對濕度進行算術(shù)平均,得到毛烏素沙地氣溫、降水和相對濕度的時間序列資料。在Matlab軟件平臺的支持下,采用對稱性延拓消除或減小“邊界效應(yīng)”,選取Morlet復值小波計算小波系數(shù),并繪制實部、模及小波方差圖,分析毛烏素沙地主要氣候因子的周期振蕩特征。實部等值線圖中虛線表示小波系數(shù)實部小于0,即偏低(少);實線表示小波系數(shù)實部大于0,即偏高(多);零對應(yīng)突變點。Morlet小波系數(shù)的模是不同時間尺度變化周期所對應(yīng)的能量密度在時間域中分布的反映,模值愈大其所對應(yīng)時段或尺度的周期性愈強。4結(jié)果與分析4.1氣溫周期變化1969—2009年年平均氣溫的線性擬合結(jié)果表明:除1976年和1984年氣溫顯著降低外,毛烏素沙地年平均氣溫呈波動上升趨勢,傾向率為0.401℃/10a,升溫幅度與毛烏素沙地30年的0.446℃/10a和鹽池縣50年的0.380℃/10a水平相當。年平均氣溫的年際變化過程中存在著19~32年、12~16年和4~8年的多重時間尺度上的復雜嵌套結(jié)構(gòu)(圖2)。1969-2009年毛烏素沙地年平均氣溫在整個時間域上具有19~32年尺度的明顯周期振蕩規(guī)律,共經(jīng)歷“冷”/“暖”5個循環(huán)交替;12~16年尺度的周期振蕩在研究時域內(nèi)經(jīng)歷了9次“暖”/“冷”交替;4~8年尺度的短周期存在于1978—2009年間,共經(jīng)歷了16次“暖”/“冷”變換,表明毛烏素沙地41年來氣溫并不以固定周期的形式發(fā)生變化,而是以大、中、小多重尺度周期相互嵌套的形式出現(xiàn)。從氣溫變化過程看:高溫期出現(xiàn)在20世紀70年代中期至80年代早期、90年代中期至21世紀10年代中期;低溫期出現(xiàn)在70年代早期、80年代中期至90年代中期及21世紀10年代后期。從不同時間尺度分析近年來氣溫變化發(fā)現(xiàn):4~8年和19~32年尺度氣溫呈現(xiàn)變冷趨勢,12~16年尺度則呈現(xiàn)出變暖趨勢,大尺度反應(yīng)了氣溫變化的年代際背景,而小尺度的變化過程則反映了大尺度背景下氣溫的詳細變化。根據(jù)氣溫小波變換模等值線圖(圖3)分析,年平均氣溫時間序列中,19~32年尺度能量密度最大,其中26~31年尺度周期性最強;12~16年尺度的周期變化次之;作用于1975—2000年時域上6年的尺度周期與1971—2000年毛烏素沙地氣溫變化的5年波動周期結(jié)果相近。由小波方差(圖4)可知,年平均氣溫時間序列存在3個峰值,近40年毛烏素沙地年平均氣溫變化的第1主周期為28年,第2和第3主周期分別為15年和6年,這與王德麗等對陜北地區(qū)1960—2008年氣溫具25年、4年和5~10年不等的尺度周期的研究結(jié)果相近。4.2毛烏素沙地降水周期毛烏素沙地41年來降水傾向率僅為0.825mm/10a,基本保持不變。其年際變化過程中存在26~30年、18~25年、11~15年和7~10年的多重尺度復雜嵌套(圖5)。26~30年尺度主要經(jīng)歷了5個“干”“濕”交替,1974、1985、1993年和2003年是“干”“濕”交替的轉(zhuǎn)折點;18~25年尺度經(jīng)歷了7個“干”“濕”交替,“干”“濕”交替的轉(zhuǎn)折點分別出現(xiàn)在1974、1979、1987、1993、2000、2007年;11~15年和7~10年尺度分別經(jīng)歷了10個和13個“干”“濕”交替,表明毛烏素沙地降水變化受大、中、小多重時間尺度周期的共同作用。從不同尺度周期“干”“濕”交替規(guī)律可知,在18~25年和26~30年的中長時間尺度上,2007年以后正處于少雨期;在7~10年較短時間尺度上,2007年以后正處于降水由少向多的過渡期。由小波系數(shù)模等值線圖(圖6)可知,18~25年尺度上的能量波動貫穿于整個時間序列中,6~13年尺度能量波動主要發(fā)生在1975—2009年之間。降水小波方差圖(圖7)中共出現(xiàn)4個峰值,對應(yīng)時間尺度由大到小依次為28年、22年、13年和9年,這4個尺度周期在近40年中對降水起主要作用,其中22年和9年尺度周期的影響最為顯著。王德麗等、琚彤軍等的研究結(jié)果表明:臨近毛烏素沙地的陜北地區(qū)1960—2008年降水周期波動由強到弱存在著24年、7年、5年和3年的顯著周期,延安1952—2003年降水存在近22年和3年的振蕩周期,鹽池縣1954—2005年每7年降水量呈現(xiàn)有規(guī)律的變化,毛烏素沙地1971—2000年具4年的降水波動周期,這些結(jié)論與本文的研究結(jié)果近似,說明了西部地區(qū)降水變化的復雜性。4.3濕度小波系數(shù)2032年的季節(jié)動態(tài)41年來毛烏素沙地年均相對濕度變化傾向率僅為-0.009%/10a,年際變化過程中具有18~24年、25~30年和6~8年尺度周期的嵌套結(jié)構(gòu)。18~24年尺度,相對濕度經(jīng)歷了9個“干”“濕”交替,突變點出現(xiàn)在1970、1971、1973、1980、1987、1993、2000、2007年;25~30年尺度,相對濕度經(jīng)歷了7個“干”“濕”交替,1970、1971、1976、1985、1994、2002年為由“干”轉(zhuǎn)“濕”的突變點。在更小尺度(6~8年),相對濕度的“干”“濕”循環(huán)交替和突變點的變化更加頻繁。由18~24年和25~30年尺度周期小波系數(shù)實部等值線的閉合情況看,2009年以后相對濕度均處于偏低期(圖8)。由相對濕度小波系數(shù)模等值線圖(圖9)可知,最顯著周期性出現(xiàn)在18~32年尺度上,其中20~30年左右時間尺度上的周期振蕩最強,且集中體現(xiàn)在20世紀60年代末至80年代中期和90年代中期至2009年的兩個時間段內(nèi),其余時間尺度的周期性較弱。相對濕度的小波方差圖(圖10)表明,41年來毛烏素沙地年平均相對濕度時間序列變化的第1主周期為28年,第2主周期為22年,第3主周期為7年。4.4氣候特征的周期振蕩特征同一要素隨主周期尺度的變化均呈現(xiàn)出長周期(28年,22年)主導下的長、短周期振蕩疊加,振蕩幅度隨主周期尺度逐漸減弱的趨勢,這種多重尺度和幅度的周期振蕩特征與氣候過程的非線性、非平穩(wěn)性特征相一致。由周期性最強的第1主周期下年平均氣溫、年降水量和年平均相對濕度的小波系數(shù)曲線(圖11)可知,氣溫與相對濕度具有基本一致的位相結(jié)構(gòu),二者的變化與降水量變化相比較具有一定的滯后性(5~7年)。降水量增加大致對應(yīng)于氣溫和相對濕度的降低,降水量減少基本與氣溫和相對濕度的增加相對應(yīng),這與徐小玲等提出的毛烏素沙地30年來氣溫和降水間存在一定負相關(guān)的研究結(jié)論一致。5氣候變化的年際變化趨勢氣候系統(tǒng)是一個多時間尺度系統(tǒng),在時頻中存在多層次時間尺度結(jié)構(gòu)和局部化特征。通過Morlet復值小波對毛烏素沙地1969—2009年年平均氣溫、年降水量和年平均相對濕度時間序列時頻進行分析,結(jié)果如下:1)1969—2009年,毛烏素沙地年平均氣溫呈現(xiàn)出波動上升的趨勢,平均上升0.401℃/10a,年降水量和年平均相對濕度的變化趨勢不明顯,郭堅等、璩向?qū)幍鹊难芯拷Y(jié)果證實了這一趨勢。這與施雅風等提出的“西北氣候轉(zhuǎn)型”觀點存在差異,而與Hulme統(tǒng)計的20世紀全球干旱區(qū)增暖和未顯示出顯著的“變干”或“變濕”趨勢結(jié)果相一致。2)年平均氣溫、年降水量、年平均相對濕度的年際變化過程中均存在著多重時間尺度上的復雜嵌套結(jié)構(gòu)。在不同的尺度周期中,表現(xiàn)出不同的冷暖、干濕振蕩規(guī)律,總體表現(xiàn)為由小尺度無明顯規(guī)律的劇烈振蕩向大尺度有明顯規(guī)律的振蕩變化。在周期性最強的第1主周期尺度上,三者的變化規(guī)律大致為偏暖(冷)年/年代對應(yīng)著少(多)雨年/年代,這與Hulme針對干旱區(qū)的統(tǒng)計結(jié)果一致。氣候變化與太陽黑子、大氣環(huán)流、地形、海拔等地理環(huán)境以及下墊面覆蓋狀況有關(guān),氣溫和相對濕度受太陽輻射、降水、溫度、風速等諸多因子的共同影響,因此二者變化與降水量變化相比具有一定的滯后性。3)依據(jù)主周期變化趨勢對今后氣候變化的趨勢進行預(yù)測。在近幾年內(nèi),氣溫、降水量和相對濕度均處于低于常年的水平,氣候變化受第1主周期影響應(yīng)處于相對偏冷(干)少雨期,在未來8~10年內(nèi)將向偏暖(濕)多雨期演化,這種偏暖(濕)多雨期的氣候持續(xù)至21世紀10年代末;受第2主周期影響,未來5年內(nèi)氣溫和降水將向偏冷(干)期演化,相對濕度處于偏干期并開始由偏低向偏高期演化;在第3主周期的影響下,氣溫變化趨勢從2010年和2011年的偏暖期向2012、2013年