中亞地區(qū)與中國(guó)氣候變化的關(guān)系

張理寧

摘要 利用戈達(dá)德太空研究所建立的全球網(wǎng)格逐月氣溫距平數(shù)據(jù)以及新疆地區(qū)國(guó)家基準(zhǔn)地面氣象逐月氣溫距平資料，通過(guò)一元線性回歸方程、小波變換等方法，對(duì)中亞地區(qū)1961—2010年氣溫變化與中國(guó)氣溫變化關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：中亞地區(qū)在近50年中年平均氣溫在波動(dòng)中呈遞增趨勢(shì)，年平均氣溫每10年氣溫增加0.277 ℃，這一增溫幅度要高于全國(guó)年平均氣溫增溫幅度；從1987年開始，中亞地區(qū)年平均氣溫開始呈逐漸增溫趨勢(shì)。我國(guó)年平均氣溫從20世紀(jì)80年代開始呈遞增趨勢(shì)，這一結(jié)論與中亞地區(qū)相一致；中亞地區(qū)年平均氣溫在隨時(shí)間變化過(guò)程中存在著16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3類尺度的周期變化規(guī)律，其中3年小尺度變化具有全域性。我國(guó)氣溫普遍存在3～4年的全域性周期變化規(guī)律，這一變化規(guī)律與中亞地區(qū)年平均氣溫存在3年小尺度全域性相一致；根據(jù)EOF分解得出，中亞地區(qū)年平均氣溫空間分布類型主要為東南—西北型、東—西型、南—北型。

關(guān)鍵詞 年平均氣溫；氣候變化；小波變換；方差；EOF；中亞地區(qū)；中國(guó)

中圖分類號(hào) P467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2016）24-0220-03

Relationship of Climate Change Between Central Asia and China

ZHANG Li-ning

（Longnan Meteorological Bureau in Jiangxi Province，Longnan Jiangxi 341700）

Abstract Based on the global grid monthly air temperature anomaly data set up by the Goddard Institute for Space Research and the national monthly ground-level temperature anomaly data in Xinjiang area，linear regression equation and wavelet transform were used to analyze the relationship of climate change between Central Asia and China during 1961-2010.The results showed that in the recent 50 years，the average annual temperature in Central Asia increased with fluctuation，and the average annual temperature increased by 0.277 ℃ every 10 years. Since 1987，the annual average temperature in Central Asia began to show a trend of increasing temperature gradually. The annual average temperature in Central Asia varied in the range of 16～30 years large-scale，6～12 years middle-scale and 3-year small scale，and the 3-year small-scale change was global. The annual mean air temperature in China had a tendency of 3～4 years periodic variation，which was consistent with the 3-year small scale variation in Central Asia. According to the EOF decomposition，it was concluded that the main spatial distribution types in Central Asia were southeast-northwest type，east-west type and south-north type.

Key words annual mean temperature；climate change；wavelet transform；variance；EOF；Central Asia；China

近年來(lái)，隨著全球氣溫升高而導(dǎo)致蒸發(fā)量增大，干旱面積隨之?dāng)U大，導(dǎo)致中亞地區(qū)溫帶農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)退化成草原，而溫帶草原蒸發(fā)強(qiáng)烈退化成沙漠。有研究表明[1]，中亞地區(qū)溫度距平的變化趨勢(shì)總體上與我國(guó)氣溫變化趨勢(shì)大致相同，不同之處在于中亞地區(qū)氣溫的年際變化更大，氣溫的變化幅度更為劇烈。而中亞地區(qū)與全球氣溫變化趨勢(shì)相比，不同之處主要是中亞地區(qū)增溫時(shí)間長(zhǎng)且增溫幅度較大。前人的研究[2-4]還認(rèn)為，我國(guó)近百年來(lái)的溫度變化與全球相似，存在2段變暖過(guò)程，即20世紀(jì)20—40年代變暖和70年代開始的變暖，其中20—40年代的暖期在我國(guó)大陸尤其顯著。

中亞地區(qū)氣候變化和中國(guó)的氣候變化，引起世界各國(guó)政府和專家學(xué)者的高度重視。也有不少研究表明[5-7]，不同地區(qū)的氣候變化規(guī)律不盡相同?？妴埖萚1]利用戈達(dá)德太空研究所建立的全球網(wǎng)格點(diǎn)月平均地表溫度距平序列，通過(guò)一元線性回歸、M-K檢驗(yàn)對(duì)中亞地區(qū)1880—2011年地面氣溫變化的基本特征進(jìn)行分析和討論。結(jié)果表明：近130年來(lái)，中亞地區(qū)溫度變化趨勢(shì)率為0.073 ℃/10年，接近于全球，高于我國(guó)的近百年溫度變化趨勢(shì)率。龔志強(qiáng)等[8]運(yùn)用動(dòng)力學(xué)自相關(guān)因子指數(shù)Q分析中國(guó)溫度的時(shí)空變化特征，得到8個(gè)不同的動(dòng)力學(xué)溫度變化特征區(qū)：準(zhǔn)噶爾區(qū)、東北區(qū)、西北區(qū)、西南東區(qū)、西南西區(qū)、華北區(qū)、東南區(qū)和中南區(qū)。初步討論了這些特征區(qū)的年均溫度變化和極端溫度年出現(xiàn)天數(shù)及其與溫度突變的關(guān)系，以及不同溫度段對(duì)中國(guó)近58年增暖的可能影響。

中亞地區(qū)與我國(guó)西北地區(qū)（新疆等地）毗鄰，關(guān)于對(duì)過(guò)去中亞氣候變化和中國(guó)氣候變化的關(guān)系的研究對(duì)于氣候預(yù)測(cè)具有重要意義。本文使用中亞6個(gè)地區(qū)逐日氣溫資料，采用一元線性回歸方程、滑動(dòng)平均、小波變換、EOF正交函數(shù)分解等方法，研究中亞地區(qū)氣溫變化特征，以期能夠加深對(duì)全球氣候變化地區(qū)性差異的了解，探討適應(yīng)氣候變化的對(duì)策。

1 資料選取

本文1961—2010年使用戈達(dá)德太空研究所建立的全球網(wǎng)格逐月氣溫距平數(shù)據(jù)以及新疆地區(qū)國(guó)家基準(zhǔn)地面氣象逐月氣溫距平資料。空間覆蓋范圍為89.0°N～80.0°S，1.0°～359.5°E，使用空間分辨率為2.0°×2.0°。本文分析的地區(qū)為中亞5個(gè)國(guó)家（吉爾吉斯斯坦、哈薩克斯坦、塔吉克斯坦、烏茲別克斯坦、土庫(kù)曼斯坦）以及新疆地區(qū)。

2 中亞地區(qū)與我國(guó)氣溫時(shí)間變化關(guān)系

2.1 氣溫年際變化規(guī)律

本文求出中亞6個(gè)地區(qū)準(zhǔn)年的年平均氣溫平均值，用來(lái)代表中亞地區(qū)氣溫年際變化情況。為了中亞地區(qū)年平均氣溫的氣候變化趨勢(shì)，這里用一次直線方程來(lái)定量描述。

圖1中曲線為年平均氣溫實(shí)測(cè)值，直線為一元線性回歸方程擬合值，一元線性回歸方程均通過(guò)0.05顯著性水平檢驗(yàn)?？梢钥闯?，中亞地區(qū)年平均氣溫在波動(dòng)中呈遞增趨勢(shì)。根據(jù)一元線性回歸方程可知，其年平均氣溫氣候傾向率為0.277 ℃/10年，表明了中亞地區(qū)年平均氣溫每10年增加0.277 ℃。根據(jù)相關(guān)研究[9-10]，中亞地區(qū)年平均氣溫變化趨勢(shì)與我國(guó)年平均氣溫變化相一致，都呈遞增趨勢(shì)。但中亞地區(qū)增溫幅度要大于全國(guó)氣溫增溫幅度。

2.2 氣溫距平變化規(guī)律

本文使用滑動(dòng)平均對(duì)1961—2010年中亞地區(qū)年平均氣溫進(jìn)行趨勢(shì)擬合，用來(lái)確定年平均氣溫趨勢(shì)變化。對(duì)樣本量為n的氣溫序列x，其滑動(dòng)平均序列表示為：

■j=■■xi+j-1（j=1，2，…，n-k+1）

式中：k為滑動(dòng)長(zhǎng)度，取值為5；n為樣本量，取值為50。

從圖2 1961—2010年中亞地區(qū)年平均氣溫距平值演變規(guī)律可以看出：

（1）從5年滑動(dòng)平均曲線可以看出，1987年是中亞地區(qū)年平均氣溫的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在1961—1987年期間，曲線值以<0為主，說(shuō)明了在此期間中亞地區(qū)年平均氣溫較低，處于偏冷期。而在1987—2010年期間，曲線值以>0為主，高于平均值水平，表明了從1987年開始，中亞地區(qū)年平均氣溫開始呈逐漸增溫趨勢(shì)。文獻(xiàn)[11]中對(duì)全國(guó)年平均氣溫研究得出，我國(guó)年平均氣溫從20世紀(jì)80年代開始呈遞增趨勢(shì)，這一結(jié)論與中亞地區(qū)相一致。

（2）從柱狀圖可以看出，在1964—1989年期間，僅1971年氣溫距平值>0，其余均<0，表明了在此期間中亞地區(qū)年平均氣溫處于相對(duì)穩(wěn)定的變化狀態(tài)，同時(shí)可以看出此期間氣溫較低。在1997—2010年期間，年平均氣溫距平值均為正數(shù)，表明了此期間中亞地區(qū)年平均氣溫也處于相對(duì)穩(wěn)定的變化狀態(tài)，同時(shí)說(shuō)明了在此期間溫度相對(duì)較高。

（3）年平均氣溫距平值>1 ℃的有4個(gè)年份，均處于偏暖期。其中2006年溫度遞增幅度較大，年平均氣溫距平值為1.42 ℃。其次是2004年，年平均氣溫距平值為1.09 ℃。

年平均氣溫距平值<-1 ℃的有6個(gè)年份，均處于偏冷期。其中1972年降溫幅度最大，年平均氣溫距平值為-1.63 ℃。其次是1964年，年平均氣溫距平值為-1.22 ℃。

3 氣溫周期變化規(guī)律

小波變換方法是一種時(shí)頻分析方法，既可以了解時(shí)間序列不同時(shí)間的頻率特征，又可以了解不同頻率的時(shí)間分布特征。本文對(duì)中亞地區(qū)年平均氣溫資料，采用連續(xù)復(fù)小波變化，研究其年平均氣溫隨時(shí)間多尺度變化規(guī)律。

從圖3中亞地區(qū)年平均氣溫小波系數(shù)等值線圖可以看出：年平均氣溫變化過(guò)程中存在多時(shí)間尺度特征?？傮w看來(lái)，年平均氣溫變化過(guò)程中存在著16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3類尺度的周期變化規(guī)律。其中16～30年大尺度在20世紀(jì)70年代中期至80年代中期、21世紀(jì)00年代期間表現(xiàn)的較為顯著，具有局域性。3年小尺度在整個(gè)時(shí)間內(nèi)均顯著，具有全局性。王澄海等[12]對(duì)全國(guó)年平均氣溫，運(yùn)用小波分析得出，我國(guó)氣溫普遍存在3～4年的全域性周期變化規(guī)律，這一變化規(guī)律與中亞地區(qū)年平均氣溫存在3年小尺度全域性相一致。

圖4中亞地區(qū)年平均氣溫小波方差圖存在3個(gè)較為明顯的峰值，其依次對(duì)應(yīng)著23、14、3年的時(shí)間尺度。其中，最大峰值對(duì)應(yīng)著23年的時(shí)間尺度，說(shuō)明23年左右的周期振蕩最強(qiáng)，為年平均氣溫變化的第一主周期；14年時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第二峰值，為年平均氣溫的第二主周期，第三峰值對(duì)應(yīng)著3年的時(shí)間尺度，為年平均氣溫的第三主周期。這說(shuō)明上述3個(gè)周期的波動(dòng)控制著中亞地區(qū)年平均氣溫在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。

4 氣溫正交函數(shù)分解

本文對(duì)中亞6個(gè)地區(qū)1961—2010年50年來(lái)逐年平均氣溫，采用EOF正交函數(shù)方法進(jìn)行分解，來(lái)研究年平均氣溫空間分布規(guī)律。

表1為中亞6個(gè)地區(qū)年平均氣溫經(jīng)EOF分解后的特征值和方差貢獻(xiàn)率，可以看出，前3個(gè)載荷向量累積貢獻(xiàn)率為84.203 9%>80%。因此，說(shuō)明前3個(gè)載荷向量所包含的信息，能夠描述中亞地區(qū)年平均氣溫空間場(chǎng)的特征。第一載荷向量貢獻(xiàn)率為50.954 3%，該貢獻(xiàn)率值較大，表明了第一載荷向量是決定性向量；第二、第三載荷向量貢獻(xiàn)率分別為18.397 8%、14.851 8%。

表2為年平均氣溫經(jīng)EOF分解后的前3個(gè)載荷向量場(chǎng)，第一向量場(chǎng)可以看出，中亞6個(gè)地區(qū)僅烏茲別克斯坦向量場(chǎng)為負(fù)值，其余5個(gè)地區(qū)均為正值。最大值位于土庫(kù)曼斯坦，第一向量場(chǎng)值為0.503 2。其次為塔吉克斯坦，第一向量場(chǎng)值為0.486 4。因此，根據(jù)第一向量值，可以看出中亞地區(qū)年平均氣溫從東南地區(qū)向西北遞減。

從第二向量場(chǎng)可以看出，新疆、吉爾吉斯斯坦地區(qū)向量場(chǎng)值為負(fù)數(shù)，其余4個(gè)地區(qū)向量場(chǎng)值為正數(shù)。因此，根據(jù)第二向量值，可以看出中亞地區(qū)年平均氣溫從東向西遞減。

從第三向量場(chǎng)可以看出，塔吉克斯坦、土庫(kù)曼斯坦地區(qū)向量場(chǎng)值為負(fù)數(shù)，其余4個(gè)地區(qū)向量場(chǎng)值為正數(shù)。新疆地區(qū)向量場(chǎng)值最大為0.728 7，其次是烏茲別克斯坦，向量場(chǎng)值為0.526 7。因此，根據(jù)第三向量值，可以看出中亞地區(qū)年平均氣溫從南向北遞增。

5 結(jié)論

本文利用1961—2010年中亞地區(qū)月氣溫資料，采用一元線性回歸、連續(xù)復(fù)小波變換、EOF正交函數(shù)分解等方法，研究了中亞地區(qū)和全國(guó)氣溫變化情況，得出以下結(jié)論：

（1）中亞地區(qū)在近50年中年平均氣溫在波動(dòng)中呈遞增趨勢(shì)，年平均氣溫氣候傾向率為0.277 ℃/10年，即年平均氣溫每10年氣溫增加0.277 ℃，這一增溫速度要大于全國(guó)年平均氣溫增溫幅度。中央?yún)^(qū)地區(qū)年平均氣溫增溫幅度最大的是塔吉克斯坦地區(qū)，年平均氣溫每10年增加0.348 ℃。

（2）在1961—1987年期間，中亞地區(qū)年平均氣溫較低，處于偏冷期。而在1987—2010年期間，年平均氣溫高于平均值水平，說(shuō)明在此期間中亞地區(qū)年平均氣溫開始較高。我國(guó)年平均氣溫從20世紀(jì)80年代開始呈遞增趨勢(shì)，這一結(jié)論與中亞地區(qū)相一致。

（3）中亞地區(qū)年平均氣溫在隨時(shí)間變化過(guò)程中存在著16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3類尺度的周期變化規(guī)律。其中，23年左右的周期年平均氣溫變化的第一主周期；14年時(shí)間尺度為第二主周期，3年的時(shí)間尺度為第三主周期，3個(gè)周期的波動(dòng)控制著中亞地區(qū)年平均氣溫在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。而我國(guó)氣溫普遍存在3～4年的全域性周期變化規(guī)律，這一變化規(guī)律與中亞地區(qū)年平均氣溫存在3年小尺度全域性相一致。

（4）由EOF正交函數(shù)分解得出：根據(jù)第一向量值，可以看出中亞地區(qū)的年平均氣溫呈現(xiàn)從東南地區(qū)向西北遞減的趨勢(shì)；根據(jù)第二向量值，可以看出中亞地區(qū)年平均氣溫從東向西遞減；根據(jù)第三向量值，可以看出中亞地區(qū)年平均氣溫從南向北遞增。

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