大興安嶺林區(qū)1970—2019年積溫的時空變化特征

張 茹，杜金玲，馬秀枝，鄒逸航，郝晨陽，付 宇

（1內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學林學院，呼和浩特 010019；2內(nèi)蒙古呼倫貝爾市氣象局，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008；3內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象臺，呼和浩特 010051）

0 引言

根據(jù)IPCC第五次評估報告，全球平均溫度表面上升了約0.85℃[1]，升高趨勢明顯。界限溫度[2-3]的初始日期、終止日期及積溫變化等對于一個地區(qū)農(nóng)業(yè)及不同方面發(fā)展均呈現(xiàn)出較大影響。中國區(qū)域較大、地域遼闊，氣候變暖對中國不同研究區(qū)產(chǎn)生影響，不同積溫也是反映某地農(nóng)業(yè)熱量資源的重要指標[4-6]，是某特定時段內(nèi)累計平均溫度之和。

積溫在各地及時間上存在較大差異，對生態(tài)環(huán)境及氣候資源具有重要意義。負積溫是冬季寒冷程度的重要指標，是指日平均溫度小于0℃的累計值。負積溫不僅與農(nóng)作物生長有關(guān)，與凍土發(fā)育也有一定程度的關(guān)系。有研究表明[7-9]，負積溫的增加、平均的溫度上升和凍土面積的退化具有一定相關(guān)性，并且不同梯度的負積溫與凍土退化之間的影響程度也不同。在全球變暖的大背景之下，氣候變暖將對積溫產(chǎn)生較大影響，從而對熱量資源及農(nóng)業(yè)發(fā)展產(chǎn)生影響[10-11]，因此對大興安嶺森林地區(qū)熱資源變化特征進行研究是非常有必要的。

在農(nóng)業(yè)上用0、5、10℃作為能夠反映農(nóng)業(yè)活動的界限溫度，界限溫度的初終日、持續(xù)日數(shù)及積溫對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的布局及耕種等均具有很強的指示作用。郝成元等[12]對河南省≥0℃、≥5℃活動積溫變化進行時空分析。蔣嘯等[13]對貴州高原≥10℃積溫時空變化特征進行分析，發(fā)現(xiàn)積溫在1997 年發(fā)生了由冷到暖的突變。王媛媛等[14]在溫帶隴東地區(qū)進行分析得出積溫呈顯著上升趨勢。劉實等[15]得出東北地區(qū)積溫持續(xù)天數(shù)顯著增加。李碩等[16]得出≥0℃積溫持續(xù)天數(shù)的增加由終日推遲引起，而≥10℃積溫天數(shù)的增加主要是因為初日提前。王鶴齡等[17]研究得出研究區(qū)負積溫也呈現(xiàn)升高趨勢，農(nóng)業(yè)氣候資源表現(xiàn)為降雨量減小、干燥度增加等趨勢。各地研究人員對氣候變化的趨勢進行了大量研究分析，但缺少大興安嶺東部等地區(qū)的研究分析以及界限溫度相互關(guān)系的研究。筆者為了更有效地研究大興安嶺森林地區(qū)熱量資源及凍土退化影響關(guān)系，對該地區(qū)不同梯度正積溫(≥0℃、≥5℃、≥10℃)及負積溫(＜0℃、≤-5℃、≤-10℃)的時空變化特征進行研究分析。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)位于中國內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部[18]（圖1），地處中國高緯地帶，南北跨7個緯度，地域遼闊，是中國最大的集中連片國有林區(qū)，森林覆蓋率平均為80.5%，部分地區(qū)達91%。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

1.2 數(shù)據(jù)選取及研究方法

選取內(nèi)蒙古大興安嶺森林地區(qū)1970—2019 年11 個氣象站點的逐日平均溫度氣象數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)資料由內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象局提供。11 個站點城市人口均在20 萬人以下，城市化進程較小，受城市熱島效應較小[19]。運用線性趨勢分析對日平均溫度的時間序列進行線性分析，氣候傾向率為正，表示氣候要素隨時間增加而增多，反之呈線性減少趨勢。采用5 日滑動平均法來確定積溫的初始日期及終止日期，初終日期之間穩(wěn)定通過界限溫度的天數(shù)即為積溫持續(xù)日數(shù)，其中穩(wěn)定通過界限溫度的累計和即為積溫；運用曼-肯德爾檢驗(Mann-Kendall)法對時間序列的各氣象（氣候指標）等因子進行突變檢驗，目前這種方法在氣象、水文等研究領(lǐng)域已被廣泛運用。當UF和UB超過臨界值，說明上升或下降的趨勢明顯，超出臨界值的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域，當UF和UB2 條曲線出現(xiàn)交點時，且交點落在臨界線以內(nèi)，那么交叉點所對應的時刻便是突變開始的時間。運用MK 小波分析繪小波譜分析圖，采用反距離插值方法，基于ArcGIS 平臺對積溫空間變化特征進行分析[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 初終日期及持續(xù)日數(shù)

2.1.1 正積溫初終日期及持續(xù)日數(shù) 正積溫（圖2）初始日期呈現(xiàn)出提前趨勢，終止日期呈現(xiàn)出波動式推遲的趨勢，推遲趨勢較為平緩?！?℃積溫（圖2a）初日最早出現(xiàn)在3 月22 日（2014、2018 年），50 年來初日提前了32 d，趨勢明顯。終日最晚出現(xiàn)在11月1日（2005年），延后趨勢明顯，推遲了25 d?！?℃積溫（圖2b）初日最早出現(xiàn)在4月5日（2009年），氣候傾向率為-1.437℃/10 a。終日延后趨勢不顯著。1992—1998年終日推遲40 d。終日最晚出現(xiàn)在10 月12 日（1990、1998、2011 年），氣候傾向率為0.619℃/10 a，終日延后趨勢不顯著。≥10℃初日（圖2c）最早出現(xiàn)在4月22日（2014年），氣候傾向率為-2.846℃/10 a。大興安嶺林區(qū)積溫持續(xù)日數(shù)變化趨勢受初日提前、終日推遲的共同影響，正積溫持續(xù)日數(shù)呈現(xiàn)出波動延長的趨勢。1986—1990 年≥0℃積溫持續(xù)日數(shù)明顯持續(xù)上升，增加幅度為40 d。1995—1998年初終日間天數(shù)明顯持續(xù)上升，增加幅度為31 d，氣候變化傾向率為2.695℃/10 a?！?0℃積溫的持續(xù)日數(shù)氣候變化傾向率為3.723℃/10 a，2011—2012年初終日間天數(shù)明顯上升，增加幅度為22 d。

圖2 大興安嶺林區(qū)不同界限溫度積溫初終日期及其天數(shù)變化

2.1.2 負積溫初終日期及持續(xù)日數(shù) 初終日期均在20世紀80年代呈現(xiàn)波動式大幅度推遲趨勢。＜0℃負積溫初始日期（圖2d）最早出現(xiàn)在1997年的10月5日，在1980—1990年呈現(xiàn)波動式大幅度推遲趨勢，推遲日數(shù)為24 d。在2016—2018 年呈現(xiàn)出小幅度推遲趨勢，推遲日數(shù)為19 d。終日最晚出現(xiàn)在1985年的4月20日。終日在1985—1989年、2012—2013年呈提前趨勢，終日最長提前日數(shù)為34 d?！?5℃負積溫初日（圖2e）最長推遲日數(shù)為35 d。初日最早出現(xiàn)在10 月18 日（1974年），終日最晚出現(xiàn)在4月10日（1979年）?！?10℃負積溫初日（圖2f）最大變化幅度為31 d。負積溫持續(xù)日數(shù)在1985—1990年、2010年后持續(xù)日數(shù)明顯縮短。＜0℃負積溫（圖2d）最大減少幅度為33 d?！?5℃負積溫日數(shù)（圖2e）最長的是161 d，出現(xiàn)在1979 年，最短的是116 d，出現(xiàn)在2015年。最大減少幅度為35 d?！?10℃負積溫日數(shù)（圖2f）最大減少幅度為34 d。

2.2 積溫的時間變化趨勢

2.2.1 不同界限溫度正積溫變化趨勢1970—2019 年大興安嶺林區(qū)全年≥0℃積溫（圖3a）的多年平均值為2460.4℃，積溫在2100～2800℃之間浮動，上升傾向率為86.125℃/10 a，在21世紀00年代后期升高的趨勢明顯，2018 年的累年平均積溫為研究區(qū)歷年最高值，達到2756.5℃，最小值為1972 年，積溫為2150.5℃，兩者溫度相差達到606℃，說明研究區(qū)≥0℃積溫的年際變化幅度大。積溫在1995—1998 年有明顯的持續(xù)性上升期，增加變幅為248.94℃?！?℃積溫（圖3b）的多年平均值為2344.12℃，積溫在2000～2700℃之間浮動，上升傾向率為86.985℃/10 a，≥5℃積溫≤2344℃的年份有27年，其中除2003年外，1996—2019年期間積溫都在2300℃以上。≥10℃積溫（圖3c）在1970～2400℃之間浮動，上升傾向率為92.984℃/10 a，在1995—1998年有明顯的持續(xù)上升期，變幅為223.9℃。

圖3 大興安嶺林區(qū)不同界限溫度積溫及距平年際變化特征

2018 年全省累年平均積溫2387.3℃，為研究區(qū)歷年最高值，最小值在1972年，為1673.8℃，兩者溫度相差達到713.5℃。正積溫最小值均在1972年，≥10℃積溫溫度差年際變化幅度達到713.5℃?！?℃積溫、≥10℃均在20世紀70年代持續(xù)性下降，≥10℃積溫在21世紀00年代下降波動明顯，均通過0.01水平的顯著性檢驗。正積溫距平均在1970—1987 年為負距平，2004—2019年為正距平，1988—2003年積溫距平以振蕩為主，其中最大負距平出現(xiàn)在1972年，≥0℃、≥5℃積溫距平在2018年，≥10℃積溫距平在2007年數(shù)值最大。

2.2.2 不同界限溫度負積溫變化趨勢＜0℃積溫（圖3d）的多年平均值為-2618.48℃，在-3200～-2100℃之間浮動，上升傾向率為58.414℃/10 a，在年際變化序列中，2001年全省累年平均積溫-2618.48℃，為研究區(qū)歷年最高值，最小值為1976 年，為-3178.61℃，兩者溫度相差達到995.98℃?！?5℃積溫（圖3e）的多年平均值為-2533.46℃?！?5℃負積溫在-3100～-2100℃之間浮動，上升傾向率為58.869℃/10 a?！?10℃積溫（圖3f）的多年平均值為-2307.23℃，在年際變化序列中，2018年全省累年平均積溫-2049.66℃，為研究區(qū)歷年最高值，最小值為1976 年，為-3098.19℃，兩者溫度相差達到1048.53℃?！?10℃負積溫在-2900～-1700℃之間浮動，上升傾向率為48.569℃/10 a。＜0℃、≤-5℃積溫通過0.05 水平的顯著性檢驗。在年際變化序列中，2018年全省累年平均積溫-1783.37℃，為研究區(qū)歷年最高值，最小值在1976 年，為-2925.41℃，兩者溫度相差達到1142.04℃?！?10℃負積溫在1997—2000 年、2006—2009 年、2014—2017 年有明顯的下降，最大變幅為746.1℃。≤-10℃積溫未通過0.05 水平的顯著性檢驗。≤-5℃、≤-10℃積溫變化相對一致，2018年為研究區(qū)歷年最高值，最小值為1976 年。＜0℃積溫在2001年全省累年平均積溫為2618.48℃，為研究區(qū)歷年最高值，≤-10℃積溫高低差值最大。負積溫均在2007—2009 年有明顯的下降，2000—2001 年、2012—2014 年有明顯的上升，＜0℃、≤-10℃積溫在1997—2000年有明顯的下降，≤-5℃、≤-10℃負積溫在2014—2017 年有明顯的下降。其中變幅最大為≤-10℃負積溫，變幅為746.1℃，在1976—1978年有明顯的上升期，最大變幅為880.97℃。1970—1987年≤-5℃、≤-10℃負積溫為負距平，1988—1997年大體為正距平，＜0℃負積溫距平從1988年持續(xù)到2007年基本為正距平，其中最大負距平-618.18℃，最大正距平523.85℃，≤-5℃、≤-10℃負積溫距平在1998—2012 年以振蕩為主。代際變化如表1 所示，各年代均呈現(xiàn)升高趨勢，20 世紀70 和80 年代均低于多年平均值，以20 世紀70 年代最少。從21世紀00年代開始積溫值明顯高于多年平均值，21世紀00年代達到最高值。≤-10℃負積溫在20世紀90年代達到最高值。

表1 大興安嶺林區(qū)積溫年代際變化特征 ℃

2.3 積溫突變分析

2.3.1 正積溫突變分析 如圖4a，UF線在1987 年之前大體呈起伏波動狀，UF線和UB線于1994 年出現(xiàn)交點，交點在置信區(qū)間外，說明穩(wěn)定通過0℃的積溫在1993 年熱量條件經(jīng)歷了一次顯著提高的過程并且通過0.05水平顯著性檢驗。積溫突變后(2590.82℃)較突變前(2391.66℃)增加199.15℃，突變分析與積溫距平變化一致，1994 年之后積溫顯著上升。如圖4b，UF、UB線交匯于1994年附近，說明穩(wěn)定通過5℃的積溫在1994 年熱量條件經(jīng)歷了一次顯著提高的過程并且通過0.05 水平顯著性檢驗，在1995 年前上下波動較大。如圖4c，UF、UB線交匯于1994 年附近，說明穩(wěn)定通過10℃的積溫在1994 年熱量條件經(jīng)歷了一次顯著提高的過程并且通過0.05水平顯著性檢驗。

圖4 大興安嶺林區(qū)不同界限溫度積溫突變分析

2.3.2 負積溫突變分析 如圖4d，UF和UB線在置信區(qū)間內(nèi)存在多個交點且波動明顯，在1981—1984 年間，說明＜0℃負積溫在該時間范圍內(nèi)突變顯著。如圖4e，UF與UB線交于1988年，1987年之前波動明顯，突變后顯著上升，UF線于1993 年越過臨界值(1.96)，說明≤-5℃負積溫在1988年熱量條件顯著提高并且通過0.05 水平顯著性檢驗。如圖4f，UF和UB在臨界直線內(nèi)2 條統(tǒng)計量存在多個交點。在1982—1987 年間，說明≤-10℃負積溫在該時間范圍內(nèi)積溫量變動復雜。

2.4 積溫的年際周期性變化

將研究得到時間序列做小波譜分析，結(jié)果如圖5所示，大興安嶺林區(qū)1970—2019年≥0℃積溫時間序列在2 年尺度內(nèi)的變化波動顯著，2004—2008 年通過了0.05 顯著性水平檢驗（以下簡稱“檢驗”），準1 年譜在1975—1983 年間最強，并通過檢驗，其余時段內(nèi)不明顯。2～4 年譜在1975—1995 年和1997—2019 年，但是在1982 年之前和2008 年之后未通過0.05 顯著性水平?！?℃積溫時間序列在2 年尺度內(nèi)的波動較明顯，1975—1983 年、1986—1988 年、2000—2008 年均通過了0.05 顯著性水平的檢驗。準14 年尺度的變化周期持續(xù)50 年，但未通過檢驗。≥10℃積溫時間序列在2年譜在1985—1988 年均通過了0.05 顯著性水平的檢驗。準1 年譜在1975—1983 年和1985—1988 年均通過了0.05顯著性水平的檢驗。3～7年譜在1975—1998年時段較為明顯，但未通過0.05 顯著性水平。8 年以上尺度的周期都不顯著。＜0℃積溫時間序列但16年譜存在波動?！?5℃積溫時間序列在準2 年尺度的波動較明顯，且這些周期的強度均隨著時間變化，但在1977年之前2010年之后未通過檢驗。準18年尺度的變化周期貫穿整個49年，但未通過檢驗?！?10℃積溫時間序列在2 年尺度內(nèi)的波動較明顯，1977—2010 年均通過了0.05顯著性水平的檢驗。準3年譜在1975—1985 年和1993—1998 年時段較為明顯，但1980 年前未通過0.05顯著性水平。

圖5 大興安嶺林區(qū)不同界限溫度積溫小波譜周期化

2.5 積溫的空間分布特征

正積溫如圖6 所示，大興安嶺林區(qū)的西北部區(qū)域積溫整體＜2000℃，積溫最低點位于圖里河，分別受緯度位置和海拔高度的影響，緯度相差較小情況下，僅阿爾山站點海拔大于800 m，即高程決定積溫變化，阿爾山緯度較低，但積溫因受海拔高度影響而減少。積溫≥2600℃的區(qū)域主要分布在東南部，最高值出現(xiàn)在阿榮旗。≥0℃（圖6a）積溫分布變化在1935.55～3035.53℃之間。其中最高點阿榮旗最高值與最低值圖里河之間相差1099.98℃?！?℃（圖6b）積溫分布變化在1814.5～2936.40℃之間。阿榮旗與圖里河之間相差1122.35℃。其中大于2000℃小于2300℃所占區(qū)域的面積最大。大于2900℃所占區(qū)域的面積最小?！?0℃（圖6c）積溫分布變化在1475.42～2645.22℃之間。其中最高點阿榮旗最高值與最低值圖里河之間相差1169.80℃。呈現(xiàn)由南向北逐漸降低的趨勢，具有明顯的緯度性。

圖6 大興安嶺林區(qū)不同界限溫度積溫空間分布圖

負積溫＜-3000℃的區(qū)域主要分布在大興安嶺林區(qū)的西北部，積溫最低點位于圖里河，受緯度位置和海拔高度的影響，阿爾山緯度較低但海拔較高所以積溫較小。積溫≥-1700℃的區(qū)域主要分布在東南部，其中索倫緯度最低但海拔高于扎蘭屯，所以最高值出現(xiàn)在扎蘭屯。＜0℃（圖6d）積溫分布變化在-3416.87～-1718.8℃之間。積溫最高點扎蘭屯與最低值圖里河之間相差1698.00℃?！?5℃（圖6e）積溫分布變化在-3336.43～-1625.06℃之間。其中最高點扎蘭屯最高值與最低值圖里河之間相差1711.37℃。其中大于-3300℃、小于-2900℃所占區(qū)域的面積最大，大于-3600℃、小于-3300℃所占區(qū)域的面積最小。其中最高點阿榮旗最高值與最低值圖里河之間相差1818.2℃。

3 結(jié)論

利用內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)11 個氣象站點1970—2019年逐日平均氣溫資料，分析該林區(qū)積溫特征變化。

（1）1970—2019 年大興安嶺林區(qū)≥0℃、≥5℃、≥10℃的正積溫初日提前、終日推后；＜0℃、≤-5℃、≤-10℃的負積溫呈相反趨勢。正積溫持續(xù)日數(shù)由于受初日提前、終日推遲的共同影響呈現(xiàn)延長趨勢；負積溫相反。其中≥10℃積溫初日及持續(xù)日數(shù)氣候傾向率變幅波動最大，≤-5℃積溫終日變幅最大。

（2）從時間上看，不同界限溫度積溫變化幅度不同，但整體呈升高趨勢。正積溫增加幅度明顯，負積溫整體波動式小幅度增加，各站點與全站變化趨勢整體基本一致。負積溫距平以正距平為主，負積溫距平較正積溫距平振蕩波動大。積溫年代際變化呈升高趨勢，20世紀70年代積溫最少。

（3）1970—2019年大興安嶺林區(qū)正積溫均在1994年前后發(fā)生突變，后期顯著上升，并且通過0.05水平顯著性檢驗。負積溫均存在多個突變時間點，在20世紀80年代間，UF線呈升降起伏的波動趨勢。

（4）積溫的年際周期性變化在20世紀80年代波動顯著，這說明1980年以后大興安嶺林區(qū)1970—2019年積溫變化加大。

（5）內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)不同界線溫度積溫在空間分布上均受緯度升高影響而減小，隨著緯度升高積溫由東南向西北逐步減少，具有明顯的緯度性，其中阿爾山雖緯度較低，但其積溫因受海拔高度影響而減少。

4 討論

筆者對大興安嶺林區(qū)積溫研究結(jié)果呈現(xiàn)出整體為上升的趨勢，氣候變暖將會對中國的生態(tài)、經(jīng)濟及生產(chǎn)生活產(chǎn)生影響，積溫變化研究將對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)起到指示作用[21]，因此，積溫變化研究受到廣泛關(guān)注與重視[22]，1961—2010年東北地區(qū)氣溫上升，農(nóng)業(yè)熱量資源是影響東北三省糧食作物生長的主要因素，可在充分利用氣候資源的同時確保該區(qū)農(nóng)作物產(chǎn)量保證。寧夏在1961—2013 年間氣候總體變暖[23]，極端氣候事件頻發(fā)導致氣候波動加劇，越冬作物冬季低溫凍害嚴重。因此，應合理利用農(nóng)業(yè)氣候資源，積極應對氣候變暖對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。

有研究提出[24]，在20世紀80年代中期大興安嶺負積溫發(fā)生顯著變化，出現(xiàn)由低到高的冷暖期突變，這與本研究負積溫突變分析以及小波分析結(jié)論一致。有研究得出中國整體負積溫變化趨勢具有緯向和垂直地帶性規(guī)律[25]，與本研究得出結(jié)果相同，負積溫隨海拔和緯度升高而逐漸增大。研究表明[7,26]，東北地區(qū)負積溫各地整體呈上升趨勢，研究通過對多年凍土進行研究分析，負積溫研究結(jié)果均呈增加趨勢，凍土退化由南向北逐漸減少，兩者具有一致變化性。這與本研究積溫增溫、由南向北逐漸降低具有良好一致性。外界環(huán)境的變化對林區(qū)多年凍土影響較大，研究區(qū)各地應該根據(jù)凍土退化和負積溫變化趨勢的關(guān)系，采取有效措施促進經(jīng)濟與生態(tài)的發(fā)展[27-30]。