1870年以来河南省年平均气温变化特征

闫军辉，王黎明，刘明华，牛继强，曹广超，朱 伟，张 华

(1. 信阳师范学院 a.地理科学学院; b. 南北过渡带研究中心; c. 气候与环境演变重点实验室, d. 计算机与信息技术学院, 河南 信阳 464000; 2. 青海师范大学 青海省自然地理与环境过程重点实验室, 青海 西宁 810008)

0 引言

IPCC第五次评估报告指出：1880-2012年期间全球平均陆地和海洋表面温度升高了0.65～1.06 ℃[1].与全球尺度相比，区域气候变化对局地的影响更为重要和直接，因此区域气候变化研究引起广泛的关注[2，3].有关区域过去百年气候变化研究，前人已进行了大量的工作.例如，有学者通过对洞庭湖区1951年以前缺测资料的插补，分析了洞庭湖区过去百年的气候变化，得出该区气温经历了4个阶段的冷暖交替[4].有学者基于小波分析方法研究了澳门近百年的地表温度变化，表明澳门年/季平均温度存在2～5 a的显著震荡周期[5].也有学者为克服因观测时制与时次差异而导致的序列前后不均一性，利用月平均最高与平均最低温度重建了1906-2015年武汉市年平均温度序列[6].河南省位于中国中部，不仅为北亚热带与暖温带的过渡地带，还是东部湿润区和西部干旱半干旱区的过渡区域，起着承东启西、沟通南北的作用.尽管有学者研究了河南省温度变化[7,8]，但这些研究多局限于过去几十年器测时期的气候变化，时间尺度相对较短，长时间尺度的研究相对较少.基于此，本文拟利用河南省17个气象站及中国东中部地区14个站点的逐月平均气温资料，重建1870年以来河南省年平均温度变化序列，并分析其冷暖阶段、变化速率和周期特征.研究结果不仅对科学认识河南省这一典型区域的气候变化规律有重要科学意义，还可为在更长时间尺度上分析气候变化的影响提供背景数据，为河南省适应未来气候变化提供参考资料和科学基础.

1 资料和方法

1.1 资料来源

论文所用资料按时段、区域和来源不同可分为两部分，其中1951-2016年所用数据为河南省17个分布相对均匀气象站的月平均气温数据，该资料直接下载于中国气象数据网(http://data.cma.cn/).由于建站时间不同，河南省17个气象站资料在50年代存在不同程度的缺失[8].

1951年之前的资料来自于原中央气象局和中国科学院地球物理研究所出版的《中国气温资料》.从中摘录了中国东中部地区14个气象站(北京、上海、天津、青岛、烟台、南京、杭州、武汉、长沙、太原、保定、济南、西安和宜昌)1951年以前的月平均气温数据.这些站点的建站时间并不一致，其中北京、上海、青岛和天津建站较早，均在1900年之前就已有连续的气象观测；其次为杭州、武汉、南京和烟台，它们分别于1905年前后建站；长沙、保定、太原和济南相继于20世纪10年代开始气象观测；西安和宜昌建站时间较晚，宜昌直到1924年1月才有较为连续的观测数据(表1).

由于战争和社会动荡，1951年之前的资料同样存在不同程度的缺失.上海、青岛、济南和天津建站以来缺失资料较少，缺失月份百分比均在10%以下，其中上海缺失最少，仅有0.31%的资料缺失；其次为武汉、烟台、太原、长沙、南京和西安，缺失资料月份百分比在10%～20%之间；北京、杭州、保定和宜昌缺失较多，缺失月份百分比都在20%以上.其中宜昌缺失月份百分比超过一半.

表1 中国东中部14个气象站建站以来缺失资料统计Tab. 1 Statistical information of missing data at 14 stationsover central and eastern China for 1870-1950

1.2 研究方法

1870-2016年河南省年平均气温序列的重建分为三段：1961-2016年温度序列直接用河南省17个站点算数平均得到；由于1951年开始，河南省开始陆续建立气象观测站，故1951-1960年温度序列采用多元线性回归进行重建.具体做法是根据1961-2010年河南省观测资料，建立河南省年均温与现存站点之间的多元线性回归方程，然后利用此方程恢复1951-1960年河南省年均温序列；1951年之前河南省没有连续的温度观测，因此1870-1950年河南省温度用东、中部地区14个站点的温度进行恢复.其做法与1951-1960年相似，先建立河南省年均温与东中部地区14个有温度记录站点之间的多元线性回归方程，进而利用该方程重建1870-1950年时段温度变化.最后将三个时段重建的序列相互衔接就可以得到1870-2016年河南省年平均气温变化序列.

为更精确地分析1870年以来河南省年均温的阶段性变化特征，采用最优分割法对温度序列进行冷暖时段划分.该方法是对一批有序数据进行分段的统计方法，分段的结果使段内数据之间的差异最小，而各段之间的差异最大；为分析河南省年均温的变化速率特征，采用滑动气候倾向率法，滑动计算每30 a和50 a年时间尺度的变化速率，并用最小二乘法拟合其线性趋势；最后，利用功率谱分析法分析1870年以来河南省年平均气温的周期.

2 结果与分析

2.1 河南省年均温阶段变化

图1为1870-2016年河南省年平均气温变化序列.图1(a)中红线为年均温曲线，蓝线为重建温度值的95%置信区间，粗实线和虚线分别为河南省年平均气温的线性和多项式拟合线；图1(b)中细实线为重建温度序列所用的气象站点数量.由图可知，1870-2016年河南省年均温平均值为14.34 ℃.总体而言，过去147 a河南省年均温大致经历了“冷-暖-冷-暖”四个多年代冷暖阶段.利用多元有序数据的最优分割方法可将其划分为四个时段：1870-1906年与1950-1993年为相对寒冷期，1907-1949年与1994-2016年则相对较暖.

图1 1870年以来河南省年平均气温变化Fig. 1 Changes in annual mean temperaturesof Henan Province since 1870

1870-1906年河南省气候相对寒冷，年均温平均值为13.90 ℃，距平为-0.44 ℃.37年中有34 a的温度距平为负值(约占该时段年数的91.9%).其中最冷年和最暖年分别出现在1893年和1899年，其温度值分别为13.55 ℃和14.58 ℃(距平分别为-0.80 ℃和0.23 ℃)，最冷年比最暖年约低1 ℃.年代上，最冷和最暖的年代分别出现在1876-1885年(13.75 ℃)和1896-1905年(14.03 ℃)，最冷年代较最暖年代低约0.28 ℃；1907-1949年相对较暖，年均温围绕均值剧烈波动，74.4%年份的温度值为正距平，年均温平均值为14.72 ℃(距平0.38 ℃)，其中最暖年份和最冷年份的温度值分别为15.80 ℃(距平1.46 ℃)与13.67 ℃(距平-0.68 ℃)，极差为2.13 ℃.就年代变化而言，最暖的年代(1923-1932年，15.11 ℃)比最冷的年代(1909-1918年，14.32 ℃)约高0.79 ℃.

自1950年开始，河南省气候迅速降低，进入第二个寒冷时段.1950-1993年温度均值为14.06 ℃，较多年平均值低约0.28 ℃，44 a中有33 a的温度值为负距平(约占该时段年份75%).其中最冷年和最暖年分别出现在1956年和1961年，最冷年温度(13.21℃，距平-1.13℃)较最暖年温度(15.17 ℃，距平0.83 ℃)约低1.96 ℃.最冷的年代(1951-1960年，13.86 ℃)较最暖的年代(1959-1968年，14.37 ℃)低0.51 ℃；20世纪90年代中期开始，河南省气候由冷转暖，进入第二个温暖时段.1994-2016年河南省年平均气温均值为14.88 ℃(距平为0.54 ℃)，除1996年和2003年外，其他所有年份的温度均为正距平.其中最暖年和最冷年分别出现在2013年(15.48 ℃)和1996年(14.03 ℃)，距平分别为1.13 ℃和-0.31 ℃，极差为1.44 ℃.年代上，最暖年代(2007-2016年，15.00 ℃)较最冷年代(1996-2005年，14.73 ℃)高0.27 ℃.比较四个时段温度序列的标准差可知，1870-1906年时段的标准差最小，1907-1949年时段标准差最大，表明前一个时段的温度序列波动较为平缓，而后者的波动则较为剧烈(表2).

表2 1870-2016年河南省年平均气温冷暖变化Tab. 2 Annual mean temperature variations of Henan for 1870-2016

2.2 变化速率

1870-2016年河南省年平均温度呈微弱增加趋势.一元线性回归拟合显示，气候倾向率为0.4 ℃/100 a，t检验显示回归方程通过0.001显著性水平检验.尽管过去147年河南省年均增暖速率低于全球和中国平均增暖速率，但在多年代尺度上呈现多次快速增暖和快速变冷的现象.图2为1870年以来河南省年平均温度在50 a(图2a)和30 a(图2b)尺度上的滑动变化速率，横轴1870年分别代表1870-1919年(50 a尺度)与1870-1899年时段(30 a尺度).30 a尺度上，1870年以来河南省最快变暖速率出现在1900-1929年，为第一个寒冷时段向第一个温暖时段转换时期.线性拟合显示，变暖速率为0.046±0.018 ℃/a(95%置信区间，下同)，回归方程通过0.001显著性检验；最快降温速率出现于第一个温暖时段向第二个寒冷时段转换的1928-1957年，其变化速率为-0.043±0.024 ℃/a(通过0.001显著性水平检验)，最大降温速率与最快增温速率相当.50 a尺度上，最快50 a增暖速率出现在1883-1932年，同样出现在第一个寒冷时段向第一个温暖时段的转换时期，平均变暖速率为0.031±0.008 ℃/a；最快降温同样出现在第一个温暖时段向第二个寒冷时段转换的时期，1923-1972年线性变化速率为-0.026±0.010 ℃/a，且回归方程通过0.001显著性检验.以上分析显示，尽管20世纪后期河南省气温显著增暖，但无论是30 a尺度还是50 a尺度上，最快增温速率均出现在第一个寒冷时段向第一个温暖时段的转换时期，20世纪后期的增暖速率均未超过以前水平.

图2 不同时间尺度上河南省年平均气温滑动变化速率Fig. 2 Moving linear trends of annual mean temperature ofHenan at different time scales

2.3 周期

1870-2016年河南省年平均气温的功率谱分析结果见图3，图中实线为功率谱密度，虚线为红噪音标准谱(显著性水平α=0.05)，最大后延数取序列长度的1/3，黑点所对应的位置为周期.由图可知，在周期长度为64 a处，功率谱密度估计值远超过红噪音标准谱，表明64 a为河南省年平均气温的第一显著周期；其次，在4.13 a周期处，功率谱密度估计值为一峰值且超过了红噪音标准谱，说明4.13 a为河南省年均温的第二显著周期；最后，在2.56 a和2.42 a处，功率谱估计值也超过了标准谱，显示河南省年均温存在2 a左右的周期.以上分析表明1870-2016年河南省年平均气温的变化周期以为2～4 a和64 a为主.前者变化可能受海气相互作用(如ENSO事件)及平流层准2 a震荡(QBO)驱动，后者可能受太平洋年代际震荡(PDO)的影响.需要说明的是，过去147 a河南省温度变化序列并未检测出11 a或22 a等太阳活动周期，但这仅表明该时段并没有贯穿整个时域的太阳活动周期，期间是否存在短时间尺度的太阳活动驱动信号，需要用其他方法进一步检验.

图3 河南省年平均气温功率谱Fig. 3 The power spectrum of annual meantemperature in Henan province

3 讨论

本文重建的河南省温度序列，其误差主要来自于将河南省周边站点的温度转换为河南省年均温时的统计误差.其误差大小主要受回归方程的残差标准差和置信水平所制约.方程的残差标准差取决于样本量、自变量与因变量的复相关系数以及预报序列的方差大小，而复相关系数与自变量的数量关系密切.在建立多元回归方程时，样本统一取1961-2010年50 a数据(样本量n=50)，显著性水平取0.05，因此重建序列的误差与自变量个数密切相关.1905年之前，由于中国东部地区仅有北京、上海等少数站点有观测记录，因此误差范围在0.6 ℃～0.8 ℃(平均0.73 ℃)之间；1906年之后，随着观测站点的增加，重建序列的误差范围逐渐减小，此阶段误差范围平均为0.43 ℃.1951年以后，随着现代仪器观测体系的建立，重建序列的误差逐渐降低到0.1 ℃左右.

有学者认为，过去百年中国年平均气温在20世纪30-40年代和80-90年代增温显著，且30-40年代温暖程度与80-90年代基本持平[9,10]；但也有研究认为20世纪90年代较40年代更暖[11].本研究认为，至少在河南省区域内，30-40年代的温暖程度不低于80-90年代.变化速率上，1870-2016年河南省年均温倾向率为0.4 ℃/100 a，略低于全球与中国平均增暖速率，与武汉过去110 a的增暖速率相当[6].最新研究表明，全球地表温度自1998年以来几乎没有增加，出现“变暖停滞”的平台化现象[12,13].中国大陆年平均气温在剔除城市化影响后和全球平均特征基本一致[11].类似的变暖停滞现象在河南省也有所显现，近20 a温度序列近乎水平，在15 a滑动尺度上，河南省年均温变化于1997年、1998年变为负值，出现一个变化速率低谷期(图2c).

4 结论

本文重建了1870年以来河南省年平均气温变化序列，并分析了其变化特征，主要结论如下： (1) 过去147 a河南省气候经历了四个阶段：1870-1906年与1950-1993年为相对寒冷时段，两时段气温较1870-2016年均值分别低0.44 ℃和0.28 ℃；1907-1949年与1994-2016年则相对较暖，两时段气温较多年平均值分别高0.38 ℃和0.54 ℃.(2) 30 a尺度上，最快升温和降温速率分别出现在1900-1929年与1928-1957年，其变暖速率分别为0.046±0.018 ℃/a和-0.043±0.024 ℃/a；50 a尺度上，最快50 a增暖速率出现在1883-1932年，平均变暖速率为0.031±0.008 ℃/a；而最快降温速率出现在1923-1972年，线性变化速率为-0.026±0.010 ℃/a.(3) 1870-2016年河南省年平均气温的变化周期以为2～4 a和64 a为主.前者变化可能受海气相互作用(如ENSO事件)及平流层准2 a震荡(QBO)驱动，后者可能受太平洋年代际震荡(PDO)的影响.

与以往研究相比，本文研究时间尺度较长，研究区域典型，并给出了重建序列的置信区间.研究发现,虽然20世纪后期河南气候急剧升高，但1870年以来最快增温速率出现在第一个寒冷时段向第一个温暖时段的转换时期，20世纪后期的增暖速率并未超过以前水平.需要说明的是，论文仅分析了1870年以来河南省的温度变化特征，有关河南省气候变化对农业生产的影响以及人类对气候变化的响应等方面未有涉及，有待于进一步研究.