1960-2013年黃土高原地區(qū)氣溫變化對(duì)Hiatus現(xiàn)象的響應(yīng)

張耀宗, 張 勃, 劉艷艷, 張多勇

(1.隴東學(xué)院 歷史與地理學(xué)院, 甘肅 慶陽 745000; 2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730070; 3.慶陽市荒漠化防治中心, 甘肅 慶陽 745000)

以全球變暖為主的氣候變化已經(jīng)引起了全球各界廣泛的關(guān)注，IPCC第五次評(píng)估指出近百年來氣溫明顯升高[1]，中國第3次氣候變化評(píng)估報(bào)告也表明近百年(1909—2011年)中國陸地區(qū)域平均增溫0.9～1.5℃；近五六十年，平均氣溫上升速率為0.21～0.25℃/10 a，增幅高于全球平均水平[2]，且近年來中國高溫?zé)崂祟l發(fā)，帶來巨大的供電和供水壓力，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和人體健康造成了嚴(yán)重影響[3-4]。然而在全球變暖被廣泛關(guān)注和認(rèn)可的同時(shí)，也存在質(zhì)疑聲音，特別是全球平均表面溫度上升趨勢自1998年以來顯示出停滯狀態(tài)，即變暖趨緩(hiatus)現(xiàn)象，引起了國際社會(huì)的廣泛討論[5-6]。Knight等[7]指出1979—1998年期間，地球地表溫度增溫速率在1999年之后10 年間明顯偏低，即全球變暖趨緩(停滯)現(xiàn)象，Easterling等[8]認(rèn)為1998—2008年全球升溫出現(xiàn)了停滯，并把這一現(xiàn)象稱為Hiatus，之后很多國外學(xué)者對(duì)這一問題進(jìn)行了討論和驗(yàn)證[9-10]，Meehl[11]，Ridley[12],Risbey[13]等對(duì)Hiatus現(xiàn)象的機(jī)制從外強(qiáng)迫和自然變率兩方面進(jìn)行了解釋，關(guān)于這一現(xiàn)象目前還存在很多爭議[14-15]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告中指出，1998—2012年間全球平均地表溫度的上升趨勢為0.05℃/10 a(-0.05±0.15)，只是1951—2012年[上升趨勢為0.12℃/10 a(0.08±0.14)]的1/3～1/2，這種變緩的趨勢不僅表現(xiàn)在全球氣溫上，在全球海面溫度、海平面高度和蒸發(fā)等變量也有同樣的表現(xiàn)，由此可見Hiatus是氣候變化的一個(gè)重要特征[16]。國內(nèi)學(xué)者王紹武等[17-19]對(duì)全球變暖“停滯”現(xiàn)象進(jìn)行了多次的追蹤報(bào)道與科學(xué)解讀。蘇京志[5]、陳幸榮[16]、宋斌[20]等對(duì)Hiatus現(xiàn)象及其機(jī)制的研究進(jìn)展進(jìn)行了分析。林霄沛等[21]對(duì)國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目全球變暖“停滯”現(xiàn)象辨識(shí)與機(jī)理研究做了介紹。Hiatus現(xiàn)象的研究是當(dāng)前氣候變化的一個(gè)研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)問題，對(duì)Hiatus研究有助于理解氣候變暖“停滯”帶來的區(qū)域性特征及氣候響應(yīng)，提高對(duì)經(jīng)濟(jì)生活相關(guān)的強(qiáng)降水、熱浪等極端氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)估能力。

黃土高原地區(qū)處于北半球干旱區(qū)與濕潤區(qū)的過渡帶，是氣候變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，氣溫變化會(huì)影響黃土高原地區(qū)干濕變化及熱量資源分布，進(jìn)而對(duì)植被及農(nóng)作物的生長產(chǎn)生作用，氣溫變化也會(huì)對(duì)其他氣候要素產(chǎn)生影響[22-24]。Hiatus概念提出是基于全球平均表面溫度，但不同區(qū)域的溫度變化趨勢并不一致[21]，黃土高原地區(qū)處在北半球中緯度氣候變化敏感區(qū)，其對(duì)全球氣溫變化的Hiatus現(xiàn)象是如何響應(yīng)的？黃土高原地區(qū)氣溫變化是否存在停滯或者減緩現(xiàn)象也能反映出Hiatus現(xiàn)象的區(qū)域響應(yīng)過程，本文利用黃土高原地區(qū)114個(gè)氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)均一化檢驗(yàn)后，研究黃土地區(qū)及不同分區(qū)平均氣溫、平均最高、最低氣溫對(duì)Hiatus現(xiàn)象的響應(yīng)過程。

1 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來源

1.1 研究區(qū)概況

本文研究的黃土高原地區(qū)為中國科學(xué)院黃土高原綜合科學(xué)考察隊(duì)(1991年)確定的范圍，其邊界范圍北抵陰山，南達(dá)秦嶺，東到太行山，西止青海日月山(圖1)，位于北緯32°—41°，東經(jīng)107°—114°，面積6.4×105km2。按照黃土高原地區(qū)的地貌特征和自然地理特征將黃土高原地區(qū)分為6個(gè)子區(qū)域[25]，分別是：隴中黃土高原(Ⅰ)、隴東黃土高原(Ⅱ)、關(guān)中平原(Ⅲ)、山西黃土高原(Ⅳ)、河套地區(qū)(Ⅴ)、鄂爾多斯高原(Ⅵ)。

圖1 研究區(qū)概況

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

利用黃土高原地區(qū)114個(gè)氣象站點(diǎn)月平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算分析黃土高原地區(qū)氣溫變化趨勢，數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，為保證序列趨勢的一致性，時(shí)間序列連續(xù)小于45 a的站點(diǎn)被剔除，通過元數(shù)據(jù)分析，上述資料已經(jīng)經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，使用Wang等[26-27]的PMF與PMFT方法在Rhtest軟件的支持下，完成對(duì)數(shù)據(jù)的均一化檢驗(yàn)和訂正，本研究中氣候基準(zhǔn)期為1961—1990年,3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月秋季、12月—次年2月為冬季。Ⅰ區(qū)(30個(gè)站點(diǎn))、Ⅱ區(qū)(23個(gè)站點(diǎn))、Ⅲ區(qū)(17個(gè)站點(diǎn))、Ⅳ區(qū)(22個(gè)站點(diǎn))、Ⅴ區(qū)(12個(gè)站點(diǎn))、Ⅵ區(qū)(3個(gè)站點(diǎn))以及周邊氣象站點(diǎn)7個(gè)。根據(jù)文獻(xiàn)研究結(jié)果[1-2,8]，本文中的Hiatus時(shí)間段為1998—2013年。

2 研究方法

本文采用線性趨勢法計(jì)算黃土高原地區(qū)氣溫的線性變化趨勢，同時(shí)使用Mann-Kendall趨勢法對(duì)氣溫變化趨勢進(jìn)行檢驗(yàn)。線性趨勢法的優(yōu)點(diǎn)在于方法簡單、物理意義清晰，并可以定量估計(jì)出趨勢大小，通過相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)了其顯著程度，Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)(M-K)是世界氣象組織WMO推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢分析的方法，是檢驗(yàn)時(shí)間序列單調(diào)趨勢的有效工具[28-30]，這兩種方法在氣溫變化的研究中已經(jīng)廣泛使用[31-33]，具體算法參照文獻(xiàn)[28—29]，具體算法省略。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫年際變化趨勢

研究顯示近54 a黃土高原地區(qū)平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫率為0.27℃/10 a，達(dá)到了0.01的置信度水平，高于中國近60年的升溫速率0.21～0.25℃/10 a[2]。圖2為黃土高原地區(qū)平均氣溫M-K趨勢檢驗(yàn)空間分布圖，由圖2可知，空間上98%的站點(diǎn)氣溫呈上升趨勢，由東南向西北的升溫率呈增加趨勢，96%的站點(diǎn)通過了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)，其結(jié)果和線性趨勢結(jié)果基本一致；最低氣溫、最高氣溫升溫率分別為0.35，0.297℃/10 a，達(dá)到了0.01的置信度水平；平均最低氣溫的升溫率大于平均氣溫的升溫率，也大于平均最高氣溫的升溫率，董丹宏等[34]指出1963—2012年中國平均最低氣溫的升溫率大于最高氣溫，本文結(jié)果與其一致，平均氣溫與平均最低氣溫在Ⅵ和Ⅴ區(qū)升溫最為顯著；平均最高氣溫所有站點(diǎn)呈升溫趨勢，其中94%的站點(diǎn)通過了0.05的顯著性水平，由東南向西北升溫率呈增加趨勢，其中Ⅰ和Ⅴ區(qū)升溫趨勢最為顯著。

3.2 氣溫季節(jié)變化趨勢

近54 a黃土高原地區(qū)四季平均氣溫均呈顯著上升趨勢(圖3)。春、夏、秋、冬4季的升溫率分別為0.3，0.15，0.25，0.41℃/10 a，升溫率冬>春>秋>夏，冬季升溫最顯著，這和Wang等[23]的結(jié)果較為一致?？臻g上，春季氣溫97%的站點(diǎn)、夏季氣溫71%的站點(diǎn)、秋季96.5%、冬季98%的站點(diǎn)呈增加趨勢，除夏季外其他各季節(jié)在空間上變化較為一致，夏季相對(duì)于其他季節(jié)升溫率不明顯，Ⅲ和Ⅳ區(qū)夏季部分站點(diǎn)表現(xiàn)為降溫趨勢；平均最低氣溫四季的升溫率分別為0.32，0.32，0.26，0.54℃/10 a，春、夏、秋、冬四季的升溫率：冬>春>夏>秋；最高氣溫四季的升溫率分別為0.34，0.19，0.39，0.37℃/10 a，四季的升溫率：秋>冬>春>夏。

圖2 1960-2013年黃土高原地區(qū)平均氣溫變化空間分布

3.3 氣溫年代際變化特征

平均氣溫、平均最低氣溫、最高氣溫距平在1960s為負(fù)距平，從1970s開始?xì)鉁鼐嗥介_始大于0℃，之后氣溫距平值不斷增大，1990s氣溫距平值大于0.5℃，2000s氣溫距平顯著增加，且大于1℃(表1)。20世紀(jì)有兩個(gè)高溫時(shí)期，20—40年代，70—90年代，80年代中期以來全國增溫明顯，尤其是東北、華北西北地區(qū)，由年代際變化分析可知，黃土高原地區(qū)氣溫從1990s開始顯著增加和全國氣溫變化存在一致性[35]。各分區(qū)氣溫距值基本和黃土高原地區(qū)變化一致，但存在區(qū)域差異，1960s在Ⅲ區(qū)平均氣溫、平均最高氣溫為正距平，距平值為0.01℃，其他各區(qū)域均為負(fù)距平；1970s在Ⅴ區(qū)平均氣溫、Ⅰ區(qū)平均最低氣溫、Ⅵ區(qū)平均最高氣溫為負(fù)距平，其他區(qū)域?yàn)檎嗥剑?980s在Ⅲ區(qū)平均氣溫、Ⅳ區(qū)平均最低氣溫、Ⅱ與Ⅲ區(qū)平均最高氣溫為負(fù)距平，其他均為正距平；1990s各區(qū)氣溫距平均為正值；2000s除Ⅳ與Ⅲ區(qū)平均氣溫距平小于1℃之外，其他各區(qū)距平均大于1℃，2000s平均最低氣溫、最高氣溫距平均大于1℃，Ⅵ與Ⅴ區(qū)平均氣溫距平值最大。從20世紀(jì)60年代以來氣溫距平值呈增大趨勢，特別是1990s各區(qū)距平值均大于0℃，2000s氣溫距平值幾乎全部超過1℃。Ⅲ區(qū)在1960s升溫較早，而在2000s升溫幅度低，可能Ⅲ區(qū)對(duì)氣候變化響應(yīng)更敏感。

圖3 1960-2013年黃土高原地區(qū)四季平均氣溫變化序列

表1 黃土高原地區(qū)平均氣溫年代際距平值 ℃

由表2可知，從1961—1990年開始升溫率呈增加趨勢，1961—1990年中只有Ⅵ區(qū)升溫率達(dá)到了0.05的顯著性水平；1971—2000年升溫率高于1961—1990年；3個(gè)年代際中1981—2010年升溫率最高，且均達(dá)到了0.01的顯著性水平。與全國同期氣溫變化比較，1981—2010年黃土高原地區(qū)升溫率與高于全國其他區(qū)域，升溫明顯[36]，1971—2000年黃土高原地區(qū)升溫率低于中國東北、華北北部，高于全國其他地區(qū)；黃土高原地區(qū)氣溫升溫率在1961—1990年高于中國黃淮、華南地區(qū)，小于全國其他區(qū)域。

表2 黃土高原地區(qū)平均氣溫30年代際距平值 ℃

注：*表示p<0.05,**表示p<0.01，下表同。

3.4 黃土高原氣溫變化對(duì)Hiatus現(xiàn)象的響應(yīng)

黃土高原地區(qū)氣溫變化對(duì)Hiatus現(xiàn)象響應(yīng)明顯。近54 a黃土高原地區(qū)氣溫呈顯著上升趨勢，均通過了顯著性檢驗(yàn)；1960—1997年黃土高原地區(qū)及其分區(qū)氣溫為上升趨勢，黃土高原地區(qū)及Ⅴ區(qū)未通過顯著性檢驗(yàn)，除Ⅲ區(qū)之外，1960—1997年的升溫率均低于1960—2013年的升溫率。Hiatus期間(1998—2013年)黃土高原地區(qū)氣溫變化的氣候傾向率為-0.33℃/10 a，氣溫變化出現(xiàn)停滯現(xiàn)象，氣溫升溫開始出現(xiàn)減緩趨勢，中國及中國的東部季風(fēng)區(qū)、西北干旱區(qū)也出現(xiàn)升溫減緩的趨勢[37-38]。黃土高原地區(qū)各區(qū)域中除隴中黃土高原以0.02℃/10 a的速率微弱升溫外，其他各區(qū)均表現(xiàn)為降溫趨勢，其中Ⅳ和Ⅱ區(qū)降溫趨勢最為明顯，通過分析(圖4)，平均最低氣溫、平均最高氣溫也對(duì)Hiatus現(xiàn)象的響應(yīng)明顯，Hiatus期間氣候傾向率分別為-0.16，-0.5℃/10 a，平均最高氣溫減緩趨勢大于平均氣溫和平均最低氣溫。

圖4 黃土高原地區(qū)不同時(shí)期氣溫變化趨勢

Hiatus現(xiàn)象在季節(jié)上存在差異。1960—1997年春季各分區(qū)均表現(xiàn)為增溫趨勢，黃土高原地區(qū)增溫率0.07℃/10 a，幅度較低，Hiatus期間春季全區(qū)及Ⅳ，Ⅱ，Ⅲ區(qū)為降溫趨勢，Ⅰ，Ⅴ，Ⅵ區(qū)為增溫趨勢；1960—1997年夏季氣溫以-0.09℃/10 a的速率降低，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ區(qū)為降溫趨勢，其他各區(qū)為微弱升溫趨勢，Hiatus期間除Ⅱ區(qū)外其他區(qū)域表現(xiàn)升溫趨勢；秋季1960—1997年全區(qū)均表現(xiàn)為升溫趨勢，Hiatus期間在Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ區(qū)為降溫趨勢；1960—1997年冬季全區(qū)及分區(qū)域的升溫速率高于1960—2013年，Hiatus期間全區(qū)出現(xiàn)顯著降溫趨勢，氣候傾向率-0.88℃/10 a，降溫幅度大于同期其他季節(jié)。

分析可知，在Hiatus期間夏季氣溫呈升高趨勢，線性升溫率0.11℃/10 a，未達(dá)到顯著性水平，春、秋、冬呈降溫趨勢，其中冬季降溫最顯著，升溫的停滯是主要是由于冬季氣溫顯著降低引起，這和1998年來全球和中國冬季氣溫下降顯著、夏季上升顯著的趨勢是一致的[9,39]。

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本文使用黃土高原地區(qū)114個(gè)氣象站點(diǎn)的數(shù)據(jù)分析了黃土高原地區(qū)在Hiatus(1998—2013年)期間氣溫變化，研究顯示1998年以來黃土高原地區(qū)氣溫也出現(xiàn)了減緩趨勢，是對(duì)全球升溫“停滯”(Hiatus)現(xiàn)象和中國近15 a來氣溫也出現(xiàn)的放緩趨勢很好的響應(yīng)[2,19,21]，1998年以來黃土高原地區(qū)氣溫變化呈降低趨勢，主要是冬季氣溫顯著降低引起的，但夏季氣溫由降溫趨勢變?yōu)樯郎刳厔?，這和Kosaka等[9]指出1998年來全球冬季氣溫下降顯著、夏季上升顯著的趨勢是一致的，Zhang等[39]研究指出中國在Hiatus(1998—2013年)期間，冬季最高氣溫呈顯著下降趨勢，夏季呈增加趨勢，本文結(jié)論和其結(jié)果較為一致，Hiatus(1998—2013年)期間夏季氣溫升高是否和此間夏季高溫、熱浪天氣頻發(fā)有關(guān)，今后需要深入研究。

盡管黃土高原地區(qū)Hiatus期間(1998—2013年)也出現(xiàn)減緩趨勢但1990s，2000s兩個(gè)年代的氣溫距平值處在近54 a的高值期，因此黃土高原地區(qū)Hiatus期間氣溫變化應(yīng)該是高位走低(高溫震蕩)現(xiàn)象[40-42]，近54 a氣溫呈明顯的增溫趨勢，整體升溫趨勢沒有發(fā)生變化，因此Hiatus現(xiàn)象并不是升溫停滯，而是在此期間氣溫變化有所減緩，中國氣候公報(bào)2014年、2015年、2016年報(bào)告顯示近幾年氣溫持續(xù)升高，均超過1961年以來的歷史記錄，Hiatus現(xiàn)象可能是氣溫變化的一個(gè)短暫的波動(dòng)[5,43]，黃土高原地區(qū)1998—2013年出現(xiàn)氣溫減緩的趨勢是對(duì)全球氣溫變化Hiatus現(xiàn)象的一種響應(yīng)，一定程度上證實(shí)了Hiatus現(xiàn)象是存在的，本文初步確定了黃土高原地區(qū)也存在氣溫減緩的趨勢。目前關(guān)于全球氣候變暖“停滯”的主導(dǎo)因素及作用機(jī)制還不確定，主要的觀點(diǎn)是存在兩種主要的原因，第一是外部強(qiáng)迫因素，第二是氣候內(nèi)部因素影響，內(nèi)部變率的影響作用可能更大[44-45]。Hiatus期間(1998—2013年)黃土高原地區(qū)極端氣溫事件發(fā)生的頻率及其影響將是重要的研究方向[38]。

表3 黃土高原地區(qū)年際和季節(jié)不同時(shí)間段氣溫升溫率 ℃/10 a

4.2 結(jié) 論

(1) 1960—2013年黃土高原地區(qū)平均氣溫升溫顯著，線性升溫率0.27℃/10 a，增溫幅度高于全國同期水平，平均最低氣溫升溫率(0.35℃/10 a)>平均最高氣溫(0.297℃/10 a)>平均氣溫(0.27℃/10 a)，空間上平均氣溫、平均最高氣溫升溫率由東南向西北增加，最低氣溫升溫率空間一致性較好。

(2) 四季氣溫均呈顯著上升趨勢，春、夏、秋、冬升溫率分別為0.3，0.15，0.25，0.41℃/10 a，平均氣溫和最低氣溫冬季升溫最顯著、平均最高氣溫秋季升溫最顯著。從1960s開始逐年代氣溫距平呈增加趨勢，從1980s開始大于0.5℃，2000s平均氣溫距平大于1℃。隴東黃土高原1960s開始?xì)鉁鼐嗥酱笥?℃，2000s氣溫距平未超過1℃，可能受到升溫停滯的影響。

(3) 黃土高原地區(qū)平均氣溫在Hiatus期間(1998—2013年)出現(xiàn)降溫的趨勢，1998—2013年黃土高原地區(qū)氣溫變化傾向率為-0.33℃/10 a，降溫趨勢存在季節(jié)上和空間上的差異，1998—2013年氣溫降低是由于冬季顯著降溫引起的，夏季Hiatus期間呈增加趨勢，線性升溫率0.11℃/10 a，平均最低和平均最高氣溫在Hiatus期間也出現(xiàn)了升溫減緩趨勢，黃土高原地區(qū)對(duì)全球氣溫變化的Hiatus現(xiàn)象有很好的響應(yīng)。