近60年间巴丹吉林沙漠气温和降水变化及其对湖泊的影响.pdf

以巴丹吉林沙漠周围的 个国家气象站 年的长序列和腹地自建的 个气象站 年的短序列气象数据为支撑运用一元线性回归模型、检验等方法系统分析沙漠周边及腹地气温和降水量的时空变化特征结合项目组及前人对湖泊动态的研究成果分析其变化特征初步探讨了巴丹吉林沙漠湖泊变化与气候要素的响应关系 研究表明:巴丹吉林沙漠周边年均气温均呈上升趋势且由南向北升温速率增大其中阿拉善右旗以./的速率显著上升降水量变化趋势不显著总体而言近 来沙漠东南缘气候呈暖湿化、西北缘气候呈暖干化趋势 巴丹吉林沙漠周边年降水量、气温均在 世纪 年代出现突变降水量突变不明显气温突变显著气候自此向暖干化趋势发展沙漠周边与沙漠区月际气候特征基本一致均具有水热同期夏季高温多雨冬季寒冷干燥的特点但沙漠区雨季较沙漠边缘区短雨期较边缘区提前 沙漠区湖泊多年来呈不同程度萎缩趋势湖泊群加速萎缩受当地气候暖干化突变控制湖泊年度水位、水量峰值与降水量峰值不一致表明降水量变化不是湖泊变化的主控因素关键词:巴丹吉林沙漠气温变化降水变化湖泊变化中图分类号:文献标志码:文章编号:()./.巴丹吉林沙漠地处阿拉善高原荒漠中心位于东亚夏季风的西北缘有“中国最美的沙漠”的美誉 区域内分布有世界最高大的沙山沙山间镶嵌着 多个形态、矿化度各异的湖泊(曹乐等牛震敏等)素以“奇峰、鸣沙、美湖、神泉”著称 湖泊是自然界水分循环的一部分能够切实反映区域气候和生态环境变化的状况可作为气候变化的指示剂(张振瑜等 .闫立娟等姜宝福等)同时湖泊作为沙漠区地表水的重要载体对改善当地居民生活和维持自然生态平衡发挥了不可替代的作用 在全球变暖背景下探讨巴丹吉林沙漠气候多年演变特征及湖泊变化对其的响应对认识西北地区乃至东亚气候变化、维持区域生物多样性及生态环境安全具有重要意义(张毅等除多等 .)也可为研究极端干旱区水循环特征及机制提供理论背景受观测站点位置限制前人对巴丹吉林沙漠气候变化研究多集中在沙漠周边主要从气候变化特征(马宁等 李燕等 宁文晓等)、古气候变迁(杨小平高全洲等马金珠等张永香等)、气象因素的变化规律(张克存等李万元等)等方面进行分析 普遍认为 年 间沙漠边缘年均气温显著上升整体呈暖化趋势(马宁等李燕等宁文晓等)但是降水量变化趋势仍存在很大的争议主要存在以下观点:年降水量呈增大趋势(苏俊礼)近 来北缘年降水量略有减少南缘略有增加(马宁等)降水量变化不明显(马宁等李燕等宁文晓等)古气候研究认为巴丹吉林沙漠一带的气候波动在晚更新世期间主要取决于东南亚夏季风的摆动(杨艺等)年是干旱区气候突变的时期 世纪末至 世纪初是气候环境演化的重要时段自此以后干旱化进程进一步加剧(马金珠等)截止到 世纪 年代以前巴丹吉林沙漠南缘以干旱气候为主干湿转变较少(张永香等)针对巴丹吉林沙漠区湖泊的系统研究始于 世纪 年代前人关注的热点主要是湖泊的形成演化、水化学特征等并取得了一系列卓有成效的研究成果(.王乃昂等 .)有学者研究认为巴丹吉林沙漠湖泊受气候环境的影响正在发生不同程度的萎缩、分裂、干涸等现象且萎缩呈加剧趋势(杨小平熊波等张振瑜等)湖泊面积具有“北大南小”的空间分布特点湖泊盐度具有“北高南低”的分带性规律湖泊 值与湖泊面积呈正相关南北水化学类型迥异近 年来腹地湖泊水化学特性较边缘湖泊的变化大(邵天杰等)但关于湖水补给来源问题仍然没有达成共识 前人的观点大致可分为 类:降水补给(张虎才等赵景波等)、近源补给(即东南部雅布赖山区的降雨入渗经地下水侧向补给)(陈建生等金可等)、远源补给(.)和“古水”补给(朱金峰等)前人对巴丹吉林沙漠的研究主要侧重其气象要素变化、古气候变迁、湖泊演变等方面从时间(过去、现在与未来)尺度分析气候变化对区域内湖泊演变的影响较缺乏鉴于此本文以巴丹吉林沙漠周围的 个国家气象站 年的长序列数据和腹地自建气象站 年的短序列气象数据为支撑系统分析沙漠周边及腹地气温和降水量的时空变化特征 同时结合项目组基于国产卫星影像资料对湖泊动态遥感解译结果及前人研究成果分析、总结多年来巴丹吉林沙漠湖泊在水位、面积、数量、水量等方面的变化特征初步探讨巴丹吉林沙漠湖泊变化与气候要素的响应关系为巴丹吉林沙漠地区气候、湖泊及生态环境时空演变特征提供新的参考第 卷 第 期王丽娟等:近 年间巴丹吉林沙漠气温和降水变化及其对湖泊的影响 区域自然环境概况巴丹吉林沙漠位于内蒙古自治区阿拉善盟总面积近 是中国第三大沙漠 该地区属于温带大陆性沙漠气候气候极为干旱降雨稀少多年平均降水量为 由东南向西北逐渐减少东南部为 左右西北部不足 蒸发强烈是降水量的 倍年均温度 月平均温度为 月平均温度约为 冬、春季大风强劲终年盛行西北风和西风平均风速大于./区内植被稀少仅稀疏灌木和半灌木在沙丘底部和丘间分布 沙漠区总体地势由南向北缓倾地势起伏不大大部分海拔在 左右地貌类型以流动沙丘为主 山丘间低地区分布很多 很高的盐水湖也有少量淡水湖可供人畜饮用 高大沙山与内陆小湖交互相映形成了极具特色的沙漠景观 资料和方法.资料来源湖泊演化分析借助中国地质调查项目“巴丹吉林沙漠及周边地区 万水文地质调查”中(、)的湖泊动态遥感解译结果及前人的研究成果(贺鹏等)沙漠腹地小气候环境研究借助“巴丹吉林沙漠及周边地区 万水文地质调查”项目在沙漠腹地安装的 个小型气象观测站(巴丹湖、希诺日图、古日乃等)数据气温和降水长序列变化分析和多年月均分析主要借助 个国家气象站(额济纳旗、拐子湖、鼎新、阿拉善右旗)年间的气象数据 具体情况见表、图表 巴丹吉林沙漠周边国家气象站基本情况 站名纬度()经度()海拔/年均温度/年降水量/额济纳旗.拐子湖.鼎新.阿拉善右旗.图 巴丹吉林沙漠气象站点分布图.表 自建气象观测站 序号地点经度()纬度()高程/周围地形资料系列长度(年、月、日)观测内容雅布赖山山区迎风坡.巴丹湖沙山间洼地.车日格勒沙山间洼地.西诺尔图沙山间洼地.古日乃平坦干湖区.宗乃山基岩山边缘.拐子湖南低矮沙山间洼地.沙漠西北角沙漠西北平缓荒漠.伊和呼都格山间洪积河道.呼和乌拉山间洪积河道.光合有效辐射、风 速、风向、湿 度、降水、气 温、气压、太阳辐射 注:沙漠西北角 年 月起数据出现问题(大风刮倒雨量器)可参考阶段为.不足一年巴丹湖、车日格勒、伊和呼都格和呼和乌拉不足一年缺资料月份恰好是降水量稀少阶段暂假定为 再结合其他资料推测全年降水量地 质 通 报 年.方 法对巴丹吉林沙漠区近 的气温、降水变化特征分析主要采用以下方法:一元线性回归模型的斜率估计法、曼肯德尔()趋势检验法(陈泽榕)利用本次遥感影像解译结果并结合前人关于湖泊面积、水量、水位等研究成果资料探究湖泊演化趋势 分析气候因子对湖泊演化的影响总结该区气候发展趋势 分析结果与讨论.气温和降水量的年际变化趋势.基于线性回归模型分析根据巴丹吉林沙漠周边 个国家气象站点 年近 间的观测数据编制了气温和降水量的年际变化趋势曲线(图、图)并依据一元线性回归模型拟合结果可知巴丹吉林沙漠周边地区年均气温在.间波动斜率均为正值表明气温呈升高趋势且由南向北升温速率增大北侧额济纳旗 间升温最明显年降水量在.间波动各站点间的年降水量差别较大北缘额济纳旗和东缘拐子湖多年平均降水量分别为.和.西缘鼎新和南缘阿拉善右旗多年平均降水量分别为.和.沙漠北缘和东缘较干旱而西缘和南缘较湿润 年际间变化差别也较大北缘额济纳旗和东缘拐子湖南降水量呈减少趋势南缘阿拉善右旗和西缘鼎新呈增加趋势.基于 趋势检验分析从表、表 可知 年近 间额济纳旗气温一直呈显著性增加趋势平均变化速率为./鼎新和阿拉善右旗气温 世纪 年代均呈下降趋势且阿拉善右旗下降趋势显著自 世纪 年代以来呈持续上升趋势且在 世纪初升温显著分别达到 和 置信度平均变化速率分别为./和./拐子湖气温在 世纪 年代也呈下降趋势 世纪 年代至 世纪初期呈持续上升趋势其间 年代和 年代升温显著 世纪初出现显著下降趋 势 达 到 置 信 度 平 均 变 化 速 率 为./但 站点的气温总体均呈上升趋势 站点降水量变化趋势波动较大 阿拉善右旗降雨 世纪 世纪初期一直呈不显著上升趋势 世纪初呈平稳状态平均变化速率为./总体呈上升趋势鼎新降水量 世纪、年代和 世纪初期均呈不显著下降趋势其余时段呈上升趋势且 世纪 年代呈显著上升趋势达到 置信度平均变化速率为./总体呈上升趋势拐子湖降水量 世纪 年代和 世纪初呈显著下降趋势其余时段均呈不显著上升趋势平均变化速率为./总体呈下降趋势额济纳旗降水量在 世纪 年代呈显著下降外其余时段均呈上升趋势其中 世纪 年代呈显著上升趋势达到 置信度平均变化速率为./总体略呈下降趋势基于一元线性回归和 检验趋势法(陈泽榕)分析沙漠周边地区的气温和降水量年际变化趋势基本一致多年平均气温均呈波状上升趋势且由南向北升温速率增大最大升温表 年为周期的气温和降水量 趋势检验 值(显著水平.)(.)时段/年气温/降水量/额济纳旗拐子湖鼎新阿拉善右旗额济纳旗拐子湖鼎新阿拉善右旗.注:表示通过置信度 显著性检验表示通过置信度 显著性检验表示通过置信度 检验第 卷 第 期王丽娟等:近 年间巴丹吉林沙漠气温和降水变化及其对湖泊的影响图 气温年际变化趋势.图 降水量年际变化趋势.表 巴丹吉林沙漠地区各站气温和降水量变化速率(显著水平.)(.)气象要素趋势检验额济纳旗拐子湖鼎新阿拉善右旗气温/平均变化速率/.降水量/平均变化速率/.速率为./降水量东北缘(额济纳旗和拐子湖)呈不显著减少趋势西南缘(鼎新和阿拉善右旗)呈略有增加趋势 总体而言工作区近 东南缘气候呈暖湿化、西北缘气候呈暖干化趋势.气温和降水量突变分析由图、可知拐子湖和额济纳旗降雨 曲线变化相似 年降水量 曲线呈现明显下降趋势继而回升阿拉善右旗降水量 曲线持续呈波状上升状态未见明显下降趋势鼎新降水量 曲线 年间呈现小幅下地 质 通 报 年降趋势继而呈波状持续回升状态 沙漠周边地区年降水量的 曲线自 年以后均大于 部分年份呈下降趋势但整体呈波状上升趋势且均在 世纪 年代出现突变但均介于信度线以内突变趋势不明显 究其原因可能是 世纪 年代该区冷空气活动逐年加强零度层高度逐年下降大气热容量逐年减小空气中水汽含量逐年减少对应大气层结趋于不稳定导致降水量的变化趋势逐年增加(刘世祥等)由图、可知巴丹吉林沙漠周边地区 站点气温在 年间且呈波状上升趋势 年以后均超过了置信线上升趋势显著 拐子湖、阿拉善右旗、额济纳旗和鼎新的 和 曲线分别在 年、年、年和 年出现交点且阿拉善右旗、额济纳旗和鼎新交点不唯一交点均位于置信线上表明巴丹吉林沙漠周边气温在 世纪 年代末 年代初出现显著突变且阿拉善右旗、额济纳旗和鼎新站出现多次显著突变可见巴丹吉林沙漠周边气候自 世纪 年代开始向增暖趋势发展.气温和降水量月际变化趋势.沙漠周边气温和降水量月际变化趋势依据巴丹吉林沙漠周边 个国家站点近 的观测数据编制的气温和降水量多年月际变化趋势如图、表 所示巴丹吉林沙漠周边年度高温期集中于 月气温最高值一般出现在 月以东侧拐子湖气温最高其次为北侧额济纳旗最低值在 月降水量多集中于 月尤以 两月最多降水量占全年的 左右其中位于沙漠东缘的拐子湖降水量占全年降水量最大为.极端年份(年、年)可达全年降水量 其次为额济纳旗 总体而言沙漠边缘气候具有水热同表 年巴丹吉林沙漠周边降水量和气温月均值 地点 月降水量/月降水量占年度比月最高气温/月最低气温/额济纳旗.(月).(月)拐子湖.(月).(月)鼎新.(月).(月)阿拉善右旗.(月).(月)期性且具有高度集中性夏季高温多雨冬季寒冷干旱位于沙漠东缘的拐子湖站气温最高、降水量年内变异性最高、降水量略高于降水量最小的额济纳旗.沙漠区气温和降水量月际变化趋势根据沙漠区 个自建气象站点 年观测数据编制了沙漠区的降水量和气温月均变化趋势图(图)可见沙漠区与边缘气候月际变化趋势基本相同也具有水热同期性、夏季高温多雨、冬季寒冷干燥的特点但降雨主要集中于 月雨期较沙漠边缘短 沙漠中部的西诺日图和东部的古日乃降水量 月最多分别占全年降水量的和 拐子湖南降水量 月最多占全年降水量的.总体而言巴丹吉林沙漠周边和沙漠区气候月际变化趋势基本相同夏季高温多雨冬季寒冷干燥沙漠区降水主要集中在 月而沙漠周边降水集中在 月可以推测沙漠区雨季较沙漠边缘区短且雨期较边缘区提前该结论有待进一步研究.湖泊变化.湖泊面积变化巴丹吉林沙漠湖泊是气候与环境长期演化的结果其面积时空变化特征是湖泊演变的一项重要表征 前人研究发现在年际尺度上巴丹吉林沙漠湖泊面积整体呈减小趋势熊波等()、张振瑜等()研究认为 年(近 )巴丹吉林湖泊数量和面积整体表现为减小趋势虽也存在个别湖泊面积增大或湖泊新增但湖泊在各个时期表现为不同程度的萎缩其中 世纪 年代湖泊萎缩最快 金晓媚等()利用 水体指数法分析了巴丹吉林沙漠 年湖泊面积的年际变化趋势得出结论 年间湖泊面积减少了.呈缓慢减少趋势与张振瑜等()和熊波等()结论一致 曹乐等()分析国产卫星影像资料(年 月至 年 月、)结合 影像基础上认为近几十年沙漠中湖泊萎缩程度高沙漠干旱化趋势明显且基底凹陷区湖泊萎缩程度较低基底隆起区湖泊萎缩程度较高萎缩程度的差异性受区域构造基底的控制与影响第 卷 第 期王丽娟等:近 年间巴丹吉林沙漠气温和降水变化及其对湖泊的影响图 年 个站点巴丹吉林沙漠周边年降水量和年均气温 突变检验(是对具有 个样本量的时间序列 运用 突变分析方程按 顺序 计算出的统计结果序列 是对同一样本量运用同一方程按时间序列 逆序 计算出的统计量序列).拐子湖降水量拐子湖气温阿拉善右旗降水量阿拉善右旗气温额济纳旗降水量额济纳旗气温鼎新降水量鼎新气温地 质 通 报 年 图 巴丹吉林沙漠周边多年月均降水量和气温月际变化趋势 .图 沙漠区降水量和气温月际变化趋势 .在月际尺度上湖泊数量与面积均在春季达到最大夏、秋季依次减少冬季和次年春季迅速回升并在第二年 月重新达到最大恢复到前一年水平湖泊数量与面积的变化速率夏、春季快秋、冬季较慢(熊波等)项目组 年 月至 年 月开展了一个完整水文年湖泊动态监测工作结果发现湖泊丰水期处于、月之间枯水期在 月附近出现 时间同比变化上 年 月湖泊水体面积相比上年同期呈降低态势.湖泊分裂趋势在长时间序列下巴丹吉林沙漠湖泊水体整体呈退缩分裂态势分裂程度表现为东南高、西北低的特征与地形特征不完全相同(朱金峰等贺鹏等).湖泊水量变化研究沙漠湖泊的水量变化研究是开展水资源调查、沙漠湖泊水循环及湖泊水量平衡研究的基础 结合前人研究成果分析来婷婷等()认为巴丹吉林沙漠湖泊水量 年内变化与降水量的变动趋势并不一致 月降水量极低而湖泊水量为全年最大从 月降水量先逐渐增加后减少变化幅度较大而湖泊水量的变动却并不明显 朱金峰等()利用 遥感影像提取了湖泊年内季节变化信息认为湖泊面积和数量在年内从春到冬随季节依次减少到第二年春季又恢复到前一年春季状态 .()利用卫星数据与重力恢复试验证明了沙漠湖泊水位与地下水水量在缓慢减少 曹乐等()基于国产、卫星影像信息解译了巴丹吉林沙漠 个湖泊地质湖面高程和边界认为这些湖泊萎缩程度较高巴丹吉林沙漠现代湖泊湖面高程平均低于古湖面.湖泊总面积萎缩减小.占古湖总面积的.湖泊水量共减少.湖水位动态变化月际尺度上于欣冉()认为巴丹吉林沙漠湖泊水位与降水变化趋势不一致其变化主要受季节性蒸发和地下水补给相对变化调控 其中在 月蒸发大于地下水补给湖泊水位下降而 月至次年 月蒸发小于地下水净补给湖泊水位升高年际尺度上曹乐等()等认为巴丹吉林沙漠现代湖泊湖面高程平均低于古湖面.整体呈萎缩趋势于欣冉()认为 年 月 年 月车日格勒、瑙滚诺尔、中诺尔图和巴润第 卷 第 期王丽娟等:近 年间巴丹吉林沙漠气温和降水变化及其对湖泊的影响伊克日的湖水位呈逐年下降的趋势车日格勒下降幅度更大呼和吉林、东诺尔图、苏木巴润吉林的湖水位呈先下降后上升的趋势综上可见巴丹吉林沙漠区湖泊年际尺度上呈面积、水位和水量下降、数量分裂态势整体呈现持续萎缩趋势年度上湖泊面积、水量峰值处于、月之间枯水期在 月与降水量的变动趋势并不一致.湖泊与气候要素的关系综上分析年际尺度上沙漠周边年均气温呈波状上升(.)年均降水量东北缘呈不显著减少西南缘略有增加整体区域气候呈东南缘暖湿化、西北缘暖干化趋势且降水量、气温均在 世纪 年代发生突变湖泊呈面积、水位和水量下降、数量分裂态势整体呈现不同程度萎缩趋势其中在 世纪 年代湖泊萎缩最快(张振瑜等熊波等)月际尺度上该区气候具有水热同期特点沙漠区降水主要集中在 月而湖泊面积、水量峰值出现在 月两者变化趋势不一致 近 来该区气候发生突变与湖泊群萎缩最快时期一致年度尺度上降水量与湖泊面积、水量的峰值不一致据此可推断当地气候暖干化突变是湖泊加速萎缩的一个重要因素而年度尺度上降水量的变化不是湖泊面积、水量变化的主控因素于欣冉()推测湖泊年度的变化可能受季节性蒸发和地下水补给相对变化调控 结 论()巴丹吉林沙漠周边地区温度均呈波状上升趋势且由南向北升温速率增大最大升温速率为./东北缘(额济纳旗和拐子湖)年降水量呈不显著减少趋势西南缘(鼎新和阿拉善右旗)呈略有增加趋势 总体而言近 工作区东南缘气候呈暖湿化西北缘气候呈暖干化趋势()巴丹吉林沙漠周边年降水量、气温均在 世纪 年代出现突变降水量突变不明显气温突变显著且阿拉善右旗、额济纳旗和鼎新站的气温出现多次显著突变气候自此向暖干化趋势发展()巴丹吉林沙漠周边与沙漠区月际气候特征基本一致具有水热同期夏季高温多雨冬季寒冷干燥的特点 但沙漠区雨季较沙漠边缘区短雨期较边缘区提前()巴丹吉林沙漠区湖泊多年来呈不同程度萎缩趋势 年际尺度上气候突变与湖泊群萎缩最快时期一致年度尺度上湖泊面积、水量峰值与降水量的变动趋势并不一致据此可推断当地气候暖干化突变是湖泊加速萎缩的一个重要因素年度尺度上降水量的变化并不是湖泊变化的主控因素参考文献 .曹乐 聂振龙 姜高磊 等.基于 卫星解译巴丹吉林沙漠湖泊水量变化 .人民黄河 .陈建生 凡哲超 汪集砀 等.巴丹吉林沙漠湖泊及其下游地下水同位素分析 .地球学报 .地 质 通 报 年除多 普穷 拉巴卓玛 等.近 西藏羊卓雍错湖泊面积变化遥感分析 .湖泊科学 .高全洲 陶贞 董光荣.微量元素记录的化学风化和气候变化 以巴丹吉林沙漠查个勒布鲁剖面为例 .中国沙漠 .贺鹏 童立强 郭兆成 等.基于遥感长时间序列下巴丹吉林沙漠湖泊演化分裂特征分析 .科学技术与工程 姜宝福 张仁勇 衣学军 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