近百年来全球气候显著变暖, 全球气温升高会影响极端气温值变化, 还会导致高温和干旱等各种极端气候事件的强度加剧, 频率增多。极端天气气候事件指发生概率较小, 但会伴随发生严重灾害气候过程的异常高(低)温和强降水等天气气候事件^[1]。史兴民等^[2]研究表明, 陕西关中地区近48 a来气温整体呈现波动上升的趋势, 并且其上升速率高于全球气温上升水平。李如意等^[3]对陕西商州近60 a极端气温变化的研究表明其平均气温呈缓慢上升趋势, 四季变化趋势缓和。申红艳等^[4]对青海省极端气温事件的研究表明, 青海省年平均气温与极端气温指数有明显相关性, 气温突变(变暖)前后极端气温指数表现出明显差异, 霜冻和冷夜等冷指数明显减少, 夏日、暖夜及暖昼指数明显增加。李红英等^[5]对近60 a来河西走廊极端气温的变化特征研究得出, 河西走廊的极端最高和最低气温呈增高趋势, 并且极端最低气温的增温幅度更大。白美兰等^[6]对内蒙古地区1961—2010年极端气候事件变化特征的研究表明, 内蒙古地区近50 a的四季平均气温均发生了突变, 春季是四季中气温突变时间发生最早的季节, 最晚是夏季; 极端低温事件指标表现出减少趋势, 增暖和低温减少趋势在气温突变之后表现尤为明显。杨丽萍等^[7]对锡林郭勒草原东南部近60 a气温变化特征的研究表明, 研究区气温明显上升, 其中12月和2月增温幅度最显著; 年、季极端最低气温的升温趋势明显高于极端最高气温; 年、季、月平均最低气温的升温趋势同样高于平均最高气温。由气候变率与可预测性研究计划(CLIVAR)和世界气象组织气候委员会(WMO-CCL)共同发起成立了气候变化监测、检测和指数专家小组, 从众多的监测和研究计划中选取了包括16个极端气温指数和11个极端降水指数的27个核心指数, 通过这些极端指数可以全面、客观、科学地认识全球陆地极端气候的变化规律和原因^[8]。

内蒙古草原区自然条件较严酷, 复杂的社会和经济状况使得该地区成为气候变化响应的敏感脆弱区^[9]。20世纪80年代中期以来, 内蒙古地区气候总体朝着较好的方向发展, 无霜期延长和积温升高使得水热条件得到较好改善, 宜农地带有北推和扩大的迹象^[10]。但气候变暖使得草原病虫害增加^[11], 极端高温天气增多使蒸发量增加, 草原沙化和荒漠化现象加重, 出现明显的暖干化现象。因此, 笔者应用极端气温指数, 对内蒙古西部3个地面观测站的数据进行研究, 以便为减少极端气候变化造成的损失提供科学依据。

1 资料与方法 1.1 资料来源

研究所用气象资料均来自于中国气象科学数据共享网(http://cdc.cma.gov.cn)中地面日值数据集, 考虑到选取的气象站点需要具备连续不间断的近60 a逐日气温记录，对内蒙古西部气象站点进行筛选后，选取了1958—2014年有完整逐日最高气温、最低气温及平均气温记录的3个气象站点, 分别为内蒙古西部巴彦淖尔的临河、阿拉善盟的吉兰太和阿拉善左旗。所采集的数据都经过较为严格的质量控制, 数据准确翔实且无缺失。

1.2 极端气温指数分类

采用CLIVAR和WMO-CCL选出的16个极端气温指数中的10项指数进行统计、绘图及分析研究。极端气温指数(表 1)可以分为3类:第1类为极值指数, 指年日最高(最低)气温的最大(最小)值; 第2类为绝对指数, 指每年日气温超过某固定阈值的日数, 包括夏日、冰日、热夜和霜冻; 第3类为相对指数, 用百分位阈值来确定, 包括冷日、暖日、冷夜和暖夜, 比如选取1970—1999年这30 a作为基期, 分别对这30 a每年同一日的最低(最高)气温进行升序排列, 之后选取第10个百分点的值作为该日的下阈值, 第90个百分点的值作为该日的上阈值, 然后将该阈值与1958—2014年每年同一日的最低(最高)气温进行比较, 若某日的最低气温小于下阈值, 则认为该日为冷夜, 日最低气温大于上阈值, 为暖夜; 某日的最高气温小于下阈值, 则认为该日为冷日, 日最高气温大于上阈值, 为暖日。

1.3 研究方法

采用线性趋势分析、距平和累积距平分析等方法分析内蒙古西部气温变化特征及趋势, 通过Morlet复数小波、主成分分析和Mann-Kendall检验法, 对1958—2014年内蒙古西部地区极端气温的周期性变化、突变性以及各极端气温指数之间的相关性进行分析。

2 结果与分析 2.1 极端气温指数变化趋势

线性趋势分析法可以简洁明了地反映气温的趋势变化。对内蒙古西部1958—2014年极端气温指数进行线性拟合及显著性检验, 得到内蒙古西部各项极端气温指数的线性倾向率及变化趋势(图 1~3)。图 1~3中趋势线的斜率即为线性倾向率, 极端最高气温和极端最低气温的线性倾向率均为正。暖夜和暖日的线性倾向率为正, 冷夜和冷日的线性倾向率为负, 且前两者远大于后两者, 这表明昼夜的高温日数增多并呈上升趋势, 低温日数则呈递减趋势。夏日和热夜的线性倾向率为正, 冰日和霜冻的线性倾向率为负, 表明夏季的高温日数逐渐增多, 秋冬季节结冰结霜的日数逐渐减少。

总体来说, 内蒙古西部近60 a来气温呈上升趋势, 高温日数增加, 低温日数减少, 各项极端气温指数的变化较为明显, 这与全球气候变暖的大趋势相符。暖日、暖夜、热夜和霜冻的变率较大, 均超过4.5 d·(10 a)^-1。总体而言, 内蒙古西部近60 a来的极端最高(最低)气温、夏日、热夜、暖日和暖夜这6个极值指数均呈显著递增趋势, 其气温倾向率也按此顺序逐渐升高。冷日、冷夜、霜冻和冰日这4项指数呈下降趋势, 下降速率从小到大依次为冷夜、霜冻、冷日和冰日。由此可见, 内蒙古西部地区发生极端气候事件的概率较大。

图 1显示, 年极端最高气温呈上升趋势, 线性倾向率为0.356 ℃·(10 a)^-1。其中最大值出现在2010年, 为39.30 ℃, 最小值出现在1968年, 为33.67 ℃。从年代际变化来看, 20世纪50年代末和60年代最高, 气温始终保持在34.7 ℃左右, 20世纪70—80年代突然上升至36.2 ℃左右, 20世纪90年代和21世纪一直呈小幅上升趋势。年极端最低气温也呈线性上升趋势, 线性倾向率大于年极端最高气温。年极端最低气温的历年值波动性大于年极端最高气温, 峰谷变化明显, 分别在1995和1967年达到最大值和最小值, 为-17.80和-28.50 ℃。其年代际变化幅度也较大, 20世纪50年代末至90年代极端最低气温呈连续上升趋势, 而进入21世纪后气温又有所回落。

图 2显示, 夏日的线性倾向率为2.06 d·(10 a)^-1, 其最大值和最小值分别出现在1987和1979年, 为137和83 d, 日数总体呈上升趋势。就年代际变化而言, 20世纪50和60年代变化较小, 70年代有所降低, 从80年代起一直呈缓慢上升趋势。冰日的线性倾向率为-2.60 d·(10 a)^-1, 最大值出现在1967年, 为81 d, 最小值出现在1999和2002年, 均为30 d。从年代际变化看, 20世纪50年代末至60年代小幅上升, 20世纪70和90年代又持续下降, 21世纪后缓慢回升。热夜天数波动较大, 总体呈增多趋势, 线性倾向率为4.76 d·(10 a)^-1。其最大值出现在2013年, 为146 d, 最小值出现在1979年, 为109 d。从年代际变化看, 20世纪60年代小幅下降, 70年代以后呈上升趋势, 2010—2014年间小幅回落。霜冻日数波动也较大, 总体呈大幅下降趋势, 其线性倾向率为-5.04 d·(10 a)^-1, 其最大值和最小值分别出现在1960和1998年, 为174和129 d。年代际变化表现为20世纪50年代末到60年代有所上升, 20世纪70年代至21世纪则呈持续下降趋势, 但2010—2014年有小幅回升。

图 3显示, 冷夜日数呈大幅度下降趋势, 线性倾向率为-9.24 d·(10 a)^-1。在1967和2007年出现最大值和最小值, 分别为105和9 d。年代际变化表现为20世纪50年代末到60年代小幅上升, 70年代后一直呈大幅下降趋势, 至2010—2014年才小幅回升。暖夜日数呈现大幅波动上升趋势, 其线性倾向率在10个指标中最大, 为14.37 d·(10 a)^-1, 暖夜日数在2006和1970年出现最大值和最小值, 分别为115和11 d。年代际变化表现为20世纪50年代到60年代变化很小, 20世纪70年代后呈现大幅上升趋势, 同样在2010—2014年间出现小幅回落。

冷日日数呈下降趋势, 其线性倾向率为3.02 d·(10 a)^-1。在1967年出现最大值, 为88 d, 在1989和1990年出现最小值, 均为13 d。年代际变化表现为20世纪50年代末到60年代小幅上升, 20世纪70—90年代持续下降, 21世纪后出现小幅上升。暖日呈现波动上升趋势, 线性倾向率为6.01 d·(10 a)^-1, 在2013和1974年出现最大值和最小值, 分别为94和20 d。年代际变化趋势表现为20世纪50年代末到80年代呈缓慢下降趋势, 20世纪80年代后呈持续上升趋势。

2.2 极端气温指数的距平分析

采用气温距平和累积距平的方法得出内蒙古西部地区极值指数距平图(图 4)和各极端气温指数累积距平图(图 5)。由图 4可以看出, 年极端最高气温距平波动幅度较大, 气温最高值出现在2010年, 为39.30 ℃, 比平均值高3.26 ℃, 气温最低值出现在1968年, 为33.67 ℃。年极端最低气温距平变化也同样表现出了较大的波动性, 极端气温的异常高值出现在1995年, 达17.80 ℃, 比平均值高4.84 ℃, 极端气温的异常低值出现在1967年, 达-28.50 ℃, 比平均值低5.86 ℃。由累积距平图(图 5)可以看出, 极端最高气温在1958—1970年间呈下降趋势, 1970—1996年间呈小幅波动, 1996—2014年间呈现波动上升趋势。极端最低气温以1985年为界, 1985年以前呈大幅下降, 1985年后呈大幅上升趋势。极端最高气温和极端最低气温的累积距平值在1958—2014年间一直为负值。总体而言, 1980年前为波动降温阶段, 1980年后为波动升温阶段。

夏日和热夜日数的累积距平值变化规律相似, 并且两者都为负值。大致以1986年为界, 1986年以前为波动下降趋势, 表明夏日与热夜日数逐渐减少; 1986年后同为波动上升趋势, 表明夏日与热夜日数在这一时期呈增加趋势。冰日与霜冻的累积距平图变化趋势相似, 并且两者都为正值。同样大致以1986年为界, 1986年以前冰日和霜冻日数快速增加, 1986年以后冰日和霜冻日数趋于减少。1986年前后是绝对指数变化的一个转折点, 可能是一个突变发生年。

冷夜和冷日日数的累积距平图变化趋势相似, 并且都为正值。大致以20世纪70年代为界, 在此之前为冷夜和冷日日数快速增加阶段, 之后是冷夜和冷日日数快速下降阶段。暖夜和暖日的累积距平图变化趋势相似, 并且都为负值, 大致在1995年前后发生突变, 1995年以前暖夜和暖日日数减少, 之后暖夜和暖日日数呈现上升趋势。

2.3 极端指数的周期分析

Morlet复小波变换图和方差图(图略)可以用来研究极端气温指数变化的周期性。通过对极端气温指数中的年极端最高气温, 年极端最低气温以及线性倾向率较大的暖夜、冷夜和暖日进行周期性检测, 得出1958—2014年内蒙古西部极端气温5项指数的小波变换图(图 6~7)。通过小波图和方差图的对比来看, 极端气温指数存在7和17 a左右的明显周期变化, 第1主周期为17 a左右, 其周期在较大时间尺度上有较好对称性。个别指数可能存在30 a左右的周期。

由图 6可知, 12、17和27 a左右为年极端最高气温的准振荡周期, 其中27 a左右振荡周期为其主控周期, 贯穿了整个研究时域, 表现为高—低—高的循环交替。17 a左右为第2主周期, 经历了5个周期的高—低循环, 12 a周期的变化不很明显, 周期性变化在1978—1998年间出现间断现象。年极端最低气温的准振荡周期为6和16 a左右, 对比方差图发现可能存在30 a左右的振荡周期。其中6 a的周期性变化在20世纪60年代到90年代间出现间断; 16 a为其第1主周期, 经历了5个低—高循环交替; 此外, 可能还存在30 a左右的振荡周期, 直到2014年其等值线还未完全闭合, 说明未来几年研究区的年极端最低气温可能会降低。

由图 7分析可知, 冷夜存在3、6和20 a左右的振荡周期, 通过对比方差图发现可能还存在30 a左右的振荡周期。6和20 a为其第1、2主周期, 分别经历了5个增加—减少和3个增加—减少的循环交替。冷夜可能还存在30 a左右的振荡周期, 其小波图的等值线直到2014年还未闭合, 预计未来几年内冷夜日数可能会增加。暖夜存在3、7和17 a左右的准周期, 其中3 a左右的周期在20世纪80年代后才开始出现, 经历了10个减少—增加的循环交替; 7 a左右的周期是从20世纪70年代开始出现, 经历了6个增加—减少的循环交替; 17 a左右的周期基本贯穿整个研究时段, 经历了增加—减少—增加—减少—增加的变化过程。对比其小波图和方差图, 发现可能还存在30 a左右的振荡周期。

暖日的周期变化比较复杂, 将其小波图与方差图对比, 发现存在3、5、7、16和27 a左右的振荡周期。27 a左右为其第1主周期, 经历了增加—减少—增加的变化过程。16 a左右为第2主周期, 经历了4个增加—减少的循环交替。3 a左右的周期是从20世纪70年代末开始出现; 6 a左右的周期性变化比较复杂, 经历了10个增加—减少的循环交替。

2.4 极端气温指数的主成分分析

对1958—2014年内蒙古西部极端气温指数进行主成分分析, 得到各指标(主成分)和因子间的相关系数载荷矩阵(表 2~3)。其中, 5个主成分累积方差贡献率达总方差的90.8%, 符合分析要求。第1主成分方差贡献率为53.57%, 暖夜、热夜和霜冻的载荷值都较高, 绝对值均大于0.7, 并且3者之间两两呈极显著相关(α=0.01), 可以认为这3个指数的变化对内蒙古西部地区总体气温变化起主要作用。第2主成分方差贡献率为13.97%, 年极端最低气温、冷日和暖日的载荷值都较高, 绝对值均大于0.5, 年极端最低气温和冷日呈极显著负相关(α=0.01)。第3主成分方差贡献率为10.16%, 年极端最高气温和霜冻的载荷值较高, 分别为0.62和0.46, 两者呈显著负相关(α=0.05)。冰日在第4主成分中占有较高的载荷, 载荷值为0.69, 极端最高气温在第5主成分中占有较高的载荷, 载荷值为-0.47。

总体来看, 除年极端最低气温与年极端最高气温、暖日，夏日与冰日，冷日与暖日外，其余各指数间的相关关系都通过了α=0.05或α=0.01的显著性检验。在相对指数与绝对指数中, 冷指数与暖指数之间呈负相关关系, 各冷指数间呈正相关关系, 各暖指数间也呈正相关关系, 这与极端气温指数的线性趋势分析结果相一致。

2.5 极端气温指数的突变分析

通过科学的方法在一个极端气温连续产生的时间序列中找出临界标志性的突变年份, 对极端气候的研究十分必要。气温的突变表示气候状态从一个平均值到另一个平均值的不连续性。笔者采用Mann-Kendall检验法对各极端气温指数进行突变分析(图 8~10), 可以看出, 年极端最高气温随时间变化呈现出降低—平稳—升高的变化趋势, 这与之前的累积距平分析结果有很好的对应性。年极端最高气温的正反序列曲线(UF与UB)在置信区间内相交于1975、1978、1980、1981、1982、1984和1986年。由累积距平图可知, 年极端气温的累积距平在1971—1996年间呈小幅波动但总体变化平稳的特点。年极端最低气温表现为下降—上升的交替变化。UF与UB曲线在置信区间内相交于1978和1980年。由累积距平图可知, 年极端最低气温的累积距平在1980年左右存在较大的转折。因此, 可确定1980年是年极端最低气温的突变点(P < 0.01), 排除了1978年的干扰点。

夏日的Mann-Kendall曲线呈现出下降—上升交替变化的趋势, UF和UB曲线相交于1987和1992年, 依据之前的累积距平分析图, 夏日日数在1986年左右存在巨大转折, 可确定突变发生在1987年(P < 0.01)。冰日的变化与夏日相反, 呈现上升—下降的变化趋势, UF和UB曲线相交于1987和1988年, 表明1987年左右为突变点(P < 0.01)。热夜总体呈上升趋势, 1987年后UF值超出了置信区间, 表明1987年之后热夜的上升趋势更加明显, 其日数增加的突变点是1987年(P < 0.01)。霜冻的Mann-Kendall曲线呈现先上升再下降的特点, 且1993年以后下降趋势更为明显, 其UF和UB曲线相交于1988年, 结合累积距平图分析, 得出1988年左右是其突变点(P < 0.01)。总体来说, 冷指数和暖指数的变化趋势保持相对一致。

相对指数中, 冷指数冷夜和冷日的变化趋势相对一致, 大体呈现先上升后下降的趋势, 冷夜在1982年后下降趋势更为明显, 其突变发生在1980年左右(P < 0.01), 冷日则在1971—2001年之间下降趋势最为明显, 1973年左右是其突变点(P < 0.01)。暖指数的变化趋势则与之相反, 大体呈先平稳变化后大幅上升的趋势, 且在1988年以后上升幅度更大, 其突变发生在1989年左右(P < 0.01)。暖日在2005年后上升趋势更为强烈, 其突变发生在1997年左右(P < 0.01)。

2.6 与其他地区的比较

内蒙古是我国的内陆高原, 属于半干旱地区, 四周群山环绕, 距离海洋较远, 为典型的大陆性气候。全年干旱少雨, 且风沙较大, 冬季寒冷而夏季炎热, 昼夜温差较大, 四季气候特征明显。内蒙古在降水量递减、气温和太阳辐射量逐渐增大的影响下, 从东到西分别呈现出温带草甸草原、温带草原和温带荒漠草原的自然景观^[12], 笔者所研究的地区属于其西部的温带荒漠草原区。研究区选取的3个站点中, 阿拉善盟的年平均气温为6~8.5 ℃, 1月平均气温为-9~14 ℃, 7月平均气温为22~26.4 ℃; 巴彦淖尔的年平均气温为3.7~7.6 ℃, 1月平均气温为-15~-11 ℃, 7月平均气温为20~24 ℃。平均气温西部比东部高, 南部比北部高。

近60 a来该地区气温总体呈上升趋势, 高温日数增加, 低温日数减少, 各项极端气温指数的变化较为明显, 这与全球气候变暖的大趋势相符。对比内蒙古西部与我国半湿润区的极端气温(表 5)可知, 在极端气温冷相对指数中, 内蒙古西部地区的气温递减速率最大, 冷夜和冷日的线性倾向率分别为-9.24和-3.02 d·(10 a)^-1; 暖相对指数中, 内蒙古西部的增温幅度也远大于关中平原地区和北京地区^[13-14], 暖夜和暖日的线性倾向率分别为14.37和6.01 d·(10 a)^-1, 关中平原地区和北京地区的变化幅度较相近。可见内蒙古西部地区的气温变化比半湿润区更为强烈。

3 结论

(1) 近60 a来, 内蒙古西部地区年极端最高气温、年极端最低气温、暖夜、暖日、夏日和热夜呈上升趋势, 冷日、冷夜、冰日和霜冻4个极端冷指数呈下降趋势。其中暖夜和冷夜的倾向率最大, 绝对值均超过9 d·(10 a)^-1, 且极端气温暖指数的变化幅度明显大于冷指数, 内蒙古西部地区发生极端气候现象的概率增大。

(2) 主成分分析结果得出, 占方差贡献率最大的第1主成分中, 暖夜、热夜和霜冻载荷值较高, 表明这3个指数对这一地区气温的总体变化起主要作用。

(3) 年极端最高气温、年极端最低气温、冷夜、暖夜和暖日这5个指数均有7和17 a左右的长周期。从20世纪70、80年代起, 暖夜和暖日又出现了3 a左右的小周期。从小尺度的周期变化来看, 近期2个暖指数的出现周期偏多, 而冷指数相对偏少。

(4) 突变分析表明, 极值指数突变发生在1980年左右, 相对指数的突变时间大约发生在20世纪80年代到90年代末, 绝对指数的突变时间主要发生在1987年左右。