淮河流域氣溫變化對Hiatus現象的時空響應分析

吳雨純 晁儲辰 李 娜 王思遠 王 覽 楊 穎 孫 朋

（宿州學院環(huán)境與測繪工程學院，安徽 宿州 234000）

0 引言

聯合國政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告認為，全球氣候變化已是不爭的事實，全球平均溫度在1880—2012年期間升高了約0.85℃（0.65℃—1.06℃）［1］。氣溫升高對社會經濟、農業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境以及人體健康造成了嚴重影響［2］。然而在全球變暖被廣泛關注和認可的同時，也存在質疑聲音，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）現象，引起了廣泛的討論［3-4］。

近年來，關于全球變暖停滯的現象被國內外諸多學者關注，并開展了大量相關性研究。Knight等［5］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）現象；England等［6］研究表明，過去的20年間太平洋信風加強使得次表層海洋熱吸收加強，從而大大增加了赤道東太平洋的冷異常；趙宗慈等［7］在探究圍繞全球變暖停滯的爭論時指出目前學者對于Hiatus現象是否存在主要持三種態(tài)度；梁瓏騰［8］等利用中國北方357個氣象站1951—2014年的季（月）平均最低氣溫，平均氣溫和平均最高氣溫數據，應用MK檢驗等方法，分析了中國北方地區(qū)三類氣溫季節(jié)突變與變暖停滯年份時空變異性；張旺雄等［9］以中國綠洲為例來探究喜涼作物生長期對全球變暖停滯響應的時空差異。

淮河流域是我國的0℃等溫線、暖溫帶與亞熱帶分界線、濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)分界線、旱地農業(yè)與水田農業(yè)分界線等20多種重要地理要素過渡帶，氣候條件分布差異明顯，天氣多變，降水年際變化大，旱澇災害交替發(fā)生，造成農業(yè)產量極不穩(wěn)定的現象［10-11］。因此，研究淮河流域氣溫變化對Hiatus現象的響應是十分有意義的，有助于深入理解全球變暖停滯下區(qū)域氣候響應差異，提高研究區(qū)經濟生活相關的極端氣候災害的預估能力。

1 研究區(qū)概況

淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，位于東經111°55'—121°25'，北緯30°55'—36°36'，流域面積27×104km2。淮河流域發(fā)源于河南南部桐柏山太白頂北麓，由淮河及沂沭泗兩大水系組成，入江蘇境內洪澤湖。流域東臨黃海，西起桐柏山、伏牛山，北以黃河南堤和泰山與黃河流域分界，南以大別山及其余脈與長江流域分界。流域包括湖北、河南、安徽、江蘇、山東5省40個地（市）。淮河流域內的氣候具有過渡性和不穩(wěn)定性，這導致淮河流域旱澇災害頻繁，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。按照淮河流域的地貌特征和自然地理特征將淮河流域劃分為4個子區(qū)域，分別為淮河上游（一區(qū)）、淮河中游（二區(qū)）、沂沭泗河（三區(qū)）、淮河下游（四區(qū)）。

2 數據來源與研究方法

2.1 數據來源與處理

本研究所用的研究數據來源于中國氣象數據共享服務中心和中國氣象數據網。利用淮河流域1959—2018年間27個經過質量控制檢驗的氣象站點地面逐日觀測資料，建立以月、四季、年、站點不同尺度的氣溫（最高溫度、最低溫度、均溫）數據體系?；赟igmaPlot、SPSS、Matlab等平臺，利用趨勢分析、突變分析等方法分析氣候變化下氣溫的年際變化，對研究地區(qū)1959—2018年氣溫時空變化特征進行分析，在此基礎上，對淮河流域是否存在Hiatus現象及其與研究區(qū)氣溫變化的響應情況進行探討。

2.2 研究方法

2.2.1 線性趨勢法。線性趨勢法是把氣候要素寫成時間t的線性函數x=at+b，其中a，b為經驗常數。用最小二乘法，通過實際資料計算出a和b，其中a表示線性函數的斜率，也就是氣候要素的線性趨勢，a為正（負）表示增加（減小）趨勢，零表示無變化趨勢［12］。

2.2.2 累積距平曲線法。累積距平是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于序列x，其某一時刻t的累積距平表示為［13］，如式（1）。

式中：xˉ為序列x的均值。從累積距平曲線明顯的上下起伏，可以判斷長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，還可以診斷發(fā)生突變的大致時間。

2.2.3 MK突變檢驗。Mann—Kendall法是一種非參數統(tǒng)計檢驗方法，具有人為影響少、定量化程度高的特點，已被廣泛使用［14］。運用MK突變檢驗方法對研究區(qū)內的站點近60年的氣象數據進行突變檢測，可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變，如果存在，可確定出突變發(fā)生的時間［15］。

3 結果分析

3.1 時間尺度氣溫變化差異

3.1.1 氣溫年代際變化。由表1可知，平均氣溫距平在20世紀60至80年代都為負距平，從20世紀90年代開始氣溫距平開始大于0℃，2010—2018年氣溫距平值最大。20世紀60年代在二區(qū)的平均氣溫年代際距平值為-0.39℃，而其他各區(qū)的距平值都在-0.3℃內；20世紀70年代和20世紀80年代的各區(qū)平均氣溫年代際距平值均為負值，但20世紀70年代時期各區(qū)的距平值差異較大而20世紀80年代時期各區(qū)的距平值差異較小；20世紀90年代各區(qū)平均氣溫距平值均為正值；2000—2009年在二區(qū)的平均氣溫距平值最大，為0.52℃；2010—2018年在一區(qū)的平均氣溫距平值最小，為0.6℃，而二區(qū)的平均氣溫距平值最大，為0.74℃?；春恿饔虻钠骄鶜鉁啬甏H距平值不斷增加，20世紀90年代開始氣溫距平值為正值，2010—2018年的氣溫距平值最大，在各區(qū)中最大的為0.74℃。二區(qū)的氣溫距平值相較于其他區(qū)來說變化較大，可能是二區(qū)對氣候變化響應更加敏感。

表1 淮河流域平均氣溫年代際距平值表單位：℃

3.1.2 氣溫年際變化趨勢。由圖1可知，研究顯示近60年淮河流域平均氣溫整體以0.022 8℃/10 a呈增加的趨勢，而1998—2012年流域內的年均氣溫變化率為-0.251℃/10 a，這也恰巧能夠說明Hiatus現象是存在的。流域內多年氣溫平均值為14.60℃，最高氣溫為2017年的15.82℃，最低氣溫為1969年的13.33℃，見圖1（a）。由圖1（b）可知，1959—2018年最高氣溫整體以-0.003 8℃/10 a小幅度降低的趨勢，并且1998—2012年的最高氣溫也呈輕微下降的趨勢。多年最高氣溫平均值為19.22℃，多年流域年平均最高氣溫的最大值與最小值分別為2016年的21.04℃和1989年的17.3℃。由圖1（c）可知，最低氣溫整體以0.016 6℃/10 a小幅度增長的趨勢，此外1998—2018年的最低氣溫也呈增加的趨勢。

圖1 淮河流域氣溫變化趨勢圖

3.1.3 氣溫季節(jié)變化趨勢。由圖2可知，近60年淮河流域的四季平均氣溫的變化趨勢呈不同幅度增長或下降，其中春季氣溫整體以0.0 093℃/10 a小幅度增長而夏、秋、冬季氣溫分別以0.036℃/10 a、0.007℃/10 a、0.0 019℃/10 a不同幅度下降?；春恿饔蚨嗄甏杭酒骄鶜鉁氐淖畲笾蹬c最小值分別為11.83℃、7.82℃，其在1998—2012年的春季平均氣溫呈上升的趨勢，見圖2（a）；夏季平均氣溫的最大值與最小值分別為16.69℃、11.29℃，1959—1980年呈較大幅度下降趨勢，1980—1998年變化幅度較平緩，1998年之后有顯著下降的趨勢但在1998—2012年這段時期夏季平均氣溫的趨勢還是呈增加的趨勢，見圖2（b）；秋季平均氣溫的最大值與最小值分別為8.73℃、5.88℃，1959年到2018年春季均溫變化較穩(wěn)定，1998—2018年秋季平均氣溫呈輕微上升的趨勢，見圖2（c）；冬季平均氣溫的最大值與最小值分別為4.49℃、2.81℃，在1998年氣溫有明顯下降的趨勢所以在1998—2018年這個階段冬季平均氣溫呈輕微下降的趨勢，見圖2（d）。除此之外春、夏、秋、冬季的氣溫均值分別為9.87℃、13.38℃、6.99℃、3.56℃。

圖2 淮河流域四季平均氣溫變化趨勢圖

3.1.4 氣溫年內月尺度變化分析。圖3為淮河流域月尺度氣溫變化箱體圖，由圖3可知，6月、7月氣溫較高，1月、12月氣溫較低，夏季高溫，冬季寒冷，這符合淮河流域季風氣候的特點。在圖3（a）中6月和8月的四分位距離都是最大的，但6月的平均氣溫的差值是最大的。說明該地區(qū)的冷暖分布不平衡。在圖3（b）中2月的四分位距離是最大的且溫差是最大的，溫差為12.6℃。在圖3（c）中9月的四分位距離是最大的，全年中的最高溫高和最低溫分別為7月的23.7℃和1月的-3.2℃。

圖3 淮河流域月尺度氣溫變化箱體圖

3.2 氣溫突變分析

3.2.1 氣溫年際變化突變分析。利用Mann-Kendall檢驗方法對淮河流域近60年的氣溫的年際變化進行突變分析。由圖4可知，淮河流域近60年來UF曲線總體呈增長的趨勢，在1970—1975年4次突破了信度為0.05的置信線U=±1.96。UF和UB曲線在2001年相交于置信線之間，在2001年之后UF和UB曲線趨勢變化相反，說明2001年淮河地區(qū)氣溫年際變化突出明顯。

圖4 淮河流域氣溫年際變化突變分析圖

3.2.2 四季氣溫變化突變分析。由圖5（a）可知，淮河流域春季氣溫UF曲線于1961—1963年2次突破信度為0.05的置信線U=±1.96，在1959—2018年間，UF和UB曲線7次相交于置信線之間，則該地區(qū)春季氣溫突變較明顯。由圖5（b）可知，淮河流域夏季氣溫UF曲線整體呈下降趨勢，UF和UB曲線于1975年相交于信度為0.05的置信線U=±1.96之間，則1975年為該地區(qū)夏季氣溫下降的突變點。由圖5（c）可知，淮河流域秋季氣溫UF曲線于1961—1963年兩次突破信度為0.05的置信線，1959—2018年UF和UB曲線6次相交于置信線U=±1.96之間，則該地區(qū)秋季的氣溫突變也比較明顯。由圖5（d）可知，淮河流域冬季氣溫UF曲線整體呈下降的趨勢，UF曲線在1990—1994年突破了信度為0.05的置信線U=±1.96，在1966—2014年UF和UB曲線變化趨勢幾乎一致，UF和UB曲線于1966年、2014年以及2017年相交于信度為0.05的置信線U=±1.96之間，則1966年、2014年以及2017年為該地區(qū)冬季氣溫變化的突變點。淮河流域夏季和冬季UF曲線呈下降趨勢，春季和秋季氣溫突變比較明顯。

圖5 淮河流域四季氣溫變化突變分析圖

4 結論

①淮河流域全區(qū)年均溫在2001年突變升高。春季氣溫在1963年突變降低，2001年突變升高；夏季氣溫在1975年突變下降；秋季氣溫在1964年突變升高和在2010年突變下降；冬季氣溫在1967年突變下降和2012年突變升高。各分區(qū)氣溫基本上都在1998年左右突變升高。

②研究顯示，近60年淮河流域平均氣溫整體以0.0 228℃/10 a呈增加的趨勢，而1998—2012年淮河流域的年均氣溫變化率為-0.251℃/10 a，降溫趨勢存在季節(jié)上和空間上的差異，在此期間造成全球變暖停滯現象的原因是研究區(qū)內冬季氣溫的下降及研究區(qū)西南部的升溫變緩。除此之外，流域內1998—2012年的平均最低氣溫和平均最高氣溫的趨勢也呈現下降或者升溫變緩的趨勢，這都能從側面反映出淮河流域對全球氣溫變化中Hiatus現象的響應。