我国1961—2009年气温变化规律分析

郝振纯,孙乐强

(河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏 南京 210098)

气温变化是气候变化最显著的指标之一,由于气温的变化会直接影响蒸发、径流等一系列水文要素的变化,因而研究气温变化对于掌握区域内水资源变化等问题具有重要意义[1-3].多年来,围绕气温的时空分布和变化规律,国内外众多学者进行了大量的研究[4-8].IPCC第四次报告指出,过去百年来全球地表温度升高了0.74℃,并且预测未来百年全球气温可能升高1.1～6.4℃[9].屠其璞[10]在20世纪80年代的研究表明,我国除东北和新疆北部地区以外的大部分地区,气温长期变化趋势的主要特征都与北半球平均气温的趋势相一致,即从20世纪初到1945年前后和20世纪70年代以后,是两个明显的增暖时段,它们中间是一个降温时段.余锦华等[11]后来的研究则表明,我国平均气温上升的变化趋势没有北半球强,我国气温在20世纪40年代最高,而北半球气温则在70年代迅速上升.20世纪90年代,丁一汇等[12]在研究我国近百年来气温变化规律时也得到了类似的结论,并分析了我国西南地区20世纪50年代以后的降温趋势和城市化对我国气温观测的影响,而班军梅等[13]则对西南地区的气温变化做了专门的研究.施能等[14]研究了我国包括气温和降水在内的气候要素在过去百年中4个代际的区域变化特征.陈隆勋等[15]的研究结果指出我国现代的气温变暖主要发生在35°N以北地区,变暖最大区域是新疆和黑龙江北部.与此相反,在35°N以南直到23°N以及100°E以东地区存在一个广阔的变冷区.在区域量化指标上,秦大河等[16]认为20世纪后半叶我国年平均气温升高以北方为主,东北北部、内蒙古及西部盆地升温速率达0.08℃/a以上.此外,对于全国其他地区20世纪后半叶以来气温变化规律的探讨也有很多.

本文利用我国气象科学数据共享服务网所提供的1961—2009年全国730个站点逐月平均气温数据,采用Mann-Kendall非参数检验方法[17]分析我国20世纪60年代以来年平均气温和季节平均气温时空变化规律,以期在最新资料基础上更加全面地研究我国气温变化规律.

1 研究资料与方法

基本数据为我国气象科学数据共享服务网提供的1961—2009年全国730个站点逐月平均气温数据,对于缺测年份,使用邻近站点资料插值获取,选取插值站点时综合考虑站点海拔和已有记录的相关程度.

Mann-Kendall非参数检验方法是世界气象组织WMO推荐的趋势显著性检测方法之一.在Mann-Kendall检验中,原假设H0为时间序列数据(xl,…,xn),是n个独立的、随机变量同分布的样本;备择假设H1是双边检验,对于所有的k≤n,j≤n且k≠j,xj,xk的分布是不相同的,检验的统计变量S计算式[18]为

S为正态分布,其均值E(S)=0,方差Var(S)=n(n-1)(2n+5)/18.当n＞10时,标准的正态统计变量计算公式为

定义统计变量

线性趋势是气象要素变化研究中极其重要的一个方面,Hess等[19]曾经对各种线性趋势研究方法做过系统评价;Hirsch等[20]在研究Seasonal Kendall方法时提出倾向率的概念,用以替代传统的线性回归方法,认为当原始数据的可靠性不足时,这种无偏估计方法较简单线性回归估计的精度要高.考虑到本文所用数据有较多缺测且时间跨度较短,可靠性和代表性可能会不足,因此主要选用Mann-Kendall倾向率(以下简称MK倾向率)来量化趋势的大小.MK倾向率的计算公式如下[21]：

其中Median表示取中值,i＜j≤n,n为序列长度.当β＞0时表示序列存在速率为β的递增趋势,当β＜0时表示存在速率为β的递减趋势[22].本文β的单位为℃/a.

2 实测气温

考虑到季风/非季风区以及青藏高寒区和秦岭淮河界等重要的地理分界线,将全国划分为南方、北方、西北和青藏4个地理大区[23].图1为4个地理大区1961—2009年年均气温变化图,可以看出4个地理大区气温呈上升趋势,但平均气温最高的南方地区的上升趋势最不明显.表1对4个地理大区分年代统计的平均气温及线性趋势方程也表明南方变暖的趋势要弱于其他3个区域,尤其是升温最为明显的西北地区.

图1 4个地理大区1961—2009年实测温度Fig.1 Observed temperatures in four geographic regions from 1961 to 2009

表1 各年代平均气温及线性趋势方程Table1 Decadal average temperatures and linear regression equations

3 气温变化明显程度

分别计算所有站点的1961—2009年年均和四季平均气温Mann-Kendall检测的Z值和UFk序列,以综合判断各个站点气温变化的明显程度和这种明显变化开始的年份,见图2.

1961—2009年春季平均气温增温最显著的区域包括华东大部、华北大部以及西北地区东南部等,而新疆北部、西南地区大部、华南大部地区都无法通过显著水平α=0.05的增温置信检验,表明这些地区1961年以来春季的升温并不明显.除这些区域之外全国其他地区春季气温升高都可以通过α=0.05的置信检验.1961—2009年夏季平均气温增温显著的区域比春季减小,显著增温区域主要集中在黑龙江、吉林、内蒙古的东北部、北京、天津及西北大部、青藏高原、云南西南部和东南沿海地区,而其他地区则均无法通过显著性α=0.05的增温置信检验.其中以豫陕鄂交界地区为中心的大片区域甚至有明显的降温趋势.1961—2009年全国秋季平均气温增温普遍较为明显,其中最显著的区域为青藏高原东北部,而中南地区局部、西南地区局部在α=0.05下未出现明显增温.1961—2009年全国冬季平均气温亦普遍明显升高,其中又以环渤海地区和青藏高原以及滇西地区升高最为明显,全国仅有四川、重庆、贵州和广西局部地区升温趋势无法通过α=0.05的增温置信检验.

对于1961—2009年年平均气温,亦发现全国普遍明显升温,其中又以青藏高原、西北地区中东部、东北和滇西南地区升温最为明显,Z＞1.96即可认为在置信水平0.95下明显升温,而这些地区的Z值普遍大于5.0.概括看,北方地区升温要比南方地区明显,沿海地区升温要比临近内陆地区明显.虽然同处于长江流域,武汉及其周边地区升温明显,而四川东部以及重庆大部确是全国唯一无法通过α=0.05的增温置信检验的区域.

图2 1961—2009年年均及四季平均气温Z值分布Fig.2 Distribution of Z values for annual and seasonal average temperatures from 1961 to 2009

4 气温明显转折年

除了在时间上整体研究全国气温变化规律外,还希望在1961—2009年之间找到一个年份,以此作为气温变化规律转变最为明显的分界年.为区别于突变年,可以将其命名为明显转折年.对于单站,将UFk曲线首次超过置信直线(α=0.05时其值为±1.96)时的年份定为该站气温变化明显转折年.

图3(a)为全国4个地理大区1961—2009年年均气温UFk曲线,可以看出最重要的明显转折年在1981年左右,在此之前气温变化大都无法超过置信直线,南方和西北地区短暂超过负置信直线,但是很快回弹,同时对全国730个站点明显转折年的统计参数分析也表明,将1981年定为全国统一明显转折年最为合适.

图3 1961—2009年年均气温明显转折年计算结果Fig.3 Calculation of SY(s)for annual average temperatures from 1961 to2009

明显转折年在空间上的分布如图3(b)所示,可以看出1981年之前发生的明显转折年和1981年之后发生的明显转折年在空间分布上具有较为明显的聚类特征：南方地区的长江流域和北方地区的黄河流域明显转折年发生的年份大都早于1981年,而东北、西北、西南和华南地区的明显转折年则普遍晚于1981年.

5 分界年前后气温变化规律

分别计算1961—2009年、1961—1981年和1982—2009年这3个时段年均和季均MK倾向率,以反映其间的温度变化规律.其中年均气温结果如图4所示,季平均气温结果图略.

图4 年均气温MK倾向率(单位：℃/a)Fig.4 Mann-Kendall tendency rates for annual average temperatures(unit：℃/a)

a.1961—2009年年均气温在全国范围内MK倾向率均大于0,其中最大值出现在东北北部、内蒙古中东部、京津地区、青藏高原东北部以及新疆东北部,达0.040～0.050℃/a,说明这些地区升温最为明显.江浙和广东一带沿海升温比临近的安徽、湖南等省显著,华东沿海以及武汉地区升温达0.026℃/a以上.而升温最不明显的地区集中在四川、贵州、广西、重庆等西南地区,温度升高不超过0.014℃/a.1981年之前全国范围内除青藏高原及周边升温外(青藏高原升温最剧烈的地区达0.041～0.053℃/a),大部分处于降温状态,降温最为剧烈的区域主要集中在长江中下游以及东北地区,最大降温幅度在0.014～0.025℃/a之间.1981年以后全国基本没有出现降温区域,其中又以江浙地区、华北北部、内蒙古中东部地区升温最为显著,达0.069～0.078℃/a,而升温最不显著的贵州广西部分地区升温幅度也在0.021℃/a以上.

b.1961—2009年春季升温最显著的区域为东北大部,且纬度越高温度升高越剧烈,黑龙江北部以及内蒙古中东部升温幅度达0.049～0.057℃/a,其次是华北和华东部分地区以及西北地区东部,升温在0.038℃/a以上.最不明显的地区仍是西南和华南地区,云贵川部分地区升温尚不足0.010℃/a.1981年之前,以北疆为代表的西北地区北部以及长江以南大部等地区出现了降温过程,其中前者降温较为剧烈,北疆地区降温达0.125～0.151℃/a.1981年后,西北地区东部、华北西部和江浙地区成为最明显的升温区域,达0.082～0.096℃/a,而西南、华南和东北部分地区升温速度最小,但也大于0.020℃/a.

c.1961—2009年夏季平均气温在豫陕鄂交界一带出现明显的下降,降温区域以此为中心向东北和西南方向延伸,但降幅不大,最大降幅不超过0.015℃/a.青藏高原东北部、内蒙古东部、东北北部以及浙江东北部为升温最为显著地区,升温幅度不足0.049℃/a,远小于全年以及春季全国最大升温速率.1981年以前黄淮、江淮、长江中下游、华北、辽宁大部、内蒙古西部地区温度下降,东北北部、南疆西部升温.1981年之后,西北大部、内蒙、东北大部、长三角地区升温明显,而西南、华南、山东、辽宁等地区则升温极不明显,个别地区还出现降温.

d.1961—2009年秋季平均气温普遍上升,但最为明显的是青藏高原、西北地区大部和内蒙古中东部,其次是东北和江淮地区,而除此之外全国其他地区的升温幅度不大,普遍不超过0.027℃/a.1981年之前全国除青藏高原和西北大部、东北东部有升温外,其他地区均降温,其中从江苏南部一直到云南东部的一大片区域温度最大下降幅度达0.039～0.060℃/a;而1981年之后全国又普遍升温,尤其以西北、内蒙古中东部、江淮、江南地区升温最为明显,达0.068℃/a以上.

e.1961—2009年冬季平均气温全国均呈上升态势,其中北方地区升温要比南方地区显著.北方地区以青海、新疆东部、内蒙中部、华北大部、东北大部升温最显著,达0.063℃/a以上,而南方地区四川、贵州以及安徽局部地区升温则仅在0.014～0.023℃/a之间.1981年之前青藏高原东北部升温剧烈,可达0.100℃/a以上,东北大部(除辽宁外)出现降温,尤以内蒙古东部最为显著,下降幅度最高达0.058℃/a.1981年之后青藏高原继续出现明显升温过程,此外,全国另有两广交界、浙江和华北3个升温中心,升温幅度最高达0.070℃/a以上.但高纬度地区的东北北部和新疆北部等地区却出现降温,但下降幅度不大,幅度不超过0.024℃/a.

6 结 论

a.1961—2009年,我国地面观测温度普遍升高,但是四季和全年温度变化的规律并不一致.青藏高原和滇西南地区无论四季还是全年平均气温均是升高最明显的区域,西南局部地区是全国升温最不明显的区域.北方地区升温普遍比南方地区显著,东部沿海地区升温比临近内陆地区升温显著.南方地区的长江流域和北方地区的黄河流域气温变化明显转折年大都早于1981年,而东北、西北、西南和华南地区的明显转折年则普遍晚于1981年.

b.全国气温除总体呈现升温趋势外,个别时段个别地区也有降温.春季气温1981年之前,以北疆为代表的西北地区北部出现降温过程;夏季1961—2009年之间全国普遍出现降温过程,1981之前降温更为明显,降温中心在华中一带;秋季1981年之前同样出现过全国性降温过程,但不如夏季明显;冬季1981年之前东北大部出现明显降温.

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