王慧清

(內(nèi)蒙古呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古　海拉爾　021008)

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1970～2013年呼倫貝爾地區(qū)冬季氣溫時(shí)空變化特征

王慧清

(內(nèi)蒙古呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古海拉爾021008)

摘要：利用1970年12月至2014年2月內(nèi)蒙古呼倫貝爾市16站月平均氣溫資料，對(duì)全市及其3個(gè)分區(qū)冬季氣溫時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：呼倫貝爾市冬季氣溫增溫速率與全國(guó)平均水平基本一致，近44 a全市冬季氣溫總體以0.2 ℃/10 a的幅度上升，1990年代以后氣溫波動(dòng)加大，1990年代為最暖期，2000年代中期以后進(jìn)入變暖趨緩階段。其中，農(nóng)區(qū)增溫幅度略大于牧區(qū)和林區(qū)；全市及其林區(qū)、牧區(qū)冬季氣溫在1986年發(fā)生顯著突變，由偏冷期轉(zhuǎn)為偏暖期，而農(nóng)區(qū)冬季氣溫并未發(fā)生明顯突變；全市及3個(gè)分區(qū)冬季氣溫存在5～6 a、11～13 a及18～23 a的變化周期；全市冬季氣溫變化具有同步性，但又存在嶺東南和嶺西北相反的分布形式。

關(guān)鍵詞：年際及年代際變化；氣候突變；振蕩周期；EOF；大興安嶺

引言

氣候變暖給當(dāng)今社會(huì)帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)和潛在風(fēng)險(xiǎn)，不同地域氣候變化趨勢(shì)研究一直是大氣科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題[1]。近100 a來(lái)在全球尺度上，冬季變暖、夏季略變冷[2]。近50 a中國(guó)冬季氣溫變暖速率顯著大于夏季氣溫升溫速率，普遍認(rèn)為氣候變暖在高緯度地區(qū)更為明顯[3]，其中東北地區(qū)和內(nèi)蒙古地區(qū)春、冬季增溫最明顯[4]。呼倫貝爾市地處內(nèi)蒙古東北部，較東北地區(qū)緯度更高，其北部是中國(guó)最寒冷地區(qū)之一，冬季平均氣溫-28 ℃，分布有大面積多年凍土。大興安嶺山脈橫亙于呼倫貝爾境內(nèi)，它對(duì)區(qū)域冬季氣溫具有重要影響：對(duì)入侵冷空氣有屏障作用以及越山后的焚風(fēng)效應(yīng)，造成山脊和兩麓氣候差異明顯，山脈兩側(cè)同緯度地區(qū)1月平均氣溫相差5 ℃之多[5]。因此，大興安嶺可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)囟練夂蜃兓Ｊ疆a(chǎn)生影響。基于以上認(rèn)識(shí)，本文通過(guò)開展呼倫貝爾市冬季氣溫的時(shí)空變化規(guī)律研究，以期得出當(dāng)?shù)靥赜械囊恍夂蜃兓卣?，為客觀認(rèn)識(shí)該地區(qū)冬季氣溫變化事實(shí)及冬季氣溫預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)奠定基礎(chǔ)。

1資料與方法

1.1資料及區(qū)域劃分

所用資料為內(nèi)蒙古自治區(qū)氣候中心整編的1970年12月至2014年2月內(nèi)蒙古呼倫貝爾市16站月平均氣溫資料。其中，12月至次年2月劃分為冬季，并定義1970年12月至1971年2月為1970年冬季，依次類推，標(biāo)準(zhǔn)氣候值采用1970～2013年的平均值。

王希平等[5]遵循氣候相似原則，基于17個(gè)氣象和地理因子，采用聚類分析方法進(jìn)行篩選，將呼倫貝爾市劃分為3個(gè)差異明顯的氣候區(qū)。其中，大興安嶺東南部位于121°E以東、50°N以南，海拔較低為195～306 m，冬季平均氣溫-15.7～-12.7 ℃，與東北松嫩平原接壤，下墊面大多是農(nóng)田，為農(nóng)業(yè)氣候區(qū)(簡(jiǎn)稱農(nóng)區(qū))，氣象臺(tái)站包括莫旗(尼爾基鎮(zhèn))、扎蘭屯、阿榮旗(那吉鎮(zhèn))3站；大興安嶺西北部介于120°E以西、50°N以南，海拔554～662 m，略高于嶺東南，冬季平均氣溫-20.5～-16.5 ℃，西南與蒙古高原接壤，下墊面主要是草原，為牧業(yè)氣候區(qū)(簡(jiǎn)稱牧區(qū))，氣象臺(tái)站包括海拉爾、陳巴爾虎旗(巴彥庫(kù)仁鎮(zhèn))、鄂溫克旗(巴彥托海鎮(zhèn))、滿洲里、新巴爾虎右旗(阿拉坦額莫勒鎮(zhèn))、新巴爾虎左旗(阿木古郎鎮(zhèn))6站；大興安嶺及其嶺東北海拔287～740 m，冬季平均氣溫-23.5～-18.2 ℃，下墊面主要是林地，為森林氣候區(qū)(簡(jiǎn)稱林區(qū))，氣象臺(tái)站包括牙克石、額爾古納、根河、鄂倫春(阿里河鎮(zhèn))、圖里河、博克圖、小二溝(圖1)7站，見圖1。本文采用以上分區(qū)結(jié)果進(jìn)行氣候特征的對(duì)比分析。

圖1　內(nèi)蒙古呼倫貝爾市氣候區(qū)劃

1.2方法

為更好地研究近44 a來(lái)呼倫貝爾市及其3個(gè)分區(qū)冬季平均氣溫的年際、年代際變化特征，采用二項(xiàng)式系數(shù)加權(quán)平均法[6]對(duì)時(shí)間序列作10 a滑動(dòng)平均處理，并對(duì)氣溫距平作一元線性回歸，以反映隨時(shí)間的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)。另外，利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法、Morlet小波分析法和經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)分析方法(EOF)[7]對(duì)冬季平均氣溫的氣候突變特征、周期振蕩規(guī)律和空間分布形式進(jìn)行分析。

2結(jié)果分析

2.1年際變化特征

近44 a來(lái)，呼倫貝爾市冬季平均氣溫總體以0.2 ℃/10 a的幅度上升(圖2a)，其中林區(qū)和牧區(qū)冬季氣溫上升幅度與全市水平基本一致(圖2b、圖2d)，而農(nóng)區(qū)的上升幅度略高，氣候傾向率約為0.3 ℃/10 a(圖2c)?？傮w來(lái)看，呼倫貝爾市冬季氣溫大致經(jīng)歷2個(gè)明顯變化階段，1994年以前，全市冬季平均氣溫以1.2 ℃/10 a的幅度上升，此后以-1.3 ℃/10 a的幅度下降。然而，3個(gè)分區(qū)冬季氣溫變化階段性特征與全市不盡相同，其中林區(qū)和牧區(qū)冬季氣溫也是以1994年為界，之前波動(dòng)上升，之后較大幅度地波動(dòng)下降，且牧區(qū)氣溫上升和下降的幅度均高于全市，分別為1.5 ℃/10 a和-1.8 ℃/10 a，而林區(qū)與全市氣溫變化幅度相當(dāng)；農(nóng)區(qū)冬季氣溫以2006年為界，之前波動(dòng)上升，之后持續(xù)下降，上升幅度低于全市，為0.7 ℃/10 a，下降幅度遠(yuǎn)高于全市，為-3.6 ℃/10 a。

圖2　1970～2013年呼倫貝爾全市(a)及其林區(qū)(b)、農(nóng)區(qū)(c)、牧區(qū)(d)冬季氣溫距平線性變化趨勢(shì)

研究[8-13]發(fā)現(xiàn)，自1950年以來(lái)華北冬季氣溫增溫率達(dá)0.27 ℃/10 a，東北地區(qū)冬季氣溫平均上升速率為0.45 ℃/10 a[14]。造成以上結(jié)果差異的原因是選取的時(shí)間段不同。當(dāng)采用統(tǒng)一時(shí)間段時(shí)，呼倫貝爾市與東北和全國(guó)的增溫幅度基本無(wú)明顯差異(圖略)。說(shuō)明呼倫貝爾市作為我國(guó)的“冷極”，冬季氣溫并沒有表現(xiàn)出比全國(guó)其它地區(qū)更快的增溫幅度。

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告[15]指出，全球平均氣溫自1998年以來(lái)并沒有顯著上升(基本趨平)，即進(jìn)入所謂的變暖趨緩或停頓時(shí)期，且這種變化還可能持續(xù)一段時(shí)間。由于變暖停滯期持續(xù)時(shí)間較短，傳統(tǒng)方法無(wú)法有效檢測(cè)到時(shí)間序列后期的突變點(diǎn)，由暖變冷時(shí)期的氣溫下降大致是從2006或2007年開始[16]。本文由于增加了2006年以后的數(shù)據(jù)，即增加了氣溫變暖停滯期的數(shù)據(jù)，從而降低當(dāng)?shù)囟練鉁氐脑鰷厮俾?。這也間接說(shuō)明呼倫貝爾市冬季氣溫變化進(jìn)入變暖趨緩的階段。

2.2年代際變化特征

由表1可知，呼倫貝爾市及其3個(gè)分區(qū)冬季氣溫年代際距平的變化特征較相似，1970～1980年代距平值為負(fù)，氣溫偏冷，1990年代至2013年距平值為正，為偏暖期，其中1970年代偏冷幅度最大，尤其是農(nóng)區(qū)，冬季氣溫較常年偏低1 ℃以上；而1990年代偏暖最明顯，冬季氣溫較常年偏高1.2 ℃以上，尤其是牧區(qū)偏高1.8 ℃；進(jìn)入2000年代以后，冬季氣溫偏暖幅度明顯減弱。綜合來(lái)看，近44 a呼倫貝爾市冬季氣溫年代際波動(dòng)最大的區(qū)域?yàn)槟羺^(qū)。呼倫貝爾市冬季氣溫年代際變化規(guī)律與我國(guó)北方其它地區(qū)基本相同[9-12，17-18]。

表1　呼倫貝爾市及3個(gè)分區(qū)冬季氣溫

2.3突變分析

圖3是呼倫貝爾市及其3個(gè)分區(qū)冬季氣溫的10 a滑動(dòng)t檢驗(yàn)?？梢钥闯?，呼倫貝爾市及3個(gè)分區(qū)冬季氣溫的滑動(dòng)t檢驗(yàn)曲線變化特征不盡相同，其中全市及林區(qū)、牧區(qū)冬季氣溫在1980年代中期以前以顯著降溫趨勢(shì)為主，t統(tǒng)計(jì)量均在1986年超過(guò)α=0.05的顯著性水平線，而后波動(dòng)升溫，表明全市及林區(qū)、牧區(qū)冬季氣溫在1986年發(fā)生明顯突變，經(jīng)歷由冷變暖的轉(zhuǎn)折，這與華北[10]、東北[18-20]地區(qū)冬季氣溫由冷變暖的突變時(shí)間基本一致；農(nóng)區(qū)冬季氣溫雖然也在1986年出現(xiàn)由冷變暖的轉(zhuǎn)折，但t統(tǒng)計(jì)量并未超過(guò)α=0.05的顯著性水平線，說(shuō)明該區(qū)冬季氣溫并未出現(xiàn)明顯突變。分區(qū)的結(jié)果反映出地勢(shì)對(duì)于溫度變化的重要作用，即大興安嶺對(duì)區(qū)域氣候的影響較為明顯。

圖3　1970～2013年呼倫貝爾市及其3個(gè)分區(qū)冬季氣溫的滑動(dòng)t檢驗(yàn)

2.4周期振蕩特征

采用Morlet小波分析方法對(duì)呼倫貝爾市近44 a冬季氣溫的標(biāo)準(zhǔn)化距平時(shí)間序列進(jìn)行周期分析(圖4)。圖4中，虛線為負(fù)值表示溫度降低，實(shí)線為正值表示溫度升高。呼倫貝爾市及其3個(gè)分區(qū)冬季氣溫在1980年代初期以前和1990年代中期以后分別存在5～6 a的年際周期，1990年代初期以前還存在11～13 a 的年代際周期。另外，18～23 a的年代際周期近44 a始終存在，且周期振蕩顯著，經(jīng)歷了3個(gè)冷暖交替變化，且2013年20 a尺度上的小波系數(shù)等值線尚未閉合，表明未來(lái)幾年呼倫貝爾市冬季氣溫將處于由暖變冷的過(guò)程。

另外，小波功率譜(圖略)也反映出呼倫貝爾市及3個(gè)分區(qū)冬季氣溫存在著5～6 a、11～13 a和18～23 a的變化周期，其中全市及林區(qū)、牧區(qū)的上述3個(gè)周期均通過(guò)了99.5%信度檢驗(yàn)，為顯著周期，而農(nóng)區(qū)的18～23 a變化周期未通過(guò)99.5%信度檢驗(yàn)，為不顯著周期。

上述分析可見，呼倫貝爾市冬季氣溫存在5～6 a的年際周期和11～13 a、 18～23 a的年代際周期。其中，5～6 a的年際振蕩周期低于全國(guó)6～9 a[21]和東北地區(qū)8～9 a[18]的周期，而年代際變化周期略高于東北地區(qū)16～18 a[18]的周期。表明呼倫貝爾市冬季氣溫變化具有較高的波動(dòng)性。

圖4　1970～2013年呼倫貝爾全市(a)及其林區(qū)(b)、農(nóng)區(qū)(c)、牧區(qū)(d)冬季氣溫的Morlet小波實(shí)部

2.5時(shí)空變化特征

為進(jìn)一步弄清呼倫貝爾市冬季氣溫異常的時(shí)空結(jié)構(gòu)，對(duì)全市16個(gè)測(cè)站1970～2013年冬季氣溫距平場(chǎng)進(jìn)行EOF展開，第一特征向量方差貢獻(xiàn)為85.37%，前2項(xiàng)特征向量的累積方差貢獻(xiàn)92.35%。由圖5a可見，呼倫貝爾市冬季氣溫距平EOF的第一模態(tài)一致表現(xiàn)為正值，值為0.21～0.29，表明該市各地冬季氣溫變化具有同步性，但又存在差異。其中，中西部為高值區(qū)，陳巴爾虎旗為高值中心，而東北部為低值區(qū)，表明在該市冬季氣溫一致偏高(或偏低)的情況下，存在西南部偏暖(偏冷)幅度較東北部偏暖(偏冷)幅度大的特征。另外從對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間系數(shù)及其趨勢(shì)線可看出(圖略)，近44 a該市冬季氣溫呈現(xiàn)明顯的增溫趨勢(shì)，且存在明顯的年代際變化特征，即1980年代后期之前冬季氣溫基本以偏冷為主，之后則呈偏暖態(tài)勢(shì)。

圖5　1970～2013年呼倫貝爾市冬季平均氣溫距平EOF分析的第一模態(tài)(a)和第二模態(tài)(b)的空間分布

圖5b顯示，呼倫貝爾市冬季氣溫距平EOF的第二模態(tài)值以大興安嶺為界，嶺東南為正值區(qū)，嶺西北為負(fù)值區(qū)，表明嶺東南和嶺西北冬季氣溫距平呈現(xiàn)相反的分布形式，即嶺東南氣溫高(低)、嶺西北氣溫低(高)。對(duì)應(yīng)的時(shí)間系數(shù)(圖略)顯示：呼倫貝爾市冬季氣溫整體呈明顯上升趨勢(shì)，在1990年代以前，主要是嶺西北氣溫較高而嶺東南氣溫較低的分布形式，之后，主要是嶺西北氣溫較低而嶺東南氣溫較高的分布形式。嶺西北隸屬于內(nèi)蒙古高原，主要受西伯利亞氣團(tuán)影響，屬于典型的大陸性氣候；而嶺南屬于東北平原的一部分，受海洋性季風(fēng)氣候影響，大興安嶺是這2種氣候的分界點(diǎn)[5]。故而在大興安嶺兩側(cè)形成不同的氣溫分布形式?？梢?，呼倫貝爾市冬季氣溫的東西差異空間分布型主要是由地形引起的。

3結(jié)論

(1)1970～2013年，呼倫貝爾市冬季氣溫以0.2 ℃/10 a的幅度波動(dòng)上升，2000年代中期以后冬季氣溫變化進(jìn)入變暖趨緩的階段，但不同分區(qū)略有不同，其中農(nóng)區(qū)增溫率略高于林區(qū)和牧區(qū)，且農(nóng)區(qū)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在2000年代中期，而林區(qū)和牧區(qū)轉(zhuǎn)折點(diǎn)在1990年代中期。從年代際距平變化來(lái)看，全市及3個(gè)分區(qū)冬季氣溫在1970～1980年代為偏冷期，1990年代以后為偏暖期，且1990年代為最暖期。其中，牧區(qū)冬季氣溫波動(dòng)最大。

(2)呼倫貝爾市及其3個(gè)分區(qū)冬季氣溫經(jīng)歷了由冷變暖的轉(zhuǎn)折，突變點(diǎn)在1986年，與我國(guó)東北地區(qū)冬季氣溫突變時(shí)間一致，但農(nóng)區(qū)冬季氣溫突變不顯著。

(3)呼倫貝爾市及其3個(gè)分區(qū)冬季氣溫存在5～6 a、11～13 a和18～23 a的變化周期。其中，全區(qū)及林區(qū)、牧區(qū)3個(gè)周期均顯著，而農(nóng)區(qū)18～23 a變化周期為不顯著周期。其中，年際振蕩周期低于全國(guó)和東北地區(qū)水平，而年代際振蕩周期略高于東北地區(qū)，說(shuō)明該地區(qū)冬季氣溫變化具有較高的波動(dòng)性。

(4)以大興安嶺為界，近44 a呼倫貝爾市冬季氣溫變化既存在同步性，又存在嶺東南和嶺西北相反的變化形式，這種差異主要是由地形引起的。

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Temporal and Spatial Variation Characteristics of Winter Temperature in Hulunbuir of Inner Mongolia During 1970-2013

WANG Huiqing

(HulunbuirMeteorologicalBureauofInnerMongolia,Hailaer021008,China)

Abstract:Based on the monthly mean temperature of 16 weather stations in winter from 1970 to 2013 in Hulunbuir of Inner Mongolia, the temporal and spatial variation characteristics of winter temperature in whole area and three subregions were analyzed. The results showed that the warming rate of winter temperature in Hulunbuir was consistent with the mean value of the whole country, the climatic tendency of winter temperature was 0.2 ℃/10 a in the past 44 years, thereinto the fluctuation of winter temperature increased after the 1990s, the 1990s was the warmest ten years, while the winter temperature entered into a phase of slowing warming after the middle 2000s. And the warming rate of winter temperatures in agriculture region was slightly higher than that of the pasture and forest regions of Hulunbuir. The abrupt changes of winter temperature in Hulunbuir and its forest region, pastoral region occurred in 1986, and the colder period transfered to warmer phase. However, the abrupt change of winter temperature in agriculture region wasn’t significant. There were 5-6 a、11-13 a and 18-23 a oscillation periods of winter temperature in Hulunbuir and its three subregions, but the oscillation periods of 18-23 years in agriculture region didn’t pass the 0.05 level significant test. The winter temperature variation in each area of Hulunbuir was synchronism, while there were somewhat differences at the same time, and the distribution pattern of winter temperature anomaly was opposite in the southeast and northwest of the Great Hinggan mountains.

Key words:annual and decadal variations; climate abrupt change; period oscillation; EOF analysis; Great Hinggan mountains

中圖分類號(hào)：P423.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006-7639(2016)-02-0276-06

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0276

作者簡(jiǎn)介：王慧清(1982-)，女，碩士，工程師，主要從事預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)相關(guān)工作. E-mail：whq_wcs@126.com

基金項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)青年氣象科技項(xiàng)目(nmqnqx201403)和呼倫貝爾市氣象局科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(hlbeqx2015003)共同資助

收稿日期：2015-06-24；改回日期：2015-08-17

王慧清.1970～2013年呼倫貝爾地區(qū)冬季氣溫時(shí)空變化特征[J].干旱氣象，2016，34(2)：276-281, [WANG Huiqing. Temporal and Spatial Variation Characteristics of Winter Temperature in Hulunbuir of Inner Mongolia During 1970-2013[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):276-281], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0276