內(nèi)蒙古烏蘭察布市近40年氣溫變化規(guī)律與特征分析

摘要：利用烏蘭察布市1971-2010年逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫觀測資料，采用氣候統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模擬的方法，從氣溫常態(tài)變化和氣溫變率兩個(gè)方面進(jìn)行分析，通過模式模擬來對實(shí)況觀測結(jié)果進(jìn)行對比檢驗(yàn)，同時(shí)評(píng)估模式模擬效果。結(jié)果表明，全市平均氣溫升溫速率為0.48 ℃/10年，遠(yuǎn)高于全國水平0.22 ℃/10年。烏蘭察布地區(qū)的近40年氣溫變化主要以準(zhǔn)10年周期為主，氣溫正處于偏高時(shí)期，未來仍會(huì)有所上升。CCMIP5的CCSM4模式的歷史試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的氣候特點(diǎn)，可以模擬出觀測區(qū)域的氣候特點(diǎn)，尤其是對于氣候突變的模擬更接近實(shí)況觀測，但總體上模式結(jié)果偏高，模式誤差在1～2 ℃內(nèi)。

關(guān)鍵詞：氣溫變化；內(nèi)蒙古中西部；烏蘭察布

中圖分類號(hào)：P468.0+21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）24-6427-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.026

氣候變化是國際社會(huì)普遍關(guān)心的重大全球性問題。氣候變化既是環(huán)境問題，也是發(fā)展問題，但歸根到底是發(fā)展問題。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告中強(qiáng)調(diào)，全球氣候在過去的年代里確實(shí)發(fā)生了顯著變化，幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過程。20世紀(jì)80年代以來，中國氣候顯著變暖，特別是自1985年起溫度急劇升高，東北、華北是中國增暖最顯著的地區(qū)[1]。內(nèi)蒙古地域遼闊狹長，東西跨度大，各地區(qū)氣候不盡相同[2]，鮮見關(guān)于內(nèi)蒙古中西部烏蘭察布市氣候變暖的報(bào)道。本研究利用烏蘭察布市1971-2013年逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫觀測資料，采用氣候統(tǒng)計(jì)、數(shù)值模擬的方法，從氣溫常態(tài)變化和氣溫變率兩個(gè)方面進(jìn)行分析，通過模式模擬來對實(shí)況觀測結(jié)果進(jìn)行對比檢驗(yàn)，同時(shí)評(píng)估模式模擬效果，以期為該地區(qū)氣候變暖的研究提供參考。

1 研究資料來源和研究方案

1.1 資料來源

烏蘭察布市占地550萬hm2，共有11個(gè)國家氣象站（圖1）。其中，豐鎮(zhèn)市氣象地面觀測站（站號(hào)53484）于1998年遷站，由山地遷移到平地，氣溫前后變化很大，因此剔除該站數(shù)據(jù)，分析其余10個(gè)氣象站1971-2010年的氣溫資料。

所用數(shù)據(jù)全部來自烏蘭察布市氣象局氣象檔案館，包括上述10站1971-2010年的逐月、逐年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫實(shí)況資料。所用研究資料均有足夠的序列長度和精確度，滿足均一性、代表性和比較性的研究要求[3，4]。

1.2 技術(shù)路線及基本方法

具體研究線路：采用氣候傾向率、線性趨勢和氣溫距平分析年際、季節(jié)、年代際變化基本規(guī)律；利用CCSM4（通用氣候系統(tǒng)模式4）的歷史試驗(yàn)中1850-2004年的模式大氣的氣溫資料，與實(shí)況觀測資料比較，評(píng)估模式對區(qū)域氣候特征和異常變化的模擬。

采用氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)方法以及數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法分析研究，使用Exce1 2010，F(xiàn)ortran 6.5，Surfer 8.0軟件對烏蘭察布市近40年（1971-2010年）全市10個(gè)站逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫資料進(jìn)行處理、制圖，另外根據(jù)各站氣候特點(diǎn)以及空間特征，把四子王旗、察哈爾右翼中旗、察哈爾右翼后旗、商都縣、化德縣5個(gè)站劃分為“后山地區(qū)”，把卓資縣、集寧區(qū)、涼城縣、察哈爾右翼前旗、興和縣5個(gè)站劃分為“前山地區(qū)”，分區(qū)域?qū)φ麄€(gè)地區(qū)的氣溫變化規(guī)律和特征進(jìn)行分析，從季節(jié)變化、年際變化、年代際變化研究這一地區(qū)氣溫變化規(guī)律和特征[5]。

2 烏蘭察布市氣溫變化分析

2.1 氣溫年際變化

2.1.1 全市及區(qū)域氣溫年際變化 烏蘭察布市地處華北平原北部，位于內(nèi)蒙古中西部，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，多年平均氣溫4.0 ℃，年平均最高氣溫10.9 ℃，年平均最低氣溫-2.1 ℃。極端高溫值為39.3 ℃，出現(xiàn)在2005年7月7日的涼城縣；極端低溫值為-32.2 ℃，出現(xiàn)在2008年12月21日察哈爾右翼中旗。按照歷史習(xí)慣和氣候特征，以大青山（烏蘭察布市境內(nèi)為東西走向）為界，大青山以南稱為前山，以北稱為后山。后山地區(qū)緯度和平均海拔高于前山地區(qū)，多年平均氣溫低于前山地區(qū)，極端最高氣溫和極端最低氣溫分別出現(xiàn)在前山地區(qū)涼城縣和后山地區(qū)察哈爾右翼中旗。

根據(jù)這一特征，分別從全市、前山地區(qū)、后山地區(qū)1971-2010年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的年平均變化和距平來分析烏蘭察布市氣溫的年際變化，分析烏蘭察布市的氣溫年際變化規(guī)律和特征。由表1可知，烏蘭察布市1971-2010年平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均顯著上升。全市平均氣溫增溫速率為0.48 ℃/10年，該速率遠(yuǎn)高于近50年來，全國年平均氣溫增溫速率0.22 ℃/10年，也高于內(nèi)蒙古地區(qū)年平均氣溫增溫速率0.42 ℃/10年[2]。前山地區(qū)、后山地區(qū)同樣升溫顯著，后山地區(qū)最低氣溫升溫速率達(dá)到0.64 ℃/10年。后山地區(qū)氣溫升溫速率均高于前山地區(qū)，特別是平均最低氣溫，比前山地區(qū)高0.06 ℃/10年，后山地區(qū)的平均最低氣溫在1989年前后發(fā)生了明顯的均值突變。全市平均最高氣溫升溫速率比較一致，前山和后山僅相差0.01 ℃/10年，這一點(diǎn)在升溫速率空間分布上也有體現(xiàn)。

從圖2a、圖2b平均氣溫變化和距平可以看出，全市平均氣溫在1991年之前以負(fù)距平為主，之后轉(zhuǎn)為正距平，氣溫上升明顯，其中正負(fù)距平峰值出現(xiàn)在1998年（對應(yīng)氣溫為5.7 ℃）和1984年（對應(yīng)氣溫2.8 ℃），兩者相差2.9 ℃。由圖2f中的5階多項(xiàng)式擬合曲線可以看出，1977年以前偏暖，1977年之后轉(zhuǎn)為偏冷，1984年達(dá)到負(fù)距平峰值，之后開始升溫，至1991年轉(zhuǎn)為偏暖，1998年達(dá)到正距平峰值（1.7），之后至今一直處于增溫減緩階段，因此，烏蘭察布地區(qū)的平均氣溫一直處于波動(dòng)式升溫狀態(tài)。21世紀(jì)的近10年來，溫室氣體排放速率加快，城市熱島效應(yīng)日益顯著，而氣溫的增溫速率降低，其原因目前還不確定[3]。

由表1和圖2c、圖2d可以看出，1971-2010年近40年烏蘭察布地區(qū)的平均最高氣溫同樣顯著升高，氣溫變化極值分別為12.3、9.4 ℃，兩者相差2.9 ℃。1991年之前以負(fù)距平為主，之后轉(zhuǎn)為正距平為主，與平均氣溫同步。其中正負(fù)距平峰值分別出現(xiàn)在1998年和1983年，與平均氣溫相比，正距平峰值出現(xiàn)時(shí)間一致，負(fù)距平峰值出現(xiàn)較早，峰值為-1.6，平均氣溫負(fù)距平峰值出現(xiàn)在1984年，為-1.4；最高氣溫距平正負(fù)峰值差為3.0，超過了平均氣溫的正負(fù)距平峰值差2.9，表明最高氣溫波動(dòng)大于平均氣溫。由表1和圖2e、圖2f可知，平均最低氣溫正負(fù)距平的分界點(diǎn)出現(xiàn)在1991年。正負(fù)距平峰值差為3.9，負(fù)距平峰值為-1.9，正距平峰值為2.0，均大于平均氣溫和最高氣溫，表明最低氣溫波動(dòng)較大。正負(fù)距平峰值出現(xiàn)在1998年和1985年，氣溫變化極小值出現(xiàn)在1974年，對應(yīng)氣溫為-3.9 ℃，極大值出現(xiàn)在1998年，對應(yīng)氣溫為0 ℃。

綜上所述，1971-2010年烏蘭察布市平均氣溫、最高、最低氣溫均顯著上升，正負(fù)距平轉(zhuǎn)折點(diǎn)均出現(xiàn)在1991年，期間呈波動(dòng)式升溫，其中最低氣溫波動(dòng)最大，升溫速率最大。后山地區(qū)升溫速率大于前山。

2.1.2 平均最高、最低氣溫空間分布特征分析 從圖3可以看出，烏蘭察布市最高、最低氣溫大致為由北向南遞增，低值中心出現(xiàn)在北部察哈爾右翼中旗站附近，北部氣溫偏高，南部氣溫偏低。由圖3a可知，近40年烏蘭察布市平均最高氣溫最小值出現(xiàn)在察哈爾右翼中旗（8.9 ℃），由察哈爾右翼中旗向南北兩側(cè)遞增，最大值出現(xiàn)在涼城縣（12.6 ℃）。由圖3b可知，最低氣溫低值中心有所南移，出現(xiàn)在察哈爾右翼中旗（-4.0 ℃）和卓資縣（-3.9 ℃）一帶，由該地向南北兩側(cè)遞減。這主要是因?yàn)榇笄嗌綑M亙于察哈爾右翼中旗、卓資縣一帶，這一地區(qū)海拔較高，并且受季風(fēng)的影響，因此出現(xiàn)平均最高、最低氣溫空間分布的不同。

3 模式模擬

3.1 CCSM4模式

現(xiàn)有觀測資料存在一些缺陷[8，9]，因此普遍采用數(shù)值模式模擬氣候變化，本研究選用 CCSM4（通用氣候系統(tǒng)模式4）[10]的歷史試驗(yàn)中1850-2005年模式大氣的地面氣溫、最高氣溫和最低氣溫，采用與實(shí)際大氣氣溫觀測資料比較的分析方法，分析該模式對區(qū)域氣候特征和異常變化的模擬。

3.2 分析方案

選用CCSM4歷史試驗(yàn)的部分資料（1850-2005年數(shù)據(jù)），該試驗(yàn)中溫室氣體（CO2等）為實(shí)測值，其余為模式模擬結(jié)果。按照實(shí)際大氣相同分析方法，選取與實(shí)際觀測資料對應(yīng)的時(shí)段1980-2005年，完成內(nèi)蒙古中西部地區(qū)烏蘭察布市的區(qū)域氣候特征和常變模擬，利用氣溫計(jì)算烏蘭察布市的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的氣候態(tài)，分析烏蘭察布市的1980-2005年間氣溫變化和趨勢，對比氣溫變化的周期和實(shí)際存在的周期。

3.3 模擬結(jié)果

3.3.1 氣候態(tài) 1980-2005年實(shí)況觀測的平均氣溫和最高、最低氣溫平均值為4.0、9.5、-2.0 ℃，氣溫偏低，晝夜溫差大，體現(xiàn)了內(nèi)蒙古中西部地區(qū)的氣候特點(diǎn)。模式模擬普遍偏高1～2 ℃，但也能模擬出區(qū)域的氣候特征。對于烏蘭察布市的前山和后山地區(qū)，模式也模擬出了相應(yīng)的地域特征，前山的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫都高于后山，模式對于這兩個(gè)區(qū)域的模擬也偏高。最明顯的就是模式能模擬出最低氣溫的區(qū)域特征，模式值和觀測值中最低氣溫都低于0 ℃。總的來說，該模式可以模擬出區(qū)域氣溫的特征，誤差都在2 ℃以內(nèi)（圖4）。

3.3.2 氣候趨勢 圖5為氣溫隨時(shí)間的變化，為了更好地分析氣溫的變化，去掉了氣溫的變化趨勢，可以發(fā)現(xiàn)氣溫在去掉趨勢后的變化振幅大致在 ±4 ℃，而且可以看出明顯存在著年際和年代際周期。區(qū)域的平均氣溫變化在1982、1992和1995年出現(xiàn)了氣候轉(zhuǎn)折，突然變冷或變暖。這個(gè)時(shí)間點(diǎn)落后于全球氣候突變的時(shí)間。CCSM4模式基本模擬出了這些特征，尤其是在氣候突變上，在1990-2000年之間CCSM4模式模擬的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫都高于觀測值，但總的變化趨勢和觀測值吻合，這說明CCSM4模式的物理過程能夠發(fā)映出氣候變化的特征。

4 小結(jié)

對內(nèi)蒙古烏蘭察布市1971-2010年近40年氣溫變化規(guī)律和特征做了全面分析，利用烏蘭察布市10個(gè)氣象站1971-2013年逐月平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫觀測資料，采用氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)值模擬方法，研究平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫變化，從氣溫常態(tài)變化和氣溫變率兩個(gè)方面，通過變換不同時(shí)間尺度和空間尺度來分析該地區(qū)氣溫變化，最后通過CCSM4模式模擬研究結(jié)果和實(shí)況觀測值，進(jìn)行對照檢驗(yàn)，并對模擬效果進(jìn)行評(píng)估。

從年際變化角度分析，烏蘭察布市1971-2010年平均氣溫、平均最高、最低氣溫均顯著上升，最低氣溫升溫速率最大（0.61 ℃/10年）。全市平均氣溫增溫速率為0.48 ℃/10年，遠(yuǎn)高于全國水平（0.22 ℃/10年），也高于內(nèi)蒙古地區(qū)平均水平（0.42 ℃/10年）。3種氣溫正負(fù)距平轉(zhuǎn)折點(diǎn)均出現(xiàn)在1991年，1991年之前氣溫以負(fù)距平為主，之后轉(zhuǎn)為正距平，期間呈波動(dòng)式升溫，其中最低氣溫波動(dòng)最大。后山地區(qū)氣溫升溫速率均高于前山地區(qū)，特別是平均最低氣溫（0.64 ℃/10年），比前山地區(qū)高0.06 ℃/10年。單站氣溫年際變化大致符合區(qū)域氣候特點(diǎn)，即前山較暖，后山較冷，但其中略有不同，后山地區(qū)的察哈爾右翼后旗、四子王旗平均氣溫處于全市中等水平，并不偏低，前山地區(qū)的卓資縣氣溫較低，這可能由于受地理位置和地質(zhì)地貌影響。察哈爾右翼中旗的氣溫均明顯低于其他9個(gè)站點(diǎn)，特別是最低氣溫，大約偏低2 ℃左右。

全市近40年氣溫空間分布特征：氣溫分布大致呈由北向南遞增，低值中心出現(xiàn)在北部察哈爾右翼中旗站附近，北部氣溫偏低，南部氣溫偏高。氣溫傾向率的空間分布表現(xiàn)為由北向南遞減，北部地區(qū)氣候傾向率大于南部地區(qū)。近40年烏蘭察布市10個(gè)站中有9個(gè)平均最高、最低氣溫的差值在減小，只有涼城縣是增大的。

CCMIP5的CCSM4模式的歷史試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的氣候特點(diǎn)，可以模擬出觀測區(qū)域的氣候特點(diǎn)，但總體上模式結(jié)果偏高，模式誤差在1～2 ℃內(nèi)。模式模擬出了平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的時(shí)間變化的特點(diǎn)，尤其是對于氣候突變的模擬更接近實(shí)況觀測值。

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