1. 引言
气候的变化直接影响人类的生存环境和社会的发展，气候变化和异常作为全球环境问题之一，越来越受到各国政府和科学家的重视 [1] 。最新的IPCC气候变化评估报告指出，在过去的100多年里，大气中二氧化碳浓度明显增大，导致过去140年全球平均气温上升0.65℃~1.06℃ [2] ，特别是最近30年，每10年的平均温度都高于1850年以后的任何一个10年 [3] [4] [5] 。西北干旱、半干旱地区是我国全球变化一、二级敏感带所在地，近50年实测记录表明中国西北地区以0.2℃/10a的趋势升温，并且在20世纪80~90年代升温迅速 [6] 。气候变暖，势将导致陆地水体蒸发和降水的变化，针对这种变化，有关学者提出中国西北地区尤其是新疆地区气候有从暖干向暖湿发展转变的趋势 [7] [8] [9] 。
乌兰布和沙漠作为我国八大沙漠之一，沙漠总面积为9082 km2，其地处我国西北荒漠和半荒漠的前沿地带 [10] ，同时也是一条极为重要的植物地理学分界线，因此其自然环境具有典型的过渡性和脆弱性。沙漠边缘地区的风成堆积在时间和空间上具有高度的不稳定性，对全球变化响应敏感 [11] 。
目前关于乌兰布和沙漠区域气候变化的研究报道很少，文中作为基础性工作，旨在全面分析和理解乌兰布和沙漠东北边缘区域温度、降水量、蒸发量和风速指标的变化特征和规律，希望能够为深入开展多维度气候变化影响、适应研究以及制定气候变化应对策略等提供有意义的参考，为改善乌兰布和沙漠地区的生态环境提供科学依据。
2. 资料与方法
2.1. 资料
本文利用国家林业局磴口荒漠生态定位监测站1983~2011年逐月的气象资料，分析了该区域气温、降水量、蒸发量及风速的年、季变化情况。
2.2. 方法
采用线性回归分析的方法分析气候变化趋势，用气候变量与对应的时间建立一元线性回归方程y = a + bx，回归系数b表示气候变量x的趋势倾向。b小于0表示在计算时段内呈下降趋势，b大于0则表示上升趋势。此外，用Morlet小波分析方法 [12] 分析乌兰布和沙漠边缘气候的周期变化状况 [13] 。季节划分是以3~5月为春季、6~8月为夏季、9~11月为秋季、12月~来年2月为冬季。
2.3. 数据分析软件
使用excel 2010对数据进行初步整理，利用SigmaPlot 10.0进行线性回归分析并作图，小波分析采用Matlab 7.0分析计算小波系数，并用Suffer 8.0绘制小波系数实部等值线图。
3. 结果分析
3.1. 乌兰布和沙漠东北边缘降水变化趋势特征
由图1(a)可知，在1983~2011年间乌兰布和沙漠东北边缘的降水量在波动中略呈增加的趋势，其线性拟合倾向率为0.344 mm/10a。各季降水量的多年变化则与全年有所差异(图2)，春秋两季的降水量有增加趋势，根据线性拟合结果显示，降水量的增长率分别为0.278 mm/10a和3.697 mm/10a，且秋季明显高于全年的平均增加速率。夏冬两季降水量则与全年降水量的变化趋势相反，表现为下降趋势，其变化率分别为−3.416 mm/10a和−0.215 mm/10a。可见，乌兰布和沙漠东北边缘降水量的增加主要是由秋季降水量的增加所致。
3.2. 乌兰布和沙漠东北边缘温度变化趋势特征
图1(b)表明，随着年份的推进，1983~2011年间乌兰布和沙漠东北边缘总体上呈明显的增温趋势。线性回归计算结果表明，近30年间年均气温增加速率为0.307℃/10a。图3显示，4个季节气温都有不同程度的增温趋势，其中夏、冬两季增温趋势较小，气温变化倾向率分别为0.069℃/10a和0.068℃/10a，而春秋季增温比较明显，其气温变化倾向率达到0.371℃/10a和0.358℃/10a，为年均气温变化倾向率的1.7倍和1.6倍，这说明该地区年平均气温上升主要是由春秋两季增温引起的。
3.3. 乌兰布和沙漠东北边缘水面蒸发量变化趋势特征
从图1(c)可以看出，1983~2011年间乌兰布和沙漠东北边缘年蒸发量总体上呈明显的递减趋势。线性
Figure 1. Inter-annual changes in meteorological factors. (a) Precipitation; (b) Temperature; (c) Evaporation; (d) Wind
图1. 气象因素的年际变化。(a) 降水；(b)温度；(c) 蒸发量；(d) 风速
Figure 2. The variation of annual and season precipitation in the northeast margin of Ulanbuh Desert (1983-2011)
图2. 乌兰布和沙漠东北边缘(1983~2011年)年、季降水变化趋势
Figure 3. The variation of annual and season temperature in the northeast margin of Ulanbuh Desert (1983-2011)
图3. 乌兰布和沙漠东北边缘(1983~2011年)年、季温度变化趋势
回归计算结果显示，1983~2011年间年蒸发量变化倾向率为−50.45 mm/10a。4季蒸发量都呈现不同的变化趋势(图4)。其中春季、夏季和冬季蒸发量变化呈减少趋势，蒸发量变化倾向率分别为−8.21 mm/10a、−47.83 mm/10a、−9.44 mm/10a，而秋季蒸发量呈现一定的上升趋势，其蒸发量变化倾向率达到3.7 mm/10a，这说明该地区年蒸发量下降主要是由夏季蒸发明显减少引起的。
3.4. 乌兰布和沙漠东北边缘风速变化趋势特征
乌兰布和沙漠东北边缘1983~2011年间年平均风速总体上呈明显的下降趋势(图1(d))。线性回归计算结果显示，近30年间年平均风速每10a降低了0.284 m/s。图5表明，4季风速都呈现不同程度的降低趋势，其变化倾向率分别为−0.304 (m/s)/10a、−0.369 (m/s)/10a、−0.325 (m/s)/10a、−0.555 (m/s)/10a，可见冬季的平均风速降低幅度最大，其次为夏季，这说明该地区年平均风速下降主要是由冬季和夏季平均风速明显减少引起的。
3.5. 乌兰布和沙漠东北边缘气候变化的周期特征
通过对乌兰布和沙漠东北边缘近30年降水量的时间序列进行Morlet小波分析，图6(a)可以清楚的看到降水变化过程中存在的多时间尺度特征，从图中可以可知，降水变化过程存在着5~10a时间尺度的周期变化规律。在这个时间尺度出现4次枯–丰交替的震荡，同时该尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定，具有全域性。此外，按照上述分析方法对温度、蒸发量和风速的分析可知(图6(b)~(d))，
Figure 4. The variation of annual and season evaporation in the northeast margin of Ulanbuh Desert (1983-2011)
图4. 乌兰布和沙漠东北边缘(1983~2011年)年、季蒸发量变化趋势
Figure 5. The variation of annual and season wind speed in the northeast margin of Ulanbuh Desert (1983-2011)
图5. 乌兰布和沙漠东北边缘(1983~2011年)年、季风速变化趋势
近30年乌兰布和沙漠东北边缘年际间温度和风速不存在明显的周期变化规律，而蒸发量存在10~14a的时间尺度的周期变化规律，并在该尺度上出现了3次震荡。
小波方差图能反映降水和蒸发量时间序列的波动能量随尺度a的分布情况，可用来确定降水和蒸发演化过程中存在的主周期。降水的小波方差图中(图7(a))存在4个较为明显的峰值，它们依次对应着4年的时间尺度。其中，最大峰值对应着9年的时间尺度，说明9年左右的周期震荡最强，为降水变化的第一主周期；5年时间尺度对应着第二峰值，为降水变化的第二主周期，第三、第四峰值分别对应着2年和14年的时间尺度，它们依次为降水变化的第三和第四主周期。这说明上述4个周期的波动控制着降水在整个时间域内的变化特征。同理，从图7(b)蒸发量的小波方差图可知其存在3个较为明显的峰值，第
Figure 6. The contour map of wavelet analysis. (a) Precipitation; (b) Temperature; (c) Evaporation; (d) Wind
图6. 小波分析实部等值线图。(a) 降水；(b) 温度；(c) 蒸发量；(d)风速
Figure 7. Wavelet variograms. (a) Precipitation; (b) Evaporation
图7. 小波方差图。(a) 降水；(b) 蒸发量
一主周期为11年，第二主周期为7年，第三主周期为2年。
4. 结论与讨论
1) 乌兰布和沙漠东北边缘温度变化速率显著高于全国和全球水平。全球气候呈现变暖的趋势已经成为不争的事实，20世纪比19世纪平均升温0.4℃~0.8℃。近20年尤为明显，20世纪最暖的9年都发生在1980年以后，90年代是近2000年以来最暖的10年 [14] [15] [16] 。《第三次气候变化国家评估报告》中指出，从1909~2011年，中国陆地区域平均温度上升了0.9℃~1.5℃ [17] ，变暖速率达到0.22℃/10a，这与全球变化趋势一致，但是速率显著高于全球的0.12℃/10a。文中气象数据资料分析的结果表明，乌兰布和沙漠东北边缘的温度增幅在0.31℃/10a，远远高于全国和全球水平。从温度季节性变化特征来看，我国干旱区气温变化季节差异显著，各季平均气温均呈上升趋势,其中秋、冬两季增温明显,冬季气温线性变化率最大,为夏季增温的两倍有余 [18] 。而本研究认为对乌兰布和沙漠东北边缘全年温度变化贡献率大小的季节排序应为春季 > 秋季 > 夏季 > 冬季。
2) 乌兰布和沙漠东北边缘水面蒸发量呈明显下降趋势。随着全球气温不断升高，水循环速度加快，导致全球水资源时空分布状况发生改变 [19] 。蒸发量作为地表能量平衡和水量平衡的重要组成要素，对天气与气候条件的变化起重要决定作用 [20] 。有研究表明，近40年我国干旱半干旱区降水量与蒸发量的年平均变化均呈现下降趋势 [21] 。对于本研究区域而言，尽管近30年气温不断升高，但蒸发量呈明显下降趋势(−50.45 mm/10a)，这可能是因为该区域平均风速的显著下降(−0.284 (m/s)/10a)，抵偿了气温升高所带来的蒸发的增量，进而使蒸发量减少。王鹏祥等 [22] 研究认为近44年来西北地区水面蒸发量表现为显著的减少趋势，而蒸发量减少的原因可能是整个西北地区平均地面风速减少、日照时数减少、平均日较差减少以及相对湿度增加。
3) 乌兰布和沙漠东北边缘降水年、季波动较大。本研究表明，乌兰布和沙漠东北边缘降水不仅在年际间波动较大(变异系数达0.395)，而且降水的季节分配差异也很大，其中夏季降水占全年降水的60%以上，这是由于中国西北地区的降水大多是由夏季风所带来的水分余惠所致，大部分区域一年的降水量主要集中在夏季 [23] 。同时我们也发现夏季降水呈现明显下降趋势(−3.416 mm/10a)，这是因为沙漠区域扩展以后，我国径向风的增强位置和副热带高压的反气旋的西北部一致，加速了大陆上水汽的辐散，从而导致西北大部分地区夏季降水的减少 [24] 。秋季降水量有明显增加趋势(3.697 mm/10a)，这与刘抗等 [25] 研究结果结论一致，他较为全面的分析了中国西北地区秋季降水的变化特征，认为1971~2010年间西北地区秋季降水量与降水日数均为上升趋势。
4) 乌兰布和沙漠东北边缘气候变化的周期特征。气候随时间的变化受到多种因素的综合影响，它不但具有趋势性、突变性等特征，还存在周期性以及“多时间尺度”变化规律。本研究应用morlet小波分析表明近30年乌兰布和沙漠东北边缘年际降水和蒸发量存在明显周期性，其变化周期分别为5~10a和10~14a，第一主周期分别为9a和11a；而温度和风速变化不具有周期性。研究区降水整体上呈现出少雨、多雨交替的波动变化特征，且具有相对的稳定性，这与陈志昆等 [26] 的研究结论一致。王澄海等 [27] [28] 研究结果也表明，就年际变化而言，中国西北地区的降水年际变化存在着明显的周期性，并以准3a和5~7a短周期震荡变化为主。关于蒸发量的周期变化特征不同地区得出的结论有所差异，杨东等 [29] 对甘南州近35年来蒸发量时空特征进行了分析，得出年蒸发量主要以12a和17~18a的周期振荡为主，而李玲萍等 [30] 的研究结论是石羊河流域年蒸发量存在明显的6~7a周期和1~2a的短周期。本研究仅是基于气象台站观测资料的分析，因此下一步有必要结合区域温度、风速、日照等方面变化特征对乌兰布和沙漠东北边缘蒸发量的周期变化特征进一步探讨。
基金项目
中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金 (CAFYBB2017QA028)，2018年磴口生态站运行补助项目。