内蒙古地区1960-2016年气温和降水特征及突变

马梓策, 于红博,2, 张巧凤,2, 曹聪明

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院, 呼和浩特 010022;2.内蒙古师范大学 遥感与地理信息系统重点实验室, 呼和浩特 010022)

全球气候变化已经受到国际社会的广泛关注。IPCC第五次评估报告[1]指出：全球地表温度持续上升，1880—2012年全球均温已升温0.85±0.20℃，1885—1990年均温和2003—2013年均温相差0.78±0.06℃，全球均温到2016—2035年期间相较于1986—2005年，可能增温0.3～0.7℃。大量研究结果表明，中国地区气候变化与全球气候变化的总体趋势相同，但是气候变化存在明显的区域差异[2-5]。1961—2010年中国气温增温率约为0.30℃/10 a，约是全球年均温增温率的2.5倍，而中国北方地区是近几十年来增温最显著的地区之一[1-2]。

内蒙古位于中国北部，横跨东北、华北和西北三大区域，全区气候特征具有明显的区域差异，干旱半干旱地区约占全区面积的80%，是最易受气候变化影响的地区之一[6]。其次，气温上升和降水的变异性增强，极端干旱事件频繁发生，干旱区域进一步扩大，从而导致草地生产力下降，这对畜牧业的可持续发展显然不利，然而内蒙古蕴含着巨大的畜产资源，是中国最大的畜牧业养殖基地。近些年来，内蒙古气候变化已经展开了不少研究，研究结果显示内蒙古气温呈增加趋势，降水量呈减少趋势[6-7]。大多数现有研究主要关注气候变化对草原典型植物的物候和生产力的影响、气候变化对农牧业的影响[8-11]。这些研究对于正确认识内蒙古气候变化规律具有重要意义，然而多数研究均是针对单一气象要素，很少进行区域和季节的划分，此外选择的气象站数和气象要素数据集的长度也不尽一致。

本文以内蒙古45个气象站1960—2016年的月均温和月降水量数据为基础，采用线性倾向估计、累积距平、滑动t检验、Mann-Kendall法和小波分析等方法，研究内蒙古气温和降水量变化特征和突变现象，并且讨论气候变化对内蒙古地区的影响。这对认识干旱半干旱地区气候变化规律，对保护和建设内蒙古生态环境具有非常重要的现实意义。

1 数据来源及研究方法

1.1 研究区概况

内蒙古地处中国北部，包括9个地级市和3个盟(呼和浩特、包头、乌海、赤峰、通辽、鄂尔多斯、呼伦贝尔、乌兰察布、巴彦卓尔、兴安、锡林郭勒和阿拉善)，占地面积为11.83×105 km2。地理位置位于37°24′—53°23′N，97°12′—135°02′E，南北纵跨近15°，东西横跨近38°。内蒙古气候属于干旱、半干旱气候向东南沿海湿润、半湿润季风气候的过渡带，植被类型从东北到西南依次为森林、草原、荒漠，且该区大部分植被处于干旱、半干旱的农牧交错地区，生态环境十分脆弱，从而成为对全球变化响应最为敏感的地区之一。

1.2 数据来源及处理

气象数据为国家气象科学数据共享服务平台提供的内蒙古1960—2016年的月均温和月降水量数据。为保证各气象站点的数据同步性和具有较长的观测，建站时间为1960年以后的气象站以及缺测数据太多的气象站点被剔除，最终选取内蒙古地区45个气象站点(图1)。

然后对45个气象站的月均温和月降水量数据按照区域、季节和年进行整理，气象站缺失数据采用邻近站点的观测数据用多元线性回归进行插补。根据相关文献[12-14]，按照东部(呼伦贝尔、通辽、赤峰和兴安盟)、中部(乌兰察布、包头、呼和浩特和锡林郭勒盟)和西部(乌海、巴彦卓尔、鄂尔多斯和阿拉善盟)对研究区进行划分；按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12-翌年2月)对气温数据进行划分；按照雨季(6—8月)，其余月份为非雨季对降水量数据进行划分，并分区域对气温和降水量数据进行汇总，分析两种气象要素的年际变化趋势和突变特点。

1.3 研究方法

本文采用多种统计方法分析了内蒙古地区45个气象站1960—2016年气温和降水量月、季和年尺度时间序列的变化趋势、突变特点和变化周期。使用方法介绍如下。

图1 内蒙古自治区45个气象站点分布

趋势分析：采用线性倾向估计和累计距平分析来描述气温和降水的年际变化趋势，利用SPSS中的配对样本T检验，来判断其变化趋势的显著性。然后通过径向基函数插值法(RBF)来研究内蒙古地区气候变化的空间分异，采用该插值方法的主要原因是该方法比反距离权插值法(IDW)相对稳健，当采样点数据具有很大的确定性时，此方法误差较低；而IDW更多情况上适用于山区或者降水站点不是很密集的地区，与研究区实际情况不符，因此选择RBF更加适合该地区的研究[15]。

突变监测：采用Mann-Kendall法、滑动t检验和累积距平对全区及3个子地区年均温和年降水量进行突变检测，3种方法交叉验证能够提高其检验的精度。当其中一种方法与另外两种方法不一致时，以少数服从多数的原则确定突变年份；当3种方法检验结果均不一致时，取中间值作为其突变年份。其中，采用Mann-Kendall法和滑动t检验时，显著水平均设为0.05。

变化周期：小波分析是傅里叶分析方法的突破性进展。在气象序列分析中，通过傅里叶变换可以显示出不同时间尺度的气象序列的相对贡献度，而小波变换不仅可以显示出气象序列变化的尺度，还可以显现出变化的时间和位置[16]。利用MATLAB小波工具箱中的复Morlet小波分析来分析气温和降水量的周期变化规律，并在小波分析前进行边界效应的消除或减弱，以消除其带来的影响[17]。

2 结果与分析

2.1 气温与降水量的年际变化

1960—2016年内蒙古年均温呈增加趋势(表1，图2)，配对样本t检验结果为p<0.01，说明其增加趋势显著。具体来说，1960—2016年内蒙古年均温在2.10～5.82℃，年均温在波动中逐渐上升，增温率为0.38℃/10 a，明显高于全球年均温增温率0.12℃/10 a[1]。内蒙古四季均温均呈上升趋势，其中冬季气温增温率最大；夏季增温率最小。区域上，1960—2016年东部、中部和西部年均温分别为2.47℃，3.67℃和7.91℃；3个子地区与内蒙古年、四季均温变化一致，呈现上升趋势，其中，东部增温率最小；中部次之，西部增温率最大，主要由于西部冬季增温率最高，对年值增温贡献率最大。

研究区四季均温均呈显著上升趋势，冬季气温增温率最大，对全区年均温上升贡献度最明显，而夏季均温增温率最小，这与人类活动导致温室气体排放量增加息息相关[13]；而内蒙古东部春季气温增暖率高于冬季气温增暖率，其主要原因是与中部和西部相比，东部气温偏低，供暖结束时间和植物返青期推迟，森林的碳汇作用相对较晚[18-19]。此外，研究区春季和冬季均温升高幅度较大，对研究区降雪日数、积雪日数和积雪深度产生了一定的影响[20]。

表1 内蒙古气温年值、四季平均值年际线性变化增温率

注：表中值均为P(sig)<0.01极显著相关。

图2 内蒙古年均温变化趋势

1960—2016年内蒙古年降水量呈增加趋(表2，图3)，配对样本t检验结果为p>0.05，说明其增加趋势不显著。具体来说，1960—2016年内蒙古年降水量在216.30～431.33 mm，年降水量呈现波动上升趋势，倾向率为0.47 mm/10 a。其中，东部、中部和西部年均降水量分别为383.89 mm，271.24 mm和162.49 mm；东部降水量呈减少趋势，中部、西部降水量均呈增加趋势，与李鹏飞等[21]《近50 a中国干旱半干旱地区降水量与潜在蒸散量分析》研究结果相一致。此外，东部、中部和西部雨季降水量均呈减少趋势，对年降水量减少贡献度最大，其中东部减少量最大；中部次之；西部减少量最小；非雨季降水量均呈增加趋势，对年降水量增加贡献度最大，其中东部增加量最大；中部次之；西部增加量最小。

总之，研究区气候变暖，雨季降水量减少，对内蒙古地区雨季干旱化程度增加、生物多样性减少、草原退化和植被生产力下降等方面产生较大的影响；气候变暖，非雨季降水量增加，导致内蒙古地区植物春季物候期提前，秋季物候期推迟，生长季延长，生长季活动振幅增大[8-11,22]。

2.2 气温与降水量的年代际变化

1960—2016年内蒙古年代际变化呈现出明显的增温趋势(表3)，1960—1969年、1970—1979年和1980—1989年偏冷，但气温已经明显呈现上升趋势，1990—1999年开始变暖，之后气温逐年升高，且增温幅度不断增加，直到2010—2016年增温幅度略有下降。季节气温年代际变化与全年年代际变化呈现出相同的趋势，偏冷期与转暖的时间相一致。

表2 内蒙古降雨量年值、季平均值年际线性变化率

注：**为极显著相关，*为为显著相关，其余为不显著相关。

图3 内蒙古年降雨量变化趋势

表3 内蒙古季节、年气温累积距平年代际变化 ℃

1960—2016年内蒙古降水量年代际变化趋势不明显(表4)，整体上呈现增加的趋势，其中1960—1969年、1980—1989年和2000—2009年属于降水偏枯的年代，1970—1979年、1990—1999年和2010—2016年属于降水偏丰的年代；降水最少的年代为2000—2009年，降水量最多的年代为1990—1999年。雨季降水量呈现出先增加后减少的趋势，而非雨季降水量呈现出先减少后增加的趋势。

表4 内蒙古季节、年降水量距平年代际变化

2.3 气温与降水量的空间变化

采用ArcGIS中的RBF对内蒙古45个气象站的气温和降水量变化的年、季回归系数进行空间插值(图4，图5)。由图4可知，1960—2016年内蒙古年均温与秋季、冬季气温增温率的空间变化规律一致：增温率自西向东递减；增温率较大的区域为中部和西部，升温中心位于巴音毛道和临河；增温幅度较小的区域为东部，其中位于赤峰市和通辽市交界处的宝国图为增温率最小地区。春季、夏季增温率的空间变化特征为自东北向西南呈现波动下降的趋势，且增温率最小的区域均为赤峰市南部。总体来说，内蒙古年均温和增温率二者分布规律大致相同，即：东部<中部<西部。

图4 内蒙古季、年气温增温率的空间分布

由图5可知，1960—2016年内蒙古年降水量与雨季降水量倾向率的空间变化规律基本一致：倾向率自西向东呈现出增—减—增的趋势；倾向率较大的区域为东部的呼伦贝尔和西部，降水量增加幅度最大的区域位于扎兰屯；倾向率较小的区域为东部的赤峰市和通辽市以及中部，其中降水量减少幅度最大的区域位于翁牛特旗。非雨季降水量倾向率没有明显的空间规律；倾向率较大的区域位于呼伦贝尔南部和中部偏南，降水量增加幅度最大的区域位于扎兰屯；倾向率较小的区域为呼伦贝尔北部，其中图5B的45个气象站降水量倾向率均为正值，降水量增加幅度最小的区域位于满洲里。

2.4 年平均气温和年降水量的突变检测

结合Mann-Kendall法、滑动t检验和累积距平3种突变监测方法的特点，最终确定内蒙古3个子地区年均温、四季均温、年降水量和两季降水量的突变年份(表5，表6)。由表5可知，用3种方法对年均温进行突变检测，得到的年份较为吻合，全区年均温突变发生在1987年，3个子地区中，西部年均温突变年份提前。四季气温突变年份中春季、冬季差异较大，夏季和秋季气温突变年份不尽相同：春季气温突变年份集中在十九世纪80年代末到90年代中期；夏季突变年份集中在1993年和1996年；秋季气温突变年份发生在80年代中期；冬季气温突变时间较早，集中在80年代初到80年代中期。

表5 内蒙古3个子地区年均温和四季气温突变年份

注：**表示3种突变检测结果均不同；*表示两种突变检测结果相同；其他均为3种突变检测结果相同。

与气温不同，内蒙古3个子地区年降水量和四季降水量均发生由丰水到枯水、枯水到丰水的两次突变(表6)。由表6可知，内蒙古年降水量在1998—1999年发生由丰水到枯水、2011—2012年发生由枯水到丰水的两次突变，该地区降水量的突变年份区域差异比较明显：其中，东部和中部的由丰水到枯水的突变年份与全区一致，西部相对于全区突变年份提前；而西部枯水到丰水的突变年份与全区一致，东部和中部相对于全区突变年份提前。两季降水量突变年份中，雨季降水量由丰水到枯水的突变年份与全区年降水量一致，而枯水到丰水的突变年份除东部外，其余相对于全区均提前；非雨季降水量的两次突变均与全区年降水量突变年份差异较大。

图5 内蒙古年、季降水量倾向率的空间分布

区域全年丰水到枯水枯水到丰水雨季丰水到枯水枯水到丰水非雨季丰水到枯水枯水到丰水内蒙古1998—1999年*2011—2012年*1998—1999年1971—1972年*1994—1995年**2009—2010年东部1998—1999年1982—1983年*1998—1999年1982—1983年1977—1978年**1999—2000年*中部1999—2000年*1989—1990年*1999—2000年*1965—1966年*1961—1962年*1969—1970年*西部1961—1962年*2011—2012年*1998—1999年*1972—1973年*1971—1972年**2000—2001年*

注：**表示3种突变检测结果均不同；*表示两种突变检测结果相同；其他均为3种突变检测结果相同。

2.5 气温和降水的周期变化分析

图6A为1960—2016年内蒙古年均温小波变换系数的实部等值线图，正值代表气温偏高，负值代表气温偏低，小波系数为0时，对应着突变点。由图6A可知，内蒙古经历了5次冷暖交替过程。由图6B可知，年均温的小波方差在2 a，6 a，10 a和15 a处存在极大值，可以判断内蒙古年均温变化以15 a的周期为最强，此外，还存在2 a，6 a和10 a的尺度变化周期。

提取最强周期15 a的小波系数进行作图，得到内蒙古年均温变化的主周期小波系数过程线图6C。由图6C可知，内蒙古年均温相对偏高的年份有：1960—1962年、1968—1973年、1979—1982年、1988—1991年、1997—2001年、2006—2010年和2016年；年平均气温相对偏低的年份为：1963—1967年、1974—1978年、1983—1987年、1992—1996年、2002—2005年和2011—2015年。内蒙古年均温的突变年份为：1962—1963年、1967—1968年、1973—1974年、1978—1979年、1982—1983年、1987—1988年、1991—1992年、1996—1997年、2001—2002年、2005—2006年、2010—2011年、2010—2011年和2015—2016年。结合前述3种突变检测方法，确定内蒙古年均温的最终突变年份为1987年。

图7A为1960—2016年内蒙古年降水量小波变换系数的实部等值线图，正值代表降水量偏多，负值代表降水量偏少，小波系数为0时，对应突变点。由图7A可知，内蒙古经历了8次丰枯交替过程。由图7B可知，年降水量小波方差图显示，在2 a，8 a和11 a处存在极大值，可以判断内蒙古年降水量变化以11 a的周期为最强，此外，还存在2 a和8 a的尺度变化周期。

图6 内蒙古年平均气温小波分析

提取最强周期11 a的小波系数进行作图，得到内蒙古年降水量变化的主周期小波系数过程线图7C。由图7C可知，内蒙古年降水量相对偏丰的年份为：1960—1961年、1966—1971年、1976—1979年、1983—1986年、1990—1992年、1997—1999年、2004—2006年和2011—2014年；年降水量相对偏枯的年份为：1962—1965年、1972—1975年、1980—1982年、1987—1989年、1993—1996年、2000—2003年、2007—2010年和2015—2016年。内蒙古年降水量突变年份为：1961—1962年、1965—1966年、1971—1972年、1975—1976年、1979—1980年、1982—1983年、1986—1987年、1989—1990年、1992—1993年、1996—1997年、1999—2000年、2003—2004年、2006—2007年、2010—2011年和2014—2015年。结合前述3种突变检测方法，确定内蒙古年降水量最终突变年份为1999年和2011年。

图7 内蒙古年降水量小波分析

3 讨论与结论

3.1 讨 论

1960—2016年内蒙古年均温呈显著上升趋势，年均温以0.38℃/10 a的速率上升，该结果略低于以往研究气温增温率估计值[6-7]，其主要原因可能是不同研究选取的气象站点数不同，选取的气象要素序列的时间段也不一致。

内蒙古年降水量呈不显著上升趋势，年降水量以0.47 mm/10 a的速率上升，该结果与以往研究结果降水量变化趋势相反，其主要原因可能是选取的气象站点数不同，选取的气象要素序列的时间段也不同[6-7]；从表4可以看出，2009年以前年降水量总体呈减少趋势，2009年之后年降水量有明显的增加趋势；此外，为进一步证实本研究结果的可靠性，对1960—2016年以10 a为尺度逐年进行了线性回归分析，发现1960—2014年总体呈减少趋势，但是1960—2016年总体呈现缓慢增加趋势，可能与近几年的降水有了明显变化的缘故有关。东部降水量呈减少趋势，中部、西部降水量均呈增加趋势，与李鹏飞[21]等《近50 a中国干旱半干旱地区降水量与潜在蒸散量分析》研究结果相一致。

气候变暖使得内蒙古自然环境发生了变化。蒸发蒸腾量上升，蒸发蒸腾量远大于降水量，导致湿地整体萎缩和退化[23]。此外，气候变暖导致黄河内蒙古段开封期提前、封河期推后、凌汛期缩短[24]。随着气候变暖，内蒙古干旱化程度增加，导致内蒙古荒漠化不断扩大[25]。本研究主要对1960—2016年内蒙古气温和降水量变化特征和突变现象进行详细分析，不仅对深入了解中国北方干旱半干旱地区气候因子变化规律有一定的科学借鉴意义，而且对内蒙古地区生态环境的保护、农牧业可持续性发展和水资源的保护具有一定实践指导意义。

3.2 结 论

(1) 内蒙古年均温呈显著上升趋势，增温率自西向东递减，全区增温率为0.38℃/10 a，明显高于全球年均温增温率0.12℃/10 a；四季均温也呈显著增加趋势,并且春季和冬季增温率较大，对年均温升高贡献度最大；年均温和增温率二者分布规律相同，即：东部<中部<西部；内蒙古年均温和季均温年代际变化也呈现出增暖的趋势，年均温和季均温均在1990—1999年开始变暖。内蒙古年降水量呈不显著增加趋势,倾向率自西向东呈现出增—减—增的趋势，降水量最少的年代为2000—2009年，降水量最多的年代为1990—1999年；且中部和西部均呈不显著增加趋势，而东部呈不显著减少趋势；3个子地区雨季降水量均呈减少趋势，而非雨季降水量均呈增加趋势，且增加量和减少量均为东部>中部>西部。

(2) 内蒙古年均温突变年份为1987年；东部和中部年均温突变年份为1987年，西部突变年份为1986年，突变提前。内蒙古年降水量在1998—1999年发生由丰水到枯水的突变，在2011—2012年发生由枯水到丰水的突变；其中东部年降水量突变发生于1998—1999年和1982—1983年，中部发生于1999—2000年和1989—1990年，西部发生于1961—1962年和2011—2012年。

(3) 内蒙古增温幅度较大的地区为巴音毛道和临河，增温幅度较小的地区为宝国图。内蒙古年降水量增加较为明显的地区为扎兰屯，年降水量减少较为明显的地区为翁牛特旗。

(4) 小波分析结果表明，内蒙古年均温变化以15 a的周期为最强，还存在2 a，6 a和10 a的尺度变化周期；内蒙古年降水量变化以11 a的周期为最强，还存在2 a和8 a的尺度变化周期。