張 釗，陳寶瑞，辛?xí)云健?/p>

(1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081； 2.中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)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(huì)和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。相關(guān)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(qū)產(chǎn)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(gè)內(nèi)蒙古地區(qū)在過去53年中表現(xiàn)出氣溫升高，降水波動(dòng)，部分區(qū)域減少的變化趨勢[3-4]，我國東北地區(qū)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(qū)整體降水總量沒有顯著變化，但是出現(xiàn)極端化，不均衡化發(fā)展趨勢[6]。呼倫貝爾草原區(qū)位于內(nèi)蒙古草原的最東端，同時(shí)受到北冰洋的高氣壓帶和日本海低氣壓帶影響，當(dāng)?shù)匾苑拍痢⒇赘顬橹饕梅绞降牟菰鷳B(tài)系統(tǒng)對氣候變化非常敏感。科學(xué)評估長時(shí)間序列草原區(qū)氣候變化趨勢和規(guī)律，為提出草原生態(tài)保護(hù)與恢復(fù)的合理建議，保障區(qū)域生態(tài)安全和預(yù)測未來氣候變化提供重要的科學(xué)參考和決策支持。

1 資料選取與方法介紹

呼倫貝爾草原區(qū)位于內(nèi)蒙古高原東北部的海拉爾盆地及其周邊地區(qū)。該區(qū)地處溫帶—寒溫帶氣候區(qū)，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(qū)內(nèi)有5個(gè)國家基本氣象臺站(50425額爾古納市、50514滿洲里市、50527海拉爾區(qū)、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(qū)。氣象資料來源為中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http：//data.cma.cn//)提供的中國地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集(V3.0)中這5個(gè)基準(zhǔn)站1960—2015年逐日氣溫降水?dāng)?shù)據(jù)。首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，檢查數(shù)據(jù)中是否有錯(cuò)誤值、缺失值、微量值和極大極小值，錯(cuò)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(diǎn)相同時(shí)間對比，如果數(shù)據(jù)合理則保留，如果數(shù)據(jù)不合理則刪除按照缺測處理[7]。然后采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)檢驗(yàn)對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行均一性檢驗(yàn)，確認(rèn)了氣象數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(shù)趨勢檢驗(yàn)來判斷研究區(qū)56年來氣溫和降水的變化趨勢，用Sen′s斜率估計(jì)來反映氣溫和降水在56年中的變化速度。Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)屬于非參數(shù)檢驗(yàn)，最大優(yōu)點(diǎn)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(shù)趨勢檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)量Z為正值代表被檢驗(yàn)數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)增加趨勢，負(fù)值代表被檢驗(yàn)數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)減少趨勢[9]。Z的絕對值在大于等于1.28、1.64、2.32時(shí)表示分別通過了信度90%、95%、99%顯著性檢驗(yàn)[10]。Sen′s斜率估計(jì)計(jì)算的是序列數(shù)據(jù)斜率的中值，可以很直觀的反應(yīng)序列數(shù)據(jù)的增減速度，而且不受數(shù)據(jù)分布和異常值的干擾。Sen′s斜率估計(jì)的統(tǒng)計(jì)量β大于0的時(shí)候代表被檢驗(yàn)數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)增加趨勢，負(fù)值代表被檢驗(yàn)數(shù)據(jù)序列呈現(xiàn)減少趨勢[11]。Sen′s斜率估計(jì)不能判斷趨勢顯著性，因此一般Sen′s斜率估計(jì)和Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)組合使用。

根據(jù)不同日降水量進(jìn)行單日降水格局分析，根據(jù)連續(xù)降水事件持續(xù)時(shí)間出現(xiàn)次數(shù)進(jìn)行全年降水格局分析。依據(jù)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(xù)降水日最小時(shí)間單位為1d。雨量分級根據(jù)呼倫貝爾地區(qū)歷年降水特征區(qū)分為1～5mm， 5～10mm， 10～20mm， 20～30mm， 30～40mm， 40～50mm， 50mm以上共計(jì)7級。連續(xù)降水根據(jù)呼倫貝爾地區(qū)歷年降水特征區(qū)分為1～8d， 8個(gè)不同連續(xù)降水級別。

圖1 1960—2015年呼倫貝爾草原區(qū)年均溫

2 結(jié)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(qū)年均溫在波動(dòng)中增加(圖1)，根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)結(jié)果整個(gè)草原區(qū)呈現(xiàn)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(qū)的氣溫增加速度最大，年均溫增加中值達(dá)到0.04℃/年(表1)。從季節(jié)尺度看，第二季度均溫增加速度最大，年均溫增加中值達(dá)到0.05℃/年。綜合看位呼倫貝爾草原區(qū)的東部和南部(新巴爾虎左旗、新巴爾虎右旗和海拉爾區(qū))第一、二季度增溫較多。草原區(qū)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(jié)論與趙秀蘭[12]對過去50年東北地區(qū)北部增溫規(guī)律分析相一致。

表1 呼倫貝爾草原區(qū)年均溫變化趨勢檢驗(yàn)

氣象站統(tǒng)計(jì)指標(biāo)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(qū)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(qū) 年均溫Mann-Kendall突變分析

圖3 1960—2015年呼倫貝爾草原區(qū)平均年降水

根據(jù)Mann-Kendall突變檢測結(jié)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(diǎn)為氣溫變化突變點(diǎn)(圖2)呼倫貝爾草原區(qū)在1965—1975， 1977—1982， 1984—1986年間呈現(xiàn)輕微下降趨勢，其他時(shí)間均呈現(xiàn)增加趨勢。氣溫變化的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1987年，從1987年之后氣溫增加趨勢不斷增強(qiáng)，到1992年呈現(xiàn)顯著增加趨勢，到1994年呈現(xiàn)極顯著增加趨勢。這一結(jié)論與王勁松等[13]對過去100年亞洲干旱區(qū)第三次增溫高峰在20世紀(jì)90年代出現(xiàn)的觀點(diǎn)相符合。與翟獻(xiàn)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(qū)依然呈現(xiàn)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(qū)年降水呈波動(dòng)變化(圖3)。根據(jù)Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)結(jié)果整個(gè)草原區(qū)呈現(xiàn)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(xiàn)顯著的下降趨勢，年降水減少中值1.04mm(表2)。從季節(jié)尺度看，第一、四季度降水呈現(xiàn)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(xiàn)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(qū)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(qū)分析年降水量變化并不顯著。這一結(jié)論與蘭玉坤[15]和錢正安[16]等對內(nèi)蒙古降水變化趨勢分析和降水分布細(xì)節(jié)有共同之處。

根據(jù)Mann-Kendall突變檢測結(jié)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(diǎn)為降水變化突變點(diǎn)(圖4)呼倫貝爾草原區(qū)在1977—1980， 1983—2003年間呈現(xiàn)上升趨勢，其他時(shí)間均呈現(xiàn)下降趨勢。降水變化在1963年、1973年、1999年、2013年、2014年均出現(xiàn)突變點(diǎn)。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(qū)年降水量變化趨勢檢驗(yàn)

氣象站統(tǒng)計(jì)指標(biāo)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(qū)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(qū) 平均年降水Mann-Kandell突變分析

圖5 呼倫貝爾草原區(qū)各降水量級出現(xiàn)頻率和降水貢獻(xiàn)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(xiàn)頻率和降水貢獻(xiàn)率圖5可以看出呼倫貝爾草原區(qū)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(xiàn)頻率很低。然而，降水貢獻(xiàn)率最高的卻是10～20mm降水，貢獻(xiàn)全部降水的28%， 1～5mm， 5～10mm降水次之，分別貢獻(xiàn)23%， 21%。

從各降水量級出現(xiàn)頻率變化趨勢檢驗(yàn)表3中可以看出：呼倫貝爾草原區(qū)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(qū)(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(xiàn)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(xiàn)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(qū)除北部額爾古納以外，中南部均表現(xiàn)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(xiàn)率變化趨勢檢驗(yàn)表4中可以看出：呼倫貝爾草原區(qū)在研究的56年中， 1～5mm降水貢獻(xiàn)率較顯著增加，年增加中值0.092%，其中南部地區(qū)(新巴爾虎左旗和新巴爾虎右旗)1～5mm降水貢獻(xiàn)率顯著或極顯著增加，新巴爾虎右旗1～5mm降水貢獻(xiàn)率年增加中值0.225%； 5～30mm降水貢獻(xiàn)率出現(xiàn)趨勢不顯著的增減波動(dòng)，其中新巴爾虎左旗10～30mm降水貢獻(xiàn)率呈現(xiàn)顯著或極顯著的降低，而海拉爾區(qū)則表現(xiàn)出10～20mm降水貢獻(xiàn)率顯著增加。綜合看呼倫貝爾草原區(qū)除東部海拉爾區(qū)外，其余中部西部均表現(xiàn)出大中型降水貢獻(xiàn)率波動(dòng)或減少； 除北部額爾古納以外，中南部均表現(xiàn)出1～5mm降水貢獻(xiàn)率顯著或極顯著增加。呼倫貝爾地區(qū)出現(xiàn)的極端降水減少與小型降水增加趨勢與全內(nèi)蒙古1961—2008年極端降水變化規(guī)律有相似之處[17]。

表3 1960—2015年呼倫貝爾草原區(qū)各雨量級降水出現(xiàn)頻率變化趨勢檢驗(yàn)

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(qū)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(qū)各雨量級降水貢獻(xiàn)率變化趨勢檢驗(yàn)

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(qū)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(qū)各時(shí)長降水事件出現(xiàn)頻率和降水貢獻(xiàn)率

2.4 連續(xù)降水分布格局與變化趨勢和變化速度

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

從各時(shí)長降水事件出現(xiàn)頻率變化趨勢檢驗(yàn)表5中可以看出：呼倫貝爾草原區(qū)降水事件時(shí)長并沒有顯著變化，但滿洲里市持續(xù)3d降水顯著減少，單獨(dú)1d降水顯著增加。

表5 呼倫貝爾草原區(qū)各時(shí)長降水事件出現(xiàn)頻率變化趨勢檢驗(yàn) d

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

表6 呼倫貝爾草原區(qū)各時(shí)長降水貢獻(xiàn)率變化趨勢檢驗(yàn) d

3 結(jié)論

(1)呼倫貝爾草原區(qū)在研究的56年中氣溫呈現(xiàn)出極顯著波動(dòng)增加的趨勢，年均溫增加中值0.04℃。第一季度表現(xiàn)為顯著增加，其他3個(gè)季度氣溫均表現(xiàn)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(qū)增溫速度為草原區(qū)最快達(dá)到年均溫增加中值0.04℃。

(2)呼倫貝爾草原區(qū)在研究的56年中降水呈現(xiàn)出不顯著的波動(dòng)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(qū)最高達(dá)到年降水減少中值1.25mm。

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

(4)呼倫貝爾草原區(qū)過去56年歷時(shí)1～3d的降水是主要的連續(xù)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(shí)2～3d連續(xù)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(shí)1～2d降水貢獻(xiàn)率呈不顯著增加趨勢，年貢獻(xiàn)率增加中值0.04%～0.09%， 3d連續(xù)降水呈減少趨勢，年貢獻(xiàn)率減少中值0.007%。

(5)呼倫貝爾草原區(qū)過去56年整體表現(xiàn)出暖干化的趨勢，年內(nèi)尺度降水表現(xiàn)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(xiàn)為分散化的趨勢，極端降水事件減少，小雨增加； 連續(xù)降水減少，單日獨(dú)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(qū)草地生產(chǎn)力面臨嚴(yán)重的考驗(yàn)。降水分散化和均勻化趨勢則對草地生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)積累和能量流動(dòng)產(chǎn)生根本性影響，傳統(tǒng)的優(yōu)勢物種和建群物種，在氣候變化的格局下生產(chǎn)力和競爭力會(huì)具有很強(qiáng)的不確定性，群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性都有待更細(xì)致的研究與分析。希望該文基于1960—2015年的呼倫貝爾草原區(qū)氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析得出的氣候變化規(guī)律與結(jié)果能對未來分析呼倫貝爾草原對氣候變化的響應(yīng)起到參考和鋪墊作用。