朱永華, 羅平平, 郭 倩, 張 盼, 王美宇, 閆 龍, 汪 勇

(1.延安大學(xué)建筑工程學(xué)院，陜西 延安 716000；2.長(zhǎng)安大學(xué)旱區(qū)地下水文與生態(tài)效應(yīng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054；3.長(zhǎng)安大學(xué)水與環(huán)境學(xué)院，西安 710054；4.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038)

盡管氣候變化具有不確定性和復(fù)雜性，但全球氣候變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。氣候變暖所帶來(lái)的大氣水汽及循環(huán)動(dòng)力增加，使得降水與蒸發(fā)的強(qiáng)度和空間分布也隨之發(fā)生改變，且北半球變化更為明顯。然而，氣候變化不僅影響自然環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)平衡，也能衡量與預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)變化。因此，氣候變化對(duì)地球上幾乎所有的景觀和生態(tài)系統(tǒng)都產(chǎn)生了重大影響，包括沙地。

氣象因子通過(guò)改變相應(yīng)的生態(tài)水文過(guò)程，在沙地環(huán)境的生態(tài)功能中起著至關(guān)重要的作用。中國(guó)西北部，特別是黃河流域毛烏素沙地，由于獨(dú)特的地帶性與敏感性，其生態(tài)系統(tǒng)正面臨著比以往更大的挑戰(zhàn)與機(jī)遇。因此，識(shí)別沙地區(qū)域氣候變化特征及其與植被變化的響應(yīng)關(guān)系，為生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供參考，已成為當(dāng)前的重要科學(xué)課題。

與氣溫升高、降水增加、蒸發(fā)改變等有關(guān)的氣候變化已經(jīng)并將繼續(xù)對(duì)沙地生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。此前的研究表明，在全球氣候變暖背景下，我國(guó)西北地區(qū)氣候正由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型。與此同時(shí)，北半球中高緯度特別是亞洲和北美40°—70°N地區(qū)植被變化呈顯著的線(xiàn)性增加趨勢(shì)。然而，針對(duì)沙地區(qū)域氣候變化周期與突變特征的精確描述相對(duì)較少，導(dǎo)致沙地生態(tài)環(huán)境未來(lái)變化的不確定性顯著增強(qiáng)，給科學(xué)制定水資源管理與保護(hù)對(duì)策帶來(lái)顯著影響。自20世紀(jì)70年代首次提出歸一化差異植被指數(shù)(NDVI)以來(lái)，已被廣泛用于評(píng)估對(duì)環(huán)境變化的生態(tài)響應(yīng)。因此，本研究在前人研究基礎(chǔ)上，試圖從基礎(chǔ)層面通過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、Morlet小波分析和相關(guān)分析闡釋沙地區(qū)域氣候變化特征，探索區(qū)域植被變化與氣候因子的響應(yīng)關(guān)系。研究成果可能有助于理解氣候變化對(duì)半干旱地區(qū)沙地的影響，從而為在當(dāng)前氣候變化下有效保護(hù)和管理這些寶貴的生態(tài)系統(tǒng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

毛烏素沙地(簡(jiǎn)稱(chēng)沙地)位于鄂爾多斯高原向陜北高原過(guò)渡地帶，自西北向東南傾斜，地理坐標(biāo)為107°20′—111°30′E，37°30′—39°20′N(xiāo)，面積4.0×10km(圖1)。研究區(qū)屬溫帶季風(fēng)區(qū)氣候，年平均氣溫6.10～8.15 ℃；多年平均降水量在沙地東南部為400～440 mm，并向西逐漸遞減，直至250 mm左右；7—9月集中全年降水量的60%～70%，降水強(qiáng)度較大，常以暴雨形式出現(xiàn)；年平均風(fēng)速2.1～3.3 m/s，年平均大風(fēng)日數(shù)10～40天，最多達(dá)95天。沙地的植被大致劃分為3個(gè)(亞)地帶與3大類(lèi)群，3大(亞)地帶分別為荒漠草原亞地帶，干草原亞地帶，干草原亞地帶向森林草原過(guò)渡地帶；3大類(lèi)群為梁地上的草原與灌叢植被，半固定、固定沙丘與沙地上的沙生灌叢，灘地上的草甸、鹽生與沼澤植被。

圖1 研究區(qū)位置和氣象站點(diǎn)分布

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與方法

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源及預(yù)處理

氣象數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)站發(fā)布的陜西省、內(nèi)蒙古自治區(qū)8個(gè)氣象觀測(cè)站(東勝站、鄂托克旗站、伊金霍洛旗站、定邊站、橫山站、洛川站、榆林站、吳起站)1959—2019年逐日平均氣溫和降水量，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，計(jì)算得到年平均及生長(zhǎng)季(4—10月)的氣溫、降水量和蒸發(fā)量。

植被指數(shù)(NDVI, normalized difference vegetation index)可以準(zhǔn)確反映地表植被覆蓋狀況，對(duì)植被變化狀況監(jiān)測(cè)、植被資源合理利用和其他生態(tài)環(huán)境相關(guān)領(lǐng)域的研究有十分重要的參考意義。研究區(qū)月尺度NDVI數(shù)據(jù)集源自中國(guó)科學(xué)院資源環(huán)境數(shù)據(jù)云平臺(tái)(http://www.resdc.cn)，基于SPOT/VEGETATION PROBA-V 1KM PRODUCTS旬1KM植被指數(shù)數(shù)據(jù)(http://www.vito-eodata.be)，采用最大值合成法生成的1998年以來(lái)的月尺度植被指數(shù)數(shù)據(jù)集，獲取時(shí)間為1998年4月至2019年12月，空間分辨率為1 km?；诙久珵跛厣车卮蟛糠种脖煌Ｖ股L(zhǎng)或被冰雪覆蓋，NDVI均值無(wú)法準(zhǔn)確反映出冬季植被覆蓋狀況，所以本文以年NDVI最大值作為研究數(shù)據(jù)。

2.2 研究方法

2.2.1 數(shù)理統(tǒng)計(jì)法計(jì)算蒸發(fā)量 作為重要?dú)夂蛞蜃拥恼舭l(fā)量對(duì)于區(qū)域內(nèi)水循環(huán)增強(qiáng)起著重要促進(jìn)作用，其值大小可反映區(qū)域暖濕化狀況。本文基于研究區(qū)內(nèi)8個(gè)氣象站逐月氣溫和降水量數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)理統(tǒng)計(jì)法計(jì)算出蒸發(fā)量，使研究區(qū)的氣候要素更加完善，分析結(jié)果更加準(zhǔn)確，計(jì)算公式為：

式中：為月蒸發(fā)量(mm)；為月降水量(mm)；為月平均氣溫(℃)。

2.2.2 M-K突變檢驗(yàn)法 氣候要素的突變檢驗(yàn)采用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法—Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(M-K)，明確氣象因子的突變期及分析其變化趨勢(shì)。該方法具有不要求樣本數(shù)據(jù)一定遵守某特定概率分布，也不受少數(shù)異常點(diǎn)的影響，計(jì)算簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，并能夠準(zhǔn)確反映出樣本的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)和突變情況。

當(dāng)M-K突變檢驗(yàn)的UF或UB的值大于0時(shí)，表示數(shù)據(jù)序列呈上升趨勢(shì)；反之，數(shù)據(jù)序列則呈下降趨勢(shì)。在α=0.05的顯著性水平下，顯著性區(qū)間為(-1.96，1.96)，如果UF或UB值超過(guò)臨界線(xiàn)(±1.96)，表明數(shù)據(jù)序列上升或下降趨勢(shì)顯著。當(dāng)UF與UB 2條曲線(xiàn)存在交點(diǎn)，且交點(diǎn)位于顯著性區(qū)間內(nèi)，則交點(diǎn)為突變點(diǎn)。

2.2.3 Morlet小波分析法 小波分析是研究時(shí)間序列的一種多分辨功能的方法，它不僅可以給出氣候序列變化的尺度，還可以顯示出變化的周期規(guī)律，揭示時(shí)間序列中的變化周期，能充分反映系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)，并能夠?qū)ο到y(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行定性估計(jì)。小波分析的基本思想是用一簇小波函數(shù)來(lái)表示或逼近某一信號(hào)和函數(shù)，小波函數(shù)是指具有振蕩性，能夠迅速衰減到0的一類(lèi)函數(shù)。

小波方差分析是小波分析的重要內(nèi)容，將時(shí)間域上的關(guān)于的所有小波系數(shù)的平方積分稱(chēng)為小波方差。小波方差圖能反映時(shí)間序列中所包含的各種尺度(周期)的波動(dòng)及其強(qiáng)弱(能量大小)隨尺度變化的特性。通過(guò)方差圖，可非常方便地查找一個(gè)時(shí)間序列中起主要作用的周期。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候變化特征分析

3.1.1 氣溫變化趨勢(shì) 由圖2可知，1959—2019年，沙地研究期內(nèi)各站均氣溫均呈上升趨勢(shì)。定邊、洛川、鄂托克旗、榆林、東勝站點(diǎn)極差較大，氣溫上升傾向率分別為0.396，0.308，0.324，0.371，0.501 ℃/10 a，東勝站在1967年達(dá)到平均最低氣溫4.43 ℃，2013年達(dá)平均最高氣溫8.14 ℃。吳起、橫山、伊金霍洛旗站點(diǎn)極差相對(duì)較小，但仍在上升，氣溫上升傾向率分別為0.160，0.216，0.269 ℃/10 a，吳起站在1967年到平均最低氣溫6.84 ℃，1998年達(dá)平均最高氣溫9.21 ℃。

圖2 1959-2019年研究區(qū)年均氣溫變化曲線(xiàn)

1959—2019年，沙地年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，最低值出現(xiàn)在1967年，為6.46 ℃；最高值出現(xiàn)在1998年，為9.49 ℃，極差3.03 ℃。溫度的年代際變化1960—1970年平均氣溫為7.4 ℃，1971—1980年平均氣溫為7.5 ℃，1981—1990年平均氣溫為7.6 ℃，1991—2000年平均氣溫為8.4 ℃，2001—2010年平均氣溫為8.8 ℃，2010年代(2011—2019)平均氣溫為8.8 ℃。研究期內(nèi)沙地年平均氣溫差值為1.7 ℃，線(xiàn)性速率達(dá)0.32 ℃/10 a，呈極顯著(=0.744，<0.001)變化趨勢(shì)，區(qū)域氣候變暖趨勢(shì)明顯。

3.1.2 降水變化趨勢(shì) 由圖3可知，在8個(gè)氣象站中，研究區(qū)西北部的定邊、橫山、榆林和伊金霍洛旗站的降雨量呈上升趨勢(shì)，各站線(xiàn)性速率分別為7.32，0.73，11.92，5.63 mm/10 a。降水量增加極差變化最大的是定邊縣站，降水量在1964年達(dá)到平均最高554.5 mm，1982年達(dá)平均最低179.9 mm。降水量增加極差變化最小的是橫山站和榆林站，降水量分別在1964年、2016年達(dá)到平均最高降水量，分別為686.9，772.8 mm，1965年同時(shí)達(dá)平均最低降水量165.2，159.1 mm。洛川、鄂托克旗、吳起和東勝站的降雨量呈下降趨勢(shì)，各站的線(xiàn)性速率分別為-5.26，-0.025，-0.431，-1.79 mm/10 a。降水量降低極差最小的是洛川站，降水量在1964年達(dá)到554.5 mm，1982年達(dá)平均最低179.9 mm。降水量降低極差最大是鄂托克旗站，降水量在1976年達(dá)到661.6 mm，1982年達(dá)平均最低125.2 mm。

圖3 1959-2019年研究區(qū)年降水變化曲線(xiàn)

研究期間沙地年平均降雨量呈上升趨勢(shì)，最低值217.5 mm出現(xiàn)在1965年，最高值632.7 mm出現(xiàn)在1964年，極差達(dá)415.2 mm。降水量的年代際變化為，1960年代(1960—1970)平均降水為426.8 mm，1970年代(1971—1980)平均降水為390.3 mm，1980年代(1981—1990)平均降水為390.8 mm，1990年代(1991—2000)平均降水362.0 mm，2000年代(2001—2010)平均降水為399.1 mm，2010年代(2011—2019)平均降水為456.3 mm。研究期內(nèi)沙地年平均降水量差值為11.2 mm，線(xiàn)性速率達(dá)1.83 mm/10 a，呈極顯著(=0.744，<0.001)變化趨勢(shì)，區(qū)域氣候變濕趨勢(shì)明顯。

3.1.3 蒸發(fā)變化趨勢(shì) 由圖4可知，1959—2019年沙地區(qū)域各站蒸發(fā)量，除吳起站呈下降趨勢(shì)，速率為-0.12 mm/10 a外，定邊、橫山、洛川、榆林、鄂托克旗、伊金霍洛旗和東勝站均呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，各站線(xiàn)性速率分別為9.04，5.04，4.20，5.83，5.14，8.61，5.97 mm/10 a。蒸發(fā)量升高極差最大的是定邊站，蒸發(fā)量在1964年達(dá)365.2 mm，1982年僅為168.8 mm。升高極差最小的是洛川站，蒸發(fā)量在2006年達(dá)到463.6 mm，1995年僅為273.1 mm。

圖4 1959-2019年研究區(qū)年蒸發(fā)量變化曲線(xiàn)

研究期間沙地年平均蒸發(fā)量呈上升趨勢(shì)，最低值出現(xiàn)在1965年，為188.0 mm；最高值出現(xiàn)在1964年，為386.9 mm，極差達(dá)198.9 mm。蒸發(fā)量的年代際變化為，1960—1970年平均蒸發(fā)量為288.8 mm，1971—1980年平均蒸發(fā)量為279.0 mm，1981—1990年平均蒸發(fā)量為284.6 mm，1991—2000年平均蒸發(fā)量272.8 mm，2001—2010年平均蒸發(fā)量為297.2 mm，2011—2019年平均蒸發(fā)量為326.9 mm。研究期內(nèi)沙地年平均蒸發(fā)量差值為33.8 mm，線(xiàn)性速率達(dá)5.54 mm/10 a，呈極顯著(=0.744，<0.001)變化趨勢(shì)，區(qū)域氣候暖濕化趨勢(shì)明顯。

3.2 氣候要素的突變分析

3.2.1 氣溫突變分析 由圖5可知，研究區(qū)1959—2019年平均氣溫突變，橫山、榆林、鄂托克旗、東勝站UF曲線(xiàn)和UB曲線(xiàn)有唯一交點(diǎn)，均出現(xiàn)在1971年，且交點(diǎn)在=0.05顯著性臨界線(xiàn)范圍內(nèi)，表明該點(diǎn)可作為年平均氣溫突變時(shí)刻；而定邊、洛川、伊金霍洛旗、吳起站UF曲線(xiàn)和UB曲線(xiàn)在1971年左右存在多個(gè)交點(diǎn)，且均在臨界線(xiàn)之間，表明該期間為年平均氣溫的突變期。

圖5 1959-2019年研究區(qū)年均氣溫突變檢驗(yàn)

研究區(qū)年平均氣溫曲線(xiàn)UF波動(dòng)較大，并且在1963—1989年UF()<0，說(shuō)明年均氣溫在該期間呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；然而，1990—2019年UF()>0，則表明在1990—2019年呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)；且UF曲線(xiàn)在1997年以后呈現(xiàn)出顯著性上升趨勢(shì)(=1.96)，甚至在1999年呈極顯著性上升趨勢(shì)(=2.58)，表明區(qū)域氣溫變暖趨勢(shì)顯著。從總體趨勢(shì)看，UF曲線(xiàn)呈上升趨勢(shì)表明，近60年沙地年均氣溫呈逐漸上升趨勢(shì)，與線(xiàn)性趨勢(shì)分析的結(jié)果一致。曲線(xiàn)UF和曲線(xiàn)UB在1971—1981年幾乎全部重合，有多個(gè)交點(diǎn)，且交點(diǎn)均處于0.05顯著性臨界線(xiàn)范圍內(nèi)。這表明，1971年是沙地研究期間年均氣溫開(kāi)始突變的時(shí)間，且在1970—1981年存在顯著的突變，判斷在這段時(shí)間內(nèi)氣溫發(fā)生了由冷變暖的突變。

3.2.2 降水量突變分析 以沙地年降水量為基礎(chǔ)值，對(duì)其進(jìn)行突變分析，由圖6可知，定邊、橫山、榆林、鄂托克旗、伊金霍洛旗、吳起、東勝站UF曲線(xiàn)和UB曲線(xiàn)在1970—1990年出現(xiàn)多個(gè)交點(diǎn)，且均位于=0.05顯著性臨界線(xiàn)范圍內(nèi)，表明降水在1970年之后存在顯著突變，變化頻繁。而洛川站UF曲線(xiàn)和UB曲線(xiàn)僅在1975年和1991年處相交，均位于=0.05顯著性臨界線(xiàn)范圍內(nèi)，表明洛川站降水在70—90年代存在顯著性突變。

圖6 1959-2019年研究區(qū)年降水量突變檢驗(yàn)

研究區(qū)年平均降水曲線(xiàn)UF整體呈波動(dòng)上升，大部分位于=0.05顯著性臨界線(xiàn)范圍內(nèi)，說(shuō)明近60年平均降水在該期間呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)，與線(xiàn)性趨勢(shì)分析的結(jié)果一致。曲線(xiàn)UF在1960年、1962—1963年、1965—2016年均UF()<0，說(shuō)明沙地平均降水在此期間呈現(xiàn)降低趨勢(shì)；而在1961年、1964年、2017—2019年均UF()>0，則表明其在此期間呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且在2017年后上升幅度迅速加快。曲線(xiàn)UF和UB在1971—1999年幾乎全部重合，有多個(gè)交點(diǎn)，且交點(diǎn)均處于0.05顯著性臨界線(xiàn)范圍內(nèi)。1971年是沙地研究期間平均降水開(kāi)始突變的時(shí)間，且在1971—1999年存在顯著的突變，表現(xiàn)出降水由少變多的變化過(guò)程，氣候由干向濕產(chǎn)生突變。

3.2.3 蒸發(fā)量突變分析 以沙地年降水量與氣溫為基礎(chǔ)值，運(yùn)用公式計(jì)算求得的年蒸發(fā)量，并對(duì)其進(jìn)行突變分析，由圖7可知，橫山、鄂托克旗、伊金霍洛旗、東勝站UF和UB曲線(xiàn)分別在1971—1988年、1999—2004年、2016—2018年附近有多個(gè)交點(diǎn)，表明發(fā)生多次突變。定邊、洛川站均在2004—2016年發(fā)生突變，吳起站在1971—1998年發(fā)生突變。各站的平均蒸發(fā)UF曲線(xiàn)均呈不同程度的上升趨勢(shì)，表明沙地區(qū)域蒸發(fā)量上升，氣候變化驅(qū)動(dòng)力增強(qiáng)。

圖7 1959-2019年研究區(qū)年蒸發(fā)量突變檢驗(yàn)

研究區(qū)年平均蒸發(fā)曲線(xiàn)UF整體呈波動(dòng)上升，大部分位于=0.05顯著性臨界線(xiàn)范圍內(nèi)，說(shuō)明近60年平均蒸發(fā)在該期間呈現(xiàn)不顯著上升趨勢(shì)，與線(xiàn)性趨勢(shì)分析的結(jié)果一致。曲線(xiàn)UF在1962—1963年、1965—2002年、2005—2011年均UF()<0，這說(shuō)明，沙地平均蒸發(fā)量在此期間呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)；而在2003—2004年和2012—2019年均UF()>0，則表明在此期間呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，且在2012年后上升幅度迅速加快。曲線(xiàn)UF和UB在1971—1988年幾乎全部重合，有多個(gè)交點(diǎn)，且均處于=0.05顯著性臨界線(xiàn)范圍內(nèi)。1971年是沙地1959—2019年平均蒸發(fā)量突變的始發(fā)時(shí)間，且在1971—1988年存在顯著的突變。在1999—2000年和2016—2017年UF曲線(xiàn)和UB曲線(xiàn)均有1個(gè)交點(diǎn)，這表明降水在1999—2000年和2016—2017年又發(fā)生單獨(dú)的2次突變，且在該突變之后UF曲線(xiàn)繼續(xù)呈上升趨勢(shì)，表明區(qū)域蒸發(fā)量上升趨勢(shì)持續(xù)發(fā)展。

3.3 氣候變化周期性分析

3.3.1 氣溫周期變化分析 以沙地年均氣溫為基礎(chǔ)值，進(jìn)行小波周期分析。由圖8可知，定邊、橫山、洛川、榆林站年平均氣溫小波系數(shù)等值線(xiàn)在14～16，19～23，26～29年左右時(shí)間尺度上較為密集，出現(xiàn)小波系數(shù)高、低值中心變化；鄂托克旗、伊金霍洛旗、吳起、東勝站年平均氣溫小波系數(shù)等值線(xiàn)在4～9，10～16，19～23，25～30年左右時(shí)間尺度上較為密集，出現(xiàn)小波系數(shù)高、低值中心變化。區(qū)域年平均氣溫從1960—1970年存在4～6，8～12，15～30年的周期振蕩，從1970—2007年存在4～6，10～15，18～23，25～30年的4個(gè)振蕩周期，從2007年之后又出現(xiàn)4～6，8～12，15～30年的3個(gè)振蕩周期，其中以25～30年的周期振蕩特征最為明顯。

結(jié)合圖8的小波方差圖可知，定邊、橫山、洛川、鄂托克旗、區(qū)域平均的小波方差僅在28年處存在單峰,吳起站小波方差在4，7，13，28年達(dá)到極值，伊金霍洛旗站小波方差在15，28年達(dá)到極值，榆林和東勝站小波方差存在7，13，28年3個(gè)峰值，并均在28年最大，表明28年為第1主周期, 該結(jié)果明確了氣溫小波系數(shù)時(shí)間序列等值線(xiàn)圖所揭示的周期。

圖8 1960-2019年研究區(qū)年均氣溫Morlet小波系數(shù)和小波方差

3.3.2 降水周期變化分析 以沙地年降水為基礎(chǔ)值，進(jìn)行小波周期及分析。由圖9可知，各站年降水量小波系數(shù)等值線(xiàn)在3～5，5～9，10～16，20～30年左右時(shí)間尺度上較為密集，綜上分析可得，各站年降水量從1960—1980年存在3～5，6～9，10～16，20～30年的周期振蕩，出現(xiàn)小波系數(shù)高、低值中心變化。而從1980—2005年存在5～15，17～25，25～30年的3個(gè)振蕩周期，從2005年之后又出現(xiàn)6～10，12～15，20～30年的周期振蕩，其中20～30年的周期振蕩最明顯。

結(jié)合圖9的小波方差圖可知，各站均存在多個(gè)峰值，諸如，定邊站小波方差在3～9，13，28年達(dá)到極值，東勝站小波方差在4～5，7，13～14，22，28年達(dá)到極值，鄂托克旗站小波方差在4～5，13，22年達(dá)到極值，吳起站小波方差在4～13，28年達(dá)到極值，洛川、伊金霍洛旗站小波方差在4～5，13，28年達(dá)到極值，橫山、榆林站小波方差在7，13，28年達(dá)到極值；但各站均在28年附近呈現(xiàn)出最大值，表明其為各站降水的第1主周期。結(jié)果明確了降水小波系數(shù)時(shí)間序列等值線(xiàn)圖所揭示的周期。

圖9 1960-2019年研究區(qū)年降水量Morlet小波系數(shù)和小波方差

3.3.3 蒸發(fā)周期變化分析 以沙地年降水量與氣溫為基礎(chǔ)值，運(yùn)用公式計(jì)算求得的年蒸發(fā)量，并對(duì)其進(jìn)行周期變化分析。由圖10可知，定邊、橫山、洛川、榆林、鄂托克旗、東勝站年蒸發(fā)量小波系數(shù)等值線(xiàn)均在3～5年短時(shí)間尺度上較為密集；定邊、橫山、榆林、吳起站年蒸發(fā)量小波系數(shù)等值線(xiàn)均在10～15年中時(shí)間尺度上較為密集；洛川、鄂托克旗、伊金霍洛旗、吳起、東勝站年蒸發(fā)量小波系數(shù)等值線(xiàn)均在20～30年長(zhǎng)時(shí)間尺度上較為密集。進(jìn)一步分析區(qū)域蒸發(fā)量周期變化，區(qū)域平均年蒸發(fā)量從1960—1970年存在3～5，3～8，11～15，20～30年的周期振蕩，從1970年之后到2019年存在5～10，18～24，25～30年的3個(gè)振蕩周期，其中20～30年的周期振蕩最強(qiáng)。

結(jié)合圖10的小波方差圖可知，定邊、橫山站小波方差存在3個(gè)峰值，洛川站存在2個(gè)峰值，榆林、吳起站僅存在單一峰，但其極值均為28年處，表明蒸發(fā)量以28年為第1主周期；東勝站小波方差在4，12，22，28年達(dá)到極值，伊金霍洛旗站小波方差在5，8，13，22，28年達(dá)到極值，且均在22，28年最大，表明年蒸發(fā)量存在22，28年的第1主周期；鄂托克旗站小波方差在13，22年達(dá)到極值，且22年最大，表明年蒸發(fā)存在22年的第1主周期。為進(jìn)一步明確區(qū)域蒸發(fā)量周期分布，針對(duì)區(qū)域平均蒸發(fā)量的小波方差圖進(jìn)行分析可知，其在4，7，14，22，28年達(dá)到極值，且28年處最大，表明區(qū)域年蒸發(fā)量以28年的第1主周期，22，14年的第2主周期，7年的第3主周期和4年的第4主周期。

圖10 1960-2019年研究區(qū)年蒸發(fā)量Morlet小波系數(shù)和小波方差

3.4 暖濕化對(duì)區(qū)域植被的影響

3.4.1 植被覆蓋的時(shí)間變化特征 1998—2019年沙地生長(zhǎng)季NDVI值(圖11)在0.47～0.82波動(dòng)，總體呈現(xiàn)波動(dòng)增加趨勢(shì)，變化率為0.135/10 a。NDVI值變化分為4個(gè)階段，其中1998—2002年呈緩慢下降趨勢(shì)，2002—2004年呈急速上升趨勢(shì)，2005—2018年呈現(xiàn)小波幅的總體增長(zhǎng)趨勢(shì)，2018-2019年NDVI均值出現(xiàn)了大幅度下降。

3.4.2 毛烏素沙地NDVI變化對(duì)氣候變化的響應(yīng) 由圖11可知，1998—2019年沙地生長(zhǎng)季平均氣溫呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)，降幅僅為0.028 ℃/10 a；降水量表現(xiàn)為大幅波動(dòng)上升趨勢(shì)，上升幅度呈51.92 mm/10 a；蒸發(fā)量也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，幅度達(dá)30.12 mm/10 a。該結(jié)果表明，1998—2019年毛烏素沙地氣候在生長(zhǎng)季的暖濕化趨勢(shì)及水循環(huán)動(dòng)力持續(xù)增強(qiáng)。

為探索研究區(qū)氣候因子與植被的響應(yīng)關(guān)系，本文繪制了其時(shí)間序列對(duì)照?qǐng)D。由圖11可知，平均氣溫的年際變化與NDVI的年際變化總體上變化趨勢(shì)一致，僅在2018年隨著氣溫的小幅下降，NDVI值呈現(xiàn)大幅上升；降水的年際變化與NDVI的年際變化在 2000—2002年，2014—2016年呈現(xiàn)相反的增減趨勢(shì)，其余年份的增減趨勢(shì)均一致；蒸發(fā)的年際變化與NDVI的年際變化在2000—2002年、2009—2011年、2013—2017年呈現(xiàn)相反的增減趨勢(shì)。為進(jìn)一步探索其間響應(yīng)關(guān)系，本文基于經(jīng)典統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行了相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，沙地生長(zhǎng)季NDVI與降水和蒸發(fā)均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.479(<0.05)和0.500(<0.05)，而與氣溫呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)僅為0.041(>0.05)。基于上述分析可知，氣候因子對(duì)植被NDVI的響應(yīng)關(guān)系為溫度<降水<蒸發(fā)。

圖11 1998-2019年研究區(qū)生長(zhǎng)季NDVI與氣溫、降水量、蒸發(fā)量的關(guān)系

4 討 論

近幾十年來(lái)，中國(guó)西北地區(qū)暖濕化逐漸成為本領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)與重點(diǎn)問(wèn)題。由于暖濕化現(xiàn)象存在不確定性，不同地區(qū)氣候因子的變化特征異質(zhì)性明顯，且其與區(qū)域植被變化關(guān)系復(fù)雜。本研究表明，受西風(fēng)環(huán)流、高原季風(fēng)和東亞季風(fēng)環(huán)流的綜合作用，毛烏素沙地區(qū)域氣象因子時(shí)空特征具有明顯的區(qū)域性和復(fù)雜性。研究區(qū)氣溫、降水及蒸發(fā)均呈上升趨勢(shì)，區(qū)域氣候向暖濕化趨勢(shì)發(fā)展，該結(jié)果驗(yàn)證了施雅風(fēng)在2003年所提出的西北地區(qū)氣候暖濕化發(fā)展的預(yù)測(cè)，也與張強(qiáng)等、Luo等及Huo等在該區(qū)域?qū)夂蛞蜃幼兓卣鞯难芯拷Y(jié)果基本一致，即區(qū)域環(huán)境因子變化顯著。

全球氣溫上升趨勢(shì)顯著，區(qū)域變暖已明確。降水與蒸發(fā)同樣作為衡量研究區(qū)域暖濕化的重要指標(biāo)，二者呈顯著波動(dòng)上升趨勢(shì)，變濕增強(qiáng)，這與張強(qiáng)等基于多源數(shù)據(jù)進(jìn)行的西北暖濕化的時(shí)空特征分析結(jié)果相似。前人通過(guò)構(gòu)建干旱指數(shù)，并提出西北地區(qū)于21世紀(jì)開(kāi)始進(jìn)入增濕期。然而，本文針對(duì)研究區(qū)各站及區(qū)域平均降水與蒸發(fā)特征進(jìn)行M-K突變分析發(fā)現(xiàn)，突變均起始于19世紀(jì)70年代，且在80—90年代帶存在顯著的突變，氣候由“干”轉(zhuǎn)“濕”過(guò)程雖然也具有年代性，但時(shí)間節(jié)點(diǎn)略有不同。首先，推測(cè)這與研究區(qū)位置有關(guān)，區(qū)域氣候條件受多因素影響，具有顯著的空間異質(zhì)性；其次，可能與數(shù)據(jù)的時(shí)間序列長(zhǎng)短有關(guān)，百年長(zhǎng)序列、50年以上中序列和30年左右短序列的氣象因子特征及變化規(guī)律不統(tǒng)一。本文著重分析了區(qū)域氣象因子的小波周期及方差分析，揭示其主要存在28年的第1主周期，5～10年的小周期更換頻繁，與胡永寧等在沙地典型區(qū)烏審旗研究出的結(jié)果相一致。氣象因子周期性與年際性共同闡釋了研究區(qū)暖濕化的變化趨勢(shì)。

氣候的變化將為該區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來(lái)全新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。毛烏素沙地綠色植被生態(tài)演變向好趨勢(shì)發(fā)展顯著，氣候變化是關(guān)鍵性驅(qū)動(dòng)因素。本文基于NDVI時(shí)間序列數(shù)據(jù)特征分析，探討其與氣象因子間的響應(yīng)關(guān)系發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)植被NDVI值呈上升趨勢(shì)，楊梅煥等的研究結(jié)果證實(shí)了這一趨勢(shì)。并找出植被與蒸發(fā)和降水呈正相關(guān)的響應(yīng)關(guān)系，蒸發(fā)顯著性大于降水，證實(shí)二者是黃土高原區(qū)植被變化的主要限制因素。

蒸發(fā)升高與植被的水資源利用率提升有密切聯(lián)系，對(duì)植被生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用。然而，由于氣象因子的時(shí)空差異性，蒸發(fā)也會(huì)抑制植被變化，針對(duì)這種現(xiàn)象，應(yīng)引起學(xué)者們相應(yīng)關(guān)注。植被與氣溫在研究中呈負(fù)相關(guān)的響應(yīng)關(guān)系，證實(shí)生長(zhǎng)季氣溫降低對(duì)植被變化起抑制作用，這與郭紫晨等指出毛烏素沙地植被NDVI上升與氣溫升高存在關(guān)聯(lián)的結(jié)論相似，但在氣溫變化趨勢(shì)性與二者相關(guān)性方面存在差異。結(jié)合本研究結(jié)果，推測(cè)氣溫與植被響應(yīng)關(guān)系存在滯后性和空間異質(zhì)性，需要將來(lái)深化研究。

5 結(jié) 論

(1)毛烏素沙地1959—2019年各站及區(qū)域年均氣溫、降水及蒸發(fā)均呈上升趨勢(shì)，區(qū)域氣候向暖濕化趨勢(shì)發(fā)展。

(2)沙地年平均氣溫、降水及蒸發(fā)在時(shí)間序列上以20～30年的周期振蕩最明顯，且在28年處達(dá)峰，為毛烏素沙地氣象因子變化的第1主周期。

(3)毛烏素沙地1998—2019年生長(zhǎng)季NDVI數(shù)據(jù)呈上升趨勢(shì)，與同期氣候因子響應(yīng)明顯，關(guān)系表現(xiàn)為蒸發(fā)>降水>溫度。

研究結(jié)果可為當(dāng)?shù)卣跋嚓P(guān)部門(mén)正確認(rèn)識(shí)毛烏素沙地氣候暖濕化現(xiàn)象提供了重要信息和科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也對(duì)合理開(kāi)發(fā)利用土地、保護(hù)植被起到推動(dòng)作用。