京津冀地區(qū)1957-2017年氣溫變化時空格局

者 萌,張雪芹,沈鵬珂,侯文娟

(1.天津師范大學 教育學部,天津 300387;2.中國科學院 地理科學與資源研究所 陸地表層格局與模擬重點實驗室,北京 100101;3.北京大學 城市與環(huán)境學院 地表過程分析與模擬教育部重點實驗室,北京 100871)

全球氣候系統(tǒng)正在經歷著以變暖為主要特征的顯著變化。據(jù)IPCC第五次報告[1]，1951—2012年，全球平均地表溫度以0.12oC/10 a的速率升高。全球氣溫持續(xù)攀升，過去5 a成為有記錄以來的最熱時段[2]，且未來4 a或將異常溫暖[3]。中國升溫率高于全球平均水平，變化特征具有明顯的區(qū)域差異[4]。氣溫為最基本的氣候要素，其變化影響著區(qū)域生態(tài)環(huán)境和社會經濟系統(tǒng)的諸多領域[5-6]，準確掌握其變化規(guī)律是應對氣候變化行動的基礎和前提[4]，也是構建環(huán)境友好型社會的保障。隨著京津冀一體化協(xié)同發(fā)展這一國家重大戰(zhàn)略的不斷深入，以及雄安新區(qū)的設立與規(guī)劃發(fā)展，氣候變暖及其生態(tài)環(huán)境響應給該區(qū)可持續(xù)發(fā)展帶來的掣肘和挑戰(zhàn)日漸顯現(xiàn)[7]。京津冀地區(qū)霧霾嚴重程度達全國之最[8-9]，水資源脆弱性遠高于全國平均水平[10]。如何從這些生態(tài)困境中突圍，建設天藍地綠水凈的“美麗中國”，離不開對氣溫這一關鍵要素的深入探析。近年來，關于京津冀地區(qū)的氣候變化研究充分證實了本區(qū)氣溫升高、降水量減少，導致干旱問題突出的事實[11-12]。這些研究多直接利用氣象臺站觀測資料分析區(qū)域氣象要素變化特征，然而本區(qū)涵蓋高原、山地及平原等多種地貌類型，亟需更為準確的空間尺度數(shù)據(jù)分析和最新氣象資料補充。此外，研究者集中關注本區(qū)平均氣溫，但最低和最高氣溫的變化對陸地生態(tài)環(huán)境有著更為重要的作用[13]。因此，本文基于京津冀地區(qū)及周邊52個氣象臺站近61 a平均氣溫、最低氣溫及最高氣溫數(shù)據(jù)進行空間插值，提取插值結果的面平均值。在此基礎上，采用線性回歸、累積距平、Mann-Kendall檢驗、滑動T檢驗、Morlet小波及R/S方法，系統(tǒng)分析京津冀地區(qū)氣溫的變化趨勢、突變性、周期性、空間格局及趨勢持續(xù)性，以期深化對本區(qū)氣溫變化的科學認識，為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展和“美麗中國”建設中的各項決策和計劃提供氣候背景和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)(113°04′—119°53′E，36°01′—42°37′N)位于我國華北平原北端，地貌單元自西北向東南依次為壩上高原、燕山—太行山區(qū)、河北平原，地勢呈半環(huán)狀逐級下降(圖1)。屬于溫帶大陸性季風氣候，夏季高溫多雨、冬季寒冷干燥。本區(qū)包含北京、天津兩個直轄市及河北省11個地級市，面積約21.8萬km2，為我國三大城市群之一，在經濟發(fā)展中的地位舉足輕重[14]。本區(qū)主要自然植被為落葉闊葉林、灌木及草本植被，主要糧食作物為小麥和玉米，經濟作物包括棉花、果林及油料作物等[15]。

圖1 京津冀地區(qū)地形及氣象臺站分布

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

本文基礎數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)提供的《中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集》，該套資料經過嚴格的完整性、要素一致性和極值等檢驗，質量良好。選取1957—2017年京津冀地區(qū)及周邊省份資料較完整的52個氣象臺站(圖1)氣溫觀測數(shù)據(jù)，應用ANUSPLIN[16]模型進行空間插值，獲得分辨率為0.05°×0.05°的空間氣溫數(shù)據(jù)。以插值空間范圍內觀測時長相對較短或缺測較多的14個氣象臺站作為驗證臺站，計算得到平均氣溫、最低氣溫及最高氣溫實測值與插值模擬結果的線性回歸決定系數(shù)分別為0.999，0.998及0.999，說明ANUSPLIN方法在本區(qū)氣溫數(shù)據(jù)的空間插值應用效果良好。利用ArcGIS 10.2空間分析功能，以京津冀區(qū)域范圍掩膜提取氣溫空間插值結果，獲得本區(qū)1957—2017年逐月和四季(春季3—5月、夏季6—8月、秋季9—11月、冬季12月—翌年2月)氣溫的空間分布，以面平均值表征區(qū)域氣溫情況，分析結果更為準確。

1.3 分析方法

本文選取ANUSPLIN模型進行京津冀地區(qū)氣溫數(shù)據(jù)的空間插值。該模型是基于薄盤平滑樣條函數(shù)插值理論，利用FORTRAN語言開發(fā)的空間異相關曲面擬合模型。其插值過程允許引入多元協(xié)變量，能充分考慮高程、坡度等因子對氣候要素的影響，兼顧插值曲面的平滑度和精確度[17]，已被廣泛應用于氣象數(shù)據(jù)的插值分析中。

利用線性回歸法描述京津冀地區(qū)氣溫的變化趨勢。該方法所得趨勢系數(shù)和變化速率分別表示其變化趨勢的性質和幅度，原理見文獻[18]。利用ArcGIS 10.2軟件，結合ANUSPLIN插值，對柵格點氣溫進行線性回歸分析，獲得區(qū)域氣溫變化的空間格局。

綜合Mann-Kendall(M-K)檢驗[19]、滑動T檢驗[19]及累積距平法[18]，分析本區(qū)氣溫突變。M-K檢驗為非參數(shù)突變檢驗法，可明確序列的突變開始時間和區(qū)域?；瑒覶檢驗通過考察兩個子序列均值是否超過顯著性水平來判斷突變，為避免子序列長度單一造成突變點失真，本文選取5，10，15共3個子序列長度。累積距平曲線可顯示序列長期顯著趨勢、持續(xù)性變化及突變發(fā)生時間。

采用Morlet小波分析本區(qū)氣溫變化的周期規(guī)律。Morlet小波在時域、頻域上具局部辨識力，反映尺度變化過程中波動能量的分布。利用小波方差圖可提取多結構時間尺度的主要振蕩周期及其強弱程度，詳見文獻[18]。

基于R/S(重標極差)計算的Hurst指數(shù)(H)判斷本區(qū)氣溫變化趨勢的持續(xù)性。給定時間序列ξ(1)，ξ(2)，…。對于任意整數(shù)T≥1，定義以下序列[20]：

均值序列：

(1)

累計離差：

(2)

極差：

(3)

標準差：

(4)

定義R/S=R(T)/S(T)，若R/S∝TH，則說明該時間序列存在Hurst現(xiàn)象。H值能定量描述時間序列信息的長期依賴性，揭示要素在時間序列上是否存在趨勢性成分。0.5

2 結果與分析

2.1 氣溫變化趨勢

1957—2017年，京津冀地區(qū)多年平均氣溫、最低氣溫、最高氣溫分別為9.2，3.9，15.3 ℃，三者均呈顯著(p<0.01)升溫趨勢(圖2)。其中，平均氣溫升溫速率為0.34 ℃/10 a，明顯高于本區(qū)周邊的河南(0.19 ℃/10 a)[21]、遼寧(0.20 ℃/10 a)[22]、山東(0.20 ℃/10 a)[23]及山西(0.30 ℃/10 a)[24]，低于內蒙古中部地區(qū)(0.40 ℃/10 a)[25]。最低氣溫升溫率高達0.43 ℃/10 a，約為最高氣溫(0.26 ℃/10 a)的1.7倍，即夜間氣溫較白天氣溫升高幅度更大，導致氣溫日較差減小。平均氣溫和最低氣溫的變化規(guī)律大致相似，分別以1957—1993，1957—1988年為偏冷階段，期間氣溫多為負距平，累積距平呈下降趨勢，谷值出現(xiàn)在1957年，分別為7.4，1.9 ℃；偏暖階段分別為1994—2017年，1989—2017年，期間氣溫多為正距平，累積距平呈上升趨勢，并于1998年達到峰值，分別為10.6，5.7 ℃，該年份同樣是遼寧[22]、山西[24]及內蒙古[25]等周邊省份有觀測記錄以來最暖的一年。最高氣溫年際波動相對較強，距平值及累積距平曲線斜率正負更替頻繁，1992年為其偏冷、偏暖階段的轉折年，谷值(13.6 ℃)和峰值(16.8 ℃)則分別出現(xiàn)在1969年、2017年。京津冀地區(qū)于20世紀90年代大幅升溫，平均氣溫、最低氣溫及最高氣溫相比80年代分別升高約0.8，1.0及0.6 ℃(表1)，符合IPCC報告[1]指出的全球變暖幅度自20世紀90年代以來明顯加大。

圖2 1957-2017年京津冀地區(qū)氣溫序列變化、線性趨勢及累積距平

四季氣溫與全年氣溫變化趨勢相同，且均以最低氣溫升高最為明顯。其中，冬季最低氣溫、平均氣溫分別以高達0.58，0.44 ℃/10 a的速度顯著(p<0.01)上升，春季升溫速率次之，夏季升溫最緩；最高氣溫升溫率自高至低依次為春季>冬季>夏季>秋季。從年代際尺度來看，夏、秋、冬季大幅增溫發(fā)生在20世紀90年代(表1)，春季大幅增溫則發(fā)生在21世紀初。2011年以來，冬季氣溫相比上一年代平均值有明顯降低，最冷與最暖季氣溫差異縮小的趨勢有所緩和，這可能與我國“氣代煤”、“電代煤”及“風電供暖”等冬季清潔取暖工程的持續(xù)推動有一定關系[9]。

表1 1957-2017年京津冀地區(qū)氣溫年代際平均值

2.2 氣溫突變檢驗

累積距平曲線顯示近61 a京津冀地區(qū)氣溫呈先降后升的“V”字型趨勢，年最低氣溫以1988年為轉折點最先轉暖(圖2B)，年平均氣溫及最高氣溫的轉暖則發(fā)生在1993年(圖2A，C)。根據(jù)M-K檢驗，京津冀地區(qū)年平均氣溫、最高氣溫的正序列UF曲線與反序列UB曲線分別在1990年、1994年相交于0.05顯著性水平范圍內(圖3A，C)，為可能突變點；最低氣溫UF，UB曲線在1989年出現(xiàn)交點(圖3B)，但其位于信度線之外，需進一步檢驗其是否為突變年份。選取5，10，15 a滑動步長進行滑動T檢驗(圖4)，結果表明全年最低氣溫最早(1970s中期)發(fā)生轉暖突變，且突變次數(shù)最多；平均氣溫和最高氣溫突變分別開始于1980s初和1980s末。此外，由M-K檢驗及累積距平檢測到的突變年份，均通過了滑動T檢驗0.01顯著性水平。

圖3 1957-2017年京津冀地區(qū)氣溫M-K統(tǒng)計曲線

圖4 1957-2017年京津冀地區(qū)氣溫滑動T統(tǒng)計量曲線

綜合M-K檢驗、累積距平及滑動T檢驗結果，規(guī)定每一氣候階段時間不少于5 a，并選擇時段內的最強突變年。梁瓏騰等[26]研究表明，我國北方最低氣溫、平均氣溫、最高氣溫突變依次變晚，這在京津冀地區(qū)的氣溫突變中有很好的體現(xiàn)。1957年以來，京津冀地區(qū)年平均最低氣溫于1975年前后發(fā)生首次突變，突變后多年平均最低氣溫升高0.5 ℃。1989年、1997年，最低氣溫和平均氣溫均出現(xiàn)突變，突變后多年平均值均提升0.7 ℃。最高氣溫于1994年發(fā)生突變，隨后其多年平均值升高1.0 ℃。四季氣溫突變按發(fā)生先后順序，分別為冬、秋、春及夏季，同樣均以最低氣溫突變發(fā)生最早、次數(shù)最多，突變后升溫幅度最大(表2)。除秋季最高氣溫在1987年轉暖突變后，于2009年發(fā)生轉冷突變外，其他季節(jié)氣溫突變前后均呈上升趨勢。

表2 京津冀地區(qū)四季氣溫突變結果

2.3 氣溫周期分析

近61 a來，京津冀地區(qū)氣溫的相位變化周期具有多尺度、多層次的結構特征。其年際尺度周期不具全時域性：3類氣溫均存在6 a左右的振蕩周期，但該周期僅在20世紀70年代至20世紀初較明顯(圖5)；平均氣溫和最高氣溫還存在8 a左右的振蕩周期，該周期逐漸轉向高頻(14 a)。氣溫變化的年代際尺度周期冷暖交替較清晰：平均氣溫和最低氣溫均以20 a為第一主周期，該周期在小波方差圖中峰值最明顯，在小波等值線圖中振蕩較強烈，并具全時域性，氣溫在該尺度上經歷了近5組的“負—正”相位(對應“冷—暖”)交替變化；第二、三主周期均分別為14，28 a。最高氣溫以28 a為第一主周期，經歷了近4組“冷—暖”交替變化；第二主周期為14 a。14 a周期均由8 a左右周期轉變形成，振蕩強度逐漸增加。四季氣溫的顯著相位變化均為年代際尺度，3類氣溫振蕩周期較一致，春、夏、秋、冬季分別以27，26，14，21 a為第一主周期(圖略)。

圖5 1957-2017年京津冀地區(qū)氣溫小波實部等值線和小波方差

本區(qū)氣溫的小波等值線均未閉合，在年代際、年際尺度上分別處于負、正相位，可推測本區(qū)未來較長時間仍將處于偏暖期，而近兩年則處于偏暖期的相對較冷階段。本區(qū)氣溫在28 a周期上振蕩強烈、清晰，但本研究時長為61 a，因而該尺度周期有待于更長時間序列的進一步證實。

2.4 氣溫時空變化空間格局

京津冀地區(qū)近61 a平均氣溫、最低氣溫和最高氣溫的空間分布均呈現(xiàn)自東南向西北逐漸降低的趨勢(圖6A—C)，且內陸地區(qū)氣溫高于沿海，平原地區(qū)氣溫高于山區(qū)、丘陵。3類氣溫的最高值均出現(xiàn)在河北省南端的太行山中段東麓，最低值出現(xiàn)在冀北高原區(qū)的圍場和張北地區(qū)。最高氣溫極值相差最大(18.5 ℃)、平均氣溫次之(17.1 ℃)、最低氣溫最小(16.2 ℃)。京津冀地區(qū)13市中，衡水氣溫最高、其次為邯鄲，張家口氣溫最低、其次為承德(表3)。四季氣溫空間分布格局與全年相似(圖略)，并同樣以最高氣溫的空間極值相差最大(春季21.5℃、夏季20.7℃、秋季20.4℃、冬季19.3℃)。

1957—2017年，京津冀地區(qū)3類氣溫均呈上升趨勢(圖6D—F)，升溫速率呈現(xiàn)隨海拔升高而增加的特點。同時，在海拔較低，人口、工業(yè)相對集聚的北京、天津及唐山等地區(qū)升溫較快，出現(xiàn)城市熱島“升溫加速帶”，最終形成升溫率東、西高，南、北低的空間格局。本區(qū)全年最低氣溫升溫率普遍較高，57.8%的區(qū)域全年最低氣溫升溫率超過0.4 ℃/10 a；平均氣溫次之，73.4%的區(qū)域升溫率集中在0.20～0.40 ℃/10 a。最低氣溫及平均氣溫升溫率在區(qū)域中西部的太行山北段最高，在東北部植被覆蓋度較高的燕山丘陵區(qū)最低。最高氣溫升溫率普遍相對較低，本區(qū)中心及南部山前平原區(qū)約67.6%的區(qū)域升溫率低于0.3 ℃/10 a，這部分氣溫變化多不顯著。行政區(qū)劃上，張家口平均氣溫、最高氣溫，以及石家莊最低氣溫升溫率居13市之首；衡水平均氣溫、承德及邢臺最低氣溫上升最為緩慢(表3)。四季氣溫變化率空間分布規(guī)律與全年較一致(圖略)，冬季平均氣溫、最低氣溫升溫率普遍較高，分別約51.0%，97.5%的區(qū)域升溫率高于0.50 ℃/10 a；最高氣溫則在春季升溫率相對較高，51.9%的區(qū)域升溫率處于0.3～0.5 ℃/10 a。

表3 1957-2017年京津冀地區(qū)13市多年平均氣溫及其變化速率

圖6 1957-2017年京津冀地區(qū)氣溫多年變化空間分布格局

2.5 氣溫變化持續(xù)性

京津冀地區(qū)全年及四季的平均氣溫、最低氣溫及最高氣溫均呈現(xiàn)出明顯的Hurst現(xiàn)象，說明本區(qū)氣溫變化含有較強的趨勢性成分，其時間序列具有長程相關性。3類氣溫H值均>0.5(表4)，其未來變化趨勢將與過去變化一致，即持續(xù)升溫。其中，全年及四季最低氣溫的H值最高、均>0.9，平均氣溫次之，最高氣溫最低，未來升溫趨勢的持續(xù)性強度依次為最低氣溫>平均氣溫>最高氣溫。四季當中，冬季3類氣溫H值最高，該季節(jié)氣溫持續(xù)顯著上升的可能性將高于其他季節(jié)?？梢?，低氣溫的升高仍是未來京津冀地區(qū)氣候變暖的最主要力量。

表4 京津冀地區(qū)氣溫Hurst指數(shù)

3 結論與討論

近61 a來，京津冀地區(qū)對全球變暖的響應敏感，氣溫呈顯著上升趨勢，且低氣溫的升溫貢獻最為突出。年最低氣溫、平均氣溫及最高氣溫先后于1975年、1989年、1994年發(fā)生首次轉暖突變，四季中冬季氣溫突變最早、夏季最晚。氣溫變化具有明顯的年代際尺度周期，年際尺度的振蕩周期不具全時域性。氣溫空間分布自東南向西北逐漸降低，且內陸高于沿海，平原高于山區(qū)、丘陵。各地氣溫多呈上升趨勢，升溫速率東、西高，南、北低。行政區(qū)劃上，衡水氣溫最高、平均氣溫上升最緩，張家口氣溫最低、平均氣溫升溫最快。氣溫變化呈現(xiàn)明顯的Hurst現(xiàn)象，未來本區(qū)將持續(xù)升溫，且最低氣溫和冬季氣溫的升溫持續(xù)性最強。

《Nature》刊文[27]指出，全球氣候將在未來20 a中加速升溫，京津冀地區(qū)氣溫Hurst指示了氣候變暖的強持續(xù)性。在此背景下，準確掌握氣溫變化規(guī)律，是當前霧霾綜合治理、水土污染防治等各項生態(tài)環(huán)境保護決策制定和落實的關鍵,助推山清水秀、環(huán)境優(yōu)美的“美麗中國”建設。京津冀地區(qū)為我國重要的政治、經濟、文化中心，同時作為我國城市化水平最高的地區(qū)之一，其熱島效應顯著，進而加劇了地區(qū)空氣污染，亟待深入探討本區(qū)城市熱島效應。氣候變化是氣候系統(tǒng)內部變率，以及溫室氣體、土地利用變化(含城市化)等外強迫共同作用的結果[28]，如何定量描述各要素對京津冀地區(qū)氣溫變化的貢獻，并在此基礎上進行準確的氣候預測，將是本區(qū)氣候研究的重點。此外，未來工作還將系統(tǒng)分析京津冀地區(qū)降水、濕度及風速等氣候指標，并運用風寒指數(shù)、溫濕指數(shù)、著衣指數(shù)等指數(shù)研究本區(qū)氣候舒適度，助力2022年北京冬奧會。