1960—2015年呼倫貝爾草原氣溫和降水格局變化特征*

張 釗，陳寶瑞，辛曉平※

(1．中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081； 2.中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅蘭州 730000)

0 引言

氣候變化作為人類面臨的重要問題受到各國政府、社會和科學界的廣泛關注。相關研究表明：從1951—2000年全球溫度升高0.49～0.89℃，其中1983—2012年這30年是過去800年中全球最熱的30年[1]。全球氣候變化對不同地區產生的影響并不一致，對于中國北方的增溫趨勢更為明顯[2]，整個內蒙古地區在過去53年中表現出氣溫升高，降水波動，部分區域減少的變化趨勢[3-4]，我國東北地區近50年均溫升高1.5℃，冬春兩季溫度升高更顯著[5]，東北地區整體降水總量沒有顯著變化，但是出現極端化，不均衡化發展趨勢[6]。呼倫貝爾草原區位于內蒙古草原的最東端，同時受到北冰洋的高氣壓帶和日本海低氣壓帶影響，當地以放牧、刈割為主要利用方式的草原生態系統對氣候變化非常敏感。科學評估長時間序列草原區氣候變化趨勢和規律，為提出草原生態保護與恢復的合理建議，保障區域生態安全和預測未來氣候變化提供重要的科學參考和決策支持。

1 資料選取與方法介紹

呼倫貝爾草原區位于內蒙古高原東北部的海拉爾盆地及其周邊地區。該區地處溫帶—寒溫帶氣候區，年均溫-2.6～1.8℃； 屬于干旱—半干旱氣候，年降水量150～540mm。全年無霜期80～110d。地表植被以草原植被為主，自西向東分布著荒漠化草原、典型草原、溫性草甸草原、稀樹草原等多種草原類型。研究區內有5個國家基本氣象臺站(50425額爾古納市、50514滿洲里市、50527海拉爾區、50603新巴爾虎右旗、50618新巴爾虎左旗)分別處于不同草原類型區。氣象資料來源為中國氣象科學數據共享網(http：//data.cma.cn//)提供的中國地面氣候資料日值數據集(V3.0)中這5個基準站1960—2015年逐日氣溫降水數據。首先對數據進行質量控制，檢查數據中是否有錯誤值、缺失值、微量值和極大極小值，錯誤值和缺失值通過按缺測處理，微量值作為0處理，極大極小值和周邊站點相同時間對比，如果數據合理則保留，如果數據不合理則刪除按照缺測處理[7]。然后采用標準正態檢驗對氣象數據進行均一性檢驗，確認了氣象數據的準確性和可靠性[8]。

文章采用世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)推薦的Mann-Kendall非參數趨勢檢驗來判斷研究區56年來氣溫和降水的變化趨勢，用Sen′s斜率估計來反映氣溫和降水在56年中的變化速度。Mann-Kendall趨勢檢驗屬于非參數檢驗，最大優點是樣本不需要符合一定的分布，也不受極大極小值影響，非常適合類型變量和順序變量趨勢分析。Mann-Kendall非參數趨勢檢驗的統計量Z為正值代表被檢驗數據序列呈現增加趨勢，負值代表被檢驗數據序列呈現減少趨勢[9]。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64、2.32時表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗[10]。Sen′s斜率估計計算的是序列數據斜率的中值，可以很直觀的反應序列數據的增減速度，而且不受數據分布和異常值的干擾。Sen′s斜率估計的統計量β大于0的時候代表被檢驗數據序列呈現增加趨勢，負值代表被檢驗數據序列呈現減少趨勢[11]。Sen′s斜率估計不能判斷趨勢顯著性，因此一般Sen′s斜率估計和Mann-Kendall趨勢檢驗組合使用。

根據不同日降水量進行單日降水格局分析，根據連續降水事件持續時間出現次數進行全年降水格局分析。依據WMO的定義：日降水量≥1.0mm視為有雨日，日降水量<1.0mm視為無雨日。連續降水日最小時間單位為1d。雨量分級根據呼倫貝爾地區歷年降水特征區分為1～5mm， 5～10mm， 10～20mm， 20～30mm， 30～40mm， 40～50mm， 50mm以上共計7級。連續降水根據呼倫貝爾地區歷年降水特征區分為1～8d， 8個不同連續降水級別。

圖1 1960—2015年呼倫貝爾草原區年均溫

2 結果與分析

2.1 氣溫變化趨勢和變化速度

1960—2015年呼倫貝爾草原區年均溫在波動中增加(圖1)，根據Mann-Kendall趨勢檢驗結果整個草原區呈現極顯著的增長趨勢，年均溫增加中值為0.04℃/年，其中海拉爾區的氣溫增加速度最大，年均溫增加中值達到0.04℃/年(表1)。從季節尺度看，第二季度均溫增加速度最大，年均溫增加中值達到0.05℃/年。綜合看位呼倫貝爾草原區的東部和南部(新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和海拉爾區)第一、二季度增溫較多。草原區的西部和北部(滿洲里市和額爾古納市)，第二、三季度增溫較多，第一季度氣溫并沒有顯著增長趨勢。第二季度增溫較快的結論與趙秀蘭[12]對過去50年東北地區北部增溫規律分析相一致。

表1 呼倫貝爾草原區年均溫變化趨勢檢驗

氣象站統計指標第一季度第二季度第三季度第四季度年際50618Z2.23??4.57???4.81???3.06???4.62???β(℃/年)0.050.040.030.040.0450603Z2.01??4.93???4.63???2.47???4.67???β(℃/年)0.050.040.030.040.0450527Z2.33???4.95???4.93???2.70???4.24???β(℃/年)0.050.050.030.040.0450514Z1.054.47???4.36???1.62?3.75???β(℃/年)0.030.050.040.020.0350425Z0.476.01???6.28???1.81??4.45???β(℃/年)0.010.070.050.020.04整體研究區Z1.62?4.99???5.00???2.33???4.43???β(℃/年)0.040.050.040.030.04 注:?代表90%信度顯著性,?? 代表95%信度顯著性,??? 代表99%信度顯著性

圖2 1960—2015年呼倫貝爾草原區 年均溫Mann-Kendall突變分析

圖3 1960—2015年呼倫貝爾草原區平均年降水

根據Mann-Kendall突變檢測結果UF(k)代表氣溫變化趨勢，UB(k)代表氣溫反序列變化趨勢，UF(k)和UB(k)交叉點為氣溫變化突變點(圖2)呼倫貝爾草原區在1965—1975， 1977—1982， 1984—1986年間呈現輕微下降趨勢，其他時間均呈現增加趨勢。氣溫變化的突變點出現在1987年，從1987年之后氣溫增加趨勢不斷增強，到1992年呈現顯著增加趨勢，到1994年呈現極顯著增加趨勢。這一結論與王勁松等[13]對過去100年亞洲干旱區第三次增溫高峰在20世紀90年代出現的觀點相符合。與翟獻帥等[14]對1981—2010年東北三省的分析稍有不同，東北三省在2000年之后升溫速度變緩，而呼倫貝爾草原區依然呈現顯著增溫趨勢。

2.2 降水變化趨勢和變化速度

1960—2015年呼倫貝爾草原區年降水呈波動變化(圖3)。根據Mann-Kendall趨勢檢驗結果整個草原區呈現不顯著的減少趨勢，年降水減少中值0.41mm，其中滿洲里市降水呈現顯著的下降趨勢，年降水減少中值1.04mm(表2)。從季節尺度看，第一、四季度降水呈現顯著的增加趨勢，年增加降水中值分別為0.07mm和0.23mm，第三季度降水呈現顯著的下降趨勢，第三季度年降水減少中值0.92mm，第二季度變化并不顯著。綜合分析呼倫貝爾草原區東部和南部(新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和海拉爾)第一、四季度降水顯著增加，第三季度降水顯著減少。西部和北部(滿洲里和額爾古納)第四季度降水顯著增加，第三季度降水顯著減少。整體草原區分析年降水量變化并不顯著。這一結論與蘭玉坤[15]和錢正安[16]等對內蒙古降水變化趨勢分析和降水分布細節有共同之處。

根據Mann-Kendall突變檢測結果UF(k)代表降水變化趨勢，UB(k)代表降水反序列變化趨勢，UF(k)和UB(k)交叉點為降水變化突變點(圖4)呼倫貝爾草原區在1977—1980， 1983—2003年間呈現上升趨勢，其他時間均呈現下降趨勢。降水變化在1963年、1973年、1999年、2013年、2014年均出現突變點。除1966年、1969年和1972年降水下降趨勢顯著以外，其他年份降水變化均不顯著。

表2 呼倫貝爾草原區年降水量變化趨勢檢驗

氣象站統計指標第一季度第二季度第三季度第四季度年際50618Z3.18???0.50 -1.89??4.03???0.08 β(mm/年)0.120.14-0.75 0.330.0350603Z1.94??0.54 -2.20??4.24???-1.00 β(mm/年)0.05 0.15 -1.17 0.23-0.81 50527Z2.51???0.86 -1.36?3.63???0.06 β(mm/年)0.130.27-0.650.350.04 50514Z0.36 -0.04 -2.11??2.16??-1.79??β(mm/年)0.01-0.01-1.250.08-1.04 50425Z1.24 1.09 -1.28?2.26??-0.36 β(mm/年)0.060.35-0.79 0.18-0.26 整體研究區Z1.85??0.59 -1.77??3.26???-0.95 β(mm/年)0.07 0.18-0.92 0.23 -0.41 注:?代表90%信度顯著性,?? 代表95%信度顯著性,??? 代表99%信度顯著性

圖4 1962—2012年呼倫貝爾草原區 平均年降水Mann-Kandell突變分析

圖5 呼倫貝爾草原區各降水量級出現頻率和降水貢獻率

2.3 降水量級分布格局與變化趨勢和變化速度

分析各降水量級出現頻率和降水貢獻率圖5可以看出呼倫貝爾草原區1～5mm降水頻率占全年降水事件的60%以上， 5～10mm， 10～20mm降水頻率次之分別為19%， 14%， 20mm以上降水事件出現頻率很低。然而，降水貢獻率最高的卻是10～20mm降水，貢獻全部降水的28%， 1～5mm， 5～10mm降水次之，分別貢獻23%， 21%。

從各降水量級出現頻率變化趨勢檢驗表3中可以看出：呼倫貝爾草原區在研究的56年中， 1～5mm降水頻率較顯著增加，年增加中值0.102%，其中南部地區(新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗)1～5mm降水頻率顯著或極顯著增加，新巴爾虎右旗1～5mm降水頻率年增加中值0.260%； 5～30mm降水頻率出現趨勢不顯著的減少趨勢，其中新巴爾虎左旗20～30mm降水頻率呈現極顯著的降低，新巴爾虎右旗5～10mm降水頻率顯著減少。綜合看呼倫貝爾草原區除北部額爾古納以外，中南部均表現出1～5mm降水頻率顯著或不顯著增加。

從各降水量級降水貢獻率變化趨勢檢驗表4中可以看出：呼倫貝爾草原區在研究的56年中， 1～5mm降水貢獻率較顯著增加，年增加中值0.092%，其中南部地區(新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗)1～5mm降水貢獻率顯著或極顯著增加，新巴爾虎右旗1～5mm降水貢獻率年增加中值0.225%； 5～30mm降水貢獻率出現趨勢不顯著的增減波動，其中新巴爾虎左旗10～30mm降水貢獻率呈現顯著或極顯著的降低，而海拉爾區則表現出10～20mm降水貢獻率顯著增加。綜合看呼倫貝爾草原區除東部海拉爾區外，其余中部西部均表現出大中型降水貢獻率波動或減少； 除北部額爾古納以外，中南部均表現出1～5mm降水貢獻率顯著或極顯著增加。呼倫貝爾地區出現的極端降水減少與小型降水增加趨勢與全內蒙古1961—2008年極端降水變化規律有相似之處[17]。

表3 1960—2015年呼倫貝爾草原區各雨量級降水出現頻率變化趨勢檢驗

氣象站1^5mm5^10mm10^20mm20^30mm30^40mm40^50mm50mm以上50618Z1.97??-0.64 -1.48?-2.49???1.07 0.04 0.65 β(%/年)0.116-0.043 -0.062-0.0580.000 0.000 0.000 50603Z3.22???-2.29??-1.00 -1.48?-1.11 0.49 -0.68 β(%/年)0.260-0.131-0.057 -0.0080.0000.000 0.000 50527Z1.17 -1.45?0.76 -1.44?-1.17 -0.42 1.11 β(%/年)0.070-0.0770.023-0.0330.000 0.000 0.000 50514Z1.03 -0.30 -0.43 -0.13 1.36?-0.36 -1.14 β(%/年)0.069-0.026-0.0240.000 0.000 0.000 0.000 50425Z-0.06 0.12 -0.08 -0.12 0.42 -0.69 0.27 β(%/年)-0.0030.010-0.0040.000 0.000 0.000 0.000 整體研究區Z1.46?-0.91 -0.45 -1.13 0.11 -0.19 0.04 β(%/年)0.102-0.054-0.025-0.0200.000 0.000 0.000 注:?代表90%信度顯著性,?? 代表95%信度顯著性,??? 代表99%信度顯著性

表4 1960—2015年呼倫貝爾草原區各雨量級降水貢獻率變化趨勢檢驗

氣象站1^5mm5^10mm10^20mm20^30mm30^40mm40^50mm50mm以上50618Z2.01??0.06 -1.28?-2.44???1.36?0.01 0.56 β(%/年)0.1280.005-0.100-0.171 0.000 0.000 0.000 50603Z3.26???-0.04 0.46 -1.17 -0.88 0.52 -0.57 β(%/年)0.225-0.0050.0400.000 0.000 0.000 0.000 50527Z1.39?-1.06 1.70??-1.06 -1.39??-0.40 1.19 β(%/年)0.054-0.069 0.105-0.0870.0000.0000.00050514Z1.02 -0.28 -0.35 0.16 1.32?-0.36 -1.16 β(%/年)0.052-0.028-0.0280.0050.000 0.000 0.000 50425Z-0.42 -0.02 0.19 -0.07 0.52 -0.42 0.31 β(%/年)-0.000 0.0100.0130.000 0.000 0.000 0.000 整體研究區Z1.45?-0.27 0.14 -0.92 0.19 -0.13 0.07 β(%/年)0.092-0.0170.006-0.0510.000 0.000 0.000 注:?代表90%信度顯著性,?? 代表95%信度顯著性,??? 代表99%信度顯著性

圖6 呼倫貝爾草原區各時長降水事件出現頻率和降水貢獻率

2.4 連續降水分布格局與變化趨勢和變化速度

分析各時長降水事件出現頻率和降水貢獻率圖6可以看出呼倫貝爾草原區1d降水出現頻率占全年降水事件的67%以上，2～3d降水出現頻率次之分別為22%， 7%，連續4d或4d以上降水事件出現頻率很低。降水貢獻率隨著降水頻率的減少而減少，但1d降水的貢獻率僅為39%，2d和3d降水貢獻率次之分別為31%， 16%。

從各時長降水事件出現頻率變化趨勢檢驗表5中可以看出：呼倫貝爾草原區降水事件時長并沒有顯著變化，但滿洲里市持續3d降水顯著減少，單獨1d降水顯著增加。

表5 呼倫貝爾草原區各時長降水事件出現頻率變化趨勢檢驗 d

從各時長降水貢獻率變化趨勢檢驗表6中可以看出：呼倫貝爾草原區各時長降水貢獻率并沒有顯著變化，但海拉爾區單獨1d降水和新巴爾虎右旗持續2d降水的貢獻率都有顯著增加的趨勢。綜合降水事件頻率和降水貢獻率看，呼倫貝爾草原區的降水出現部分地區顯著的均勻化趨勢，根據張雪艷[18]、張美杰[19]對連續降水分布和旱災綜合評價的方法看，未來該區域出現長期干旱的可能性在減少。

表6 呼倫貝爾草原區各時長降水貢獻率變化趨勢檢驗 d

3 結論

(1)呼倫貝爾草原區在研究的56年中氣溫呈現出極顯著波動增加的趨勢，年均溫增加中值0.04℃。第一季度表現為顯著增加，其他3個季度氣溫均表現為極顯著增加。第二季度增溫速度最大，年均溫增加中值0.05℃。海拉爾區增溫速度為草原區最快達到年均溫增加中值0.04℃。

(2)呼倫貝爾草原區在研究的56年中降水呈現出不顯著的波動下降趨勢，年降水中值減少0.41mm。其中第三季度降水量顯著下降，年降水減少中值0.92mm； 第一、四季度降水量顯著增加，年降水增加中值0.07～0.23mm； 第二季度變化較小。滿洲里市降水量極顯著下降，下降速度為草原區最高達到年降水減少中值1.25mm。

(3)呼倫貝爾草原區過去56年1～5mm降水次數和總降水貢獻率呈顯著增加趨勢，年增加中值0.102%； 5～30mm降水次數呈現減少趨勢，年減少中值0.020%～0.054%； 5～10mm和20～30mm降水貢獻率呈現減少趨勢，年減少中值0.02%～0.05%； 30mm以上降水出現頻率很低。

(4)呼倫貝爾草原區過去56年歷時1～3d的降水是主要的連續降水類型。單日降水頻率呈不顯著增加趨勢，年頻率增加中值0.07%，歷時2～3d連續降水頻率呈不顯著減少趨勢，年頻率減少中值0.009%～0.015%。歷時1～2d降水貢獻率呈不顯著增加趨勢，年貢獻率增加中值0.04%～0.09%， 3d連續降水呈減少趨勢，年貢獻率減少中值0.007%。

(5)呼倫貝爾草原區過去56年整體表現出暖干化的趨勢，年內尺度降水表現為均勻化趨勢，第三季度減少，第一、四季度增加。降水格局表現為分散化的趨勢，極端降水事件減少，小雨增加； 連續降水減少，單日獨立降水增加。

暖干化的趨勢與全球氣候變暖對北方草原整體的影響相一致，這使得未來呼倫貝爾草原區草地生產力面臨嚴重的考驗。降水分散化和均勻化趨勢則對草地生態系統的物質積累和能量流動產生根本性影響，傳統的優勢物種和建群物種，在氣候變化的格局下生產力和競爭力會具有很強的不確定性，群落結構和生態系統穩定性都有待更細致的研究與分析。希望該文基于1960—2015年的呼倫貝爾草原區氣象數據進行統計與分析得出的氣候變化規律與結果能對未來分析呼倫貝爾草原對氣候變化的響應起到參考和鋪墊作用。