1981~2016年蒙古国气温变化特征研究

The Study on the Characteristics of Temperature Change in Mongolia from 1981 to 2016

摘要: 联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第四次评估报告指出，1906~2005年全球平均气温上升0.74℃。IPCC第五次评估报告中指出，1880~2016年全球平均地表温度增加了约0.85℃。过去30年，全球地表持续升温，温度的上升幅度高于1850年以来的任何时期。蒙古–西伯利亚高压的变化对我国气候也有着一定程度的影响。蒙古国既是“一带一路”倡议“中蒙俄经济走廊”的重要组成部分，也是受全球气候变化影响显著的区域。本文下载了CRU再分析数据(Climatic Research Unit，简称CRU) 1981~2016年全球近地面2 m逐月平均气温数据，进行处理后采用线性回归分析和M-K检验法分析可以得出：1) 20世纪80年代以来蒙古国陆地气温变化速率平均为0.526℃/10a，呈极显著升高趋势(P < 0.01)，年平均气温增加了1.894℃。2) 20世纪80年代以来蒙古国陆地气温变化突变点为1988年。3) 蒙古国陆地超过83%的地区气温上升超过了1.5℃，蒙古国陆地超过88%的地区气温呈显著上升趋势。

Abstract: According to the fourth assessment report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, the average global temperature rose by 0.74˚C between 1906 and 2005. According to the fifth assess-ment report of the IPCC, the global average surface temperature increased by about 0.85˚C from 1880 to 2016. The earth’s surface has continued to warm over the past 30 years, with temperatures rising by more than at any time since 1850. Mongolia is not only an important part of the One Belt And One Road China-Mongolia-Russia economic corridor, but also a region significantly affected by global climate change. The Mongolian-Siberian high also has a certain degree of influence on our climate. This article download the CRU reanalysis data (Climatic Research Unit, referred to as “CRU”) 1981~2016 world nearly 2 m monthly mean temperature data on the ground, after processed using linear regression analysis and M-K test were used to analyze the results: 1) since the 1980s, the average land temperature change rate in Mongolia was 0.526˚C/10a (P < 0.01), the annual average temperature increased by 1.894˚C. 2) The abrupt change point of land temperature in Mongolia since 1980s was 1988. 3) The temperature of more than 83% of the land areas in Mongolia increased by more than 1.5˚C, and the temperature of more than 88% of the land areas in Mongolia showed a significant increasing trend.

1. 引言

全球气候变暖将会引起海平面上升(Zhao L, 2016) [1]，农业生产受限(Lizana X C, 2017) [2]，生物多样性锐减(Pontes-Da-Silva E, 2018) [3]，经济发展减缓(Neves S T, 2018) [4] 等，甚至影响疾病传播威胁人类健康(Jing H, 2018; Rossati A, 2017) [5]。因此，全球气候变暖已成为全球关注的焦点。联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)第四次评估报告指出，1906~2005年全球平均气温上升0.74℃；但从区域和季节尺度上看，气温上升的速率具有明显差异。北半球中纬度冬春季节气温上升速率较快。IPCC第五次评估报告中指出，1880~2016年全球平均地表温度增加了约0.85℃。2018年IPCC发布了《全球升温1.5℃特别报告》，该报告显示预计全球气温在2030年至2052年间会比工业化之前水平升高1.5℃。近30年，全球地表持续升温，温度的上升幅度高于1850年以来的任何时期，1986到2016年已经形成了一个气候态。

蒙古–西伯利亚高压是冬季控制亚洲大陆近地面大气环流及气候要素的最重要环流系统 [6]，蒙古–西伯利亚高压是半永久性大气环流系统，冬季蒙古高压位于蒙古–西伯利亚地区，环流中心位于蒙古国西部(90˚E, 45˚N)，中心气压超过1034 hPa (王力群，2008) [7]，其影响范围涵盖了除黄河长江上游地区以外的整个中国(丁一汇，温市耕，李运锦，1991) [8]。当蒙古–西伯利亚高压偏强，面积偏大时，高层东亚大槽加深，脊加强，西伯利亚地区对应有下沉运动，从而使得近地面气温降低，偏反气旋异常继而能引导北方高纬地区偏冷空气南下，导致东亚大部分地区出现不同程度降温，严重的地区则发生极端低温事件(谢星旸，2018) [9]，也易造成京津冀豫PM2.5污染(李亚云，2017) [10]。到目前为止，有众多学者对蒙古–西伯利亚高压的时空变化和突变特征及影响做了研究，但对于蒙古国气候变化的研究很少。蒙古国简称“蒙古”，位于中国和俄罗斯之间，是“一带一路”倡议“中蒙俄经济走廊”的重要组成部分。基于此本文采用CRU再分析数据研究了1981~2016年蒙古国气温变化的空间差异性，为研究全球气候变化提供依据，为东亚地区农业发展和大气污染现象问题做贡献。

2. 数据与方法

2.1. 数据

本文选择了University of East Anglia (UEA)的气候研究所的Climatic Research Unit (CRU)再分析数据。该数据集不包括卫星观测数据，也不运用模式同化，仅利用数学方法对数据源进行了整合与插值，具有空间覆盖率较大、分辨率较高且无缺测月地表气候要素的优点。CRU再分析数据起始年份为1901年，空间为0.5˚ × 0.5˚经纬网格覆盖所有陆地。本文选择了1981~2016年全球近地面2 m逐月平均气温数据；采用ArcGIS软件中的Spatial Analyst Tools工具箱的Map Algebra工具中的Raster Calculator进行计算。将蒙古国20世纪80年代以来的CRU再分析数据集的逐月数据汇总成20世纪80年代以来的逐年数据。计算得出蒙古国年际气温的变化与四季气温的变化。

2.2. 方法

2.2.1. 气温变化趋势方法

趋势分析方法是长期趋势预测的主要方法，它假定历史数据的趋势将在未来一段时间内持续下去。根据连续性原理，依据时间序列的发展趋势，配合合适的曲线模型，对未来趋势进行外推预测，模型选择的恰当与否直接影响预测的精准度时间序列的气温长期变化趋势采用线性倾向估计方法分析(Li Xiangge, 2015) [11]，建立气温变量(y)与所对应时间(x)的一元线性回归方程：

$y_i=a{x}_i+b,\left(i=1,2,\cdots ,n\right)$ (1)

式中a为线性回归系数，表示气温要素变化速率；b为常数。a值正负分别表示气温随时间变化呈上升或下降趋势，即a为正值表示气温呈上升趋势，a为负值表示气温呈下降趋势。

2.2.2. Mann-Kendall检验法

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计方法，其优点是对于时间序列自然事件的趋势性分析，具有不受样本值、分布类型等的影响，并被世界气象组织推荐而广泛应用 [12]。Mann-Kendall检验中，原假设 $H_0$ 为原序列 $\left(x_1,x_2,\cdots ,x_n\right)$ 无变化趋势，备择假设 $H_1$ 是原序列有增大或减少变化趋势，为双边检验，构造秩序列 $S_k$。

$S_k={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{k}{\sum }}{r}_i},\left(k=2,3,\cdots ,n\right)$ (2)

式中： $r_i=\{\begin{array}{c}1x_i\ge x_j\\ 0x_i\le x_j\end{array}j=1,2,\cdots ,i$。

定义统计变量：

$U{F}_k=\frac{\left[S_k-E\left(S_k\right)\right]}{\sqrt{\mathrm{var}\left(S_k\right)}},k=2,3,\cdots ,n$

$E\left(S_k\right)=\frac{k\left(k-1\right)}{4}$

$\mathrm{var}\left(S_k\right)=\frac{k\left(k-1\right)\left(2k+5\right)}{72}$ (3)

$U{F}_k$ 为标准正态分布，它是按时间序列x顺序 $x_1,x_2,\cdots ,x_n$ 计算出的统计量序列， $U{F}_1=0$。对于给定显著性水平α，在这里取显著性水平α = 0.05。若 $\left|U{F}_k\right|>{\mu }_{\alpha }$，则表明原序列存在明显的趋势变化，绝对值越大，趋势越明显。将上述方法逆向使用，时间序列逆序排列为 $x_n$， $x_{n-1},\cdots ,x_1$，重复相同的操作，得到 $U{B}_k$，满足 $U{B}_k=-U{F}_k$， $k=1,2,3,\cdots ,n$， $U{B}_n=0$。这一方法的优点在于不仅计算简便，而且可以明确突变开始的时间，并指出突变区域，因此，是一种常用的突变检测方法 [13]。

3. 结果与分析

3.1. 蒙古国气温变化特征分析

3.1.1. 年气温变化特征分析

蒙古国1981~2016年多年平均气温为0.49℃，通过线性趋势分析蒙古国1981~2016年CRU再分析数据，计算得出蒙古国1981~2016年气温时间变化趋势方程为y = 0.0526x − 0.4838 (R² = 0.2217)，得出蒙古国年平均气温线性变化倾向率为0.526℃/10a。蒙古国年平均气温增加了1.894℃，总体气温呈极显著上升趋势(P < 0.01)。蒙古国1981~2016年多年平均最高气温为7.31℃，通过线性趋势分析蒙古国1981~2016年CRU再分析数据，计算得出蒙古国1981~2016年气温时间变化趋势方程为y = 0.0512x + 6.367 (R² = 0.2089)，得出蒙古国年平均气温线性变化倾向率为0.512℃/10a。总体气温呈极显著上升趋势(P < 0.01)。蒙古国1981~2016年多年平均最低气温为−6.47℃，通过线性趋势分析蒙古国1981~2016年CRU再分析数据，计算得出蒙古国1981~2016年气温时间变化趋势方程为y = 0.0429x − 7.2623 (R² = 0.3112)，得出蒙古国年平均气温线性变化倾向率为0.429℃/10a。总体气温呈极显著上升趋势(P < 0.01)。由图1，蒙古国气温空间分布均呈现出南高北低，东高西低，且西部部分地区出现高值的特点。

Figure 1. Minimum temperature, average temperature and maximum temperature in Mongolia from 1981 to 2016

图1. 1981~2016年蒙古年最低气温，平均气温，最高气温图

由图2，可以通过UF曲线看出在1981~1983年蒙古国年平均气温呈上升趋势，在1983~1986年气温呈短暂的下降趋势。UF曲线与UB曲线的交点相交于1988年附近，说明蒙古国年平均气温增加突变点在1988年，蒙古国年气温在1988年以后持续上升。

Figure 2. Mann-Kendall test of annual mean temperature in Mongolia During 1981~2016

图2. 1981~2016蒙古国年平均气温突变检验图

3.1.2. 四季气温变化特征分析

蒙古国1981~2016年春夏秋冬四季平均气温分别为1.80℃、16.62℃、0.59℃、−17.95℃，通过线性趋势分析蒙古国1981~2016年CRU再分析数据，计算得出蒙古国1981~2016年春季气温时间变化趋势方程y = 0.0624x + 0.6408 (R² = 0.2622)，得出蒙古国春季平均气温线性变化倾向率为0.624℃/10a，蒙古国春季平均气温增加了2.246℃，总体气温呈极显著上升趋势(P < 0.01)；蒙古国1981~2016年夏季气温时间变化趋势方程y = 0.0714x + 15.301 (R² =0. 4175)，得出蒙古国夏季平均气温线性变化倾向率为0.714℃/10a，蒙古国夏季平均气温增加了2.570℃，总体气温呈极显著上升趋势(P < 0.01)；蒙古国1981~2016年秋季气温时间变化趋势方程y = 0.0461x − 0.2657 (R² = 0.1724)，得出蒙古国秋季平均气温线性变化倾向率为0.461℃/10a，蒙古国秋季平均气温增加了1.660℃，总体气温呈显著上升趋势(0.01 < P < 0.05)；蒙古国1981~2016年冬季气温时间变化趋势方程y = −0.0248x − 17.5 (R² = 0.0164)，得出蒙古国冬季平均气温线性变化倾向率为−0.248℃/10a，蒙古国冬季平均气温增加了−0.893℃，总体气温呈不显著下降趋势(P > 0.05)。

Figure 3. Mann-Kendall test of spring mean temperature in Mongolia during 1981~2016

图3. 1981~2016蒙古国春季平均气温突变曲线图

由图3，可以通过UF曲线看出在1981~1983年蒙古国春季平均气温呈上升趋势，在1983~1987年曲线在均值附近波动。1988~2016年以后一直呈上升趋势。UF曲线与UB曲线的交点相交于1993年附近，说明蒙古国春季平均气温增加突变点在1993年，蒙古国春季气温在1993年以后持续上升。

Figure 4. Mann-Kendall test of summer mean temperature in Mongolia during 1981~2016

图4. 1981~2016蒙古国夏季平均气温突变曲线图

由图4，可以通过UF曲线看出在1981~1986年蒙古国夏季平均气温呈下降趋势，在1986~1995年曲线在均值附近波动。1996~2016年一直呈上升趋势。UF曲线与UB曲线的交点相交于1996年附近，说明蒙古国夏季平均气温增加突变点在1996年，蒙古国夏季气温在1996年以后持续上升。

Figure 5. Mann-Kendall test of autumn mean temperature in Mongolia during 1981~2016

图5. 1981~2016蒙古国秋季平均气温突变曲线图

由图5，可以通过UF曲线看出在1981~1985年蒙古国秋季气温一直在均值以上，这说明在这一时间段蒙古国气温呈短暂上升趋势。1986~1989年又出现更为短暂的下降趋势。1990~1993年曲线在均值附近波动。在1994~1996年3年间UF曲线与UB曲线相交了3次，气温突变了三次，在1996年之后气温呈显著上升趋势。

Figure 6. Mann-Kendall test of winter mean temperature in Mongolia during 1981~2016

图6. 1981~2016蒙古国冬季平均气温突变曲线图

由图6，可以通过UF曲线看出在1981~1987年蒙古国冬季气温一直呈下降趋势。1987~2010年蒙古国气温呈上升趋势。2010~2016年蒙古国气温呈下降趋势。1981~2016年，正序曲线UF与反序曲线UB相交了3次，表明蒙古国1981~2016年冬季气温变化了3次。1984年为气温上升突变点，2006年为气温下降突变点，2014年为气温上升突变点。

3.2. 蒙古国气温空间变化特征分析

气温空间变化特征分析

Figure 7. Elevation map of Mongolia

图7. 蒙古国高程图

蒙古国地势大体呈自西向东逐渐降低的趋势，平均海拔为1300米，最低处为580米，海拔最高为2710米(见图7)，中部和东部多为戈壁和荒漠，平均海拔超过1000米，西北部山地有少数林地，主要是阿尔泰山脉。蒙古国的主要山脉有西北–东南走向的阿尔泰山，平均海拔超过1500米，位于蒙古国西部；杭爱山，位于蒙古国中部，西北–东南走向海拔超过1000米；蒙古国东部的肯特山脉，东北西南走向山势平缓，平均海拔1500米左右。

本文利用ArcGIS软件将1981~2016年逐年数据进行处理，对数据进行逐点逐年的计算，得出蒙古国空间变化中各点的气温增加值的变化与相关性显著水平，展现出蒙古国近30年气温变化的空间特征。

图8中红色点覆盖区域为36年来年平均气温增加超过2℃的地区。一共有342个红色点，占总数比例的46.09%，这说明蒙古国自20世纪80年代以来平均气温上升超过2℃的面积占全国总面积将近一半。这些地区在蒙古国的中部、西部、南部，包括了杭爱山区大部，阿尔泰山区大部，及蒙古国部分荒漠、戈壁、草原。黄色点覆盖区域为36年来年平均气温增加超过1.5℃又小于2℃的地区。一共有279个黄色点，占总数比例的37.60%，这说明蒙古国自20世纪80年代以来平均气温上升大于1℃小于1.5℃的地区超过全国总面积的三分之一。这些地区位于肯特山区东北，位于蒙古国中部地区、西南地区，少数黄色点在蒙古国东北边境。蓝色点覆盖区域为36年来年平均气温增加低于1.5℃的地区。一共有121个蓝色点，占总数比例的16.31%，这说明蒙古国自20世纪80年代以来平均气温上升低于1.5℃的地区不到全国总面积的六分之一。这些地区全部位于蒙古国北部边境。

图9中红色点为36年来年平均气温增加值通过相关性检验(P < 0.01)的地区。一共有500个红色点，占总数比例的67.39%，这说明蒙古国自20世纪80年代以来平均气温呈极显著增加的地区占全国总面积的三分之二。这些地区在蒙古国的中部、西部，包括了杭爱山区大部，阿尔泰山区大部以及蒙古国南方

Figure 8. Spatial variation of temperature change in Mongolia

图8. 蒙古国气温空间变化值图

Figure 9. Correlation analysis chart of temperature change in Mongolia

图9. 蒙古国气温空间变化相关性分析图

地区。黄色点为36年来年平均气温增加值通过相关性检验(0.01 < P < 0.05)的地区。一共有154个黄色点，占全国总面积的五分之一，这说明蒙古国自20世纪80年代以来平均气温呈显著增加的地区接近全国总面积九成。黄色点的区域主要在蒙古国北部地区与东部地区，还有少部分位于阿尔泰山区与杭爱山区之间。蓝色点为36年来年平均气温增加值没有通过相关性检验(P > 0.05)的地区。一共有88个蓝红色点，仅占总数比例的一成，这说明蒙古国自20世纪80年代以来平均气温呈不显著增加的地区占全国总面积的一成。这些地区在蒙古国的东北部、北部，位于肯特山区东北。

4. 讨论

4.1. 数据来源问题

截至目前，国际上已经发布了20多套的气温再分析数据，本文采用的是CRU数据集。研究中的计算结果可能会根据不同数据集产生不同的结果。国际上还有的比较好的数据集有NCEP-R2再分析数据，ERA Interim再分析数据，RA-55再分析数据等。马晓波(1995)利用蒙古25个台站52年月平均气温资料(1940~1991年)分析了蒙古的气温变化趋势，结果表明，52年来蒙古国年平均气温以0.0190℃/年的速率上升，冬、春季和秋季气温呈上升趋势，冬季上升速率最大，为0.0540℃/年；夏季气温以−0.0110℃/年的速率下降 [14]。由于数据源与时间区间的不同，本文的结论也与前人的研究相比：年平均气温、春季气温、秋季气温都呈显著上升趋势。夏季气温、冬季气温的情况有所不同。根据蒙古国1940~1991年气象站的数据：蒙古国1940~1991年冬季以0.0540℃/年速率上升且上升速率最大；夏季气温以−0.0110℃/年的速率下降。根据CRU再分析数据集：蒙古国1981~2016年冬季气温以−0.0248℃/年的速率下降，总体气温呈不显著下降趋势(P > 0.05)；夏季气温以0.0714℃/年的速率上升且上升速率最大。

4.2. 计算方法问题

本文运用线性预测的方法计算了蒙古国四季气温变化与年际气温变化，线性预测与气温计算的匹配度高，但是也只能作为一个短期的预测计算。其中，蒙古国冬季气温的变化没有通过相关性检验。Mann-Kendall突变检验方法多用于降水量与径流量的计算，本文中蒙古国秋季、冬季气温出现了多个突变点，其中的一些突变点很有可能是伪突变点，需结合其他突变检验方法才能确定准确突变年限。本研究的蒙古国气温变化的计算结果中，秋季气温变化于冬季气温变化均出现了多个突变点。不同的是，秋季气温突变点是连续的3年，出现在1994~1996年间；冬季的突变点时间间隔较秋季长，这也可能是蒙古国冬季气温变化没有通过相关性检验的原因之一。

5. 结论

1) 1981~2016年蒙古国年平均气温为0.49℃，年平均气温线性变化倾向率为0.526℃/10a，年平均气温增加了1.894℃，总体气温呈极显著上升趋势(P < 0.01)。蒙古国四季气温倾向率由高到低依次是夏季、春季、秋季、冬季。

2) 蒙古国年平均气温增加突变点在1988年，蒙古国年气温在1988年以后持续上升。蒙古国春季平均气温增加突变点在1993年，蒙古国春季气温在1993年以后持续上升。蒙古国夏季平均气温增加突变点在1996年，蒙古国夏季气温在1996年以后持续上升。蒙古国秋季平均气温在1994~1996年间突变了三次，在1996年之后气温呈显著上升趋势。蒙古国冬季平均气温变化了3次。1984年为气温上升突变点，2006年为气温下降突变点，2014年为气温上升突变点。

3) 蒙古国陆地超过46%的地区气温上升超过了2℃，蒙古国陆地超过83%的地区气温上升超过了1.5℃；蒙古国陆地超过67%的地区气温呈极显著上升趋势，蒙古国陆地超过88%的地区气温呈显著上升趋势。