近50年淮河流域气温时空变化及其与PDO的关系

田立鑫, 韩 美, 徐泽华, 孔祥伦, 朱继前

(山东师范大学 地理与环境学院 “人地协调与绿色发展”山东省高校协同创新中心, 济南 250358)

全球气候系统的变暖仍将继续，在IPCC第5次评估报告中指出全球平均地表温度自1951年以来上升了0.72℃，至21 世纪末全球平均温度将升高0.3～4.5℃[1-2]。就我国气温变化来说，近百年来不同地区存在明显的差异[3-5],但总体变化趋势与北半球大体一致[6]。淮河流域地处我国南北气候过渡区，具有重要的地理意义，对全球气候变化十分敏感[7]，其气候要素的研究成为近些年来的热点[8-10]。王珂清等分析了淮河流域1961—2008年的年平均气温发现冬季增温幅度最大，空间上春、秋、冬三季节全流域大部分地区平均气温均呈现上升趋势[11]。高超等研究发现淮河流域年平均气温在90年代中后期显著升高，在季节变化上冬季增温速率较快，并预测在2011—2060年该地区气温将持续升高[12]。叶正伟等运用综合线性回归、距平、小波和重标极差分形等时间序列分析方法，发现1960—2015年淮河流域不同类型气温呈现上升趋势[13]。叶金印等对淮河流域气象要素的时间和空间特征进行分析，发现流域年平均气温变化有明显的空间差异性，且全流域年平均气温均呈上升趋势[14]。为了更好地解释不同区域气温变化的现象，许多学者对大气环流因子与气温变化的关系展开研究[15-20]，太平洋年代际振荡(Pacific Decadal Oscillation,以下简称PDO)是中北太平洋海温年代际循环的海洋现象[21-23]，被认为是影响北半球气候变化的重要模态，会对区域气候变化产生极为复杂的影响[24]。许多国外学者已经就PDO指数和北太平洋等地区的气候变率之间的关系展开研究[25-27]，丁一汇等研究发现近百年全球气温的快速增温期与趋缓期(或停顿期)与PDO(太平洋年代际涛动)的位相变化有很明显的相关，PDO处于正位相时，全球处于增暖期(20世纪20—40年代和80，90年代),PDO处于负位相时则对应全球增温的停滞阶段(20世纪50—70年代和1998—2014年)[28]。我国的一些学者也就PDO与温度的关系展开研究，徐忆菲等分析了我国1951—2013年冬季月平均气温与PDO在年际和年代际时间尺度上的相关关系，发现当PDO处于年代际正(负)相位时，我国气温普遍偏高(低)[29]；秦剑等指出云南夏季气温与春季太平洋年代际涛动(PDO)指数具有较强的正相关关系[30]。

近些年来，有关淮河流域气温变化的研究多集中在对不同类型气温时空变化过程的研究中，但鲜有学者将PDO指数与流域气温相结合，探讨PDO和流域年平均气温之间存在的联系。本文在先前学者研究成果的基础上，通过近52 a淮河流域67个站点观测的年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温资料，运用线性倾向估计、Mann-Kendall 检验、空间插值等方法系统探讨1965—2016年淮河流域不同特征气温在全球气候变暖影响下的时空变化特征以及突变状况；并运用连续小波(CWT)、交叉小波变换(XWT)和小波相干谱(WTC)对流域年平均气温和PDO(太平洋年代际涛动)的周期特征进行研究，以期为研究淮河流域气候变化研究提供科学依据。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

淮河流域地处我国东部，位于110°22′—121°52′E，29°27′—36°12′N，面积约27万km2，流域发源于河南南部桐柏山太白顶北麓，由淮河及沂沭泗两大水系组成，入江苏境内洪泽湖。流域东临黄海，南以大别山、江淮丘陵等与长江分界，北以黄河南堤和泰山为界[31]。淮河流域除去西部、西南部及东北部为山区、丘陵区以外，其余均为广阔的平原。流域地处中国南北气候过渡带，以南属亚热带区，以北属暖温带区[32-33]。淮河流域多年平均降水量约为920 mm，并由南向北递减，由于流域内气候的过渡性和不稳定性，导致淮河流域旱涝灾害频繁，生态环境较为脆弱[34]。

1.2 数据来源及处理

本文研究的气温数据来自中国气象局国家气象信息中心(NMIC),网址为http:∥data.cma.cn/。选取淮河流域67个数据序列完整的气象站日平均气温、最高气温、最低气温资料(图1)，并将时间统一订正到1965—2016年。文中所指的平均气温、最高气温、最低气温均为一年中每日平均气温、最高气温、最低气温的合计平均。为了满足研究需求，NMIC对数据质量进行评估，以确保数据的可靠性和连续性。PDO指数资料来自http:∥research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest[35],资料时间段为1965—2016年。

图1 淮河流域气象站点分布

1.3 研究方法

1.3.1 趋势性和突变性分析方法 趋势分析分别采用线性倾向估计和Mann-kendall趋势检验两种方法。采用线性倾向估计来分析淮河流域3种不同类型气温在时间上的年际变化趋势。Mann-kendall检验[36]是世界气象组织(WTO)推荐的一种非参数检验法[37]适用于类型变量和顺序变量[38]，本文运用此方法分析流域在空间上的气温变化趋势和突变状况。

1.3.2 Sen′s斜率估计 Sen′s趋势分析中数据不需要服从一定的分布，受异常值干扰较小，对测量误差或离群数据具有较强的规避能力[39]，能够很好地揭示时间序列的突变和趋势变化[40-41]。

1.3.3 周期分析 运用连续小波(CWT)在时频域中分析年平均气温序列的年代际振荡，交叉小波变化(XWT)和小波相干谱(WTC)探讨年平均气温与PDO(太平洋年代际涛动)之间的多时间尺度相关关系，具体方法过程详见文献[17,42]。

2 结果与分析

2.1 淮河流域气温年际变化特征

将1965—2016年52 a的年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温变化趋势进行对比(图2)，可以看出三者的气温变化趋势大体一致，呈现逐步上升的趋势。流域年平均气温最小值出现在1969年(13.88℃)，最大值出现在1993年(16.32℃)，多年平均气温为14.99℃；年均最高气温在18.79℃(1984年)到21.20℃(1993年)之间变化；年均最低气温最小值为9.57℃(1969年)，最大值为12.36℃(2016年)。年平均、最高、最低气温在1965—1990年接近84%的年份处于负距平。就年平均气温来说，1992年前后气温呈显著上升趋势，之后各年的平均气温高于流域整个时段的年平均气温。从年际变化上升趋势来说，5 a滑动最低气温曲线较5 a滑动最高气温曲线以及5 a滑动平均气温曲线变化更为剧烈，表明年最低气温的上升幅度最为明显，这也说明增暖现象在最低气温上表现得更加突出。与国内外一些研究结果得出的结论“全球地表温度的升高过程中大多数地区在最低气温的上升幅度明显高于最高温度”[43-44]一致。

2.2 淮河流域气温空间分布特征

通过对淮河流域67个气象站点1965—2016年年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温实测温度数据进行Kriging空间插值(图3)，可以看出淮河流域各地年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温的变化在空间上具有高度一致性，不同特征气温在空间上呈现出从南向北递减的趋势。南部黄山地区以及流域北部的沂蒙山和大别山山区海拔较高，受地形的影响，根据气温的垂直递减规律，三地区年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均为淮河流域明显的低值中心。淮河流域平均气温的变化范围为8.2～16.9℃，温度最高值出现在安庆附近，为16.99℃；淮河流域的最高气温在11.53～22.16℃之间变化，在祁门地区附近温度最高；最低气温在5.5～13.84℃之间变化，安庆地区附近的最低气温的最高值为13.84℃。

图2 淮河流域不同类型气温年际变化特征

2.3 淮河流域气温变率空间分布

运用Sen′s斜率估计与(M-K)检验相结合的方法对气温变化的趋势和显著性进行分析，结果显示淮河流域各个站点的M-K检验Z值均为正值，说明该研究区内年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均呈现上升趋势。通过对流域不同特征气温Sen′s斜率进行空间插值，可以看出流域的平均气温升高态势呈现出东部沿海高、西部内陆低的空间格局，而最高气温在流域西南部升温较为显著，最低气温在流域西北地区的升温较为明显。

图3 淮河流域不同类型气温空间分布

年平均气温的M-K趋势检验中淮河流域有95%(64个)的站点呈极显著增温趋势(图4)，其中卢氏站和砀山站的气温变化率分别为0.095℃/10 a和0.115℃/10 a，通过了90%和95%的置信度检验，而许昌站气温上升率仅为0.05℃/10 a，未通过置信度检验，表明该地年平均气温的上升趋势不显著。从总体空间分布上来看，除许昌站外，各个站点年平均气温均通过了置信度检验，说明大部分地区年平均气温呈明显的上升趋势，流域内站点的M-K检验Z值呈现东南高于西北的特点，体现了明显的地域分异规律。

在年平均最高气温的M-K趋势检验中淮河流域有45个站点检验统计量|Z|>2.576，通过99%的置信度检验，气温显著上升(图5)；12个站点通过了95%的置信度检验,零散分布在流域中部和北部；6个站点通过了90%的置信度检验，主要集中在流域中部地区；而开封等4个站点未通过90%的置信度检验，年平均最高气温的上升趋势不显著。整体来看，空间分布上，淮河流域西南地区M-K检验Z值较高，升温较东部和中部地区更为显著。

在年平均最低气温中除许昌站外其余66个气象站点的检验统计量Z均大于2.576，通过了99%的置信度检验，年最低气温呈极显著上升趋势(图6)。与年平均气温、年平均最高气温相比，淮河流域年平均最低气温的上升趋势更为明显。

图4 淮河流域年平均气温空间变化趋势

图5 淮河流域年最高气温空间变化趋势

图6 淮河流域年最低气温空间变化趋势

2.4 淮河流域气温突变检验

应用Mann-Kendall突变检验方法对1965—2016年淮河流域气温序列进行突变分析，发现(图7A)的正序列曲线UF与反序列曲线UB在1996年存在交点并位于0.05信度线内，说明流域年平均气温突变时间为1996年，并在1998年开始显著升温。最高气温(图7B)与最低气温(图7C)的UF与UB曲线在1992年存在交点，表明两者的突变年份均为1992年，说明最高气温在1992年发生了由低到高的突变，并在2002年气温显著上升；最低气温于1992年发生突变，并在1993年升温显著。最高气温和最低气温都呈现“上升—下降—上升—显著上升”的变化过程，而平均气温在1983—1990年期间UF统计量为负值，说明在这个期间淮河流域的平均气温是呈现下降趋势的。总的来看淮河流域气温都在90年代呈现突变性增温，但平均气温的突变要滞后于年平均最高和最低气温。

图7 淮河流域不同类型气温突变检验

2.5 淮河流域年平均气温与PDO的关系

2.5.1 基于连续小波转换的年平均气温和PDO的振荡特征 淮河流域年平均气温和PDO指数在不同时间段呈现出各种振荡周期(图8)。年平均气温在1989—1998年之间存在1.3～5.5 a的显著周期(通过置信度水平95%的红噪声检验)；PDO指数在1989—1998年、1994—2001年分别存在4.2～5.5 a，8.5～9.8 a的显著周期(通过置信度水平95%的红噪声检验)，而在2001—2014年之间存在1.3 a的显著周期，但位于影响锥之外，未通过显著水平α=0.05下的红色噪音标准谱检验。对比可知，淮河流域年平均气温和PDO指数在一定阶段存在时频域相关。

2.5.2 淮河流域年平均气温和PDO交叉小波变换和小波相干谱分析 对淮河流域年平均气温和PDO(太平洋年代际涛动)进行交叉小波变换(XWT)和小波相干谱(WTC)分析，进一步分析淮河流域年平均气温和PDO在周期上的共同特征。交叉小波变换重点突出淮河流域年平均气温和PDO在高能量区的相互关系，相干小波变换则重点突出淮河流域年平均气温和PDO在低能量区的相互关系。从图9A中看出，交叉小波功率谱高能量区在1989—1999年表现出3～6 a的共振周期(通过了通过置信度水平95%的红噪声检验)，平均位相角接近垂直向上90°，则位相谱年平均气温变化位相比PDO提前。从小波相干功率谱低能量区(图9B)中可以看出，在1990—1993年存在2～4 a的共振周期(小波相干谱相关性通过置信度水平95%的红噪声检验)，年平均气温与PDO呈正相关，前者比后者提前两个月(平均相位角右向上60°)；在1991—1997年存在2.5～5.5 a的共振周期且接近同位相变化。

注：黑色细实线为小波边界影响锥部分，通过置信水平为95%的红噪声检验的部分用粗黑实线表示。
图8 连续小波变换功率谱年平均气温、PDO

注：图A是淮河流域年平均气温与PDO的交叉小波功率谱，图B为淮河流域年平均气温与PDO的相干小波功率谱；细实线为影响锥，在该细实线以外的功率谱不予考虑；粗实线圈出的范围通过了为95%显著性水平检验下的红噪声检验；箭头表示相对位相差，→表示年平均气温和PDO同位相变化，←表示年平均气温和PDO反位相变化，↓表示年平均气温变化位相比PDO变化位相落后90°，↑表示年平均气温变化位相比PDO变化位相提前90°。
图9 平均气温与PDO的交叉小波功率谱、相干小波功率谱的关系

2.5.3 PDO冷暖相位转变对淮河流域气温的影响 为了进一步探究淮河流域气温与PDO之间的联系,我们根据PDO的年代际振荡特征，对研究时段进行冷暖相位划分，将PDO指数进行11 a滑动平均处理，指数大于零(小于零)则称为PDO暖相位(冷相位)[45]，通过分析结果可知在研究时段内1965—1976年基本处于冷相位，1977—2000年PDO转变为暖相位，2001—2016年PDO又向冷相位发展。通过对流域不同相位下的年平均气温进行插值，由插值结果可知当PDO处于冷相位时，淮河流域的年平均气温比PDO处于暖相位时年平均气温高(图10)。这与以往研究发现的在PDO暖位相期，长江中下游地区的气温异常偏低是一致的[46]。从冷暖相位的年平均气温差插值图中可以看出，流域中部地区在PDO冷相位与暖相位时的气温差异较小。由此可见，PDO处于不同相位时地区气温的变化也会产生差异。

3 讨 论

淮河流域年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温的突变时间均在20世纪90年代发生突变，3类气温突变前后均呈上升趋势，与1950年以来全球气候变暖状况加剧相呼应[47]。

PDO作为一种年代到年代际时间尺度上的气候变率强信号,可直接影响太平洋及其周边地区(包括中国)气候产生年代际变化[46]，对区域乃至全球气候变化具有重要的影响[48-51]。在国内相关学者主要探讨了PDO对中国降水[42]、季节性气温[52]、气候变率[46]、干湿变化[53]等方面的影响，而对局域范围内PDO与年际尺度气温之间的关系研究较少。本文利用小波分析等方法，探讨了淮河流域气温与PDO之间的关系，发现淮河流域平均气温存在1.3～5.5 a的显著周期，PDO在4.2～5.5 a存在显著周期，虽然尺度上并不能完全对应，但有交叉部分，表明淮河流域年平均气温与PDO有相似的震荡周期特征。在高能量区淮河流域年平均气温和PDO的相关性主要体现出3～6 a的共振周期，在低能量区两者存在2～4 a和2.5～5.5 a的共振周期，表明PDO对淮河流域年平均气温在较短年际周期交替上有重要的影响。

图10 PDO不同相位所对应的流域年平均气温状况

PDO处于暖位相(即“正相位”)时，热带中东太平洋异常暖，阿留申低压加强，西风加强，北太平洋中西部温度较低，赤道中东太平洋、北美沿岸和阿拉斯加湾偏暖，大气环流由此产生变化，直到几十年之后才逐渐变冷，PDO冷相位(即“负相位”)时，太平洋出现类似于拉尼娜现象，赤道附近的深海冷水涌上洋面，大气圈变冷[54-57]。由插值结果可知当PDO处于冷相位时，淮河流域的年平均气温比PDO暖相位时高(图10)，朱益民等[46]曾分析了PDO在海洋中的特征及其与东亚大气环流和中国气候变率的联系，其结果与本文结果具有一致性。但在之前众多学者分析中[29,50,57]，当PDO处于年代际正(负)相位时，气温是普遍偏高(低)的，与本文的研究结论存在矛盾，这是淮河流域在1976—1999年温度的持续升高的积累所致。从PDO不同相位时淮河流域年平均气温变化趋势可以看出，在冷相位时期(1965—1976年、2001—2016年)流域年平均气温的变化趋势线斜率分别为-0.023 7，0.002 9(图11)。表明在此阶段内流域年平均气温呈下降趋势或极不显著的升温，PDO的相位转变是气候变暖停滞的原因之一[58-59]。

图11 PDO不同相位时流域气温变化趋势

由于本文所使用数据序列长度有限，在揭示流域长期气温时空格局变化上存在局限性和不足。本文对于淮河流域年平均气温与PDO的关系只是进行了初步探讨，还需进一步分析PDO对研究区年平均气温变化的影响机理。

4 结 论

(1) 在流域气温时空变化上，流域多年平均气温为14.99℃，1965—2016年淮河流域年平均气温、最高气温和最低气温均有不同程度的上升，其中年平均最低气温的上升趋势最为明显，气温变化趋势线斜率为0.039 2。流域气温从南向北呈现递减趋势，南部黄山地区以及流域北部的沂蒙山和大别山山区海拔较高，受地形的影响，根据气温的垂直递减规律，三地区年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均为淮河流域明显的低值中心。

(2) 在气温变率的空间分布中，淮河流域各个地区气温均呈上升趋势，但各地增温趋势存在差异，流域的平均气温升高态势呈现出东部沿海高，西部内陆低的空间格局，而最高气温在流域西南部升温较为显著，最低气温在流域西北地区的升温较为明显。年平均气温的突变主要发生在1996年，而年平均最高气温和年平均最低气温的突变则稍有提前(1992年)。

(3) 在淮河流域年平均气温与PDO的关系上，淮河流域平均气温存在1.3～5.5 a尺度的年际振荡周期，呈现出与PDO指数相似的变化特点。高能量区表现出3～6 a的共振周期,平均气温变化位相比PDO提前；低能量区分别存在2～4 a和2.5～5.7 a的共振周期。PDO冷暖相位转变对淮河流域气温变化具有显著影响，当PDO处于冷相位时，淮河流域的年平均气温比PDO暖相位时高。