內蒙古東部地區夏季降水年代際突變及其可能成因

董祝雷

（內蒙古氣候中心，內蒙古 呼和浩特 010051）

引言

我國的氣候災害發生頻率較高, 旱澇災害極大地影響我國的經濟建設和社會發展, 對月、季時間尺度旱澇氣候, 尤其是汛期旱澇趨勢的預測是我國大氣科學家的一項重要課題[1]。內蒙古自治區位于我國北部邊疆，全年干旱少雨，屬于干旱、半干旱地區，東亞夏季風對它的影響較弱，也是我國氣候變化最敏感的地區之一[2]。內蒙古區域跨度大，降水區域分布不均，在東部受大興安嶺，在中、西部受陰山和賀蘭山山脈等地形條件影響顯著，主要特征是從東部到西部地區降水量逐漸減少，其中全區大部分區域60%以上降水集中在夏季，故研究內蒙古夏季降水的年際和年代際變化具有重要的科學意義和必要性。

眾多學者對中國不同地區夏季降水年代際突變特征進行了較為詳細的研究，但多集中在我國東部和南部降水。相關研究表明，我國東部地區夏季降水有3 次年代際突變，分別為20 世紀70 年代末期、90 年代初期和90 年代末期[3-6]，并指出太平洋年代際振蕩（Pacific Decadal Oscillation，PDO），對我國東部夏季降水突變起著關鍵作用。而中國南部夏季降水突變年份為20 世紀90 年代初期[7]。XU 等[8]根據我國夏季降水REOF分析，將我國劃分為8 個分區，討論了8 個分區夏季降水的年代際變化，指出我國東北地區和華北地區大多數站點夏季降水在1997—1999年間發生突變。HAO 等[9]對1961—2013年華北地區夏季降水分析指出，華北和東北兩地夏季降水具有顯著的年代際變化特征，1981—2000 年東北多雨，華北正常偏少；2001—2010 年華北和東北地區少雨，并從環流場上分析了這一成因。丁婷[10]分析東北地區夏季降水指出，1961—1983 年東北地區夏季降水偏少，1984—1998 年降水偏多，1999 年之后又進入偏少期，并認為這一轉變是由于北太平洋年代際振蕩所造成的。周連童等[11-12]研究我國西北地區夏季降水指出，我國西北干旱、半干旱地區夏季降水在20世紀70 年代中后期發生明顯的氣候躍變，并指出地表氣溫差和春季感熱異?？赡苁窃斐傻貐^夏季降水年代際變化的原因之一。

近些年來，內蒙古干旱趨勢嚴重[13-15]。張華[16]研究呼和浩特市夏季降水異常指出，呼和浩特市夏季降水存在顯著的年代際變化特征。劉新等[17]指出1998 年后內蒙古東部四盟市夏季降水處于偏少期，88% 的站點降水減少。內蒙古夏季降水的年代際變化是怎樣的，造成年代際變化的因素是什么？研究這些，有利于我們對我國北部地區夏季降水因素的認識，為內蒙古夏季降水或干旱預測提供科學的指導。

1 資料與方法

使用了內蒙古氣象信息中心提供的1961—2019年的119 個站點降水數據，其中12 個站點數據連續性較差，將其剔除，運用Cressman插值方法將站點數據插值成水平分辨率為0.5 °×0.5 °的格點數據；使用了1961—2019 年NCEP/NCAR 逐月再分析資料，包括氣溫、500 hPa位勢高度場以及500 hPa經緯向風和1000—150hPa垂直速度，水平分辨率為2.5 °×2.5 °。

本文所用的分析方法主要有曼—肯德爾檢驗（M-K檢驗）、滑動t檢驗、合成分析、相關分析等方法。由于內蒙古東、西部地區夏季降水差異較大，根據分析，將內蒙古夏季降水以110 °E為界限，以東區域為東部地區，以西區域為西部地區（圖1）。

圖1 內蒙古119 個 站分布及分區

2 內蒙古夏季降水年代際變化特征

圖2給出了內蒙古、內蒙古東部和內蒙古西部地區夏季降水距平百分率變化趨勢。整體上來看，內蒙古夏季降水在20 世紀90 年代中期以前主要以年際變化為主，年代際信號不明顯，1961—1998 年，內蒙古夏季降水呈微弱的增加趨勢，增加率為3.8 mm·10 a-1，1961—1998 年平均降水距平百分率為4.7%，而1983—1998年降水距平達到了8.7%；1999—2011年夏季降水除2003年為正的降水距平，其余年份均為負降水距平，平均為-16.0%，2012、2013年內蒙古夏季降水處于偏多狀態，2014—2017年夏季降水為偏少年。1999—2017年平均降水距平百分率為-10.7%。內蒙古東部地區夏季降水距平百分率變化形式與全區夏季降水變化相似。1961—1998 年，內蒙古西部地區夏季降水變化不大，保持在平均值附近，平均降水距平百分率為2.2%，1998 年后，內蒙古西部地區夏季降水變化劇烈，1999—2019年西部地區夏季降水略有減少，平均降水距平百分率為-4.0%，但1999—2019年西部地區夏季降水表現為增加趨勢，夏季降水增長率達到了14.8 mm·10 a-1。從圖2可知，內蒙古夏季降水主要在1998/1999發生改變，進一步分別對P1階段（1983—1998年）和P2階段（1999—2011年）內蒙古夏季降水距平百分率合成分析發現（圖3），在P1階段，內蒙古夏季降水表現為一致偏多，東部地區夏季降水普遍多于西部地區，而在P2階段，全區夏季降水表現出一致偏少形勢，減少高值區主要位于內蒙古東部地區。

圖2 1961—2019年內蒙古夏季月平均降水序列

圖3 P1（a）、P2（b）階段內蒙古夏季降水距平百分率

從圖2和圖3可以看到，在20世紀90年代末期，內蒙古夏季降水進入偏少階段。為了得到這期間內蒙古夏季降水突變時間點，分別對內蒙古、內蒙古東部和西部地區平均夏季降水序列進行M-K檢驗和滑動t檢驗（圖4），結果表明，內蒙古東部地區夏季降水在20世紀90年代末期有一明顯的減少趨勢，由圖4a、4bUF曲線可見，自20世紀90年代中期，內蒙古和內蒙古東部地區夏季降水有明顯的減少趨勢，這一減少趨勢在2008 年前后超過0.05顯著性檢驗，表明內蒙古東部地區夏季降水減少趨勢非常顯著?；瑒觮檢驗（圖4d）表明，自1980 年以來，內蒙古東部地區夏季降水在1998 年有一超過0.05顯著性檢驗的負突變點，說明內蒙古東部地區夏季平均降水在1998/1999 年由偏多轉為偏少的顯著突變，而內蒙古西部地區夏季降水年代際變化不明顯（圖4c）。由此可見，無論是M-K突變檢驗還是滑動t檢驗，內蒙古東部地區夏季降水與全區夏季降水的突變檢驗基本是一致的。而內蒙古西部地區降水年代際變化不顯著，主要表現為年際變率。

圖4 內蒙古（a）、東部（b）、西部（c）地區夏季降水序列M-K檢驗及滑動t檢驗（d）

3 內蒙古夏季降水年代際突變成因

3.1 內蒙古夏季降水與亞洲中高緯地區氣溫的聯系

上述分析表明，內蒙古東部地區夏季降水在20 世紀90 年代中后期發生顯著的年代際轉變。 LIU 等[18]研究內蒙古中部地區氣候變化指出，內蒙古中部地區氣溫在1960—2009年期間平均上升了0.318 ℃·10 a-1，而在1980—2009年期間氣溫上升率為0.423 ℃·10 a-1，對應降水減少了-2.91 mm·10 a-1。對此分別用內蒙古東、西部地區夏季降水序列與氣溫作相關分析（圖5），從相關關系圖上可見，內蒙古東部地區夏季降水與貝加爾湖以南、蒙古國等亞洲中高緯地區氣溫有顯著的負相關關系（圖5a），即表明當亞洲中高緯地區夏季氣溫偏暖（冷）時，內蒙古東部地區夏季降水偏少（偏多），而內蒙古西部地區降水與氣溫的相關關系不明顯（圖5b）。為了進一步驗證這一關系，提取1961—2019年45~52 °N、95~125 °E區域地表氣溫序列（Ti指數），發現Ti指數與內蒙古夏季降水負相關關系非常好，尤其是110 °E以東地區，超過了95%的顯著性檢驗（圖5c），Ti指數與內蒙古東部地區夏季降水序列相關系數達到了-0.59，且兩者均在1998/1999 年出現了年代際突變（圖5d）?？梢?，亞洲中高緯地區氣溫年代際突變與內蒙古東部地區夏季降水年代際變化有著密切聯系。

圖5 內蒙古東部（a），西部（b）地區夏季降水與地面氣溫相關分布（陰影區域表示通過99%顯著性檢驗）以及（c）T i指數與內蒙古夏季降水相關分布（陰影區域表示通過95%顯著性檢驗）（d）1961—2019年T i指數（已乘以-1）與內蒙古東部夏季降水標準化距平序列。方框范圍為Ti指數計算區域。

圖6給出了P1和P2階段亞洲中高緯地區夏季氣溫距平變化，從中可以看到，在P1階段（圖6a）亞洲中高緯地區為負的氣溫距平，最低中心溫度低于-1 ℃，對應內蒙古東部地區夏季降水偏多階段；P2階段則為正的溫度距平，中心最高溫度距平超過1.2 ℃，對應于內蒙古東部地區夏季降水偏少階段，這兩個時期，亞洲中高緯地區氣溫相差達2.2 ℃，遠遠超過了氣候變率。IPCC第5次報告[19]指出，由于人類活動排放的溫室氣體顯著增強，導致大氣中溫室氣體濃度增加，增強了溫室效應，使得平均氣溫上升，根據線性趨勢計算，1980—2012年全球平均氣溫升高0.85 ℃[0.65~1.06 ℃]。進一步給出了去除線性趨勢后P1、P2階段亞洲中高緯地區氣溫變化形勢（圖6c、6d），相較于去線性趨勢之前，無論是低溫范圍還是高值中心區域都有一定縮小，但整體變暖的趨勢沒有改變。從經向平均的氣溫距平時間—緯度剖面圖（圖7a），可明顯看到，在P1階段，亞洲中高緯地區基本處于負的溫度異常，而在P2階段，這一區域則為正的溫度異常所控制，而1998/1999為正、負溫度異常的分水嶺。圖7b為去掉線性趨勢后的溫度場，表現出與原始溫度距平場相同的變化形勢。由此可見，亞洲中高緯地區在1980—2015年這段期間，氣溫增幅較大，尤其是在1998/1999年后，氣溫增暖趨勢明顯，超過其自身的線性增長趨勢。

圖6 亞洲中高緯地區溫度距平（單位：℃）P1階段（a）、P2階段（b）、P2階段與P1階段差值和去趨勢后溫度距平（c）、P1階段（d）、 P2階段（e）、P2階段與P1階段差值（f）。打點區域表示通過95%信度檢驗

圖7 沿47.5°—57.5 °N經向平均氣溫距平（單位：℃）的時間—經度剖面圖（a）原始溫度場、（b）去掉線性趨勢。

3.2 氣溫與環流場的聯系

上面的分析表明，亞洲中高緯地區氣溫的異常年代際變化，可能是導致內蒙古東部地區夏季降水年代際突變的主要因素。那么亞洲中高緯地區增暖是如何影響內蒙古夏季降水的呢？ HUANG 等[20]和 XU 等[8]研究我國夏季降水年代際突變指出，夏季局地風場異常是造成1998/1999年突變的主要成因，我國北方及內蒙古高原地區異常反氣旋性環流與西北太平洋上空異常的氣旋性環流，形成正壓經向偶極子環流，使得我國華北、東北及長江中下游地區對流層低層為異常輻散區，降水偏少。為此，利用NCEP/NOAA再分析資料分析歐亞上空500 hPa水平環流場。圖8分別給出了P1階段（圖8a）和P2階段（圖8b）夏季500 hPa環流距平分布特征。在P1階段，我國北部到貝加爾湖一帶上空為異常氣旋性環流，而在日本海附近為異常的反氣旋環流，這一環流配置，導致向內蒙古東部地區的水汽輸送加強，進而使得內蒙古東部地區夏季降水偏多；而到了P2階段，我國北方以及蒙古國地區上空為異常的反氣旋環流，內蒙古大部地區被異常高壓所控制，另一方面，鄂霍次克海到日本海北部一帶為異常的氣旋性環流，使得這一時期內蒙古東部地區盛行偏北氣流，導致內蒙古東部地區夏季降水偏少。從500 hPa位勢高度場上看，P1階段亞洲中高緯度地區為負的位勢高度距平場，而到了P2階段，則表現為正的位勢高度距平場，表明在P2階段，大陸性高壓控制我國北方地區，上升對流運動被抑制，進而造成華北地區干旱少雨[21-22]。

圖8 內蒙古夏季降水年代際變化P1階段（a）、P2階段（b）歐亞大陸500 hPa風場（矢量，單位：m·s-1）和位勢高度場 （等值線，單位：hPa）距平。A和C分別表示反氣旋和氣旋

圖9給出了P1和P2階段我國北部垂直環流場特征，表明，在P1階段（圖9a），內蒙古東部地區主要為異常的上升氣流為主，對流加強；而到了P2階段（圖9b），內蒙古東部地區則被異常的下沉環流所控制。值得注意的是，在這兩時期，內蒙古西北部垂直對流變化卻是截然相反，在P1階段為異常的下沉氣流，而在P2階段則為異常的上升氣流，這與P1階段內蒙古西部地區夏季降水偏少，P2階段降水偏多情況是一致的，這也間接說明影響內蒙古東、西部地區夏季降水的因子是不同的。最后，從圖9c中可以看到，在1998/1999突變年之前，內蒙古東部地區從低層到高層主要以上升氣流為主，而在突變年之后，東部地區則為弱的下沉氣流。

圖9 內蒙古夏季降水年代際變化（a）P1階段、（b）P2階段內蒙古上空850 hPa垂直速度距平分布（單位：10-2 m·s-1）、（c）40o—50 oN、 110o—120 oE（矩形框）區域平均垂直速度時間-高度剖面圖（虛線表示上升運動，實現表示下沉運動）

王新敏[23]研究發現，蒙古氣旋頻數與蒙古及東亞地區850 hPa溫度有負相關關系?？梢?，在P1階段，亞洲中高緯地區氣溫偏低，中高緯地區溫差較大，另一方面位勢高度場偏低，南北氣壓梯度增強，使得中高緯地區之間風切變增大，進而造成內蒙古氣旋活動頻繁，強度加強，在低層氣流輻合，加強了氣流的輻合上升運動，進而有利于內蒙古東部地區降水增多；而在P2階段，則出現了相反的變化，亞洲中高緯地區氣溫異常升高，位勢高度距平場增強，內蒙古處于異常反氣旋環流控制，氣旋生成受到抑制，低層為輻散氣流，對流活動受到抑制，導致內蒙古東部地區夏季降水偏少。

4 結果與討論

本文利用內蒙古107個氣象站月降水數據，分析了內蒙古東、西部地區夏季降水年代際變化。研究發現，內蒙古東部地區夏季降水具有顯著的年代際突變，通過滑動t檢驗和M-K檢驗發現，內蒙古東部地區夏季降水在1998/1999年前，表現為明顯偏多階段（P1），而在1998/1999年后，內蒙古東部地區進入夏季降水顯著偏少階段（P2）。

研究表明，內蒙古東部地區夏季降水與亞洲中高緯地區，尤其是蒙古國區域氣溫有顯著負相關關系，即當蒙古國地區氣溫升高時，對應內蒙古東部地區夏季降水顯著減少，反之則相反。進一步分析表明，蒙古國地區溫度距平在1998/1999年位相發生轉變，有P1階段的冷位相轉變為P2階段的暖位相。

通過環流場分析，P1階段，亞洲中高緯地區為負的溫度距平場，北方氣旋活動較為頻繁，這一時期，內蒙古上空為氣旋性環流異常，大陸高壓偏弱，輻合上升運動強，使得這一時期內蒙古東部地區夏季降水增多；而在P2階段，亞洲中高緯增溫明顯，北方氣旋活動較弱，內蒙古上空為反氣旋性環流異常，大陸性高壓偏強，對流被抑制，進而造成內蒙古東部地區夏季降水異常偏少。進一步研究表明，亞洲中高緯地區異常增溫可能不僅對內蒙古東部地區夏季降水年代際突變起到調整作用，可能對我國東北和華北地區夏季降水多寡有著重要影響，值得進一步研究。