内蒙古乌兰察布市近40年气温变化规律与特征分析

索慧

摘要：利用乌兰察布市1971-2010年逐月平均气温、最高气温、最低气温观测资料，采用气候统计、数值模拟的方法，从气温常态变化和气温变率两个方面进行分析，通过模式模拟来对实况观测结果进行对比检验，同时评估模式模拟效果。结果表明，全市平均气温升温速率为0.48 ℃/10年，远高于全国水平0.22 ℃/10年。乌兰察布地区的近40年气温变化主要以准10年周期为主，气温正处于偏高时期，未来仍会有所上升。CCMIP5的CCSM4模式的历史试验结果验证了平均气温、最高气温和最低气温的气候特点，可以模拟出观测区域的气候特点，尤其是对于气候突变的模拟更接近实况观测，但总体上模式结果偏高，模式误差在1～2 ℃内。

关键词：气温变化；内蒙古中西部；乌兰察布

中图分类号：P468.0+21 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2016）24-6427-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.24.026

气候变化是国际社会普遍关心的重大全球性问题。气候变化既是环境问题，也是发展问题，但归根到底是发展问题。IPCC第五次评估报告中强调，全球气候在过去的年代里确实发生了显著变化，几乎所有地区都经历了升温过程。20世纪80年代以来，中国气候显著变暖，特别是自1985年起温度急剧升高，东北、华北是中国增暖最显著的地区[1]。内蒙古地域辽阔狭长，东西跨度大，各地区气候不尽相同[2]，鲜见关于内蒙古中西部乌兰察布市气候变暖的报道。本研究利用乌兰察布市1971-2013年逐月平均气温、最高气温、最低气温观测资料，采用气候统计、数值模拟的方法，从气温常态变化和气温变率两个方面进行分析，通过模式模拟来对实况观测结果进行对比检验，同时评估模式模拟效果，以期为该地区气候变暖的研究提供参考。

1 研究资料来源和研究方案

1.1 资料来源

乌兰察布市占地550万hm2，共有11个国家气象站（图1）。其中，丰镇市气象地面观测站（站号53484）于1998年迁站，由山地迁移到平地，气温前后变化很大，因此剔除该站数据，分析其余10个气象站1971-2010年的气温资料。

所用数据全部来自乌兰察布市气象局气象档案馆，包括上述10站1971-2010年的逐月、逐年平均气温、最高气温、最低气温实况资料。所用研究资料均有足够的序列长度和精确度，满足均一性、代表性和比较性的研究要求[3，4]。

1.2 技术路线及基本方法

具体研究线路：采用气候倾向率、线性趋势和气温距平分析年际、季节、年代际变化基本规律；利用CCSM4（通用气候系统模式4）的历史试验中1850-2004年的模式大气的气温资料，与实况观测资料比较，评估模式对区域气候特征和异常变化的模拟。

采用气候统计学方法以及数理统计方法分析研究，使用Exce1 2010，Fortran 6.5，Surfer 8.0软件对乌兰察布市近40年（1971-2010年）全市10个站逐月平均气温、最高气温、最低气温资料进行处理、制图，另外根据各站气候特点以及空间特征，把四子王旗、察哈尔右翼中旗、察哈尔右翼后旗、商都县、化德县5个站划分为“后山地区”，把卓资县、集宁区、凉城县、察哈尔右翼前旗、兴和县5个站划分为“前山地区”，分区域对整个地区的气温变化规律和特征进行分析，从季节变化、年际变化、年代际变化研究这一地区气温变化规律和特征[5]。

2 乌兰察布市气温变化分析

2.1 气温年际变化

2.1.1 全市及區域气温年际变化 乌兰察布市地处华北平原北部，位于内蒙古中西部，属温带大陆性季风气候，四季分明，多年平均气温4.0 ℃，年平均最高气温10.9 ℃，年平均最低气温-2.1 ℃。极端高温值为39.3 ℃，出现在2005年7月7日的凉城县；极端低温值为-32.2 ℃，出现在2008年12月21日察哈尔右翼中旗。按照历史习惯和气候特征，以大青山（乌兰察布市境内为东西走向）为界，大青山以南称为前山，以北称为后山。后山地区纬度和平均海拔高于前山地区，多年平均气温低于前山地区，极端最高气温和极端最低气温分别出现在前山地区凉城县和后山地区察哈尔右翼中旗。

根据这一特征，分别从全市、前山地区、后山地区1971-2010年平均气温、最高气温、最低气温的年平均变化和距平来分析乌兰察布市气温的年际变化，分析乌兰察布市的气温年际变化规律和特征。由表1可知，乌兰察布市1971-2010年平均气温、最高气温、最低气温均显著上升。全市平均气温增温速率为0.48 ℃/10年，该速率远高于近50年来，全国年平均气温增温速率0.22 ℃/10年，也高于内蒙古地区年平均气温增温速率0.42 ℃/10年[2]。前山地区、后山地区同样升温显著，后山地区最低气温升温速率达到0.64 ℃/10年。后山地区气温升温速率均高于前山地区，特别是平均最低气温，比前山地区高0.06 ℃/10年，后山地区的平均最低气温在1989年前后发生了明显的均值突变。全市平均最高气温升温速率比较一致，前山和后山仅相差0.01 ℃/10年，这一点在升温速率空间分布上也有体现。

从图2a、图2b平均气温变化和距平可以看出，全市平均气温在1991年之前以负距平为主，之后转为正距平，气温上升明显，其中正负距平峰值出现在1998年（对应气温为5.7 ℃）和1984年（对应气温2.8 ℃），两者相差2.9 ℃。由图2f中的5阶多项式拟合曲线可以看出，1977年以前偏暖，1977年之后转为偏冷，1984年达到负距平峰值，之后开始升温，至1991年转为偏暖，1998年达到正距平峰值（1.7），之后至今一直处于增温减缓阶段，因此，乌兰察布地区的平均气温一直处于波动式升温状态。21世纪的近10年来，温室气体排放速率加快，城市热岛效应日益显著，而气温的增温速率降低，其原因目前还不确定[3]。

由表1和图2c、图2d可以看出，1971-2010年近40年乌兰察布地区的平均最高气温同样显著升高，气温变化极值分别为12.3、9.4 ℃，两者相差2.9 ℃。1991年之前以负距平为主，之后转为正距平为主，与平均气温同步。其中正负距平峰值分别出现在1998年和1983年，与平均气温相比，正距平峰值出现时间一致，负距平峰值出现较早，峰值为-1.6，平均气温负距平峰值出现在1984年，为-1.4；最高气温距平正负峰值差为3.0，超过了平均气温的正负距平峰值差2.9，表明最高气温波动大于平均气温。由表1和图2e、图2f可知，平均最低气温正负距平的分界点出现在1991年。正负距平峰值差为3.9，负距平峰值为-1.9，正距平峰值为2.0，均大于平均气温和最高气温，表明最低气温波动较大。正负距平峰值出现在1998年和1985年，气温变化极小值出现在1974年，对应气温为-3.9 ℃，极大值出现在1998年，对应气温为0 ℃。

综上所述，1971-2010年乌兰察布市平均气温、最高、最低气温均显著上升，正负距平转折点均出现在1991年，期间呈波动式升温，其中最低气温波动最大，升温速率最大。后山地区升温速率大于前山。

2.1.2 平均最高、最低气温空间分布特征分析 从图3可以看出，乌兰察布市最高、最低气温大致为由北向南递增，低值中心出现在北部察哈尔右翼中旗站附近，北部气温偏高，南部气温偏低。由图3a可知，近40年乌兰察布市平均最高气温最小值出现在察哈尔右翼中旗（8.9 ℃），由察哈尔右翼中旗向南北两侧递增，最大值出现在凉城县（12.6 ℃）。由图3b可知，最低气温低值中心有所南移，出现在察哈尔右翼中旗（-4.0 ℃）和卓资县（-3.9 ℃）一带，由该地向南北两侧递减。这主要是因为大青山横亘于察哈尔右翼中旗、卓资县一带，这一地区海拔较高，并且受季风的影响，因此出现平均最高、最低气温空间分布的不同。

3 模式模拟

3.1 CCSM4模式

现有观测资料存在一些缺陷[8，9]，因此普遍采用数值模式模拟气候变化，本研究选用 CCSM4（通用气候系统模式4）[10]的历史试验中1850-2005年模式大气的地面气温、最高气温和最低气温，采用与实际大气气温观测资料比较的分析方法，分析该模式对区域气候特征和异常变化的模拟。

3.2 分析方案

选用CCSM4历史试验的部分资料（1850-2005年数据），该试验中温室气体（CO2等）为实测值，其余为模式模拟结果。按照实际大气相同分析方法，选取与实际观测资料对应的时段1980-2005年，完成内蒙古中西部地区乌兰察布市的区域气候特征和常变模拟，利用气温计算乌兰察布市的平均气温、最高气温、最低气温的气候态，分析乌兰察布市的1980-2005年间气温变化和趋势，对比气温变化的周期和实际存在的周期。

3.3 模拟结果

3.3.1 气候态 1980-2005年实况观测的平均气温和最高、最低气温平均值为4.0、9.5、-2.0 ℃，气温偏低，昼夜温差大，体现了内蒙古中西部地区的气候特点。模式模拟普遍偏高1～2 ℃，但也能模拟出区域的气候特征。对于乌兰察布市的前山和后山地区，模式也模拟出了相应的地域特征，前山的平均气温、最高气温、最低气温都高于后山，模式对于这两个区域的模拟也偏高。最明显的就是模式能模拟出最低气温的区域特征，模式值和观测值中最低气温都低于0 ℃。总的来说，该模式可以模拟出区域气温的特征，误差都在2 ℃以内（图4）。

3.3.2 气候趋势 图5为气温随时间的变化，为了更好地分析气温的变化，去掉了气温的变化趋势，可以发现气温在去掉趋势后的变化振幅大致在 ±4 ℃，而且可以看出明显存在着年际和年代际周期。区域的平均气温变化在1982、1992和1995年出现了气候转折，突然变冷或变暖。这个时间点落后于全球气候突变的时间。CCSM4模式基本模拟出了这些特征，尤其是在气候突变上，在1990-2000年之间CCSM4模式模拟的平均气温、最高气温和最低气温都高于观测值，但总的变化趋势和观测值吻合，这说明CCSM4模式的物理过程能够发映出气候变化的特征。

4 小结

对内蒙古乌兰察布市1971-2010年近40年气温变化规律和特征做了全面分析，利用乌兰察布市10个气象站1971-2013年逐月平均气温、最高气温、最低气温观测资料，采用气候统计数值模拟方法，研究平均气温、平均最高气温和平均最低气温变化，从气温常态变化和气温变率两个方面，通过变换不同时间尺度和空间尺度来分析该地区气温变化，最后通过CCSM4模式模拟研究结果和实况观测值，进行对照检验，并对模拟效果进行评估。

从年际变化角度分析，乌兰察布市1971-2010年平均气温、平均最高、最低气温均显著上升，最低气温升温速率最大（0.61 ℃/10年）。全市平均气温增温速率为0.48 ℃/10年，远高于全国水平（0.22 ℃/10年），也高于內蒙古地区平均水平（0.42 ℃/10年）。3种气温正负距平转折点均出现在1991年，1991年之前气温以负距平为主，之后转为正距平，期间呈波动式升温，其中最低气温波动最大。后山地区气温升温速率均高于前山地区，特别是平均最低气温（0.64 ℃/10年），比前山地区高0.06 ℃/10年。单站气温年际变化大致符合区域气候特点，即前山较暖，后山较冷，但其中略有不同，后山地区的察哈尔右翼后旗、四子王旗平均气温处于全市中等水平，并不偏低，前山地区的卓资县气温较低，这可能由于受地理位置和地质地貌影响。察哈尔右翼中旗的气温均明显低于其他9个站点，特别是最低气温，大约偏低2 ℃左右。

全市近40年气温空间分布特征：气温分布大致呈由北向南递增，低值中心出现在北部察哈尔右翼中旗站附近，北部气温偏低，南部气温偏高。气温倾向率的空间分布表现为由北向南递减，北部地区气候倾向率大于南部地区。近40年乌兰察布市10个站中有9个平均最高、最低气温的差值在减小，只有凉城县是增大的。

CCMIP5的CCSM4模式的历史试验结果验证了平均气温、最高气温和最低气温的气候特点，可以模拟出观测区域的气候特点，但总体上模式结果偏高，模式误差在1～2 ℃内。模式模拟出了平均气温、最高气温和最低气温的时间变化的特点，尤其是对于气候突变的模拟更接近实况观测值。

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