全 文 ：
摇 摇 摇 摇 摇 生 态 学 报
摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 (SHENGTAI XUEBAO)
摇 摇 第 33 卷 第 13 期摇 摇 2013 年 7 月摇 (半月刊)
目摇 摇 次
前沿理论与学科综述
强度干扰后退化森林生态系统中保留木的生态效应研究综述 缪摇 宁,刘世荣,史作民,等 (3889)……………
AM真菌对重金属污染土壤生物修复的应用与机理 罗巧玉,王晓娟,林双双,等 (3898)………………………
个体与基础生态
东灵山不同林型五角枫叶性状异速生长关系随发育阶段的变化 姚摇 婧,李摇 颖,魏丽萍,等 (3907)…………
不同温度下 CO2 浓度增高对坛紫菜生长和叶绿素荧光特性的影响 刘摇 露,丁柳丽,陈伟洲,等 (3916)……
基于 LULUCF温室气体清单编制的浙江省杉木林生物量换算因子 朱汤军,沈楚楚,季碧勇,等 (3925)………
土壤逐渐干旱对菖蒲生长及光合荧光特性的影响 王文林,万寅婧,刘摇 波,等 (3933)…………………………
一株柠条内生解磷菌的分离鉴定及实时荧光定量 PCR检测 张丽珍,冯利利,蒙秋霞,等 (3941)……………
一个年龄序列巨桉人工林植物和土壤生物多样性 张丹桔,张摇 健,杨万勤,等 (3947)…………………………
不同饵料和饥饿对魁蚶幼虫生长和存活的影响 王庆志,张摇 明,付成东,等 (3963)……………………………
禽畜养殖粪便中多重抗生素抗性细菌研究 祁诗月,任四伟,李雪玲,等 (3970)…………………………………
链状亚历山大藻赤潮衰亡的生理调控 马金华,孟摇 希,张摇 淑,等 (3978)………………………………………
基于环境流体动力学模型的浅水草藻型湖泊水质数值模拟 李摇 兴,史洪森,张树礼,等 (3987)………………
种群、群落和生态系统
干旱半干旱地区围栏封育对甘草群落特征及其分布格局的影响 李学斌,陈摇 林,李国旗,等 (3995)…………
宁夏六盘山三种针叶林初级净生产力年际变化及其气象因子响应 王云霓,熊摇 伟,王彦辉,等 (4002)………
半干旱黄土区成熟柠条林地土壤水分利用及平衡特征 莫保儒,蔡国军,杨摇 磊,等 (4011)……………………
模拟酸沉降对鼎湖山季风常绿阔叶林地表径流水化学特征的影响 丘清燕,陈小梅,梁国华,等 (4021)………
基于改进 PSO的洞庭湖水源涵养林空间优化模型 李建军,张会儒,刘摇 帅,等 (4031)………………………
外来植物火炬树水浸液对土壤微生态系统的化感作用 侯玉平,柳摇 林,王摇 信,等 (4041)…………………
崇明东滩抛荒鱼塘的自然演替过程对水鸟群落的影响 杨晓婷,牛俊英,罗祖奎,等 (4050)……………………
三峡水库蓄水初期鱼体汞含量及其水生食物链累积特征 余摇 杨,王雨春,周怀东,等 (4059)…………………
元江鲤种群遗传多样性 岳兴建,邹远超,王永明,等 (4068)………………………………………………………
景观、区域和全球生态
中国西北干旱区气温时空变化特征 黄摇 蕊,徐利岗,刘俊民 (4078)……………………………………………
集水区尺度下东北东部森林土壤呼吸的模拟 郭丽娟,国庆喜 (4090)……………………………………………
增氮对青藏高原东缘高寒草甸土壤甲烷吸收的早期影响 张裴雷,方华军,程淑兰,等 (4101)…………………
基于生态系统服务的广西水生态足迹分析 张摇 义, 张合平 (4111)……………………………………………
深圳市景观生态安全格局源地综合识别 吴健生,张理卿,彭摇 建,等 (4125)……………………………………
庐山风景区碳源、碳汇的测度及均衡 周年兴,黄震方,梁艳艳 (4134)……………………………………………
气候变化对内蒙古中部草原优势牧草生长季的影响 李夏子,韩国栋,郭春燕 (4146)…………………………
民勤荒漠区典型草本植物马蔺的物候特征及其对气候变化的响应 韩福贵,徐先英,王理德,等 (4156)………
血水草生物量及碳贮量分布格局 田大伦,闫文德,梁小翠,等 (4165)……………………………………………
5 种温带森林生态系统细根的时间动态及其影响因子 李向飞,王传宽,全先奎 (4172)………………………
资源与产业生态
干旱胁迫下 AM真菌对矿区土壤改良与玉米生长的影响 李少朋,毕银丽,陈昢圳,等 (4181)…………………
城乡与社会生态
上海环城林带保健功能评价及其机制 张凯旋,张建华 (4189)……………………………………………………
研究简报
北京山区侧柏林林内降雨的时滞效应 史摇 宇,余新晓,张佳音 (4199)…………………………………………
采伐剩余物管理措施对二代杉木人工林土壤全碳、全氮含量的长期效应
胡振宏,何宗明,范少辉,等 (4205)
………………………………………
……………………………………………………………………………
期刊基本参数:CN 11鄄2031 / Q*1981*m*16*326*zh*P* ￥ 90郾 00*1510*35*
室室室室室室室室室室室室室室
2013鄄07
封面图说: 岳阳附近的水源涵养林及水系鸟瞰———水源涵养林对于调节径流,减缓水、旱灾害,合理开发利用水资源具有重要
的生态意义。 洞庭湖为我国第二大淡水湖,南纳湘、资、沅、澧四水,北由岳阳城陵矶注入长江,是长江上最重要的水
量调节湖泊。 因此,湖周的水源涵养林建设对于恢复洞庭湖调节长江中游地区洪水的功能,加强湖区生物多样性的
保护是最为重要的举措之一。 对现有防护林采取人为干扰的调控措施,改善林分空间结构,将有利于促进森林生态
系统的正向演替,为最大程度恢复洞庭湖水源林生态功能和健康经营提供重要支撑。
彩图及图说提供: 陈建伟教授摇 北京林业大学摇 E鄄mail: cites. chenjw@ 163. com
第 33 卷第 13 期
2013 年 7 月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol. 33,No. 13
Jul. ,2013
http: / / www. ecologica. cn
基金项目:国家重点基础研究发展计划(973 计划)项目(2009CB421301);国家自然科学基金项目(50879071)
收稿日期:2013鄄01鄄05; 摇 摇 修订日期:2013鄄04鄄18
*通讯作者 Corresponding author. E鄄mail: Jmlslx@ yahoo. com. cn
DOI: 10. 5846 / stxb201301050030
黄蕊,徐利岗,刘俊民.中国西北干旱区气温时空变化特征.生态学报,2013,33(13):4078鄄4089.
Huang R,Xu L G,Liu J M. Research on spatio鄄temporal change of temperature in the Northwest Arid Area. Acta Ecologica Sinica,2013,33 (13 ):
4078鄄4089.
中国西北干旱区气温时空变化特征
黄摇 蕊1,徐利岗2,3,刘俊民1,*
(1. 西北农林科技大学水利与建筑工程学院,杨凌摇 712100;
2. 中国科学院新疆生态与地理研究所, 乌鲁木齐摇 830011;3. 四川大学水利水电学院,成都摇 610065)
摘要:依据我国西北干旱区 95 个站点 1951—2008 年月平均气温资料,运用经验正交分解法(EOF)、Morlet 小波分析、Mann鄄
Kendall秩次相关检验法及气候趋势系数等方法剖析了西北干旱区气温场空间分布结构及多时间尺度下的变异规律和变化趋
势。 结果表明:西北干旱区气温存在 3a、9a 及准 12a 主周期;气温场空间分布以“相间复杂冶型为主(对总体方差贡献为
30郾 93% ),基于此将西北干旱区划分为北疆子区、南疆子区、河西子区、青海子区及内蒙古子区。 全区 44. 8%的年份气温属正
常范围,15. 5%年份异常偏暖,3. 4%显著偏暖,13. 8%年份偏冷,显著偏冷和异常偏冷年份均为 8. 6% 。 自 90 年代以来,西北干
旱区开始增温,2001—2008 年温度正距平值达 6. 9益,正距平年数由 80 年代 40%上升至 100% 。 西北干旱区 97. 9%的地区呈
现增温趋势,其中 94. 7%的地区通过信度 0. 01 的显著性检验,96. 8%的站点通过了 0. 05 的显著性检验;增温幅度为 0. 02益 /
10a—1. 21益 / 10a;并形成了北疆以富蕴(1. 09益 / 10a),南疆以喀什(0. 22益 / 10a),东疆以巴里坤(0. 76益 / 10a),柴达木盆地以
小灶火(0. 81益 / 10a),河西地区以松山(0. 08益 / 10a),内蒙古西部以吉诃德(0. 03益 / 10a)为中心的增温区。
关键词:西北干旱区;气温;时空变异性;趋势分析;经验正交分解(EOF);Mann鄄Kendall秩统计法
Research on spatio鄄temporal change of temperature in the Northwest Arid Area
HUANG Rui1,XU Ligang2,3,LIU Junmin1,*
1 College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University Yangling, Shaanxi 712100, China
2 Xinjiang Institute of Ecology and Geography, Chinese Academy of Sciences, Urumqi Xinjiang 830011, China
3 College of water resource & hydropower, Sichuan University, Chengdu 610065, China
Abstract: Using the empirical orthogonal function, morlet wavelet analysis, Mann鄄Kendall rank correlation method and
climatic trend coefficient method, the characteristics of temperature on spatial distribution pattern and the multiple鄄time
scale variability are analyzed by the monthly temperature data of 95 sites in the northwest arid area during 1951—2008.
Results indicate that: (1) There are 3 years period, 9 years period and 12 years period approximately in research region.
(2)Temperature spatial distribution pattern is primarily冶 Complex type冶 (to contribution the overall changes rates were 30.
93% ),according to that, the northwest arid area was divided into northern of Xinjiang region, the southern of Xinjiang
region, Qinghai region, Hexi Corridor region and Inner Mongolia Plateau region. For the average annual temperature series,
according to level of warm and cold, the rates for normal, abnormal warm, significantly warmer, cold, significantly colder
and extreme colder were 44. 8% , 15. 5% , 3. 4% , 13. 8% , 8. 6% and 8. 6% respectively. Since 90s, temperature
increase significantly, the positive temperature anomaly value was 6. 9益 for 2001—2008, the ratio of positive anomaly year
increased from 40% to 100% since 1980s. (3) There are 97. 9% regional appear rising tendency in the research region
(94. 7% and 96. 8% of the stations passed0. 01 and 0. 05 significance test, warming rate 0. 02益 / 10a—1. 21益 / 10a) . In
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the northwest arid area, there are some centers of the warming area, for example, Fuyun (1. 09益 / 10a) in north of
Xinjiang, Kashgar (0. 22益 / 10a) in south of Xinjiang, Barkol (0. 76益 / 10a) in east of Xinjiang, Xiao Zaohuo (0. 81益 /
10a) in Qaidam Basin, Song鄄shan(0. 08益 / 10a) in Hexi Corridor and Quixote(0. 03益 / 10a) in Inner Mongolia Plateau
region.
Key Words: the northwest arid area; temperature;spatio鄄spatial change; trend analysis; empirical orthogonal function ;
Mann鄄Kendall rank statistic
联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)评估报告(AR4)指出,近 50 年的变暖率((0. 13依0. 03)益 / 10
年)几乎是近 100 年的两倍[1],中国大陆地区地表年平均气温增加约 0. 5—0. 8益 [2],全球气候变暖已逐渐被
人们所认同[3],而对全球变化和人类活动共同驱动下气温的时空分布及其变化研究也受到众多学者的关注。
Liang[4]、喻树龙[5]]等分别采用树轮代用资料重建了青藏高原东南部、新疆天山北坡地区的长系列的气温序
列,分析了各地气温变化规律。 郝振纯[6]及 Wang[7]分别采用 GCMs模式对黄河源区及中国气温进行了模拟
并分析其变化特征,徐永明[8]及周曙光[9]分别基于 MIDOS数据反演了长江三角洲及黄河源区近地表气温并
进行了分析。 施雅风院士提出了中国西北气候由暖干向暖湿转型的推测[10],西北地区气温自 20 世纪 80 年
代以来呈现明显上升趋势[11],未来塔里木河流域最高和最低气温的变化趋势将升高[12],柴达木盆地[13]以及
甘肃西南部[14]近 10 年来发生了较大的增暖趋势,科尔沁沙地及其周围地区 2000—2010 年气温下降,有呈冷
干化趋势[15]。 河西半干旱地区 NDVI 对气温升高响应明显[16鄄17],在柴达木盆地,气温变化对当地水资源影响
不显著[18]。 可见,目前对我国西北地区气温变化特征的研究成果较多,但对于西北干旱区气温时间及空间维
度的变化规律及其变化趋势的定量研究方面还相对薄弱。 研究干旱区气温在时间及空间方面的变化规律及
趋势对干旱区退化生态系统植被的保护与恢复,区域社会经济与生态环境协调发展具有重要的指导意义。
1摇 研究区概况
我国干旱区的面积约占全国总面积的 1 / 3。 主要分布在贺兰山以西的极端干旱区(塔里木盆地、柴达木
盆地、巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠地区),干旱区(主要包括新疆北部、内蒙古西部、河西走廊)的内陆河流域
以及额尔齐斯河地区,而不包括内蒙古的中、东部地区。 本文所指西北干旱区包含了极端干旱区(降水量(P)
>50mm)、干旱区(50mm界,南至昆仑山鄄塔里木盆地南缘,北侧与西侧直抵国界,大致介于东经 75毅—105毅,北纬 36毅—50毅之间,东西长
约 2500km,南北长约 1300km,面积约 238 万 km2,约占全国陆地面积的 1 / 4,行政区划上包括新疆全部、青海
柴达木盆地、甘肃河西走廊以及内蒙古西部等省、自治区(图 1)。 西北干旱区深居内陆,属典型大陆性气候,
自然条件恶劣、生态极为脆弱,降水稀少。 大部分地区的干燥度大于 4. 0,其中东疆和南疆塔克拉玛干沙漠地
区在 16. 0 以上,最高达 60. 0[19]。
2摇 资料与方法
2. 1摇 研究站点确定与资料来源
在研究区内的国家基准站和基本观测站中,按照区域代表性(新疆南、北部,青藏高原地区,河西走廊、阿
拉善高原西北部)和资料序列的长期可比性等原则选取新疆 56 站、甘肃 18 站、青海 12 站、内蒙古 9 站共计 95
站点 1951 年 1 月—2008 年 12 月计 58 年月平均气温数据,并整理出年平均气温系列以备分析。 各站点分布
位置见图 1。 资料来源于国家气象数据网:http: / / cdc. cma. gov. cn / index. jsp。
2. 2摇 研究方法
2. 2. 1摇 经验正交函数分解(EOF)与旋转经验正交函数分解(REOF)
EOF分析是一种分析矩阵数据中的结构特征,提取主要数据特征量的方法。 将某一物理场时间序列分
解为正交的空间场和正交的时间系数的乘积[20鄄21],即:
9704摇 13 期 摇 摇 摇 黄蕊摇 等:中国西北干旱区气温时空变化特征 摇
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图 1摇 研究区典型站点分布图
Fig. 1摇 Distribution of observational stations in the study region
摇 1 哈巴河,2 吉木乃,3 福海,4 阿勒泰,5 富蕴,6 塔城,7 和布克赛
尔,8 青河,9 阿拉山口,10 托里,11 克拉玛依,12 北塔山,13 温泉,
14 精河,15 乌苏,16 石河子,17 蔡家湖,18 奇台,19 伊宁,20 昭
苏,21 乌鲁木齐,22 巴仑台,23 达坂城,24 十三间房,25 库米什,
26 巴音布鲁克,27 焉耆,28 吐鲁番,29 阿克苏,30 拜城,31 轮台,
32 库车,33 库尔勒,34 吐尔尕特,35 乌恰,36 喀什,37 阿合奇,38
巴楚,39 柯坪,40 阿拉尔,41 塔中,42 铁干里克,43 若羌,44 塔什
库尔干,45 莎车,46 皮山,47 和田,48 民丰,49 安德河,50 且末,51
于田,52 哈密,53 巴里坤,54 淖毛湖,55 伊吾,56 红柳河,57 茫崖,
58冷湖,59 托勒,60 祁连,61 小灶火,62 大柴旦,63 德令哈,64 乌
兰,65 格尔木,66 诺木洪,67 都兰,68 茶卡,69 马鬃山,70 敦煌,71
瓜州,72 玉门镇,73 梧桐沟,74 鼎新,75 金塔,76 酒泉,77 高台,78
张掖,79山丹,80 永昌,81 武威,82 民勤,83 乌鞘岭,84 松山,85 景
泰,86兰州,87额济纳旗,88 吉诃德,89 拐子湖,90 巴彦诺尔公,91
阿拉善右旗,92海力素,93吉兰太,94鄂托克旗,95阿拉善左旗
S(x,y,t) =移Vn(x,y)Tn( t)
式中,S(x,y,t)为 M伊N 的矩阵,代表待分解的物理场,
M为空间点的个数,N 是时间点的个数;Vn(x,y)为 M伊
N阶空间函数矩阵,描述了第 n 个模态的空间分布特
征,Tn( t)为 M伊N 阶时间函数矩阵,描述了给定模态的
时间的变化规律。
REOF是在经验正交分解(EOF)的基础上,选择一
个正交旋转矩阵,使原始矩阵旋转以后的列向量元素平
方的方差达最大,从而使原要素场的信息特征集中映射
到荷载场所表示的优势空间上[20鄄21]。 它可以将空间场
上与主成分相关的高值区集中在一个较小的范围内,从
而更容易识别空间型。 旋转后每一个空间点只与一个
主成分存在高相关,旋转后的特征场比旋转前在时间上
更稳定。 采用 REOF方法对气象要素场进行分析,将使
原来的特征向量结构简化,反映的气候特征更明显[22]。
2. 2. 2摇 小波分析
小波分析是基于 Fourier变换而又具有时频多分辩
功能及自适应性特点的一种信号分析方法。 它的实质
是用一族频率不同的振荡函数作为窗口函数 渍( t)对信
号 f( t)进行扫描和平移。 时间序列 f( t)沂L2(R)的连
续小波变换为式(1),而在实际工作中水文时间序列常
常是离散的,如 f(k吟t)(k = 1,2,…,N;吟t 为取样时间
间隔),则其离散形式为(2);基本小波函数 鬃( t)有墨
西哥帽小波(Mexican hat)、Morlet 小波、Wave 小波等,
本文采用 Morlet 小波[23鄄24],小波变换系数表示为式
(3),将时间域上关于 a的所有小波变换系数的平方进行积分即为小波方差,式(4):
Wf(a,b) = a
-1 / 2乙¥
-¥
f( t)鬃
-
( t - b
a
)dt (1)
Var(a) = 乙¥
-¥
Wf(a,b)
2
db (2)
Var(a) = 乙¥
-¥
Wf(a,b)
2
db (3)
Var(a) = 乙¥
-¥
Wf(a,b)
2
db (4)
式中,a为尺度因子,反映小波的周期长度;b 为时间因子,反映时间平移;Wf(a,b)称为小波变换系数,常数
c =6. 2。
2. 2. 3摇 M鄄K秩次相关法
对序列趋势变化的定量说明,本文采用国际气象组织推荐的 Mann鄄Kendall 的秩次相关法[25]。 其基本原
理是:对时间序列 P( i=1,2,…,n ),其任意对偶值(P i,P j,j>i),如果 P i>P j,则序列绝对上升,反之,则绝对下
降。 如序列不是单调上升或下降,则有:
m = 子
var(子)0. 5
0804 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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子 = 4z
[n(n - 1)] - 1
;var(子) = 2(2n + 5)
[9n(n - 1)]
(5)
式中, z为对偶值呈增长趋势的对数。 其他符号意义同上。 若 m>0,则序列呈上升趋势,反之,则呈下降趋势。
m的绝对值越大,说明序列变化趋势越显著。 对显著水平 琢=0. 05 的临界检验值为依1. 96。
3摇 结果与分析
3. 1摇 气温场空间分布结构及分区
3. 1. 1摇 西北干旱区气温场空间分布结构特征
以 95 个典型站 58a的年平均气温系列经距平处理后组成矩阵(58,95),据 EOF方法,计算各特征向量荷
载矩阵并对荷载矩阵进行正交旋转展开得到旋转荷载矩阵(RLV),则前 4 个特征向量方差贡献率分别为
30郾 93% 、28. 33% 、27. 97%及 5. 12% ,累计方差贡献率达 92. 36% (表 1)。 绘出前 4 个贡献率大且较为典型的
特征向量的荷载分布图(图 2)。
表 1摇 特征向量方差贡献率
Table 1摇 Variance of main modes(EOF / REOF)of temperature
特征向量
Eigenvector
旋转前 Initial eigenvalues
特征值
Eigenvalues
方差贡献率 / %
Rate of variance
累计方差贡献率 / %
Total rate of variance
旋转后 Rotated eigenvalues
特征值
Eigenvalues
方差贡献率 / %
Rate of variance
累计方差贡献率 / %
Total rate of variance
1 1746. 54 33. 89 33. 89 1593. 90 30. 93 30. 93
2 1739. 85 33. 77 67. 66 1459. 97 28. 33 59. 27
3 1617. 17 31. 38 99. 04 1441. 30 27. 97 87. 24
4 32. 29 0. 63 99. 67 263. 82 5. 12 92. 36
5 6. 15 0. 12 99. 79 162. 99 3. 16 95. 52
第一特征向量荷载正负相间分布,可称为“相间复杂冶型(图 2),总体方差贡献最高 30. 93% 。 形成了不
同的荷载中心,且基本呈现 4 个片区,即新疆片区,柴达木片区,河西走廊片区以及内蒙古西北部地区,说明我
国西北干旱区受局部区域天气系统影响显著,气温空间变异性较大。 第二特征向量总体方差贡献率
28郾 33% ,均为正位相(图 2),但新疆地区荷载值较大,而青海地区、河西地区和内蒙古西部地区荷载值较小,
可称之为“东西差异冶型。 新疆北部地区荷载值较大,南疆地区荷载值最小,柴达木盆地及内蒙古西部地区相
近居中,则新疆北部地区气温的变化最为强烈。 第三特征向量方差贡献率为 27. 97% ,大部分为负位相(图
2),且在北疆阿勒泰、东疆哈密地区和南疆喀什地区形成极值中心,显示出这些地区的气温变化特征与其他
地区有所差异。 第四特征向量基本为负位相(图 2),仅在南疆的喀什地区形成极小值中心,称该分布型为“整
体一致冶型,总体方差贡献率较小为 5. 12% 。
3. 1. 2摇 西北干旱区气温场空间分区
由图 2 前 4 个特征向量荷载分布图可以看出,西北干旱区气温场空间分布具有明显特征,因此根据方差
贡献率较大的前几个特征向量的荷载值分布特点将西北干旱区划分为北疆子区(BJR)、南疆子区(NJR)、河
西子区(HXR)、青海子区(QHR)以及内蒙古子区(NMR)等五个分区,其中各分区位置、范围以及气象站点所
属分区见图 3 所示。 对各分区内部气象站点气温资料进行计算,则形成各分区的气温系列资料。
3. 2摇 气温年际变化
3. 2. 1 多年平均气温空间分布特征
摇 摇 根据西北干旱区月平均气温数据,运用 ARCGIS的地统计分析工具,插值完成研究区多年平均温度分布
图(图 4)。 从图中可以看出,新疆南部形成了环塔里木盆地的高温区域,而其有主要以吐鲁番(14. 4益)为高
温中心;在新疆北部则以巴音布鲁克(-4. 3益)形成低值中心。 青海柴达木盆地形成以乌兰(-0. 3益)为中心
的低值区。 河西地区与内蒙古西部地区年均气温居中。
3. 2. 2摇 近 60 年来气温冷暖特征分析
统计西北干旱区平均气温时,采用如下冷暖等级标准[26]:T 逸 TP + 2. 0S 异常偏暖(3 级);TP + 2. 0S >
1804摇 13 期 摇 摇 摇 黄蕊摇 等:中国西北干旱区气温时空变化特征 摇
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图 2摇 西北干旱区气温系列前 4 个特征值荷载分布图
Fig. 2摇 The Load of eigenvectors for temperature in the northwest arid area
T逸 TP +1. 5S显著偏暖(2 级);TP+ 1. 5 S > T 逸 TP+1. 0 S 偏暖(1 级);TP+ 1. 0 S > T 逸 TP-1. 0 S 正常(0
级);TP-1. 0 S > T 逸 TP-1. 5 S 偏冷(-1 级);TP- 1. 5 S > T > TP-2. 0 S 显著偏冷(-2 级);TP- 2. 0 S 逸 T
异常偏冷(-3 级)。 其中 T 为年平均气温,TP 为多年平均气温值,S 为年平均气温标准差。 采用该冷暖等级
标准,计算西北干旱区及各分区气温冷暖的划分标准区间及各级温度所占比例(表 2)。
从表中可以看出,西北干旱区 44. 8%的年份气温属正常范围(0 级),15. 5%年份为异常偏暖(3 级);显著
偏暖和偏暖级别分别为 3. 4%和 5. 2% ;偏冷年份( -1 级)为 13. 8% ,显著偏冷和异常偏冷年份均为 8. 6% 。
南疆子区异常偏暖(3 级)所占比例在各子区中最高 19. 0% ,其次为河西子区 13. 8% ,北疆子区最小(5. 2% );
青海子区显著偏暖比例相对较高 10. 3% 。 偏暖年份地区(1 级)较多,北疆子区比例最高为 17. 2% ,其次为南
疆和内蒙子区的 12. 1% 。 各子区大部分年份的气温处于正常范围内,比例在 37. 9% (南疆子区)-53. 4% (内
蒙子区)。 青海子区偏冷比例最高 17. 2% ,其次为北疆 12. 1% ,内蒙子区最小为 1. 7% 。 南疆子区显著偏冷
级比例最大 13. 8% ,河西子区最小(3. 4% );河西子区异常偏冷年份占 12. 1% ,其次为南疆子区 10. 3% ,青海
子区最为最小 1. 7% 。
3. 3摇 气温年代际变化特征分析
以年代为时间尺度统计我国西北干旱区自 1951—2008 年以来的年均气温系列,分别计算各子区 20 世纪
50 年代至 90 年代以及 2001—2008 年各时段平均温度、累积距平以及正距平的比例(表 3)分析西北干旱区年
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图 3摇 西北干旱区气温场分区
Fig. 3摇 Generating partitions of temperature in the northwest arid area
图 4摇 西北干旱区多年平均气温分布图
Fig. 4摇 Isoclines of average temperature in the northwest arid area
均温度的年代际变化特征。
从地区来看,50 年代(7. 0益)略高于多年平均气温(6. 9益),自 60 年代开始进入低温时段,直至 80 年代
末期,负距平累积达 10. 2益;自 90 年代开始增温,2001—2008 年时段均温已达 7. 8益,温度正距平值达
6郾 9益。 正距平年数比例由 80 年代的 40%上升至 100% 。 北疆子区、南疆子区以及青海子区温度变化征相
似,河西子区和内蒙子区气温变化规律相似。 从年代来看,50 年代北疆子区、南疆子区以及青海子区时段均
温均高于多年均温,累积距平为正值(0. 6—2. 3益),正距平年份在 40%—60%之间,但河西子区和内蒙子区
时段均温均低于多年均温,累积距平为负且数值较大(-2. 8,-3. 8),正距平年份比例分别为 20%和 30% 。 60
至 80 年代,北疆子区、南疆子区以及青海子区时段均温不断增加,负距平累计值不断减小;而河西子区和内蒙
子区仍处于低温时段,但低温状态已不断缓和。 90 年代以后至 2008 年,各子区时段气温均值均高于多年均
气温,西北干旱区整体处于高温时段,且增温趋势明显。
3804摇 13 期 摇 摇 摇 黄蕊摇 等:中国西北干旱区气温时空变化特征 摇
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表 2摇 西北干旱区年均气温冷暖分析
Table 2摇 An analysis of cold or warm of average temperature in the northwest arid area
温度级别
Temperature level
参量
Parameter
分区 Areas
全区 Total areas 北疆子区 南疆子区 青海子区 河西子区 内蒙子区
异常偏暖 3 级 标准 / 益 T逸7. 7 T逸6. 8 T逸10. 5 T逸3. 4 T逸7. 5 T逸8. 9
Extremely warmer 年数 / a 9. 0 3 11 5 8 6
3 level 比例 / % 15. 5 5. 2 19. 0 8. 6 13. 8 10. 3
显著偏暖 2 级 标准 / 益 7. 5臆T<7. 7 6. 8臆T<6. 5 10. 5臆T<10. 4 3. 4臆T<3. 1 7. 5臆T<7. 4 8. 9臆T<8. 7
Prominent warmer 年数 / a 2. 0 3 0 6 5 3
2 level 比例 / % 3. 4 5. 2 0. 0 10. 3 8. 6 5. 2
偏暖 1 级 标准 / 益 7. 3臆T<7. 5 6. 5臆T<6. 2 10. 4臆T<10. 5 3. 1臆T<2. 8 7. 4臆T<7. 2 8. 7臆T<8. 4
Normal 0 level 年数 / a 3. 0 10 7 3 3 7
比例 / % 5. 2 17. 2 12. 1 5. 2 5. 2 12. 1
正常 0 级 标准 / 益 6. 5臆T<7. 3 6. 2臆T<4. 8 10. 2臆T<9. 6 2. 8臆T<1. 8 7. 2臆T<6. 5 8. 4臆T<7. 4
Normal 0 level 年数 / a 26. 0 29. 0 22. 0 28. 0 27. 0 31. 0
比例 / % 44. 8 50. 0 37. 9 48. 3 46. 6 53. 4
偏冷-1 级 标准 / 益 6. 3臆T<6. 5 4. 8臆T<4. 5 9. 6臆T<9. 4 1. 8臆T<1. 5 6. 5臆T<6. 4 7. 4臆T<7. 2
Colder -1 level 年数 / a 8. 0 7. 0 5. 0 10. 0 6. 0 1. 0
比例 / % 13. 8 12. 1 8. 6 17. 2 10. 3 1. 7
显著偏冷-2 级 标准 / 益 6. 1臆T<6. 3 4. 5臆T<4. 2 9. 4臆T<9. 2 1. 5臆T<1. 2 6. 4臆T<6. 2 7. 2臆T<6. 9
Prominent Colder 年数 / a 5. 0 4. 0 8. 0 5. 0 2. 0 5. 0
-2 level 比例 / % 8. 6 6. 9 13. 8 8. 6 3. 4 8. 6
异常偏冷-3 级 标准 / 益 T<6. 1 T<4. 2 T<9. 2 T<1. 2 T<6. 2 T<6. 9
Extremely colder 年数 / a 5. 0 2 6 1 7 5
-3 level 比例 / % 8. 6 3. 4 10. 3 1. 7 12. 1 8. 6
3. 4摇 气温周期及奇异性分析
将西北干旱区及各子区 58a(1951—2008 年)气温系列中心化处理,并用 Morlet 小波进行变换,分别绘制
西北干旱区、北疆子区、南疆子区、青海子区、河西子区以及内蒙子区等各分区的气温距平序列 Morlet 小波变
换模平方时频变化(图 5)及小波变换系数实部变化过程(图 6)。 从图中可以看出各时间尺度在时间域上分
布不均匀,具有显著的局部化特征。 图 5 显示出西北干旱区年气温系列在整个研究时段内均存在 3a 及 9a 振
荡周期,2000 年以来主要以 9a左右的时间尺度较为明显,结合小波方差检验得西北干旱区存在 3a、9a显著周
期,其中以 9a尺度最强。 图 6 绘出西北干旱区不同时间尺度下的小波变换实部变化过程看出 9a 的振荡周期
分别在 1956 年、1962 年、1971 年、1980 年、1991 年、2000 年及 2005 年发生突变。 图 5 显示北疆子区、南疆子
区、青海子区主要存在 3a及 9a振荡周期,且 80 年代以来,以 9a时间尺度较为明显。 图 5 显示了河西子区和
内蒙子区气温系列存在 3a、9a 及 12a 左右的振荡周期,且自 70 年代以来明显表现出 12a 左右的周期。 综上
认为,我国西北干旱区及各子区整体来看,各气温系列主要显示出 3a、9a 及 12a 主周期。 并主要在 1956 年、
1966 年、1971 年、1983 年、1993 年、1997 年、2000 年及 2006 年分别出现气温冷暖情势突变。
3. 5摇 气温变化趋势分析
采用 Mann鄄Kendall秩次相关检验法(M鄄K法)和气候趋势系数法[27鄄28]分别对西北干旱区内各站点年平均
气温系列进行趋势分析。 计算 M鄄K检验法的评价参量 m,并利用显著水平 琢 = 0. 05 的临界检验值依1. 96,判
定各站点的趋势显著性程度;计算各站趋势系数的变数( t),当 | t |逸1. 679 或 | t | 逸2. 689 时,则认为通过信
度为 0. 05 或 0. 01 的显著性检验,表明该时刻温度的变化不是随机振动而是明显的气候趋势。 限于篇幅仅列
西北干旱区及各分区两种方法的计算结果(表 4),两种方法的计算结果(表 5),就各子区而言,两种方法对未
来气温的变化趋势计算结果完全相同,均通过了各自信度为 0. 01 的显著性检验。 就站点而言,两种方法趋势
计算结果误差较小,站点个数误差 1 个,比例相差 1. 0% 。 因此,认为两种方法结论十分相近。 分别采用 M鄄K
4804 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
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检验法及气候趋势系数法的结论绘制气温变化趋势分布图(图 7),并绘制西北干旱区气温变化趋向率分布图
(图 7)。
表 3摇 西北干旱区各子区气温年代际变化特征
Table 3摇 The variation character of temperature anomaly for decade
年代
Decades
参数
Parameter
分区 Areas
全区 Total areas 北疆子区 南疆子区 青海子区 河西子区 内蒙子区
1951—1960 平均温度 / 益 7. 0 5. 7 10. 1 2. 4 6. 6 7. 5
距平值 / 益 0. 4 0. 6 2. 3 0. 9 -2. 8 -3. 8
正距平年数比率% 50 50 60 40 20. 0 30
1961—1970 平均温度 / 益 6. 3 5. 0 9. 5 1. 5 6. 4 7. 3
距平值 / 益 -5. 5 -4. 5 -3. 8 -8. 2 -4. 5 -5. 9
正距平年数比率% 20 30 20 0 20. 0 20
1971—18980 平均温度 / 益 6. 5 5. 0 9. 5 2. 0 6. 6 7. 6
距平值 / 益 -3. 5 -4. 9 -3. 4 -3. 0 -2. 5 -3. 1
正距平年数比率% 30 20 30 10 30. 0 10
1981—1990 平均温度 / 益 6. 8 5. 4 9. 7 2. 2 6. 8 7. 8
距平值 / 益 -1. 1 -1. 3 -1. 8 -1. 0 -0. 7 -0. 4
正距平年数比率% 40 40 10 40 50. 0 50
1991—2000 平均温度 / 益 7. 2 5. 8 10. 0 2. 8 7. 2 8. 5
距平值 / 益 3. 4 3. 5 1. 4 4. 7 3. 9 5. 7
正距平年数比率% 70 70 50 80 60. 0 80
2001—2008 平均温度 / 益 7. 8 6. 5 10. 5 3. 4 7. 7 8. 8
距平值 / 益 6. 9 7. 8 5. 3 8. 7 6. 6 6. 7
正距平年数比率% 100 100 100 100 100 100
多年平均气温 / 益 6. 9 5. 5 9. 9 2. 3 6. 9 7. 9
表 4摇 M鄄K检验法及气候趋势系数法计算西北干旱区各分区变化趋势表
Table 4摇 The parameters of Mann鄄Kendall and climatic trend coefficient method of temperature
分析方法
Methods
分区
Areas
参数
P / t
Parameter
m值 /
倾向率
Tendency
rate
趋势
Tendency 分区
参数
P / t
m值 /
倾向率 趋势
分区
站点
参数
P / t
m值 /
倾向率 趋势
M鄄K法 全区 1138 4. 18 银** 北疆子区 1081 3. 41 银** 南疆子区 1023 2. 64 银**
Mann鄄Kendall
methods 青海子区 1212 5. 17 银** 河西子区 1202 5. 04 银** 内蒙子区 1210 5. 15 银**
趋势系数法 全区 1138 0. 42 银** 北疆子区 1081 0. 34 银** 南疆子区 1023 0. 26 银**
Climatic trend
coefficient 青海子区 1212 0. 52 银** 河西子区 1202 0. 50 银** 内蒙子区 1210 0. 52 银**
摇 摇 银表示增加趋势;▼减少趋势;*通过 P=0. 05 显著性检验;**通过 P=0. 01 显著性检验
由表 4 及图 7 可以看出,全区绝大部分均呈现增温趋势(比例占 97. 9% ),其中 94. 7%的地区通过信度
0. 01 的显著性检验,96. 8%的站点通过了 0. 05 的显著性检验,仅有 3. 2%地区无显著增减趋势。 表 4 及图 7
显示,西北干旱区整体均呈正幅增温情势,增温幅度为 0. 02益 / 10a(新疆阿拉尔) -1. 21益 / 10a(青海芒崖)。
在北疆地区、东疆地区与青海柴达木盆地地区形成了高幅增温区;在南疆地区及河西中南部地区形成了低幅
增温区。 北疆形成了以富蕴(1. 09益 / 10a)为中心,东疆以巴里坤(0. 76益 / 10a)为中心,青海柴达木盆地以小
灶火(0. 81益 / 10a)为中心的高幅增温区。 南疆以喀什(0. 22益 / 10a)为中心,河西地区以松山(0. 08益 / 10a),
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图 5摇 Morlet小波变换实部时频分布
Fig. 5摇 Morlet wavelet analysis: real鄄plural
内蒙古西部以吉诃德(0. 03益 / 10a)为中心的小幅增温区。
表 5摇 M鄄K检验法与趋势系数法特征参数结果对比表
Table 5摇 The results comparison between Mann鄄Kendall and climatic trend coefficient method
参数
Parameter
趋势
Tendency
M鄄K法(个数 /比例)
Mann鄄Kendall methods
子区
Area
站点
Station amount
趋势系数(个数 /比例)
Climatic trend coefficient
子区 站点
误差分析 Error level
子区 站点
年均气温 增加 6(100% ) 94(98. 9% ) 6(100% ) 93(97. 9% ) 0. 0% 1. 0%
减少 0(0. 0% ) 1(1. 1% ) 0(0. 0% ) 2(2. 1% )
4摇 结论与讨论
(1)基于西北干旱区气温场特征向量荷载及因子得分分布型特征可将西北干旱区划分为北疆子区
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图 6摇 Morlet小波变换系数实部变化过程
Fig. 6摇 The real鄄plural of morlet wavelet coefficient process line
图 7摇 西北干旱区气温变化趋势图
Fig. 7摇 Trend of temperature in the northwest arid area
(BJR)、南疆子区(NJR)、河西子区(HXR)、青海子区(QHR)以及内蒙古子区(NMR)等 5 个分区。
(2)全区 44. 8%的年份气温属正常范围(0 级),15. 5%年份为异常偏暖(3 级);显著偏暖和偏暖级别分
别为 3. 4%和 5. 2% ;偏冷年份(-1 级)为 13. 8% ,显著偏冷和异常偏冷年份均为 8. 6% 。 20 世纪 50 年代西北
干旱区气温略高于多年平均气温,60 年代至 80 年代末期为低温时段,自 90 年代开始增温,正距平年数比例
由 80 年代 40%上升至 100% ,西北干旱区整体处于高温时段,且增温趋势明显。
(3)西北干旱区及各子区,气温系列主要显示出 3a、9a 及 12a 主周期。 有 97. 9%的地区呈现增温趋势,
其中 94. 7%的地区通过信度 0. 01 的显著性检验,96. 8%的站点通过了 0. 05 的显著性检验。 全区整体呈现正
7804摇 13 期 摇 摇 摇 黄蕊摇 等:中国西北干旱区气温时空变化特征 摇
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幅增温情势,增温幅度为 0. 02益 / 10a(新疆阿拉尔)-1. 21益 / 10a(青海芒崖),并在各地形成幅增温中心。
通过分析认为西北干旱区呈现整体增温变暖的趋势,在此背景下研究区的生态系统、水文过程及地表覆
被将如何响应,而气候变暖对当地农林牧业将产生怎样的影响并需采取何种应对措施将是进一步的研究的
重点。
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9804摇 13 期 摇 摇 摇 黄蕊摇 等:中国西北干旱区气温时空变化特征 摇
ACTA ECOLOGICA SINICA Vol. 33,No. 13 Jul. ,2013(Semimonthly)
CONTENTS
Frontiers and Comprehensive Review
A review of ecological effects of remnant trees in degraded forest ecosystems after severe disturbances
MIAO Ning,LIU Shirong, SHI Zuomin,et al (3889)
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Mechanism and application of bioremediation to heavy metal polluted soil using arbuscular mycorrhizal fungi
LUO Qiaoyu, WANG Xiaojuan, LIN Shuangshuang, et al (3898)
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Autecology & Fundamentals
Changes of allometric relationships among leaf traits in different ontogenetic stages of Acer mono from different types of
forests in Donglingshan of Beijing YAO Jing, LI Ying,WEI Liping,et al (3907)…………………………………………………
The combined effects of increasing CO2 concentrations and different temperatures on the growth and chlorophyll fluorescence in
Porphyra haitanensis (Bangiales, Rhodophyta) LIU Lu, DING Liuli, CHEN Weizhou, et al (3916)……………………………
Research on biomass expansion factor of chinese fir forest in Zhejiang Province based on LULUCF greenhouse gas Inventory
ZHU Tangjun,SHEN Chuchu,JI Biyong,et al (3925)
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Influence of soil gradual drought stress on Acorus calamus growth and photosynthetic fluorescence characteristics
WANG Wenlin, WAN Yinjing, LIU Bo, et al (3933)
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Isolation,identification,real鄄time PCR investigation of an endophytic phosphate鄄solubilizing bacteria from Caragana korshinskii
Kom. roots ZHANG Lizhen, FENG Lili,MENG Qiuxia,et al (3941)……………………………………………………………
Plant忆s and soil organism忆s diversity across a range of Eucalyptus grandis plantation ages
ZHANG Danju, ZHANG Jian, YANG Wanqin, et al (3947)
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Effects of diet and starvation on growth and survival of Scapharca broughtonii larvae
WANG Qingzhi, ZHANG Ming, FU Chengdong, et al (3963)
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……………………………………………………………………
Multidrug鄄resistant bacteria in livestock feces QI Shiyue, REN Siwei, LI Xueling, et al (3970)………………………………………
Physiological regulation related to the decline of Alexandrium catenella MA Jinhua, MENG Xi, ZHANG Shu, et al (3978)…………
Numerical simulation of water quality based on environmental fluid dynamics code for grass鄄algae lake in Inner Mongolia
LI Xing, SHI Hongsen,ZHANG Shuli,et al (3987)
……………
…………………………………………………………………………………
Population, Community and Ecosystem
Influence of enclosure on Glyeyrrhiza uralensis community and distribution pattern in arid and semi鄄arid areas
LI Xuebin, CHEN Lin, LI Guoqi, et al (3995)
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The interannual variation of net primary productivity of three coniferous forests in Liupan Mountains of Ningxia and its responses
to climatic factors WANG Yunni, XIONG Wei, WANG Yanhui, et al (4002)……………………………………………………
Soil water use and balance characteristics in mature forest land profile of Caragana korshinskii in Semiarid Loess Area
MO Baoru, CAI Guojun, YANG Lei,LU Juan,et al (4011)
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………………………………………………………………………
Effect of simulated acid deposition on chemistry of surface runoff in monsoon evergreen broad鄄leaved forest in Dinghushan
QIU Qingyan, CHEN Xiaomei,LIANG Guohua,et al (4021)
…………
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A space optimization model of water resource conservation forest in Dongting Lake based on improved PSO
LI Jianjun, ZHANG Huiru, LIU Shuai, et al (4031)
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Allelopathic effects of aqueous extract of exotic plant Rhus typhina L. on soil micro鄄ecosystem
HOU Yuping, LIU Lin, WANG Xin, et al (4041)
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The impact of natural succession process on waterbird community in a abandoned fishpond at Chongming Dongtan, China
YANG Xiaoting, NIU Junying, LUO Zukui, et al (4050)
…………
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Mercury contents in fish and its biomagnification in the food web in Three Gorges Reservoir after 175m impoundment
YU Yang, WANG Yuchun, ZHOU Huaidong, et al (4059)
………………
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Microsatellite analysis on genetic diversity of common carp,Cyprinus carpio,populations in Yuan River
YUE Xingjian, ZOU Yuanchao, WANG Yongming, et al (4068)
………………………………
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Landscape, Regional and Global Ecology
Research on spatio鄄temporal change of temperature in the Northwest Arid Area HUANG Rui,XU Ligang,LIU Junmin (4078)………
Simulation of soil respiration in forests at the catchment scale in the eastern part of northeast China
GUO Lijuan, GUO Qingxi (4090)
…………………………………
……………………………………………………………………………………………………
The early effects of nitrogen addition on CH4 uptake in an alpine meadow soil on the Eastern Qinghai鄄Tibetan Plateau
ZHANG Peilei, FANG Huajun, CHENG Shulan, et al (4101)
………………
……………………………………………………………………
Analysis of water ecological footprint in guangxi based on ecosystem services ZHANG Yi, ZHANG Heping (4111)…………………
The integrated recognition of the source area of the urban ecological security pattern in Shenzhen
WU Jiansheng,ZHANG Liqing,PENG Jianet al (4125)
……………………………………
……………………………………………………………………………
Carbon sources and storage sinks in scenic tourist areas: a Mount Lushan case study
ZHOU Nianxing, HUANG Zhenfang, LIANG Yanyan (4134)
…………………………………………………
………………………………………………………………………
Impacts of climate change on dominant pasture growing season in Central Inner Mongolia
LI Xiazi,HAN Guodong,GUO Chunyan (4146)
……………………………………………
……………………………………………………………………………………
Phenological Characteristics of Typical Herbaceous Plants(Lris lacteal) and Its Response to Climate Change in Minqin Desert
HAN Fugui,XU Xianying,WANG Lide,et al (4156)
………
………………………………………………………………………………
Biomass and distribution pattern of carbon storage in Eomecon chionantha Hance
TIAN Dalun,YAN Wende,LIANG Xiaocui, et al (4165)
………………………………………………………
……………………………………………………………………………
Temporal dynamics and influencing factors of fine roots in five Chinese temperate forest ecosystems
LI Xiangfei, WANG Chuankuan, QUAN Xiankui (4172)
…………………………………
…………………………………………………………………………
Resource and Industrial Ecology
Effects of AMF on soil improvement and maize growth in mining area under drought stress
LI Shaopeng, BI Yinli, CHEN Peizhen, et al (4181)
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………………………………………………………………………………
Urban, Rural and Social Ecology
Health function evaluation and exploring its mechanisms in the Shanghai Green Belt, China
ZHANG Kaixuan, ZHANG Jianhua (4189)
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…………………………………………………………………………………………
Research Notes
Time lag effects of rainfall inside a Platycladus Orientalis plantation forest in the Beijing Mountain Area, China
SHI Yu,YU Xinxiao,ZHANG Jiayin (4199)
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Long鄄term effects of harvest residue management on soil total carbon and nitrogen concentrations of a replanted Chinese fir
plantation HU Zhenhong, HE Zongming, FAN Shaohui, et al (4205)……………………………………………………………
4124 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 33 卷摇
《生态学报》2013 年征订启事
《生态学报》是由中国科学技术协会主管,中国生态学学会、中国科学院生态环境研究中心主办的生态学
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争鸣冶的方针,依靠和团结广大生态学科研工作者,探索生态学奥秘,为生态学基础理论研究搭建交流平台,
促进生态学研究深入发展,为我国培养和造就生态学科研人才和知识创新服务、为国民经济建设和发展服务。
《生态学报》主要报道生态学及各分支学科的重要基础理论和应用研究的原始创新性科研成果。 特别欢
迎能反映现代生态学发展方向的优秀综述性文章;研究简报;生态学新理论、新方法、新技术介绍;新书评价和
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《生态学报》为半月刊,大 16 开本,300 页,国内定价 90 元 /册,全年定价 2160 元。
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(半月刊摇 1981 年 3 月创刊)
第 33 卷摇 第 13 期摇 (2013 年 7 月)
ACTA ECOLOGICA SINICA
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(Semimonthly,Started in 1981)
摇
Vol郾 33摇 No郾 13 (July, 2013)
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