基于kriging插值的內(nèi)蒙古氣溫和降水量變化特征分析

基于kriging插值的內(nèi)蒙古氣溫和降水量變化特征分析

氣候變化不僅被認(rèn)為是一個科學(xué)問題，也被認(rèn)為是環(huán)境和政治問題。近年來，受國家政府、社會和科學(xué)的影響，世界上的平均溫度在100年（1906年至2005年）達(dá)到0.74，預(yù)計(jì)21世紀(jì)末將達(dá)到。由于不同的氣候過程和相關(guān)的時差，即使溫室氣體濃度穩(wěn)定，人為變化的趨勢也持續(xù)了幾個世紀(jì)。內(nèi)蒙古位于東南風(fēng)區(qū)的周邊地區(qū)。這是中國西北干旱地區(qū)向東北濕潤和華北干旱地區(qū)過渡的區(qū)域。氣候變化非常敏感，災(zāi)害發(fā)生頻繁。植被和環(huán)境對氣候變化的影響非常明顯。本文件利用內(nèi)蒙古1981年至2010年50個氣候觀測站（圖1）的氣溫和降水?dāng)?shù)據(jù)，在逐年、季節(jié)和地區(qū)上分析內(nèi)蒙古近30年的氣候變化趨勢，為評估各種自然災(zāi)害的防災(zāi)、民防、氣候變化及其影響提供參考。1內(nèi)蒙古5.4內(nèi)蒙古自治區(qū)位于我國北部邊疆,地域遼闊,西起97°12′E,東至126°04′E,橫跨經(jīng)度28°52′,相隔約2400km,南起37°24′N,北至53°23′N,縱占緯度15°59′,直線距離1700km,是我國跨緯度最大的省級行政區(qū).地勢由南向北、由西向東緩緩傾斜,氣候以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹?全區(qū)多年年平均氣溫從東北至西南約為-3.1~9.4℃(圖2).內(nèi)蒙古年降水量稀少,分布趨勢與氣溫的分布正好相反,由東北向西南遞減,變化范圍約為58.4~407.8mm(圖3).2數(shù)據(jù)和方法2.1月平均氣溫和降水量圖氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(/home.do),包括1981~2010年內(nèi)蒙古50個氣象觀測站的月平均氣溫和降水量.在ARCGIS10.0軟件的支持下,根據(jù)氣象觀測站的經(jīng)緯度信息,采用Kriging方法對氣象要素進(jìn)行空間插值處理,生成柵格化的月氣溫和降水量圖像.2.2春季9-11月利用線性傾向估計(jì)、滑動平均、累積距平方法,結(jié)合GIS空間分析功能,對研究區(qū)的氣溫和降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行逐年、逐季(春季:3-5月;夏季:6-8月;秋季:9-11月;冬季:12-2月)和分區(qū)分析近30年的時間變化趨勢.分區(qū)分析主要根據(jù)文獻(xiàn),將內(nèi)蒙古分為東部(包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市和赤峰市)、中部(錫林郭勒盟、烏蘭察布市、呼和浩特市和包頭市)和西部(鄂爾多斯市、巴彥淖爾市、烏海和阿拉善盟),分別分析其氣溫和降水量變化趨勢.2.2.1斜率對氣象要素的影響為研究近30年氣溫和降水量的變化趨勢,對氣象數(shù)據(jù)和年份之間進(jìn)行線性回歸,計(jì)算其擬合斜率b和相關(guān)系數(shù)R(公式1和公式2).如果斜率大于零,說明氣象要素變化趨于上升趨勢,反之,則說明氣象要素變化趨于下降.如果R值通過0.01的顯著性水平(P<0.01),則認(rèn)為氣象要素呈顯著增加或顯著下降趨勢.其中:b為斜率;xi為第i年的氣溫(降水量);ti為第i年份,在1981~2010間取值;n為研究時間段,取滑動平均滑動的平均相當(dāng)于低通濾波，計(jì)算異常值的平均值以確定趨勢?；瑒悠骄岛?，序列中的周期間隔大大削弱了滑動長度的變化，并顯示出變化趨勢。對于樣本數(shù)量為n的x序列，平均滑動序列表示如下式中k為滑動長度.2.2.3計(jì)算累積距t累積距平也是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法.從曲線明顯的上下起伏,可以判斷其長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化,甚至還可以診斷發(fā)生突變的大致時間.對于序列x,其某一時刻t的累積距平表示為其中x-=1nni=∑1xi.3結(jié)果與討論3.119812010年內(nèi)蒙古平均氣溫趨勢3.1.1內(nèi)蒙古地區(qū)氣溫特征1981~2010年,內(nèi)蒙古平均氣溫在波動中有顯著的增加趨勢,通過0.01顯著性水平(圖4).30年平均氣溫為4.3℃,年平均氣溫上升速率(即氣候變化傾向率)為0.52℃/10a.由5a平均滑動可以看出,氣溫呈明顯上升趨勢.從各年際來看,1981~1990年多年平均氣溫為3.73℃,1991~2000年增加至4.45℃,2001~2010年上升至4.76℃,其中年平均氣溫最低的年份是1984年,為2.85℃,2007年達(dá)峰值.在時間過程上,1981~1993年平均氣溫以減少為主,累積距平曲線呈波動式下降狀態(tài),1993年氣溫累積距平最小,1994~2010年多年平均氣溫開始呈增加趨勢,累積距平也呈上升趨勢(圖5).由全區(qū)各季節(jié)氣溫變化趨勢看(表1),夏季和秋季增溫速率為0.65℃/10a和0.61℃/10a,均通過0.01的顯著性水平,可見,全區(qū)的氣溫上升趨勢主要由夏季和秋季氣溫升高而引起.春季氣溫增溫率為0.37℃/10a,冬季氣溫增溫率為0.22℃/10a.總之,在全球氣候變化大背景下,內(nèi)蒙古地區(qū)氣溫升高趨勢十分明顯.3.1.2氣溫變化趨勢內(nèi)蒙古東部、中部和西部地區(qū)30年年平均氣溫分別為1.9℃、3.47℃和8.06℃.各子區(qū)氣溫的變化趨勢與內(nèi)蒙古全區(qū)的氣溫變化趨勢基本一致,均呈顯著的增溫趨勢(通過了0.01的顯著性水平),5a平均滑動分析也明顯展現(xiàn)出3個子區(qū)氣溫的上升趨勢(圖6).在3個子區(qū)中,中部地區(qū)增溫最大,氣溫傾向率為0.65℃/10a,西部次之,東部地區(qū)氣溫傾向率最小,為0.42℃/10a.由各子區(qū)氣溫累積距平變化趨勢(圖7)可以看出,中西部地區(qū)年平均氣溫變化趨勢相似,1981~1996年氣溫偏冷,在1996年發(fā)生突變,1997~2010年偏暖,年平均氣溫呈升高趨勢.東部地區(qū)發(fā)生突變的時間在1988年,1981~1988年期間,累積距平呈下降趨勢,1989年后累積距平呈波動中上升趨勢,進(jìn)入暖期.由各子區(qū)四季氣溫傾向率變化(表1)可以看出,中西部地區(qū)四季增溫顯著(通過了0.01的顯著性水平),在春季西部地區(qū)增溫速率最大,在夏秋和冬季中部地區(qū)增溫率最大,中西部地區(qū)春季氣溫上升速率大于全區(qū)和東部地區(qū)的上升速率.3.219812010年內(nèi)蒙古平均降水量的變化趨勢3.2.1降水量變化特征1981~2010年間,內(nèi)蒙古年平均降水量總體上呈波動中緩慢下降趨勢,但下降趨勢并不顯著(圖8).30年平均降水量為239.1mm,降水變化傾向率為-13.8mm/10a.由年代變化看,20世紀(jì)80年代平均降水量為248.4mm,90年代為相對豐水時期,平均降水量達(dá)251.4mm.進(jìn)入21世紀(jì)后,全區(qū)降水量呈明顯的下降趨勢.1998年為降水量最多的年份,為359.8mm,2001年為最低.由累積距平變化看(圖9),1981~1998年間降水量呈增加趨勢,到1998年累積距平達(dá)最大值,1999~2010年降水量以減少為主,累積距平變化呈波動中下降趨勢.與溫度變化趨勢不同的是,各季節(jié)降水量變化趨勢與全區(qū)降水量變化趨勢有所差異(表2),春季和冬季全區(qū)降水量呈有所增加趨勢,降水變化傾向率分別為14.1mm/10a和2.44mm/10a,其中冬季增加趨勢通過了0.05顯著性水平.而夏季和秋季降水量則與全年的變化趨勢基本相似,均呈下降趨勢,降水量變化傾向率分別為-67.2mm/10a和-0.58mm/10a,其中夏季降水量下降趨勢通過了0.05顯著性水平.由此可看出,全區(qū)降水量的下降趨勢主要由夏季降水量的減少引起,這也證明了內(nèi)蒙古地區(qū)夏季降水量對全年降水量的重要性.3.2.2降水量變化傾向率內(nèi)蒙古東部地區(qū)年平均降水量明顯多于中部和西部,東部年平均降水量為319.8mm,西部最少,為133.9mm,遠(yuǎn)低于全區(qū)年平均降水量.由各子區(qū)年平均降水量變化趨勢(圖10)可以看出,東部和中部地區(qū)降水呈減少趨勢,降水量傾向率分別為-30.8mm/10a和-5.8mm/10a,其中東部地區(qū)降水量下降趨勢通過了0.05顯著性水平.西部地區(qū)降水量呈增加趨勢,降水量增加傾向率為4.07mm/10a,但增加趨勢并不顯著.由各子區(qū)累積距平變化(圖11)可以看出,3個子區(qū)年平均降水量累積距平均在1998年達(dá)峰值,東部地區(qū)在1981~1998年間降水量呈波動中明顯上升趨勢,而1999年后累積距平呈下降趨勢,降水量減少.中西部地區(qū)年降水量波動趨勢不十分明顯.對比分析各子區(qū)4個季節(jié)降水量變化傾向率后(表2)可以看出,在春季,東、中、西部降水量均呈增加趨勢,但增加趨勢都不顯著.而在夏季,全區(qū)范圍、東部和中部地區(qū)降水量呈顯著減少趨勢,均通過了0.05顯著性水平.在冬季,全區(qū)和3個子區(qū)的降水量均呈增加趨勢,但除了全區(qū)和東部地區(qū)通過0.05的顯著性檢驗(yàn)外,其余兩個子區(qū)降水量增加趨勢都不顯著.秋季中西部地區(qū)降水量增加,東部地區(qū)和全區(qū)呈減少趨勢.4增溫和降水量特征(1)1981~2010年間,內(nèi)蒙古氣溫變化趨勢以增溫為主,年平均氣溫上升速率為0.52℃/10a.由不同季節(jié)氣溫變化特征來看,夏季和秋季