1955年—2020年錫林浩特市均一化檢驗及變化特征分析

閆默茹，馬玉峰，楊司琪，劉嘯然，馬 圓

(1.錫林浩特國家氣候觀象臺，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000；2.內(nèi)蒙古氣候中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

全球氣候變暖已變成全球關(guān)注的焦點。IPCC(2013)在第五次評估報告指出[1]，1880年—2012年全球地表平均氣溫約升高0.85℃，近30a中的每個10a均比1850年以來的任何一個10 a都暖?！兜诙螝夂蜃兓瘒以u估報告》指出[2，3]，近百年中國氣溫升高為0.5 ℃～0.8 ℃。馬梓策等[4]提出內(nèi)蒙古近57 a(1960年—2016年)氣溫呈顯著上升趨勢，明顯高于全球年均增溫率，達0.38 ℃/10 a。

錫林浩特市地處內(nèi)蒙古高原北部錫林郭勒草原腹部，是內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，在東北、華北、西北交匯處，屬中溫帶半干旱大陸性氣候，冬季嚴寒而漫長，夏季溫涼而短促，春秋風(fēng)多而且干燥的氣候特征[5]。全市以典型草原為主，地勢北低南高，南部為低山丘陵，北部為平緩的波狀平原，近年來，隨著錫林浩特市城市化進程加快，錫林浩特國家基準氣候站經(jīng)歷過觀測方法改變、儀器變更、周圍環(huán)境變化及遷站等非自然因素的影響，直接采用氣溫觀測資料可能已不能反映出錫林浩特氣溫變化的真實規(guī)律，而均一化資料可以有效排除非自然因素對氣溫變化的影響。因此，對1955年—2020年氣溫資料進行均一化檢驗和訂正，并分析錫林浩特市氣溫的氣候變化趨勢及其與全球變暖的響應(yīng)，對進一步研究和預(yù)測錫林浩特市的氣候變化有重要意義，同時也為生態(tài)環(huán)境保護和防治自然災(zāi)害提供決策依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

筆者選定錫林浩特國家基準氣候站1955年—2020年連續(xù)66 a逐年、逐月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫作為基礎(chǔ)資料，均來源于CIMISS系統(tǒng)。按照氣候季節(jié)劃分標(biāo)準，以3月—5月、6月—8月、9月—11月、12月和次年1月—2月，分別代表春、夏、秋、冬4個季節(jié)。

1.2 研究方法

筆者采用T檢驗方法檢驗長序列氣溫資料的均一性，應(yīng)用線性趨勢法、滑動平均法[6]分析長序列年、季氣溫變化趨勢，采用Mann-kendall法(簡稱M-K法)[7-9]檢驗氣溫突變。M-K法是世界氣象組織推薦應(yīng)用在環(huán)境數(shù)據(jù)時間序列的趨勢分析方法。若UF的值>0，表示序列呈上升趨勢，UF<0表示呈下降趨勢，給定顯著水平a=0.05，則統(tǒng)計量UF和UB在臨界值±1.96之間有一個顯著的交點，且UF隨后上升超過1.96或下降低于-1.96，即認為序列產(chǎn)生了突變。

2 資料的均一性檢驗

錫林浩特國家基準氣候站于2002年由市中心搬遷到東郊，海拔高度增加13.5 m，站址水平向東位移4 km，周邊地形平坦。利用T檢驗法，對錫林浩特國家基本觀測站遷站前后年平均氣溫以及各月的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫序列進行均一性檢驗。

結(jié)果表明，年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均存在顯著差異。月平均氣溫序列1月—2月、4月、10月—2月在遷站前后無顯著差異，3月、5月—9月存在顯著差異；月平均最高氣溫序列1月—2月、4月—6月、10月—12月在遷站前后無顯著差異，3月、7月—9月存在顯著差異；月平均最低氣溫序列1月—2月、4月、8月、10月—12月在遷站前后無顯著差異，其余各月存在顯著差異(見表1)。

表1 錫林浩特市各氣象要素T檢驗 單位：℃

氣候資料訂正。根據(jù)T檢驗結(jié)果，取信度為0.01的均一性檢驗對錫林浩特國家基本觀測站遷站前后存在顯著差異的氣象要素序列進行訂正，本研究運用徐踐[10]等的研究成果進行了訂正。

3 氣溫變化特征

3.1 年平均氣溫變化特征

運用線性趨勢法和10 a滑動平均擬合出錫林浩特市平均氣溫變化趨勢曲線。由圖1可知，錫林浩特市近66 a平均氣溫為2.7 ℃，年際間呈波動變化，總體呈現(xiàn)上升趨勢。對平均氣溫進行線性擬合，一元線性回歸方程為y=0.047 4x+1.097 5(R=0.776 9)，通過了0.05顯著性檢驗，錫林浩特市氣溫上升速率0.474 ℃/10 a，明顯高于全國增溫速率(0.25 ℃/10 a)。從10 a滑動平均趨勢曲線可以看出，在1995年以前距平為負值，1995年之后曲線呈波動上升趨勢，這說明錫林浩特市氣溫在近66 a間經(jīng)歷“冷-暖”2個時期，以1995年為界，20世紀90年代前期為偏冷期，20世紀90年代中期開始轉(zhuǎn)為偏暖期，錫林浩特市氣溫總體呈變暖趨勢。

圖1 1955年—2020年錫林浩特市年平均氣溫變化曲線

3.2 氣溫的季節(jié)變化特征

由圖2可知，錫林浩特市近66 a春、夏、秋、冬四季平均氣溫分別是4.4 ℃、20.0 ℃、3.1 ℃、-14.1 ℃，通過統(tǒng)計分析可知，春、夏、秋、冬4個季節(jié)的平均氣溫序列均通過了信度為0.05顯著性檢驗。4個季節(jié)的氣溫變化趨勢均為正值，說明各季節(jié)氣溫變化特征均有線性上升的趨勢。

(a)春季

由各季平均氣溫變化要素統(tǒng)計表所示(見表1)，春、夏、秋、冬的升溫率分別為0.605 ℃/10 a、0.48 ℃/10 a、0.402 ℃/10 a、0.263 ℃/10 a，由此可知，春、夏的升溫率高于秋、冬季節(jié)，春季升溫率最高，夏季其次，表明氣溫增長趨勢的主要貢獻者是春、夏兩季。從10 a滑動趨勢曲線來看，錫林浩特市近66 a春季平均氣溫變化趨勢與年平均氣溫變化趨勢大致相同，也可以劃分兩個時期，春季平均氣溫在1960年—1991年為偏冷期，1992年—2020年為偏暖期。夏季平均溫度波動性上升，1960年—1995年為偏冷期，1996年—2020年為偏暖期。秋季平均氣溫呈線性上升的趨勢，1960年—1986年為偏冷期，1987年—2020年為偏暖期。冬季平均氣溫均處于-10℃以下，氣溫波動性較大，1960年—1973年為偏冷期，1974年—1988年和2014年—2011年為冷暖交替期，1989年—2020年為偏暖期。

3.3 四季平均最高和平均最低氣溫變化特征

3.3.1 平均最高氣溫的季節(jié)變化特征。經(jīng)統(tǒng)計分析，四季的平均氣溫均通過了a=0.05顯著性水平檢驗。各季節(jié)氣溫變化特征均呈現(xiàn)線性上升趨勢。由圖3可知，錫林浩特市近66 a春、夏、秋、冬平均最高氣溫的氣候變化傾向率分別為0.432 ℃/10a、0.339 ℃/10a、0.195 ℃/10a、0.260 ℃/10a，由此可知，年平均最高氣溫上升趨勢中春、夏兩季成為氣溫增長趨勢的主要貢獻者。從10 a滑動平均趨勢曲線來看，四季的平均最高氣溫與平均氣溫變化趨勢相同，春季1955年—1997年為偏冷期，1998年—2020年為偏暖期；夏季1955年—2001年為偏冷期，2002年—2020年為偏暖期；秋季1955年—1995年為偏冷期，1996年—2020年為偏暖期；冬季在均值附近波動性上升1955年—1979年為偏冷期，1980年—2020年為偏暖期。

(a)春季

3.3.2 平均最低氣溫的季節(jié)變化特征。近66 a錫林浩特市四季平均最低氣溫均呈明顯上升趨勢(見圖4)。春季、夏季、秋季、冬季平均最高氣溫的氣候變化傾向率分別為0.80 ℃/10a、0.61 ℃/10a、0.46 ℃/10a、0.53 ℃/10a。平均最低氣溫春、夏兩季是氣溫增長的主要貢獻者，這與平均最高氣溫一致。從10 a滑動平均趨勢曲線來看，春季1955年—1993年為偏冷期，1994年—2020年為偏暖期；夏季1955年—1997年為偏冷期，1998年—2020年為偏暖期；秋季1955年—1990年為偏冷期，1991年—2020年為偏暖期；冬季波動性上升1955年—1979年為偏冷期，1980年—2020年為偏暖期。

(a)春季

3.4 氣候異常特征

按照世界氣象組織對氣候異常判斷標(biāo)準，即距平≥2倍標(biāo)準差作為氣候異常，介于標(biāo)準差1.5～1.9之間作為接近氣候異常。

從表2可以看出，錫林浩特市年平均氣溫的異常(含接近異常)冷年主要集中在1956年、1957年和1969年，暖年主要集中在2007年、2017年、2014年和2019年。四季均有氣溫異?，F(xiàn)象，其中夏季異常年份最多，春、夏、冬異常冷年主要集中1976年以前，秋季冷年則在2002年前發(fā)生。暖年四季均發(fā)生在1995年至今。按年代來劃分，2000年以來發(fā)生異常的頻次最高(含年異常)共21次，其次是20世紀50年代10次，60年代4次，70、80年代和 90年代均為2次。

表2 錫林浩特市各季平均氣溫變化要素統(tǒng)計

表3 錫林浩特市各季和年平均氣溫異常的年份

4 年平均氣溫變化的檢驗及突變分析

4.1 年平均氣溫的突變分析

由UF曲線可見(見圖5)，錫林浩特市年平均氣溫的1955年—1958年呈下降趨勢(UF<0)，之后1959年—2020年氣溫長時間呈波動性上升趨勢(UF>0)，在1987年之后年平均氣溫穩(wěn)定通過顯著性水平0.05臨界線，說明1987年至今年平均氣溫上升趨勢是顯著的?？傮w而言，近66 a來年平均氣溫有明顯的增暖趨勢。UF和UB曲線之間在1988年有一個交點，但交點在顯著性水平檢驗(a=0.05)的臨界線之外，故錫林浩特市年平均氣溫沒有發(fā)生突變。

圖5 錫林浩特市年平均氣溫M-K突變分析

4.2 年平均最高最低氣溫的突變分析

由M-K突變檢驗可見(見圖6)，年平均最高氣溫(a)和年平均最低氣溫(b)的突變檢驗中均有交點，年平均最高氣溫突變發(fā)生在1994年，但年平均最低氣溫不在顯著性水平檢驗(a=0.05)范圍內(nèi)，所以不存在突變情況。就UF曲線走勢可以發(fā)現(xiàn)1960年—1967年、1997年年平均最高氣溫通過顯著性水平0.05臨界線，年平均最低氣溫在1978年年平均氣溫穩(wěn)定通過0.05顯著性檢驗，說明年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均在1997年，1978年至今上升趨勢是顯著的。

(a)年平均最高氣溫

5 結(jié)論與討論

①1955年—2020年錫林浩特市年和各季平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，年平均氣溫上升速率為0.474 ℃/10a，明顯高于全國的增溫速率(0.25 ℃/10a)。季節(jié)氣溫呈現(xiàn)出明顯升溫的趨勢，其中春、夏季增溫率較明顯。②近66 a錫林浩特市四季平均最高氣溫和年平均最低氣溫四季均呈明顯上升趨勢，春、夏兩季是上升趨勢中的主要貢獻者；從10 a滑動平均曲線可以發(fā)現(xiàn)年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的四季經(jīng)歷了偏冷階段和偏暖階段兩個時期。③氣候異常特征分析結(jié)果：錫林浩特市年平均氣溫的異常(含接近異常)冷年主要集中在1956年、1957年和1969年，暖年主要集中在2007年、2017年、2014年和2019年。四季均可發(fā)生異常，其中夏季異常年份最多。④M-K檢驗分析結(jié)果，近60 a來年平均氣溫雖然未發(fā)生突變，但氣溫有明顯的增暖趨勢。年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均呈增加的趨勢。