陕南地区1960—2015年气温时空变化特征分析

杜建括， 李 双， 邢海虹

(陕西理工大学 历史文化与旅游学院， 陕西 汉中 723000)

全球气候变暖是目前最受国际社会关注的热点问题之一。IPCC第五次评估报告指出，气候系统的暖化是毋庸置疑的，1880—2012年全球气温上升了0.8 ℃[1]。1905—2001年中国年平均气温升高了0.79 ℃，20世纪30—40年代及20世纪80年代中期以后气温明显偏高[2-3]。受自然和人类活动的影响以及地球系统空间格局不同，各区域升温过程并不同步，升温幅度空间差异明显，1951—2010年东北地区升温速率最快，达到0.30 ℃/10 a，华南区最慢，为0.13 ℃/10 a[4]。陕西省地处西北内陆腹地，自北向南分别为陕北黄土高原区、关中盆地断裂构造带以及陕南秦巴山区，自然区划上横跨北方和南方，境内气候多样，复杂多变，是我国气象灾害及衍生灾害严重的省份之一。气候变化的研究，对于陕西省农业生产、城市规划、旅游资源开发等具有重要的指导意义。

陕南位于陕西省西南部，北靠秦岭、南倚巴山，地质复杂，地貌各异，是我国南北方过渡地带，生态环境脆弱，在气候变化背景下，极端天气与气候事件增多，灾害发生的频率增加[5]。已有研究主要侧重于陕南地区短时间序列气温和降水的时空变化特征[6-7]，或对本地部分区域气温年际和季节变化趋势、突变特征及极端气温进行了分析[8-9]；此外，已有研究代表序列中大多包括佛坪、镇安等位置发生变化的气象站点数据[10]，导致数据部分失真。基于此，本文基于陕南及周边26个气象站点数据，利用相关分析、线性倾向估计、样条函数插值和Mann-Kendall非参数检验法对陕南1960—2015年气温时空变化特征进行了较为细致的分析，为本区生态系统、农业对气候变暖的响应研究提供参考及理论支撑。

1 研究资料及方法

1.1 研究资料

本文研究数据来自中国气象数据网(http://data.cma.cn/)，共搜集陕南地区10个、周边16个气象站点数据。

1.2 空间一致性检验

气象站点之间地形存在一定差异，需要对陕南地区空间一致性及建立的平均气温序列代表性进行检验，本研究借鉴董满宇等[11]方法对陕南地区各站点空间一致性进行检验。选取的10个气象站点分布相对均匀，各站点间相关系数普遍超过0.8(表1)。构建的陕南地区平均气温序列(10个站点相同年份取平均值)与各站点的spearman相关系数较高，大部分超过0.85，且通过了0.01的信度水平，证明建立的陕南地区气温变化序列具有较好的代表性，用其代表陕南地区1960—2015年气温变化是可行的。

表1 陕南各站点、代表序列相关性分析

注：**表示显著性水平P<0.01；代表序列为陕南地区10个气象站点相同年份平均气温数据组成的序列。

1.3 研究方法

1.3.1 线性倾向估计

气温线性趋势的回归方程为

T=a+bt，t=1,2，…,n,

(1)

式中T为气温(单位为℃)；a为常数；b为一次项系数，每10年气温倾向率记为10b(单位为℃/10 a)。当b>0 时，说明气温随时间t呈上升的趋势，b<0时说明气温随时间t呈下降的趋势[12]。

1.3.2 样条函数插值

基于陕南及周边26个气象站点，使用样条函数法对陕南1960—2015年的年均温、四季平均气温数据进行了插值，以分析陕南气温空间变化特征。

如果用Z表示待估点的值，可表示为[13]

其中，n为参与插值的临近气象站点数，di为待插值点到第i个气象站的距离，Ai、a、b、c均为方程系数。插值结果可以用于分析气温空间变化趋势。

1.3.3Mann-Kendall检验

Mann-Kendall法是一种非参数突变检验方法，其检测范围宽、人为干扰少、定量化程度高[12]。本文采用Mann-Kendall法分析陕南气温突变。

Mann-Kendall法是在气温序列平稳的前提下，对于具有n个样本量的序列x(x1，x2，x3，…，xn)，ri表示第i个样本xi大于xj(1≤j≤i)的累计数，定义一个统计量：

在时间序列随机独立的假定下，定义统计量

式中UF1=0，E(dk)、var(dk)分别为累计数dk的均值和方差，在原序列相互独立且有相同连续分布时，可由下式计算：

UFk为标准正态分布，其概率a1=prob(|U|>|UFk|)可以通过计算或查表获得，给出显著水平a(取a=0.05，u0.05=1.96)，若|UFk|>u0，则表明该气候序列呈显著的变化趋势。

按时间序列x逆序(xn,xn-1,……,x1)再重复上述过程，同时使UBk=-UFk(k=n,n-1,…，1)，UB1=0。若UF>0，表明序列呈上升趋势，若UF<0则表明呈下降趋势，超过置信水平时，表明趋势显著。如果UF和UB两条曲线相交，且交点在信度线内，则这个交点对应的时刻即为突变开始的时间。

2 年平均气温时空变化特征分析

2.1 年均温时间变化趋势

如图1(a)，陕南地区气温演变过程较为简单，除2013年外，气温距平值都在±1 ℃范围内，相对高温期和相对低温期相间分布，在1993年之前气温呈相对低温的特征，1994—2015年气温相对较高。气温的年际变化呈开口向上的抛物线状。

如图1(b),1960—2015年平均气温为13.64 ℃，最低气温出现在1984年的12.8 ℃，最高气温出现在2013年的14.66 ℃。1960—2015年气温变化倾向率为0.094 ℃/10 a，气温总体呈弱上升趋势。但1984年以来气温上升趋势较为显著，气温变化倾向率达到0.31 ℃/10 a。此外，气温的年代际差异明显，20世纪60、70和80年代气温低于多年平均值，90年代以来气温高于多年平均值。20世纪80年代平均气温为13.21 ℃，较70年代降低了0.36 ℃，是降温幅度最大的年代，也是平均气温最低的年代。20世纪90年代年平均气温为13.67 ℃，较80年代上升了0.46 ℃，是增温幅度最大的年代。2010—2015年平均气温为13.96 ℃,气温最高。经计算陕南地区1960—2015年平均气温变异系数为0.034，从数值来看年平均气温波动不大。

(a)气温距平值 (b)年平均气温图1 1960—2015年陕南年平均气温变化趋势图

图2 1960—2015年陕南年平均气温变化倾向率空间分布图

图3 1960—2015年陕南年平均气温Mann-Kendall曲线

2.2 年均温空间变化趋势

如图2所示，陕南地区年平均气温年际变化东西向空间差异明显，整体东部升温幅度小于西部，且东部升温一致性较好，西部升温幅度差异明显。位于陕南东部的商丹盆地及西部巴山部分区域升温幅度最小，在0.001～0.049 ℃/10 a之间。汉中盆地及其以北的秦岭南坡升温幅度最大，气温变化倾向率介于0.098～0.337 ℃/10 a。安康盆地及周边区域、汉中盆地以西的部分区域升温幅度较小，在0.050～0.097 ℃/10 a之间。

2.3 年均温突变检验

由图3可知，1993年之前陕南地区气温呈缓慢下降趋势，之后气温大幅上升。全年气温在2001年发生突变，并通过了0.05的置信度检验，突变后气温由1996—2000年的13.52 ℃上升到2001—2015年的13.96 ℃。

3 四季气温时空变化特征分析

3.1 四季气温时间变化趋势

据图4，陕南地区四季气温距平变化差异较为明显。春季以1994年为界，之前气温距平以负为主，之后以正距平为主，占所有年份的87%。夏季在1980年之前及1994—2002年气温距平以正为主，占比超过80%；1980—1993年和2003—2015年气温距平以负为主，分别占86%和69%。秋季在1977年之前气温距平以负值为主，占76%；1977—2004年气温负距平稍占优势，占57%；2005—2015年中除2012年外所有年份气温距平均为正值。冬季以1997年为界，1997年之前气温距平以负值为主，占59%；之后气温距平以正值为主，占68%。春、夏、秋和冬季气温变化倾向率分别为0.17、-0.06、0.13、0.14 ℃/10 a，说明春、秋和冬季气温总体呈上升趋势，春季气温上升速度最快，而夏季气温总体呈降低趋势。对陕南四季气温变异系数计算结果显示冬季变异系数最大，为0.243；夏季变异系数最小，为0.027；春季略大于秋季分别为0.050和0.045。从四季变异系数值大小来看，冬季气温变率最大，夏季气温波动最小。

图4 1960—2015年陕南四季气温变化趋势图

图5 1960—2015年陕南四季气温变化倾向率空间分布图

3.2 四季气温空间变化趋势

陕南地区四季气温年际变化东西向空间差异明显(图5)。春季气温呈显著增温趋势，东部升温幅度一致性较好，西部升温幅度差异性较为显著。春季汉中盆地及以北的秦岭山地升温幅度最大，气温变化倾向率介于0.374～0.414 ℃/10 a，汉中盆地以西的宁强县、留坝县大部分区域升温幅度最小，气温变化倾向率在0.036～0.077 ℃/10 a之间。陕南夏季中东部气温主要呈下降趋势，位于秦岭东段南麓的商丹盆地气温下降趋势最为显著，气温变化倾向率介于-0.215～-0.154 ℃/10 a；位于西部的汉中盆地及周边以气温上升趋势为主，汉中盆地及以北的秦岭山地升温幅度最大，气温变化倾向率在0.168～0.190 ℃/10 a之间。秋、冬季气温均呈现上升趋势，整体上气温上升幅度自东向西有增加的趋势。秋季位于陕南东部的商洛市大部升温幅度最小，气温变化倾向率介于0.023～0.054 ℃/10 a；汉中盆地及以北的秦岭山地升温最为显著，气温变化倾向率介于0.293～0.324 ℃/10 a。冬季位于陕南东部的商洛市大部分区域和西南部的宁强县小部分区域升温幅度最小，气温变化倾向率介于0.035～0.079 ℃/10 a；汉中盆地及以北的秦岭山地升温速率最快，气温变化倾向率为0.299～0.386 ℃/10 a。

3.3 四季气温突变检验

从图6可以看出，春季气温在1960—1982年相对平稳，1982—1993年气温出现较大幅度下降，1997年之后出现大幅上升。春季气温在2000年发生突变，并通过了0.05的置信度检验，突变后气温由13.68 ℃升高为14.50 ℃。夏季气温1966年之前波动下降，1967—1972年气温相对平稳，1972—1993年气温大幅降低，1993—1997年气温出现大幅上升，1997年之后气温变化相对平稳。夏季气温在1970年发生突变，并通过0.05的置信度检验，突变后气温由24.01 ℃降低为23.44 ℃。秋季气温在1971年之前波动下降，之后波动上升，1984—1997年气温虽有波动但整体相对平稳，1997年之后气温大幅上升。秋季气温在1998年发生突变，并通过了0.05的置信度检验，突变后气温由13.54 ℃上升为14.10 ℃。冬季气温在1991年之前呈弱波动上升趋势，1991年之后气温出现大幅度上升，2004年之后气温变化较为平稳。冬季气温在1994年发生突变，并通过了0.05的置信度检验，突变后气温由2.95 ℃上升到3.51 ℃。

图6 1960—2015年陕南四季气温Mann-Kendall统计量曲线图

4 结 论

基于线性倾向估计、样条函数插值、Mann-Kendall检验等方法，分析了陕南地区1960—2015年气温时空变化特征，得到以下结论：

(1)1960—2015年陕南地区年平均气温呈弱上升趋势(0.094 ℃/10 a)，经历了相对高温—相对低温—相对高温的变化过程，气温随年际变化呈开口向上的抛物线状。1984年以来本区气温上升趋势显著，气温线性倾向率高达0.31 ℃/10 a。1960—2015年陕南地区春、秋、冬季气温呈上升趋势，气温线性倾向率分别为0.17 ℃/10 a、0.13 ℃/10 a和0.14 ℃/10 a，夏季气温呈弱下降趋势，气温线性倾向率为-0.06 ℃/10 a。除夏季外，其他三季2005年以来气温以正距平为主。

(2)1960—2015年陕南年平均气温自1993年出现明显增暖趋势，并通过0.05的置信度检验，气温突变时间为2001年。春季、秋季、冬季平均气温分别自1997、1997、1991年出现明显增暖趋势，并通过了0.05的置信度检验，气温突变时间分别为2000、1998、1994年。夏季气温变化趋势较为复杂，20世纪70年代开始气温出现大幅降低，其降温是一突变现象，通过了0.05的置信度检验，具体开始时间为1970年；与其他三季不同，自20世纪90年代以来，夏季气温上升趋势并不显著。

(3)1960—2015年陕南地区年平均气温、四季气温年际变化东西向空间差异明显。年平均气温整体东部升温幅度小于西部，且东部升温一致性较好，西部升温幅度差异明显。春季东部升温幅度一致性较好，西部汉中盆地及以北的秦岭山地升温幅度较大。秋、冬季整体上气温上升幅度自东向西有增加的趋势。夏季中东部气温主要呈下降趋势，位于秦岭东段南麓的商丹盆地气温下降趋势最为显著，西部的汉中盆地及周边以气温上升趋势为主。