大兴安岭地区负积温时空变化及其环流特征1)

宝乐尔其木格 张秋良 代金玲

(内蒙古农业大学，呼和浩特，010019)

温度和降水对农林作物的不同生长期有重要影响[1-3]。杨洁等[4]分析指出，北京地区生长期气候变暖导致该地区农业热量资源增加，作为农作物和林木重要热量指标的积温，不同界限温度积温对农作物、动植物不同生长发育阶段具有重要的意义[5-7]。根据不同的农作物，划分不同的界限温度，分析不同地区的积温变化特征[8-11]，对于中高纬度地区也具有重要的意义。积温不仅是农作物生长的重要指标，也能表示低温的强度和持续时间[12-13]，也是海冰形成，发展的重要影响因素[14]。Bunting[15]利用10 ℃以上的积温分析了玉米在不同生长期的积温特征；Bartholomew et al.[16]分析了冷季草原在不同界限积温影响下的生长周期，指出在预报冷季草原生长情况时需考虑负积温的影响。大部分研究集中在0 ℃以上不同界限温度的积温，而鲜见对负积温的报道。付长超等[17]分析东北地区气候变化时指出，东北地区温度有上升趋势，且增温幅度由西南向东北存在逐步增强的趋势。大兴安岭位于我国东北纬度最高的地区，呈东北-西南走向，是对全球气候变化最敏感的地区之一[18]，北部是我国面积最大的林区，也是我国唯一的寒温带针叶林区。任国玉等[19]研究表明，我国北方地区升温明显，且以冬季和春季为最显著增暖的季节。大兴安岭地区日平均气温小于零度的时段主要集中在秋、冬、春季，因此，该地区积温尤其负积温的详细研究亟待开展。王发科等[20]研究指出柴达木盆地南缘0 ℃以上界限积温呈现初日提前，终日推迟，持续日数延长的特征；王希强等[21]指出祁连山地区负积温在近56 a呈现出初日推迟，终日提前，持续日数缩短的趋势；孙蕾等[22]分析了大兴安岭根河林区近50 a不同界限积温的变化特征。关于大兴安岭地区，特别是林区负积温的研究尚未见报道，因此，本文基于大兴安岭地区气象站点资料，分析大兴安岭近55 a不同区域负积温时间变化和空间分布特征，以及负积温异常年份的环流特征，为大兴安岭地区农牧业生产及冷季气候预测提供理论依据。

1 研究区概况

大兴安岭位于我国东北地区，为欧亚大陆北方林带的重要组成部分，被称为“北疆的绿色长城”[1]。大兴安岭林区位于119°36′20″～125°20′50″E，46°8′40″～53°20′N地区，地处高纬、高寒地带[18]，呈东北高、西南低的趋势，平均海拔高度为976.5 m。林区属寒温带大陆性季风气候，冬季漫长而寒冷，夏季短暂而炎热，无霜期短；年平均气温为-5.0 ℃，年降水量为400～500 mm，降水集中在盛夏。该地区地质结构主要由古生代结晶岩中的花岗石、砂质片岩和玄武岩等组成，普遍存在多年冻土。研究区动植物资源丰富，植物区系共有74科212属363种，有141种陆栖脊椎动物[23]。

2 研究方法

本文将43°～54°N，115°～126°E区域定义为研究区域(见图1)，研究区北部为我国面积最大的林区，由北向南，从东到西为森林向草原过渡的地带。资料选用国家气象信息中心提供的1961—2015年43个站点(北部11个站点，中部22个站点，南部10个站点)逐日气温资料。文中850 hPa和500 hPa温度、风速、高度场的月平均和多年平均资料均来自国家环境预测中心(NCEP)/国家大气研究中心(NCAR)的分辨率为2.5°×2.5°的再分析资料(https://www.esrl.noaa.gov/psd/)。本文以1月为例进行环流分析，空间分布图由Grads2.0.2软件绘制而成，时间序列图由EXCEL2007绘制。

为方便统计，将当年7月1日至翌年6月30日定义为一个负积温年，年份记当年。年负积温为当年日平均气温小于零度的温度总和。为消除气温日变化的影响，采取农业气候学中常用的5日滑动平均方法，确定了负积温的初日和终日[24-26]，并将初日到终日的日数记为负积温的持续日数。在环流分析中，利用距平标准差比值方法，挑选出异常年份，并利用合成分析方法进行相应的平均和异常环流特征研究，公式如下：

N为北部；M为中部；S为南部。

3 结果与分析

3.1 大兴安岭地区负积温空间分布特征

由图2a可知，大兴安岭全区年均负积温空间变化在-1 400～-3 400 ℃范围，负积温分布呈南-北型，由南向北负积温逐渐减小，研究区南端和北端各有一个闭合中心，分别以根河和呼玛站为中心的两处极大值区，南部为以通辽市为中心的负积温高值区，北端为负积温低值区，中部区域为过渡区域且该区负积温等值线呈东北-西南向密集分布，东西梯度较大，变化剧烈，与地表类型分布较一致。由于该区域为东北平原向林区过渡区域，下垫面性质剧烈变化导致该区温度东西向变化较大。由北向南，随着纬度的降低和温度的升高，年负积温绝对值逐渐减小。基于多年平均负积温的分布特征，将大兴安岭地区划分为以低值区为中心的北部区域(49°N以北，共11个站点)、过渡区域为代表的中部区域(45°～49°N，共22个站点)和以高值区为中心的南部区域(45°N以南，共10个站点)的3个区域。

研究区域负积温持续日数空间分布(见图2b)与多年平均负积温分布基本一致，也呈现南北显著差异，由北向南负积温持续日数逐渐减少，在研究区中部持续日数等指线呈西南-东北走向，东西梯度较大。持续日数高值中心也分别在研究区北部根河和呼玛站，低值中心在南部以通辽为中心的地区。林区最大持续日数接近200 d(约7个月)，最南端约130 d(约4个月)左右，该区负积温持续约1～2个季度。随着纬度的增加负积温持续日数增多。

研究区域负积温起始日期空间分布与负积温多年平均值和持续日数的空间分布类似，也呈南北显著差异，由北向南起始日期逐渐推迟，南部地区初始日期为10月31日左右，而北部在10月7日左右即出现负积温，最南端比最北端大约晚1个月开始出现负积温。研究区域负积温结束日期空间分布亦与上述要素类似，也呈南北显著差异，由北向南结束日期逐渐提前，南部地区结束日期在3月27日左右，北部在4月20日左右结束，最南端较最北端大约早1个月结束。从负积温起始日期和结束日期看出，大兴安岭地区负积温时段主要集中在秋、冬、春季，从10月初持续到4月下旬，纬度越高持续日数越长，负积温出现的时间越早，结束的时间越晚。

图2 大兴安岭地区多年(1961—2015年)平均负积温(a)和负积温持续日数(b)空间分布

总的来说，大兴安岭地区年负积温由南向北逐渐增大，寒冷中心在北部林区以根河和呼玛站为中心的地区，温暖中心在研究区最南端以通辽市为中心的地区，负积温从-3 400 ℃上升到南端的-1 400 ℃，在整个研究区南北向变化约为2 000 ℃。负积温持续日数，起始日期和终止日期分布与多年平均负积温分布类似，高低值中心分别在北部根河和呼玛为中心的地区以及南端通辽为中心的地区。纬度越高，持续日数越长，起始时间越早，结束时间越晚。

3.2 大兴安岭地区负积温长期变化特征

3.2.1 大兴安岭地区1961—2015年负积温时间序列

由图3可知，研究区年负积温均在-1 000 ℃以下，最低可达-3 763 ℃(1965年出现在北部地区)。北部区域负积温值最低，平均为-3 060.9 ℃，近55 a有上升趋势，3个区域负积温最高值均出现在2001年，中部负积温平均为-1 927.1 ℃，南部负积温多年平均值为-1 502.4 ℃，北部区域较中部和南部区域负积温绝对值明显高，差值约1 000 ℃，中部地区负积温又高于南部地区，且纬度越高年际变化越大。通过累积距平分析，3个区域分别在1986(南部)和1987年(北部和中部)发生由冷向暖的显著突变，1987年以前负积温值相对低，为冷期，1987年后负积温值相对高，为暖期。北部地区突变前后负积温均值差值为336.2 ℃，中部地区为226.8 ℃，南部地区为181.1 ℃。随着纬度的增加负积温增幅越大，说明变暖更显著。

3.2.2大兴安岭地区1961—2015年负积温持续日数长期变化

由图4可知，大兴安岭地区负积温持续日数平均150 d，持续约5个月以上，持续日数随着纬度的增加而增加。北部地区多年平均值182 d，中部地区多年平均值160 d，南部地区多年平均值153 d。最大持续日数北部地区达到201.5 d，出现在1963年，持续6个月以上；中部最大持续日数为174 d，分别出现在1964年和1979年；南部地区最大持续天数为168 d，出现在1964年。从整个区域近55 a负积温变化看，整个区域负积温持续日数均呈显著的下降趋势，负积温日数显著减少。从累积距平曲线可以看出，整个区域在20世纪80年代后期有一次显著突变，突变点也体现在长时间序列上，北部区域突变年出现在1986年，中部和南部地区突变出现在1987年，突变年以后所有区域负积温持续日数显著减少且缓慢下降，一直持续到2000年末，直到2009年和2012年出现了极大值，在大兴安岭中部和南部地区更加显著。二十世纪中期开始，中部和南部区域持续日数年际变化较大，而在北部地区则较小，但负积温的年际变化则表现出北部与中、南部相差不大。

N为北部；M为中部；S为南部。

N为北部；M为中部；S为南部。

3.2.3大兴安岭地区1961—2015年负积温起始日期变化

由图5可知，大兴安岭地区负积温起始日期平均在10月上旬以后，纬度越高，起始日期越提前，北部地区平均10月13日开始，中部10月25日，南部地区10月29日开始，南北相差约半个月。近55年负积温最早出现的日期随着纬度的增加而提前，北部地区9月29日(1969年)即出现负积温，而南部地区则在10月中旬过后(最早10月18日，1974年)，最晚北部地区出现在1995年10月26日，中部在2011年11月6日，南部在2011年11月10日。整个区域初日最早和最晚出现日相差20 d左右，其中北部为27 d，中部21 d，南部23 d。

纬度越高负积温初日年际变化越大，最迟出现和最早出现的日期相差27 d，约一个月。从初日长期变化看出，近55 a整个大兴安岭地区负积温初日显著推迟，从累积距平曲线可以看出，三个区域在1987年有显著的突变，该年前后负积温起始日期差异较大，1987年突变年后起始日期明显推迟。

N为北部；M为中部；S为南部。

3.2.41961—2015年大兴安岭地区负积温结束日期长期变化

由图6可以看出，大兴安岭地区负积温在3月底到4月上旬左右结束。纬度越高终止日期越推迟，北部区域平均在4月14日，中部为4月3日，南部为3月31日。北部最迟结束日期为4月29日，出现在1986年，最早结束日期为4月1日，出现在2002年，相差28 d，中部最迟结束日期为4月16日，出现在1979年，最早结束日期为3月18日，出现在2013年，相差29 d。南部最迟结束日期为4月17日，出现在1979年，最早结束日期为3月15日，出现在2013年，相差33 d。因此近55 a大兴安岭地区负积温结束日期变化在1个月左右。从长期变化看，负积温结束日期呈提前趋势。从累积距平分析看(图略)，北部区域结束日期推迟的突变年份出现在1986年，中部和南部地区出现相差不大的两个极大值，分别出现在1979年和1987年。因此，负积温终止日期的突变也与起始日期突变类似，出现在上世纪80年代中期。

N为北部；M为中部；S为南部。

总的来说，大兴安岭地区负积温长期变化呈增加趋势，即负积温绝对值减小，变暖趋势，这不仅体现在近55 a负积温序列上，也体现在负积温持续日数，起始日期和终止日期的时间序列变化上。此外，以上四个参数在上世纪80年代中期均发生了明显的突变，负积温绝对值变小，持续日数变短，起始日期提前，结束日期推迟，该突变时间与周自江等[28]得出的我国冬季气温在1985年后增暖极为显著的结论一致，因此可以认为全球变暖也体现在了研究区的负积温变化特征上。

3.3 负积温异常年份大气环流特征

积温不仅是植物生长重要的热量指标，也能表征低温及低温的累积程度。为了分析出现负积温异常(即异常冷暖年份)的环流条件，利用距平标准差方法选出大兴安岭地区负积温异常年份，采用合成分析方法分析负积温异常年份的500 hPa和850 hPa环流特征。

3.3.1 负积温异常年份850 hPa环流合成分析

图7给出异常低温年份(图7a)、正常年份(图7b)和异常高温年份(图7c)的850 hPa平均环流场。从图中看出，正常年份(见图7b)，东亚大槽和冷中心在图中均显著，研究区位于槽西侧，风向均为西北风。在异常冷年(图见7a)中高纬度冷中心温度低于正常年份，且冷中心东西跨度增加，并向南延伸，使得大兴安岭地区温度比正常年份偏低。高度场上，异常冷的年份东亚大槽加深并西伸且研究区域等高线与等温线近乎垂直，有利于冷空气向研究区的输送。相反，异常暖的年份(见图7c)，温度场上的冷中心范围和强度明显减小，相对于研究区位于纬度偏高，偏东的位置，因此，研究区温度较常年偏高。高度场上，东亚大槽明显减弱，大兴安岭地区等高线和等温线夹角明显小于正常年份和异常冷年，不利于冷空气的输送，因此，出现暖异常。

由图8可知，异常冷年(见图8a)80°～160°E中高纬度地区基本为负异常，最大降温幅度大于4 ℃，冷中心加强扩大，而研究区位于负异常中心偏东位置，风速异常较小，但风向转变较大，研究区南部和北部风向近乎相反，与之形成鲜明对比的是暖异常年份(见图8b)，80°～160°E大部分地区为暖异常，研究区域最大增温幅度达3.5 ℃以上，暖异常年份研究区则位于暖异常中心，研究区域异常风向为西南风，不利于冷空气的堆积。

3.3.2 负积温异常年份500 hPa环流合成分析

由图9可知，与850 hPa类似，从500 hPa环流平均场(见图9b)可以看出，东亚中高纬度地区为东亚大槽，研究区位于闭合低压中心西侧。异常冷年(见图9a)，研究区下游低压强度较常年显著加强，范围扩大；温度场上，冷中心南扩使得该区位于异常低温区，对应的东亚大槽范围变宽、加强。相反，异常暖年(见图9c)，研究区下游的低压闭合中心消失，5 120 gpm高度等值线未出现闭合，对应的槽减弱，研究区温度较常年偏高。

填色图表示温度的变化，等值线为位势高度，方块区为研究区。a为异常冷年份；b为正常年份；c为异常暖年份。

图7 850hPa平均环流场

填色图表示温度的变化，等值线为位势高度，方块区为研究区。a为异常冷年份；b为异常暖年份。

图8 850hPa距平环流场

由图10可知，异常冷年(见图10a)80°～160°E中高纬度地区基本为负异常，而研究区位于负异常东侧，与之形成鲜明对比的是异常暖年(见图10b)，80°～160°E大部分地区为暖异常，研究区则位于暖异常中心。

综上所述，大兴安岭地区负积温异常年份均以异常环流为背景，冷异常年份东亚大槽加深，中高纬度低温中心范围扩大，等压线和等温线的夹角增大，有利于西北气流将冷空气输送到研究区，使得研究区的温度降低，负积温值偏低。而异常暖年份则相反，东亚大槽减弱，冷中心移到更高纬度，冷中心强度减小，不利于冷空气南下，因此，研究区温度较常年偏高，负积温偏高。

填色图表示温度的变化，等值线为位势高度，方块区为研究区。a为异常冷年份；b为正常年份；c为异常暖年份。

图9 500hPa平均环流场

填色图表示温度的变化，等值线为位势高度，方块区为研究区。a为异常冷年份；b为异常暖年份。

图10 500hPa异常环流场

4 结论

大兴安岭地区多年平均负积温空间分布呈南-北型分布，北部负积温要强于南部，南北相差约2 000 ℃，中部地区负积温东西向变化剧烈。

负积温持续日数、起始日期、终止日期的空间分布与负积温分布均呈南-北型分布。纬度越高，负积温越低，负积温持续日数越长，北部地区持续近6个月，而南部地区则因起始日期推迟约半个月，结束日期提前约半个月，因此，持续日期较北部地区约短一个月。

大兴安岭地区年负积温在20世纪80年代中期出现一次由低到高的突变，出现了明显的冷期和暖期。负积温的起始日期、终止日期和持续日期均在同一时期发生了突变，纬度越高突变越明显。

负积温异常低的年份无论在对流层低层还是中层，东亚大槽均加强，槽后西北风异常强，有利于冷空气输送和堆积，暖异常年份则相反。