基于kriging插值的内蒙古气温和降水量变化特征分析

基于kriging插值的内蒙古气温和降水量变化特征分析

气候变化不仅被认为是一个科学问题，也被认为是环境和政治问题。近年来，受国家政府、社会和科学的影响，世界上的平均温度在100年（1906年至2005年）达到0.74，预计21世纪末将达到。由于不同的气候过程和相关的时差，即使温室气体浓度稳定，人为变化的趋势也持续了几个世纪。内蒙古位于东南风区的周边地区。这是中国西北干旱地区向东北湿润和华北干旱地区过渡的区域。气候变化非常敏感，灾害发生频繁。植被和环境对气候变化的影响非常明显。本文件利用内蒙古1981年至2010年50个气候观测站（图1）的气温和降水数据，在逐年、季节和地区上分析内蒙古近30年的气候变化趋势，为评估各种自然灾害的防灾、民防、气候变化及其影响提供参考。1内蒙古5.4内蒙古自治区位于我国北部边疆,地域辽阔,西起97°12′E,东至126°04′E,横跨经度28°52′,相隔约2400km,南起37°24′N,北至53°23′N,纵占纬度15°59′,直线距离1700km,是我国跨纬度最大的省级行政区.地势由南向北、由西向东缓缓倾斜,气候以温带大陆性季风气候为主,全区多年年平均气温从东北至西南约为-3.1~9.4℃(图2).内蒙古年降水量稀少,分布趋势与气温的分布正好相反,由东北向西南递减,变化范围约为58.4~407.8mm(图3).2数据和方法2.1月平均气温和降水量图气象数据来自中国气象科学数据共享网(/home.do),包括1981~2010年内蒙古50个气象观测站的月平均气温和降水量.在ARCGIS10.0软件的支持下,根据气象观测站的经纬度信息,采用Kriging方法对气象要素进行空间插值处理,生成栅格化的月气温和降水量图像.2.2春季9-11月利用线性倾向估计、滑动平均、累积距平方法,结合GIS空间分析功能,对研究区的气温和降水量数据进行逐年、逐季(春季:3-5月;夏季:6-8月;秋季:9-11月;冬季:12-2月)和分区分析近30年的时间变化趋势.分区分析主要根据文献,将内蒙古分为东部(包括呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市和赤峰市)、中部(锡林郭勒盟、乌兰察布市、呼和浩特市和包头市)和西部(鄂尔多斯市、巴彦淖尔市、乌海和阿拉善盟),分别分析其气温和降水量变化趋势.2.2.1斜率对气象要素的影响为研究近30年气温和降水量的变化趋势,对气象数据和年份之间进行线性回归,计算其拟合斜率b和相关系数R(公式1和公式2).如果斜率大于零,说明气象要素变化趋于上升趋势,反之,则说明气象要素变化趋于下降.如果R值通过0.01的显著性水平(P<0.01),则认为气象要素呈显著增加或显著下降趋势.其中:b为斜率;xi为第i年的气温(降水量);ti为第i年份,在1981~2010间取值;n为研究时间段,取滑动平均滑动的平均相当于低通滤波，计算异常值的平均值以确定趋势。滑动平均值后，序列中的周期间隔大大削弱了滑动长度的变化，并显示出变化趋势。对于样本数量为n的x序列，平均滑动序列表示如下式中k为滑动长度.2.2.3计算累积距t累积距平也是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法.从曲线明显的上下起伏,可以判断其长期显著的演变趋势及持续性变化,甚至还可以诊断发生突变的大致时间.对于序列x,其某一时刻t的累积距平表示为其中x-=1nni=∑1xi.3结果与讨论3.119812010年内蒙古平均气温趋势3.1.1内蒙古地区气温特征1981~2010年,内蒙古平均气温在波动中有显著的增加趋势,通过0.01显著性水平(图4).30年平均气温为4.3℃,年平均气温上升速率(即气候变化倾向率)为0.52℃/10a.由5a平均滑动可以看出,气温呈明显上升趋势.从各年际来看,1981~1990年多年平均气温为3.73℃,1991~2000年增加至4.45℃,2001~2010年上升至4.76℃,其中年平均气温最低的年份是1984年,为2.85℃,2007年达峰值.在时间过程上,1981~1993年平均气温以减少为主,累积距平曲线呈波动式下降状态,1993年气温累积距平最小,1994~2010年多年平均气温开始呈增加趋势,累积距平也呈上升趋势(图5).由全区各季节气温变化趋势看(表1),夏季和秋季增温速率为0.65℃/10a和0.61℃/10a,均通过0.01的显著性水平,可见,全区的气温上升趋势主要由夏季和秋季气温升高而引起.春季气温增温率为0.37℃/10a,冬季气温增温率为0.22℃/10a.总之,在全球气候变化大背景下,内蒙古地区气温升高趋势十分明显.3.1.2气温变化趋势内蒙古东部、中部和西部地区30年年平均气温分别为1.9℃、3.47℃和8.06℃.各子区气温的变化趋势与内蒙古全区的气温变化趋势基本一致,均呈显著的增温趋势(通过了0.01的显著性水平),5a平均滑动分析也明显展现出3个子区气温的上升趋势(图6).在3个子区中,中部地区增温最大,气温倾向率为0.65℃/10a,西部次之,东部地区气温倾向率最小,为0.42℃/10a.由各子区气温累积距平变化趋势(图7)可以看出,中西部地区年平均气温变化趋势相似,1981~1996年气温偏冷,在1996年发生突变,1997~2010年偏暖,年平均气温呈升高趋势.东部地区发生突变的时间在1988年,1981~1988年期间,累积距平呈下降趋势,1989年后累积距平呈波动中上升趋势,进入暖期.由各子区四季气温倾向率变化(表1)可以看出,中西部地区四季增温显著(通过了0.01的显著性水平),在春季西部地区增温速率最大,在夏秋和冬季中部地区增温率最大,中西部地区春季气温上升速率大于全区和东部地区的上升速率.3.219812010年内蒙古平均降水量的变化趋势3.2.1降水量变化特征1981~2010年间,内蒙古年平均降水量总体上呈波动中缓慢下降趋势,但下降趋势并不显著(图8).30年平均降水量为239.1mm,降水变化倾向率为-13.8mm/10a.由年代变化看,20世纪80年代平均降水量为248.4mm,90年代为相对丰水时期,平均降水量达251.4mm.进入21世纪后,全区降水量呈明显的下降趋势.1998年为降水量最多的年份,为359.8mm,2001年为最低.由累积距平变化看(图9),1981~1998年间降水量呈增加趋势,到1998年累积距平达最大值,1999~2010年降水量以减少为主,累积距平变化呈波动中下降趋势.与温度变化趋势不同的是,各季节降水量变化趋势与全区降水量变化趋势有所差异(表2),春季和冬季全区降水量呈有所增加趋势,降水变化倾向率分别为14.1mm/10a和2.44mm/10a,其中冬季增加趋势通过了0.05显著性水平.而夏季和秋季降水量则与全年的变化趋势基本相似,均呈下降趋势,降水量变化倾向率分别为-67.2mm/10a和-0.58mm/10a,其中夏季降水量下降趋势通过了0.05显著性水平.由此可看出,全区降水量的下降趋势主要由夏季降水量的减少引起,这也证明了内蒙古地区夏季降水量对全年降水量的重要性.3.2.2降水量变化倾向率内蒙古东部地区年平均降水量明显多于中部和西部,东部年平均降水量为319.8mm,西部最少,为133.9mm,远低于全区年平均降水量.由各子区年平均降水量变化趋势(图10)可以看出,东部和中部地区降水呈减少趋势,降水量倾向率分别为-30.8mm/10a和-5.8mm/10a,其中东部地区降水量下降趋势通过了0.05显著性水平.西部地区降水量呈增加趋势,降水量增加倾向率为4.07mm/10a,但增加趋势并不显著.由各子区累积距平变化(图11)可以看出,3个子区年平均降水量累积距平均在1998年达峰值,东部地区在1981~1998年间降水量呈波动中明显上升趋势,而1999年后累积距平呈下降趋势,降水量减少.中西部地区年降水量波动趋势不十分明显.对比分析各子区4个季节降水量变化倾向率后(表2)可以看出,在春季,东、中、西部降水量均呈增加趋势,但增加趋势都不显著.而在夏季,全区范围、东部和中部地区降水量呈显著减少趋势,均通过了0.05显著性水平.在冬季,全区和3个子区的降水量均呈增加趋势,但除了全区和东部地区通过0.05的显著性检验外,其余两个子区降水量增加趋势都不显著.秋季中西部地区降水量增加,东部地区和全区呈减少趋势.4增温和降水量特征(1)1981~2010年间,内蒙古气温变化趋势以增温为主,年平均气温上升速率为0.52℃/10a.由不同季节气温变化特征来看,夏季和秋季