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  高原气象  2016, Vol. 35 Issue (4): 979-988  DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2015.00079
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赵威, 韦志刚, 郑志远, 董文杰. 2016. 1964-2013年中国北方农牧交错带温度和降水时空演变特征[J]. 高原气象, 35(4): 979-988. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2015.00079
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ZHAO Wei, WEI Zhigang, ZHENG Zhiyuan, DONG Wenjie. 2016. Surface Temperature and Precipitation Variation of Pastoral Transitional Zone in Northern China during 1964-2013[J]. PLATEAU METEOROLOGY, 35(4): 979-988. DOI: 10.7522/j.issn.1000-0534.2015.00079.
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资助项目

中央高校基本科研业务费专项资金;国家自然科学基金项目(41275011,41330527)

通讯作者

韦志刚.E-mail:wzg@bnu.edu.cn

作者简介

赵威(1992-),女,内蒙古兴安盟人,硕士研究生,主要从事气候变化和气候动力学研究.E-mail:weizhao@mail.bnu.edu.cn

文章历史

收稿日期: 2015-02-02
定稿日期: 2015-07-24
1964-2013年中国北方农牧交错带温度和降水时空演变特征
赵威1, 韦志刚1, 郑志远1, 董文杰1,2     
1. 北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室, 北京 100875;
2. 中山大学大气科学学院, 珠海 519028
摘要: 基于中国气象局1964-2013年温度和降水格点观测数据,利用旋转经验正交分解对中国北方农牧交错带进行了气候分区,并分析研究了该地区近50年的温度和降水变化特征。结果表明:(1)我国北方农牧交错带共可分西区、中区、东区南段、东北段4个区域。(2)整体来看,近50年农牧交错带增暖显著,其中最低温和冬季增温贡献最大;年降水量略有减少(50年减少约13 mm),主要表现为夏季降水减少。(3)分区来看,中区增温最快;西区年降水量是减少的,主要发生在春季;中区与东区南段年降水量也是减少的,主要发生在夏季;而东区北段年降水量是增加的,主要是春季降水的贡献。(4)1998年以来,农牧交错带存在同全球变暖停滞类似的增温停滞现象,且停滞程度更明显。
关键词: 农牧交错带    气候分区    温度    降水    REOF    
1 引言

近年来,全球气候变化已成为人类社会当前最为关注的问题之一,政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental?Panel?on?Climate?Change,IPCC)第五次评估报告指出,全球变暖在时间和空间上并不均匀,其中半干旱区对全球陆地增暖的贡献可达44%(Stocker et al,2013aHuang et al,2012蒋贤玲等,2015)。农牧交错带是农区与牧区、湿润区与干旱区,季风气候与大陆性气候的过渡地带,也是对全球变化反应十分敏感的生态系统过渡带。在全球变暖的气候背景下,中国北方农牧交错带持续暖干化现象突出,干旱灾害频发,极端气候事件增多,严重影响到我国的社会经济与当地农牧业的可持续发展和气候生产力(刘瞳等,2012杜华明等,2015龚道溢和韩晖,2004裘国旺等,2001)。因此,研究近50年来中国北方农牧交错带温度和降水的时空演变特征成为气象工作者以及政策制定者们的迫切需要。

作为生态系统的脆弱带,中国北方农牧交错带的气候变化特征一直受到国内各领域学者的广泛关注。Giddings et al (2005)曾指出,某一地区的局地气候可以由该地区气候变量的均值、频率和极值来确定,而其中最主要的两个气候变量便是温度和降水。众多学者对农牧交错带长期温度变化的特征已进行过大量的研究,范锦龙等(2007)曾指出农牧交错带的中部区域增温显著,但增温幅度存在季节差异。李敏敏和延军平(2013)分析华北段农牧交错带的温度变化特征时,以1987年为界将其划分为1987年以前的冷期与此后的暖期。董满宇等(2010)对整个农牧交错带气温进行了突变分析,得到的结果与李敏敏和延军平(2013)的类似。农牧交错带降水在年代际尺度上波动减少的特征被国内外大部分学者认同并证实。闫冠华等(2008)指出农牧交错带年降水量近50年略有减少,李栋梁和吕兰芝(2002)认为农牧交错带持续暖干化的特征,目前尚无转湿迹象。刘瞳等(2012)预测农牧交错带少水期的持续时间可能达10年以上。

我国北方农牧交错带东西跨度较大,下垫面类型及地形地貌复杂,气候条件差异较大。以往对于该区域的研究大多将其作为整体或模糊局限地选取其中的某段区域来进行,即便有分区研究也大都依据下垫面的地理信息等进行简单分区(杜华明等,2015)。本文采用旋转经验正交函数分解(Rotated Empirical orthogonal function,REOF)法对我国北方农牧交错带进行气候分区,从时间和空间角度,探求农牧交错带温度和降水的演变特征及其在全球变暖背景下的气候响应。

2 资料与方法

对中国北方农牧交错带的地理范围界定,诸多学者从不同领域、不同角度和不同研究目的有着不同的界定方式,但其划分的核心区域大体相同(赵哈林等,2002肖鲁湘和张增祥,2008张建春等,2008)。本文采用史培军等(2009)对中国北方农牧交错带的地理范围界定(图 1)规定我国北方农牧交错带北起大兴安岭西麓呼伦贝尔,向西南延伸,经内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、河北、山西、陕西、甘肃、宁夏、青海等10个省(自治区),包括205个县(旗、县级市及市辖区),总面积约72.6×104 km2

图 1 中国北方农牧交错带地理位置及覆盖范围(粗实线) Figure 1 Schematic diagram of location and coverage(thick solid line)of the pastoral transitional zone in Northern China

选用中国气象局CMA国家信息中心温度和降水格点数据集(Version 2.0),分辨率为0.5°×0.5°,该数据已经过交叉验证、误差分析,质量状况良好(赵煜飞等,2014赵煜飞和朱江,2015)。选用Climatic Research Unit(CRU)5°×5°的CRUTEM4数据与Global Precipitation Climatology Centre(GPCC)2.5°×2.5°的格点数据分别用作温度和降水的辅助验证数据(Meyer et al,2011Osborn and Jones,2014)。研究时段为1964年1月至2013年12月,研究方法为经验正交函数分解法(Empirical orthogonal function,EOF)、旋转经验正交函数分解法以及小波分析法。

在传统的EOF分解中,第一个EOF和PC最大可能的反映了所有原变量的变化或信息,接下来的每个EOF或PC也都尽其所能的表达所有原变量上为被其他EOF和PC表示出的部分,这样,当变量个数很多,且变量间的相关只在局部变量之间时,EOF和PC就会过分强调所有原变量的整体相关结构,而使重要的局部相关结构被掩盖(魏凤英,2009)。REOF在EOF的基础上很好的克服了这一点,当EOF分析截取了前K个空间型,累积方差贡献率已达到一定要求时,REOF将这K个空间型再做调整,使得调整后的K个空间型累积解释原场总方差的百分率保持不变,而使单个空间型尽量反映场的局部相关结构(吴洪宝,2010),从而能够实现对某一地区的气候分型区划。小波分析是在傅里叶分析的基础上,将一个一维信号在时间和频率两个方向上展开,以对气候系统的时频结构进行细致分析的方法(魏凤英,2009)。小波分析不仅可以用来识别显著周期,还可以在小波系数呈现震荡之处分辨奇异点,进而判断一序列发生突变的位置。

尽管降水与地表温度密切相关,但降水量的长期平均值仍是划分气候区最简单的依据(Huang et al,2012)。本文对农牧交错带年降水进行REOF分解以实现气候分区,旋转经验正交函数个数的确定选用特征值对数曲线法,即若某个特征值之后的直线斜率明显减小,则以该点特征值的个数作为旋转特征向量的个数(魏凤英,2009)。其中EOF分解与REOF分解的原始场使用的均为农牧交错带年降水的标准化值。对降水序列进行的小波分解既能分析出农牧交错带的降水周期又能判断该地区干湿气候背景交替演变的具体时间。

3 结果分析 3.1 农牧交错带气候分区

为考察农牧交错带降水变化的整体时空特征,对农牧交错带1964-2013年年总降水量进行EOF分解(图 2)可以看出,EOF第一特征向量场方差贡献率达37.3%,交错带区域内特征向量均为正值,表现为一致变化,说明农牧交错带的降水变化主要受相同大尺度系统的影响;第二特征向量场方差贡献率为20.2%,交错带东、西部特征向量值符号相反,空间分布表现为东、西区域反相变化的特征;第三特征向量场方差贡献率为10.8%,交错带区域内特征向量值有正有负,其空间分布呈现出中间区域与两边区域反相变化的特征。EOF前3个模态累积方差达到68.3%,即这3个模态解释了农牧交错带年降水变化的68.3%。

图 2 1964-2013年中国北方农牧交错带年降水EOF分解的第一(a)、第二(b)和第三(c)空间模态 Figure 2 Spatial pattern of annual precipitation EOF1(a),EOF2(b)and EOF3(c)of pastoral transitional zone in Northern China during 1964-2013

从农牧交错带区域EOF的空间特征(图 3)中可以看到,农牧交错带内的降水变化仍存在明显的区域差异。在EOF分解结果的基础上,进一步采用REOF分解的方式对农牧交错带进行气候分区(图 3)。根据EOF的特征值对数变化曲线,选取EOF前4个模态进行旋转。第一模态载荷向量大值区主要集中在我国东北部地区,方差贡献率为23.1%;第二模态载荷向量大值区主要集中在西北地区,方差贡献率为20.9%;第三模态载荷向量大值区主要集中在华北一带,方差贡献16.8%;而第四模态载荷向量大值区则主要集中在东北的偏北地区,方差贡献率为12.5%。根据REOF的分析结果,将农牧交错带划为4个区:西北区、华北区、东北区南段和东北区北段。接下来,本文将基于这4个气候区对农牧交错带近50年温度和降水时空演变特征进行分析。

图 3 1964-2013年中国北方农牧交错带年降水REOF分解第一(a)、第二(b)、第三(c)和第四(d)空间模态分布 阴影区域载荷向量绝对值>0.6 Figure 3 Spatial pattern of annual precipitation REOF1(a),REOF2(b),REOF3(c)and REOF4(d)of pastoral transitional zone in Northern China during 1964-2013. The shaded area represent area in which the absolute value of load vector is more than 0.6
3.2 农牧交错带温度变化特征

图 4为农牧交错带1964-2013年平均温度距平的时间演变,黑色实线和黑色虚线分别为中国气象局(CMA)温度数据,与CRUTEM4数据的计算结果。两套数据对应时间序列的相关系数为0.81,具有较好的一致性。由图 4可知,1964-2013年农牧交错带地面空气温度持续上升特征明显,但近十几年来却有上升趋势趋缓甚至下降的现象。近年来,自20世纪90年代末期以来全球年平均地面温度上升趋势趋缓等观测结果(Kosaka and Xie,2013),引起了国内外学者的广泛讨论,农牧交错带作为对全球变化反应十分敏感的半干旱区,其地面空气温度在90年代末也同样出现了类似的停滞现象,并在2006年左右甚至开始呈现下降趋势,IPCC第五次评估报告中给出的1998-2012全球地表温度的线性趋势为0.05 ℃·(10a)-1(Stocker et al,2013a),而同时段CMA数据算得的农牧交错带地表温度的线性趋势为-0.58 ℃·(10a)-1,较全球变暖停滞而言,农牧交错带在90年代末的增暖停滞程度更为明显,但停滞原因还有待进一步研究。

图 4 1964-2013年中国北方农牧交错带年平均温度距平的时间序列 Figure 4 Time series of annual mean temperature anomaly of pastoral transitional zone in Northern China during 1964-2013

在全球变暖的气候背景下,中国北方农牧交错带的增暖形势与全球增暖和中国增暖形势有怎样的异同呢?表 1使用CRU的温度数据分别比较了1964-2011年农牧交错带与中国陆地和全球陆地年均温和春夏秋冬四季平均温度的升温率。如表 1所示,农牧交错带的年升温率为0.406 ℃·(10a)-1,而全球陆地的年升温率只有0.147 ℃·(10a)-1。无论是年均温还是四季均温,均表现为农牧交错带增温快于中国陆地增温和全球陆地增温的形势。全球陆地、中国陆地和农牧交错带增温的季节变化均表现为冬季增温最快而夏季增温最慢,与相关研究结果一致(冉津江等,2014王劲松等,2008)。由此可知,农牧交错带近50年增暖现象显著,增暖幅度大于中国陆地与全球陆地增暖的平均水平,且其年均温的增加主要来自于冬季增温的贡献,与中国和全球陆地温度变化的形势一致。

表 1 1964-2011年中国北方农牧交错带与中国陆地、全球陆地温度趋势对比 Table 1 The averaged temperature trend of pastoral transitional zone in Northern China,the whole China and global land during 1964-2011

以往对于农牧交错带温度变化趋势的研究大都着眼于研究时段总体的线性趋势,往往只给出一个增温速率的定值,但这在反映该地区温度变化趋势的真实情况中具有相当的局限性。本文将温度趋势的研究时段1964-2011年划分为20世纪60年代后半期(1964-1969年),70年代,80年代,90年代,21世纪以来(2000-2011年)几个时段,分段求取农牧交错带平均温度、最高温度和最低温度的升温率,得到的结果如表 2所示。平均温度、最高温度和最低温度的变化趋势均表现出20世纪60年代后期降低,70-90年代加速上升(最低温度的增温速率在90年代便开始减缓),21世纪以来又开始降低的特征,自2006年以来温度下降的趋势更为显著。这说明农牧交错带近50年的增温在时间上并非一致,21世纪以来尤其是2006年以来的大幅度降温趋势值得关注。

表 2 1964 - 2011年中国北方农牧交错带不同年代平均增温趋势 Table 2 Mean temperature trend of pastoral transitional zone in Northern China in different periods during 1964 - 2011

IPCC第五次评估报告指出,全球变暖在空间上并不一致(Stocker et al,2013a),农牧交错带的增暖现象是否具有空间一致性呢。从农牧交错带地面空气温度线性趋势的空间分布(图 5)可以看出,农牧交错带近50年增暖显著,且增暖速率呈最低温度(0.43 ℃·(10a)-1)、平均温度(0.35 ℃·(10a)-1)、最高温度(0.33 ℃·(10a)-1)依次递减。就平均温度而言中区增温最快,增幅1.94 ℃,西区增温最慢,增幅1.45 ℃。最高温度的增温趋势在整个农牧交错带上分布比较均匀,平均增温幅度1.68 ℃,而最低温度增温趋势的局地差异相对较大,其升温的大值区主要集中在中区和东区,其中中区增幅最大,50年增温2.92 ℃。相较于最高温度,最低温度增暖趋势的空间分布与平均温度的更为相似。由此可知,农牧交错带近50年平均温度的增加主要来自于最低温增温的贡献,其中中区是农牧交错带对全球温度变化响应最强烈的区域。

图 5 1964-2011年中国北方农牧交错带温度趋势空间分布(单位:℃·(10a)-1) (a)平均温度,(b)最高温度,(c)最低温度 Figure 5 Spatial distribution of temperature trend of pastoral transitional zone in Northern China during 1964-2011. Unit:℃·(10a)-1.(a)Mean temperature,(b)maximum temperature,(c)minimum temperature
3.3 农牧交错带降水变化特征

IPCC第5次评估报告指出,北半球中纬度陆地降水自1901年起就有上升趋势,1951-2008年,中等信度下30°N-60°N纬度带上的降水趋势为1.50 ±1.93 mm·(10a)-1(Stocker et al,2013b),而地处该纬带上的农牧交错带,同时段降水趋势为-7.87 mm·(10a)-1。《第二次气候变化国家评估报告》(2011)中指出1951-2005年中国降水主要表现为20年左右的周期变化特征,并无明显趋势。利用CMA数据算得的研究时段内中国陆地降水的总体趋势为1.72 mm·(10a)-1图 6a为1964-2013年农牧交错带年总降水量随时间的演变,其中直线表示线性倾向估计,曲线为该降水序列的5阶多项式拟合结果,用以检测年代际变化。CMA与GPCC两数据年降水时间序列高度一致,相关系数达0.97,因此后文对农牧交错带降水的分析只基于CMA的降水数据。从全区来看,1964-2013年农牧交错带年降水变化不大,略有减少趋势,50年减少约13 mm。其年代际变化大致可分三个阶段:20世纪90年代以前,年降水稳定波动,90年代到2006年左右年降水明显下降,2006年之后又明显上升。对年降水进行墨西哥帽小波分解,结果如图 6b所示,农牧交错带年降水存在准3年振荡周期,具有明显的年际和年代际变化。小波系数在90年代中期出现奇异点,由正转负,说明农牧交错带年降水在90年代末存在突变,70年代末到90年代末为降水偏多期,而90年代后期到2010年左右为降水偏少期。

图 6 1964-2013年中国北方农牧交错带降水年变化及周期 (a)农牧交错带年降水序列,(b)年降水小波分析(母函数为墨西哥帽小波,弧形虚线为边界影响线,阴影表示通过了95%的置信检验) Figure 6 Precipitation variation and cycle of pastoral transitional zone in Northern China during 1964-2013.(a)Precipitation time series of pastoral transitional zone in Northern China,(b)Wavelet analysis of annual precipitation(mother function are Mexican hat,curved dash line are cone of influence,the shade represent value of cycle that through the 95% confidence)

根据REOF的分区结果,考察农牧交错带内各区年降水随时间变化情况。图 7为分区降水序列,直线表示一元线性回归,曲线表示5阶多项式拟合。从降水趋势来看,除农牧交错带东区北段年降水呈略微上升的趋势外,其余3个区(西区、中区和东区南段)年降水均呈下降趋势,其中东区南段减少的最多,减少27 mm。从年际与年代际变化来看,西区与中区年降水变化形势比较一致,年代际变化不十分明显,而东区北段与东区南段年降水不仅具有明显的年代际振荡特征且其1964-2013时段内的年降水量峰值均在1998年,即发生本世纪以来最强厄尔尼诺事件的次年,但同年的西区和中区降水却并未出现这一峰值。因此,虽然农牧交错带地处东亚季风尾闾,其年降水总体呈现出比较一致的年代际变化特征,但4个分区降水变化仍各有不同。

图 7 1964-2013年中国北方农牧交错带各气候区年降水序列 (a)西区,(b)中区,(c)东区南段,(d)东区北段 Figure 7 Annual precipitation time series of pastoral transitional zone in Northern China during 1964-2013.(a)west region, (b)central region,(c)southern section of the east region,(d)northern section of the east region

农牧交错带近50年各区年总降水量及春夏秋冬四季降水量的线性趋势如表 3所示。农牧交错带东区南段是年总降水量下降趋势最显著的区域,其次是中区、西区,即农牧交错带年降水的减少主要是东区南段降水减少的贡献。分季节来看,中区和东区南段年降水的减少主要发生在夏季,西区年降水减少主要发生在春季,而东区北段年降水的增加也主要是春季降水增加的贡献。各区春夏降水趋势比较明显而秋冬降水变化不大,春季降水除中区呈减少趋势外,其余三个区均为显著增加趋势。

表 3 1964-2013年中国北方农牧交错带各区4季降水趋势 Table 3 Seasonal precipitation trend of pastoral transitional zone in Northern China during 1964-2013
4 结论与讨论

基于中国气象局的格点观测数据,利用旋转EOF的方法对中国北方农牧交错带进行了气候分区,并对其1964-2013年温度和降水变化的时空特征进行了整体与分区的研究。得到以下主要结论:

(1) 根据农牧交错带年降水的旋转EOF结果,可将农牧交错带分为4个区域:西区、中区、东区南段和东区北段。

(2)整体来看,农牧交错带近50年显著增暖的现象主要来自于最低温度和冬春两季增温的贡献。增温趋势表现为20世纪60年代后期降低,70 -90年代加速上升,21世纪以来又显著降低的特征。20世纪90年代末期,农牧交错带地面空气温度存在同全球变暖停滞类似的增温停滞现象,1998-2012温度线性趋势为-0.58 ℃·(10a)-1,较全球而言增暖停滞程度更明显;分区来看,中区增温幅度最大,是对全球温度变化响应最显著的区域。

(3) 农牧交错带近50年年降水总体呈下降趋势。除东北区北段年降水呈略微上升的趋势外,其余3个区年降水均呈下降趋势,相比于中区和西区,东区年降水的年代际变化特征更为明显。除东区北段年降水呈上升趋势外,其余3区均呈下降趋势。西区年降水减少主要发生在春季,中区和东区南段年降水的减少主要发生在夏季,东区北段年降水的增加主要是春季降水增加的贡献。

总体而言,由于中国北方农牧交错带地处气候区交界与生态系统交界,地理位置特殊、下垫面类型复杂、地形种类繁多且受人类活动影响大,其温度和降水变化的原因与大尺度环流背景变化等自然因素和人类活动等因素密切相关。观测事实表明,近50年来,东亚冬季风减弱,AO指数偏强,尤其是80年代全球加速变暖以来,El Nino事件增多。一方面增强的AO与减弱的东亚冬季风不利于极区冷空气南下至中国北方农牧交错带地区,会导致该地区的增温尤其是冬季增温;另一方面,在全球变暖的影响下,20世纪80年代后,El Niño事件发生的频率和强度明显增多、加大,在El Niño现象发生后的冬季,东亚大槽强度将比常年偏弱,东亚极锋锋区位置较常年偏北,不利于寒潮爆发,冷空气活动减弱,容易出现暖冬(许武成等,2005)。

从1982-2011年,由于农牧交错带的暖干化趋势与人类不合理的利用水资源、乱砍滥伐等行为,导致该地区植被总体严重退化(图 8)。根据Charney et al (19751977)所提出的地球生物-物理反馈机制,植被退化将导致局地的反照率增加,而使该地区成为一个热汇,从而产生空气的垂直下沉运动,进一步使得降水减少、温度增加,加剧暖干化形势,对于从自然变化与人类活动角度出发对中国北方农牧交错带气候变化的归因研究,将在后面的文章中继续完成。

图 8 GIMMIS-AVHRR农牧交错带1982-2011年生长季(4-10月)NDVI年变化(曲线)及线性趋势(直线) Figure 8 Annual variation(curve)and linear trend(straight line)of grown season(from April to October)NDVI of pastoral transitional zone in Northern China during 1982-2011 based on GIMMIS-AVHRR
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Surface Temperature and Precipitation Variation of Pastoral Transitional Zone in Northern China during 1964-2013
ZHAO Wei1 , WEI Zhigang1 , ZHENG Zhiyuan1 , DONG Wenjie1,2     
1. State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;
2. School of Atmospheric Science, Sun Yat-Sen University, Zhuhai 519028, China
Abstract: This study analyzed the spatial-temporal change of historical temperature and precipitation in pastoral transitional zone in Northern China, based on observational temperature and precipitation grid datasets during 1964-2013 from Chinese Meteorology Administration (CMA). The climate division was made using rotated empirical orthogonal function (REOF) in the meantime. The result shows that: (1) The whole pastoral transitional zone in Northern China can be divided into 4 regions which can be simply named the west region, the central region, the southern section of the east region, and the northern section of the east region, respectively. (2) In general, the pastoral transitional zone in Northern China had experienced a significant warming during 1964-2013 which was mainly attributed to the warming of winter and larger increase of minimum temperature rather than the increase of maximum temperature. The pastoral transitional zone in Northern China had also experienced a slightly decrease of precipitation (13 mm less during 1964-2013), and it was largely because the summer precipitation had declined the most in this period. (3) Focused on sub-regions, the temperature of the central region in pastoral transitional zone increased the most in the period of 1964-2013 among 4 sub-regions. As for the precipitation, annual precipitation in western north region decreased in the last 50 years mostly because of the decrease of spring precipitation in local. Meanwhile, the annual precipitation in central region and the southern section of the east region had decreased as well, but differently, it can be mainly attributed to the summer precipitation's decline. Moreover, the annual precipitation increased in the northern section of the east region, and the spring precipitation contributed it the most. (4) The pastoral transitional zone in Northern China has experienced a warming hiatus resembling to the global warming hiatus since late 1990s, only the temperature has declined more, meaning that the declining trend of temperature in pastoral transitional zone is more obvious.
Key Words: Pastoral transitional zone in Northern China    Climate division    Temperature    Precipitation    REOF