北极Svalbard地区1901～2014年气温变化特征分析

丁 一，徐跃通

(山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)



北极Svalbard地区1901～2014年气温变化特征分析

丁 一，徐跃通

(山东师范大学 地理与环境学院，山东 济南 250014)

摘要：利用Svalbard地区1901～2014年的月平均气温资料，对Svalbard地区的气候特征及趋势变化进行了分析。结果表明：年平均气温呈现上升趋势，增温率为0.27 ℃/10年；四季的平均气温也呈现上升趋势，春、冬季节升温明显，四季升温率(春夏秋冬)分别为0.38 ℃/10年，0.12 ℃/10年，0.25 ℃/10年和0.34 ℃/10年。此气温序列在1999年发生突变，升温速率明显加快。64年、27年、17年、8年和2年这5个时间尺度周期的波动控制着该地区整个时间域内气温序列的变化特征。

关键词：气温变化；线性倾向率；Mann-Kendall突变检验；小波分析

1引言

近年来，随着全球气候变化问题逐渐加剧，北极地区也成为研究的热点地区之一。北极地区对全球变化具有重要的作用，是全球温室气体的汇集区，对气候变化高度敏感。在过去的30年中，相较于地球的其他地区，北极的增温趋势更加显著[1，2]。这种“北极放大效应”可能是由于北极海冰减少[3]或者大气、海洋环流改变所引起[4]。Svalbard地区位于纬度较高的地区，其增温趋势明显，在一定程度上反映了全球温度趋势[5，6]。在IPCC第三次报告[7]中，Svalbard地区气候的高度敏感性开始受到关注。20世纪以来，大西洋至北极地区主要有两个变暖时期。第一个称为20世纪初变暖期，1920年左右开始，持续到20世纪中叶；第二个变暖期始于1980年，持续至今[8～10]。其中20世纪初变暖主要发生在大西洋地区[11]，然而第二个变暖期持续发生在整个北极地区，被认为是人为因素与其他自然因素结合所引起[12]。Nordli Ø[13]对Svalbard机场气象站的温度序列，分析了月平均温度和各季节平均温度基本特征，使用不同尺度的高斯低通滤波分析了1911～2010年各季节平均温度的变化特征。Førland E J[14]等对Svalbard地区多个站点近100年的气温和降水序列，使用高斯低通滤波处理后分析其变化特征，并结合气候模型预测21世纪气候变化。

选取Svalbard地区Svalbard机场(lufthavn，99840)气象站1901～2014年的月平均气温资料为基础资料，通过线性倾向率法，多年移动平均法、移动T检验、Mann-Kendall突变检验法和小波分析等方法，研究了北极Svalbard地区气温的趋势变化、突变检验和周期性变化。

2资料与方法

2.1研究区概况

Svalbard位于74°N～81°N，10°E～35°E之间，是位于北冰洋上的一个群岛。由于受北大西洋暖流的影响，Svalbard地区气温与北极其他地区相比是比较温暖的。Svalbard地区大约60%的面积被冰川覆盖。由于受气候条件影响，冰川运动频繁。Svalbard机场气象站位于斯匹次卑尔根岛中部的朗伊尔(78°13′N，15°33′E，约2 000居民)西北方向3 km，靠近Isfjorden峡湾的海岸上。

2.2数据来源

Svalbard机场气象站建于1975年，通过邻近气象站的观测资料，其温度序列恢复到1912年[15]，但是1898～1911年期间也存在大量不连续的温度测量，Nordli等人[16]尝试重建了此时间段的温度序列。逐月平均气温资料由挪威气象研究所网站(http://eklima.met.no)获取，本文主要选取1901～2014年期间的逐月平均气温资料进行分析。

2.3研究方法

采用线性回归、多年滑动平均等方法，分析Svalbard地区1901～2014年平均气温趋势倾向，运用Mann-Kendall突变检验法，结合移动T检验，分析气温变化突变的时间点，利用小波分析，确定气温序列的周期性变化。首先根据Svalbard机场站(99840)的月平均气温资料，计算相应的年平均气温和四季平均气温，进而用于下一步的研究。在资料的统计中，四季的划分以3～5月为春季，6～8月为夏季，9～11月为秋季，12月至次年2月为冬季。

3结果与分析

3.1气温年际变化特征

1901～2014年Svalbard地区年平均气温为-6.02 ℃，年平均气温变化在-12.36～-1.67 ℃之间，其中年平均气温最低低温出现在1917年，最高温度出现在2006年。 年份与年平均气温的线性相关系数R2=0.2315，通过了a=0.05的显著性检验，所以一元线性回归方程y=0.0273x-59.438有意义。系数大于0表示Svalbard地区气温呈现上升趋势，1901～2014年气温增长约3 ℃，线性拟合增长率为0.27 ℃/10年。

图1　Svalbard地区年均温变化

由图1可以看出，Svalbard地区年平均气温变化趋势表现出波动性，且存在多个波峰和波谷，在1917年达到最低点。整体来看，可以分为4个阶段，呈现下降-上升-下降-上升的变化。其中，第一阶段为20世纪初到20世纪20年代，呈现波动下降；第二阶段是到40年代，呈现波动上升；第三阶段为40年代初到60年代，呈现波动下降；第四阶段为70年代至今，呈现波动上升趋势。

3.2气温季节变化特征

Svalbard地区1901～2014年各个季节多年平均气温分别为-10.4 ℃，4.42 ℃，-3.99 ℃和-12.54 ℃。其中，春、夏季平均最高气温出现在2006年，分别为-4.07 ℃和6.43 ℃，秋季平均最高气温出现在2000年，为-0.07 ℃，冬季平均最高气温出现在2014年，为-5.13 ℃；春、夏、冬季平均最低气温出现在1917年，分别为-19.97 ℃、2.37 ℃和-23.8 ℃，秋季平均最低气温出现在1910年，为-11.07 ℃。冬季极端气温相差最大，春、秋季次之，夏季季相对较小。

图2Svalbard地区季节平均气温变化

图2中，各季节年份与平均气温的线性相关系数都通过了a=0.05的显著性检验，其中气温线性趋势拟合春季最好(R2=0.229)，冬季较差(R2=0.0939)。1901～2014年，Svalbard地区各季节平均气温均呈现上升趋势，其中，春、冬季节升温明显，且以春季升温速度最快，平均气温升高4.3 ℃，升温率为3.8 ℃/100年，冬季升温速率略小，约增温3.9 ℃，升温率为3.4 ℃/100年，均高于年平均气温的升温率，秋季气温的升温率为2.5 ℃/100年，上升了2.9 ℃，夏季升温速度最慢，其升温速率为1.2 ℃/100年，上升了1.4 ℃。1901～2014年，Svalbard地区各季节的气温上升并不同步，其中春、冬季节增温大于年增温，对该地区整体气温的升高具有直接影响。

3.3气温突变分析

采用Mann-Kendall法对Svalbard机场气温序列进行突变检验，结果见图3，红色虚线是给定的显著性水平0.05，临界线是±1.96。根据M-K检验结果，Svalbard机场站在1901～1903年、1912～1922年期间，UF统计值为负值，表示这段时间气温呈现下降趋势，其中1917～1919年期间统计值超过显著性水平0.05，所以下降趋势明显。1903～1912年、1922～2014年期间，UF统计值为正值，表示期间气温呈现上升趋势，其中1932～1970年、1973～1978年和1992～2014年期间统计值超过显著性水平0.05，所以上升趋势明显。此气温序列，UF与UB线有2个交点，分别为1939年和1999年，均超过了临界线，结合移动T检验，1999年发生了气温突变。

3.4气温周期分析

利用Morlet小波研究时间序列分析时，小波系数实部等值线图能反映气温序列不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布。由图4可以清楚的看到气温序列中存在的多时间尺度特征。总的来说，在该地区气温序列中存在着54～75年，22～30年以及11～19年的3类尺度的周期变化规律。其中，在54～73年尺度上出现了冷-暖交替的两次震荡；在22-30年时间尺度上存在暖-冷交替的4.5次震荡，表现为暖-冷-暖-冷-暖-冷-暖-冷-暖交替。同时，还可以看出以上两个尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定，具有全域性；而11～19年尺度的周期变化，在1970s前表现的较为稳定。

图3　1901～2014年年平均气温Mann-Kendall统计量曲线

图4　年平均气温的Morlet小波系数的实部等值线

图5　年平均气温的Morlet小波系数模的分布

从图5可以看出， 54～75年时间尺度小波系数模值最大，说明该时间尺度周期变化最为明显，22～30年时间尺度的周期变化次之，11～19年时间尺度的周期变化再次之，其余时间尺度的周期性变化较之并不明显。利用小波方差可以定量分析次时间序列的主周期、次周期。此气温序列的小波方差图中(图6)存在5个峰值，它们依次对应着64年、27年、17年、8年和2年的时间尺度。其中，最大峰值对应着64年的时间尺度，说明64年左右的周期震荡最强，为该地区气温年均温变化的第一主周期；27年时间尺度对应着第二峰值，为径流变化的第二主周期，第三、第四和第五峰值分别对应着17年、8年和2年的时间尺度，它们依次为流域径流的第三、第四和第五周期。这说明上述5个周期的波动控制着该地区气温序列整个时间域内的变化特征。

图6　小波方差图

4结语

(1)北极Svalbard地区年平均气温为-6.02 ℃，呈上升趋势，气温倾向率0.27 ℃/10 年。

(2)各季节平均气温均呈现上升趋势，平均气温变化幅度以春季最大，冬、秋季次之，夏季最小。春季气温线性拟合趋势最好R2=0.229，冬季气温的温差最大，达到18.72 ℃。

(3)Svalbard地区年平均气温变化呈现波动性，可以分为四个阶段，表现为下降-上升-下降-上升的趋势变化。

(4)1901～2014年平均气温序列在1999年发生突变，升温趋势变大。

(5)Svalbard地区气温序列中存在着54～75年，22～30年以及11～19年的3类尺度的周期变化规律。结合小波方差图，该地区气温序列的第一主周期是64年时间尺度 ，第二主周期是27年时间尺度，第三周期是17年尺度。

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Analysis on the Characteristics of Temperature Change From 1901 to 2014 in Svalbard in the Arctic Pole

Ding Yi, Xu Yuetong

(CollegeofGeographyandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

Abstract:Based on the average monthly temperature data observed in Svalbard during the period from 1901 to 2014, the article analyzes the climate change in Svalbard.The results indicate that the annual temperature shows an increasing tendency with an growthrate of 0.27℃/10a;the change of seasonal temperature also shows an increasing tendency, in whichthe temperature of spring and winter increases obviouslyThe growth rate of four seasonal temperature is 0.38℃/10a, 0.12℃,0.25℃/10a,and 0.34℃/10a respectively.The temperature series suddenly changed in 1999 and the heating rate speeded up obviously. The change features of temperature series during the whole time domain in Svalbard is dominated by the fluctuation of five time scales of 64 years,27 years,17 years,8 yearsand 2 years.

Key words:temperature change;linear tendency rate;Mann-Kendallmutation test;wavelet analysis

文章编号：1674-9944(2016)02-0015-04

中图分类号：P463.1

文献标识码：A

作者简介：丁一(1989—)，男，山东日照人，山东师范大学地理与环境学院硕士研究生。通讯作者：徐跃通(1961—)，男，浙江金华人，教授，博士研究生导师，主要从事北极冰川地理与资源环境信息系统方面的教学与研究工作。

收稿日期：2015-12-04