袁新田,張 生,蘇海民,高 楊,李 靜
宿州學(xué)院地球科學(xué)與工程學(xué)院,安徽宿州,234000
宿淮礦區(qū)是我國(guó)重要的煤炭基地之一,目前正處在快速發(fā)展階段。隨著采煤規(guī)模逐年加大,導(dǎo)致地表塌陷區(qū)面積不斷擴(kuò)大。開采塌陷導(dǎo)致地表土地覆被變化,耕地?fù)p失、植被破壞、水土流失加劇,水資源枯竭,水質(zhì)惡化等一系列環(huán)境問題,嚴(yán)重地破壞了礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境。由于宿淮礦區(qū)地處平原地區(qū),地下水位較高,采煤塌陷區(qū)約有50%成為積水區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì),宿淮礦區(qū)截至2003年地表塌陷面積為160 km2,目前仍以每年塌陷6.7 km2的速度遞增[1]。塌陷積水區(qū)的形成不僅導(dǎo)致該區(qū)域土地覆被變化,而且塌陷積水環(huán)境對(duì)區(qū)域的氣候、地表水系及生態(tài)環(huán)境等產(chǎn)生深刻的影響。
氣候作為人類賴以生存的自然環(huán)境的組成要素和重要的自然資源, 對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)具有重要作用。氣候變化對(duì)自然生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。宿淮礦區(qū)不僅是我國(guó)重要的能源基地,而且區(qū)內(nèi)自然條件較為優(yōu)越,農(nóng)業(yè)開發(fā)歷史悠久,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展?jié)摿Υ?,也是我?guó)重要的糧食生產(chǎn)基地。由于宿淮礦區(qū)位于我國(guó)南北氣候的過渡地帶,是氣候變化的敏感區(qū)之一[2-5]。因此,研究宿淮礦區(qū)塌陷積水對(duì)氣候變化的影響,探討宿淮礦區(qū)對(duì)全球氣候變化的區(qū)域響應(yīng),對(duì)宿淮礦區(qū)自然資源的可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境的改善以及區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展具有重要理論和實(shí)踐意義。
選取宿州站點(diǎn)(58122)和阜陽(yáng)站點(diǎn)(58203)1960~2007年的逐月氣溫資料作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)(資料數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心氣象資料室),以宿州(33.38°N,116.58°E)數(shù)據(jù)代表采煤塌陷水域,選取阜陽(yáng)(32.54°N,115.48°E)作為對(duì)比站點(diǎn)(數(shù)據(jù)代表無(wú)采煤塌陷水域)。用最小二乘法估計(jì)氣溫要素時(shí)間序列的線性傾向率。氣溫的變化趨勢(shì)采用一次線性方程表示:
Y=a+bt
(1)
式中:Y為氣象要素,t為年份的序號(hào)(本文t取值為1~48);b為線性趨勢(shì)項(xiàng),b×10表示氣溫要素每10a的變化量,b的系數(shù)為正,表明氣溫升高;b的系數(shù)為負(fù),則表明氣溫降低[6]。
從圖1給出的宿州、阜陽(yáng)月平均氣溫變化趨勢(shì)可以看出:采煤塌陷水域(宿州)氣溫趨勢(shì)與對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))月平均氣溫變化趨勢(shì)特征相吻合。1~12月兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.912 4、0.981 5、0.969 2、0.906 2、0.925 8、0.900 7、0.927 5、0.905 8、0.908 2、0.903 7、0.927 6、0.915 5,通過95%的信度檢驗(yàn),表明宿州、阜陽(yáng)氣溫變化在很大程度上受到區(qū)域大環(huán)流氣候背景影響,氣溫變化趨勢(shì)表現(xiàn)出一致性。
圖1 宿州、阜陽(yáng)月平均氣溫變化趨勢(shì)(1960~2007年)
對(duì)氣溫要素的時(shí)間序列進(jìn)行線性擬合,得出采煤塌陷水域(宿州)和對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))四季和年平均氣溫線性變化傾向率(表1)。從表1中可看出:1960~2007年期間,采煤塌陷水域(宿州)氣溫傾向率春季和秋季均為0.38℃/10a,冬季為0.58℃/10a,年平均氣溫為0.36℃/10a,氣溫均呈上升趨勢(shì);冬季的增溫幅度最大。且均通過α=0.05顯著性水平檢驗(yàn),表明增溫趨勢(shì)明顯。對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))春、秋、冬季和年平均氣溫傾向率分別為0.31℃/10a、0.20℃/10a、0.40℃/10a和0.22℃/10a,增溫幅度小于采煤塌陷水域(宿州)。與安徽省1961~2001年春、秋、冬季增暖速率分別為0.30℃/10a、0.21℃/10a、0.38℃/10a相比[7],采煤塌陷水域(宿州)的冬季增暖明顯,增溫幅度更大。研究區(qū)近50a來(lái)大氣環(huán)流變化冬季風(fēng)減弱,冬季冷空氣強(qiáng)度減弱,是導(dǎo)致冬季增暖明顯的原因之一。
采煤塌陷水域(宿州)和對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))夏季氣溫變化傾向率分別為-0.09℃/10a和-0.05℃/10a,夏季氣溫變化趨勢(shì)表現(xiàn)出不顯著的微弱下降。同期夏季降水量的增加對(duì)增暖有一定的削弱作用。皖北地區(qū)夏季降水呈增多趨勢(shì),增加速率達(dá)到40~65 mm/10a,為全省平均速率的2~3倍[7]。
進(jìn)一步分析氣溫變化傾向率發(fā)現(xiàn),采煤塌陷積水區(qū)域(宿州)的春、秋、冬季和年平均氣溫變化傾向率均大于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng)),而夏季氣溫變化傾向率小于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))。表明采煤塌陷水域(宿州)無(wú)論是春、秋、冬季和年平均氣溫增幅,還是夏季平均氣溫降幅均大于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))。兩站點(diǎn)相距只有150 km,而氣溫變化傾向率差異較大。這與煤礦塌陷水域環(huán)境的氣候效應(yīng)有關(guān)。一些研究認(rèn)為,水體對(duì)冬季有增溫效應(yīng),夏季有降溫效應(yīng),總體以增溫為主[8-9]。
表1 宿州、阜陽(yáng)氣溫變化傾向率(1960~2007年)
注:*代表通過0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。
從圖2可以看出,1960~2007年期間,采煤塌陷區(qū)域(宿州)和對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))的氣溫年較差均呈現(xiàn)減小趨勢(shì),氣溫年較差變化傾向率宿州為-0.39℃/10a,阜陽(yáng)為-0.32℃/10a。近48a氣溫年較差減小宿州為1.9℃,阜陽(yáng)為1.5℃。有研究認(rèn)為,水域環(huán)境可以使冬季氣溫升高,夏季氣溫降低,氣溫年較差減小[8]。宿州站點(diǎn)氣溫年較差減小幅度大于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng)),主要原因是煤礦塌陷水域環(huán)境的氣候效應(yīng)。
圖2 氣溫年較差變化趨勢(shì)(1960~2007年)
分別計(jì)算不同年代兩個(gè)站點(diǎn)的四季氣溫差值(氣溫差值=宿州-阜陽(yáng)),統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3。從20世紀(jì)60~90年代,采煤塌陷水域(宿州)四季氣溫低于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng));其中冬季氣溫差值最大,1960s、1970s、1980s、1990s分別是-0.91℃、-0.99℃、-0.97℃、-0.81℃,春季氣溫差值其次,分別是-0.41℃、-0.65℃、-0.73℃、-0.72℃。這主要與兩站點(diǎn)的地理緯度差異有關(guān)。2000~2007年,春、夏、秋、冬季氣溫差值分別為0.11℃、-0.12℃、0.16℃、0.27℃,表明采煤塌陷水域(宿州)春、秋、冬季氣溫高于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng)),夏季氣溫低于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))。這表明煤礦塌陷水域環(huán)境的氣溫效應(yīng)從2000年開始顯現(xiàn)。煤礦塌陷水域環(huán)境對(duì)氣候影響是一個(gè)復(fù)雜、長(zhǎng)期的氣候調(diào)節(jié)過程,導(dǎo)致氣溫變化空間差異的原因是復(fù)雜的,海拔高度、測(cè)站周圍環(huán)境變化等因素都有可能對(duì)其產(chǎn)生影響,這些有待于進(jìn)一步深入研究。
圖3 宿州與阜陽(yáng)氣溫差值的年代際變化(1960~2007年)
(1)近48a來(lái),采煤塌陷水域(宿州)春、秋、冬季和年平均氣溫均呈上升趨勢(shì)。氣溫變化傾向率介于0.36~0.58℃/10a之間,以冬季氣溫增幅最大。氣溫的上升趨勢(shì)顯著。
(2)1960~2007年,采煤塌陷水域(宿州)氣溫年較差呈現(xiàn)減小趨勢(shì),氣溫年較差變化傾向率為-0.39℃/10a,近48a來(lái),氣溫年較差減小為1.9℃,大于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))。
(3)20世紀(jì)60~90年代,采煤塌陷水域(宿州)四季氣溫低于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng));其中冬季氣溫差值最大,1960s為-0.91℃、1970s為-0.99℃、1980s為-0.97℃、1990s為-0.81℃。2000~2007年,采煤塌陷水域(宿州)春、秋、冬季氣溫高于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng)),夏季氣溫低于對(duì)比站點(diǎn)(阜陽(yáng))。
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