內(nèi)蒙古陰山北麓典型區(qū)域風(fēng)蝕氣候侵蝕力的多時間尺度分析

內(nèi)蒙古陰山北麓典型區(qū)域風(fēng)蝕氣候侵蝕力的多時間尺度分析

0風(fēng)蝕氣候侵蝕力的界定風(fēng)蝕氣候侵蝕是對氣候影響風(fēng)蝕的可能性的衡量。通常由風(fēng)蝕因子指數(shù)表示。表征風(fēng)蝕氣候侵蝕力的風(fēng)蝕氣候因子是國外廣泛應(yīng)用的風(fēng)蝕方程中的5個自變量之一,亦是沙漠化評價的重要指標(biāo),其研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。自1962年Chepil等在研究美國堪薩斯州加爾登城的風(fēng)蝕問題時,提出以一個氣候因子去估計一系列氣候條件下的年平均潛在風(fēng)蝕量的思想后,國外科學(xué)家開始致力于對風(fēng)蝕氣候侵蝕力及其影響因子的研究,如風(fēng)速、降水、蒸發(fā)等因子對風(fēng)蝕氣候因子的影響。到1979年,經(jīng)過聯(lián)合國糧農(nóng)組織對Chepil的氣候指數(shù)進行修訂以后,得到考慮月平均風(fēng)速、降水量、潛在蒸發(fā)量的表達式。1986年,E.L.Skidmore根據(jù)風(fēng)沙物理理論提出了考慮空氣密度、風(fēng)速、顆粒間水分所產(chǎn)生的內(nèi)聚力的另外一個表達氣候指數(shù)的公式,而公式的各因子測量較為復(fù)雜。國內(nèi)相關(guān)研究較少,1994年中國科學(xué)院沙漠研究所曾對我國干旱半干旱地區(qū)表征風(fēng)蝕氣候侵蝕力強度的風(fēng)蝕氣候因子指數(shù)進行了計算,從宏觀上闡述了我國風(fēng)蝕氣候侵蝕力的基本特點,指出陰山北麓風(fēng)蝕氣候指數(shù)大于100,這為我國風(fēng)蝕氣候侵蝕力的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。本研究利用聯(lián)合國糧農(nóng)組織的風(fēng)蝕氣候因子公式計算該區(qū)域的風(fēng)蝕氣候侵蝕力,并從較小區(qū)域尺度研究內(nèi)蒙古陰山北麓農(nóng)牧交錯帶的四子王旗氣候指數(shù)變化特征,分析了其在不同時間尺度下的周期性和突變診斷點,并結(jié)合沙塵暴發(fā)生日數(shù)的觀測資料,揭示了風(fēng)蝕氣候指數(shù)與沙塵暴發(fā)生日數(shù)的尺度變化關(guān)系。1研究區(qū)域特征和數(shù)據(jù)來源1.1干旱地區(qū)3—研究區(qū)域研究區(qū)域選在陰山北麓農(nóng)牧交錯帶的中部波狀高原區(qū)四子王旗,地處北緯41°33′,東經(jīng)111°38′,海拔1490.70m,屬于典型的干旱地區(qū)。該區(qū)域45年年均降水量為313.0mm,主要集中在夏、秋季節(jié);年平均風(fēng)速3.72m/s,3—5月風(fēng)速較大,大風(fēng)、揚沙和沙塵暴天氣頻繁:大風(fēng)天氣約占全年的49%,揚沙天氣約占全年的68.8%,沙塵暴天氣約占全年的75.6%,大風(fēng)、沙塵天氣主要發(fā)生在干旱少雨、風(fēng)大的春季。近年來,由于風(fēng)蝕所至耕地表土顆粒粗化較為嚴(yán)重,該區(qū)成為整個農(nóng)牧交錯帶中生態(tài)最為脆弱和最貧困的地區(qū)之一。1.2蒙古天氣數(shù)據(jù)本研究所用沙塵暴氣象數(shù)據(jù)資料主要來源于內(nèi)蒙古氣象局和內(nèi)蒙古四子王旗氣象站,包括四子王旗1970年以來的風(fēng)速、氣溫、降水、相對濕度、沙塵暴發(fā)生日數(shù)等翔實的記載數(shù)據(jù)。2時間序列中頻率結(jié)構(gòu)的估計小波分析法是近年來國際上十分熱門的分析法,亦稱多分辨率分析法。它以一種小波變換方式產(chǎn)生一系列“瞬時”波譜信號估計,詳細而準(zhǔn)確地揭示出時間序列中瞬時頻率結(jié)構(gòu)隨時間的變化;既可確定函數(shù)在整個頻域上的頻率特點,也能反映信號在時域上的總體特征;可以通過伸縮和平移等運算功能對函數(shù)或信號序列進行多尺度細化分析,研究不同尺度(周期)隨時間的演變情況和變化的時間位置,具有數(shù)學(xué)意義上的嚴(yán)格的突變點診斷能力。2.1小波變換的一般公式設(shè)有時間序列f(t)及一組由參數(shù)a,b構(gòu)成的母小波g(a,b,t),由f(t)與g(a,b,t)的卷積構(gòu)成小波變換:Tg(a,b)=1a√∫∞?∞g(t?ba)f(t)dt。(1)Τg(a,b)=1a∫-∞∞g(t-ba)f(t)dt。(1)若Δt為取樣間隔,n為樣本容量,則其離散形式為Tg(a,b)=1a√Δt∑i=1ng(iΔt?ba)f(iΔt)。(2)Τg(a,b)=1aΔt∑i=1ng(iΔt-ba)f(iΔt)。(2)2.2材料序列之間的相關(guān)關(guān)系將時間域上關(guān)于a的所有小波系數(shù)的平方進行積分,即為小波方差:var(a)=∑(Tg)2(a,b);(3)var(a)=∑(Τg)2(a,b);(3)MHF的表達式為g(t)=(1?t2)12π√e?t2/2,?∞<t<∞。(4)g(t)=(1-t2)12πe-t2/2,-∞<t<∞。(4)聯(lián)立式(2)和(4)可以得到小波變換結(jié)果。為了減少邊界效應(yīng),常將資料向前和向后各延拓一個樣本長度,變換后再將前后延拓部分舍棄。設(shè)樣本長度為N,資料序列為X(t)={X(1),X(2),?,X(N)}?(5)X(t)={X(1),X(2),?,X(Ν)}?(5)向前延拓N個資料,得X(?t)=X(t+1),t=0,1,?,N?1?(6)X(-t)=X(t+1),t=0,1,?,Ν-1?(6)向后延拓N個資料,得X(t+N)=X(N+1?t),t=1,2,?,N。(7)X(t+Ν)=X(Ν+1-t),t=1,2,?,Ν。(7)3研究結(jié)果3.1時間尺度特征圖1a為研究區(qū)風(fēng)蝕氣候指數(shù)距100序列及其8次多項式擬合曲線。圖中反映出:從1971年以來,該區(qū)域風(fēng)蝕氣候指數(shù)大體經(jīng)歷了2個變化階段:1983年以前風(fēng)蝕氣候指數(shù)的相對100偏大期和1983年以后的相對100偏小期。其中20世紀(jì)70年代前期風(fēng)蝕氣候指數(shù)最大,說明該時期的氣候條件可能造成風(fēng)蝕侵蝕力最強;而21世紀(jì)10年代中期最小,氣候條件可能造成區(qū)域風(fēng)蝕侵蝕力相對較弱。為進一步對風(fēng)蝕氣候指數(shù)時間序列作多時間尺度的分析,將現(xiàn)有資料分別向前和向后延拓一個樣本長度進行小波變換,變換后再將所延拓部分進行舍棄,只取中段。同時將波的最大周期取資料長度的1/2,即17年。圖1b、c為研究區(qū)風(fēng)蝕氣候指數(shù)距100變化的MHF小波變換結(jié)果。信號的強弱通過小波系數(shù)的大小來表示:等值線數(shù)值為正代表氣候指數(shù)偏大;等值線數(shù)值為負代表氣候指數(shù)偏小;小波系數(shù)數(shù)值為零則對應(yīng)著突變點。從圖1b、c可以看出,該區(qū)域風(fēng)蝕氣候指數(shù)的不同時間尺度周期變化在時間域中的分布存在差異性。即自1971年以來四子王旗風(fēng)蝕氣候指數(shù)在不同時期的振動周期是變化的,最強的幾個振動中心(正等值線中心)分別在20世紀(jì)70年代前期,80年代后期,其周期大致為15～17a和2～3a。即周期在15～17a左右的振蕩在70年代前期最顯著;周期在2～3a左右的振蕩在80年代后期?？梢?不同尺度周期信號的強弱在時-頻域中的分布具有較強的局部特征。研究區(qū)風(fēng)蝕氣候指數(shù)表現(xiàn)出不同的年際及年代際尺度變化。由于MHF小波變換系數(shù)的零點對應(yīng)于風(fēng)蝕氣候指數(shù)變化的拐點,所以小波變換系數(shù)的零點位置對應(yīng)于該區(qū)域風(fēng)蝕氣候指數(shù)變化的突變點位置;由此可以診斷出不同時間尺度上的變化突變點位置,從而可以得出其多時間尺度特征和規(guī)律。對應(yīng)于13～15a時間尺度,該區(qū)域的風(fēng)蝕氣候指數(shù)主要經(jīng)歷了2個較大時間尺度的大小更替:1986年以前的偏大期和1986年以后的偏小期,而1986年就是一個突變點。對應(yīng)于較小時間尺度的風(fēng)蝕氣候指數(shù)演變,則表現(xiàn)出相對復(fù)雜的現(xiàn)象。如果采用2～4a的時間尺度,則風(fēng)蝕氣候指數(shù)主要經(jīng)歷了4個變化階段:1980年以前的偏大期、1980-1986年的偏小期、1987-1990年的偏大期和1991年以后的偏小期,對應(yīng)的突變點為1980,1987和1991年。從圖1b,c還可以看出:風(fēng)蝕氣候指數(shù)最大的70年代前期,其高頻和低頻振蕩一致,都反映出偏大的特征;最小的在80年代中后期,其高頻和低頻振蕩一致,都反映出偏小的特征。近年來的風(fēng)蝕氣候指數(shù)變化情況,較大時間尺度變化處于增強的偏小期,但較小尺度表現(xiàn)出由小到大的過渡。圖2為研究區(qū)風(fēng)蝕氣候指數(shù)變化的MHF小波方差,反映了能量隨時間尺度的分布。由圖可以確定一個時間序列中各種尺度振動的相對強度,對應(yīng)峰值處的尺度成為該序列的主要時間尺度,用以反映時間序列的主要周期。在整個時間域內(nèi),研究區(qū)風(fēng)蝕氣候指數(shù)以16a左右周期振動最強,說明該區(qū)域風(fēng)蝕氣候指數(shù)的年代際特征較為明顯。3.2日間尺度周期變化特征圖3a為研究區(qū)1971—2006年沙塵暴發(fā)生總?cè)諗?shù)距平序列及其8次多項式擬合曲線。自1971年以來,研究區(qū)沙塵暴天氣大體經(jīng)歷了3個變化階段:1981年以前沙塵暴天氣的相對偏多期,1981—2005年的相對偏少期和2005年以后的相對偏多期。另外,20世紀(jì)70年代中期沙塵暴天氣發(fā)生最頻繁,而20世紀(jì)90年代中期沙塵暴天氣發(fā)生最少。圖3b為1971—2006年沙塵暴日數(shù)距平變化的MHF小波變換結(jié)果。從圖3b(圖3c為尺度1～5區(qū)間)可以看出:圖的上半部分等值線相對稀疏,對應(yīng)較長尺度周期的振蕩(低頻振蕩),而下半部分等值線相對密集,對應(yīng)較短時間尺度周期振蕩(高頻振蕩)。四子王旗沙塵暴日數(shù)的不同時間尺度周期變化在時間域中的分布是有差異的。自1971年以來沙塵暴天氣在不同時期的振動周期是變化的,最強的幾個振動中心分別在20世紀(jì)70年代前期,20世紀(jì)70年代中期和21世紀(jì)10年代中期,其周期大致為12～14a、3～4a和5～7a。周期在12～14a左右的振蕩在20世紀(jì)70年代前期最顯著;周期在3～4a左右的振蕩在20世紀(jì)70年代中期;周期在5～7a左右的振蕩在21世紀(jì)10年代中期最顯著。由于MHF小波變換系數(shù)的零點對應(yīng)于沙塵暴日數(shù)變化的拐點,所以小波變換系數(shù)的零點位置對應(yīng)于沙塵暴日數(shù)變化的突變點位置;由此可以診斷出不同時間尺度上變化的突變點位置,從而可以得出多時間尺度特征和規(guī)律。對應(yīng)于10～15a的時間尺度,沙塵暴天氣主要經(jīng)歷了2個較大時間尺度的多寡更替:它們是1985年以前的偏多期和1985年以后的偏少期,1985年就是一個突變點。對應(yīng)于較小時間尺度的沙塵暴日數(shù)演變,則表現(xiàn)出相對復(fù)雜的現(xiàn)象。如果采用2～5a的時間尺度,則沙塵暴日數(shù)主要經(jīng)歷了6個變化階段:1973年以前的偏少期、1973-1979年的偏多期、1980-1987年的偏少期、1988-1990年的偏多期、1991-2001年的偏少期、2002年以后的偏多期,對應(yīng)的突變點為1973,1980,1988,1991和2002年。對更小時間尺度,則情況更為復(fù)雜,周期性也較弱。從圖3b,c還可以看出,研究區(qū)沙塵暴日數(shù)最多的20世紀(jì)70年代中期,其高頻和低頻振蕩一致都反映出偏多的特征;在最少的20世紀(jì)90年代,其高頻和低頻振蕩一致都反映出偏少的特征。近年來的沙塵暴日數(shù)變化情況,較大時間尺度變化處于增強的偏少期,但較小尺度表現(xiàn)出由少到多的過渡;因此可推斷在未來一段時間內(nèi)沙塵暴日數(shù)可能出現(xiàn)短期的增加。圖4為研究區(qū)年沙塵暴日數(shù)變化的MHF小波方差。在整個時間域內(nèi),全年沙塵暴日數(shù)以17年左右周期振動最強,說明研究區(qū)沙塵暴日數(shù)的年代際特征較為明顯。3.3時間尺度對風(fēng)蝕氣候指數(shù)與擴展實現(xiàn)關(guān)系的影響從圖3b和圖1b可以看出,在整個時間域上,小波系數(shù)分布大體上是同相的,表明研究區(qū)風(fēng)蝕氣候指數(shù)與沙塵暴日數(shù)變化有比較好的對應(yīng)關(guān)系,即研究區(qū)風(fēng)蝕氣候指數(shù)偏大期對應(yīng)沙塵暴日數(shù)偏多期,風(fēng)蝕氣候指數(shù)偏小期對應(yīng)沙塵暴日數(shù)偏少期。而具體到不同的時間尺度上其對應(yīng)關(guān)系又存在一定的差異。圖5表示2a和12a尺度下的風(fēng)蝕氣候指數(shù)與沙塵暴日數(shù)小波系數(shù)的變化?？梢钥闯?不同時間尺度下的年風(fēng)蝕氣候指數(shù)與沙塵暴日數(shù)變化表現(xiàn)出從小尺度的復(fù)雜變化到大尺度的規(guī)律性變化的過渡特征。從較大時間尺度(12a)來看,風(fēng)蝕氣候指數(shù)與沙塵暴日數(shù)呈大指數(shù)多沙塵暴、小指數(shù)少沙塵暴結(jié)構(gòu)排列,兩者相位一致;從較小時間尺度(2a)來看,風(fēng)蝕氣候指數(shù)與沙塵暴日數(shù)變化在不同階段的同位性比大時間尺度稍復(fù)雜。從整個時間域上看,風(fēng)蝕氣候指數(shù)變化與沙塵暴日數(shù)變化總體表現(xiàn)為位相相同,只是在一些階段出現(xiàn)風(fēng)蝕氣候指數(shù)位相超前,如20世紀(jì)80年代前期。4陰山農(nóng)林交錯帶泥沙治理的階段性特征1)陰山北麓農(nóng)牧交錯帶年風(fēng)蝕氣候侵蝕因子變化具有明顯的階段性特征:相對于15a時間尺度,風(fēng)蝕氣候指數(shù)表現(xiàn)出1984年以前的大于100和1984年以后的小于100的更替;相對于5a時間尺度,風(fēng)蝕氣候指數(shù)表現(xiàn)出1980年以前的大于100和1980年以后的小于100的更替;相對于更小時間尺度,更替表現(xiàn)得更為復(fù)雜。2)1971—2006年時間域內(nèi),陰山北麓農(nóng)牧交錯帶的年風(fēng)蝕氣候侵蝕因子變化以16a左右周期振動較強。從研究區(qū)的風(fēng)蝕氣候指數(shù)變化情況,較大時間尺度變化處于增強的偏小期,但較小尺度表現(xiàn)出由大到小的過渡。3)陰山北麓農(nóng)牧交錯帶沙塵暴發(fā)生日數(shù)具有明顯的階段性特征:相對于10～15a時間尺度而言,沙塵暴日數(shù)表現(xiàn)出1985年以前的偏多期和1985年以后的偏少期的更替;相對于5a時間尺度而言,沙塵暴日數(shù)表現(xiàn)為1980年以前的