我國1961—2009年氣溫變化規(guī)律分析

郝振純,孫樂強

(河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇 南京 210098)

氣溫變化是氣候變化最顯著的指標(biāo)之一,由于氣溫的變化會直接影響蒸發(fā)、徑流等一系列水文要素的變化,因而研究氣溫變化對于掌握區(qū)域內(nèi)水資源變化等問題具有重要意義[1-3].多年來,圍繞氣溫的時空分布和變化規(guī)律,國內(nèi)外眾多學(xué)者進行了大量的研究[4-8].IPCC第四次報告指出,過去百年來全球地表溫度升高了0.74℃,并且預(yù)測未來百年全球氣溫可能升高1.1～6.4℃[9].屠其璞[10]在20世紀(jì)80年代的研究表明,我國除東北和新疆北部地區(qū)以外的大部分地區(qū),氣溫長期變化趨勢的主要特征都與北半球平均氣溫的趨勢相一致,即從20世紀(jì)初到1945年前后和20世紀(jì)70年代以后,是兩個明顯的增暖時段,它們中間是一個降溫時段.余錦華等[11]后來的研究則表明,我國平均氣溫上升的變化趨勢沒有北半球強,我國氣溫在20世紀(jì)40年代最高,而北半球氣溫則在70年代迅速上升.20世紀(jì)90年代,丁一匯等[12]在研究我國近百年來氣溫變化規(guī)律時也得到了類似的結(jié)論,并分析了我國西南地區(qū)20世紀(jì)50年代以后的降溫趨勢和城市化對我國氣溫觀測的影響,而班軍梅等[13]則對西南地區(qū)的氣溫變化做了專門的研究.施能等[14]研究了我國包括氣溫和降水在內(nèi)的氣候要素在過去百年中4個代際的區(qū)域變化特征.陳隆勛等[15]的研究結(jié)果指出我國現(xiàn)代的氣溫變暖主要發(fā)生在35°N以北地區(qū),變暖最大區(qū)域是新疆和黑龍江北部.與此相反,在35°N以南直到23°N以及100°E以東地區(qū)存在一個廣闊的變冷區(qū).在區(qū)域量化指標(biāo)上,秦大河等[16]認(rèn)為20世紀(jì)后半葉我國年平均氣溫升高以北方為主,東北北部、內(nèi)蒙古及西部盆地升溫速率達0.08℃/a以上.此外,對于全國其他地區(qū)20世紀(jì)后半葉以來氣溫變化規(guī)律的探討也有很多.

本文利用我國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)所提供的1961—2009年全國730個站點逐月平均氣溫數(shù)據(jù),采用Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法[17]分析我國20世紀(jì)60年代以來年平均氣溫和季節(jié)平均氣溫時空變化規(guī)律,以期在最新資料基礎(chǔ)上更加全面地研究我國氣溫變化規(guī)律.

1 研究資料與方法

基本數(shù)據(jù)為我國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1961—2009年全國730個站點逐月平均氣溫數(shù)據(jù),對于缺測年份,使用鄰近站點資料插值獲取,選取插值站點時綜合考慮站點海拔和已有記錄的相關(guān)程度.

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法是世界氣象組織WMO推薦的趨勢顯著性檢測方法之一.在Mann-Kendall檢驗中,原假設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)(xl,…,xn),是n個獨立的、隨機變量同分布的樣本;備擇假設(shè)H1是雙邊檢驗,對于所有的k≤n,j≤n且k≠j,xj,xk的分布是不相同的,檢驗的統(tǒng)計變量S計算式[18]為

S為正態(tài)分布,其均值E(S)=0,方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18.當(dāng)n＞10時,標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計變量計算公式為

定義統(tǒng)計變量

線性趨勢是氣象要素變化研究中極其重要的一個方面,Hess等[19]曾經(jīng)對各種線性趨勢研究方法做過系統(tǒng)評價;Hirsch等[20]在研究Seasonal Kendall方法時提出傾向率的概念,用以替代傳統(tǒng)的線性回歸方法,認(rèn)為當(dāng)原始數(shù)據(jù)的可靠性不足時,這種無偏估計方法較簡單線性回歸估計的精度要高.考慮到本文所用數(shù)據(jù)有較多缺測且時間跨度較短,可靠性和代表性可能會不足,因此主要選用Mann-Kendall傾向率(以下簡稱MK傾向率)來量化趨勢的大小.MK傾向率的計算公式如下[21]：

其中Median表示取中值,i＜j≤n,n為序列長度.當(dāng)β＞0時表示序列存在速率為β的遞增趨勢,當(dāng)β＜0時表示存在速率為β的遞減趨勢[22].本文β的單位為℃/a.

2 實測氣溫

考慮到季風(fēng)/非季風(fēng)區(qū)以及青藏高寒區(qū)和秦嶺淮河界等重要的地理分界線,將全國劃分為南方、北方、西北和青藏4個地理大區(qū)[23].圖1為4個地理大區(qū)1961—2009年年均氣溫變化圖,可以看出4個地理大區(qū)氣溫呈上升趨勢,但平均氣溫最高的南方地區(qū)的上升趨勢最不明顯.表1對4個地理大區(qū)分年代統(tǒng)計的平均氣溫及線性趨勢方程也表明南方變暖的趨勢要弱于其他3個區(qū)域,尤其是升溫最為明顯的西北地區(qū).

圖1 4個地理大區(qū)1961—2009年實測溫度Fig.1 Observed temperatures in four geographic regions from 1961 to 2009

表1 各年代平均氣溫及線性趨勢方程Table1 Decadal average temperatures and linear regression equations

3 氣溫變化明顯程度

分別計算所有站點的1961—2009年年均和四季平均氣溫Mann-Kendall檢測的Z值和UFk序列,以綜合判斷各個站點氣溫變化的明顯程度和這種明顯變化開始的年份,見圖2.

1961—2009年春季平均氣溫增溫最顯著的區(qū)域包括華東大部、華北大部以及西北地區(qū)東南部等,而新疆北部、西南地區(qū)大部、華南大部地區(qū)都無法通過顯著水平α=0.05的增溫置信檢驗,表明這些地區(qū)1961年以來春季的升溫并不明顯.除這些區(qū)域之外全國其他地區(qū)春季氣溫升高都可以通過α=0.05的置信檢驗.1961—2009年夏季平均氣溫增溫顯著的區(qū)域比春季減小,顯著增溫區(qū)域主要集中在黑龍江、吉林、內(nèi)蒙古的東北部、北京、天津及西北大部、青藏高原、云南西南部和東南沿海地區(qū),而其他地區(qū)則均無法通過顯著性α=0.05的增溫置信檢驗.其中以豫陜鄂交界地區(qū)為中心的大片區(qū)域甚至有明顯的降溫趨勢.1961—2009年全國秋季平均氣溫增溫普遍較為明顯,其中最顯著的區(qū)域為青藏高原東北部,而中南地區(qū)局部、西南地區(qū)局部在α=0.05下未出現(xiàn)明顯增溫.1961—2009年全國冬季平均氣溫亦普遍明顯升高,其中又以環(huán)渤海地區(qū)和青藏高原以及滇西地區(qū)升高最為明顯,全國僅有四川、重慶、貴州和廣西局部地區(qū)升溫趨勢無法通過α=0.05的增溫置信檢驗.

對于1961—2009年年平均氣溫,亦發(fā)現(xiàn)全國普遍明顯升溫,其中又以青藏高原、西北地區(qū)中東部、東北和滇西南地區(qū)升溫最為明顯,Z＞1.96即可認(rèn)為在置信水平0.95下明顯升溫,而這些地區(qū)的Z值普遍大于5.0.概括看,北方地區(qū)升溫要比南方地區(qū)明顯,沿海地區(qū)升溫要比臨近內(nèi)陸地區(qū)明顯.雖然同處于長江流域,武漢及其周邊地區(qū)升溫明顯,而四川東部以及重慶大部確是全國唯一無法通過α=0.05的增溫置信檢驗的區(qū)域.

圖2 1961—2009年年均及四季平均氣溫Z值分布Fig.2 Distribution of Z values for annual and seasonal average temperatures from 1961 to 2009

4 氣溫明顯轉(zhuǎn)折年

除了在時間上整體研究全國氣溫變化規(guī)律外,還希望在1961—2009年之間找到一個年份,以此作為氣溫變化規(guī)律轉(zhuǎn)變最為明顯的分界年.為區(qū)別于突變年,可以將其命名為明顯轉(zhuǎn)折年.對于單站,將UFk曲線首次超過置信直線(α=0.05時其值為±1.96)時的年份定為該站氣溫變化明顯轉(zhuǎn)折年.

圖3(a)為全國4個地理大區(qū)1961—2009年年均氣溫UFk曲線,可以看出最重要的明顯轉(zhuǎn)折年在1981年左右,在此之前氣溫變化大都無法超過置信直線,南方和西北地區(qū)短暫超過負(fù)置信直線,但是很快回彈,同時對全國730個站點明顯轉(zhuǎn)折年的統(tǒng)計參數(shù)分析也表明,將1981年定為全國統(tǒng)一明顯轉(zhuǎn)折年最為合適.

圖3 1961—2009年年均氣溫明顯轉(zhuǎn)折年計算結(jié)果Fig.3 Calculation of SY(s)for annual average temperatures from 1961 to2009

明顯轉(zhuǎn)折年在空間上的分布如圖3(b)所示,可以看出1981年之前發(fā)生的明顯轉(zhuǎn)折年和1981年之后發(fā)生的明顯轉(zhuǎn)折年在空間分布上具有較為明顯的聚類特征：南方地區(qū)的長江流域和北方地區(qū)的黃河流域明顯轉(zhuǎn)折年發(fā)生的年份大都早于1981年,而東北、西北、西南和華南地區(qū)的明顯轉(zhuǎn)折年則普遍晚于1981年.

5 分界年前后氣溫變化規(guī)律

分別計算1961—2009年、1961—1981年和1982—2009年這3個時段年均和季均MK傾向率,以反映其間的溫度變化規(guī)律.其中年均氣溫結(jié)果如圖4所示,季平均氣溫結(jié)果圖略.

圖4 年均氣溫MK傾向率(單位：℃/a)Fig.4 Mann-Kendall tendency rates for annual average temperatures(unit：℃/a)

a.1961—2009年年均氣溫在全國范圍內(nèi)MK傾向率均大于0,其中最大值出現(xiàn)在東北北部、內(nèi)蒙古中東部、京津地區(qū)、青藏高原東北部以及新疆東北部,達0.040～0.050℃/a,說明這些地區(qū)升溫最為明顯.江浙和廣東一帶沿海升溫比臨近的安徽、湖南等省顯著,華東沿海以及武漢地區(qū)升溫達0.026℃/a以上.而升溫最不明顯的地區(qū)集中在四川、貴州、廣西、重慶等西南地區(qū),溫度升高不超過0.014℃/a.1981年之前全國范圍內(nèi)除青藏高原及周邊升溫外(青藏高原升溫最劇烈的地區(qū)達0.041～0.053℃/a),大部分處于降溫狀態(tài),降溫最為劇烈的區(qū)域主要集中在長江中下游以及東北地區(qū),最大降溫幅度在0.014～0.025℃/a之間.1981年以后全國基本沒有出現(xiàn)降溫區(qū)域,其中又以江浙地區(qū)、華北北部、內(nèi)蒙古中東部地區(qū)升溫最為顯著,達0.069～0.078℃/a,而升溫最不顯著的貴州廣西部分地區(qū)升溫幅度也在0.021℃/a以上.

b.1961—2009年春季升溫最顯著的區(qū)域為東北大部,且緯度越高溫度升高越劇烈,黑龍江北部以及內(nèi)蒙古中東部升溫幅度達0.049～0.057℃/a,其次是華北和華東部分地區(qū)以及西北地區(qū)東部,升溫在0.038℃/a以上.最不明顯的地區(qū)仍是西南和華南地區(qū),云貴川部分地區(qū)升溫尚不足0.010℃/a.1981年之前,以北疆為代表的西北地區(qū)北部以及長江以南大部等地區(qū)出現(xiàn)了降溫過程,其中前者降溫較為劇烈,北疆地區(qū)降溫達0.125～0.151℃/a.1981年后,西北地區(qū)東部、華北西部和江浙地區(qū)成為最明顯的升溫區(qū)域,達0.082～0.096℃/a,而西南、華南和東北部分地區(qū)升溫速度最小,但也大于0.020℃/a.

c.1961—2009年夏季平均氣溫在豫陜鄂交界一帶出現(xiàn)明顯的下降,降溫區(qū)域以此為中心向東北和西南方向延伸,但降幅不大,最大降幅不超過0.015℃/a.青藏高原東北部、內(nèi)蒙古東部、東北北部以及浙江東北部為升溫最為顯著地區(qū),升溫幅度不足0.049℃/a,遠小于全年以及春季全國最大升溫速率.1981年以前黃淮、江淮、長江中下游、華北、遼寧大部、內(nèi)蒙古西部地區(qū)溫度下降,東北北部、南疆西部升溫.1981年之后,西北大部、內(nèi)蒙、東北大部、長三角地區(qū)升溫明顯,而西南、華南、山東、遼寧等地區(qū)則升溫極不明顯,個別地區(qū)還出現(xiàn)降溫.

d.1961—2009年秋季平均氣溫普遍上升,但最為明顯的是青藏高原、西北地區(qū)大部和內(nèi)蒙古中東部,其次是東北和江淮地區(qū),而除此之外全國其他地區(qū)的升溫幅度不大,普遍不超過0.027℃/a.1981年之前全國除青藏高原和西北大部、東北東部有升溫外,其他地區(qū)均降溫,其中從江蘇南部一直到云南東部的一大片區(qū)域溫度最大下降幅度達0.039～0.060℃/a;而1981年之后全國又普遍升溫,尤其以西北、內(nèi)蒙古中東部、江淮、江南地區(qū)升溫最為明顯,達0.068℃/a以上.

e.1961—2009年冬季平均氣溫全國均呈上升態(tài)勢,其中北方地區(qū)升溫要比南方地區(qū)顯著.北方地區(qū)以青海、新疆東部、內(nèi)蒙中部、華北大部、東北大部升溫最顯著,達0.063℃/a以上,而南方地區(qū)四川、貴州以及安徽局部地區(qū)升溫則僅在0.014～0.023℃/a之間.1981年之前青藏高原東北部升溫劇烈,可達0.100℃/a以上,東北大部(除遼寧外)出現(xiàn)降溫,尤以內(nèi)蒙古東部最為顯著,下降幅度最高達0.058℃/a.1981年之后青藏高原繼續(xù)出現(xiàn)明顯升溫過程,此外,全國另有兩廣交界、浙江和華北3個升溫中心,升溫幅度最高達0.070℃/a以上.但高緯度地區(qū)的東北北部和新疆北部等地區(qū)卻出現(xiàn)降溫,但下降幅度不大,幅度不超過0.024℃/a.

6 結(jié) 論

a.1961—2009年,我國地面觀測溫度普遍升高,但是四季和全年溫度變化的規(guī)律并不一致.青藏高原和滇西南地區(qū)無論四季還是全年平均氣溫均是升高最明顯的區(qū)域,西南局部地區(qū)是全國升溫最不明顯的區(qū)域.北方地區(qū)升溫普遍比南方地區(qū)顯著,東部沿海地區(qū)升溫比臨近內(nèi)陸地區(qū)升溫顯著.南方地區(qū)的長江流域和北方地區(qū)的黃河流域氣溫變化明顯轉(zhuǎn)折年大都早于1981年,而東北、西北、西南和華南地區(qū)的明顯轉(zhuǎn)折年則普遍晚于1981年.

b.全國氣溫除總體呈現(xiàn)升溫趨勢外,個別時段個別地區(qū)也有降溫.春季氣溫1981年之前,以北疆為代表的西北地區(qū)北部出現(xiàn)降溫過程;夏季1961—2009年之間全國普遍出現(xiàn)降溫過程,1981之前降溫更為明顯,降溫中心在華中一帶;秋季1981年之前同樣出現(xiàn)過全國性降溫過程,但不如夏季明顯;冬季1981年之前東北大部出現(xiàn)明顯降溫.

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