1870年以來(lái)河南省年平均氣溫變化特征

閆軍輝，王黎明，劉明華，牛繼強(qiáng)，曹廣超，朱 偉，張 華

(1. 信陽(yáng)師范學(xué)院 a.地理科學(xué)學(xué)院; b. 南北過(guò)渡帶研究中心; c. 氣候與環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, d. 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院, 河南 信陽(yáng) 464000; 2. 青海師范大學(xué) 青海省自然地理與環(huán)境過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 青海 西寧 810008)

0 引言

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出：1880-2012年期間全球平均陸地和海洋表面溫度升高了0.65～1.06 ℃[1].與全球尺度相比，區(qū)域氣候變化對(duì)局地的影響更為重要和直接，因此區(qū)域氣候變化研究引起廣泛的關(guān)注[2，3].有關(guān)區(qū)域過(guò)去百年氣候變化研究，前人已進(jìn)行了大量的工作.例如，有學(xué)者通過(guò)對(duì)洞庭湖區(qū)1951年以前缺測(cè)資料的插補(bǔ)，分析了洞庭湖區(qū)過(guò)去百年的氣候變化，得出該區(qū)氣溫經(jīng)歷了4個(gè)階段的冷暖交替[4].有學(xué)者基于小波分析方法研究了澳門近百年的地表溫度變化，表明澳門年/季平均溫度存在2～5 a的顯著震蕩周期[5].也有學(xué)者為克服因觀測(cè)時(shí)制與時(shí)次差異而導(dǎo)致的序列前后不均一性，利用月平均最高與平均最低溫度重建了1906-2015年武漢市年平均溫度序列[6].河南省位于中國(guó)中部，不僅為北亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡地帶，還是東部濕潤(rùn)區(qū)和西部干旱半干旱區(qū)的過(guò)渡區(qū)域，起著承東啟西、溝通南北的作用.盡管有學(xué)者研究了河南省溫度變化[7,8]，但這些研究多局限于過(guò)去幾十年器測(cè)時(shí)期的氣候變化，時(shí)間尺度相對(duì)較短，長(zhǎng)時(shí)間尺度的研究相對(duì)較少.基于此，本文擬利用河南省17個(gè)氣象站及中國(guó)東中部地區(qū)14個(gè)站點(diǎn)的逐月平均氣溫資料，重建1870年以來(lái)河南省年平均溫度變化序列，并分析其冷暖階段、變化速率和周期特征.研究結(jié)果不僅對(duì)科學(xué)認(rèn)識(shí)河南省這一典型區(qū)域的氣候變化規(guī)律有重要科學(xué)意義，還可為在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上分析氣候變化的影響提供背景數(shù)據(jù)，為河南省適應(yīng)未來(lái)氣候變化提供參考資料和科學(xué)基礎(chǔ).

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

論文所用資料按時(shí)段、區(qū)域和來(lái)源不同可分為兩部分，其中1951-2016年所用數(shù)據(jù)為河南省17個(gè)分布相對(duì)均勻氣象站的月平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，該資料直接下載于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/).由于建站時(shí)間不同，河南省17個(gè)氣象站資料在50年代存在不同程度的缺失[8].

1951年之前的資料來(lái)自于原中央氣象局和中國(guó)科學(xué)院地球物理研究所出版的《中國(guó)氣溫資料》.從中摘錄了中國(guó)東中部地區(qū)14個(gè)氣象站(北京、上海、天津、青島、煙臺(tái)、南京、杭州、武漢、長(zhǎng)沙、太原、保定、濟(jì)南、西安和宜昌)1951年以前的月平均氣溫?cái)?shù)據(jù).這些站點(diǎn)的建站時(shí)間并不一致，其中北京、上海、青島和天津建站較早，均在1900年之前就已有連續(xù)的氣象觀測(cè)；其次為杭州、武漢、南京和煙臺(tái)，它們分別于1905年前后建站；長(zhǎng)沙、保定、太原和濟(jì)南相繼于20世紀(jì)10年代開(kāi)始?xì)庀笥^測(cè)；西安和宜昌建站時(shí)間較晚，宜昌直到1924年1月才有較為連續(xù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)(表1).

由于戰(zhàn)爭(zhēng)和社會(huì)動(dòng)蕩，1951年之前的資料同樣存在不同程度的缺失.上海、青島、濟(jì)南和天津建站以來(lái)缺失資料較少，缺失月份百分比均在10%以下，其中上海缺失最少，僅有0.31%的資料缺失；其次為武漢、煙臺(tái)、太原、長(zhǎng)沙、南京和西安，缺失資料月份百分比在10%～20%之間；北京、杭州、保定和宜昌缺失較多，缺失月份百分比都在20%以上.其中宜昌缺失月份百分比超過(guò)一半.

表1 中國(guó)東中部14個(gè)氣象站建站以來(lái)缺失資料統(tǒng)計(jì)Tab. 1 Statistical information of missing data at 14 stationsover central and eastern China for 1870-1950

1.2 研究方法

1870-2016年河南省年平均氣溫序列的重建分為三段：1961-2016年溫度序列直接用河南省17個(gè)站點(diǎn)算數(shù)平均得到；由于1951年開(kāi)始，河南省開(kāi)始陸續(xù)建立氣象觀測(cè)站，故1951-1960年溫度序列采用多元線性回歸進(jìn)行重建.具體做法是根據(jù)1961-2010年河南省觀測(cè)資料，建立河南省年均溫與現(xiàn)存站點(diǎn)之間的多元線性回歸方程，然后利用此方程恢復(fù)1951-1960年河南省年均溫序列；1951年之前河南省沒(méi)有連續(xù)的溫度觀測(cè)，因此1870-1950年河南省溫度用東、中部地區(qū)14個(gè)站點(diǎn)的溫度進(jìn)行恢復(fù).其做法與1951-1960年相似，先建立河南省年均溫與東中部地區(qū)14個(gè)有溫度記錄站點(diǎn)之間的多元線性回歸方程，進(jìn)而利用該方程重建1870-1950年時(shí)段溫度變化.最后將三個(gè)時(shí)段重建的序列相互銜接就可以得到1870-2016年河南省年平均氣溫變化序列.

為更精確地分析1870年以來(lái)河南省年均溫的階段性變化特征，采用最優(yōu)分割法對(duì)溫度序列進(jìn)行冷暖時(shí)段劃分.該方法是對(duì)一批有序數(shù)據(jù)進(jìn)行分段的統(tǒng)計(jì)方法，分段的結(jié)果使段內(nèi)數(shù)據(jù)之間的差異最小，而各段之間的差異最大；為分析河南省年均溫的變化速率特征，采用滑動(dòng)氣候傾向率法，滑動(dòng)計(jì)算每30 a和50 a年時(shí)間尺度的變化速率，并用最小二乘法擬合其線性趨勢(shì)；最后，利用功率譜分析法分析1870年以來(lái)河南省年平均氣溫的周期.

2 結(jié)果與分析

2.1 河南省年均溫階段變化

圖1為1870-2016年河南省年平均氣溫變化序列.圖1(a)中紅線為年均溫曲線，藍(lán)線為重建溫度值的95%置信區(qū)間，粗實(shí)線和虛線分別為河南省年平均氣溫的線性和多項(xiàng)式擬合線；圖1(b)中細(xì)實(shí)線為重建溫度序列所用的氣象站點(diǎn)數(shù)量.由圖可知，1870-2016年河南省年均溫平均值為14.34 ℃.總體而言，過(guò)去147 a河南省年均溫大致經(jīng)歷了“冷-暖-冷-暖”四個(gè)多年代冷暖階段.利用多元有序數(shù)據(jù)的最優(yōu)分割方法可將其劃分為四個(gè)時(shí)段：1870-1906年與1950-1993年為相對(duì)寒冷期，1907-1949年與1994-2016年則相對(duì)較暖.

圖1 1870年以來(lái)河南省年平均氣溫變化Fig. 1 Changes in annual mean temperaturesof Henan Province since 1870

1870-1906年河南省氣候相對(duì)寒冷，年均溫平均值為13.90 ℃，距平為-0.44 ℃.37年中有34 a的溫度距平為負(fù)值(約占該時(shí)段年數(shù)的91.9%).其中最冷年和最暖年分別出現(xiàn)在1893年和1899年，其溫度值分別為13.55 ℃和14.58 ℃(距平分別為-0.80 ℃和0.23 ℃)，最冷年比最暖年約低1 ℃.年代上，最冷和最暖的年代分別出現(xiàn)在1876-1885年(13.75 ℃)和1896-1905年(14.03 ℃)，最冷年代較最暖年代低約0.28 ℃；1907-1949年相對(duì)較暖，年均溫圍繞均值劇烈波動(dòng)，74.4%年份的溫度值為正距平，年均溫平均值為14.72 ℃(距平0.38 ℃)，其中最暖年份和最冷年份的溫度值分別為15.80 ℃(距平1.46 ℃)與13.67 ℃(距平-0.68 ℃)，極差為2.13 ℃.就年代變化而言，最暖的年代(1923-1932年，15.11 ℃)比最冷的年代(1909-1918年，14.32 ℃)約高0.79 ℃.

自1950年開(kāi)始，河南省氣候迅速降低，進(jìn)入第二個(gè)寒冷時(shí)段.1950-1993年溫度均值為14.06 ℃，較多年平均值低約0.28 ℃，44 a中有33 a的溫度值為負(fù)距平(約占該時(shí)段年份75%).其中最冷年和最暖年分別出現(xiàn)在1956年和1961年，最冷年溫度(13.21℃，距平-1.13℃)較最暖年溫度(15.17 ℃，距平0.83 ℃)約低1.96 ℃.最冷的年代(1951-1960年，13.86 ℃)較最暖的年代(1959-1968年，14.37 ℃)低0.51 ℃；20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，河南省氣候由冷轉(zhuǎn)暖，進(jìn)入第二個(gè)溫暖時(shí)段.1994-2016年河南省年平均氣溫均值為14.88 ℃(距平為0.54 ℃)，除1996年和2003年外，其他所有年份的溫度均為正距平.其中最暖年和最冷年分別出現(xiàn)在2013年(15.48 ℃)和1996年(14.03 ℃)，距平分別為1.13 ℃和-0.31 ℃，極差為1.44 ℃.年代上，最暖年代(2007-2016年，15.00 ℃)較最冷年代(1996-2005年，14.73 ℃)高0.27 ℃.比較四個(gè)時(shí)段溫度序列的標(biāo)準(zhǔn)差可知，1870-1906年時(shí)段的標(biāo)準(zhǔn)差最小，1907-1949年時(shí)段標(biāo)準(zhǔn)差最大，表明前一個(gè)時(shí)段的溫度序列波動(dòng)較為平緩，而后者的波動(dòng)則較為劇烈(表2).

表2 1870-2016年河南省年平均氣溫冷暖變化Tab. 2 Annual mean temperature variations of Henan for 1870-2016

2.2 變化速率

1870-2016年河南省年平均溫度呈微弱增加趨勢(shì).一元線性回歸擬合顯示，氣候傾向率為0.4 ℃/100 a，t檢驗(yàn)顯示回歸方程通過(guò)0.001顯著性水平檢驗(yàn).盡管過(guò)去147年河南省年均增暖速率低于全球和中國(guó)平均增暖速率，但在多年代尺度上呈現(xiàn)多次快速增暖和快速變冷的現(xiàn)象.圖2為1870年以來(lái)河南省年平均溫度在50 a(圖2a)和30 a(圖2b)尺度上的滑動(dòng)變化速率，橫軸1870年分別代表1870-1919年(50 a尺度)與1870-1899年時(shí)段(30 a尺度).30 a尺度上，1870年以來(lái)河南省最快變暖速率出現(xiàn)在1900-1929年，為第一個(gè)寒冷時(shí)段向第一個(gè)溫暖時(shí)段轉(zhuǎn)換時(shí)期.線性擬合顯示，變暖速率為0.046±0.018 ℃/a(95%置信區(qū)間，下同)，回歸方程通過(guò)0.001顯著性檢驗(yàn)；最快降溫速率出現(xiàn)于第一個(gè)溫暖時(shí)段向第二個(gè)寒冷時(shí)段轉(zhuǎn)換的1928-1957年，其變化速率為-0.043±0.024 ℃/a(通過(guò)0.001顯著性水平檢驗(yàn))，最大降溫速率與最快增溫速率相當(dāng).50 a尺度上，最快50 a增暖速率出現(xiàn)在1883-1932年，同樣出現(xiàn)在第一個(gè)寒冷時(shí)段向第一個(gè)溫暖時(shí)段的轉(zhuǎn)換時(shí)期，平均變暖速率為0.031±0.008 ℃/a；最快降溫同樣出現(xiàn)在第一個(gè)溫暖時(shí)段向第二個(gè)寒冷時(shí)段轉(zhuǎn)換的時(shí)期，1923-1972年線性變化速率為-0.026±0.010 ℃/a，且回歸方程通過(guò)0.001顯著性檢驗(yàn).以上分析顯示，盡管20世紀(jì)后期河南省氣溫顯著增暖，但無(wú)論是30 a尺度還是50 a尺度上，最快增溫速率均出現(xiàn)在第一個(gè)寒冷時(shí)段向第一個(gè)溫暖時(shí)段的轉(zhuǎn)換時(shí)期，20世紀(jì)后期的增暖速率均未超過(guò)以前水平.

圖2 不同時(shí)間尺度上河南省年平均氣溫滑動(dòng)變化速率Fig. 2 Moving linear trends of annual mean temperature ofHenan at different time scales

2.3 周期

1870-2016年河南省年平均氣溫的功率譜分析結(jié)果見(jiàn)圖3，圖中實(shí)線為功率譜密度，虛線為紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜(顯著性水平α=0.05)，最大后延數(shù)取序列長(zhǎng)度的1/3，黑點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的位置為周期.由圖可知，在周期長(zhǎng)度為64 a處，功率譜密度估計(jì)值遠(yuǎn)超過(guò)紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜，表明64 a為河南省年平均氣溫的第一顯著周期；其次，在4.13 a周期處，功率譜密度估計(jì)值為一峰值且超過(guò)了紅噪音標(biāo)準(zhǔn)譜，說(shuō)明4.13 a為河南省年均溫的第二顯著周期；最后，在2.56 a和2.42 a處，功率譜估計(jì)值也超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)譜，顯示河南省年均溫存在2 a左右的周期.以上分析表明1870-2016年河南省年平均氣溫的變化周期以為2～4 a和64 a為主.前者變化可能受海氣相互作用(如ENSO事件)及平流層準(zhǔn)2 a震蕩(QBO)驅(qū)動(dòng)，后者可能受太平洋年代際震蕩(PDO)的影響.需要說(shuō)明的是，過(guò)去147 a河南省溫度變化序列并未檢測(cè)出11 a或22 a等太陽(yáng)活動(dòng)周期，但這僅表明該時(shí)段并沒(méi)有貫穿整個(gè)時(shí)域的太陽(yáng)活動(dòng)周期，期間是否存在短時(shí)間尺度的太陽(yáng)活動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，需要用其他方法進(jìn)一步檢驗(yàn).

圖3 河南省年平均氣溫功率譜Fig. 3 The power spectrum of annual meantemperature in Henan province

3 討論

本文重建的河南省溫度序列，其誤差主要來(lái)自于將河南省周邊站點(diǎn)的溫度轉(zhuǎn)換為河南省年均溫時(shí)的統(tǒng)計(jì)誤差.其誤差大小主要受回歸方程的殘差標(biāo)準(zhǔn)差和置信水平所制約.方程的殘差標(biāo)準(zhǔn)差取決于樣本量、自變量與因變量的復(fù)相關(guān)系數(shù)以及預(yù)報(bào)序列的方差大小，而復(fù)相關(guān)系數(shù)與自變量的數(shù)量關(guān)系密切.在建立多元回歸方程時(shí)，樣本統(tǒng)一取1961-2010年50 a數(shù)據(jù)(樣本量n=50)，顯著性水平取0.05，因此重建序列的誤差與自變量個(gè)數(shù)密切相關(guān).1905年之前，由于中國(guó)東部地區(qū)僅有北京、上海等少數(shù)站點(diǎn)有觀測(cè)記錄，因此誤差范圍在0.6 ℃～0.8 ℃(平均0.73 ℃)之間；1906年之后，隨著觀測(cè)站點(diǎn)的增加，重建序列的誤差范圍逐漸減小，此階段誤差范圍平均為0.43 ℃.1951年以后，隨著現(xiàn)代儀器觀測(cè)體系的建立，重建序列的誤差逐漸降低到0.1 ℃左右.

有學(xué)者認(rèn)為，過(guò)去百年中國(guó)年平均氣溫在20世紀(jì)30-40年代和80-90年代增溫顯著，且30-40年代溫暖程度與80-90年代基本持平[9,10]；但也有研究認(rèn)為20世紀(jì)90年代較40年代更暖[11].本研究認(rèn)為，至少在河南省區(qū)域內(nèi)，30-40年代的溫暖程度不低于80-90年代.變化速率上，1870-2016年河南省年均溫傾向率為0.4 ℃/100 a，略低于全球與中國(guó)平均增暖速率，與武漢過(guò)去110 a的增暖速率相當(dāng)[6].最新研究表明，全球地表溫度自1998年以來(lái)幾乎沒(méi)有增加，出現(xiàn)“變暖停滯”的平臺(tái)化現(xiàn)象[12,13].中國(guó)大陸年平均氣溫在剔除城市化影響后和全球平均特征基本一致[11].類似的變暖停滯現(xiàn)象在河南省也有所顯現(xiàn)，近20 a溫度序列近乎水平，在15 a滑動(dòng)尺度上，河南省年均溫變化于1997年、1998年變?yōu)樨?fù)值，出現(xiàn)一個(gè)變化速率低谷期(圖2c).

4 結(jié)論

本文重建了1870年以來(lái)河南省年平均氣溫變化序列，并分析了其變化特征，主要結(jié)論如下： (1) 過(guò)去147 a河南省氣候經(jīng)歷了四個(gè)階段：1870-1906年與1950-1993年為相對(duì)寒冷時(shí)段，兩時(shí)段氣溫較1870-2016年均值分別低0.44 ℃和0.28 ℃；1907-1949年與1994-2016年則相對(duì)較暖，兩時(shí)段氣溫較多年平均值分別高0.38 ℃和0.54 ℃.(2) 30 a尺度上，最快升溫和降溫速率分別出現(xiàn)在1900-1929年與1928-1957年，其變暖速率分別為0.046±0.018 ℃/a和-0.043±0.024 ℃/a；50 a尺度上，最快50 a增暖速率出現(xiàn)在1883-1932年，平均變暖速率為0.031±0.008 ℃/a；而最快降溫速率出現(xiàn)在1923-1972年，線性變化速率為-0.026±0.010 ℃/a.(3) 1870-2016年河南省年平均氣溫的變化周期以為2～4 a和64 a為主.前者變化可能受海氣相互作用(如ENSO事件)及平流層準(zhǔn)2 a震蕩(QBO)驅(qū)動(dòng)，后者可能受太平洋年代際震蕩(PDO)的影響.

與以往研究相比，本文研究時(shí)間尺度較長(zhǎng)，研究區(qū)域典型，并給出了重建序列的置信區(qū)間.研究發(fā)現(xiàn),雖然20世紀(jì)后期河南氣候急劇升高，但1870年以來(lái)最快增溫速率出現(xiàn)在第一個(gè)寒冷時(shí)段向第一個(gè)溫暖時(shí)段的轉(zhuǎn)換時(shí)期，20世紀(jì)后期的增暖速率并未超過(guò)以前水平.需要說(shuō)明的是，論文僅分析了1870年以來(lái)河南省的溫度變化特征，有關(guān)河南省氣候變化對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響以及人類對(duì)氣候變化的響應(yīng)等方面未有涉及，有待于進(jìn)一步研究.