站网均匀化订正前后中国气温年际异常场相似性分析

李丽平　成丽萍　王盘兴

摘要基于王盘兴等（2011）提出的站网均匀化订正方案，给出一种新的相似系数计算方法，依据两种选择相似个例的方案，研究了中国160站1951—2010年四季气温异常型的年际异常相似特征。结果表明：1）依据方案一，如果一对个例年的气温异常场在东部地区比较相似、西部地区不太相似，则订正前全国整体的相似系数较大、订正后整体的相似系数明显减小；反之，东部地区不太相似、西部地区比较相似，那么订正前全国整体的相似系数较小、订正后整体的相似系数增大。2）依据方案二，如果一对个例年订正前气温异常场相似系数非常大，则该对个例年在东部地区形势非常相似，站网均匀化订正后气温异常场的相似系数明显减小。如果一对个例年订正后气温异常场相似系数非常大，则这对个例年在西部地区的分布形势非常相似。方案一、二均可以说明，站网均匀化订正使东部地区的台站在全国平均中的权重减小、西部地区的台站在全国平均中的权重增加，从而可以更客观地反映气温异常型的年际相似程度。

关键词中国160站站网；站网均匀化订正；气温异常场；相似分析

气温变化是气候变化研究的一个基本问题，一定地理区域的气温变化对人类生产和生活有十分重要的影响。因此，气象工作者已做了许多关于气温变化特征的研究。唐国利等（2009）指出中国近百年地面平均气温变化与全球或北半球很相似，但中国20世纪20—40年代的暖期比全球或北半球更为突出；近百年来中国地面年平均氣温上升幅度大体在 05～08 ℃。近期研究指出，1998年以来全球变暖出现了停滞（hiatus）现象，并讨论了全球变暖停滞的机制（宋斌等，2015）。闻新宇等（2006）利用英国CRU高分辨率格点资料揭示了20世纪中国气候变化的特征。研究还发现，中国气温增暖存在明显的季节和区域差异（祝昌汉，1992；任国玉等，2005；唐国利和任国玉，2005；王劲松等，2008；谭晶等，2016）。祝昌汉（1992）指出北半球冬、夏季均表现出一致的加速增温，冬季比夏季更为明显。任国玉等（2005）发现中国现代增暖最明显的地区包括东北、华北、西北和青藏高原北部，最显著的季节在冬季和春季。考虑到气温变化的季节和区域差异，许多学者对中国气温变化进行了分型（屠其璞，1981；张兰生等，1988；刘吉峰等，2005；张晶晶，2006；方修琦等，2010；徐晓等，2010）。屠其璞（1981）把我国一月气温的年际变化分为十一种基本类型。徐晓等（2010）运用聚类分析方法对西南地区进行了分区讨论。张兰生等（1988）依据1951—1985 年的年均气温波动形式将全国分为东、中、西三大区域。

上述关于气温变化的分型研究，大多涉及到相似系数的概念。以往计算相似系数的过程中，大多认为所有站点的面积权重是相等的，即认为站点资料在空域上是分布均匀的。众所周知，格、站点网上的气候资料一般能满足时域上的均匀性要求，但却不能严格满足空域上的均匀性要求（即单个格点、站点代表的区域面积不等），这就可能导致涉及空域的统计结果失真（Buell，1971，1978；Dyer，1975；Morin et al.，1979；Karl et al.，1982）。因此，对于气温变化相似分析的研究，关键是对站网密度不均匀性的处理。对于中国160站站网的均一化处理已有许多工作（邓爱军等，1989；李栋梁等，1995；丁裕国和江志红，1995；王盘兴，2011），本文利用王盘兴等（2011）提出的站网均匀化订正方案，给出一种新的相似系数计算方法，新的相似系数计算方法考虑了每个站点的面积权重，使得到的相似系数更加准确，并将这种方法用于中国160站1951—2010年四季气温异常的年际相似性分析。

1资料与方法

11资料及预处理

本文所用资料为国家气象信息中心提供的1951—2010共60 a中国160站月平均气温资料。将这些资料整理为季距平场（也称异常场）序列，记为F′：

F′=F′11F′12…F′1nF′21F′22…F′2n……F′m1F′m2…F′mn。 （1）

其中：行标i=1，m为站序，m=160为总站数；列标j=1，n为年序，n=60为序列总年数。

从F′中选取第j、k（j=1，60、k=1，60）年气温异常场，分别记为f′、g′，

f′=（f′1 f′2…f′m）T，g′=（g′1 g′2…g′m）T。 （2）

其中：f′i 、g′i（i=1，m，m=160）分别表示第j、k年第i站气温的距平值。

12气温异常场相似系数的计算

分别以[f′]、[g′]记站网均匀化订正前的第j、k（j=1，60、k=1，60）年气温异常场f′、g′的全国平均值，以[′]、[′]记订正后的第j、k年气温异常场′、′的全国平均值，则：

站网均匀时，站域面积（王盘兴等，2011）di=d，d为常数，

[f′]=∑mi=1f′idi∑mi=1di=d∑mi=1f′imd=1m∑mi=1f′i，

[g′]=∑mi=1g′idi∑mi=1di=d∑mi=1g′imd=1m∑mi=1g′i（m=160）。 （3）

站网不均匀时，站域面积di不是常数，

[′]=∑mi=1f′idi∑mi=1di=∑mi=1（wif′i），

[′]=∑mi=1g′idi∑mi=1di=∑mi=1（wig′i）（m=160）。 （4）

其中：wi=di/∑mi=1di为中国第i站面积权重系数（王盘兴等，2011）。则

f′*i=f′i-[f′]，

g′*i=g′i-[g′]（′*i=f′i-[′]、′*i=g′i-[′]），i=1，m，m=160。

分别为订正前（后）第j、k年第i站气温异常偏差值。

以a记订正前的气温异常场f′与g′的相似系数，以记它们订正后的相似系数，则订正前、后冬季气温异常场间的相似系数a、计算式为

a=∑160i=1（f′*ig′*i）∑160i=1（f′*i）212∑160i=1（g′*i）212；

=∑160i=1（′*i′*idi）∑160i=1（′*i）2di12∑160i=1（′*i）2di12。 （5）

13个例挑选方法

对于60 a（1951—2010年）中国160站季气温异常场，其中任意两年的异常场之间可得到一个相似系数，共可分别得到1 770个订正前、后的相似系数，记为aj、j（j=1，1 770）。为对比订正前、后两个气温异常场相似性的差异，需选个例进行分析，下面首先介绍挑选个例的方法。

1）相似判别标准的确定

挑选相似个例前，首先确定相似系数的判别标准，具体方法是：分别将aj、j（j=1，1 770）从大到小排序，挑选第177和88个值作为检验异常场是否相似的标准，分别对应信度α=01和α=005，记为rα=01和rα=005、α=01和α=005。以α=01为例，可以得到：

（i）气温异常场订正前a的总个数为1 770个，统计它对应的1 770个中反映订正后两场相似（≥α=01）、不相似（-α=01<<α=01）、相反（≤-α=01）的个数，记为n+、n0、n-，（n++n0+n-=1770）。

（ii）氣温异常偏差场订正后的总个数为1 770个，统计他对应的1 770个a中反映订正前两场相似（a≥rα=01）、不相似（-rα=012）两种挑选个例的方案

方案一：挑选个例要求同时满足以下两个条件。

（i）订正前的两场相似（aj≥rα），但订正后不相似（-α

综上，通过对各季站网均匀化订正前、后气温异常偏差场差异较大的个例分析可知，如果一对个例年气温异常偏差场在东部地区相似程度高、西部地区相似程度低，则订正前全国整体的相似系数会较大、订正后整体的相似系数将明显减小；反之，东部地区相似程度低、西部地区相似程度高，则订正前全国整体相似系数较小、订正后相似系数则增大。这主要因为中国东部地区站网密集、西部地区站网稀疏，订正前相似系数主要反映东部特征，均匀化订正后西部地区台站在全国中的权重增加，东部地区台站权重减小，从而使订正后全国整体的相似系数发生明显变化。

3方案二的结果分析

图1—4给出了站网均匀化订正前、后各个季节气温异常场的相似系数差异（a-）最大的几对，但不能确定a、是否也是最大。为了更全面地考虑气温异常场的年际相似特征，有必要根据方案二挑选出订正前两场相似、订正后不相似（订正前两场不相似、订正后相似），且aj或j趋向极大的个例。图5—8分别给出满足方案二的四季气温异常偏差场的分布形势，这些个例都通过信度α=005的显著性检验。

31春季

由图5可见，2006和2007年春季东北地区、云贵高原以及两广地区气温均偏低，而长江—黄河流域气温均偏高，东部地区的相似性非常高，使订正前气温异常场的相似系数达到073（表6）。这两年西部地区的相似性较差，均匀化订正使西部地区台站权重增加，从而使整体异常场的相似系数减小（表6）。1978年（图略）春季东北地区氣温偏低、长江—黄河流域气温偏高，而对应的1981年（图略）东北地区、华北的大部分地区气温偏高，东部地区相似性较差；这两年西部地区整体相似性较好（不考虑站网未覆盖到的青藏高原西南地区），所以站网均匀化订正后全国的相似系数增加至073（表6）。1961与1962年（图略）类似，东部地区的相似性很差；除了青藏高原西部的小部分地区，整个西部的相似性较好，尤以新疆北部的正值中心对应较好，使订正后春季气温异常场的相似系数增加至066（表6）。

32夏季

1959和1966年（图6）长江—黄河流域气温偏高，东北、华北、华南地区气温偏低，可见这两年东部地区的相似性较好；但西部地区的相似性较差（图8a），导致订正后全国整体的相似系数减小至042（表7）。1964和1967年夏季（图略）长江—黄河之间及长江以南地区气温均偏高，华北、东北地区气温均偏低，东部地区的相似程度较高；而这两年新疆、青海以及内蒙古西部地区异常偏差场的分布形势几乎完全相反，说明西部地区的相似程度比较低，使订正后相似系数明显减小（表7）。1962和1974年（图略）夏季东部地区相似很差、西部地区相似较好，订正后全国的相似系数增加至063（表7）。

33秋季

1961和1970年秋季（图7）东部地区异常偏差场的相似性较好，西部地区的相似性很差，尤以青藏高原地区最为显著，故站网均匀化订正后相似系数由057减小至043（表8）。1963和1965年（图略）秋季气温异常偏差场中，除了东北以外的东部地区几乎呈完全相反的趋势，故均匀化订正前全国偏差场的相似系数仅为033；西部地区异常偏差场的趋势非常一致，故站网均匀化订正后异常偏差场的相似系数提高至061（表8）。1959年（图略）秋季只有黑龙江、河套以南的部分地区为正值区，而对应的1977年（图略）长江以北的东部地区基本为正值区；这两年西部地区异常偏差场的形势一致。结合东西部的整体形势，可以解释1959和1977年气温异常场的相似系数由041增加至059（表8）。

34冬季

1996和1999年（图8）冬季东北、华北、长江中下游地区气温偏高，华南地区气温偏低，可见东部地区整体形势比较相似。新疆北部、塔里木盆地西部、青藏高原中东部偏差场形势相反，西部地区的整体形势不太相似。综合东西部的整体状况，可以解释气温异常场的相似系数由订正前069减小至订正后049的原因（表9）。1995和1997年（图略）全国异常偏差场的相似系数也由订正前062减小至订正后049（表9）。1975和1978年（图略）气温异常偏差场主要差异在于东北地区的形势完全相反；而这两年西部地区非常相似。故1975和1978年冬季气温异常偏差场订正后的相似系数增加至073（表9）。

综上，为了更全面地考虑气温年际异常场的相似特征，根据方案二挑选出一些个例。如果一对个例年订正前气温异常场相似系数很大，则气温异常偏差场东部地区的形势一定非常相似，站网均匀化订正后气温异常场的相似系数将明显减小。如果一对个例年订正后气温异常场的相似系数非常大，那么气温异常偏差场在西部地区的形势一定非常相似。因订正前东部地区在全国中的权重较大，订正前的相似系数很大程度上反映了东部地区的相似程度，订正后东部地区在全国中的权重减小，从而使订正后的相似系数发生变化。

4结论和讨论

本文给出一种新的相似系数计算方法，并将其用于中国四季气温异常型的年际相似性分析，主要结论如下。

1）20世纪80年代以前夏、秋、冬季气温异常场订正前的全国平均气温总体比订正后的全国平均气温偏高，之后则偏低。

2）从满足方案一的个例看出，如果一对个例年的气温异常偏差场在东部地区比较相似、西部地区不太相似，那么订正前全国整体的相似系数较大、订正后整体的相似系数明显减小；反之，东部地区不太相似、西部地区比较相似，那么订正前全国整体的相似系数较小、订正后整体的相似系数增大。

3）从满足方案二的个例看出，如果一对个例年订正前的气温异常场的相似系数非常大，则这对个例年气温异常偏差场在东部地区的形势非常相似，站网均匀化订正后气温异常场的相似系数明显减小。如果一对个例年订正后的气温异常场的相似系数非常大，那么这对个例年气温异常偏差场在西部地区的形势非常相似。

4）站网均匀化订正前后相似系数发生变化的原因在于：中国东部地区站网密集、西部地区站网稀疏，订正前东部地区在全国中的权重较大，订正前整体的相似系数很大程度上反映了东部地区的特征，站网均匀化订正使西部地区的台站在全国中的权重增加，从而使订正后全国整体的相似系数变化较大。

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