大兴安岭林区1970—2019年积温的时空变化特征

张 茹，杜金玲，马秀枝，邹逸航，郝晨阳，付 宇

（1内蒙古农业大学林学院，呼和浩特 010019；2内蒙古呼伦贝尔市气象局，内蒙古呼伦贝尔 021008；3内蒙古自治区气象台，呼和浩特 010051）

0 引言

根据IPCC第五次评估报告，全球平均温度表面上升了约0.85℃[1]，升高趋势明显。界限温度[2-3]的初始日期、终止日期及积温变化等对于一个地区农业及不同方面发展均呈现出较大影响。中国区域较大、地域辽阔，气候变暖对中国不同研究区产生影响，不同积温也是反映某地农业热量资源的重要指标[4-6]，是某特定时段内累计平均温度之和。

积温在各地及时间上存在较大差异，对生态环境及气候资源具有重要意义。负积温是冬季寒冷程度的重要指标，是指日平均温度小于0℃的累计值。负积温不仅与农作物生长有关，与冻土发育也有一定程度的关系。有研究表明[7-9]，负积温的增加、平均的温度上升和冻土面积的退化具有一定相关性，并且不同梯度的负积温与冻土退化之间的影响程度也不同。在全球变暖的大背景之下，气候变暖将对积温产生较大影响，从而对热量资源及农业发展产生影响[10-11]，因此对大兴安岭森林地区热资源变化特征进行研究是非常有必要的。

在农业上用0、5、10℃作为能够反映农业活动的界限温度，界限温度的初终日、持续日数及积温对农业生产活动的布局及耕种等均具有很强的指示作用。郝成元等[12]对河南省≥0℃、≥5℃活动积温变化进行时空分析。蒋啸等[13]对贵州高原≥10℃积温时空变化特征进行分析，发现积温在1997 年发生了由冷到暖的突变。王媛媛等[14]在温带陇东地区进行分析得出积温呈显著上升趋势。刘实等[15]得出东北地区积温持续天数显著增加。李硕等[16]得出≥0℃积温持续天数的增加由终日推迟引起，而≥10℃积温天数的增加主要是因为初日提前。王鹤龄等[17]研究得出研究区负积温也呈现升高趋势，农业气候资源表现为降雨量减小、干燥度增加等趋势。各地研究人员对气候变化的趋势进行了大量研究分析，但缺少大兴安岭东部等地区的研究分析以及界限温度相互关系的研究。笔者为了更有效地研究大兴安岭森林地区热量资源及冻土退化影响关系，对该地区不同梯度正积温(≥0℃、≥5℃、≥10℃)及负积温(＜0℃、≤-5℃、≤-10℃)的时空变化特征进行研究分析。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

内蒙古大兴安岭林区位于中国内蒙古自治区东北部[18]（图1），地处中国高纬地带，南北跨7个纬度，地域辽阔，是中国最大的集中连片国有林区，森林覆盖率平均为80.5%，部分地区达91%。

图1 研究区地理位置示意图

1.2 数据选取及研究方法

选取内蒙古大兴安岭森林地区1970—2019 年11 个气象站点的逐日平均温度气象数据，气象数据资料由内蒙古自治区气象局提供。11 个站点城市人口均在20 万人以下，城市化进程较小，受城市热岛效应较小[19]。运用线性趋势分析对日平均温度的时间序列进行线性分析，气候倾向率为正，表示气候要素随时间增加而增多，反之呈线性减少趋势。采用5 日滑动平均法来确定积温的初始日期及终止日期，初终日期之间稳定通过界限温度的天数即为积温持续日数，其中稳定通过界限温度的累计和即为积温；运用曼-肯德尔检验(Mann-Kendall)法对时间序列的各气象（气候指标）等因子进行突变检验，目前这种方法在气象、水文等研究领域已被广泛运用。当UF和UB超过临界值，说明上升或下降的趋势明显，超出临界值的范围确定为出现突变的时间区域，当UF和UB2 条曲线出现交点时，且交点落在临界线以内，那么交叉点所对应的时刻便是突变开始的时间。运用MK 小波分析绘小波谱分析图，采用反距离插值方法，基于ArcGIS 平台对积温空间变化特征进行分析[20]。

2 结果与分析

2.1 初终日期及持续日数

2.1.1 正积温初终日期及持续日数 正积温（图2）初始日期呈现出提前趋势，终止日期呈现出波动式推迟的趋势，推迟趋势较为平缓。≥0℃积温（图2a）初日最早出现在3 月22 日（2014、2018 年），50 年来初日提前了32 d，趋势明显。终日最晚出现在11月1日（2005年），延后趋势明显，推迟了25 d。≥5℃积温（图2b）初日最早出现在4月5日（2009年），气候倾向率为-1.437℃/10 a。终日延后趋势不显著。1992—1998年终日推迟40 d。终日最晚出现在10 月12 日（1990、1998、2011 年），气候倾向率为0.619℃/10 a，终日延后趋势不显著。≥10℃初日（图2c）最早出现在4月22日（2014年），气候倾向率为-2.846℃/10 a。大兴安岭林区积温持续日数变化趋势受初日提前、终日推迟的共同影响，正积温持续日数呈现出波动延长的趋势。1986—1990 年≥0℃积温持续日数明显持续上升，增加幅度为40 d。1995—1998年初终日间天数明显持续上升，增加幅度为31 d，气候变化倾向率为2.695℃/10 a。≥10℃积温的持续日数气候变化倾向率为3.723℃/10 a，2011—2012年初终日间天数明显上升，增加幅度为22 d。

图2 大兴安岭林区不同界限温度积温初终日期及其天数变化

2.1.2 负积温初终日期及持续日数 初终日期均在20世纪80年代呈现波动式大幅度推迟趋势。＜0℃负积温初始日期（图2d）最早出现在1997年的10月5日，在1980—1990年呈现波动式大幅度推迟趋势，推迟日数为24 d。在2016—2018 年呈现出小幅度推迟趋势，推迟日数为19 d。终日最晚出现在1985年的4月20日。终日在1985—1989年、2012—2013年呈提前趋势，终日最长提前日数为34 d。≤-5℃负积温初日（图2e）最长推迟日数为35 d。初日最早出现在10 月18 日（1974年），终日最晚出现在4月10日（1979年）。≤-10℃负积温初日（图2f）最大变化幅度为31 d。负积温持续日数在1985—1990年、2010年后持续日数明显缩短。＜0℃负积温（图2d）最大减少幅度为33 d。≤-5℃负积温日数（图2e）最长的是161 d，出现在1979 年，最短的是116 d，出现在2015年。最大减少幅度为35 d。≤-10℃负积温日数（图2f）最大减少幅度为34 d。

2.2 积温的时间变化趋势

2.2.1 不同界限温度正积温变化趋势1970—2019 年大兴安岭林区全年≥0℃积温（图3a）的多年平均值为2460.4℃，积温在2100～2800℃之间浮动，上升倾向率为86.125℃/10 a，在21世纪00年代后期升高的趋势明显，2018 年的累年平均积温为研究区历年最高值，达到2756.5℃，最小值为1972 年，积温为2150.5℃，两者温度相差达到606℃，说明研究区≥0℃积温的年际变化幅度大。积温在1995—1998 年有明显的持续性上升期，增加变幅为248.94℃。≥5℃积温（图3b）的多年平均值为2344.12℃，积温在2000～2700℃之间浮动，上升倾向率为86.985℃/10 a，≥5℃积温≤2344℃的年份有27年，其中除2003年外，1996—2019年期间积温都在2300℃以上。≥10℃积温（图3c）在1970～2400℃之间浮动，上升倾向率为92.984℃/10 a，在1995—1998年有明显的持续上升期，变幅为223.9℃。

图3 大兴安岭林区不同界限温度积温及距平年际变化特征

2018 年全省累年平均积温2387.3℃，为研究区历年最高值，最小值在1972年，为1673.8℃，两者温度相差达到713.5℃。正积温最小值均在1972年，≥10℃积温温度差年际变化幅度达到713.5℃。≥5℃积温、≥10℃均在20世纪70年代持续性下降，≥10℃积温在21世纪00年代下降波动明显，均通过0.01水平的显著性检验。正积温距平均在1970—1987 年为负距平，2004—2019年为正距平，1988—2003年积温距平以振荡为主，其中最大负距平出现在1972年，≥0℃、≥5℃积温距平在2018年，≥10℃积温距平在2007年数值最大。

2.2.2 不同界限温度负积温变化趋势＜0℃积温（图3d）的多年平均值为-2618.48℃，在-3200～-2100℃之间浮动，上升倾向率为58.414℃/10 a，在年际变化序列中，2001年全省累年平均积温-2618.48℃，为研究区历年最高值，最小值为1976 年，为-3178.61℃，两者温度相差达到995.98℃。≤-5℃积温（图3e）的多年平均值为-2533.46℃。≤-5℃负积温在-3100～-2100℃之间浮动，上升倾向率为58.869℃/10 a。≤-10℃积温（图3f）的多年平均值为-2307.23℃，在年际变化序列中，2018年全省累年平均积温-2049.66℃，为研究区历年最高值，最小值为1976 年，为-3098.19℃，两者温度相差达到1048.53℃。≤-10℃负积温在-2900～-1700℃之间浮动，上升倾向率为48.569℃/10 a。＜0℃、≤-5℃积温通过0.05 水平的显著性检验。在年际变化序列中，2018年全省累年平均积温-1783.37℃，为研究区历年最高值，最小值在1976 年，为-2925.41℃，两者温度相差达到1142.04℃。≤-10℃负积温在1997—2000 年、2006—2009 年、2014—2017 年有明显的下降，最大变幅为746.1℃。≤-10℃积温未通过0.05 水平的显著性检验。≤-5℃、≤-10℃积温变化相对一致，2018年为研究区历年最高值，最小值为1976 年。＜0℃积温在2001年全省累年平均积温为2618.48℃，为研究区历年最高值，≤-10℃积温高低差值最大。负积温均在2007—2009 年有明显的下降，2000—2001 年、2012—2014 年有明显的上升，＜0℃、≤-10℃积温在1997—2000年有明显的下降，≤-5℃、≤-10℃负积温在2014—2017 年有明显的下降。其中变幅最大为≤-10℃负积温，变幅为746.1℃，在1976—1978年有明显的上升期，最大变幅为880.97℃。1970—1987年≤-5℃、≤-10℃负积温为负距平，1988—1997年大体为正距平，＜0℃负积温距平从1988年持续到2007年基本为正距平，其中最大负距平-618.18℃，最大正距平523.85℃，≤-5℃、≤-10℃负积温距平在1998—2012 年以振荡为主。代际变化如表1 所示，各年代均呈现升高趋势，20 世纪70 和80 年代均低于多年平均值，以20 世纪70 年代最少。从21世纪00年代开始积温值明显高于多年平均值，21世纪00年代达到最高值。≤-10℃负积温在20世纪90年代达到最高值。

表1 大兴安岭林区积温年代际变化特征 ℃

2.3 积温突变分析

2.3.1 正积温突变分析 如图4a，UF线在1987 年之前大体呈起伏波动状，UF线和UB线于1994 年出现交点，交点在置信区间外，说明稳定通过0℃的积温在1993 年热量条件经历了一次显著提高的过程并且通过0.05水平显著性检验。积温突变后(2590.82℃)较突变前(2391.66℃)增加199.15℃，突变分析与积温距平变化一致，1994 年之后积温显著上升。如图4b，UF、UB线交汇于1994年附近，说明稳定通过5℃的积温在1994 年热量条件经历了一次显著提高的过程并且通过0.05 水平显著性检验，在1995 年前上下波动较大。如图4c，UF、UB线交汇于1994 年附近，说明稳定通过10℃的积温在1994 年热量条件经历了一次显著提高的过程并且通过0.05水平显著性检验。

图4 大兴安岭林区不同界限温度积温突变分析

2.3.2 负积温突变分析 如图4d，UF和UB线在置信区间内存在多个交点且波动明显，在1981—1984 年间，说明＜0℃负积温在该时间范围内突变显著。如图4e，UF与UB线交于1988年，1987年之前波动明显，突变后显著上升，UF线于1993 年越过临界值(1.96)，说明≤-5℃负积温在1988年热量条件显著提高并且通过0.05 水平显著性检验。如图4f，UF和UB在临界直线内2 条统计量存在多个交点。在1982—1987 年间，说明≤-10℃负积温在该时间范围内积温量变动复杂。

2.4 积温的年际周期性变化

将研究得到时间序列做小波谱分析，结果如图5所示，大兴安岭林区1970—2019年≥0℃积温时间序列在2 年尺度内的变化波动显著，2004—2008 年通过了0.05 显著性水平检验（以下简称“检验”），准1 年谱在1975—1983 年间最强，并通过检验，其余时段内不明显。2～4 年谱在1975—1995 年和1997—2019 年，但是在1982 年之前和2008 年之后未通过0.05 显著性水平。≥5℃积温时间序列在2 年尺度内的波动较明显，1975—1983 年、1986—1988 年、2000—2008 年均通过了0.05 显著性水平的检验。准14 年尺度的变化周期持续50 年，但未通过检验。≥10℃积温时间序列在2年谱在1985—1988 年均通过了0.05 显著性水平的检验。准1 年谱在1975—1983 年和1985—1988 年均通过了0.05显著性水平的检验。3～7年谱在1975—1998年时段较为明显，但未通过0.05 显著性水平。8 年以上尺度的周期都不显著。＜0℃积温时间序列但16年谱存在波动。≤-5℃积温时间序列在准2 年尺度的波动较明显，且这些周期的强度均随着时间变化，但在1977年之前2010年之后未通过检验。准18年尺度的变化周期贯穿整个49年，但未通过检验。≤-10℃积温时间序列在2 年尺度内的波动较明显，1977—2010 年均通过了0.05显著性水平的检验。准3年谱在1975—1985 年和1993—1998 年时段较为明显，但1980 年前未通过0.05显著性水平。

图5 大兴安岭林区不同界限温度积温小波谱周期化

2.5 积温的空间分布特征

正积温如图6 所示，大兴安岭林区的西北部区域积温整体＜2000℃，积温最低点位于图里河，分别受纬度位置和海拔高度的影响，纬度相差较小情况下，仅阿尔山站点海拔大于800 m，即高程决定积温变化，阿尔山纬度较低，但积温因受海拔高度影响而减少。积温≥2600℃的区域主要分布在东南部，最高值出现在阿荣旗。≥0℃（图6a）积温分布变化在1935.55～3035.53℃之间。其中最高点阿荣旗最高值与最低值图里河之间相差1099.98℃。≥5℃（图6b）积温分布变化在1814.5～2936.40℃之间。阿荣旗与图里河之间相差1122.35℃。其中大于2000℃小于2300℃所占区域的面积最大。大于2900℃所占区域的面积最小。≥10℃（图6c）积温分布变化在1475.42～2645.22℃之间。其中最高点阿荣旗最高值与最低值图里河之间相差1169.80℃。呈现由南向北逐渐降低的趋势，具有明显的纬度性。

图6 大兴安岭林区不同界限温度积温空间分布图

负积温＜-3000℃的区域主要分布在大兴安岭林区的西北部，积温最低点位于图里河，受纬度位置和海拔高度的影响，阿尔山纬度较低但海拔较高所以积温较小。积温≥-1700℃的区域主要分布在东南部，其中索伦纬度最低但海拔高于扎兰屯，所以最高值出现在扎兰屯。＜0℃（图6d）积温分布变化在-3416.87～-1718.8℃之间。积温最高点扎兰屯与最低值图里河之间相差1698.00℃。≤-5℃（图6e）积温分布变化在-3336.43～-1625.06℃之间。其中最高点扎兰屯最高值与最低值图里河之间相差1711.37℃。其中大于-3300℃、小于-2900℃所占区域的面积最大，大于-3600℃、小于-3300℃所占区域的面积最小。其中最高点阿荣旗最高值与最低值图里河之间相差1818.2℃。

3 结论

利用内蒙古大兴安岭林区11 个气象站点1970—2019年逐日平均气温资料，分析该林区积温特征变化。

（1）1970—2019 年大兴安岭林区≥0℃、≥5℃、≥10℃的正积温初日提前、终日推后；＜0℃、≤-5℃、≤-10℃的负积温呈相反趋势。正积温持续日数由于受初日提前、终日推迟的共同影响呈现延长趋势；负积温相反。其中≥10℃积温初日及持续日数气候倾向率变幅波动最大，≤-5℃积温终日变幅最大。

（2）从时间上看，不同界限温度积温变化幅度不同，但整体呈升高趋势。正积温增加幅度明显，负积温整体波动式小幅度增加，各站点与全站变化趋势整体基本一致。负积温距平以正距平为主，负积温距平较正积温距平振荡波动大。积温年代际变化呈升高趋势，20世纪70年代积温最少。

（3）1970—2019年大兴安岭林区正积温均在1994年前后发生突变，后期显著上升，并且通过0.05水平显著性检验。负积温均存在多个突变时间点，在20世纪80年代间，UF线呈升降起伏的波动趋势。

（4）积温的年际周期性变化在20世纪80年代波动显著，这说明1980年以后大兴安岭林区1970—2019年积温变化加大。

（5）内蒙古大兴安岭林区不同界线温度积温在空间分布上均受纬度升高影响而减小，随着纬度升高积温由东南向西北逐步减少，具有明显的纬度性，其中阿尔山虽纬度较低，但其积温因受海拔高度影响而减少。

4 讨论

笔者对大兴安岭林区积温研究结果呈现出整体为上升的趋势，气候变暖将会对中国的生态、经济及生产生活产生影响，积温变化研究将对农业生产起到指示作用[21]，因此，积温变化研究受到广泛关注与重视[22]，1961—2010年东北地区气温上升，农业热量资源是影响东北三省粮食作物生长的主要因素，可在充分利用气候资源的同时确保该区农作物产量保证。宁夏在1961—2013 年间气候总体变暖[23]，极端气候事件频发导致气候波动加剧，越冬作物冬季低温冻害严重。因此，应合理利用农业气候资源，积极应对气候变暖对农业生产的影响。

有研究提出[24]，在20世纪80年代中期大兴安岭负积温发生显著变化，出现由低到高的冷暖期突变，这与本研究负积温突变分析以及小波分析结论一致。有研究得出中国整体负积温变化趋势具有纬向和垂直地带性规律[25]，与本研究得出结果相同，负积温随海拔和纬度升高而逐渐增大。研究表明[7,26]，东北地区负积温各地整体呈上升趋势，研究通过对多年冻土进行研究分析，负积温研究结果均呈增加趋势，冻土退化由南向北逐渐减少，两者具有一致变化性。这与本研究积温增温、由南向北逐渐降低具有良好一致性。外界环境的变化对林区多年冻土影响较大，研究区各地应该根据冻土退化和负积温变化趋势的关系，采取有效措施促进经济与生态的发展[27-30]。