浅谈大兴安岭图里河林区近64年的气温变化

浅谈大兴安岭图里河林区近64年的气温变化

摘要：基于图里河国家基准气候站1957-2020年气温观测资料，利用一元线性回归、5a滑动平均、Mann-Kendall检验以及小波分析的方法，对大兴安岭图里河林区近64年的年平均气温变化趋势、各季节平均气温变化趋势、年平均气温突变特征、各季节平均气温突变特征和年平均气温变化周期性方面进行了分析。结果表明：近64年大兴安岭图里河林区的年平均气温呈上升趋势，气候倾向率为0.33℃/10a，各季节的平均气温均呈上升趋势，春、夏、秋、冬季的上升速率分别为0.42℃/10a、0.30℃/10a、0.19℃/10a、0.36℃/10a，四季中增温最显著的是春季，秋季增温最慢；年平均气温突变发生在20世纪80年代，春季气温突变发生在1985年，夏季气温突变发生在1992年，秋季气温突变发生在2005年，冬季气温突变发生在1982年；年平均气温的变化存在周期性，第一主周期为4年，第二主周期为7年。

关键词：一元线性回归；5a滑动平均；Mann-Kendall检验；小波分析；图里河林区；年平均气温；各季节平均气温；变化趋势；突变特征

中图分类号：P423.17 文献标识码：A

Analysis of Temperature Variation Characteristics in the Tulihe Forest Area of the Daxing'an Mountains

in the Past 64 Years

YOU Si1，YOU Wei2

(1.Inner Mongolia Atmospheric Sounding Technical Support Center，Inner Mongolia Huhhot 010000，China；2.Hulunbuir Meteorological Bureau，Inner Mongolia Hulunbeir 021000，China)

Abstract: Based on the temperature observation data from 1957 to 2020 at the Tuli River National Reference Climate Station,using the methods of univariate linear regression,5a moving average,Mann-Kendall test and wavelet analysis,the annual average temperature change of the Tuli River forest area in the Daxing'an Mountains in the past 64 years was analyzed.the change trend of the average temperature in each season,the abrupt change of the annual average temperature,the abrupt change of the average temperature of each season and the periodicity of the annual average temperature were analyzed.The results show that:in the past 64 years,the annual average temperature in the Tulihe forest area of the Daxing'an Mountains has shown an upward trend,and the climatic trend rate is 0.33℃/10a.The average temperature in each season showed an upward trend,It is 0.42°C/10a, 0.30°C/10a, 0.19°C/10a, 0.36°C/10a.The most significant temperature increase in the four seasons is in spring,and the slowest increase in autumn;The sudden change of temperature occurred in 1985,the sudden change of summer temperature occurred in 1992,the sudden change of temperature in autumn occurred in 2005,and the sudden change of temperature in winter occurred in 1982.The change of annual average temperature has periodicity,the first main cycle is 4 years,and the second main cycle is 7 years.

Keywords:univariate linear regression;5a moving average;Mann-Kendall test;wavelet analysis;Tuli River forest area;annual average temperature;seasonal average temperature;variation trend;mutation characteristics

引言

近年来，全球气候变暖已经成为人们日益关注的问题，联合国政府气候变化专门委员会（IPCC）发布的第六次评估报告（AR6）指出：近10年（2011-2020）的全球地表平均温度为19世纪50年代以来最暖的十年，1951-2020年年平均气温以0.26℃/10a的趋势上升[1]。图里河林区位于内蒙古大兴安岭腹地，呼伦贝尔市北部，林业资源丰富，是我国北方重要的生态屏障和林业生产基地。该地区气候条件恶劣，其特点是冬季寒冷漫长，夏季温凉短促，春季干旱多风，秋季降温急骤[2]。目前，林会民等人[3]对图里河林区的年平均气温的变化趋势进行过研究，但只分析了1981-2010年的变化情况，不仅时间段短，而且未对年平均气温的突变特征及变化周期性进行过研究，也未对该时间段内各季节平均气温的变化趋势及突变特征进行过研究。张宏星[4]对图里河林区的年平均气温及各季节平均气温的变化趋势进行过研究，但只分析了1961-2006年的变化情况，不仅时间段短，而且未对年平均气温、各季节平均气温的突变特征及年平均气温变化周期性进行过研究。

基于以上情况，文章基于图里河国家基准气候站1957-2020年气温观测资料，利用一元线性回归、5a滑动平均、Mann-Kendall检验以及小波分析的方法，对大兴安岭图里河林区近64年的年平均气温变化趋势、各季节平均气温变化趋势、年平均气温突变特征、各季节平均气温突变特征和年平均气温变化周期性方面进行了全面的分析。研究结果能够为当地林业生产、科研工作提供一定的参考价值，也可以为决策部门建立高温、低温预警机制，预防自然灾害、保护林业资源及保护和和改善生态环境提供一定的参考价值[5]。

1 资料与方法

1.1数据来源

1957-2020年的原始温度数据来自图里河国家基准气候站，所有观测数据均经过质量控制，具有更好的精度和连续性，确保了研究结果的可信度。

1.2研究方法

本研究采用一元线性回归、5a滑动平均、曼－肯德尔法(Mann-Kendall检验)和小波分析等方法，对图里河林区64年来年平均气温变化趋势、各季节平均气温变化趋势、年平均气温突变特征、各季节平均气温突变特征以及年平均气温变化的周期性进行了综合分析。

1.2.1 一元线性回归

线性倾向估计是一种常用的分离气候趋势的统计方法，用来表明气候变量在一段时间尺度上的变化趋势。建立气候序列xi与时间ti的一元线性回归，用合理的直线表示xi与ti的关系，判断序列总体的上升或下降趋势[6-8]。

$${\widehat{x}}_i=a+{\text{bt}}_i$$ （1）

式中：xi表示样本为N的某一气候变量；ti表示xi对应的时间；回归系数b的符号表示气候变量x的趋势倾向，b>0时表示随着时间的推移，序列呈上升趋势；b<0时表示序列随时间呈递减趋势，b值大小反映递升或递减的倾向性程度。

1.2.2 滑动平均

滑动平均[9-10]是利用时间序列的平滑值来表明趋势的变化。滑动平均后，序列中比滑动长度短的周期大大减弱，变化趋势显现出来。

（2）

其中：K为滑动长度。作为一种规律，K最好取奇数，这样可以将均值加到时间序列中项的时间坐标上；如果K取偶数，可以将滑动平均后的新序列取每两项的平均值，使滑动平均对准中间。

1.2.3 Mann-Kendall检验

曼-肯德尔法是一种非参数统计检验方法，它既可以检测序列的变化趋势，也可以对序列的突变点进行检验。通过计算绘制出UF和UB曲线，如果当UF(UB)>0时，序列是上升的，反之则是下降的。给定显著性水平a=0.05时，UF与UB的临界值为±1.96。超过临界直线时，表示明显的上升或下降趋势；如果UF与UB曲线相交时，交点在临界直线之间，则交点对应的时刻为突变开始的瞬间[11-12]。

1.2.4 小波分析

小波分析[13-15]是对时间(空间)频率的局部化分析，通过伸缩平移运算逐步细化信号(函数)的多尺度，具有处理信号的特殊优势，可应用于时频结构分析的气象和气候序列中。在气候诊断中，广泛应用的傅立叶变换，能在不同尺度的气候序列中显示出相对贡献；小波变换不仅能给出气候序列变化的尺度，还能显示出变化的时间位置，对气候预测的贡献很大[16]。

2 结果分析

2.1.年平均气温变化趋势

利用一元线性回归法对大兴安岭图里河林区1957-2020年的年平均气温数据进行统计分析，得到年平均气温随时间变化的趋势如图1所示。经分析得出：

（1）

近64年大兴安岭图里河林区的年平均气温总体上呈上升趋势，气候倾向率大致为0.33℃/10a，超过了0.01的显著性检验，表明升温趋势比较明显；

（2）

该地区的年平均气温在零摄氏度以下，其中，年平均气温最高为-2.5℃，出现在2015年，年平均气温最低为-6.9℃，出现在1969年；

（3）

由5a滑动平均曲线可以看出，在1990年之前，年平均气温是低于多年年平均气温值，1990年后，年平均气温是高于多年年平均气温值。

由此可说明，大兴安岭图里河林区近60多年气温总体上呈上升趋势，但后30年的气温上升趋势强于前30年的气温上升趋势。

图1 大兴安岭图里林区1957-2020年的年平均气温随时间变化的趋势图

2.2 各季节平均气温变化趋势

利用一元线性回归法对1957-2020年大兴安岭图里河林区四季平均气温数据进行统计分析，得到如64年里四季平均气温随时间变化的趋势图如图2所示。经分析得出：

（1）

在64年里，四季的平均气温均有上升趋势，这与全球变暖的大背景相符合；

（2）

春季的气候倾向率为0.42℃/10a，夏季气候倾向率为0.30℃/10a，秋季的气候倾向率为0.19℃/10a，冬季的气候倾向率为0.36℃/10a，气温上升趋势最大的的是春季，冬季、夏季次之，秋季最小；

（3）

夏季和冬季通过了0.01的显著性检验，秋季通过了0.05的显著性检验。

（a）春季 （b）夏季

（c）秋季 （d）冬季

图2 大兴安岭图里河林区1957-2020年四季平均气温随时间变化的趋势图

2.3 年平均气温突变特征

利用M-K突变检验法对大兴安岭图里河林区1957-2020年的年平均气温数据进行突变检验，得到其突变特征图如图3所示。经分析得出：

（1）1957年到2020年，年平均气温发生了两次突变，均发生在20世纪80年代到90年代之间；

（2）20世纪50年代到60年代基本呈增温趋势，20世纪60年到90年代呈降温趋势，到20世纪90年代后，变量曲线超过置信区间，说明增温趋势明显。

图3 大兴安岭图里林区1957-2020年年平均气温突变特征图

2.4 各季节平均气温突变特征

利用M-K突变检验法对大兴安岭图里河林区1957-2020年各季节平均气温数据进行突变检验，得到其突变特征图如图4（a）-4（d）所示。经分析得出：

（1）

各季节平均气温的突变均发生在20世纪80年代后，其中，春、夏、秋三个季节均出现两次气温突变，分别发生在1985年、1992年以及2005年附近，春季平均气温除20世纪50年代末到60年代末呈降温趋势外，其他时期均处于升温趋势，并且在20世纪80年代中期后，升温趋势显著；

（2）

夏季平均气温在64年内一直呈升温趋势，特别是在20世纪90年代中期后，升温趋势显著；

（3）

秋季平均气温在20世纪60年代初到90年代初，呈降温趋势，在20世纪50年代末到60年代初以及20世纪90年代后呈升温趋势，到21世纪10年代后升温趋势明显；

（4）

冬季平均气温出现一次突变，发生在1982年，20世纪50年代末到60年代中期，气温呈波动状态，但基本呈升温趋势，20世纪60年代中期到80年代初则呈降温趋势，随后又呈升温趋势，特别是进入20世纪90年代初后，升温趋势明显。

（a）春季 （b）夏季

（c）秋季 （d）冬季

图4 大兴安岭图里河林区1957-2020年各季节平均气温突变特征图

2.5 气温的周期性

利用小波分析法对大兴安岭图里河林区1957-2020年的年平均气温数据进行统计分析，得到小波实部等值线图、小波方差图、小波模等值线图和小波模方等值线图如图5所示。

（1）

小波实部等值线图反应了大兴安岭图里河林区年平均气温随着时间尺度的冷暖交替变化情况，年平均气温主要在2a-4a，6a-8a时间尺度上存在冷暖交替的周期性变化；

（2）

小波方差图反映了大兴安岭图里河林区年平均气温在各时间尺度下的变化过程，通过小波方差图可得到，4a时间尺度的周期对应的小波方差的峰值最大，将其确定为主周期。尺度为2a-4a的周期在20世纪50年代末到70年代初，共经历了3次暖-冷交替，尺度为6a-8a的周期在在20世纪80年代到21世纪20年代，经历了暖-冷-暖两次震荡；

（3）

小波模等值线图和小波模方等值线图反映了大兴安岭图里河林区年平均气温在各时间尺度下的周期性强弱分布情况，2a-4a时间尺度上小波系数模值最大，说明该时间尺度上能量最强，周期最显著，6a-8a时间尺度上能量较弱，周期性也较弱；

（4）

年平均气温的变化存在周期性，第一主周期为4年，第二主周期为7年。

（5）

（a）

小波实部等值线图 （b）小波方差图

（c）小波模等值线图 （d）小波模方等值线图

图5 大兴安岭图里河林区1957-2020年的年平均气温小波分析图

3 结论

基于图里河国家基准气候站1957-2020年气温观测资料，利用一元线性回归、5a滑动平均、Mann-Kendall检验以及小波分析的方法，对大兴安岭图里河林区近64年的年平均气温变化趋势、各季节平均气温变化趋势、年平均气温突变特征、各季节平均气

温突变特征和年平均气温变化周期性方面进行了分析。得出以下结论：（1）近64年的年平均气温呈明显的上升趋势，上升速率为0.33℃/10a；（2）各季节的平均气温均呈上升趋势，春、夏、秋、冬季上升速率分别为0.42℃/10a、0.30℃/10a、0.19℃/10a和0.36℃/10a，春季增温在四季中最为显著，秋季增温最慢，而春、冬季节平均气温的上升为年均气温上升提供了主要贡献；(3)1957-2020年年平均气温发生两次突变，均发生在1980年代中后期；(4)春、夏、秋季节的平均气温有两次突变，分别发生在1985年附近、1992年附近和2005年，冬季平均气温有一次突变，发生在1982年；（5）春季、秋季、冬季虽有部分时段呈降温趋势，但持续时间较短，且20世纪80年代后均呈升温趋势，进入21世纪后，各季节升温趋势更加显著；（6）年平均气温的变化存在周期性，第一主周期为4年，第二主周期为7年。

文章研究结果能够为当地林业生产、科研工作提供一定的参考价值，也可以为相关部门建立预警机制，对自然灾害、保护林业资源及保护和和改善生态环境提供一定的参考价值。

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1第一作者：有思（1996-），女，内蒙古呼伦贝尔市人，助理工程师，本科，研究方向为林区气候变化。

气温变化实验报告