近65年来中国冬季气温的变化研究

惠素敏,郑昭佩,许春花,李念,赵启

(山东师范大学 人口·资源与环境学院,山东 济南 250014)

近65年来中国冬季气温的变化研究

惠素敏,郑昭佩,许春花,李念,赵启

(山东师范大学 人口·资源与环境学院,山东 济南 250014)

摘要：利用中国160测站的冬季平均气温数据分析了其变化的主要特征,研究表明:EOF分析的第一模态说明中国冬季气温具有很好的一致性,即全国一致降温或增暖,第二模态分布表明中国冬季气温具有南北反向的变化特征;REOF第一空间模态侧重于长江中下游、华南地区的冬季气温异常状况,第二模态侧重于西南部分地区气温的异常状况;M-K检验指出在20世纪80年代中国冬季气温发生了一次由冷到暖的突变。

关键词：冬季气温;EOF分析;M-K检验

收稿日期：2015-10-28

作者简介：惠素敏(1990—)，女,山东潍坊人，山东师范大学人口·资源与环境学院硕士研究生。

通讯作者：郑昭佩(1971—)，男,山东济南人,教授,硕士生导师,主要从事生态坏境修复与保护的研究工作。

中图分类号：P402.1

文献标识码：A

文章编号：：1674-9944(2015)11-0012-05

Abstract:The article analyzes the main features of the change of temperature based on the average winter temperature data measured by 160 meteorological stations in China.In the research,the first mode of EOF analysis shows that the China’s winter temperature has a good consistency,which means the trend of increment and fall of temperature are the same in China.This second mode of EOF indicates that the winter temperature has the feature of reverse in south and north;The fist space-mode of REOF focuses on the abnormality state of the winter temperature in the middle and lower Yangtze River and the Southeast area,and the second mode focuses on some abnormality states of the Southwest area;M-K test points out that a mutation from cold to warm happened in the 1980s of China’s winter temperature.

1引言

近年来,随着全球气温的不断变化,中国的冬季气温也相应的发生了一系列的变化,对于中国冬季气温变化的特征,不少的学者都做了大量的研究。屠其璞[1]、林学椿[2]等、丁一汇[3]等、宋连春[4]、黄琦[5]、周自江[6]等、刘莉红[7]、李庆祥[8]均对中国冬季气温的时间演变特征做了分析,并得到共同的结论:近几十年来,中国冬季气温一直保持上升的趋势,且在20世纪80年代之前,中国冬季气温偏低,80年代之后的冬季气温偏高。关于中国冬季气温空间分布特征的研究,吴洪宝[9]等、屠其璞[10]等、张晶晶[11]等、刘宣飞[12]等、朱艳峰[13]等、康丽华[14、15]等在不同的时间尺度上做过分析,基本上都认为中国冬季气温北方的变化幅度比南方大,且东北地区的气温变化振幅最大;利用EOF(REOF)方法分析得到,第一模态空间分布在全国大部分地区是同号,表明中国冬季气温存在着一致的上升或下降趋势。第二模态证明:中国西南、华南地区的冬季气温与东北、华北及新疆地区冬季气温的异常变化具有反相变化的特征。

本文在总结前人的基础上,分析了1951～2014年这65年中国冬季气温的年际和年代际变化特征,利用EOF、REOF分析了近65年中国冬季气温的时空分布以及气温变化的区域特征。为了进一步分析中国冬季气温变化的突变情况,本文通过M-K检验并结合t检验,研究了冬季气温发生突变的时间,以及不同区域所发生突变的先后顺序。

2资料与方法

本文利用中国气象局国家气候中心提供的全国160测站月平均气温,时间是从1951年1月到2015年2月,取当年的12月至次年的2月作为当年的冬季气温。为了便于分析,文中用到的数据均作了标准化处理,对160站冬季气温资料求平均,然后将各站的数据减去平均值得到距平,再除以各站的均方差得到标准化距平。

用EOF方法分析中国冬季气温的年际和年代际之间的变化特征及其主要的模态类型,REOF分析中国冬季气温变化的区域特征,M-K分析冬季气温发生变化的突变情况。

3结果分析

在全球不断变暖的大背景下,中国冬季气温也相应的发生了显著的年际和年代际的变化特征,在20世纪80年代中期以前中国冬季一直处于冷期,80年代中期之后一直处于暖期。本文利用国家气候中心整编的全国160个台站从1951年至2014年共64年的逐月气温,并规定当年的12月至次年的2月这3个月气温的平均值作为当年的冬季气温。为了更好地分析中国冬季不同地区气温的变化特征,本文参照王遵娅和丁一汇的划分方法将中国分为七大地理区如图1所示,即东北(1区)、华北(2区)、长江中下游(3区)、华南(4区)、青藏高原(5区)、西南(6区)、西北(7区)。此外,将中国分为南(包括3、4、5、6区)、北(包括1、2、7区)两部分。同时,用1、2、3、4区代表中国东部,5、6、7代表中国西部。所选取的全国160个台站的地理位置如图2所示。

3.1　中国冬季气温的年际和年代际变化特征

图3为1951～2014年中国冬季气温的异常分布图,由图3(a)的线性趋势分布图可以看出,近60多年来,中国冬季气温线性趋势每10年的增长率均为正值,并且由南向北逐渐增加。其中最大值在华北及西北的部分地区,达到0.5～0.7℃/10年,其次是东北的部分地区,长江中下游和华南的部分地区是最小值,仅为0.1℃/10年左右。整体上北部地区的线性趋势增长率要高于南部地区的增长率,这表明近60多年来,中国冬季气温北方地区的增温幅度要高于南方地区,在全国一致增温的情况下存在着南北差异现象。从图3(b)的中国冬季气温的方差图中也可以看出,北方地区的气温变化率要大于南方地区,东北、华北以及西北的部分地区方差高达1.8℃以上,而南方地区的长江中下游和华南地区的气温变化率相对较小,方差在1.2℃以下。

由全国冬季气温的距平序列和11年滑动平均(图4)可知,中国冬季气温呈显著的多年代际尺度变化,20世纪80年代中期以前,中国冬季气温主要呈现的是负异常,且温度距平值低于-1.0℃以上的达到7年,而80年代中后期,中国冬季气温呈正异常,除1999(-0.11)、2004(-0.16)、2007(-0.19)、2010(-0.23)、2011(-0.70)、2012(-0.03)这6年以外,其他年份均为正距平。11年滑动平均也呈现出1985年之前为负距平,之后进入正距平阶段。由上述分析可得到结论:中国冬季气温在20世纪80年代中期(1985年)以前为冷期,80年代中后期(1985年)为暖期。

3.2　中国冬季气温的时空变化特征

为了进一步分析中国冬季气温的年际和年代际变化特征及其主要模态,对全国160站1951～2014年的冬季气温作EOF分析,为了更清楚的表达其变化特征,将160站的气温资料作标准化距平处理。通过EOF分析得到的前5个模态的方差贡献率分别是57.80%、12.50%、6.70%、4.06%、3.12%,可以看到只有前两个模态最突出,因此在本文中选择前两个模态进行分析,占方差总贡献率的70.30%。图5给出的是EOF空间分布型和与之对应的时间系数,图5(a)是第一模态的分布图,从图中可以看出中国冬季气温具有很好的一致性,即全国一致降温或增暖。最高值位于100-120°E、25-40°N的华北及长江中下游地区,说明该区域冬季气温异常显著,最低值位于西南的部分地区。第一模态对应的时间系数在波动中上升,并且存在以10年为周期的年代际变化特征,20世纪80年代中期以前,冬季气温多处于负异常,中国冬季偏冷,80年代中后期冬季气温呈正异常。第二模态分布图5(b)表明中国冬季气温具有南北反向的变化特征,其中40°N东北、华北以及西北的部分地区为正值区,40°N以南为负值区。这种南北反向的变化特征表示冬季气温存在“跷跷板”现象,即当中国北方地区气温升高时,南方地区的气温降低;当南方地区气温升高时,北方地区的气温降低。

为了检测中国冬季气温的突变情况,对主要模态的时间系数做了M-K检验如图6,由图可知,中国冬季气温具有明显的突变现象(两图的交点均位于置信区间内)。为确保突变点的可信度,M-K检验之后,再结合t检验。由图6可看出,突变年前后的t值都超过了0.05信度的显著性检验,说明这突变点是可信的。由图可知,两模态的突变时间都发生在20世纪80年代,且第一模态的突变现象更显著。这说明在20世纪80年代中国冬季气温发生了一次由冷到暖的突变,这与全球变暖的时间相一致。

3.3　中国冬季气温的区域变化特征

为了探讨中国冬季气温的分区情况及各区气温的变化特征,在EOF分析的基础上对冬季气温做了REOF分析及各区气温变化特征的分析。图7是160站中国冬季气温标准化REOF分析的前2个空间型。由图可知,第一空间模态侧重于长江中下游、华南地区的冬季气温异常状a况,第二模态侧重于西南部分地区气温的异常状况。

图8分别给出了两个地区的REOF时间系数(a、b)和REOF时间系数的M-K检验结果(c、d),并结合了t检验。由图可知,时间系数没有明显的变化趋势,但冬季气温却有明显的突变现象(交点位于置信区间内,且突变前后的t检验均超过0.05的信度显著性检验),其中长江中下游、华南地区的突变发生在1983年前后,而西南部分地区的突变发生在1978年左右,说明西南地区发生的突变要比长江中下游和华南地区发生的突变时间早。

4结语

通过160测站的气温资料对中国近65年冬季气温的变化特征进行分析,得到如下的结论。

(1)中国冬季气温的时空变化特征:冬季气温线性趋势每10a的增长率均为正值,并且由南向北逐渐增加,最大值达到0.5～0.7℃/10a;由全国冬季气温的距平序列和11年滑动平均可知,中国冬季气温呈显著的多年代际尺度变化,20世纪80年代中期以前,中国冬季气温主要呈现的是负异常,而80年代中后期,中国冬季气温呈正异常;EOF分析的第一模态表明冬季气温具有很好的一致性,即全国一致降温或增暖,第二模态分布说明中国冬季气温具有南北反向的变化特征,这种南北反向的变化特征表示冬季气温存在“跷跷板”现象,即当中国北方地区气温升高时,南方地区的气温降低;当南方地区气温升高时,北方地区的气温降低。

(2)中国冬季气温的区域变化特征:REOF第一模态侧重于长江中下游、华南地区的冬季气温异常状况,第二模态侧重于西南部分地区气温的异常状况。

(3)中国冬季气温的突变情况:对EOF的前两个模态的额时间序列做M-K检验并结合t检验可知,突变时间发生在20世纪80年代,且第一模态的突变现象更显著。这说明在20世纪80年代中国冬季气温发生了一次由冷到暖的突变,这与全球变暖的时间相一致。REOF前量模态时间序列的M-K检验可知,长江中下游、华南地区的突变发生在1983年前后,而西南部分地区的突变发生在1978年左右,说明西南地区发生的突变要比长江中下游和华南地区发生的突变时间早。

参考文献：

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[2] 林学椿,于淑秋.近40年我国气候趋势[J].气象,1990,16(10):16～21.

[3] 丁一汇,戴晓苏.中国近百年来的温度变化[J].气象,1994,20(12):19～26.

[4] 宋连春.近40年我国气温时空变化特征[J].应用气象学报,1994,5(1):119～124.

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Research on the Change of Winter Temperatures in China for the Past

Sixty-five Years

Hui Sumin,Zheng Zhaopei,Xu Chunhua,Li Nian,Zhao Qi

(CollegeofPopulation,ResourcesandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

Key words:winter temperature;EOF analysis;M-K test