寶樂爾其木格 張秋良 代金玲

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010019)

溫度和降水對農(nóng)林作物的不同生長期有重要影響[1-3]。楊潔等[4]分析指出，北京地區(qū)生長期氣候變暖導(dǎo)致該地區(qū)農(nóng)業(yè)熱量資源增加，作為農(nóng)作物和林木重要熱量指標(biāo)的積溫，不同界限溫度積溫對農(nóng)作物、動植物不同生長發(fā)育階段具有重要的意義[5-7]。根據(jù)不同的農(nóng)作物，劃分不同的界限溫度，分析不同地區(qū)的積溫變化特征[8-11]，對于中高緯度地區(qū)也具有重要的意義。積溫不僅是農(nóng)作物生長的重要指標(biāo)，也能表示低溫的強度和持續(xù)時間[12-13]，也是海冰形成，發(fā)展的重要影響因素[14]。Bunting[15]利用10 ℃以上的積溫分析了玉米在不同生長期的積溫特征；Bartholomew et al.[16]分析了冷季草原在不同界限積溫影響下的生長周期，指出在預(yù)報冷季草原生長情況時需考慮負積溫的影響。大部分研究集中在0 ℃以上不同界限溫度的積溫，而鮮見對負積溫的報道。付長超等[17]分析東北地區(qū)氣候變化時指出，東北地區(qū)溫度有上升趨勢，且增溫幅度由西南向東北存在逐步增強的趨勢。大興安嶺位于我國東北緯度最高的地區(qū)，呈東北-西南走向，是對全球氣候變化最敏感的地區(qū)之一[18]，北部是我國面積最大的林區(qū)，也是我國唯一的寒溫帶針葉林區(qū)。任國玉等[19]研究表明，我國北方地區(qū)升溫明顯，且以冬季和春季為最顯著增暖的季節(jié)。大興安嶺地區(qū)日平均氣溫小于零度的時段主要集中在秋、冬、春季，因此，該地區(qū)積溫尤其負積溫的詳細研究亟待開展。王發(fā)科等[20]研究指出柴達木盆地南緣0 ℃以上界限積溫呈現(xiàn)初日提前，終日推遲，持續(xù)日數(shù)延長的特征；王希強等[21]指出祁連山地區(qū)負積溫在近56 a呈現(xiàn)出初日推遲，終日提前，持續(xù)日數(shù)縮短的趨勢；孫蕾等[22]分析了大興安嶺根河林區(qū)近50 a不同界限積溫的變化特征。關(guān)于大興安嶺地區(qū)，特別是林區(qū)負積溫的研究尚未見報道，因此，本文基于大興安嶺地區(qū)氣象站點資料，分析大興安嶺近55 a不同區(qū)域負積溫時間變化和空間分布特征，以及負積溫異常年份的環(huán)流特征，為大興安嶺地區(qū)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)及冷季氣候預(yù)測提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺位于我國東北地區(qū)，為歐亞大陸北方林帶的重要組成部分，被稱為“北疆的綠色長城”[1]。大興安嶺林區(qū)位于119°36′20″～125°20′50″E，46°8′40″～53°20′N地區(qū)，地處高緯、高寒地帶[18]，呈東北高、西南低的趨勢，平均海拔高度為976.5 m。林區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季漫長而寒冷，夏季短暫而炎熱，無霜期短；年平均氣溫為-5.0 ℃，年降水量為400～500 mm，降水集中在盛夏。該地區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要由古生代結(jié)晶巖中的花崗石、砂質(zhì)片巖和玄武巖等組成，普遍存在多年凍土。研究區(qū)動植物資源豐富，植物區(qū)系共有74科212屬363種，有141種陸棲脊椎動物[23]。

2 研究方法

本文將43°～54°N，115°～126°E區(qū)域定義為研究區(qū)域(見圖1)，研究區(qū)北部為我國面積最大的林區(qū)，由北向南，從東到西為森林向草原過渡的地帶。資料選用國家氣象信息中心提供的1961—2015年43個站點(北部11個站點，中部22個站點，南部10個站點)逐日氣溫資料。文中850 hPa和500 hPa溫度、風(fēng)速、高度場的月平均和多年平均資料均來自國家環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)/國家大氣研究中心(NCAR)的分辨率為2.5°×2.5°的再分析資料(https://www.esrl.noaa.gov/psd/)。本文以1月為例進行環(huán)流分析，空間分布圖由Grads2.0.2軟件繪制而成，時間序列圖由EXCEL2007繪制。

為方便統(tǒng)計，將當(dāng)年7月1日至翌年6月30日定義為一個負積溫年，年份記當(dāng)年。年負積溫為當(dāng)年日平均氣溫小于零度的溫度總和。為消除氣溫日變化的影響，采取農(nóng)業(yè)氣候?qū)W中常用的5日滑動平均方法，確定了負積溫的初日和終日[24-26]，并將初日到終日的日數(shù)記為負積溫的持續(xù)日數(shù)。在環(huán)流分析中，利用距平標(biāo)準(zhǔn)差比值方法，挑選出異常年份，并利用合成分析方法進行相應(yīng)的平均和異常環(huán)流特征研究，公式如下：

N為北部；M為中部；S為南部。

3 結(jié)果與分析

3.1 大興安嶺地區(qū)負積溫空間分布特征

由圖2a可知，大興安嶺全區(qū)年均負積溫空間變化在-1 400～-3 400 ℃范圍，負積溫分布呈南-北型，由南向北負積溫逐漸減小，研究區(qū)南端和北端各有一個閉合中心，分別以根河和呼瑪站為中心的兩處極大值區(qū)，南部為以通遼市為中心的負積溫高值區(qū)，北端為負積溫低值區(qū)，中部區(qū)域為過渡區(qū)域且該區(qū)負積溫等值線呈東北-西南向密集分布，東西梯度較大，變化劇烈，與地表類型分布較一致。由于該區(qū)域為東北平原向林區(qū)過渡區(qū)域，下墊面性質(zhì)劇烈變化導(dǎo)致該區(qū)溫度東西向變化較大。由北向南，隨著緯度的降低和溫度的升高，年負積溫絕對值逐漸減小?；诙嗄昶骄摲e溫的分布特征，將大興安嶺地區(qū)劃分為以低值區(qū)為中心的北部區(qū)域(49°N以北，共11個站點)、過渡區(qū)域為代表的中部區(qū)域(45°～49°N，共22個站點)和以高值區(qū)為中心的南部區(qū)域(45°N以南，共10個站點)的3個區(qū)域。

研究區(qū)域負積溫持續(xù)日數(shù)空間分布(見圖2b)與多年平均負積溫分布基本一致，也呈現(xiàn)南北顯著差異，由北向南負積溫持續(xù)日數(shù)逐漸減少，在研究區(qū)中部持續(xù)日數(shù)等指線呈西南-東北走向，東西梯度較大。持續(xù)日數(shù)高值中心也分別在研究區(qū)北部根河和呼瑪站，低值中心在南部以通遼為中心的地區(qū)。林區(qū)最大持續(xù)日數(shù)接近200 d(約7個月)，最南端約130 d(約4個月)左右，該區(qū)負積溫持續(xù)約1～2個季度。隨著緯度的增加負積溫持續(xù)日數(shù)增多。

研究區(qū)域負積溫起始日期空間分布與負積溫多年平均值和持續(xù)日數(shù)的空間分布類似，也呈南北顯著差異，由北向南起始日期逐漸推遲，南部地區(qū)初始日期為10月31日左右，而北部在10月7日左右即出現(xiàn)負積溫，最南端比最北端大約晚1個月開始出現(xiàn)負積溫。研究區(qū)域負積溫結(jié)束日期空間分布亦與上述要素類似，也呈南北顯著差異，由北向南結(jié)束日期逐漸提前，南部地區(qū)結(jié)束日期在3月27日左右，北部在4月20日左右結(jié)束，最南端較最北端大約早1個月結(jié)束。從負積溫起始日期和結(jié)束日期看出，大興安嶺地區(qū)負積溫時段主要集中在秋、冬、春季，從10月初持續(xù)到4月下旬，緯度越高持續(xù)日數(shù)越長，負積溫出現(xiàn)的時間越早，結(jié)束的時間越晚。

圖2 大興安嶺地區(qū)多年(1961—2015年)平均負積溫(a)和負積溫持續(xù)日數(shù)(b)空間分布

總的來說，大興安嶺地區(qū)年負積溫由南向北逐漸增大，寒冷中心在北部林區(qū)以根河和呼瑪站為中心的地區(qū)，溫暖中心在研究區(qū)最南端以通遼市為中心的地區(qū)，負積溫從-3 400 ℃上升到南端的-1 400 ℃，在整個研究區(qū)南北向變化約為2 000 ℃。負積溫持續(xù)日數(shù)，起始日期和終止日期分布與多年平均負積溫分布類似，高低值中心分別在北部根河和呼瑪為中心的地區(qū)以及南端通遼為中心的地區(qū)。緯度越高，持續(xù)日數(shù)越長，起始時間越早，結(jié)束時間越晚。

3.2 大興安嶺地區(qū)負積溫長期變化特征

3.2.1 大興安嶺地區(qū)1961—2015年負積溫時間序列

由圖3可知，研究區(qū)年負積溫均在-1 000 ℃以下，最低可達-3 763 ℃(1965年出現(xiàn)在北部地區(qū))。北部區(qū)域負積溫值最低，平均為-3 060.9 ℃，近55 a有上升趨勢，3個區(qū)域負積溫最高值均出現(xiàn)在2001年，中部負積溫平均為-1 927.1 ℃，南部負積溫多年平均值為-1 502.4 ℃，北部區(qū)域較中部和南部區(qū)域負積溫絕對值明顯高，差值約1 000 ℃，中部地區(qū)負積溫又高于南部地區(qū)，且緯度越高年際變化越大。通過累積距平分析，3個區(qū)域分別在1986(南部)和1987年(北部和中部)發(fā)生由冷向暖的顯著突變，1987年以前負積溫值相對低，為冷期，1987年后負積溫值相對高，為暖期。北部地區(qū)突變前后負積溫均值差值為336.2 ℃，中部地區(qū)為226.8 ℃，南部地區(qū)為181.1 ℃。隨著緯度的增加負積溫增幅越大，說明變暖更顯著。

3.2.2大興安嶺地區(qū)1961—2015年負積溫持續(xù)日數(shù)長期變化

由圖4可知，大興安嶺地區(qū)負積溫持續(xù)日數(shù)平均150 d，持續(xù)約5個月以上，持續(xù)日數(shù)隨著緯度的增加而增加。北部地區(qū)多年平均值182 d，中部地區(qū)多年平均值160 d，南部地區(qū)多年平均值153 d。最大持續(xù)日數(shù)北部地區(qū)達到201.5 d，出現(xiàn)在1963年，持續(xù)6個月以上；中部最大持續(xù)日數(shù)為174 d，分別出現(xiàn)在1964年和1979年；南部地區(qū)最大持續(xù)天數(shù)為168 d，出現(xiàn)在1964年。從整個區(qū)域近55 a負積溫變化看，整個區(qū)域負積溫持續(xù)日數(shù)均呈顯著的下降趨勢，負積溫日數(shù)顯著減少。從累積距平曲線可以看出，整個區(qū)域在20世紀(jì)80年代后期有一次顯著突變，突變點也體現(xiàn)在長時間序列上，北部區(qū)域突變年出現(xiàn)在1986年，中部和南部地區(qū)突變出現(xiàn)在1987年，突變年以后所有區(qū)域負積溫持續(xù)日數(shù)顯著減少且緩慢下降，一直持續(xù)到2000年末，直到2009年和2012年出現(xiàn)了極大值，在大興安嶺中部和南部地區(qū)更加顯著。二十世紀(jì)中期開始，中部和南部區(qū)域持續(xù)日數(shù)年際變化較大，而在北部地區(qū)則較小，但負積溫的年際變化則表現(xiàn)出北部與中、南部相差不大。

N為北部；M為中部；S為南部。

N為北部；M為中部；S為南部。

3.2.3大興安嶺地區(qū)1961—2015年負積溫起始日期變化

由圖5可知，大興安嶺地區(qū)負積溫起始日期平均在10月上旬以后，緯度越高，起始日期越提前，北部地區(qū)平均10月13日開始，中部10月25日，南部地區(qū)10月29日開始，南北相差約半個月。近55年負積溫最早出現(xiàn)的日期隨著緯度的增加而提前，北部地區(qū)9月29日(1969年)即出現(xiàn)負積溫，而南部地區(qū)則在10月中旬過后(最早10月18日，1974年)，最晚北部地區(qū)出現(xiàn)在1995年10月26日，中部在2011年11月6日，南部在2011年11月10日。整個區(qū)域初日最早和最晚出現(xiàn)日相差20 d左右，其中北部為27 d，中部21 d，南部23 d。

緯度越高負積溫初日年際變化越大，最遲出現(xiàn)和最早出現(xiàn)的日期相差27 d，約一個月。從初日長期變化看出，近55 a整個大興安嶺地區(qū)負積溫初日顯著推遲，從累積距平曲線可以看出，三個區(qū)域在1987年有顯著的突變，該年前后負積溫起始日期差異較大，1987年突變年后起始日期明顯推遲。

N為北部；M為中部；S為南部。

3.2.41961—2015年大興安嶺地區(qū)負積溫結(jié)束日期長期變化

由圖6可以看出，大興安嶺地區(qū)負積溫在3月底到4月上旬左右結(jié)束。緯度越高終止日期越推遲，北部區(qū)域平均在4月14日，中部為4月3日，南部為3月31日。北部最遲結(jié)束日期為4月29日，出現(xiàn)在1986年，最早結(jié)束日期為4月1日，出現(xiàn)在2002年，相差28 d，中部最遲結(jié)束日期為4月16日，出現(xiàn)在1979年，最早結(jié)束日期為3月18日，出現(xiàn)在2013年，相差29 d。南部最遲結(jié)束日期為4月17日，出現(xiàn)在1979年，最早結(jié)束日期為3月15日，出現(xiàn)在2013年，相差33 d。因此近55 a大興安嶺地區(qū)負積溫結(jié)束日期變化在1個月左右。從長期變化看，負積溫結(jié)束日期呈提前趨勢。從累積距平分析看(圖略)，北部區(qū)域結(jié)束日期推遲的突變年份出現(xiàn)在1986年，中部和南部地區(qū)出現(xiàn)相差不大的兩個極大值，分別出現(xiàn)在1979年和1987年。因此，負積溫終止日期的突變也與起始日期突變類似，出現(xiàn)在上世紀(jì)80年代中期。

N為北部；M為中部；S為南部。

總的來說，大興安嶺地區(qū)負積溫長期變化呈增加趨勢，即負積溫絕對值減小，變暖趨勢，這不僅體現(xiàn)在近55 a負積溫序列上，也體現(xiàn)在負積溫持續(xù)日數(shù)，起始日期和終止日期的時間序列變化上。此外，以上四個參數(shù)在上世紀(jì)80年代中期均發(fā)生了明顯的突變，負積溫絕對值變小，持續(xù)日數(shù)變短，起始日期提前，結(jié)束日期推遲，該突變時間與周自江等[28]得出的我國冬季氣溫在1985年后增暖極為顯著的結(jié)論一致，因此可以認為全球變暖也體現(xiàn)在了研究區(qū)的負積溫變化特征上。

3.3 負積溫異常年份大氣環(huán)流特征

積溫不僅是植物生長重要的熱量指標(biāo)，也能表征低溫及低溫的累積程度。為了分析出現(xiàn)負積溫異常(即異常冷暖年份)的環(huán)流條件，利用距平標(biāo)準(zhǔn)差方法選出大興安嶺地區(qū)負積溫異常年份，采用合成分析方法分析負積溫異常年份的500 hPa和850 hPa環(huán)流特征。

3.3.1 負積溫異常年份850 hPa環(huán)流合成分析

圖7給出異常低溫年份(圖7a)、正常年份(圖7b)和異常高溫年份(圖7c)的850 hPa平均環(huán)流場。從圖中看出，正常年份(見圖7b)，東亞大槽和冷中心在圖中均顯著，研究區(qū)位于槽西側(cè)，風(fēng)向均為西北風(fēng)。在異常冷年(圖見7a)中高緯度冷中心溫度低于正常年份，且冷中心東西跨度增加，并向南延伸，使得大興安嶺地區(qū)溫度比正常年份偏低。高度場上，異常冷的年份東亞大槽加深并西伸且研究區(qū)域等高線與等溫線近乎垂直，有利于冷空氣向研究區(qū)的輸送。相反，異常暖的年份(見圖7c)，溫度場上的冷中心范圍和強度明顯減小，相對于研究區(qū)位于緯度偏高，偏東的位置，因此，研究區(qū)溫度較常年偏高。高度場上，東亞大槽明顯減弱，大興安嶺地區(qū)等高線和等溫線夾角明顯小于正常年份和異常冷年，不利于冷空氣的輸送，因此，出現(xiàn)暖異常。

由圖8可知，異常冷年(見圖8a)80°～160°E中高緯度地區(qū)基本為負異常，最大降溫幅度大于4 ℃，冷中心加強擴大，而研究區(qū)位于負異常中心偏東位置，風(fēng)速異常較小，但風(fēng)向轉(zhuǎn)變較大，研究區(qū)南部和北部風(fēng)向近乎相反，與之形成鮮明對比的是暖異常年份(見圖8b)，80°～160°E大部分地區(qū)為暖異常，研究區(qū)域最大增溫幅度達3.5 ℃以上，暖異常年份研究區(qū)則位于暖異常中心，研究區(qū)域異常風(fēng)向為西南風(fēng)，不利于冷空氣的堆積。

3.3.2 負積溫異常年份500 hPa環(huán)流合成分析

由圖9可知，與850 hPa類似，從500 hPa環(huán)流平均場(見圖9b)可以看出，東亞中高緯度地區(qū)為東亞大槽，研究區(qū)位于閉合低壓中心西側(cè)。異常冷年(見圖9a)，研究區(qū)下游低壓強度較常年顯著加強，范圍擴大；溫度場上，冷中心南擴使得該區(qū)位于異常低溫區(qū)，對應(yīng)的東亞大槽范圍變寬、加強。相反，異常暖年(見圖9c)，研究區(qū)下游的低壓閉合中心消失，5 120 gpm高度等值線未出現(xiàn)閉合，對應(yīng)的槽減弱，研究區(qū)溫度較常年偏高。

填色圖表示溫度的變化，等值線為位勢高度，方塊區(qū)為研究區(qū)。a為異常冷年份；b為正常年份；c為異常暖年份。

圖7 850hPa平均環(huán)流場

填色圖表示溫度的變化，等值線為位勢高度，方塊區(qū)為研究區(qū)。a為異常冷年份；b為異常暖年份。

圖8 850hPa距平環(huán)流場

由圖10可知，異常冷年(見圖10a)80°～160°E中高緯度地區(qū)基本為負異常，而研究區(qū)位于負異常東側(cè)，與之形成鮮明對比的是異常暖年(見圖10b)，80°～160°E大部分地區(qū)為暖異常，研究區(qū)則位于暖異常中心。

綜上所述，大興安嶺地區(qū)負積溫異常年份均以異常環(huán)流為背景，冷異常年份東亞大槽加深，中高緯度低溫中心范圍擴大，等壓線和等溫線的夾角增大，有利于西北氣流將冷空氣輸送到研究區(qū)，使得研究區(qū)的溫度降低，負積溫值偏低。而異常暖年份則相反，東亞大槽減弱，冷中心移到更高緯度，冷中心強度減小，不利于冷空氣南下，因此，研究區(qū)溫度較常年偏高，負積溫偏高。

填色圖表示溫度的變化，等值線為位勢高度，方塊區(qū)為研究區(qū)。a為異常冷年份；b為正常年份；c為異常暖年份。

圖9 500hPa平均環(huán)流場

填色圖表示溫度的變化，等值線為位勢高度，方塊區(qū)為研究區(qū)。a為異常冷年份；b為異常暖年份。

圖10 500hPa異常環(huán)流場

4 結(jié)論

大興安嶺地區(qū)多年平均負積溫空間分布呈南-北型分布，北部負積溫要強于南部，南北相差約2 000 ℃，中部地區(qū)負積溫東西向變化劇烈。

負積溫持續(xù)日數(shù)、起始日期、終止日期的空間分布與負積溫分布均呈南-北型分布。緯度越高，負積溫越低，負積溫持續(xù)日數(shù)越長，北部地區(qū)持續(xù)近6個月，而南部地區(qū)則因起始日期推遲約半個月，結(jié)束日期提前約半個月，因此，持續(xù)日期較北部地區(qū)約短一個月。

大興安嶺地區(qū)年負積溫在20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)一次由低到高的突變，出現(xiàn)了明顯的冷期和暖期。負積溫的起始日期、終止日期和持續(xù)日期均在同一時期發(fā)生了突變，緯度越高突變越明顯。

負積溫異常低的年份無論在對流層低層還是中層，東亞大槽均加強，槽后西北風(fēng)異常強，有利于冷空氣輸送和堆積，暖異常年份則相反。