郭 楠，邵天杰，2，3①，趙景波,2

〔1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062；2.地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(陜西師范大學(xué))，陜西 西安710062；3.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075〕

內(nèi)蒙古西部近60 a極端氣溫變化

郭 楠1，邵天杰1，2，3①，趙景波1,2

〔1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710062；2.地理學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(陜西師范大學(xué))，陜西 西安710062；3.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710075〕

利用內(nèi)蒙古西部地區(qū)1958—2014年3個(gè)站點(diǎn)的日最高和最低氣溫資料，使用線(xiàn)性趨勢(shì)法、距平及累積距平法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法、主成分分析和Morlet復(fù)數(shù)小波，對(duì)10種極端氣溫指數(shù)開(kāi)展分析。結(jié)果表明，年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、暖日、暖夜、夏日和熱夜6個(gè)指數(shù)呈遞增趨勢(shì), 冷日、冷夜、冰日和霜凍4個(gè)指數(shù)呈遞減趨勢(shì)；年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、冷夜、暖夜和暖日5個(gè)指數(shù)均有7和17 a左右的周期，反映了這一地區(qū)極端天氣變化的周期規(guī)律；主成分分析結(jié)果表明，第1主成分方差貢獻(xiàn)率為53.57%，高荷載的指數(shù)為暖夜、熱夜和霜凍，表明這3個(gè)指數(shù)對(duì)這一地區(qū)氣溫的總體變化起主要作用；突變分析表明，極值指數(shù)突變發(fā)生在1980年左右，相對(duì)指數(shù)的突變時(shí)間基本發(fā)生在20世紀(jì)80年代到90年代末前后，絕對(duì)指數(shù)的突變時(shí)間主要發(fā)生在1987年前后。極端氣溫的變化導(dǎo)致該區(qū)易發(fā)生旱災(zāi)和草原沙漠化。

極端氣溫；變化趨勢(shì)；變化周期；突變；內(nèi)蒙古西部

近百年來(lái)全球氣候顯著變暖,全球氣溫升高會(huì)影響極端氣溫值變化,還會(huì)導(dǎo)致高溫和干旱等各種極端氣候事件的強(qiáng)度加劇,頻率增多。極端天氣氣候事件指發(fā)生概率較小,但會(huì)伴隨發(fā)生嚴(yán)重災(zāi)害氣候過(guò)程的異常高(低)溫和強(qiáng)降水等天氣氣候事件[1]。史興民等[2]研究表明,陜西關(guān)中地區(qū)近48 a來(lái)氣溫整體呈現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢(shì),并且其上升速率高于全球氣溫上升水平。李如意等[3]對(duì)陜西商州近60 a極端氣溫變化的研究表明其平均氣溫呈緩慢上升趨勢(shì),四季變化趨勢(shì)緩和。申紅艷等[4]對(duì)青海省極端氣溫事件的研究表明,青海省年平均氣溫與極端氣溫指數(shù)有明顯相關(guān)性,氣溫突變(變暖)前后極端氣溫指數(shù)表現(xiàn)出明顯差異,霜凍和冷夜等冷指數(shù)明顯減少,夏日、暖夜及暖晝指數(shù)明顯增加。李紅英等[5]對(duì)近60 a來(lái)河西走廊極端氣溫的變化特征研究得出,河西走廊的極端最高和最低氣溫呈增高趨勢(shì),并且極端最低氣溫的增溫幅度更大。白美蘭等[6]對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)1961—2010年極端氣候事件變化特征的研究表明,內(nèi)蒙古地區(qū)近50 a的四季平均氣溫均發(fā)生了突變,春季是四季中氣溫突變時(shí)間發(fā)生最早的季節(jié),最晚是夏季;極端低溫事件指標(biāo)表現(xiàn)出減少趨勢(shì),增暖和低溫減少趨勢(shì)在氣溫突變之后表現(xiàn)尤為明顯。楊麗萍等[7]對(duì)錫林郭勒草原東南部近60 a氣溫變化特征的研究表明,研究區(qū)氣溫明顯上升,其中12月和2月增溫幅度最顯著;年、季極端最低氣溫的升溫趨勢(shì)明顯高于極端最高氣溫;年、季、月平均最低氣溫的升溫趨勢(shì)同樣高于平均最高氣溫。由氣候變率與可預(yù)測(cè)性研究計(jì)劃(CLIVAR)和世界氣象組織氣候委員會(huì)(WMO-CCL)共同發(fā)起成立了氣候變化監(jiān)測(cè)、檢測(cè)和指數(shù)專(zhuān)家小組,從眾多的監(jiān)測(cè)和研究計(jì)劃中選取了包括16個(gè)極端氣溫指數(shù)和11個(gè)極端降水指數(shù)的27個(gè)核心指數(shù),通過(guò)這些極端指數(shù)可以全面、客觀(guān)、科學(xué)地認(rèn)識(shí)全球陸地極端氣候的變化規(guī)律和原因[8]。

內(nèi)蒙古草原區(qū)自然條件較嚴(yán)酷,復(fù)雜的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)狀況使得該地區(qū)成為氣候變化響應(yīng)的敏感脆弱區(qū)[9]。20世紀(jì)80年代中期以來(lái),內(nèi)蒙古地區(qū)氣候總體朝著較好的方向發(fā)展,無(wú)霜期延長(zhǎng)和積溫升高使得水熱條件得到較好改善,宜農(nóng)地帶有北推和擴(kuò)大的跡象[10]。但氣候變暖使得草原病蟲(chóng)害增加[11],極端高溫天氣增多使蒸發(fā)量增加,草原沙化和荒漠化現(xiàn)象加重,出現(xiàn)明顯的暖干化現(xiàn)象。因此,筆者應(yīng)用極端氣溫指數(shù),對(duì)內(nèi)蒙古西部3個(gè)地面觀(guān)測(cè)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究,以便為減少極端氣候變化造成的損失提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來(lái)源

研究所用氣象資料均來(lái)自于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http:∥cdc.cma.gov.cn)中地面日值數(shù)據(jù)集,考慮到選取的氣象站點(diǎn)需要具備連續(xù)不間斷的近60 a逐日氣溫記錄，對(duì)內(nèi)蒙古西部氣象站點(diǎn)進(jìn)行

篩選后，選取了1958—2014年有完整逐日最高氣溫、最低氣溫及平均氣溫記錄的3個(gè)氣象站點(diǎn),分別為內(nèi)蒙古西部巴彥淖爾的臨河、阿拉善盟的吉蘭太和阿拉善左旗。所采集的數(shù)據(jù)都經(jīng)過(guò)較為嚴(yán)格的質(zhì)量控制,數(shù)據(jù)準(zhǔn)確翔實(shí)且無(wú)缺失。

1.2 極端氣溫指數(shù)分類(lèi)

采用CLIVAR和WMO-CCL選出的16個(gè)極端氣溫指數(shù)中的10項(xiàng)指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、繪圖及分析研究。極端氣溫指數(shù)(表1)可以分為3類(lèi):第1類(lèi)為極值指數(shù),指年日最高(最低)氣溫的最大(最小)值;第2類(lèi)為絕對(duì)指數(shù),指每年日氣溫超過(guò)某固定閾值的日數(shù),包括夏日、冰日、熱夜和霜凍;第3類(lèi)為相對(duì)指數(shù),用百分位閾值來(lái)確定,包括冷日、暖日、冷夜和暖夜,比如選取1970—1999年這30 a作為基期,分別對(duì)這30 a每年同一日的最低(最高)氣溫進(jìn)行升序排列,之后選取第10個(gè)百分點(diǎn)的值作為該日的下閾值,第90個(gè)百分點(diǎn)的值作為該日的上閾值,然后將該閾值與1958—2014年每年同一日的最低(最高)氣溫進(jìn)行比較,若某日的最低氣溫小于下閾值,則認(rèn)為該日為冷夜,日最低氣溫大于上閾值,為暖夜;某日的最高氣溫小于下閾值,則認(rèn)為該日為冷日,日最高氣溫大于上閾值,為暖日。

表1 極端氣溫指數(shù)的定義Table 1 Definition of extreme temperature indices

1.3 研究方法

采用線(xiàn)性趨勢(shì)分析、距平和累積距平分析等方法分析內(nèi)蒙古西部氣溫變化特征及趨勢(shì),通過(guò)Morlet復(fù)數(shù)小波、主成分分析和Mann-Kendall檢驗(yàn)法,對(duì)1958—2014年內(nèi)蒙古西部地區(qū)極端氣溫的周期性變化、突變性以及各極端氣溫指數(shù)之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)

線(xiàn)性趨勢(shì)分析法可以簡(jiǎn)潔明了地反映氣溫的趨勢(shì)變化。對(duì)內(nèi)蒙古西部1958—2014年極端氣溫指數(shù)進(jìn)行線(xiàn)性擬合及顯著性檢驗(yàn),得到內(nèi)蒙古西部各項(xiàng)極端氣溫指數(shù)的線(xiàn)性?xún)A向率及變化趨勢(shì)(圖1～3)。圖1～3中趨勢(shì)線(xiàn)的斜率即為線(xiàn)性?xún)A向率,極端最高氣溫和極端最低氣溫的線(xiàn)性?xún)A向率均為正。暖夜和暖日的線(xiàn)性?xún)A向率為正,冷夜和冷日的線(xiàn)性?xún)A向率為負(fù),且前兩者遠(yuǎn)大于后兩者,這表明晝夜的高溫日數(shù)增多并呈上升趨勢(shì),低溫日數(shù)則呈遞減趨勢(shì)。夏日和熱夜的線(xiàn)性?xún)A向率為正,冰日和霜凍的線(xiàn)性?xún)A向率為負(fù),表明夏季的高溫日數(shù)逐漸增多,秋冬季節(jié)結(jié)冰結(jié)霜的日數(shù)逐漸減少。

總體來(lái)說(shuō),內(nèi)蒙古西部近60 a來(lái)氣溫呈上升趨勢(shì),高溫日數(shù)增加,低溫日數(shù)減少,各項(xiàng)極端氣溫指數(shù)的變化較為明顯,這與全球氣候變暖的大趨勢(shì)相符。暖日、暖夜、熱夜和霜凍的變率較大,均超過(guò)4.5 d·(10 a)-1?？傮w而言,內(nèi)蒙古西部近60 a來(lái)的極端最高(最低)氣溫、夏日、熱夜、暖日和暖夜這6個(gè)極值指數(shù)均呈顯著遞增趨勢(shì),其氣溫傾向率也按此順序逐漸升高。冷日、冷夜、霜凍和冰日這4項(xiàng)指數(shù)呈下降趨勢(shì),下降速率從小到大依次為冷夜、霜凍、冷日和冰日。由此可見(jiàn),內(nèi)蒙古西部地區(qū)發(fā)生極端氣候事件的概率較大。

圖1 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端最高氣溫和極端最低氣溫的變化趨勢(shì)Table 1 Variation trend of extreme maximum temperature and extreme minimum temperature in west Inner Mongolia during 1958-2014

圖2 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫絕對(duì)值指數(shù)的變化趨勢(shì)Fig.2 Variation of indices of absolute values of extreme air temperature in west Inner Mongolia during 1958-2014

圖3 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣候相對(duì)指數(shù)的變化趨勢(shì)Fig.3 Variation of indices of relative values of extreme air temperature in west Inner Mongolia during 1958-2014

圖1顯示,年極端最高氣溫呈上升趨勢(shì),線(xiàn)性?xún)A向率為0.356 ℃·(10 a)-1。其中最大值出現(xiàn)在2010年,為39.30 ℃,最小值出現(xiàn)在1968年,為33.67 ℃。從年代際變化來(lái)看,20世紀(jì)50年代末和60年代最高,氣溫始終保持在34.7 ℃左右,20世紀(jì)70—80年代突然上升至36.2 ℃左右,20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)一直呈小幅上升趨勢(shì)。年極端最低氣溫也呈線(xiàn)性上升趨勢(shì),線(xiàn)性?xún)A向率大于年極端最高氣溫。年極端最低氣溫的歷年值波動(dòng)性大于年極端最高氣溫,峰谷變化明顯,分別在1995和1967年達(dá)到最大值和最小值,為-17.80和-28.50 ℃。其年代際變化幅度也較大,20世紀(jì)50年代末至90年代極端最低氣溫呈連續(xù)上升趨勢(shì),而進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫又有所回落。

圖2顯示,夏日的線(xiàn)性?xún)A向率為2.06 d·(10 a)-1,其最大值和最小值分別出現(xiàn)在1987和1979年,為137和83 d,日數(shù)總體呈上升趨勢(shì)。就年代際變化而言,20世紀(jì)50和60年代變化較小,70年代有所降低,從80年代起一直呈緩慢上升趨勢(shì)。冰日的線(xiàn)性?xún)A向率為-2.60 d·(10 a)-1,最大值出現(xiàn)在1967年,為81 d,最小值出現(xiàn)在1999和2002年,均為30 d。從年代際變化看,20世紀(jì)50年代末至60年代小幅上升,20世紀(jì)70和90年代又持續(xù)下降,21世紀(jì)后緩慢回升。熱夜天數(shù)波動(dòng)較大,總體呈增多趨勢(shì),線(xiàn)性?xún)A向率為4.76 d·(10 a)-1。其最大值出現(xiàn)在2013年,為146 d,最小值出現(xiàn)在1979年,為109 d。從年代際變化看,20世紀(jì)60年代小幅下降,70年代以后呈上升趨勢(shì),2010—2014年間小幅回落。霜凍日數(shù)波動(dòng)也較大,總體呈大幅下降趨勢(shì),其線(xiàn)性?xún)A向率為-5.04 d·(10 a)-1,其最大值和最小值分別出現(xiàn)在1960和1998年,為174和129 d。年代際變化表現(xiàn)為20世紀(jì)50年代末到60年代有所上升,20世紀(jì)70年代至21世紀(jì)則呈持續(xù)下降趨勢(shì),但2010—2014年有小幅回升。

圖3顯示,冷夜日數(shù)呈大幅度下降趨勢(shì),線(xiàn)性?xún)A向率為-9.24 d·(10 a)-1。在1967和2007年出現(xiàn)最大值和最小值,分別為105和9 d。年代際變化表現(xiàn)為20世紀(jì)50年代末到60年代小幅上升,70年代后一直呈大幅下降趨勢(shì),至2010—2014年才小幅回升。暖夜日數(shù)呈現(xiàn)大幅波動(dòng)上升趨勢(shì),其線(xiàn)性?xún)A向率在10個(gè)指標(biāo)中最大,為14.37 d·(10 a)-1,暖夜日數(shù)在2006和1970年出現(xiàn)最大值和最小值,分別為115和11 d。年代際變化表現(xiàn)為20世紀(jì)50年代到60年代變化很小,20世紀(jì)70年代后呈現(xiàn)大幅上升趨勢(shì),同樣在2010—2014年間出現(xiàn)小幅回落。

冷日日數(shù)呈下降趨勢(shì),其線(xiàn)性?xún)A向率為3.02 d·(10 a)-1。在1967年出現(xiàn)最大值,為88 d,在1989和1990年出現(xiàn)最小值,均為13 d。年代際變化表現(xiàn)為20世紀(jì)50年代末到60年代小幅上升,20世紀(jì)70—90年代持續(xù)下降,21世紀(jì)后出現(xiàn)小幅上升。暖日呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),線(xiàn)性?xún)A向率為6.01 d·(10 a)-1,在2013和1974年出現(xiàn)最大值和最小值,分別為94和20 d。年代際變化趨勢(shì)表現(xiàn)為20世紀(jì)50年代末到80年代呈緩慢下降趨勢(shì),20世紀(jì)80年代后呈持續(xù)上升趨勢(shì)。

2.2 極端氣溫指數(shù)的距平分析

采用氣溫距平和累積距平的方法得出內(nèi)蒙古西部地區(qū)極值指數(shù)距平圖(圖4)和各極端氣溫指數(shù)累積距平圖(圖5)。由圖4可以看出,年極端最高氣溫距平波動(dòng)幅度較大,氣溫最高值出現(xiàn)在2010年,為39.30 ℃,比平均值高3.26 ℃,氣溫最低值出現(xiàn)在1968年,為33.67 ℃。年極端最低氣溫距平變化也同樣表現(xiàn)出了較大的波動(dòng)性,極端氣溫的異常高值出現(xiàn)在1995年,達(dá)17.80 ℃,比平均值高4.84 ℃,極端氣溫的異常低值出現(xiàn)在1967年,達(dá)-28.50 ℃,比平均值低5.86 ℃。由累積距平圖(圖5)可以看出,極端最高氣溫在1958—1970年間呈下降趨勢(shì),1970—1996年間呈小幅波動(dòng),1996—2014年間呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)。極端最低氣溫以1985年為界,1985年以前呈大幅下降,1985年后呈大幅上升趨勢(shì)。極端最高氣溫和極端最低氣溫的累積距平值在1958—2014年間一直為負(fù)值?？傮w而言,1980年前為波動(dòng)降溫階段,1980年后為波動(dòng)升溫階段。

圖4 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極值指數(shù)距平圖Fig.4 Extreme index anomaly of west Inner Mongolia during 1958-2014

夏日和熱夜日數(shù)的累積距平值變化規(guī)律相似,并且兩者都為負(fù)值。大致以1986年為界,1986年以前為波動(dòng)下降趨勢(shì),表明夏日與熱夜日數(shù)逐漸減少;1986年后同為波動(dòng)上升趨勢(shì),表明夏日與熱夜日數(shù)在這一時(shí)期呈增加趨勢(shì)。冰日與霜凍的累積距平圖變化趨勢(shì)相似,并且兩者都為正值。同樣大致以1986年為界,1986年以前冰日和霜凍日數(shù)快速增加,1986年以后冰日和霜凍日數(shù)趨于減少。1986年前后是絕對(duì)指數(shù)變化的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),可能是一個(gè)突變發(fā)生年。

圖5 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫指數(shù)的累積距平圖Fig.5 Cumulative anomalies of extreme air temperature of west Inner Mongolia during 1958-2014

冷夜和冷日日數(shù)的累積距平圖變化趨勢(shì)相似,并且都為正值。大致以20世紀(jì)70年代為界,在此之前為冷夜和冷日日數(shù)快速增加階段,之后是冷夜和冷日日數(shù)快速下降階段。暖夜和暖日的累積距平圖變化趨勢(shì)相似,并且都為負(fù)值,大致在1995年前后發(fā)生突變,1995年以前暖夜和暖日日數(shù)減少,之后暖夜和暖日日數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2.3 極端指數(shù)的周期分析

Morlet復(fù)小波變換圖和方差圖(圖略)可以用來(lái)研究極端氣溫指數(shù)變化的周期性。通過(guò)對(duì)極端氣溫指數(shù)中的年極端最高氣溫,年極端最低氣溫以及線(xiàn)性?xún)A向率較大的暖夜、冷夜和暖日進(jìn)行周期性檢測(cè),得出1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫5項(xiàng)指數(shù)的小波變換圖(圖6～7)。通過(guò)小波圖和方差圖的對(duì)比來(lái)看,極端氣溫指數(shù)存在7和17 a左右的明顯周期變化,第1主周期為17 a左右,其周期在較大時(shí)間尺度上有較好對(duì)稱(chēng)性。個(gè)別指數(shù)可能存在30 a左右的周期。

由圖6可知,12、17和27 a左右為年極端最高氣溫的準(zhǔn)振蕩周期,其中27 a左右振蕩周期為其主控周期,貫穿了整個(gè)研究時(shí)域,表現(xiàn)為高—低—高的循環(huán)交替。17 a左右為第2主周期,經(jīng)歷了5個(gè)周期的高—低循環(huán),12 a周期的變化不很明顯,周期性變化在1978—1998年間出現(xiàn)間斷現(xiàn)象。年極端最低氣溫的準(zhǔn)振蕩周期為6和16 a左右,對(duì)比方差圖發(fā)現(xiàn)可能存在30 a左右的振蕩周期。其中6 a的周期性變化在20世紀(jì)60年代到90年代間出現(xiàn)間斷;16 a為其第1主周期,經(jīng)歷了5個(gè)低—高循環(huán)交替;此外,可能還存在30 a左右的振蕩周期,直到2014年其等值線(xiàn)還未完全閉合,說(shuō)明未來(lái)幾年研究區(qū)的年極端最低氣溫可能會(huì)降低。

由圖7分析可知,冷夜存在3、6和20 a左右的振蕩周期,通過(guò)對(duì)比方差圖發(fā)現(xiàn)可能還存在30 a左右的振蕩周期。6和20 a為其第1、2主周期,分別經(jīng)歷了5個(gè)增加—減少和3個(gè)增加—減少的循環(huán)交替。冷夜可能還存在30 a左右的振蕩周期,其小波圖的等值線(xiàn)直到2014年還未閉合,預(yù)計(jì)未來(lái)幾年內(nèi)冷夜日數(shù)可能會(huì)增加。暖夜存在3、7和17 a左右的準(zhǔn)周期,其中3 a左右的周期在20世紀(jì)80年代后才開(kāi)始出現(xiàn),經(jīng)歷了10個(gè)減少—增加的循環(huán)交替;7 a左右的周期是從20世紀(jì)70年代開(kāi)始出現(xiàn),經(jīng)歷了6個(gè)增加—減少的循環(huán)交替;17 a左右的周期基本貫穿整個(gè)研究時(shí)段,經(jīng)歷了增加—減少—增加—減少—增加的變化過(guò)程。對(duì)比其小波圖和方差圖,發(fā)現(xiàn)可能還存在30 a左右的振蕩周期。

圖7 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫指數(shù)的變化周期Fig.7 Change periods of extreme air temperature indices of west Inner Mongolia during 1958-2014

暖日的周期變化比較復(fù)雜,將其小波圖與方差圖對(duì)比,發(fā)現(xiàn)存在3、5、7、16和27 a左右的振蕩周期。27 a左右為其第1主周期,經(jīng)歷了增加—減少—增加的變化過(guò)程。16 a左右為第2主周期,經(jīng)歷了4個(gè)增加—減少的循環(huán)交替。3 a左右的周期是從20世紀(jì) 70年代末開(kāi)始出現(xiàn);6 a左右的周期性變化比較復(fù)雜,經(jīng)歷了10個(gè)增加—減少的循環(huán)交替。

2.4 極端氣溫指數(shù)的主成分分析

對(duì)1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫指數(shù)進(jìn)行主成分分析,得到各指標(biāo)(主成分)和因子間的相關(guān)系數(shù)載荷矩陣(表2～3)。其中,5個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)總方差的90.8%,符合分析要求。第1主成分方差貢獻(xiàn)率為53.57%,暖夜、熱夜和霜凍的載荷值都較高,絕對(duì)值均大于0.7,并且3者之間兩兩呈極顯著相關(guān)(α=0.01),可以認(rèn)為這3個(gè)指數(shù)的變化對(duì)內(nèi)蒙古西部地區(qū)總體氣溫變化起主要作用。第2主成分方差貢獻(xiàn)率為13.97%,年極端最低氣溫、冷日和暖日的載荷值都較高,絕對(duì)值均大于0.5,年極端最低氣溫和冷日呈極顯著負(fù)相關(guān)(α=0.01)。第3主成分方差貢獻(xiàn)率為10.16%,年極端最高氣溫和霜凍的載荷值較高,分別為0.62和0.46,兩者呈顯著負(fù)相關(guān)(α=0.05)。冰日在第4主

成分中占有較高的載荷,載荷值為0.69,極端最高氣溫在第5主成分中占有較高的載荷,載荷值為-0.47。

表2 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫指數(shù)的因子分析Table 2 Principal component analysis of extreme temperature indices of west Inner Mongolia during 1958-2014

表3 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫指數(shù)的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation matrix of extreme temperature indices of west Inner Mongolia during 1958-2014

*表示P<0.05;**表示P<0.01。

總體來(lái)看,除年極端最低氣溫與年極端最高氣溫、暖日，夏日與冰日，冷日與暖日外，其余各指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系都通過(guò)了α=0.05或α=0.01的顯著性檢驗(yàn)。在相對(duì)指數(shù)與絕對(duì)指數(shù)中,冷指數(shù)與暖指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,各冷指數(shù)間呈正相關(guān)關(guān)系,各暖指數(shù)間也呈正相關(guān)關(guān)系,這與極端氣溫指數(shù)的線(xiàn)性趨勢(shì)分析結(jié)果相一致。

2.5 極端氣溫指數(shù)的突變分析

通過(guò)科學(xué)的方法在一個(gè)極端氣溫連續(xù)產(chǎn)生的時(shí)間序列中找出臨界標(biāo)志性的突變年份,對(duì)極端氣候的研究十分必要。氣溫的突變表示氣候狀態(tài)從一個(gè)平均值到另一個(gè)平均值的不連續(xù)性。筆者采用Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)各極端氣溫指數(shù)進(jìn)行突變分析(圖8～10),可以看出,年極端最高氣溫隨時(shí)間變化呈現(xiàn)出降低—平穩(wěn)—升高的變化趨勢(shì),這與之前的累積距平分析結(jié)果有很好的對(duì)應(yīng)性。年極端最高氣溫的正反序列曲線(xiàn)(UF與UB)在置信區(qū)間內(nèi)相交于1975、1978、1980、1981、1982、1984和1986年。由累積距平圖可知,年極端氣溫的累積距平在1971—1996年間呈小幅波動(dòng)但總體變化平穩(wěn)的特點(diǎn)。年極端最低氣溫表現(xiàn)為下降—上升的交替變化。UF與UB曲線(xiàn)在置信區(qū)間內(nèi)相交于1978和1980年。由累積距平圖可知,年極端最低氣溫的累積距平在1980年左右存在較大的轉(zhuǎn)折。因此,可確定1980年是年極端最低氣溫的突變點(diǎn)(P<0.01),排除了1978年的干擾點(diǎn)。

夏日的Mann-Kendall曲線(xiàn)呈現(xiàn)出下降—上升交替變化的趨勢(shì),UF和UB曲線(xiàn)相交于1987和1992年,依據(jù)之前的累積距平分析圖,夏日日數(shù)在1986年左右存在巨大轉(zhuǎn)折,可確定突變發(fā)生在1987年(P<0.01)。冰日的變化與夏日相反,呈現(xiàn)上升—下降的變化趨勢(shì),UF和UB曲線(xiàn)相交于1987和1988年,表明1987年左右為突變點(diǎn)(P<0.01)。熱夜總體呈上升趨勢(shì),1987年后UF值超出了置信區(qū)間,表明1987年之后熱夜的上升趨勢(shì)更加明顯,其日數(shù)增加的突變點(diǎn)是1987年(P<0.01)。霜凍的Mann-Kendall曲線(xiàn)呈現(xiàn)先上升再下降的特點(diǎn),且1993年以后下降趨勢(shì)更為明顯,其UF和UB曲線(xiàn)相交于1988年,結(jié)合累積距平圖分析,得出1988年左右是其突變點(diǎn)(P<0.01)?？傮w來(lái)說(shuō),冷指數(shù)和暖指數(shù)的變化趨勢(shì)保持相對(duì)一致。

圖8 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.8 Mann-Kendall analysis of extreme temperature in west Inner Mongolia during 1958-2014

圖9 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.9 Mann-Kendall analysis of absolute indices of extreme temperatures in west Inner Mongolia during 1958-2014

相對(duì)指數(shù)中,冷指數(shù)冷夜和冷日的變化趨勢(shì)相對(duì)一致,大體呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì),冷夜在1982年后下降趨勢(shì)更為明顯,其突變發(fā)生在1980年左右(P<0.01),冷日則在1971—2001年之間下降趨勢(shì)最為明顯,1973年左右是其突變點(diǎn)(P<0.01)。暖指數(shù)的變化趨勢(shì)則與之相反,大體呈先平穩(wěn)變化后大幅上升的趨勢(shì),且在1988年以后上升幅度更大,其突變發(fā)生在1989年左右(P<0.01)。暖日在2005年后上升趨勢(shì)更為強(qiáng)烈,其突變發(fā)生在1997年左右(P<0.01)。

2.6 與其他地區(qū)的比較

內(nèi)蒙古是我國(guó)的內(nèi)陸高原,屬于半干旱地區(qū),四周群山環(huán)繞,距離海洋較遠(yuǎn),為典型的大陸性氣候。全年干旱少雨,且風(fēng)沙較大,冬季寒冷而夏季炎熱,晝夜溫差較大,四季氣候特征明顯。內(nèi)蒙古在降水量遞減、氣溫和太陽(yáng)輻射量逐漸增大的影響下,從東到西分別呈現(xiàn)出溫帶草甸草原、溫帶草原和溫帶荒漠草原的自然景觀(guān)[12],筆者所研究的地區(qū)屬于其西部的溫帶荒漠草原區(qū)。研究區(qū)選取的3個(gè)站點(diǎn)中,阿拉善盟的年平均氣溫為6～8.5 ℃,1月平均氣溫為-9～14 ℃,7月平均氣溫為22～26.4 ℃;巴彥淖爾的年平均氣溫為3.7～7.6 ℃,1月平均氣溫為-15～-11 ℃,7月平均氣溫為20～24 ℃。平均氣溫西部比東部高,南部比北部高。

圖10 1958—2014年內(nèi)蒙古西部極端氣溫相對(duì)指數(shù)的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.10 Mann-Kendall analysis of relative indices of extreme temperatures in west Inner Mongolia during 1958-2014

近60 a來(lái)該地區(qū)氣溫總體呈上升趨勢(shì),高溫日數(shù)增加,低溫日數(shù)減少,各項(xiàng)極端氣溫指數(shù)的變化較為明顯,這與全球氣候變暖的大趨勢(shì)相符。對(duì)比內(nèi)蒙古西部與我國(guó)半濕潤(rùn)區(qū)的極端氣溫(表5)可知,在極端氣溫冷相對(duì)指數(shù)中,內(nèi)蒙古西部地區(qū)的氣溫遞減速率最大,冷夜和冷日的線(xiàn)性?xún)A向率分別為-9.24 和-3.02 d·(10 a)-1;暖相對(duì)指數(shù)中,內(nèi)蒙古西部的增溫幅度也遠(yuǎn)大于關(guān)中平原地區(qū)和北京地區(qū)[13-14],暖夜和暖日的線(xiàn)性?xún)A向率分別為14.37和6.01 d·(10 a)-1,關(guān)中平原地區(qū)和北京地區(qū)的變化幅度較相近?？梢?jiàn)內(nèi)蒙古西部地區(qū)的氣溫變化比半濕潤(rùn)區(qū)更為強(qiáng)烈。

3 結(jié)論

(1)近60 a來(lái),內(nèi)蒙古西部地區(qū)年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、暖夜、暖日、夏日和熱夜呈上升趨勢(shì),冷日、冷夜、冰日和霜凍4個(gè)極端冷指數(shù)呈下降趨勢(shì)。其中暖夜和冷夜的傾向率最大,絕對(duì)值均超過(guò)9 d·(10 a)-1,且極端氣溫暖指數(shù)的變化幅度明顯大于冷指數(shù),內(nèi)蒙古西部地區(qū)發(fā)生極端氣候現(xiàn)象的概率增大。

表5 內(nèi)蒙古西部與我國(guó)半濕潤(rùn)區(qū)極端氣溫相對(duì)指數(shù)的比較[13-14]Table 5 Relative indices of extreme temperatures in west Inner Mongolia and the semi humid region of China

(2)主成分分析結(jié)果得出,占方差貢獻(xiàn)率最大的第1主成分中,暖夜、熱夜和霜凍載荷值較高,表明這3個(gè)指數(shù)對(duì)這一地區(qū)氣溫的總體變化起主要作用。

(3)年極端最高氣溫、年極端最低氣溫、冷夜、暖夜和暖日這5個(gè)指數(shù)均有7和17 a左右的長(zhǎng)周期。從20世紀(jì)70、80年代起,暖夜和暖日又出現(xiàn)了3 a左右的小周期。從小尺度的周期變化來(lái)看,近期2個(gè)暖指數(shù)的出現(xiàn)周期偏多,而冷指數(shù)相對(duì)偏少。

(4)突變分析表明,極值指數(shù)突變發(fā)生在1980年左右,相對(duì)指數(shù)的突變時(shí)間大約發(fā)生在20世紀(jì)80年代到90年代末,絕對(duì)指數(shù)的突變時(shí)間主要發(fā)生在1987年左右。

[1] 《第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》編寫(xiě)委員會(huì).第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告[M].北京:科學(xué)出版社,2011:63-78.[The Writing Committee of the Second National Assessment Report on Climate Change.The Second National Assessment Report on Climate Change[M].Beijing:Science Press,2011:63-78.]

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(責(zé)任編輯：許 素)

Extreme Change in Temperature of West Inner Mongolia in Recent 60 Years.

GUONan1,SHAOTian-jie1,2,3,ZHAOJing-bo1,2

[1.College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi′an 710062, China;2.National Experimental Teaching Demonstration Center of Geography (Shaanxi Normal University), Xi′an 710062, China;3.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi′an 710075, China]

The daily highest and lowest temperature data accumulated during the period from 1958 to 2014 in the 3 meteorological stations in the western region of Inner Mongolia were cited for analysis of 10 extreme temperature indices, using the linear trend method, temperature departure and cumulative anormalies method, Mann-Kendall test, principal component analysis, and Morlet plural wavelet. Results show that: (1) Six of the 10 extreme temperature indices, i. e. annual extreme highest (lowest) temperature, warm day, warm night, summer day and hot night, displayed rising trends, while the other four, i. e., cold day, cold night, freezing day and frosting day, did declining trends; (2) Five indices in the selected study area all exhibited a cycle of 7 and 17 a or so, which reflects that the extreme weather in the region followed a certain rule of variation; (3) Principal component analysis shows that variance contribution rate of the primary principal components reached 53.57%, and the indices, high in load included warm night, hot night and frosting day, which indicates that the three indices play important roles in overall climate change in the region; And (4) Saltation analysis shows that the abrupt changes in the index of extreme value occurred around 1980, while those of relative indices did basically during the period from the 1980s to the end of the 1990s, and those of the absolute indices did mainly in 1987. Extreme temperature changes would bring about droughts to the region and cause desertification of grasslands.

extreme temperature; change trend; change cycle; abrupt change; west Inner Mongolia

2016-07-05

國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作重大項(xiàng)目(41210002);中國(guó)科學(xué)院黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(SKLLQG1428)；陜西 省自然科學(xué)基金(2016JQ4004)；中國(guó)博士后科學(xué)基金(2016M592742)

① 通信作者E-mail: tjshao2010@126.com

X16；P467

A

1673-4831(2017)06-0481-10

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.06.001

郭楠(1993—),女,陜西韓城人,碩士生,主要從事環(huán)境評(píng)價(jià)與治理方面的研究。E-mail: nannan5201215@163.com