內蒙古氣溫突變及其影響因子間的響應關系

周 瑩, 馬 龍, 梁瓏騰

(內蒙古農業大學 水利與土木建筑工程學院, 呼和浩特 010018)

氣溫突變對生態環境等產生了深遠影響，其與影響因子間的響應關系目前尚不明確，定性特別是定量揭示氣溫突變與其影響因子間的響應關系可為突變機制的揭示提供參考。

氣候突變為短時間內氣候從某種穩定狀態轉換為另一種狀態[1]，表現為氣候變化的不連續性，在時間尺度上具有廣泛性[2]，一系列自然證據對此已有充分證明，如冰芯[3]記錄揭示了冰期階段內具有全球意義的氣候突變事件，通過孢粉化石記錄[4]則可以看出全新世紀的氣候發生過兩次重大突變；由氣候突變引起的長期干旱可能導致了瑪雅[5]和美索不達米亞文明[6]的衰落，以及薩赫勒—撒哈拉生態系統嚴重破壞且植被消失變為荒漠[7]。IPCC第五次評估報告指出，近一個世紀以來，全球范圍平均氣溫快速上升[8]。20世紀全球氣溫呈暖—冷—暖變化，極端天氣事件頻發，加劇了水資源分布的不均[2,9-11]。在1970s出現快速上升現象[12]。北半球氣候在1960s發生極為明顯的突變[13-14]。

氣候突變兼具空間尺度上的廣泛性，北美[15]、中亞[16]、加拿大[17-18]以及中國的北方地區[19]、青藏高原[20-21]、黃土高原[10]、華北平原等[22]全球各地在近幾十年均發生氣候突變。研究表明，氣候變化(104～105a)受地球軌道偏心、傾角等變化影響，但對于如此迅速且強烈氣候變化的解釋仍缺乏關鍵證據[23]。氣溫突變與(或可能與CO2輻射強迫[8]、深海熱量(PDO，AMO)[24-25]、太陽總輻射[26]、太陽活動[27]、風速[28]、相對濕度等[29]的變化存在響應關系。總的來看，氣溫突變與多種影響因子間具有單一、融合或疊加的響應關系，十分復雜，如趙宗慈等[30]認為氣溫變暖響應與太陽活動、火山活動和溫室效應等綜合因素有關，但迄今為止還沒有完全揭示這種關系。

目前研究多為氣溫突變成果，變暖停滯有少量研究[31]。其使用站點較少，多為短數據系列，且大多數只揭示平均氣溫的突變規律，忽略了平均最低氣溫和平均最高氣溫的區別，不足以覆蓋普遍特征的氣溫突變[32]。且所選影響因素單一，響應關系不明確。在此基礎上，定性定量地揭示了氣溫突變及其影響因素之間的響應關系。

為使研究具有較高的普遍性和代表性，選取內蒙古地區為研究區[31]。20世紀50年代以來，內蒙古地區氣溫普遍上升，對全球變暖響應敏感[33]，不同地區的氣溫變化格局不同[34]，自東向西氣候類型由濕潤—半濕潤向干旱—半干旱逐漸過渡，氣候差異性顯著[35]，在1977—1996年期間內蒙古各地區氣溫全面發生突變[36-37]，之后發生變暖停滯[31]。氣候變化具有代表性和多元典型性[33-38]。該地區研究多以突變前后特征分析為主，但仍缺乏與影響因子間響應關系的研究。本文采用分布于內蒙古及周邊(漠河、塔河、齊齊哈爾、哈爾濱、酒泉、白城、張掖、武威、通榆、馬鬃山、河曲、大同、右玉、圍場、朝陽、乾安、長春、阜新、中衛、榆林、承德、張家口、四平、沈陽、銀川、嫩江等)的氣象站點3類氣溫(1951—2016年)等實測數據，以及全球CO2輻射強迫等大空間尺度數據，定性、定量揭示氣溫突變與其影響因子間的響應關系，為全球氣候變化研究提供參考。

1 研究區概況、數據與方法

1.1 研究區概況與數據來源

內蒙古自治區坐落于中國北部邊陲(圖1)[31]，主要包括季風氣候、溫帶大陸性氣候等多種氣候類型[31,38]。

本次收集了自建站以來共計70個氣象站點的數據(圖1)，其中全球CO2radiative forcing (CO2)和Annual Greenhouse Gas radiative forcing (AGG)數據來自美國NOAA Earth System Research Laboratory (Global Monitoring Division)，時間序列為1979—2016年；Pacific Decadal Oscillation (PDO)、Atlantic multidecadal Oscillation (AMO)、Multivariate ENSO Index (MEI)，時間序列均為1951—2018年；大氣壓(AP)、風速(WS)、相對濕度(RH)為1951—2016年70個氣象站點的年(月)數據，與氣溫數據使用的氣象站點相對應；太陽總輻射(SR)年數據亦源于中國氣象數據網，共59個氣象站點，覆蓋整個研究區，時間序列為1959—2016年；PDO、風速等時間序列為1951—2016年與氣溫數據使用的氣象站點相對應；太陽總輻射年(月)數據共59個氣象站點，覆蓋整個研究區，時間序列為1959—2016年[31]。

圖1 研究范圍及氣象站站點位置

1.2 數據處理及使用方法

(1) 氣候因子時間序列統一方面，AGG與全球CO2輻射強迫的時間序列統一為1979—2016年；其他數據均統一為1951—2016年。

(2) 氣候影響因子分類方面，將目前認可度較高的AGG(含CO2)、PDO，AMO，MEI，SR歸為明確影響因子[13,39-44]，即第1類影響因子；將可能受氣溫影響并產生反作用的影響因子，視為第2類影響因子[45]，包括WS，AP，RH。

(3) 采用中心聚類法對研究區氣溫分區進行分區[46]。

(4) 采用距離平方反比法對分區氣溫及其影響因子進行區域年面值序列的求取[47]。

(5) 氣溫突變檢驗方面，采用Mann-Kendall非參數統計法[31]。

(6) 氣溫變化劇烈程度方面，使用變異系數[48]。

(7) 采用氣候傾向率法對氣溫及其影響因子變化的時間序列進行趨勢分析[49]。

2 結果與分析

2.1 氣溫突變變化特征分析

采用Mann-Kendall非參數統計法對全區3類氣溫進行突變年份分析，為敘述方便，將各分區3類氣溫1951年—突變年、突變年—2016年分別用T1，T2表示，3類氣溫的年平均值分別用：平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫等簡稱表示(圖2)。

圖2 全區3類氣溫突變年際變化、停滯年份和距平時間序列

整體上，全區3類氣溫突變時間普遍集中于1980s，其中中部區最高氣溫突變最晚(1993年)。同一分區，3類氣溫的突變時間較為接近，最低氣溫整體突變最早，平均氣溫次之，最高氣溫最晚；同類氣溫，除中部區最低氣溫(1982年)外，中部區突變最晚(1982—1993年)，西部區次之(1984—1989年)，東部區最早(1981—1984年)。變異系數指離散程度大小，T1時段，除東部區最低氣溫外，全區最低氣溫整體升溫最快，變化程度最劇烈；平均氣溫升溫速率次之，變化劇烈程度較弱；最高氣溫升溫速率最慢，變化劇烈程度最弱；空間上，平均氣溫、最低氣溫升溫速率均由西向東依次減小，最高氣溫與之規律相反，平均氣溫、最高氣溫變化劇烈程度自東向西依次減弱，最低氣溫則自西向東依次減弱。T2時段，除東部區最低氣溫外，其他區最低氣溫升溫速率最快，平均氣溫次之，最高氣溫最慢，相應地，3類氣溫變化劇烈程度最低氣溫>平均氣溫>最高氣溫；空間上，平均氣溫升溫速率按東、西、中部依次減小，最高氣溫升溫速率自東向西依次減小，平均氣溫、最高氣溫變化劇烈程度自東向西依次減弱，最低氣溫則由中部向西、東部區減小/減弱。

2.2 氣溫突變對第1類影響因子變化的響應

全區3類氣溫與AGG含(CO2)、PDO和AMO、太陽總輻射(SR)、MEI等(1951年—各分區3類氣溫突變年)的相關系數空間分布情況見表1，圖3為代表性分區氣溫與AGG(含CO2)，PDO，AMO，SR，MEI的累積距平年際序列變化情況，限于篇幅，以能代表普遍規律且相關性較好(p<0.05)的分區示例給出。

圖3 典型地區氣溫年際變化及其影響因子的累積距平

工業革命以來，人類活動不斷排放CO2等溫室氣體，大氣CO2福射強迫增加是造成全球變暖的主要原因[23]。由表1可知，全區最低氣溫與AGG，CO2相關性(0.782，0.714)最好，最高氣溫與AGG相關性(0.671，0.630)次之，平均氣溫與AGG相關性(0.623，0.685)相對較差；空間上，除全區最低氣溫與二者和最高氣溫與CO2相關性外，其他類型氣溫與二者相關性均由西東、中部依次減弱。由圖3可知，1979年以來AGG[0.234～0.391 W/(m2·10 a)]、CO2輻射強迫[0.258～0.308 W/(m2·10 a)]呈上升趨勢，氣溫變化與之具有趨勢同向性，并在AGG(含CO2)持續上升3～14 a后，全區3類氣溫發生突變。

太平洋年代際振蕩(PDO)是北太平洋地區氣候變化的一個主要模態，對于中國的氣候變化起重要作用[24]。由表1可知，全區最低氣溫與PDO的相關性最好(0.301)，平均氣溫(0.276)次之，最高氣溫(0.123)最差，除全區最高氣溫與PDO相關性外，中部其他類型氣溫與PDO相關性最好，西部次之，東部最差。由圖3看出，1951—2016年PDO發生了3次明顯的正負位相交替，全區3類氣溫也相應發生了明顯的升降趨勢轉折變化，1951—1959年PDO由負位相轉變為正位相時，3類氣溫呈上升趨勢，1959—1969年PDO整體處于負位相，氣溫呈持續下降趨勢，1969—2008年PDO由負位相轉為正位相且持續上升6～18 a(0.482/10 a)，3類氣溫呈持續上升趨勢并普遍于該階段發生突變。

AMO指發生在北大西洋區域空間上具有海盆尺度，時間上具有多年尺度的海表溫度準周期性暖冷異常變化，在歐亞大陸的表面氣溫及全球其他區域氣候演變中發揮了重要作用[25]。由表1可知，除中部3類氣溫外，其他分區最高氣溫與AMO相關性最好(0.354)，平均氣溫(0.324)次之，最低氣溫(0.278)最差；除最低氣溫與AMO的相關性外，最低氣溫、最高氣溫均與AMO的相關性均由自西向東部依次減弱。由圖3可知，全區氣溫與AMO逐年變化具有相似性，AMO分別在1963年與1995年發生了兩次明顯的正負位相交替，在1951—1974年呈下降趨勢(-0.24/10 a)，1974—1998年AMO處于負位相且持續上升(0.143/10 a)7～19 a時，3類氣溫發生突變。

太陽輻射(SR)是指太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，太陽向宇宙空間發射的電磁波和粒子流。由表1可知，全區3類氣溫與SR均呈負相關關系，全區最低氣溫與SR的相關性(-0.453)>平均氣溫(-0.308)>最高氣溫(-0.225)；空間上，除全區平均氣溫與SR的相關性由西向東依次減弱，最高氣溫、最低氣溫與SR的相關性均由西部向東、中部依次減弱。由圖3來看，1959—1989年太陽總輻射呈快速下降趨勢[-19.54 MJ/(m2·10 a)]，氣溫與其具有趨勢反向性，在此階段3類氣溫普遍發生突變；1989—1994年太陽總輻射急劇上升[7.50 MJ/(m2·10 a)]，氣溫隨之快速下降。

MEI基于熱帶太平洋上的海平面氣壓、地面緯向風、地面經向風、海表溫度、海面氣溫和總云量6個要素綜合地監測、診斷和判別厄爾尼諾(ENSO)事件的發生[31]。由表1可知，除中部3類氣溫外，西、東部平均氣溫與MEI相關性(0.345，0.201)>最高氣溫(0.305，0.198)>最低氣溫(0.246，0.123)；空間上，西部3類氣溫與MEI的相關性均最好，除平均氣溫外，其他類型氣溫均中部與MEI的相關性次之，東部最差。從圖3上看，MEI整體呈上升趨勢，全區3類氣溫與其變化趨勢一致，且逐年變化以年際振蕩同向性為主，但其間存在年際震蕩反向性階段(持續2～5 a)。在1976—1997年MEI呈持續快速上升(0.541/10 a)趨勢，平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫于該時段陸續發生突變。

表1 全區3類氣溫與第1類影響因子相關性的空間分布

綜上，AGG(含CO2)呈線性上升，氣溫變化與其具有趨勢同向性，氣溫突變與AMO持續上升的時間具有一致性，且對PDO處于正位相且持續上升響應之間存在滯后現象，與太陽總輻射快速下降、MEI快上升趨勢時間一致；與MEI存在年際振蕩同向性/反向性周期交替變化。

2.3 氣溫突變對第2類影響因子變化的響應

圖4為氣溫與第2類影響因子標準化時間序列變化示意圖，詳細方法見參考文獻[31]。影響因子可能發生突變更早，且在氣溫突變后仍在一定階段內保持這種趨勢。全區3類氣溫與第2類影響因子的相關性空間分布見表2，氣溫及其影響因子累積距平的年際變化見圖5，限于篇幅，以能代表普遍規律且相關性較好并通過99%顯著性檢驗的分區示例給出。

由圖4及圖5可以看出，全區3類氣溫與風速存在5～20 a左右的年際振蕩同向性/反向性交替周期性的變化。由表2可知，平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫突變前與全區風速均呈極顯著負相關關系，平均氣溫、最高氣溫與風速的相關性由東向西依次變好，最低氣溫則由中部分別向東、西方向變差，最低氣溫與風速相關性整體(-0.685)>平均氣溫(-0.625)>最高氣溫(-0.505)。總得來說，氣溫上升與風速減小存在密切關系，風速在1951—1960年左右(1959—1977年)普遍呈持續上升趨勢[0.01～1.16 m/(s·10 a)]，其后至1986年左右(1981—1993年)為下降趨勢(1981—1993年為全區各類氣溫突變時間范圍，風速在此之后至2008年左右仍呈下降趨勢，以下類似表述思路同此。由圖4可知當風速持續下降3～28 a，11～25 a，6～21 a，傾向率達到-0.53～-0.24 m/(s·10 a)，-0.25～-0.24 m/(s·10 a)，-0.39～-0.30 m/(s·10 a)時，平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫分別發生突變。

由圖4及圖5可知，全區平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫與相對濕度整體具有年際振蕩反向性關系。由表2可知，全區3類氣溫與相對濕度均呈極顯著負相關關系，除東部外，其他分區均最高氣溫與相對濕度相關性最好，平均氣溫次之，最低氣溫最差；最高氣溫與相對濕度相關性中、東、西部依次減弱，其他氣溫與其相關性則均為東部(-0.334～-0.350)>中部(-0.424～-0.485)>西部(-0.457～-0.550)。整體上看，氣溫上升與相對濕度減小關系密切，且二者趨勢峰(谷)值整體對應關系較好；相對濕度在1951—1966年左右(1964—1988年)普遍呈下降趨勢(-0.34～-0.56%/10 a)，西部平均氣溫、西部最低氣溫與之相反；其后至1986年左右(1981—1993年)，全區相對濕度普遍呈下降趨勢(-0.18～-0.11%/10 a)，中部平均氣溫、西部最高氣溫與之相反。由圖4可知當相對濕度持續下降16～22 a，16～20 a，11～29 a，傾向率達到-0.12～-0.11%/10 a，-0.14～-0.11%/10 a，-0.13～-0.12%/10 a時，3類氣溫發生突變。

由圖4及圖5可知，氣溫與大氣壓存在年際振蕩同向性/反向性交替周期變化(3～20 a)。除最高氣溫外，其他氣溫與大氣壓相關性自西向東依次增強；西部最高氣溫與大氣壓相關性最好(-0.328)，平均氣溫次之(-0.255)，最低氣溫(-0.225)最差；中部平均氣溫與大氣壓相關性最好(0.375)，最低氣溫次之(0.313)，最高氣溫較差(0.205)；東部最低氣溫與大氣壓相關性最好(0.603)，平均氣溫次之(0.550)，最高氣溫較差(0.534)。整體上看，除西部最高氣溫外，西、中部大氣壓在1951—1968年左右(1965—1978年)普遍呈持續上升趨勢(0.12～0.24 hPa/10 a)，東部在1951—1966年普遍呈下降趨勢(-0.35～-0.42 hPa/10 a)；其后至1986年左右(1981—1993年)大氣壓持續增加。由圖4可知當大氣壓持續增加17～24 a，17～20 a，17～25 a，傾向率達到0.10～0.17 hPa/10 a，0.11～0.42 hPa/10 a，0.11～0.42 hPa/10 a時，3類氣溫發生突變。

圖4 氣溫與第2類影響因子標準化時間序列變化

圖5 典型地區氣溫年際變化及其影響因子的累積距平

整體上看，1980s～1990s，隨AGG(含CO2)持續增大、AMO持續上升、PDO處于正位相階段且呈上升趨勢、太陽總輻射快速下降、MEI快速上升、全區風速和相對濕度持續下降、大氣壓持續上升，全區氣溫發生突變，突變是各影響因子共同作用的結果。

3 討 論

全區3類氣溫在1981—1993年全面發生突變[38]，整體由東向西突變依次變晚。氣溫突變現象在全球尺度上均有發生，如法國在1987—1988年春季增溫顯著[49]，中亞[15]和東北亞[50]地區分別突變于1980s和1990s中期以后，這與本文研究結果一致。

總體來看，同一分區平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫突變年份較為接近，全區平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫與其對應的風速、大氣壓、相對濕度以及全球尺度下的MEI普遍存在年際振蕩同向性與年際振蕩反向性周期交替現象；1980s—1990s，隨全區AGG(含CO2)、正位相PDO，AMO，MEI、大氣壓持續上升，SR、風速和相對濕度快速下降，全區氣溫發生突變，表明不同時段影響因子可能會削弱或強化突變的效果，且影響因子并不唯一、響應關系并不單一。

已有研究表明，影響氣溫突變的因子多樣，存在錯綜復雜的響應關系，其中主要存在兩類響應關系，一是趨勢同向性，如1980s—1990s，溫室氣體可吸收長波輻射使得大氣因吸收到的能量增多而變暖[51]；當PDO位于年代際正位相時對最高、平均和最低氣溫變暖影響較大，冬季尤為顯著[52]；東亞地區厄爾尼諾導致的熱帶印度洋變暖[53]，進而導致氣溫變暖；AMO正位相對應的中國冬季氣溫整體偏高[54]，并使氣溫持續上升發生突變；西部區3類氣溫與氣壓整體呈負相關是由于西部大氣壓增高，西風顯著減弱使得東亞季風攜帶水汽更容易向西北輸送，帶來降溫效果，而中、東部區3類氣溫與氣壓整體呈正相關是由于東亞季風水汽向東輸送濕潤暖空氣，使得北太平洋的冷空氣減少，東亞北部到西北太平洋地區有異常暖平流，使研究區中、東部區增溫[55-56]，氣壓降低，氣旋性環流異常加強，與春季盛行西風疊加，造成風速的增加，使得氣溫降低[57]。

表2 全區3類氣溫與第3類影響因子相關性的空間分布

二是趨勢反向性，如1970s研究表明在內蒙古東部發生氣溫突變時，該地區總云量不斷上升但仍處于負位相，而云量使得太陽總輻射對氣溫作用削弱，對氣溫下降作用減弱，而其他影響因子對氣溫影響作用更為顯著，使得氣溫上升[58]；北極濤動[59]、ENSO[60]等通過影響大氣環流的變化及下墊面物理狀況的改變，比如地表粗糙度、感熱、潛熱等的變化，會改變下墊面的動力及熱力特征等均引起風速變化[57]；不同的下墊面有不同的增濕作用[61]；氣溶膠濃度的降低，使得氣溫發生顯著上升[62]；1980年后，中國地區對流層臭氧整體呈現緩慢的下降趨勢，導致對流層和近地面層溫度不斷增加[63]。在已有研究的基礎上，更綜合考慮多方面因素，定性更定量的揭示氣溫突變與其多種影響因子間的響應關系，對全國乃至全球氣候變化及其引起的災害研究有一定借鑒作用。

由于數據序列長度較短，在揭示氣溫突變響應及其影響因子的變化規律仍存在局限性和不足。年序列可能降低甚至掩蓋對季節(月)氣溫突變的敏感性，本文僅對年序列進行分析，可能會對研究結論產生一定的影響。同時，考慮到影響因素不是很全面且采用方法單一，也會對研究結論產生影響，后續將結合更多的影響因素和長序列數據，從年、季、月尺度出發，進行下一步的研究。

4 結 論

(1) 全區3類氣溫在1981—1993年全面發生突變，同一分區3類氣溫突變年份較為接近，由西向東氣溫突變依次變早。

(2) 總得來說，最低氣溫與AGG(含CO2)，PDO，SR，風速相關性最好，平均氣溫與PDO，MEI，SR，風速次之。空間上，西部區3類氣溫與AGG(含CO2)，SR，MEI相關性最好。

(3) AGG(含CO2)在1980s—1990s持續上升、PDO處于正位相階段且呈上升趨勢、AMO持續上升、SR快速下降、MEI快速上升、各分區風速和相對濕度持續下降、大氣壓持續上升，各分區氣溫發生突變。如當AGG(含CO2)持續上升2～9 a且傾向率達到0.234～0.285 W/(m2·10 a)，太陽總輻射快速下降(-19.54 MJ/(m2·10 a))，風速持續減小3～28 a且傾向率達到-0.53～-0.24 m/(s·10 a)時，平均氣溫發生突變.各分區3類氣溫突變的發生是這些影響因子共同作用的結果。