1955年—2020年锡林浩特市均一化检验及变化特征分析

闫默茹，马玉峰，杨司琪，刘啸然，马 圆

(1.锡林浩特国家气候观象台，内蒙古 锡林浩特 026000；2.内蒙古气候中心，内蒙古 呼和浩特 010051)

全球气候变暖已变成全球关注的焦点。IPCC(2013)在第五次评估报告指出[1]，1880年—2012年全球地表平均气温约升高0.85℃，近30a中的每个10a均比1850年以来的任何一个10 a都暖。《第二次气候变化国家评估报告》指出[2，3]，近百年中国气温升高为0.5 ℃～0.8 ℃。马梓策等[4]提出内蒙古近57 a(1960年—2016年)气温呈显著上升趋势，明显高于全球年均增温率，达0.38 ℃/10 a。

锡林浩特市地处内蒙古高原北部锡林郭勒草原腹部，是内蒙古自治区中部，在东北、华北、西北交汇处，属中温带半干旱大陆性气候，冬季严寒而漫长，夏季温凉而短促，春秋风多而且干燥的气候特征[5]。全市以典型草原为主，地势北低南高，南部为低山丘陵，北部为平缓的波状平原，近年来，随着锡林浩特市城市化进程加快，锡林浩特国家基准气候站经历过观测方法改变、仪器变更、周围环境变化及迁站等非自然因素的影响，直接采用气温观测资料可能已不能反映出锡林浩特气温变化的真实规律，而均一化资料可以有效排除非自然因素对气温变化的影响。因此，对1955年—2020年气温资料进行均一化检验和订正，并分析锡林浩特市气温的气候变化趋势及其与全球变暖的响应，对进一步研究和预测锡林浩特市的气候变化有重要意义，同时也为生态环境保护和防治自然灾害提供决策依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

笔者选定锡林浩特国家基准气候站1955年—2020年连续66 a逐年、逐月平均气温、平均最高气温、平均最低气温作为基础资料，均来源于CIMISS系统。按照气候季节划分标准，以3月—5月、6月—8月、9月—11月、12月和次年1月—2月，分别代表春、夏、秋、冬4个季节。

1.2 研究方法

笔者采用T检验方法检验长序列气温资料的均一性，应用线性趋势法、滑动平均法[6]分析长序列年、季气温变化趋势，采用Mann-kendall法(简称M-K法)[7-9]检验气温突变。M-K法是世界气象组织推荐应用在环境数据时间序列的趋势分析方法。若UF的值>0，表示序列呈上升趋势，UF<0表示呈下降趋势，给定显著水平a=0.05，则统计量UF和UB在临界值±1.96之间有一个显著的交点，且UF随后上升超过1.96或下降低于-1.96，即认为序列产生了突变。

2 资料的均一性检验

锡林浩特国家基准气候站于2002年由市中心搬迁到东郊，海拔高度增加13.5 m，站址水平向东位移4 km，周边地形平坦。利用T检验法，对锡林浩特国家基本观测站迁站前后年平均气温以及各月的平均气温、平均最高气温、平均最低气温序列进行均一性检验。

结果表明，年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温均存在显著差异。月平均气温序列1月—2月、4月、10月—2月在迁站前后无显著差异，3月、5月—9月存在显著差异；月平均最高气温序列1月—2月、4月—6月、10月—12月在迁站前后无显著差异，3月、7月—9月存在显著差异；月平均最低气温序列1月—2月、4月、8月、10月—12月在迁站前后无显著差异，其余各月存在显著差异(见表1)。

表1 锡林浩特市各气象要素T检验 单位：℃

气候资料订正。根据T检验结果，取信度为0.01的均一性检验对锡林浩特国家基本观测站迁站前后存在显著差异的气象要素序列进行订正，本研究运用徐践[10]等的研究成果进行了订正。

3 气温变化特征

3.1 年平均气温变化特征

运用线性趋势法和10 a滑动平均拟合出锡林浩特市平均气温变化趋势曲线。由图1可知，锡林浩特市近66 a平均气温为2.7 ℃，年际间呈波动变化，总体呈现上升趋势。对平均气温进行线性拟合，一元线性回归方程为y=0.047 4x+1.097 5(R=0.776 9)，通过了0.05显著性检验，锡林浩特市气温上升速率0.474 ℃/10 a，明显高于全国增温速率(0.25 ℃/10 a)。从10 a滑动平均趋势曲线可以看出，在1995年以前距平为负值，1995年之后曲线呈波动上升趋势，这说明锡林浩特市气温在近66 a间经历“冷-暖”2个时期，以1995年为界，20世纪90年代前期为偏冷期，20世纪90年代中期开始转为偏暖期，锡林浩特市气温总体呈变暖趋势。

图1 1955年—2020年锡林浩特市年平均气温变化曲线

3.2 气温的季节变化特征

由图2可知，锡林浩特市近66 a春、夏、秋、冬四季平均气温分别是4.4 ℃、20.0 ℃、3.1 ℃、-14.1 ℃，通过统计分析可知，春、夏、秋、冬4个季节的平均气温序列均通过了信度为0.05显著性检验。4个季节的气温变化趋势均为正值，说明各季节气温变化特征均有线性上升的趋势。

(a)春季

由各季平均气温变化要素统计表所示(见表1)，春、夏、秋、冬的升温率分别为0.605 ℃/10 a、0.48 ℃/10 a、0.402 ℃/10 a、0.263 ℃/10 a，由此可知，春、夏的升温率高于秋、冬季节，春季升温率最高，夏季其次，表明气温增长趋势的主要贡献者是春、夏两季。从10 a滑动趋势曲线来看，锡林浩特市近66 a春季平均气温变化趋势与年平均气温变化趋势大致相同，也可以划分两个时期，春季平均气温在1960年—1991年为偏冷期，1992年—2020年为偏暖期。夏季平均温度波动性上升，1960年—1995年为偏冷期，1996年—2020年为偏暖期。秋季平均气温呈线性上升的趋势，1960年—1986年为偏冷期，1987年—2020年为偏暖期。冬季平均气温均处于-10℃以下，气温波动性较大，1960年—1973年为偏冷期，1974年—1988年和2014年—2011年为冷暖交替期，1989年—2020年为偏暖期。

3.3 四季平均最高和平均最低气温变化特征

3.3.1 平均最高气温的季节变化特征。经统计分析，四季的平均气温均通过了a=0.05显著性水平检验。各季节气温变化特征均呈现线性上升趋势。由图3可知，锡林浩特市近66 a春、夏、秋、冬平均最高气温的气候变化倾向率分别为0.432 ℃/10a、0.339 ℃/10a、0.195 ℃/10a、0.260 ℃/10a，由此可知，年平均最高气温上升趋势中春、夏两季成为气温增长趋势的主要贡献者。从10 a滑动平均趋势曲线来看，四季的平均最高气温与平均气温变化趋势相同，春季1955年—1997年为偏冷期，1998年—2020年为偏暖期；夏季1955年—2001年为偏冷期，2002年—2020年为偏暖期；秋季1955年—1995年为偏冷期，1996年—2020年为偏暖期；冬季在均值附近波动性上升1955年—1979年为偏冷期，1980年—2020年为偏暖期。

(a)春季

3.3.2 平均最低气温的季节变化特征。近66 a锡林浩特市四季平均最低气温均呈明显上升趋势(见图4)。春季、夏季、秋季、冬季平均最高气温的气候变化倾向率分别为0.80 ℃/10a、0.61 ℃/10a、0.46 ℃/10a、0.53 ℃/10a。平均最低气温春、夏两季是气温增长的主要贡献者，这与平均最高气温一致。从10 a滑动平均趋势曲线来看，春季1955年—1993年为偏冷期，1994年—2020年为偏暖期；夏季1955年—1997年为偏冷期，1998年—2020年为偏暖期；秋季1955年—1990年为偏冷期，1991年—2020年为偏暖期；冬季波动性上升1955年—1979年为偏冷期，1980年—2020年为偏暖期。

(a)春季

3.4 气候异常特征

按照世界气象组织对气候异常判断标准，即距平≥2倍标准差作为气候异常，介于标准差1.5～1.9之间作为接近气候异常。

从表2可以看出，锡林浩特市年平均气温的异常(含接近异常)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。四季均有气温异常现象，其中夏季异常年份最多，春、夏、冬异常冷年主要集中1976年以前，秋季冷年则在2002年前发生。暖年四季均发生在1995年至今。按年代来划分，2000年以来发生异常的频次最高(含年异常)共21次，其次是20世纪50年代10次，60年代4次，70、80年代和 90年代均为2次。

表2 锡林浩特市各季平均气温变化要素统计

表3 锡林浩特市各季和年平均气温异常的年份

4 年平均气温变化的检验及突变分析

4.1 年平均气温的突变分析

由UF曲线可见(见图5)，锡林浩特市年平均气温的1955年—1958年呈下降趋势(UF<0)，之后1959年—2020年气温长时间呈波动性上升趋势(UF>0)，在1987年之后年平均气温稳定通过显著性水平0.05临界线，说明1987年至今年平均气温上升趋势是显著的。总体而言，近66 a来年平均气温有明显的增暖趋势。UF和UB曲线之间在1988年有一个交点，但交点在显著性水平检验(a=0.05)的临界线之外，故锡林浩特市年平均气温没有发生突变。

图5 锡林浩特市年平均气温M-K突变分析

4.2 年平均最高最低气温的突变分析

由M-K突变检验可见(见图6)，年平均最高气温(a)和年平均最低气温(b)的突变检验中均有交点，年平均最高气温突变发生在1994年，但年平均最低气温不在显著性水平检验(a=0.05)范围内，所以不存在突变情况。就UF曲线走势可以发现1960年—1967年、1997年年平均最高气温通过显著性水平0.05临界线，年平均最低气温在1978年年平均气温稳定通过0.05显著性检验，说明年平均最高气温和年平均最低气温均在1997年，1978年至今上升趋势是显著的。

(a)年平均最高气温

5 结论与讨论

①1955年—2020年锡林浩特市年和各季平均气温均呈现上升趋势，年平均气温上升速率为0.474 ℃/10a，明显高于全国的增温速率(0.25 ℃/10a)。季节气温呈现出明显升温的趋势，其中春、夏季增温率较明显。②近66 a锡林浩特市四季平均最高气温和年平均最低气温四季均呈明显上升趋势，春、夏两季是上升趋势中的主要贡献者；从10 a滑动平均曲线可以发现年平均最高气温和年平均最低气温的四季经历了偏冷阶段和偏暖阶段两个时期。③气候异常特征分析结果：锡林浩特市年平均气温的异常(含接近异常)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。四季均可发生异常，其中夏季异常年份最多。④M-K检验分析结果，近60 a来年平均气温虽然未发生突变，但气温有明显的增暖趋势。年平均最高气温和年平均最低气温均呈增加的趋势。