中国北方农牧交错带气候变化特点及未来趋势——基于观测和模拟资料的综合分析

中国北方农牧交错带是中国生态文明建设的一个重点地区。准确评估其气候变化趋势对于该区域可持续发展至关重要。本文的研究目的是在揭示1971-2015年气候变化特征的基础上,分析区域2006-2050年气候变化趋势。为此,本文综合观测和模拟数据分析了区域1971-2015年的历史气候变化以及2006-2050年的未来气候变化。研究发现:1971-2015年,中国北方农牧交错带气候变化呈暖干化趋势,年均气温的增长速率为0.39℃/10 a,年降水量的变化速率为-4.60 mm/10 a。2006-2050年,区域气候变化将呈暖湿化趋势,区域总体年均气温的增长速率为0.20～0.50℃/10 a,年降水量的变化速率为1.49～15.59 mm/10 a。同时,如果不有效控制温室气体排放,区域气候系统的不稳定性将加剧。2006-2050年,随着温室气体排放浓度的不断增加,区域增温速率从0.25℃/10 a增长至0.48℃/10 a,降水变化速率从3.97 mm/10 a增长至14.58 mm/10 a。因此,需要高度重视中国北方农牧交错带气候变化的减缓和适应问题,以促进该区域的可持续发展。     

1901—2014年黄土高原区域气候变化时空分布特征

气候变化对黄土高原地区环境与经济影响重大,研究其在小地理尺度上的时空变化趋势对该区应对全球气候变化制定适应性策略有重要意义。论文基于CRU 1901—2014年逐月气候数据集,利用Delta空间降尺度方法对该数据集在黄土高原地区进行降尺度处理并评价,最后采用距平、Mann-Kendall趋势检验和Sen’s斜率估计方法分析该区历史时期气候变化的时空分布特征。结果表明：1）使用Delta法将分辨率为0.5°×0.5°的月降水量和月均温数据降尺度到分辨率为1 km×1 km的网格上是可行的,其中线性插值法最适合该区降尺度过程。2）1901—2014年该区年降水量年际变化趋势不显著,但年均温以0.1 ℃/10 a的速率显著上升;与气候平均值相比,20世纪60年代为相对湿冷期,80年代以后为相对干暖期;年降水量在该区西部地区（面积占3.05%）以0.24 mm/10 a~3.52 mm/10 a的速率显著增加,年均温在西部以外地区（面积占91.30%）以0.02 ℃/10 a~0.17 ℃/10 a的速率由西南向东北显著上升。3）1981—2010年黄土高原西部地区（面积占92.02%）相比气候平均值变干变暖,西部以外地区（面积占7.98%）变湿变暖;年降水量只在民和及其以南极少数地区（面积占0.05%）以17.25 mm/10 a~27.93 mm/10 a的速率显著增加,年均温在西部以外地区（面积占87.61%）以0.23 ℃/10 a~0.71 ℃/10 a的速率显著上升。上述研究结果可为该区在制定应对全球气候变化策略时提供科学依据。     

黄河流域内蒙古段1951—2012年气温、降水变化及其关系

黄河流域内蒙古段是内蒙古自治区重要的经济发展区,研究其气候因子变化对流域水资源、区域经济社会发展及生态环境保护有重要意义。论文利用研究区及其周边地区52个气象站点1951—2012年气温与降水量资料,采用回归分析、年代均值比较、5 a滑动、气候倾向率和Mann-Kendall检验等方法,对气温与降水变化及其关系进行了分析。结果表明：近62 a来,研究区域平均气温、平均最高和最低气温均呈明显上升趋势（0.283 ℃/10 a、0.235 ℃/10 a、 0.590 ℃/10 a）,尤以20世纪90年代增温最为明显,冬季增长速率最快,对气温升高贡献最大。3类气温分别在1988、1989、1982年发生了突变,平均气温、平均最高气温突变时间均晚于平均最低气温。多年降水量年际变化较大,总体呈下降趋势（-1.48 mm/10 a）,但下降幅度不明显。年降水量与平均气温、平均最高气温、平均最低气温在20世纪80—90年代相关性较好,均呈上升趋势,而其他时期则呈阶段反对称变化。从季节上看,春季降水量与3类气温年值相关性最好;夏季降水量与3类气温的年际变化趋势类似;秋季降水量与3类气温呈阶段反对称性变化;冬季降水量与3类气温在20世纪90年代到21世纪呈反对称变化,其他年代则呈现一致的变化趋势。     

1970—2013年西北干旱区空中水汽含量时空变化与降水量的关系

论文基于1970—2013年西北干旱区高空和地面气象资料,采用多种统计学方法,分析了西北干旱区空中水汽含量的时空变化特征及其与降水量的关系。结果表明：1）1970—2002年,西北干旱区空中水汽含量呈显著的增加趋势,速率为0.835 mm/10 a（P<0.01）,其中以夏季增速最高（1.709 mm/10 a,P<0.01）;而降水效率基本稳定,仅春、冬季节略增。在空间上,1970—2002年水汽含量变化速率大小依次为北疆>南疆>河西走廊,其中冬、春季节以北疆水汽增速最大,夏、秋季节以南疆水汽增速最高。2）2003—2013年,西北干旱区水汽含量呈不显著下降趋势（-2.061 mm/10 a）;而降水效率明显增加,速率为0.136%/10 a,这说明近年来空中水汽转化为降水的效率明显提升。同时,北疆降水效率增加幅度明显高于其他地区。3）西北干旱区各季节的降水效率与降水量均呈显著正相关性,而水汽含量与降水量的相关性则表现出明显的季节性差异：春季>夏季>秋季>冬季。另外,新疆降水变化与水汽含量和降水效率均呈显著正相关性,而河西走廊降水量与降水效率的关系更为密切。     

1961—2014年黄土高原气温和降水变化趋势

利用黄土高原地区52个气象站1961—2014年月气温和月降水资料,采用线性趋势法、累积距平法、Mann-Kendall法和Morlet小波分析等方法,对近54年来黄土高原气候变化和突变现象进行了分析。结果表明:1961—2014年黄土高原年平均气温呈上升趋势,线性趋势为0.31℃?10a~(-1)(P0.01),在1991年前后发生了由低温到高温的突变。四季均温均呈增加趋势,其中冬季增速最大,达0.44℃?10a~(-1)。气温年代际变化呈现明显的变暖趋势,1991年以后变暖加速,其中冬季均温增速最大。年均气温增速较大的地区位于黄土高原北部地区,黄土高原南部地区气温增速较小,变暖速率的空间分布随纬度升高而变大。1961—2014年黄土高原年降水量变化不明显,整体呈波动式下降,线性趋势为-7.51 mm?10a~(-1)(P0.05);其中1961—1970年属于降水偏多的年代,而1991—2000年属于降水偏少的年代。季节降水量呈现不同变化趋势和强度,其中秋季、夏季和春季降水量呈减少趋势,秋季降水减少速率最大,为-3.56 mm?10a~(-1);而冬季呈弱增加趋势,为0.43 mm?10a~(-1)。年降水量减少速率最大的地区位于黄土高原东南部,而黄土高原西北部降水变化不明显。Morlet小波分析结果表明,黄土高原年平均气温存在4 a和7~9 a变化周期,黄土高原年降水量存在5~7 a和12~14 a变化周期。通过以上分析,近54年黄土高原气候总体呈现暖干化趋势。     

柴达木盆地气候变化的区域显著性及其成因研究

利用1961—2013 年柴达木盆地气温、降水等气象资料和高原季风、西风环流等相关大气环流及植被覆盖数据分析了柴达木盆地气候变化时空规律,揭示了其区域气候变化显著性的成因.研究表明:近53 a 来柴达木盆地气候变化呈显著增暖趋势,年平均气温气候倾向率达0.48 ℃/10 a,增幅明显高于整个青藏高原乃至全国和全球平均水平;滞后于变暖,柴达木盆地气候趋于明显变湿,其降水量和降水日数均呈增多趋势,达到95%以上信度的显著性水平;气候暖湿化具有明显的经向地带性分布规律,气候变暖显著的区域气候变湿相对不甚明显,反之亦然;在全球变化背景下,太阳辐射减小、高原季风趋于强劲、西风环流略弱和盆地植被覆盖恢复并具有明显的经向地带性变化特征,是造成柴达木盆地气候变化具有上述区域特征的气候成因.     

北方农牧交错带降水极值变化空间特征

农牧交错带是我国生态环境脆弱带,以109个气象站1971～1998年间的逐日降水资料,分析了农牧交错带年降水量、侵蚀性降水及暴雨等方面降水极值的时间变化及空间分布。结果显示农牧交错带平均每年发生侵蚀性降水的日数在3.5～17.6d之间,暴雨日数在0～2.6d之间;大部分地区的年降水量、侵蚀性降水量及暴雨量等都呈现不同程度的增加趋势,但暴雨量以及侵蚀性降水量等降水极值指标增加趋势更明显,反映出多数地区降水强度增加、降水侵蚀的潜在能力增强的特征;局部地区的降水极值呈减少趋势。     

1982—2015年长江流域植被覆盖度时空变化分析

量化植被覆盖变化及其与气候变化之间的关系,是当前全球变化和陆地表层生态系统研究领域的热点和难点。论文基于GIMMS-NDVI数据和气象数据,运用趋势分析、突变分析、偏相关分析以及残差分析,探讨长江流域植被覆盖度时空变化特征及其对气候和人类活动干扰的响应机制。结果表明：1）1982—2015年间长江流域除岷-沱江和太湖流域植被覆盖度为下降趋势外,其余均呈上升趋势,呈上升趋势的区域占流域总面积的69.77%,其中45.09%的区域呈显著上升趋势（P<0.1）;2）基于Mann-Kendall突变分析发现,1982—2015年间长江流域植被覆盖度年际变化存在突变现象,且区域差异性显著;3）气温与植被覆盖度的偏相关系数绝对值最大的像元占研究区总面积的43.31%,表明气温是长江流域近30 a植被覆盖度年际变化的主要影响因素;4）人类活动对长江流域植被覆盖度的影响力以持续增强为主,人类活动减弱的区域主要分布在金沙江流域、岷-沱江流域、汉水流域局部区域以及各大省会城市区域。     

土地利用变化的水土资源平衡效应研究——以西辽河流域为例

北方农牧交错带作为我国传统农区与牧区的交汇和过渡地带,是我国东、中部地区的重要生态屏障地区。选取北方农牧交错带东缘的西辽河流域为案例区,运用遥感、地理信息系统等方法,构建水分亏缺模型,定量计算了西辽河流域不同土地利用情景下的水分亏缺态势,揭示了北方农牧交错带土地利用变化的水土资源平衡效应,研究表明:①1995-2005年,西辽河流域土地利用整体特征未发生重大改变,土地利用表现为耕地面积有所增加、草地面积相对减少的局面;②西辽河流域水土资源平衡总体呈现中度水分亏缺的特征,亏水量较大的区域相对集中在西辽河冲积平原中部地区;③1995-2005年10 a间的土地利用变化使得西辽河流域严重缺水地区面积增加1/4,水分亏缺态势进一步加剧。     

1980~2015年东北沼泽湿地景观格局及气候变化特征

东北地区是我国沼泽湿地的主要分布区,了解东北沼泽湿地景观格局及气候变化特征对东北地区沼泽湿地研究及区域沼泽湿地生态系统保护具有重要意义。本文利用东北地区沼泽湿地分布数据集及1980~2015年东北地区年均气温、年均降水量数据集,分析东北地区沼泽湿地景观格局及气候变化特征。研究结果表明,近36年,东北地区沼泽湿地退化显著,但沼泽湿地斑块数量明显增多。1980~2015年东北沼泽湿地面积减少了30.81%,斑块数量增加了69.76%,景观破碎度指数增加了0.15,沼泽湿地退化特征体现为湿地斑块的破碎化。在东北不同的生态功能区,沼泽湿地退化及斑块破碎化均非常明显,其中,三江平原沼泽湿地面积在1980~2015年减少了高达53.27%,内蒙古东部及大兴安岭沼泽湿地破碎化程度最大,湿地斑块数量在近36年分别增加了163.80%和119.51%。在气候变化方面,东北沼泽湿地年均气温在1980~2015年总体呈现显著升温趋势（P<0.05）,气温上升幅度为每十年上升0.29℃。在降水变化方面,东北沼泽湿地年均降水量在1980~2015年总体呈现下降趋势（-5.70 mm/10a）,但下降趋势并不显著（P>0.05）;在不同生态功能区,辽河平原沼泽湿地年均降水量在1980~2015年呈现显著的下降趋势（-29.50 mm/10a）,而其他生态功能区降水变化并不显著。     

Adaptation to changing water resources in the Ganges basin, northern India

An ensemble of regional climate model (RCM) runs from the EU HighNoon project are used to project future air temperatures and precipitation on a 25 km grid for the Ganges basin in northern India, with a view to assessing impact of climate change on water resources and determining what multi-sector adaptation measures and policies might be adopted at different spatial scales.The RCM results suggest an increase in mean annual temperature, averaged over the Ganges basin, in the range 1–4 °C over the period from 2000 to 2050, using the SRES A1B forcing scenario. Projections of precipitation indicate that natural variability dominates the climate change signal and there is considerable uncertainty concerning change in regional annual mean precipitation by 2050. The RCMs do suggest an increase in annual mean precipitation in this region to 2050, but lack significant trend. Glaciers in headwater tributary basins of the Ganges appear to be continuing to decline but it is not clear whether meltwater runoff continues to increase. The predicted changes in precipitation and temperature will probably not lead to significant increase in water availability to 2050, but the timing of runoff from snowmelt will likely occur earlier in spring and summer. Water availability is subject to decadal variability, with much uncertainty in the contribution from climate change.Although global social-economic scenarios show trends to urbanization, locally these trends are less evident and in some districts rural population is increasing. Falling groundwater levels in the Ganges plain may prevent expansion of irrigated areas for food supply. Changes in socio-economic development in combination with projected changes in timing of runoff outside the monsoon period will make difficult choices for water managers.Because of the uncertainty in future water availability trends, decreasing vulnerability by augmenting resilience is the preferred way to adapt to climate change. Adaptive policies are required to increase society's capacity to adapt to both anticipated and unanticipated conditions. Integrated solutions are needed, consistent at various spatial scales, to assure robust and sustainable future use of resources. For water resources this is at the river basin scale. At present adaptation measures in India are planned at national and state level, not taking into account the physical boundaries of water systems. To increase resilience adaptation plans should be made locally specific. However, as it is expected that the partitioning of water over the different sectors and regions will be the biggest constraint, a consistent water use plan at catchment and river basin scale may be the best solution. A policy enabling such river basin planning is essential.     

1961—2017年青藏高原极端降水特征分析

基于青藏高原78个气象站点的逐日降水数据,采用百分位阈值法确定极端降水阈值,计算极端降水指数并分析其时空分布特征,以期为区域气候变化预测及防灾减灾对策的制定提供参考。结果表明：（1）1961—2017年青藏高原年降水量表现出上升趋势,上升速率为8.06 mm/10 a,多年平均降水量达472.36 mm。78个站点的年降水量倾向率最小值为-25.46 mm/10 a,最大值为43.02 mm/10 a,有15.38%的站点降水在下降,较为集中地分布在高原的东部和南部,其余84.62%的站点降水量在上升。（2）青藏高原各站点极端降水阈值的平均值为23.11 mm,取值范围为7.84~51.90 mm。高值中心出现在横断山区的贡山和木里,低值中心出现在柴达木盆地及昆仑山北翼区。（3）青藏高原各站点的极端降水量、极端降水日数和极端降水贡献率均表现出了明显的上升趋势,极端降水强度虽然也在上升但趋势并不明显,表明青藏高原极端降水量的上升并非是极端降水的强度引起的,而是由极端降水频次的上升引起的。柴达木盆地的极端降水量和极端降水日数虽然并没有表现出高值水平,但该地区的极端降水贡献率却表现出较高水平,表明该区域虽然降水量较少,但是降水往往以极端降水的形式产生。     

全球变化背景下安徽近55 a气温时空变化特征

基于安徽省80个气象站的月值气温观测数据,采用线性倾向率、Mann-Kendall突变检验、小波分析和R/S分析等数理统计方法,研究多时间尺度下的气温变化特征。结果表明:1)近55 a安徽省气候呈现明显的暖化趋势,年均气温及春、秋、冬季气温均呈明显上升趋势,其中春季升温幅度最显著,年平均气温在20世纪90年代波动幅度最大;2)年平均气温在1996年发生了突变,与突变前相比,突变后的平均气温增加了0.82℃,年平均气温发生了较大的变化,增暖趋势显著;3)近55 a安徽省年平均气温的变化主要存在5~8 a和10~15 a周期振荡,由小波方差图可以确定年平均气温存在6 a和11 a的主周期;4)安徽省年及四季平均气温的Hurst指数都大于0.5,表明存在显著的Hurst现象,即在不同时间段,该地区的气温时间序列大体上延续历史变化趋势,说明近55 a来安徽省的气温变化存在趋势性成分。春季和冬季Hurst值最高,表明与其他季节相比,春季和冬季的增温持续性最强,是年平均增温的主要贡献者。     

近47年来东北地区典型开垦型农场气候变化特征分析研究

利用1964年-2010年气象资料,采用回归分析和滑动t检验等方法,分析中国东北地区典型开垦型农场气温和降水量的变化特征。结果显示：47年来,八五九农场气温在波动中呈显著上升趋势,年均气温线性倾向率为0.14℃/10 a;年降水量也在波动中呈现上升趋势,其线性倾向率为7.51 mm/10 a。滑动t检验结果表明,20世纪70年代末期是八五九农场气温明显由冷向暖转变的分界点;而年降水量在70年代末期由少向多发生较为显著的变化。     

近25年雅鲁藏布江中游蒸发皿蒸发量及其影响因素的变化

采用气候倾向率方法,对西藏雅鲁藏布江(下称"雅江")中游1981~2005年14个气象站年、季小型蒸发皿蒸发量及其影响气候因子的变化趋势进行了分析。结果表明:近25年西藏雅江中游年蒸发皿蒸发量在流域绝大部分站点均呈现显著的减少趋势,平均减幅为109.92mm,以夏季减少趋势最明显。影响蒸发皿蒸发量的主要气候因子日照时数、平均风速呈现显著下降趋势,平均相对湿度、降水量表现为显著增加,平均气温显著升高,平均最低气温的升温速率(0.52℃/10a)明显比平均最高气温的升温速率(0.23℃/10a)大,导致气温日较差减少(-0.29℃/10a)。因此,雅江中游年日照时数和平均风速的显著下降,以及年平均相对湿度的明显增加可能是年蒸发皿蒸发量显著下降的主要原因,平均气温日较差的显著减小和降水量的增加在蒸发量减少趋势中的作用也不可忽视。     

Effects of climate change on water resources in Tarim River Basin, Northwest China

Based on hydrology, temperature, and precipitation data from the past 50 years, the effects of climate change on water resources in Tarim River Basin in Northwest China were investigated. The long-term trends of the hydrological time series were detected using both parametric and nonparametric techniques. The results showed that the increasing tendency of the temperature has a 5% level of significance, and the temperature increased by nearly 1℃ over the past 50 years. The precipitation showed a significant increase in the 1980s and 1990s, and the average annual precipitation exhibited an increasing trend with a magnitude of 6.8 mm per decade. A step change occurred in both the temperature and precipitation time series around 1986. The streamflow from the headwater of the Tarim River exhibited a significant increase during the last 20 years. The increase in temperature, precipitation, and streamflow may be attributed to global climate change.     

东北地区参考蒸散量的变化特征及其成因分析

蒸散是水分运动过程中地表热量平衡和水分平衡的组成部分,是影响气候变化的重要一项。进行蒸散量变化的研究,对了解气候变化、探讨水分循环变化规律具有十分重要的意义。论文利用东北地区124个气象站1961—2007年的日气象数据,采用Penman-Monteith方程计算了参考蒸散量,分析了参考蒸散量的变化趋势及其变化原因。结果表明,在这47 a间,东北地区年平均气温以0.38℃/(10 a)的趋势递增,但是参考蒸散量总体上却以4.4 mm/(10 a)的速度递减。在地区分布上,三分之二的地区参考蒸散量呈下降趋势,显著下降的地区集中在辽宁朝阳地区,三分之一的地区参考蒸散量呈上升趋势,主要集中在辽宁南部和吉林东部地区。对有关各气象因子分析表明,影响参考蒸散量的主要因子为日照时数和风速。     

祁连山七一冰川物质平衡的时空变化特征

基于2011-2016年七一冰川的野外观测资料,结合气象站数据及1975-2015年的遥感影像,分析了冰川末端变化、物质平衡时空变化特征及其对气候变化的敏感性,结果表明：1975年以来,七一冰川末端持续退缩235 m,平均退缩速率为5.9 m/a,冰川面积减少0.13 km²（4.5%）。2011-2016年,七一冰川的平均物质平衡为-476 mm w.e.,平均ELA为4941 m a.s.l.,物质平衡梯度为2.9 mm/m。从季节变化看,受风吹雪和冰面升华影响,11月至次年3月冰川呈负平衡;4月和9月物质平衡受降水控制,随海拔变化呈现降水效应;强消融期（6-8月）物质平衡随海拔升高线性增加;消融期末由9月初延后至9月底。敏感性分析结果表明,物质平衡对气温变化的敏感性为-178.7 mm w.e. °C^-1 a^-1,对降水变化的敏感性为+2.93 mm w.e. mm^-1 a^-1。即61 mm的降水增加才能弥补暖季气温升高1 °C引起的冰川净物质损失。