, 王靓Spatio-temporal characteristics of climate change in the Silk Road Economic Belt
XUXinliang, WANGLiang收稿日期:2016-01-18
修回日期:2016-08-22
网络出版日期:2016-09-25
版权声明:2016《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
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1 引言
自中国国家主席习近平于2013年9月出访中亚提出共建“丝绸之路经济带”,以及同年10月出访东南亚提出共造“21世纪海上丝绸之路”以来,“一带一路”战略受到国际各界的高度关注[1]。在全球变暖的背景下,“一带一路”国家战略的推进离不开对气候变化的考虑,在《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》[2]所阐述的“合作重点”中就有两处提及“气候”,分别是“强化基础设施绿色低碳化建设和运营管理,在建设中充分考虑气候变化影响”,以及“在投资贸易中突出生态文明理念,加强生态环境、生物多样性和应对气候变化合作,共建绿色丝绸之路”。因此,正确认识“丝绸之路经济带”沿线主要国家的气候变化特征是“一带一路”战略合作与建设的迫切需求。然而目前针对这一需求的研究比较缺乏,各国研究多着眼于本国或临近地区的气候变化特征,更大尺度甚至全球性气候变化研究较少。中国****多基于本国气象站点数据进行中国气候变化研究,由于数据与方法的不同,这些研究的结论与国外研究成果之间往往缺乏可比性,严重制约了对“一带一路”战略涉及地区气候变化格局的总体把握。丝绸之路经济带,是在古丝绸之路概念基础上形成的一个新的经济发展区域。东边牵着亚太经济圈,西边系着发达的欧洲经济圈,被认为是“世界上最长、最具有发展潜力的经济大走廊”。“丝绸之路经济带”沿线各国的气候变化不仅直接影响当地的生态系统演替、资源开发利用和经济建设,而且对全球气候变化及生态平衡也起着极其重要的作用。因此,本研究选择“丝绸之路经济带”沿线主要国家作为研究对象,利用统一的数据和方法对研究区气候变化的整体趋势和空间分异规律进行系统的刻画,有助于明确各国在气候变化中的定位,为合作谈判提供真实确凿的科学依据,这种顺应政策需求的选题方式不失为本研究的创新点之一。
此外,在进行此类较大尺度的气候变化研究时,由于气象站点数据需要经过十分繁琐的处理过程才能形成可靠的空间数据,因此多数研究选用不确定性较大、空间分辨率较低的再分析资料。但为保证研究结果的可靠性,本研究选用美国国家气候中心发布的世界气象站点数据,利用大数据处理和3S技术,自主生产出具有较高时空分辨率的气象要素空间数据集,该成果可视为本研究的另一个创新点。
总之,本文是基于美国国家气候中心发布的全球气象站点日数据,利用克里金插值、线性趋势法、累计距平曲线法、Mann-Kendall显著性检验和多尺度区域统计等方法,系统阐述了“丝绸之路经济带”主要国家1980-2014年气温和降水的变化趋势和空间分布特征。该成果能够为相关国家在“一带一路”战略的统领下解决和应对气候变化问题提供科学依据和有益参考。
2 数据来源与研究方法
2.1 数据来源
气象数据来源于美国国家气候中心NCDC（National Climatic Data Center）（http：//www.ncdc.noaa.gov/cgi-bin/res40.pl?page=gsod.html）。“丝绸之路经济带”沿线国家气象数据涉及气象站点2023个,遍布于中国、蒙古、俄罗斯、东南亚、独联体、南亚、西亚与北非（简称西亚北非）、中东欧和中亚九大区域（图1,45个国家编号见表1）。从各地区气象站点的分布来看,中国地区气象站点374个,蒙古地区气象站点59个,俄罗斯地区气象站点479个,东南亚地区气象站点230个,独联体地区气象站点91个,南亚地区气象站点129个,西亚北非地区气象站点224个,中东欧地区气象站点307个,中亚地区气象站点130个。各气象站点的主要气象要素指标包括平均气温、最高气温、最低气温、降水量、平均风速、最大风速等1980-2014年的逐日站点观测数据。为反映气象要素时空变化的空间格局,本文利用ArcGIS软件对各气象要素进行了空间克里金插值,获得“丝绸之路经济带”主要国家0.2
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图11980-2014年“丝绸之路经济带”主要国家多年平均气温分布
-->Figure 1Perennial mean temperature in major countries of the Silk Road Economic Belt from 1980 to 2014
-->
Table 1
表1
表1“丝绸之路经济带”部分国家编号
Table 1Some countries in the Silk Road Economic Belt
| 编号 | 国家 | 编号 | 国家 | 编号 | 国家 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 爱沙尼亚 | 16 | 阿尔巴尼亚 | 31 | 土库曼斯坦 |
| 2 | 拉脱维亚 | 17 | 马其顿 | 32 | 乌兹别克斯坦 |
| 3 | 立陶宛 | 18 | 塞尔维亚 | 33 | 吉尔吉斯斯坦 |
| 4 | 波兰 | 19 | 保加利亚 | 34 | 塔吉克斯坦 |
| 5 | 白俄罗斯 | 20 | 格鲁吉亚 | 35 | 尼泊尔 |
| 6 | 捷克 | 21 | 亚美尼亚 | 36 | 不丹 |
| 7 | 斯洛伐克 | 22 | 阿塞拜疆 | 37 | 孟加拉国 |
| 8 | 摩尔多瓦 | 23 | 叙利亚 | 38 | 老挝 |
| 9 | 乌克兰 | 24 | 黎巴嫩 | 39 | 柬埔寨 |
| 10 | 罗马尼亚 | 25 | 以色列 | 40 | 越南 |
| 11 | 匈牙利 | 26 | 巴勒斯坦 | 41 | 斯里兰卡 |
| 12 | 斯洛文尼亚 | 27 | 约旦 | 42 | 马来西亚 |
| 13 | 克罗地亚 | 28 | 科威特 | 43 | 新加坡 |
| 14 | 波黑 | 29 | 卡塔尔 | 44 | 印度尼西亚 |
| 15 | 黑山 | 30 | 阿联酋 | 45 | 东帝汶 |
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2.2 气候变化分析方法
先由“丝绸之路经济带”主要国家日气象数据生成1980年以来气温、降水年数据,并采用空间统计、线性趋势和累计距平曲线等方法分析研究区气候状况及其变化特征。线性趋势法采用最小二乘法建立气象要素与时间的一元线性回归方程,方程斜率的绝对值表征变化幅度,大于0表示增温或降水增多,反之亦然。累计距平曲线上升,累计距平值增加,表示增温或降水偏多,反之亦然。采用Mann-Kendall法对变化趋势进行显著性检验,当检验值的绝对值大于1.96时,变化趋势可达95%的信度,被认为存在显著的变化趋势[3]。3 结果分析
3.1 “丝绸之路经济带”主要国家的气候特征
3.1.1 气温1980-2014年,“丝绸之路经济带”主要国家平均气温7.7℃,最高值出现在西亚也门的西南部,最低值出现在俄罗斯的北部（图1）。俄罗斯的多年平均气温在0℃以下;蒙古在1~5℃之间;独联体、中东欧、中亚和中国在5~10℃之间,且后三者十分接近;南亚、西亚北非和东南亚均在20℃以上,其中东南亚最热,超过25℃。多年平均气温从高到低,排名前五位的国家依次为也门、柬埔寨、新加坡、斯里兰卡和文莱,均在27℃以上;排名末五位的国家依次为白俄罗斯、拉脱维亚、爱沙尼亚、蒙古和俄罗斯,均在7℃以下。多年平均气温在零下的地区主要分布在俄罗斯、蒙古的北部和中国的青藏高原地区;高于20℃的地区主要分布在北纬30度以南,包括印度、沙特阿拉伯和埃及等。
3.1.2 降水
1980-2014年,“丝绸之路经济带”主要国家多年平均年降水量为491.8mm,低于50mm的地区主要分布在沙特阿拉伯、埃及东南部和中国西北部;高于1500mm的地区主要分布在印度尼西亚、马来西亚、文莱、老挝、斯里兰卡、菲律宾和中国东南部（图2）。中亚、西亚北非低于200mm,蒙古、俄罗斯和独联体为200~600mm,中东欧、中国和南亚在600~1000mm之间,东南亚在1000mm以上。按多年平均年降水量从高到低排列,前五位的国家依次为文莱、马来西亚、印度尼西亚、菲律宾和斯里兰卡,均高于1500mm;排名末五位的国家依次为也门、埃及、阿联酋、沙特阿拉伯和卡塔尔,均低于80mm。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图21980-2014年“丝绸之路经济带”主要国家多年平均年降水量空间分布
-->Figure 2Perennial mean annual precipitation in major countries of the Silk Road Economic Belt from 1980 to 2014
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3.2 “丝绸之路经济带”主要国家的气候变化特征
3.2.1 气温、降水变化的时间特征1980-2014年,“丝绸之路经济带”主要国家以0.4℃/10a的速率呈增温态势。1994年之前,气温累计距平曲线明显下降,以负距平为主,为偏冷阶段（图3a）。1987年气温最低,为6.41℃。1995年开始,气温累计距平曲线持续上升,距平多为正值,处偏暖阶段。1995年气温最高,为9.00℃。降水以 -46.6mm/10a的速率减少,1998年以前,累计距平曲线明显上升,以正距平为主,为降水偏多阶段（图3b）。1992年降水量最大,为651.71mm,距平达峰值155.43mm。1999年以来,降水累计距平曲线明显下降,以负距平为主,为降水偏少阶段。1999年降水量最少,为293.35mm,距平为最小值-202.93mm。近35年来研究区呈现暖干化趋势。产生这种趋势的原因极其复杂,包括自然因素和人为因素[4]。自然因素可能有太阳活动变化[5]、地球系统的自然波动[6]、行星对地球系统的影响[7]等。人为因素是指人类通过排放温室气体、改变土地利用/覆盖等方式改变地球物质循环和能量流动过程,从而导致气候变化。至今,对于全球气候变化的原因还没有一个明确的说法,对于区域气候变化影响因素的研究也还只是处于实验摸索阶段。因此,本文仅在阐述研究结果的同时,对各地区的关键气候影响因素进行适当的引申,有助于引发读者进一步的思考。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图31980-2014年“丝绸之路经济带”年平均气温、年降水距平和累积距平年际变化
-->Figure 3The annual change of anomaly and accumulative anomaly of average temperature and precipitation in the Silk Road Economic Belt from 1980 to 2014
-->
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图41980-2014年俄罗斯、蒙古和中国年平均温度、年降水距平和累积距平年际变化
-->Figure 4The annual change of anomaly and accumulative anomaly of average temperature and precipitation in Russia,Mongolia and China from 1980 to 2014
-->
“丝绸之路经济带”气温、降水的区域差异明显。俄罗斯1980-2014年以0.27℃/10a的速率变暖,不同地区变化率在（-1.42~1.12 ）℃/10a之间。变暖始于1994年,1988-1994年气温波动较大,而1980-1988年气温累计距平曲线呈直线下降态势,为偏冷阶段（图4a）。降水以-71.60mm/10a的速率减少,1998年之前为偏多阶段,全区雨水较丰沛,1998年之后降水偏少。
蒙古1980-2014年以0.16℃/10a的速率呈现升温态势,20世纪80年代为偏冷阶段,90年代开始转暖,进入21世纪后气温一直在高位波动（图4b）。降水以-35.56mm/10a的速率明显减少,干旱化主要发生在1992年以后。同属蒙古高原,蒙古国的升温速率不及中国内蒙古地区,但均高于世界平均水平,人口急剧增加与快速的城市化进程也许对该地区气候变暖有着重要贡献[8]。
中国在1980-2014年以升温为主,升温速率为0.28℃/10a,这与其他****的研究结果基本一致[9-12]。期间,中国气温变化可分为3个阶段：1980-1990年的偏冷阶段、1990-1998年的气温波动阶段和1998-2014年的偏暖阶段（图4c）。降水变化波动较大,1980-2014年整体上呈现出降水减少的趋势,局地降水年变化率在（-429.90-327.37）mm/10a范围内,以-13.87mm/10a为均值上下波动。中国降水在1980-1991年处于偏少阶段,之后进入波动期,2000年后再次进入降水偏少阶段。有研究表明,近35年中国呈现的暖干趋势可能与增强的温室效应有关[13]。
中亚地区1980-2014年以0.32℃/10a的速率变暖,局地最大增温速率为1.41℃/10a,最小增温速率为-0.84℃/10a,黄秋霞等****的研究结果也证实了这一点[14]。其间,1998年之前为偏冷阶段,1998年之后累计距平曲线直线上升,进入偏暖阶段（图5a）。降水以-88.17mm/10a的速率减少,局地变化率在（-250.38~47.64）mm/10a之间,1980-1999年为降水偏多阶段,1999-2014年为降水偏少阶段。中亚地区温度变化可能与北极涛动、极涡、青藏高原与人类活动有关[15],西风环流变化可能是影响该地区降水变化的关键因素[16]。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图51980-2014年中亚、南亚和东南亚年平均温度、年降水距平和累积距平年际变化
-->Figure 5The annual change of anomaly and accumulative anomaly of average temperature and precipitation in Central Asia,Southern Asia and South East Asia from 1980 to 2014
-->
1980-2014年,南亚地区以1.32℃/10a的速率变暖,前10年偏冷,中间10年波动,2000年以来明显偏暖（图5b）。降水以27.04mm/10a的速率增加,并伴随有较大波动,1980年代降水偏少,1990年后降水偏多。
1980-2014年,东南亚地区以0.32℃/10a的速率变暖,1980-1996年为偏冷阶段,之后转暖（图5c）。降水以-92.00mm/10a的速率减少,局地变化率在
（-908.18~904.06）mm/10a之间,1993年后进入降水偏少阶段,这与郭丽娜等****所得结果一致[17]。该地区所呈现的暖干化可能与人口激增、快速工业化以及厄尔尼诺南方涛动事件有关[18]。
中东欧地区1980-2014年以0.40℃/10a的速率增温,局地变化率在（-2.91~1.92）℃/10a之间,波动较大,前后大体经历了3个阶段,即1980-1988年的偏冷阶段、1988-1998年的波动阶段和1998-2014年的偏暖阶段（图6a）。降水以-2.36mm/10a的速率波动下降,局地变化率在（-331.52~271.50）mm/10a之间。
独联体地区1980-2014年以0.56℃/10a的速率升温,1997年以前偏冷,之后逐渐回暖（图6b）。降水变化与温度恰好相反,1998年之前降水较多,之后进入偏少阶段,整体上以-48.41mm/10a的速率减少,局地变化率在（-412.85~53.15）mm/10a之间。
西亚北非地区1980-2014年以0.47℃/10a的速率增温,局地变化率在（-2.24~2.77）℃/10a之间,1980-1993年偏冷,1993-2014年偏暖（图6c）。降水以-20.57mm/10a的速率减少,局地变化率在（-224.87~540.61 ）℃/10a之间。波动较大,可粗略划分为2个阶段：1980-1997年的降水偏多阶段,1997-2014年的降水偏少阶段。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图61980-2014年中东欧、独联体和西亚北非年平均温度、年降水距平和累积距平年际变化
-->Figure 6The annual change of anomaly and accumulative anomaly of average temperature and precipitation in the Middle East Europe,Commonwealth of Independent States and West Asia and North Africa from 1980 to 2014
-->
3.2.2 气温、降水变化的空间格局特征
1980-2014年,升温是“丝绸之路经济带”主要国家气温变化的普遍特征。显著变暖区域占全区总面积30.1%,主要分布在阿拉伯半岛、埃及东南部、匈牙利、土库曼斯坦、乌兹别克斯坦、东南亚、中国和俄罗斯西南部,平均升温速率为0.7℃/10a（图7,见第1750页）。区域尺度上,西亚北非地区有超过一半的面积气温呈现显著变化,而蒙古和俄罗斯的气温显著变化面积所占比例较少（表2）。国家尺度上,气温显著升高区域占全国总面积80%以上的国家有阿联酋、巴勒斯坦、新加坡、也门、孟加拉国、伊拉克、以色列、阿曼、匈牙利、科威特、东帝汶、柬埔寨、沙特阿拉伯和土库曼斯坦。呈现降温趋势的地区主要分布在俄罗斯、蒙古、斯里兰卡、伊朗的南部、欧洲的南部以及中国的青藏高原地区。然而,全区仅有0.03%的区域气温呈现显著下降趋势,主要集中在塔吉克斯坦东北部。将“丝绸之路经济带”主要国家按照气温变化率的国家平均值从高到低排列,排名前五位的国家依次为孟加拉国、印度、伊拉克、尼泊尔、巴基斯坦,气温变化率均在1℃/10a以上;排名末五位的国家依次为马其顿、黑山、斯洛文尼亚、伊朗和阿尔巴尼亚,气温变化率均在-0.01℃/10a以下。
Table 2
表2
表21980-2014年“丝绸之路经济带”主要国家气温显著变化区统计
Table 2Regional statistics of significant changes in temperature in the Silk Road Economic Belt from 1980 to 2014
| 区域 | 显著变化面积占比 /% | 气温 变化率 /（℃/10a） | 主要分布地区 |
|---|---|---|---|
| 中国 | 34.35 | 0.50 | 中国中部和南部 |
| 蒙古 | 14.16 | 0.77 | 蒙古东南部 |
| 俄罗斯 | 15.73 | 0.50 | 俄罗斯西部 |
| 东南亚 | 37.53 | 0.45 | 缅甸、泰国、柬埔寨 |
| 独联体 | 33.78 | 0.65 | 乌克兰、阿塞拜疆 |
| 南亚 | 34.77 | 1.79 | 印度东部、阿富汗西部、孟加拉国 |
| 西亚北非 | 63.09 | 0.76 | 也门、阿曼、沙特阿拉伯、伊拉克 |
| 中东欧 | 35.56 | 0.57 | 匈牙利、克罗地亚、捷克 |
| 中亚 | 34.72 | 0.53 | 土库曼斯坦、哈萨克斯坦西部 |
| 全区 | 30.08 | 0.70 | 西亚北非、中国、俄罗斯西部 |
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显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图71980-2014年“丝绸之路经济带”主要国家年平均气温变化态势
-->Figure 7The annual change of annual mean temperature in the Silk Road Economic Belt from 1980 to 2014
-->
1980-2014年,“丝绸之路经济带”主要国家普遍呈现降水减少态势,但这种变化在统计学上多不显著,反而显著的变化趋势多显示为降水增加（图8,见第1750页）。研究区降水显著变化区域的面积占比为4.9%,其中南亚地区降水显著变化面积占比最大,为16.9%;而蒙古全境降水未呈现出任何显著变化（表3,见第1751页）。全区有4.74%的区域降水呈现显著增加态势,增长率为83.7mm/10a,降水显著增加存在于沙特阿拉伯、伊朗西南部、保加利亚西部、乌克兰西北部、巴基斯坦北部、印度北部、尼泊尔、老挝、菲律宾、中国西部和俄罗斯中部的局部地区。降水显著增加区域面积占国土面积30%以上的国家有科威特、老挝、尼泊尔、以色列和保加利亚。相比之下,全区仅有0.19%的区域降水呈现显著减少态势,零星分布在沙特阿拉伯和中国的西部。将“丝绸之路经济带”主要国家按照年降水变化率从高到低排列,排名前五位的国家依次为菲律宾、文莱、科威特、尼泊尔和老挝,变化率均在60mm/10a之上;排名末五位的国家依次为印度尼西亚、格鲁吉亚、斯里兰卡、东帝汶和新加坡,变化率均在 -200mm/10a之下。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图81980-2014年“丝绸之路经济带”主要国家年降水量变化态势空间分布
-->Figure 8The annual change of annual total precipitation in the Silk Road Economic Belt from 1980 to 2014
-->
Table 3
表3
表31980-2014年“丝绸之路经济带”主要国家年降水显著变化区统计表
Table 3Regional statistics of significant changes in precipitation in the Silk Road Economic Belt from 1980 to 2014
| 区域 | 显著变化面积占比 /% | 降水年 变化率 /（mm/10a） | 主要分布地区 |
|---|---|---|---|
| 中国 | 2.37 | 26.58 | 中国西部 |
| 蒙古 | 0.00 | 0.00 | 无 |
| 俄罗斯 | 3.10 | 38.14 | 俄罗斯中部 |
| 东南亚 | 4.74 | 223.09 | 老挝、菲律宾 |
| 独联体 | 4.32 | 21.84 | 乌克兰西北部 |
| 南亚 | 16.90 | 143.30 | 印度东北部、尼泊尔 |
| 西亚北非 | 10.25 | 21.96 | 沙特阿拉伯、科威特、卡塔尔 |
| 中东欧 | 7.46 | 84.44 | 波兰南部、保加利亚西部 |
| 中亚 | 0.18 | 32.34 | 乌兹别克斯坦东部 |
| 全区 | 4.92 | 80.25 | 印度、沙特阿拉伯、老挝 |
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4 结论与讨论
本研究基于美国国家气候中心发布的全球气象站点数据,利用克里金插值、线性趋势法、累计距平曲线法、Mann-Kendall显著性检验和多尺度区域统计等方法,系统阐述了“丝绸之路经济带”主要国家1980-2014年气温和降水的变化趋势和空间分布特征,结论如下：1980-2014年“丝绸之路经济带”整体呈升温态势,全区平均升温速率为0.4℃/10a。气温显著升高的区域占全区面积的30.1%,主要分布在阿拉伯半岛、埃及东南部、匈牙利、土库曼斯坦、乌兹别克斯坦、东南亚、中国,以及俄罗斯西南部。全区仅有0.03%的区域气温呈显著下降趋势,零星分布在塔吉克斯坦的东北部。全区约在20世纪90年代末进入偏暖阶段。
1980-2014年“丝绸之路经济带”以降水减少为主,但全区仅有0.19%的区域降水呈现显著减少,零星分布在沙特阿拉伯和中国的西部。有4.74%的区域降水显著增加,发生在沙特阿拉伯、伊朗西南部、保加利亚西部、乌克兰西北部、巴基斯坦北部、印度北部、尼泊尔、老挝、菲律宾、中国西部以及俄罗斯中部的局部地区。除南亚地区在1990年代初进入降水偏多阶段,其他地区在1990年代末进入降水偏少阶段。
除南亚、东南亚等少数地区,“丝绸之路经济带”普遍呈现暖干化趋势。这种趋势对于研究区各国既有利好也有弊端。在中国,气候变暖引起的冰川融水有利于干旱区发展绿洲农业,也会导致水资源短缺、北方河流径流量减少、东北多年冻土区植被生产力下降等不利影响[19]。在东南亚,气候变化可能导致饮用水短缺、电力生产下降;海平面上升,农业地区海水入侵和土壤盐渍,耕地生产潜力下降;林火增加,亚热带湿润林将可能被热带干旱林代替[15]。在俄罗斯,变暖会引起永久冻土的融化和消退,对北部陆地的几乎所有建筑结构都存在着潜在危害,甚至会导致现有地形的变化[20]。目前,对于气候变化影响的实时监测和定量评估工作仍有待进一步开展,而这首先就要求对各个空间尺度上的气候变化具有清晰准确的把握。本研究在“丝绸之路经济带”区域尺度上对气候变化进行了全面系统的分析,在气候变化研究领域可视为一个有益的补充。其他尺度的气候变化研究也应顺应不同需求而积极开展,以充实气候变化相关决策的智囊库。
The authors have declared that no competing interests exist.
参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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