1960-2015年内蒙古极端气候事件的时空变化特征

雅 茹, 丽 娜, 银 山,3, 包玉海,3

(1.内蒙古师范大学 地理科学学院, 呼和浩特 010022; 2.东北师范大学环境学院, 长春 130024; 3.内蒙古自治区遥感与地理信息重点实验室, 呼和浩特 010022)

气候条件是人类和动植物赖以生活和生长的基础，气候变化早已成为全球备受瞩目的问题。IPCC第5次评估报告指出，1880年以来全球平均温度已升高0.85℃，全球气候系统已呈现出变暖趋势，而20世纪50年代以来的变暖趋势更加明显，自1950年以来极端气候亦发频繁[1-2]。极端气候引发的热浪、洪涝、干旱、雪灾从而造成的供水供电短缺、交通通信和建筑物受损、农牧业减产以及危害人类健康，给社会发展、国民经济和生态环境造成了巨大的损失和破坏[3]，极端气候事件的研究已成为当今社会的焦点问题。

在全球尺度上，随着日渐变暖的全球气候，以冷夜日数的减少及暖夜日数的增加为主要表现的极端气温变化越发显著[4]。有关研究显示，近几十年以来在全球众多地区如俄罗斯、亚太、美国东部、大洋洲及欧洲的冷夜日数呈不断减少的趋势，相反暖夜日数则不断攀升[5-10]。除部分地区存在一定的区域差异性外，全球多数区域表征高温的极端气温指数都呈现不同程度的增加趋势[11-15]。为了增强公众对中国极端降水事件的认知，近年来国内学者就不同流域、不同省域以及不同自然区域的极端降水事件进行了探索性研究[16-17]，但针对局部地区，特别是生态环境脆弱地区的极端气候事件的变化规律的探究需进一步深化。

内蒙古地区位于受东南季风影响的季风边缘地带，是西北干旱区向东北湿润区和华北旱作农业区的过渡带[18]，也是中国北方温带草原的主体，气候变化十分敏感[19]。研究表明，极端气候事件会影响草原生态结构、植物群落，进而对草原生态系统生产力以及对碳循环产生负影响[20]。因此，深刻认识和理解极端气候，研究和掌握其变化规律对内蒙古地区自然生态发展和社会经济进步具有至关重要的现实意义。本文以内蒙古地区47个分布较均匀的国家级气象站1960—2015年的逐日最高气温、最低气温以及降水量数据为基础，分析长达56 a的极端气候事件时空演变规律，旨在为草原生态恢复、内蒙古地区社会经济发展以及预防和应对灾害事件的发生提供进一步的理论指导。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区概况

内蒙古自治区是我国北疆大省，位于37°24′—53°23′N，97°12′—126°04′E，东西绵延2 400 km，南北跨度1 700 km，全区总面积位列我国第三。内蒙古地域广阔，草原面积大，距离海洋较远，边沿有山脉阻隔，大兴安岭北部地区属于寒温带大陆性季风气候，巴彦浩特—海勃湾—巴彦高勒以西地区属于温带大陆性气候。年均温为-4～9℃，夏季短促炎热，冬季寒冷漫长，气温年较差可达31～45℃，气温变化剧烈，冷暖悬殊甚大，气温日较差为12～16℃，大风日数多；降水量少且不均匀，年总降水量为35～550 mm，由东北向西南递减。由东向西从湿润、半湿润地区逐渐过渡到半干旱、干旱区[21]，从东北至西南的植被类型分别为：森林，森林草原，典型草原，荒漠草原，草原沙漠和沙漠。自然气候条件恶劣，以及人为活动的污染和破坏，导致此区域生态环境十分脆弱。

1.2 数据来源及处理

本文所使用的气象数据由中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.nimc.cn/home.do)提供。为了确保气象数据时间序列的连续性及准确性，本文选取了具有完整历史记录值的内蒙古地区47个国家级气象台站(图1)1960—2015年的逐日最高气温、最低气温和降水量数据。各站点均匀的分布在研究区内森林，森林草原，典型草原，荒漠草原，草原沙漠和沙漠的不同植被类型带、生态区和小气候区，能够较好的代表研究区整体的气候变化情况。所有站点气象数据在使用前均经过了严格的质量控制，包括极值检验、时间一致性检验和均一化检验、异常值(如最低气温是否大于最高气温)检查。

图1 研究区及气象站点分布

1.3 研究方法

1.3.1 极端气候指数 由国际气候诊断与指数专家组(ETCCDMI)确定的“气候变化检测和指标”已经被广泛应用在世界各国极端气候事件的分析研究中[22-23]。考虑到本文研究区的地理位置和自然环境特征，选取与本研究区植被生长和灾害发生密切相关的8个极端气温指数和6个极端降水指数，其中表示极端高温事件的指数为夏日日数(SU25)、暖昼日数(TX90P)、暖夜日数(TN90P)、暖持续指数(WSDI)，表示极端低温事件的指数有霜日日数(FD0)、冷昼日数(TX10P)、冷夜日数(TN10P)、冷持续指数(CSDI)；强降水量(R95PTOT)、年湿期降水总量(PCRPTOT)、普通日降水强度(SDII)，5日最大降水(RX5day)表明极端降水事件的强度，持续干燥指数(CDD)、持续湿润指数(CWD)表明极端降水事件的持续程度，各极端气候指数的具体定义见表1，在此基础上分析内蒙古极端气候事件的时空演变规律。极端气候指数计算方法采用加拿大气象研究中心研究人员Xuebin Zhang和Feng Yang基于R编辑器开发的RClimDex 1.0软件[24]。

表1 极端气候指数的定义

1.3.2 其他研究方法 基于ArcGIS 10.3 软件对研究区域内47个气象站点做泰森多边形分析。通过各站点的影响面积计算出各站点的影响权重，后对各站点加权平均得出整个区域逐年气候指数序列[25]。

由于单一的线性回归法容易受异常值的干扰，且要求数据在时间尺度上符合正态分布，故本文综合运用线性倾斜估计、Mann-Kendall (MK)趋势分析和Sen′s斜率法，利用MATLAB软件计算，对极端气候事件的年际变化趋势、各站点长期变化趋势及幅度进行分析[26-27]。并通过反距离权重空间插值法(IDW)对极端事件的空间变化格局进行研究[28]。

2 结果与分析

2.1 极端气温事件时空变化

由表2和图2可知，内蒙古地区极端高温事件指数SU25，TN90P，TX90P，WSDI呈显著上升趋势，极端低温事件指数CSDI，FD0，TN10P，TX10P呈显著下降趋势。就变化速率而言，TN90P的上升速率最快，为3.86 d/10 a，指数SU25和TX90P的变化速率为2.63 d/10 a和2.20 d/10 a，指数WSDI较其他指标上升速率略小，仅为0.90 d/10 a，极端高温事件的上升情况表明夜间温度的上升对气温增高的贡献率较大；极端低温事件指数下降速率最快的为FD0，下降速率为-3.94 d/10 a，说明内蒙古地区冬季温度的不断增加；TN10P冷夜日数-3.67/10 a的下降速率也进一步证实了内蒙古地区夜间温度的上升，指数TX10P的下降速率为-1.52 d/10 a，CSDI指数下降速率较小，变化速率为-0.61 d/10 a。

表2 内蒙古极端气温指数的MK检验

注：“*”和“**”分别通过了0.05，0.01的显著性检验。

由研究区内极端气温事件MK检验以及Sen′s斜率的空间图分布可知，各极端气温指数有较好的一致性，各站点极端高温指数均呈上升趋势，极端低温指数呈下降趋势。SU25显著上升站点数占97.9%，上升速率在0.74～6.51 d/10 a，并且区域性差异比较明显，具体表现为自西向东增加的特点，增幅高值区为额尔古纳旗和苏尼特左旗；各站点TN90P指数上升趋势均通过了0.05水平的显著性检验，增幅为0.58～5.86 d/10 a，指数SU25的空间变化趋势则相反，西部增幅大于东部；TX90P指数显著上升站点数占91.50%，各站点上升速率差异性不大，在0.81～2.86 d/10 a波动；暖持续指数WSDI显著上升趋势站点占74.5%，但Sen′s斜率检验未能识别出各站点明显的变化幅度。冷气温指数FD0，TN10P，TX10P的下降速率分别在0.537～7.499 d/10 a，0.340～6.819 d/10 a，0.579～2.810 d/10 a，FD0指数下降速率最快的站点为临河区，且97.9%的站点呈显著下降趋势。TN10P指数下降速率最快的站点为乌兰浩特市、临河区、化德县，下降速率均在6.15 d/10 a以上；TX10P指数所有站点均呈显著下降趋势。CSDI指数46个站点均为下降趋势，但Sen′s未能识别其的下降速率。

图2 1960-2015年内蒙古极端气温指数时空变化趋势

2.2 极端降水事件时空变化

相比极端气温事件而言，极端降水各指数变化幅度较小。由图3可知，指数CDD，CWD，R95 PTOT，RX5day都存在小幅度下降；PRCPTOT(年时期降水总量)呈不显著的上升趋势；SDII指数趋于平稳状态。极端降水事件各指数的MK检验与Sen′s斜率与线性趋势一致，其中只有CDD指数通过显著性检验呈显著下降趋势，下降速率为3.311 d/10 a，PRCPTOT指数小幅度增长，增长速率为1.197 d/10 a(表3)。

由图3可以看出，极端降水事件各指数有较明显的空间差异。SDII指数呈上升和下降趋势的站点分别占55.32%和44.68%，其最大值分别位于西部和北部；RX5day指数各站点变化趋势总体上以下降为主，其中乌审召、通辽市、开鲁县、扎鲁特旗、新巴尔虎右旗呈显著下降趋势；R95PTOT指数的变化幅度为-10.845～8.571 4 mm/10 a，通辽以及鄂尔多斯两个盟市的下降速率最快；PRCPTOT指数各站点变化趋势有比较明显的南北分异特征，北部呈上升趋势，南部呈下降趋势，其中上升的站点较多，占68.09%，上升幅度最大的区域为东北部地区，幅度为13.179 mm/10 a。表示极端降水时间持续性的指数CDD各站点变化趋势以下降为主，呈下降趋势的站点达89.36%，其中33.33%的站点呈显著下降趋势，研究区内仅中南小部分地区呈上升趋势；持续湿润指数CWD北部站点多为上升趋势，南部站点多为下降趋势，下降趋势的站点数达61.70%，但Sen′s斜率检验未能识别出各站点明显的变化幅度。总体而言，极端降水事件存在明显的空间变化规律，东部和西部各站点的多降水指数以上升趋势为主，中部地区多以下降趋势为主。

表3 内蒙古极端降水指数的MK检验

注：“*”和“**”分别通过了0.05，0.01的显著性检验。

图3 1960-2015年内蒙古极端降水指数时空变化趋势

3 讨 论

总体而言，气候变暖已成为内蒙古地区的主要特征，对松嫩草地[29]、西北地区[30]、珠江流域[31]的极端气温事件的研究结果也表明各地区极端气温冷事件的减少以及极端气温暖事件的增加。并且夜间温度冷指数的下降和暖指数的升高均大于日间冷暖指数的变化，故夜间温度的升高对气候变暖的贡献率更大，这与白美兰[32]等研究结果相同，另有研究结果表明，导致这一变化是由于冬季温室气体的辐射强迫效应增强而造成大幅度的升温[33]。极端降水指标变化幅度较小。PRCPTOT指数呈不明显的上升趋势，说明该地降水总量有小幅度增加，且是由于降水持续时间的增加所致；降水的增加意味着干旱程度的下降，东部和西部各站点CDD指数在56 a年间的下降趋势也进一步证实了内蒙古东西部持续干燥程度有所下降。

植被对于气候变化的响应尤为敏感。内蒙古地区作为湿润、半湿润和半干旱、干旱的过渡带、农业牧业交错带和生态环境脆弱区，极端降水对羊草群落地上生物量以及大针茅地上生物量有显著的影响，极端高温的增加会导致群落以及大针茅地上生物量的降低[34]。整体而言，极端降水指数与内蒙古地区NDVI均值有较强的相关性，故水分条件仍是内蒙古地区植物生长的主要影响因素[35]。

本文对研究区极端气候事件的时空演变规律做出了详细的分析，研究结果对干旱半干旱区的生态恢复、经济发展、社会进步等方面的研究有一定的参考意义。王翌等[36]的研究结果表明经纬度和坡度对各极端气候事件的空间分布有较强的相关性，ENSO事件(厄尔尼诺—南方涛动事件)、NAOI指数(北大西洋涛动指数)、AO指数(北极涛动指数)是极端气候事件驱动因素之一[37-39]，且人为因素，如城市化进程的加快对极端高温事件的变化也存在一定的影响[40-41]，故极端气候事件的影响因素将在未来的研究中进行更加深入的探讨。

4 结 论

1960—2015年，内蒙古地区表征高温的极端气温事件的SU25，TN90P，TX90P，WSDI指数呈显著上升趋势；表征极端气温事件各冷指标CSDI，FD0，TN10P，TX10P呈显著下降趋势。并且TN90P的增加速率、TN10P的下降速率均大于TX90P和TX10P，表明夜间温度增加幅度大于日间温度的增加幅度。总体而言，内蒙古地区东部极端温度事件的变化幅度大于西部地区。

极端降水指标变化幅度不明显，表明内蒙古地区降水情况较稳定，CDD指数的下降速率高于CWD指数的下降速率，表明内蒙古地区持续干燥程度有所缓解。极端降水事件各指数有较明显的空间差异，东部和西部各站点的SDII，RX5day，R95PTOT，PRCPTOT指数以增加趋势为主，CDD在东西部地区则以下降趋势为主。总体上，极端降水事件存在明显的空间变化规律，东部和西部各站点的多降水指数以上升趋势为主，中部地区多以下降趋势为主。