内蒙古气温突变及其影响因子间的响应关系

周 莹, 马 龙, 梁珑腾

(内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院, 呼和浩特 010018)

气温突变对生态环境等产生了深远影响，其与影响因子间的响应关系目前尚不明确，定性特别是定量揭示气温突变与其影响因子间的响应关系可为突变机制的揭示提供参考。

气候突变为短时间内气候从某种稳定状态转换为另一种状态[1]，表现为气候变化的不连续性，在时间尺度上具有广泛性[2]，一系列自然证据对此已有充分证明，如冰芯[3]记录揭示了冰期阶段内具有全球意义的气候突变事件，通过孢粉化石记录[4]则可以看出全新世纪的气候发生过两次重大突变；由气候突变引起的长期干旱可能导致了玛雅[5]和美索不达米亚文明[6]的衰落，以及萨赫勒—撒哈拉生态系统严重破坏且植被消失变为荒漠[7]。IPCC第五次评估报告指出，近一个世纪以来，全球范围平均气温快速上升[8]。20世纪全球气温呈暖—冷—暖变化，极端天气事件频发，加剧了水资源分布的不均[2,9-11]。在1970s出现快速上升现象[12]。北半球气候在1960s发生极为明显的突变[13-14]。

气候突变兼具空间尺度上的广泛性，北美[15]、中亚[16]、加拿大[17-18]以及中国的北方地区[19]、青藏高原[20-21]、黄土高原[10]、华北平原等[22]全球各地在近几十年均发生气候突变。研究表明，气候变化(104～105a)受地球轨道偏心、倾角等变化影响，但对于如此迅速且强烈气候变化的解释仍缺乏关键证据[23]。气温突变与(或可能与CO2辐射强迫[8]、深海热量(PDO，AMO)[24-25]、太阳总辐射[26]、太阳活动[27]、风速[28]、相对湿度等[29]的变化存在响应关系。总的来看，气温突变与多种影响因子间具有单一、融合或叠加的响应关系，十分复杂，如赵宗慈等[30]认为气温变暖响应与太阳活动、火山活动和温室效应等综合因素有关，但迄今为止还没有完全揭示这种关系。

目前研究多为气温突变成果，变暖停滞有少量研究[31]。其使用站点较少，多为短数据系列，且大多数只揭示平均气温的突变规律，忽略了平均最低气温和平均最高气温的区别，不足以覆盖普遍特征的气温突变[32]。且所选影响因素单一，响应关系不明确。在此基础上，定性定量地揭示了气温突变及其影响因素之间的响应关系。

为使研究具有较高的普遍性和代表性，选取内蒙古地区为研究区[31]。20世纪50年代以来，内蒙古地区气温普遍上升，对全球变暖响应敏感[33]，不同地区的气温变化格局不同[34]，自东向西气候类型由湿润—半湿润向干旱—半干旱逐渐过渡，气候差异性显著[35]，在1977—1996年期间内蒙古各地区气温全面发生突变[36-37]，之后发生变暖停滞[31]。气候变化具有代表性和多元典型性[33-38]。该地区研究多以突变前后特征分析为主，但仍缺乏与影响因子间响应关系的研究。本文采用分布于内蒙古及周边(漠河、塔河、齐齐哈尔、哈尔滨、酒泉、白城、张掖、武威、通榆、马鬃山、河曲、大同、右玉、围场、朝阳、乾安、长春、阜新、中卫、榆林、承德、张家口、四平、沈阳、银川、嫩江等)的气象站点3类气温(1951—2016年)等实测数据，以及全球CO2辐射强迫等大空间尺度数据，定性、定量揭示气温突变与其影响因子间的响应关系，为全球气候变化研究提供参考。

1 研究区概况、数据与方法

1.1 研究区概况与数据来源

内蒙古自治区坐落于中国北部边陲(图1)[31]，主要包括季风气候、温带大陆性气候等多种气候类型[31,38]。

本次收集了自建站以来共计70个气象站点的数据(图1)，其中全球CO2radiative forcing (CO2)和Annual Greenhouse Gas radiative forcing (AGG)数据来自美国NOAA Earth System Research Laboratory (Global Monitoring Division)，时间序列为1979—2016年；Pacific Decadal Oscillation (PDO)、Atlantic multidecadal Oscillation (AMO)、Multivariate ENSO Index (MEI)，时间序列均为1951—2018年；大气压(AP)、风速(WS)、相对湿度(RH)为1951—2016年70个气象站点的年(月)数据，与气温数据使用的气象站点相对应；太阳总辐射(SR)年数据亦源于中国气象数据网，共59个气象站点，覆盖整个研究区，时间序列为1959—2016年；PDO、风速等时间序列为1951—2016年与气温数据使用的气象站点相对应；太阳总辐射年(月)数据共59个气象站点，覆盖整个研究区，时间序列为1959—2016年[31]。

图1 研究范围及气象站站点位置

1.2 数据处理及使用方法

(1) 气候因子时间序列统一方面，AGG与全球CO2辐射强迫的时间序列统一为1979—2016年；其他数据均统一为1951—2016年。

(2) 气候影响因子分类方面，将目前认可度较高的AGG(含CO2)、PDO，AMO，MEI，SR归为明确影响因子[13,39-44]，即第1类影响因子；将可能受气温影响并产生反作用的影响因子，视为第2类影响因子[45]，包括WS，AP，RH。

(3) 采用中心聚类法对研究区气温分区进行分区[46]。

(4) 采用距离平方反比法对分区气温及其影响因子进行区域年面值序列的求取[47]。

(5) 气温突变检验方面，采用Mann-Kendall非参数统计法[31]。

(6) 气温变化剧烈程度方面，使用变异系数[48]。

(7) 采用气候倾向率法对气温及其影响因子变化的时间序列进行趋势分析[49]。

2 结果与分析

2.1 气温突变变化特征分析

采用Mann-Kendall非参数统计法对全区3类气温进行突变年份分析，为叙述方便，将各分区3类气温1951年—突变年、突变年—2016年分别用T1，T2表示，3类气温的年平均值分别用：平均气温、最高气温、最低气温等简称表示(图2)。

图2 全区3类气温突变年际变化、停滞年份和距平时间序列

整体上，全区3类气温突变时间普遍集中于1980s，其中中部区最高气温突变最晚(1993年)。同一分区，3类气温的突变时间较为接近，最低气温整体突变最早，平均气温次之，最高气温最晚；同类气温，除中部区最低气温(1982年)外，中部区突变最晚(1982—1993年)，西部区次之(1984—1989年)，东部区最早(1981—1984年)。变异系数指离散程度大小，T1时段，除东部区最低气温外，全区最低气温整体升温最快，变化程度最剧烈；平均气温升温速率次之，变化剧烈程度较弱；最高气温升温速率最慢，变化剧烈程度最弱；空间上，平均气温、最低气温升温速率均由西向东依次减小，最高气温与之规律相反，平均气温、最高气温变化剧烈程度自东向西依次减弱，最低气温则自西向东依次减弱。T2时段，除东部区最低气温外，其他区最低气温升温速率最快，平均气温次之，最高气温最慢，相应地，3类气温变化剧烈程度最低气温>平均气温>最高气温；空间上，平均气温升温速率按东、西、中部依次减小，最高气温升温速率自东向西依次减小，平均气温、最高气温变化剧烈程度自东向西依次减弱，最低气温则由中部向西、东部区减小/减弱。

2.2 气温突变对第1类影响因子变化的响应

全区3类气温与AGG含(CO2)、PDO和AMO、太阳总辐射(SR)、MEI等(1951年—各分区3类气温突变年)的相关系数空间分布情况见表1，图3为代表性分区气温与AGG(含CO2)，PDO，AMO，SR，MEI的累积距平年际序列变化情况，限于篇幅，以能代表普遍规律且相关性较好(p<0.05)的分区示例给出。

图3 典型地区气温年际变化及其影响因子的累积距平

工业革命以来，人类活动不断排放CO2等温室气体，大气CO2福射强迫增加是造成全球变暖的主要原因[23]。由表1可知，全区最低气温与AGG，CO2相关性(0.782，0.714)最好，最高气温与AGG相关性(0.671，0.630)次之，平均气温与AGG相关性(0.623，0.685)相对较差；空间上，除全区最低气温与二者和最高气温与CO2相关性外，其他类型气温与二者相关性均由西东、中部依次减弱。由图3可知，1979年以来AGG[0.234～0.391 W/(m2·10 a)]、CO2辐射强迫[0.258～0.308 W/(m2·10 a)]呈上升趋势，气温变化与之具有趋势同向性，并在AGG(含CO2)持续上升3～14 a后，全区3类气温发生突变。

太平洋年代际振荡(PDO)是北太平洋地区气候变化的一个主要模态，对于中国的气候变化起重要作用[24]。由表1可知，全区最低气温与PDO的相关性最好(0.301)，平均气温(0.276)次之，最高气温(0.123)最差，除全区最高气温与PDO相关性外，中部其他类型气温与PDO相关性最好，西部次之，东部最差。由图3看出，1951—2016年PDO发生了3次明显的正负位相交替，全区3类气温也相应发生了明显的升降趋势转折变化，1951—1959年PDO由负位相转变为正位相时，3类气温呈上升趋势，1959—1969年PDO整体处于负位相，气温呈持续下降趋势，1969—2008年PDO由负位相转为正位相且持续上升6～18 a(0.482/10 a)，3类气温呈持续上升趋势并普遍于该阶段发生突变。

AMO指发生在北大西洋区域空间上具有海盆尺度，时间上具有多年尺度的海表温度准周期性暖冷异常变化，在欧亚大陆的表面气温及全球其他区域气候演变中发挥了重要作用[25]。由表1可知，除中部3类气温外，其他分区最高气温与AMO相关性最好(0.354)，平均气温(0.324)次之，最低气温(0.278)最差；除最低气温与AMO的相关性外，最低气温、最高气温均与AMO的相关性均由自西向东部依次减弱。由图3可知，全区气温与AMO逐年变化具有相似性，AMO分别在1963年与1995年发生了两次明显的正负位相交替，在1951—1974年呈下降趋势(-0.24/10 a)，1974—1998年AMO处于负位相且持续上升(0.143/10 a)7～19 a时，3类气温发生突变。

太阳辐射(SR)是指太阳以电磁波的形式向外传递能量，太阳向宇宙空间发射的电磁波和粒子流。由表1可知，全区3类气温与SR均呈负相关关系，全区最低气温与SR的相关性(-0.453)>平均气温(-0.308)>最高气温(-0.225)；空间上，除全区平均气温与SR的相关性由西向东依次减弱，最高气温、最低气温与SR的相关性均由西部向东、中部依次减弱。由图3来看，1959—1989年太阳总辐射呈快速下降趋势[-19.54 MJ/(m2·10 a)]，气温与其具有趋势反向性，在此阶段3类气温普遍发生突变；1989—1994年太阳总辐射急剧上升[7.50 MJ/(m2·10 a)]，气温随之快速下降。

MEI基于热带太平洋上的海平面气压、地面纬向风、地面经向风、海表温度、海面气温和总云量6个要素综合地监测、诊断和判别厄尔尼诺(ENSO)事件的发生[31]。由表1可知，除中部3类气温外，西、东部平均气温与MEI相关性(0.345，0.201)>最高气温(0.305，0.198)>最低气温(0.246，0.123)；空间上，西部3类气温与MEI的相关性均最好，除平均气温外，其他类型气温均中部与MEI的相关性次之，东部最差。从图3上看，MEI整体呈上升趋势，全区3类气温与其变化趋势一致，且逐年变化以年际振荡同向性为主，但其间存在年际震荡反向性阶段(持续2～5 a)。在1976—1997年MEI呈持续快速上升(0.541/10 a)趋势，平均气温、最低气温、最高气温于该时段陆续发生突变。

表1 全区3类气温与第1类影响因子相关性的空间分布

综上，AGG(含CO2)呈线性上升，气温变化与其具有趋势同向性，气温突变与AMO持续上升的时间具有一致性，且对PDO处于正位相且持续上升响应之间存在滞后现象，与太阳总辐射快速下降、MEI快上升趋势时间一致；与MEI存在年际振荡同向性/反向性周期交替变化。

2.3 气温突变对第2类影响因子变化的响应

图4为气温与第2类影响因子标准化时间序列变化示意图，详细方法见参考文献[31]。影响因子可能发生突变更早，且在气温突变后仍在一定阶段内保持这种趋势。全区3类气温与第2类影响因子的相关性空间分布见表2，气温及其影响因子累积距平的年际变化见图5，限于篇幅，以能代表普遍规律且相关性较好并通过99%显著性检验的分区示例给出。

由图4及图5可以看出，全区3类气温与风速存在5～20 a左右的年际振荡同向性/反向性交替周期性的变化。由表2可知，平均气温、最低气温、最高气温突变前与全区风速均呈极显著负相关关系，平均气温、最高气温与风速的相关性由东向西依次变好，最低气温则由中部分别向东、西方向变差，最低气温与风速相关性整体(-0.685)>平均气温(-0.625)>最高气温(-0.505)。总得来说，气温上升与风速减小存在密切关系，风速在1951—1960年左右(1959—1977年)普遍呈持续上升趋势[0.01～1.16 m/(s·10 a)]，其后至1986年左右(1981—1993年)为下降趋势(1981—1993年为全区各类气温突变时间范围，风速在此之后至2008年左右仍呈下降趋势，以下类似表述思路同此。由图4可知当风速持续下降3～28 a，11～25 a，6～21 a，倾向率达到-0.53～-0.24 m/(s·10 a)，-0.25～-0.24 m/(s·10 a)，-0.39～-0.30 m/(s·10 a)时，平均气温、最低气温、最高气温分别发生突变。

由图4及图5可知，全区平均气温、最低气温、最高气温与相对湿度整体具有年际振荡反向性关系。由表2可知，全区3类气温与相对湿度均呈极显著负相关关系，除东部外，其他分区均最高气温与相对湿度相关性最好，平均气温次之，最低气温最差；最高气温与相对湿度相关性中、东、西部依次减弱，其他气温与其相关性则均为东部(-0.334～-0.350)>中部(-0.424～-0.485)>西部(-0.457～-0.550)。整体上看，气温上升与相对湿度减小关系密切，且二者趋势峰(谷)值整体对应关系较好；相对湿度在1951—1966年左右(1964—1988年)普遍呈下降趋势(-0.34～-0.56%/10 a)，西部平均气温、西部最低气温与之相反；其后至1986年左右(1981—1993年)，全区相对湿度普遍呈下降趋势(-0.18～-0.11%/10 a)，中部平均气温、西部最高气温与之相反。由图4可知当相对湿度持续下降16～22 a，16～20 a，11～29 a，倾向率达到-0.12～-0.11%/10 a，-0.14～-0.11%/10 a，-0.13～-0.12%/10 a时，3类气温发生突变。

由图4及图5可知，气温与大气压存在年际振荡同向性/反向性交替周期变化(3～20 a)。除最高气温外，其他气温与大气压相关性自西向东依次增强；西部最高气温与大气压相关性最好(-0.328)，平均气温次之(-0.255)，最低气温(-0.225)最差；中部平均气温与大气压相关性最好(0.375)，最低气温次之(0.313)，最高气温较差(0.205)；东部最低气温与大气压相关性最好(0.603)，平均气温次之(0.550)，最高气温较差(0.534)。整体上看，除西部最高气温外，西、中部大气压在1951—1968年左右(1965—1978年)普遍呈持续上升趋势(0.12～0.24 hPa/10 a)，东部在1951—1966年普遍呈下降趋势(-0.35～-0.42 hPa/10 a)；其后至1986年左右(1981—1993年)大气压持续增加。由图4可知当大气压持续增加17～24 a，17～20 a，17～25 a，倾向率达到0.10～0.17 hPa/10 a，0.11～0.42 hPa/10 a，0.11～0.42 hPa/10 a时，3类气温发生突变。

图4 气温与第2类影响因子标准化时间序列变化

图5 典型地区气温年际变化及其影响因子的累积距平

整体上看，1980s～1990s，随AGG(含CO2)持续增大、AMO持续上升、PDO处于正位相阶段且呈上升趋势、太阳总辐射快速下降、MEI快速上升、全区风速和相对湿度持续下降、大气压持续上升，全区气温发生突变，突变是各影响因子共同作用的结果。

3 讨 论

全区3类气温在1981—1993年全面发生突变[38]，整体由东向西突变依次变晚。气温突变现象在全球尺度上均有发生，如法国在1987—1988年春季增温显著[49]，中亚[15]和东北亚[50]地区分别突变于1980s和1990s中期以后，这与本文研究结果一致。

总体来看，同一分区平均气温、最低气温、最高气温突变年份较为接近，全区平均气温、最低气温、最高气温与其对应的风速、大气压、相对湿度以及全球尺度下的MEI普遍存在年际振荡同向性与年际振荡反向性周期交替现象；1980s—1990s，随全区AGG(含CO2)、正位相PDO，AMO，MEI、大气压持续上升，SR、风速和相对湿度快速下降，全区气温发生突变，表明不同时段影响因子可能会削弱或强化突变的效果，且影响因子并不唯一、响应关系并不单一。

已有研究表明，影响气温突变的因子多样，存在错综复杂的响应关系，其中主要存在两类响应关系，一是趋势同向性，如1980s—1990s，温室气体可吸收长波辐射使得大气因吸收到的能量增多而变暖[51]；当PDO位于年代际正位相时对最高、平均和最低气温变暖影响较大，冬季尤为显著[52]；东亚地区厄尔尼诺导致的热带印度洋变暖[53]，进而导致气温变暖；AMO正位相对应的中国冬季气温整体偏高[54]，并使气温持续上升发生突变；西部区3类气温与气压整体呈负相关是由于西部大气压增高，西风显著减弱使得东亚季风携带水汽更容易向西北输送，带来降温效果，而中、东部区3类气温与气压整体呈正相关是由于东亚季风水汽向东输送湿润暖空气，使得北太平洋的冷空气减少，东亚北部到西北太平洋地区有异常暖平流，使研究区中、东部区增温[55-56]，气压降低，气旋性环流异常加强，与春季盛行西风叠加，造成风速的增加，使得气温降低[57]。

表2 全区3类气温与第3类影响因子相关性的空间分布

二是趋势反向性，如1970s研究表明在内蒙古东部发生气温突变时，该地区总云量不断上升但仍处于负位相，而云量使得太阳总辐射对气温作用削弱，对气温下降作用减弱，而其他影响因子对气温影响作用更为显著，使得气温上升[58]；北极涛动[59]、ENSO[60]等通过影响大气环流的变化及下垫面物理状况的改变，比如地表粗糙度、感热、潜热等的变化，会改变下垫面的动力及热力特征等均引起风速变化[57]；不同的下垫面有不同的增湿作用[61]；气溶胶浓度的降低，使得气温发生显著上升[62]；1980年后，中国地区对流层臭氧整体呈现缓慢的下降趋势，导致对流层和近地面层温度不断增加[63]。在已有研究的基础上，更综合考虑多方面因素，定性更定量的揭示气温突变与其多种影响因子间的响应关系，对全国乃至全球气候变化及其引起的灾害研究有一定借鉴作用。

由于数据序列长度较短，在揭示气温突变响应及其影响因子的变化规律仍存在局限性和不足。年序列可能降低甚至掩盖对季节(月)气温突变的敏感性，本文仅对年序列进行分析，可能会对研究结论产生一定的影响。同时，考虑到影响因素不是很全面且采用方法单一，也会对研究结论产生影响，后续将结合更多的影响因素和长序列数据，从年、季、月尺度出发，进行下一步的研究。

4 结 论

(1) 全区3类气温在1981—1993年全面发生突变，同一分区3类气温突变年份较为接近，由西向东气温突变依次变早。

(2) 总得来说，最低气温与AGG(含CO2)，PDO，SR，风速相关性最好，平均气温与PDO，MEI，SR，风速次之。空间上，西部区3类气温与AGG(含CO2)，SR，MEI相关性最好。

(3) AGG(含CO2)在1980s—1990s持续上升、PDO处于正位相阶段且呈上升趋势、AMO持续上升、SR快速下降、MEI快速上升、各分区风速和相对湿度持续下降、大气压持续上升，各分区气温发生突变。如当AGG(含CO2)持续上升2～9 a且倾向率达到0.234～0.285 W/(m2·10 a)，太阳总辐射快速下降(-19.54 MJ/(m2·10 a))，风速持续减小3～28 a且倾向率达到-0.53～-0.24 m/(s·10 a)时，平均气温发生突变.各分区3类气温突变的发生是这些影响因子共同作用的结果。