寧文曉，劉旭陽(yáng)，王振亭

(1 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院， 蘭州 730000； 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

工業(yè)革命以來(lái)，全球氣候變暖已是不爭(zhēng)的事實(shí)。科學(xué)研究和觀測(cè)數(shù)據(jù)表明[1]：1880—2012年間，全球陸地和海洋表面溫度平均升高0.85 ℃(0.65～1.06 ℃)。氣候變化及其影響已經(jīng)成為當(dāng)今全球廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)之一。氣專(zhuān)委第5次評(píng)估報(bào)告指出[1]：在過(guò)去的100 a里，全球變暖毋庸置疑，中國(guó)的氣候變化基本符合全球趨勢(shì)，近60 a來(lái)，氣溫以0.23 ℃/10 a的趨勢(shì)升高，幾乎是全球的2倍；降水量變化趨勢(shì)整體上雖不明顯，但西北地區(qū)明顯增多，東北、華北地區(qū)明顯減少。沙漠作為全球氣候變化的產(chǎn)物，是一種特殊條件下形成的地-氣系統(tǒng)，對(duì)氣候變化的響應(yīng)與反饋主要表現(xiàn)在特殊下墊面的變化特征[2]，進(jìn)而影響其生態(tài)環(huán)境狀況及周邊地區(qū)沙漠化進(jìn)程。巴丹吉林沙漠作為國(guó)家“兩屏三帶”生態(tài)安全戰(zhàn)略格局中“北方防沙帶”的重要組成部分，在西北乃至全國(guó)具有非常重要的地位，因而該地區(qū)的氣候變化[3-5]、形成演變[6-8]及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制[8]一直都是政府和學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

目前，多數(shù)學(xué)者關(guān)于巴丹吉林沙漠氣候變化的研究主要集中在古氣候變遷方面[3，9]，也有學(xué)者運(yùn)用線(xiàn)性回歸、突變分析等方法研究巴丹吉林沙漠周邊區(qū)域氣溫和降水量的變化規(guī)律。馬寧等[4-5]的研究表明巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)氣溫呈上升趨勢(shì)，降水量變化并不明顯。蘇俊禮[10]采用ESMD方法對(duì)巴丹吉林沙漠地區(qū)年降水量進(jìn)行模態(tài)分解，從而得到3個(gè)模態(tài)分量，分別具有準(zhǔn)3 a和準(zhǔn)5 a的年際變化周期以及準(zhǔn)11 a的年代際變化周期，分解后的全局自適應(yīng)曲線(xiàn)較好擬合了該地區(qū)年降水量的變化趨勢(shì)。王乃昂等[11]利用沙漠東南部高大沙丘區(qū)定位觀測(cè)和外圍氣象站的同期降水?dāng)?shù)據(jù)，研究認(rèn)為沙漠東南部腹地降水與外圍降水在季節(jié)分布上有較好的一致性，腹地的高大沙丘對(duì)降水有一定影響。張克存等[12]利用巴丹吉林沙漠周邊18個(gè)氣象站點(diǎn)近40 a的氣象資料，研究該區(qū)域降水、風(fēng)況、大風(fēng)日數(shù)和沙塵暴等氣象要素的時(shí)空變化規(guī)律。李萬(wàn)元等[13]對(duì)巴丹吉林沙漠周邊17個(gè)常規(guī)氣象站1951—2005年的逐月降水量與沙塵暴頻次和東亞夏季風(fēng)指數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。Xu和Li[14]采用滑動(dòng)平均、線(xiàn)性回歸、Mann-Kendall和克里金插值等多種方法對(duì)阿拉善高原>0 ℃、>10 ℃積溫進(jìn)行研究。

雖然前人做過(guò)一些巴丹吉林沙漠氣象要素的研究，但國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)氣象站多位于沙漠周邊居民點(diǎn)，近年來(lái)新建的野外觀測(cè)點(diǎn)也多位于東南部高大沙丘區(qū)，沙漠北部和西部的研究幾乎處于空白狀態(tài)。此外，由于缺乏沙漠腹地氣象資料，目前的研究方法多是利用對(duì)周邊的氣象站點(diǎn)進(jìn)行插值，來(lái)預(yù)估腹地的氣候狀況。但是，倘若腹地與周邊的氣象資料空間分異性明顯，那么，插值結(jié)果并不一定準(zhǔn)確。因此，在進(jìn)行插值分析前需要先對(duì)要素進(jìn)行空間分異性研究，如果空間分異性明顯，則不適合利用周邊地區(qū)的插值結(jié)果對(duì)沙漠腹地進(jìn)行估計(jì)。本文以巴丹吉林沙漠為研究對(duì)象，利用周邊4個(gè)氣象站1960—2018年的長(zhǎng)時(shí)間序列和腹地2016—2018年的短時(shí)間序列氣象數(shù)據(jù)，分析沙漠周邊及腹地降水量和氣溫的年際、月際變化特征，應(yīng)用交叉小波和小波相干探索兩者在多時(shí)間尺度上的相關(guān)關(guān)系和周期性特征，基于地理探測(cè)器的方法分析沙漠周邊和腹地氣溫和降水量的空間分異性，進(jìn)而為沙漠氣候資源利用和周邊地區(qū)沙漠化治理提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

巴丹吉林沙漠位于中國(guó)內(nèi)蒙古高原的西部，北、東、南三面均被山脈包圍，西接黑河沖積扇，是阿拉善沙漠的主體。關(guān)于其究竟是中國(guó)第2大還是第3大沙漠，目前尚存在頗多爭(zhēng)議[15-16]。該沙漠海拔多在1 200～1 600 m，擁有世界上最高大的沙丘和獨(dú)特的沙丘-湖泊共存景觀[17]。研究區(qū)屬溫帶大陸性氣候，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，常年多西北風(fēng)。區(qū)內(nèi)植被稀少，僅稀疏灌木和半灌木在沙丘底部和丘間地分布。

本研究選取巴丹吉林沙漠周邊的4個(gè)氣象站(拐子湖、巴彥諾爾公、阿拉善右旗和鼎新)和沙漠腹地的1個(gè)自動(dòng)氣象站進(jìn)行研究，如圖1所示。沙漠周邊4個(gè)氣象站1960—2018年間氣溫和降水量數(shù)據(jù)由中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)提供，腹地2016—2018年的氣象資料由自動(dòng)氣象站定點(diǎn)觀測(cè)所得，其中，沙漠腹地自動(dòng)氣象站2017年2—7月的數(shù)據(jù)因操作失誤缺失，表1列出5個(gè)氣象站點(diǎn)的基本情況。長(zhǎng)時(shí)間序列的氣溫和降水量數(shù)據(jù)(1960—2018年周邊4個(gè)氣象站點(diǎn))用于年際變化、周期性分析和突變檢驗(yàn)，短時(shí)間序列的氣象資料(2016—2018年沙漠腹地和周邊共5個(gè)氣象站點(diǎn))用于月際變化和空間分異性研究。

圖1 巴丹吉林沙漠示意圖及氣象站點(diǎn)分布圖Fig.1 Map of Badain Jaran Desert and weather stations

表1 巴丹吉林沙漠氣象觀測(cè)站點(diǎn)基本情況Table 1 Basic information of meteorological observation sites in Badain Jaran Desert

1.2 趨勢(shì)分析

氣候的趨勢(shì)分析一般采用線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)方法。本文采用一元線(xiàn)性回歸模型，自變量為時(shí)間序列，因變量為氣候要素序列，從而建立反映兩者之間具體數(shù)量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

1.3 突變檢驗(yàn)

氣候突變是氣候從一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì))跳躍到另一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì))的現(xiàn)象，在時(shí)空上表現(xiàn)為從一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征迅速變化到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特征[18]。Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，它不需要樣本服從一定的分布，也可以排除少數(shù)異常值的干擾。本研究采用M-K檢驗(yàn)法來(lái)檢測(cè)氣溫和降水量在長(zhǎng)時(shí)間序列中的突變點(diǎn)。

1.4 交叉小波與小波相干

氣候變化含有多種時(shí)間尺度，在時(shí)域中存在著多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)和局部變化特征，而在頻域中表現(xiàn)為不同顯著水平的周期震蕩[19]。交叉小波(cross wavelet, XWT)與小波相干(wavelet coherence, WTC)彌補(bǔ)了小波分析只能揭示單時(shí)間序列非平穩(wěn)信號(hào)的時(shí)頻結(jié)構(gòu)特征的缺點(diǎn)，可以在時(shí)間域和頻率域中表征氣候信號(hào)的局部變化特征，對(duì)要素間相關(guān)性分析更具優(yōu)越性[19]。目前，已有學(xué)者將該方法用于氣候變化的研究[20-22]。交叉小波可以揭示兩個(gè)時(shí)間序列共同的高能量區(qū)以及位相關(guān)系[19]。小波相干譜是用來(lái)度量?jī)蓚€(gè)時(shí)間序列在時(shí)-頻兩域中局部相關(guān)的密切關(guān)系[19]。

1.5 空間分層異質(zhì)性

空間分層異質(zhì)性是指層內(nèi)方差小于層間方差的現(xiàn)象，通常用地理探測(cè)器方法進(jìn)行探測(cè)[23]。該方法是一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，目前已經(jīng)在氣候變化領(lǐng)域得到應(yīng)用[24-25]。

本文采用“分異及因子探測(cè)”和“交互作用探測(cè)”研究不同環(huán)境因子對(duì)氣溫和降水量的影響程度。用q值度量，表達(dá)式為

(1)

分異及因子探測(cè)用于研究各因子對(duì)因變量的貢獻(xiàn)率。交互作用探測(cè)用于評(píng)估因子之間的共同作用是否會(huì)增強(qiáng)或減弱因變量的解釋力，交互類(lèi)型如表2所示。

表2 兩個(gè)因子對(duì)因變量交互作用類(lèi)型Table 2 Types of interaction between two covariates

當(dāng)因子或變量為數(shù)值量時(shí)，地理探測(cè)器要求對(duì)因子或變量數(shù)據(jù)進(jìn)行離散化處理，轉(zhuǎn)化為類(lèi)型量。基于2015年全國(guó)土地利用數(shù)據(jù)，對(duì)其按耕地、林地、草地、水域、城鄉(xiāng)工礦居民用地和未利用土地一級(jí)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類(lèi)。海拔按照等間距分類(lèi)法分為950～1 015、1 016～1 080、1 081～1 145、1 146～1 210、1 211～1 275、1 276～1 340、1 341～1 405、1 406～1 470、>1 470 m共9類(lèi)。根據(jù)DEM提取坡度和起伏度，坡度按照<5°、6°～10°、11°～15°、16°～20°、21°～25°、26°～30°、31°～35°、>35°等級(jí)分為8類(lèi)，起伏度按照<4、5～8、9～13、14～19、20～26、27～34、35～43、44～53、54～64、65～78 m等級(jí)分為10類(lèi)。以氣象站點(diǎn)為中心，輻射1 km作為研究范圍，以保證具有相同的空間尺度。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫與降水量的年際變化趨勢(shì)

根據(jù)巴丹吉林沙漠周邊4個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2018年的降水量和氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到降水量和氣溫的年際變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 1960—2018年4個(gè)站點(diǎn)年降水量和年均溫的變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of annual precipitation and annual average temperature at four weather stations during 1960-2018

1960—2018年間，巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)的年降水量在10.9～212.1 mm之間變化，且各站點(diǎn)間的年際變化差別較大(圖2(a))。拐子湖、巴彥諾爾公、阿拉善右旗、鼎新氣象站點(diǎn)的多年平均降水量分別為42.5，103.9，118.5，55.4 mm。沙漠北緣和西部較為干旱，而南緣和東部相對(duì)比較濕潤(rùn)。通過(guò)趨勢(shì)分析可知，沙漠周邊地區(qū)的年降水量均在波動(dòng)中上升。其中，巴彥諾爾公增加的速率最大，達(dá)到8.8 mm/10 a。由于所有站點(diǎn)的變化趨勢(shì)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平，所以變化趨勢(shì)并不明顯。馬寧等[5]基于1960—2009年降水?dāng)?shù)據(jù)的研究表明：沙漠北緣(額濟(jì)納旗和拐子湖)的年降水量呈負(fù)趨勢(shì)，而南緣(阿拉善右旗和雅布賴(lài))出現(xiàn)正趨勢(shì)。這與本研究得出的結(jié)論有所不同。究其原因，可能是額濟(jì)納旗離沙漠相對(duì)較遠(yuǎn)，變化趨勢(shì)與拐子湖相差較大；亦或是從2009年起，拐子湖降水量明顯增加，補(bǔ)充近10 a的降水?dāng)?shù)據(jù)使得拐子湖站點(diǎn)長(zhǎng)時(shí)間序列的年降水量趨勢(shì)變?yōu)椴▌?dòng)上升。綜合4個(gè)站點(diǎn)來(lái)看，巴丹吉林沙漠降水量的增加速率為4.57 mm/10 a，遠(yuǎn)低于古爾班通古特沙漠(13.82 mm/10 a)和塔克拉瑪干沙漠(7.07 mm/10 a)[26]。

1960—2018年期間，巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)的年均溫在5.8～11 ℃之間變化，在波動(dòng)中逐漸上升(圖2(b))。各站點(diǎn)的年均溫最高值均出現(xiàn)在1998年，最低值出現(xiàn)在1967年。通過(guò)線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)可知，沙漠周邊地區(qū)年均溫呈升高趨勢(shì)，趨勢(shì)線(xiàn)達(dá)到極顯著水平。位于沙漠北緣的拐子湖站點(diǎn)的升溫速率達(dá)到0.42 ℃/10 a；沙漠東部、南緣、西部的巴彥諾爾公、阿拉善右旗和鼎新站點(diǎn)的升溫速率較低，分別是0.30、0.32和0.31 ℃/10 a。由于不同研究者對(duì)氣候要素序列的起止時(shí)間和區(qū)域站點(diǎn)選擇等方面存在差異，本文的年增暖趨勢(shì)略高于前人的研究[5]。巴丹吉林沙漠的年均溫升溫速率(0.34 ℃/10 a)略高于塔克拉瑪干沙漠(0.26 ℃/10 a)，基本持平于古爾班通古特沙漠(0.34 ℃/10 a)[26]。相比于同期全國(guó)(0.22 ℃/10 a)[27]、西北(0.17 ℃/10 a)[28]的平均升溫速率，沙漠周邊地區(qū)各站點(diǎn)年均溫的升高速率略高。這一現(xiàn)象也說(shuō)明沙漠及周邊地區(qū)，植被蓋度較小，降水稀少，蒸發(fā)量大，地表水分含量極少，氣候系統(tǒng)脆弱，氣候變化敏感導(dǎo)致氣候變化在沙漠地區(qū)表現(xiàn)得更為明顯。

2.2 氣溫與降水量的月際變化趨勢(shì)

根據(jù)沙漠周邊和腹地5個(gè)氣象站2016—2018年降水量和氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，得到月降水量和月均溫的變化趨勢(shì)，結(jié)果如圖3所示。綜合各站點(diǎn)來(lái)看，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥，是溫帶大陸性氣候的典型表現(xiàn)。

圖3 2016—2018年5個(gè)站點(diǎn)月降水量和月均溫的變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trend of monthly precipitation and mean monthly temperature at five weather stations during 2016-2018

巴丹吉林沙漠周邊和腹地降水量的月變化趨勢(shì)雖有較大差異，但具有高度集中性[11](圖3(a))。無(wú)論是周邊還是腹地，降水量都主要集中于6—9月，且最大值出現(xiàn)在7月或8月，同時(shí)降水量也具有極大偶然性。2016年，腹地的降水量大于沙漠北緣，基本和阿拉善右旗持平，但是遠(yuǎn)不及沙漠東部和西部。2018年，腹地的降水量大于拐子湖和巴彥諾爾公，但不及阿拉善右旗和鼎新。這與王乃昂等[11]的結(jié)論基本一致。2016年，巴彥諾爾公的月降水量異常之多。2017年，阿拉善右旗降水量多于其他地區(qū)，且最大值相較其他站點(diǎn)提前一個(gè)月。對(duì)比庫(kù)姆塔格沙漠的降水事件，周?chē)军c(diǎn)的降水量和腹地CMORPH融合的格點(diǎn)降水量數(shù)據(jù)在變化趨勢(shì)和峰值出現(xiàn)的月份上均表現(xiàn)出不同[29]。這也正說(shuō)明用沙漠周邊的站點(diǎn)降水代替沙漠內(nèi)部的降水是不合理的。

沙漠周邊和腹地氣溫的月變化趨勢(shì)具有高度相似性(圖3(b))。不同站點(diǎn)的最高溫均出現(xiàn)在7月，最低溫出現(xiàn)在1月。S1地處沙漠腹地，海拔1 240 m，四周被高大沙丘和湖泊環(huán)繞，拐子湖氣象站位于海拔960 m的鹽堿地上，兩者在夏季(6—9月)氣溫極為接近，略高于巴彥諾爾公、阿拉善右旗和鼎新氣象站。冬季(12月—次年2月)，巴彥諾爾公和拐子湖相較其他站點(diǎn)來(lái)說(shuō)，氣溫偏低。

2.3 氣溫和降水量的突變檢驗(yàn)

根據(jù)巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)1960—2018年的氣溫和降水量數(shù)據(jù)，運(yùn)用Mann-Kendall方法繪制正時(shí)間序列(UF)和逆時(shí)間序列(UB)曲線(xiàn)，并進(jìn)行突變分析，結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a, c, e, g)可知，巴丹吉林沙漠周?chē)貐^(qū)年降水量是波動(dòng)變化的，部分區(qū)域、部分年份段呈逐年減少的趨勢(shì)，但大多仍是逐年增加。巴彥諾爾公和拐子湖站點(diǎn)的M-K曲線(xiàn)相似，時(shí)間稍有差異，1960—1962年，UF>0，年降水量有一個(gè)短暫的上升時(shí)期，1963—1973年，UF<0，年降水量波動(dòng)下降，1973—1987年波動(dòng)上升，1987—1995年又波動(dòng)下降，1995年后持續(xù)增加，增加趨勢(shì)僅巴彥諾爾公在2008年后達(dá)到0.05顯著水平。阿拉善右旗的年降水量在1967年前波動(dòng)下降，1967年后呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但是未達(dá)到0.05顯著水平。鼎新站點(diǎn)的年降水量在1960—1962、1973—1993年間處于波動(dòng)下降，在其余年份均保持增加趨勢(shì)，趨勢(shì)性亦未達(dá)到0.05顯著水平。分析UF和UB統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)可知，巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)年降水量波動(dòng)明顯，出現(xiàn)多次突變。拐子湖在1995和2006年發(fā)生突變，巴彥諾爾公、阿拉善右旗和鼎新分別在1990—2000、1996—2006、2005—2015年間發(fā)生4～5次突變。相比于新疆地區(qū)沙漠降水的單一突變次數(shù)和集中突變時(shí)間[26]，巴丹吉林沙漠降水量發(fā)生突變的次數(shù)較多且時(shí)間較為分散。

巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)年均溫M-K檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)如圖4(b, d, f, h)所示。拐子湖站點(diǎn)1960—1967年期間，年均溫波動(dòng)變化明顯；1967—1980年，UF<0，氣溫降低；1981—2016年，UF>0，氣溫一直保持升高的趨勢(shì)，并且在1988年后達(dá)到0.05顯著水平，表明氣候增暖顯著。巴彥諾爾公和阿拉善右旗的年均溫變化趨勢(shì)與拐子湖站點(diǎn)基本相同，但年均溫由變冷趨勢(shì)轉(zhuǎn)為變暖趨勢(shì)的年份以及變化趨勢(shì)達(dá)到顯著水平的年份有所滯后，兩站點(diǎn)先后在1982和1987年由變冷趨勢(shì)轉(zhuǎn)為變暖趨勢(shì)并且都在1993年達(dá)到0.05顯著水平。鼎新站點(diǎn)在1988年前，氣溫下降，1988年后，氣候明顯增暖。沙漠周邊地區(qū)年均溫的UF和UB統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)有唯一交點(diǎn)，暗示僅有一個(gè)突變時(shí)間，其突變特點(diǎn)與年降水量完全不同。拐子湖、巴彥諾爾公、阿拉善右旗和鼎新年均溫發(fā)生突變的時(shí)間分別為1991、1993、1993和1995年，表明沙漠周邊地區(qū)的年均溫在20世紀(jì)90年代初發(fā)生突變，此后，氣候變?yōu)樵雠厔?shì)，這一時(shí)間與塔克拉瑪干和古爾班通古特沙漠的突變時(shí)間基本一致[26]。

圖4 1960—2018年4個(gè)站點(diǎn)年降水量和年均溫的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.4 Mann-Kendall test of annual precipitation and annual average temperature at four weather stations during 1960-2018

2.4 氣溫和降水量的交叉小波與小波相干分析

通過(guò)對(duì)4個(gè)氣象站點(diǎn)1960—2018年的年均溫和年降水量進(jìn)行交叉小波和小波相干變換，得到交叉小波譜和小波相干譜，并運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，分析兩者在時(shí)頻域中的相關(guān)性[19]。圖5中，顏色深淺表示能量密度的相對(duì)變化，紅色表示峰值，藍(lán)色表示谷值；黑色粗實(shí)線(xiàn)為95%置信區(qū)間邊界，表示通過(guò)紅噪聲檢驗(yàn)；黑色細(xì)實(shí)線(xiàn)為小波影響錐邊界，表示受連續(xù)小波變換數(shù)據(jù)邊緣效應(yīng)影響較大的區(qū)域[19，22]。小波相干譜中的相位角反映兩序列在不同時(shí)域的滯后性特征，根據(jù)相位角正負(fù)向可以分析時(shí)域內(nèi)兩序列間的相關(guān)性[19，22]。其中由左向右的箭頭(→)表示兩者同相位，呈正相關(guān)關(guān)系；由右指向左的箭頭(←)表示負(fù)相位，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；而垂直向下(↓)和向上(↑)分別表示Y提前和落后X的1/4個(gè)周期，呈非線(xiàn)性關(guān)系[19]。

由圖5可知，巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)年降水量和年均溫的相關(guān)關(guān)系存在周期性波動(dòng)。1970—1985和1990—2000年間，拐子湖氣象站點(diǎn)的年降水量和年均溫存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，其共振周期高能量區(qū)主要分布在1975年前后8 a和1995年左右的4 a。巴彥諾爾公(1980—2005年)與拐子湖類(lèi)似，也呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，共振周期高能量區(qū)在1995年前后10 a。阿拉善右旗氣象站的年降水量和年均溫之間存在非線(xiàn)性關(guān)系，1972—1982和1975—1990年間，共振周期高能量區(qū)主要集中在1983年前后5 a和1975年左右的2 a。鼎新氣象站兩要素之間關(guān)系較為復(fù)雜，1980—1995年，表現(xiàn)為正相關(guān)；2000—2018年，呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系，共振周期高能量區(qū)為2010年左右的4 a。綜上所述，巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)的年降水量和年均溫在多時(shí)間尺度上主要呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系。

圖5 1960—2018年4個(gè)站點(diǎn)年均溫和年降水量的交叉小波譜和小波相干譜Fig.5 Cross wavelet and wavelet coherence of annual precipitation and annual average temperature at four weather stations during 1960-2018

2.5 氣溫和降水量的空間分層異質(zhì)性

通過(guò)對(duì)沙漠腹地1個(gè)自動(dòng)氣象站和周邊地區(qū)4個(gè)氣象站點(diǎn)2016和2018年的年均溫和年降水量數(shù)據(jù)做地理探測(cè)器分析，探究其空間分異性和不同因子對(duì)氣溫和降水量的影響程度。因子探測(cè)器的運(yùn)行結(jié)果中：q值表示空間分層異質(zhì)性，q值越大，表明因子對(duì)變量的解釋力越強(qiáng)，空間分層異質(zhì)性越明顯；p值用于衡量顯著性，越接近于0，表明顯著性越強(qiáng)，越接近于1，則越不顯著。

根據(jù)因子探測(cè)結(jié)果(表3)可知：各因子的p值多接近于1，結(jié)果并不顯著，氣溫不具有空間分異性；2016年，經(jīng)度、海拔、土地利用類(lèi)型和坡度對(duì)降水量的空間分異性影響較為顯著，而在2018年，緯度、海拔和起伏度的影響較為明顯。這在一定程度上表明，研究區(qū)不同分區(qū)的降水在很大程度上與不同影響因子息息相關(guān)，且不同影響因子在不同年份對(duì)降水量的影響程度是不同的。陳紅寶[30]通過(guò)對(duì)比2010年巴丹吉林沙漠腹地和周邊的11次同期降水得出：僅沙漠南部的阿拉善右旗和雅布賴(lài)鎮(zhèn)站點(diǎn)與腹地的降水量相關(guān)性較好，與其余站點(diǎn)(額濟(jì)納旗、拐子湖、鼎新、金塔、阿左旗、巴音毛道和民勤)幾乎不具有相關(guān)性。同時(shí)，陳紅寶[30]通過(guò)回歸分析和反距離加權(quán)法得到沙漠東南部腹地的氣溫和周邊地區(qū)之間具有顯著的線(xiàn)性關(guān)系。但是，對(duì)腹地和周邊地區(qū)同一氣象要素進(jìn)行相關(guān)性分析和回歸分析只能說(shuō)明兩者之間是否具有相關(guān)性，至于歸因和預(yù)測(cè)還需要進(jìn)一步討論。

表3 氣溫和降水量的驅(qū)動(dòng)因子探測(cè)Table 3 Driving factor detection of temperature and precipitation

從各因子交互對(duì)氣溫的解釋力結(jié)果(表4)來(lái)看，各因子之間的交互作用表現(xiàn)為非線(xiàn)性增強(qiáng)或雙因子增強(qiáng)，且2016和2018年，各因子之間的交互作用對(duì)氣溫的影響是一致的。各因子交互對(duì)降水量的解釋力結(jié)果(表4)顯示，各因子之間的交互作用亦表現(xiàn)為雙因子增強(qiáng)和非線(xiàn)性增強(qiáng)，但兩兩之間的交互對(duì)降水的影響在不同年份之間存在差異。各因子彼此之間均加強(qiáng)了對(duì)氣溫和降水的解釋力。其中，各影響因子之間非線(xiàn)性增強(qiáng)的貢獻(xiàn)率大于單因子獨(dú)立貢獻(xiàn)率的2倍，這是各因子綜合作用于氣溫和降水量的結(jié)果。

綜合單因子和交互因子探測(cè)結(jié)果來(lái)看，氣溫不具有空間分異性，降水量具有空間分異性，影響降水量的主要因子可能會(huì)隨年份發(fā)生變化。因此，不同區(qū)域的降水量具有較大差異，并不能簡(jiǎn)單地通過(guò)對(duì)周邊氣象站的降水量進(jìn)行插值分析來(lái)預(yù)估腹地的降水，需要更多的腹地氣象資料才更具說(shuō)服力。而沙漠腹地和周邊地區(qū)的氣溫具有高度一致性，幾乎不存在空間分異性，對(duì)周邊氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行插值分析以預(yù)估腹地的氣溫是合理的。此外，具有不同特征的相同研究對(duì)象仍需采用不同的插值方法，如李框宇等[31]將梯度距離平方反比法進(jìn)行改進(jìn)后對(duì)氣溫進(jìn)行空間插值，使得插值結(jié)果更加準(zhǔn)確。由此可知，對(duì)于氣溫來(lái)說(shuō)，整個(gè)區(qū)域尺度的天氣系統(tǒng)的影響機(jī)制是非常重要的，而對(duì)于降水量來(lái)說(shuō)，局地差異的影響則更大。

3 結(jié)論

1)巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)年降水量呈增加趨勢(shì)，但并不顯著，降水傾向率為4.57 mm/10 a，且沙漠東部的增加趨勢(shì)比北、西、南緣更加明顯。沙漠周邊地區(qū)年均溫呈顯著上升趨勢(shì)，速率達(dá)到0.34 ℃/10 a，沙漠北部比東、南、西緣升溫速率更大。

2)巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)的年降水量在1960—2018年間發(fā)生多次突變，主要集中在：1995—2000年，2005—2015年。而年均溫在此期間僅發(fā)生一次突變，大致在1990—1995年間，各站點(diǎn)先后變暖加速。

3)巴丹吉林沙漠周邊和腹地降水量的月變化趨勢(shì)具有較大差異，但降水量主要集中在6—9月，在季節(jié)上仍然具有高度一致性。周邊和腹地氣溫的月變化趨勢(shì)高度相似。綜合來(lái)看，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。

表4 氣溫和降水量的交互因子探測(cè)Table 4 Interactive factor detection of temperature and precipitation

4)交叉小波以及小波相干分析結(jié)果表明，沙漠北緣和東部的年降水量和年均溫主要呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，沙漠南緣和西部的關(guān)系則較為紊亂?？傮w看來(lái)，巴丹吉林沙漠周邊地區(qū)的降水量和氣溫在多時(shí)間尺度上主要呈非線(xiàn)性關(guān)系。

5)巴丹吉林沙漠地區(qū)的降水量具有空間分異性，氣溫幾乎不具有空間分異性。不同影響因子對(duì)降水量具有不同的解釋力，因此，并不能簡(jiǎn)單地通過(guò)周邊氣象站點(diǎn)對(duì)腹地降水進(jìn)行預(yù)測(cè)及歸因等。

本工作得到中國(guó)科學(xué)院大學(xué)王勁峰老師和陳東老師、中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)姜濱老師和中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院連喜紅的幫助，在此表示感謝。