雅 茹, 麗 娜, 銀 山,3, 包玉海,3

(1.內(nèi)蒙古師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 呼和浩特 010022; 2.東北師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院, 長春 130024; 3.內(nèi)蒙古自治區(qū)遙感與地理信息重點實驗室, 呼和浩特 010022)

氣候條件是人類和動植物賴以生活和生長的基礎(chǔ)，氣候變化早已成為全球備受矚目的問題。IPCC第5次評估報告指出，1880年以來全球平均溫度已升高0.85℃，全球氣候系統(tǒng)已呈現(xiàn)出變暖趨勢，而20世紀(jì)50年代以來的變暖趨勢更加明顯，自1950年以來極端氣候亦發(fā)頻繁[1-2]。極端氣候引發(fā)的熱浪、洪澇、干旱、雪災(zāi)從而造成的供水供電短缺、交通通信和建筑物受損、農(nóng)牧業(yè)減產(chǎn)以及危害人類健康，給社會發(fā)展、國民經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境造成了巨大的損失和破壞[3]，極端氣候事件的研究已成為當(dāng)今社會的焦點問題。

在全球尺度上，隨著日漸變暖的全球氣候，以冷夜日數(shù)的減少及暖夜日數(shù)的增加為主要表現(xiàn)的極端氣溫變化越發(fā)顯著[4]。有關(guān)研究顯示，近幾十年以來在全球眾多地區(qū)如俄羅斯、亞太、美國東部、大洋洲及歐洲的冷夜日數(shù)呈不斷減少的趨勢，相反暖夜日數(shù)則不斷攀升[5-10]。除部分地區(qū)存在一定的區(qū)域差異性外，全球多數(shù)區(qū)域表征高溫的極端氣溫指數(shù)都呈現(xiàn)不同程度的增加趨勢[11-15]。為了增強公眾對中國極端降水事件的認(rèn)知，近年來國內(nèi)學(xué)者就不同流域、不同省域以及不同自然區(qū)域的極端降水事件進(jìn)行了探索性研究[16-17]，但針對局部地區(qū)，特別是生態(tài)環(huán)境脆弱地區(qū)的極端氣候事件的變化規(guī)律的探究需進(jìn)一步深化。

內(nèi)蒙古地區(qū)位于受東南季風(fēng)影響的季風(fēng)邊緣地帶，是西北干旱區(qū)向東北濕潤區(qū)和華北旱作農(nóng)業(yè)區(qū)的過渡帶[18]，也是中國北方溫帶草原的主體，氣候變化十分敏感[19]。研究表明，極端氣候事件會影響草原生態(tài)結(jié)構(gòu)、植物群落，進(jìn)而對草原生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力以及對碳循環(huán)產(chǎn)生負(fù)影響[20]。因此，深刻認(rèn)識和理解極端氣候，研究和掌握其變化規(guī)律對內(nèi)蒙古地區(qū)自然生態(tài)發(fā)展和社會經(jīng)濟(jì)進(jìn)步具有至關(guān)重要的現(xiàn)實意義。本文以內(nèi)蒙古地區(qū)47個分布較均勻的國家級氣象站1960—2015年的逐日最高氣溫、最低氣溫以及降水量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分析長達(dá)56 a的極端氣候事件時空演變規(guī)律，旨在為草原生態(tài)恢復(fù)、內(nèi)蒙古地區(qū)社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及預(yù)防和應(yīng)對災(zāi)害事件的發(fā)生提供進(jìn)一步的理論指導(dǎo)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國北疆大省，位于37°24′—53°23′N，97°12′—126°04′E，東西綿延2 400 km，南北跨度1 700 km，全區(qū)總面積位列我國第三。內(nèi)蒙古地域廣闊，草原面積大，距離海洋較遠(yuǎn)，邊沿有山脈阻隔，大興安嶺北部地區(qū)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，巴彥浩特—海勃灣—巴彥高勒以西地區(qū)屬于溫帶大陸性氣候。年均溫為-4～9℃，夏季短促炎熱，冬季寒冷漫長，氣溫年較差可達(dá)31～45℃，氣溫變化劇烈，冷暖懸殊甚大，氣溫日較差為12～16℃，大風(fēng)日數(shù)多；降水量少且不均勻，年總降水量為35～550 mm，由東北向西南遞減。由東向西從濕潤、半濕潤地區(qū)逐漸過渡到半干旱、干旱區(qū)[21]，從東北至西南的植被類型分別為：森林，森林草原，典型草原，荒漠草原，草原沙漠和沙漠。自然氣候條件惡劣，以及人為活動的污染和破壞，導(dǎo)致此區(qū)域生態(tài)環(huán)境十分脆弱。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

本文所使用的氣象數(shù)據(jù)由中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥cdc.nimc.cn/home.do)提供。為了確保氣象數(shù)據(jù)時間序列的連續(xù)性及準(zhǔn)確性，本文選取了具有完整歷史記錄值的內(nèi)蒙古地區(qū)47個國家級氣象臺站(圖1)1960—2015年的逐日最高氣溫、最低氣溫和降水量數(shù)據(jù)。各站點均勻的分布在研究區(qū)內(nèi)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類型帶、生態(tài)區(qū)和小氣候區(qū)，能夠較好的代表研究區(qū)整體的氣候變化情況。所有站點氣象數(shù)據(jù)在使用前均經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，包括極值檢驗、時間一致性檢驗和均一化檢驗、異常值(如最低氣溫是否大于最高氣溫)檢查。

圖1 研究區(qū)及氣象站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 極端氣候指數(shù) 由國際氣候診斷與指數(shù)專家組(ETCCDMI)確定的“氣候變化檢測和指標(biāo)”已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在世界各國極端氣候事件的分析研究中[22-23]?？紤]到本文研究區(qū)的地理位置和自然環(huán)境特征，選取與本研究區(qū)植被生長和災(zāi)害發(fā)生密切相關(guān)的8個極端氣溫指數(shù)和6個極端降水指數(shù)，其中表示極端高溫事件的指數(shù)為夏日日數(shù)(SU25)、暖晝?nèi)諗?shù)(TX90P)、暖夜日數(shù)(TN90P)、暖持續(xù)指數(shù)(WSDI)，表示極端低溫事件的指數(shù)有霜日日數(shù)(FD0)、冷晝?nèi)諗?shù)(TX10P)、冷夜日數(shù)(TN10P)、冷持續(xù)指數(shù)(CSDI)；強降水量(R95PTOT)、年濕期降水總量(PCRPTOT)、普通日降水強度(SDII)，5日最大降水(RX5day)表明極端降水事件的強度，持續(xù)干燥指數(shù)(CDD)、持續(xù)濕潤指數(shù)(CWD)表明極端降水事件的持續(xù)程度，各極端氣候指數(shù)的具體定義見表1，在此基礎(chǔ)上分析內(nèi)蒙古極端氣候事件的時空演變規(guī)律。極端氣候指數(shù)計算方法采用加拿大氣象研究中心研究人員Xuebin Zhang和Feng Yang基于R編輯器開發(fā)的RClimDex 1.0軟件[24]。

表1 極端氣候指數(shù)的定義

1.3.2 其他研究方法 基于ArcGIS 10.3 軟件對研究區(qū)域內(nèi)47個氣象站點做泰森多邊形分析。通過各站點的影響面積計算出各站點的影響權(quán)重，后對各站點加權(quán)平均得出整個區(qū)域逐年氣候指數(shù)序列[25]。

由于單一的線性回歸法容易受異常值的干擾，且要求數(shù)據(jù)在時間尺度上符合正態(tài)分布，故本文綜合運用線性傾斜估計、Mann-Kendall (MK)趨勢分析和Sen′s斜率法，利用MATLAB軟件計算，對極端氣候事件的年際變化趨勢、各站點長期變化趨勢及幅度進(jìn)行分析[26-27]。并通過反距離權(quán)重空間插值法(IDW)對極端事件的空間變化格局進(jìn)行研究[28]。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫事件時空變化

由表2和圖2可知，內(nèi)蒙古地區(qū)極端高溫事件指數(shù)SU25，TN90P，TX90P，WSDI呈顯著上升趨勢，極端低溫事件指數(shù)CSDI，F(xiàn)D0，TN10P，TX10P呈顯著下降趨勢。就變化速率而言，TN90P的上升速率最快，為3.86 d/10 a，指數(shù)SU25和TX90P的變化速率為2.63 d/10 a和2.20 d/10 a，指數(shù)WSDI較其他指標(biāo)上升速率略小，僅為0.90 d/10 a，極端高溫事件的上升情況表明夜間溫度的上升對氣溫增高的貢獻(xiàn)率較大；極端低溫事件指數(shù)下降速率最快的為FD0，下降速率為-3.94 d/10 a，說明內(nèi)蒙古地區(qū)冬季溫度的不斷增加；TN10P冷夜日數(shù)-3.67/10 a的下降速率也進(jìn)一步證實了內(nèi)蒙古地區(qū)夜間溫度的上升，指數(shù)TX10P的下降速率為-1.52 d/10 a，CSDI指數(shù)下降速率較小，變化速率為-0.61 d/10 a。

表2 內(nèi)蒙古極端氣溫指數(shù)的MK檢驗

注：“*”和“**”分別通過了0.05，0.01的顯著性檢驗。

由研究區(qū)內(nèi)極端氣溫事件MK檢驗以及Sen′s斜率的空間圖分布可知，各極端氣溫指數(shù)有較好的一致性，各站點極端高溫指數(shù)均呈上升趨勢，極端低溫指數(shù)呈下降趨勢。SU25顯著上升站點數(shù)占97.9%，上升速率在0.74～6.51 d/10 a，并且區(qū)域性差異比較明顯，具體表現(xiàn)為自西向東增加的特點，增幅高值區(qū)為額爾古納旗和蘇尼特左旗；各站點TN90P指數(shù)上升趨勢均通過了0.05水平的顯著性檢驗，增幅為0.58～5.86 d/10 a，指數(shù)SU25的空間變化趨勢則相反，西部增幅大于東部；TX90P指數(shù)顯著上升站點數(shù)占91.50%，各站點上升速率差異性不大，在0.81～2.86 d/10 a波動；暖持續(xù)指數(shù)WSDI顯著上升趨勢站點占74.5%，但Sen′s斜率檢驗未能識別出各站點明顯的變化幅度。冷氣溫指數(shù)FD0，TN10P，TX10P的下降速率分別在0.537～7.499 d/10 a，0.340～6.819 d/10 a，0.579～2.810 d/10 a，F(xiàn)D0指數(shù)下降速率最快的站點為臨河區(qū)，且97.9%的站點呈顯著下降趨勢。TN10P指數(shù)下降速率最快的站點為烏蘭浩特市、臨河區(qū)、化德縣，下降速率均在6.15 d/10 a以上；TX10P指數(shù)所有站點均呈顯著下降趨勢。CSDI指數(shù)46個站點均為下降趨勢，但Sen′s未能識別其的下降速率。

圖2 1960-2015年內(nèi)蒙古極端氣溫指數(shù)時空變化趨勢

2.2 極端降水事件時空變化

相比極端氣溫事件而言，極端降水各指數(shù)變化幅度較小。由圖3可知，指數(shù)CDD，CWD，R95 PTOT，RX5day都存在小幅度下降；PRCPTOT(年時期降水總量)呈不顯著的上升趨勢；SDII指數(shù)趨于平穩(wěn)狀態(tài)。極端降水事件各指數(shù)的MK檢驗與Sen′s斜率與線性趨勢一致，其中只有CDD指數(shù)通過顯著性檢驗呈顯著下降趨勢，下降速率為3.311 d/10 a，PRCPTOT指數(shù)小幅度增長，增長速率為1.197 d/10 a(表3)。

由圖3可以看出，極端降水事件各指數(shù)有較明顯的空間差異。SDII指數(shù)呈上升和下降趨勢的站點分別占55.32%和44.68%，其最大值分別位于西部和北部；RX5day指數(shù)各站點變化趨勢總體上以下降為主，其中烏審召、通遼市、開魯縣、扎魯特旗、新巴爾虎右旗呈顯著下降趨勢；R95PTOT指數(shù)的變化幅度為-10.845～8.571 4 mm/10 a，通遼以及鄂爾多斯兩個盟市的下降速率最快；PRCPTOT指數(shù)各站點變化趨勢有比較明顯的南北分異特征，北部呈上升趨勢，南部呈下降趨勢，其中上升的站點較多，占68.09%，上升幅度最大的區(qū)域為東北部地區(qū)，幅度為13.179 mm/10 a。表示極端降水時間持續(xù)性的指數(shù)CDD各站點變化趨勢以下降為主，呈下降趨勢的站點達(dá)89.36%，其中33.33%的站點呈顯著下降趨勢，研究區(qū)內(nèi)僅中南小部分地區(qū)呈上升趨勢；持續(xù)濕潤指數(shù)CWD北部站點多為上升趨勢，南部站點多為下降趨勢，下降趨勢的站點數(shù)達(dá)61.70%，但Sen′s斜率檢驗未能識別出各站點明顯的變化幅度?？傮w而言，極端降水事件存在明顯的空間變化規(guī)律，東部和西部各站點的多降水指數(shù)以上升趨勢為主，中部地區(qū)多以下降趨勢為主。

表3 內(nèi)蒙古極端降水指數(shù)的MK檢驗

注：“*”和“**”分別通過了0.05，0.01的顯著性檢驗。

圖3 1960-2015年內(nèi)蒙古極端降水指數(shù)時空變化趨勢

3 討 論

總體而言，氣候變暖已成為內(nèi)蒙古地區(qū)的主要特征，對松嫩草地[29]、西北地區(qū)[30]、珠江流域[31]的極端氣溫事件的研究結(jié)果也表明各地區(qū)極端氣溫冷事件的減少以及極端氣溫暖事件的增加。并且夜間溫度冷指數(shù)的下降和暖指數(shù)的升高均大于日間冷暖指數(shù)的變化，故夜間溫度的升高對氣候變暖的貢獻(xiàn)率更大，這與白美蘭[32]等研究結(jié)果相同，另有研究結(jié)果表明，導(dǎo)致這一變化是由于冬季溫室氣體的輻射強迫效應(yīng)增強而造成大幅度的升溫[33]。極端降水指標(biāo)變化幅度較小。PRCPTOT指數(shù)呈不明顯的上升趨勢，說明該地降水總量有小幅度增加，且是由于降水持續(xù)時間的增加所致；降水的增加意味著干旱程度的下降，東部和西部各站點CDD指數(shù)在56 a年間的下降趨勢也進(jìn)一步證實了內(nèi)蒙古東西部持續(xù)干燥程度有所下降。

植被對于氣候變化的響應(yīng)尤為敏感。內(nèi)蒙古地區(qū)作為濕潤、半濕潤和半干旱、干旱的過渡帶、農(nóng)業(yè)牧業(yè)交錯帶和生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，極端降水對羊草群落地上生物量以及大針茅地上生物量有顯著的影響，極端高溫的增加會導(dǎo)致群落以及大針茅地上生物量的降低[34]。整體而言，極端降水指數(shù)與內(nèi)蒙古地區(qū)NDVI均值有較強的相關(guān)性，故水分條件仍是內(nèi)蒙古地區(qū)植物生長的主要影響因素[35]。

本文對研究區(qū)極端氣候事件的時空演變規(guī)律做出了詳細(xì)的分析，研究結(jié)果對干旱半干旱區(qū)的生態(tài)恢復(fù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會進(jìn)步等方面的研究有一定的參考意義。王翌等[36]的研究結(jié)果表明經(jīng)緯度和坡度對各極端氣候事件的空間分布有較強的相關(guān)性，ENSO事件(厄爾尼諾—南方濤動事件)、NAOI指數(shù)(北大西洋濤動指數(shù))、AO指數(shù)(北極濤動指數(shù))是極端氣候事件驅(qū)動因素之一[37-39]，且人為因素，如城市化進(jìn)程的加快對極端高溫事件的變化也存在一定的影響[40-41]，故極端氣候事件的影響因素將在未來的研究中進(jìn)行更加深入的探討。

4 結(jié) 論

1960—2015年，內(nèi)蒙古地區(qū)表征高溫的極端氣溫事件的SU25，TN90P，TX90P，WSDI指數(shù)呈顯著上升趨勢；表征極端氣溫事件各冷指標(biāo)CSDI，F(xiàn)D0，TN10P，TX10P呈顯著下降趨勢。并且TN90P的增加速率、TN10P的下降速率均大于TX90P和TX10P，表明夜間溫度增加幅度大于日間溫度的增加幅度。總體而言，內(nèi)蒙古地區(qū)東部極端溫度事件的變化幅度大于西部地區(qū)。

極端降水指標(biāo)變化幅度不明顯，表明內(nèi)蒙古地區(qū)降水情況較穩(wěn)定，CDD指數(shù)的下降速率高于CWD指數(shù)的下降速率，表明內(nèi)蒙古地區(qū)持續(xù)干燥程度有所緩解。極端降水事件各指數(shù)有較明顯的空間差異，東部和西部各站點的SDII，RX5day，R95PTOT，PRCPTOT指數(shù)以增加趨勢為主，CDD在東西部地區(qū)則以下降趨勢為主。總體上，極端降水事件存在明顯的空間變化規(guī)律，東部和西部各站點的多降水指數(shù)以上升趨勢為主，中部地區(qū)多以下降趨勢為主。