中国气温和降水局地同期相关的季节差异及年代际变化

平措次旺 索南才吉 格桑次旺 巴桑

摘要：通过对我国气温和降水的方差构成和局地相关关系的性质、季节差异及地理分布进行分析，结果表明：我国60年和前后30年冬、夏相关系数r图均是显著的，且为负相关，夏季表现最为明显。前、后30年冬季两者的负相关关系加强，但极不稳定;夏季2个负相关关系减弱，稳定性有区域差异。气温和降水的年代际变化存在明显变化，其降水年代际变化波动更为明显，2种要素的方差构成其冬季气温的年代际方差贡献大于夏季、夏季降水年代际方差贡献大于冬季。在60年、前30年和后30年的完整场序列方面，对于年代际分量的显著性在气温和降水上存在显著差异，气温的年代际变化分量在大部分测站上显著，降水的年代际变化分量只有少数的测站上显著。

关键词：季平均气温和总降水;相关关系;年代际变化;暖干和冷湿团

中图分类号 P461.7 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2020）16-0179-07

IPCC于2014年发布了第5次气候变化的科学评估报告[1]，揭示了近100年全球气候的变暖、极端天气事件的频繁发生，其中高温和强降水事件趋多趋强，未来气候灾害风险更趋严重，并将严重影响自然生态系统和人类的生存和发展，需要国际社会积极采取措施行动，共同应对恶劣的气候变化。由此可见，气候问题不再仅仅是环境问题，而是更高层面的发展问题，并体现在人类安全和国家安全保障的许多环节。气候变化是当前人类共同面临的重大环境问题之一[2]，不再仅仅是一个学科问题，已日渐成为人们共同关心的重大社会问题。

我国属于典型的季风气候国家，其中气候种类繁多且复杂多变，各地方气候差别大，20世纪中期以来，我国各地方的气候发生了显著的变化，其中地表平均气温平均每10年升高0.23℃变暖幅度几乎是全球的2倍，高温、暴雨、干旱、台风等极端天气气候事件频繁发生且趋强。自21世纪以来，气象灾害造成的经济损失与国内生产总值的1%成相同率，是同期全球平均的8倍。

气温和降水是描述气候状态的2个基本变量，其变化规律可以反映气候系统的基本变化特征。在全球变暖背景下，近100年来中国地表平均气温显著升高，比同期升温幅度平均值略高。我国增温主要发生在冬、春季，夏季气温变化不明显，对于降水而言，中国夏季在很大程度上决定了全年降水量的多少。众多研究表明，我国气温、降水局地同期相关存在显著的季节差异及年代际变化特征，周晓霞[3]等分析了近40年我国气温和降水的局地相关关系的性质、季节变化和地理分布，结果表明，我国冬夏气温，降水异常序列中，自由度均分的方差年代际变化大于年际变化，但总方差则恰恰相反，尤气温最明显;夏季在2种要素的局地相关图上表现出显著的负相关，显著区覆盖了 35°N以南、105°E以东的区域;局地气温和降水在夏季呈现显著的负相关关系。黄嘉佑[4]研究表明，我国夏季气温场与降水场相互之间存在显著的反相关，长江中下游、华南和华北等地区表现很显著。李爽等[5]初步分析了我国近30年（1971-2000年）气候变化趋势，结果表明：近30年我国气候变化主要以增温为主，尤其是大范围的区域温度升高、降水增加。四季也以变暖湿的特点为主，而秋季略有异常，暖干型气候变化是全国大范围的主要气候特点，冷干型气候变化在冬季不存在。李亚滨等[6]通过对气温和降水的相关分析，认为黑龙江省大兴安岭、黑河及齐齐哈尔北部地区气温和降水存在着正相关，表明北部地区主要以暖湿或冷干相伴的气候特点为主;而部分地区的气温和降水之间存在负相关关系，表明存在暖干或冷湿相伴的气候变化。宋连春等[7]研究揭示了我国近40年的气温时空变化特征，表明我国气温的年际变化和變化特征存在显著的区域和季节差异，在总趋势升高的基础上，具有冬季升温、夏季降温、前期降温和后期升温等特点，并且气温变化存在较明显的准周期振荡。

本研究选取国家气候中心提供的我国160站逐月气温和降水量资料，用相关分析方法和周期分析方法分析了我国冬、夏季2种要素的方差构成和相关联系，为揭示我国气候系统中气温与总降水的同期相关联系提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料 本文使用的资料为国家气候中心提供的我国160站逐月气温和降水量资料。根据研究需要，将其处理为季平均气温和季降水总量。其中，冬季和夏季分别对应12月至次年2月和6-8月。1951-2010年分3个时段（60年、前30年和后30年）、2个季节（冬季和夏季），由此整理1951-2010年（对应γ=1-59、γ=1-28）冬、夏季中国160站气温、降水序列。

1.2 方法

1.2.1 周期分析 f、g分别表示季平均气温和季总降水量的（几何）标准化距平序列。用周期分析方法可将其分解为年代际和年际变化分量sf、sg和sf、sg，它们是中心化、但非标准化的。（sf sg）=（∑6k=1fk ∑6k=1gk），（ff fg）=（1-f 1-g） （1）

式中：fk为f的k波分量fk=（f，～ck）～ck+（f，～sk）～sk （2）其中，～c、～Sk为几何标准化的余弦、正弦谐波分量（即||～ck||2=||～Sk||2=1）

～Ck=（～ckj），～Ckj=2/ncos2πkj/n （3）

～Sk=（～Skj），～Skj=2/nsin2πkj/n

取n=30计算时，（1）式中及∑3 k=1，（2）式不变，（3）式中n= 30。Ss=6（3）∑k=1 （a2 k+b2 k），γs=12（6）

Sf=1-Ss，γf=47（23） （4）

Fγs，γf =Ss/γs/Sf/γf，Fγs，γf（α=0.01）={2.60（60） 3.71 （30） （5）

1.2.2 稳定站数 首先，构造整数数组l1（160）、l2（ 160）和l（160），其中

l1（i）={0|r前30α（i）|rα，30（正显著站点）

l2与r后30α的关系同上。

其次，计算l（i）= l1（i）×l2（i），则有

l（i）={1 负稳定站 4正稳定站 2反转站（可理解为极不稳定）

最后，对l进行统计，其中l（i）= 1的总站数为M-;l（i）=4的总站数为M+;M=M+ +M-。

1.2.3 相关分析

r = （ t'，r' ） /（ ||t'|| ||r'||），

（6）

rs =（t's，r's） / （ ||t's|| ||r's||），

rf= （tf，r'f）/（||t'f|| ||r'f|| ）

2个要素时间序列相关系数r的全体构成一个相关系数场r。个别点上相关系数r的显著性检验使用t检验，对a=0.01和γ=58、γ=28，t检验用到的临界相关系数及显著检验参考表1。

2 局地相关系数图的分析

分别计算60年，30年的冬、夏季各站完整序列t'和r'、慢变序列和快变序列的局地同时相关系数r、rs。

2.1 60年气温和降水局地相关关系 图1（a）中通过相关计算r0.01（60a ）= 0.330，相关系数绝对值大于此阈值的台站共计23个，其中正相关3个，负相关20个，相关数r图均是显著的。图中深色阴影区为正相关显著区，浅色阴影区为负相关显著区，大范围的相关显著分布以负相关为主，以暖干或冷湿相伴主的气候发生变化，而西北西部和西南北部存在少量的正相关显著区，表明这地区气候变化特点主要是暖湿或冷干相伴。图1（b）相关系数绝对值大于此阈值的台站共有98个，均为负相关，夏季相关系数r图均是显著的，其中负相关优势明显，对比冬季该特点在夏季尤为明显。夏季对气温和降水的影响较大，其气温和降水的相关性较强。35°N以南、105°E以东的大部分区域、华北和西北的大部分被夏季反相关所覆盖，表明这些区域的暖干或冷湿相伴的气候变化在夏季出现的几率较大r0.01（60a ） = 0.330。

由图1（a、b）可知，我国60年里冬、夏季单站同期相关系数r图均是显著的，且以负相关为主，该特点夏季最为明显，并且冬、夏季的显著位置及分布特点存在特点。35°N以南、105°E以东的大范围地区，以及华北和西北的大部分区域被夏季反相关显著区所覆盖，意味着这些地区干热型、湿凉异常夏季出现的几率较大。陈隆勋等[9]曾分析了我国近40年来的气候变化特点，结果表明，自1951年以来华北地区、西北地区和东北地区变暖变旱;西北东部地区变冷和略变湿;长江中下游地区略为变冷和变旱;西南地区明显变冷（尤以四川盆地为甚）和略变旱;华南略变冷（东南沿海在变暖）和变旱，与我国近60年的气温和降水的相关关系接近相同。

2.2 前30年气温和降水局地相关关系 图2（a）通过相关计算r0.01（ 30a ）= 0.463，相关系数绝对值大于此阈值的台站共有9个，其中正相关1个，负相关8个。在冬季西北西部存在气温和降水的正相关显著区，具有暖湿或冷干相伴的气候特点，而大部分整片属负相关显著区，表明这些区域暖干或冷湿相伴的气候特点最显著，其气温和降水存在的相关关系及分布特点跟我国近60年冬季的气温和降水的局地相关分布略同。图2（b）r0.01（30a）=0.463，相关系数绝对值大于此阈值的台站共有81个，均为负相关。35°N以南、105°E以东的绝大部分地区，以及华北和西北的部分地区被相关性显著区所覆盖了，相对于负相关，表明这些区域通常呈现干热或湿冷型夏季，这与黄嘉佑[7]得到的结论吻合，对比我国前30年的冬其夏季对气温和降水的影響较大、相关性较强。

我国前30年的单站气温、降水相关系数场图上，显著相关主要发生在夏季，以负相关为主，40°N以南、105°E以东的绝大部分地区被反相关显著区所覆盖，以及华北和西北的部分地区而冬季的显著区只覆盖了西北西部的若干个区域，并且相对于夏季其位置及分布特点存在差异，结合海英等[10]的研究结论，前30年间中国东部沿海大多数地区及青藏高原等地区向冷湿发现发展，中西部等向冷干发展。黄嘉佑[4]曾通过气温场与降水场相互关系分析（1951-1985年期间）发现它们有显著的反相关，表现显著的地区为长江中下游、华南及华北等，与本文研究的我国前30年的单站气温、降水相关关系一致。

2.3 后30年气温和降水局地相关关系 图3（a）计算后30年相关系数r0.01（30a ）=0.463，相关系数绝对值大于此阈值的台站共21个，其中正相关1个，负相关20个。气温和降水相关显著性以负相关为主，显著区域分散在东北西部、西南北部和西北西南部，表明这些地区显著的暖干或冷湿相伴的气候特点。可以得出中国中西部、青藏高原和中国东北地区的温度升高且多雨，温度升高降水增加;淮河及秦岭以南的地区低温少雨，气候变得冷湿。图3（b）r0.01（30a）=0.463，相关系数绝对值大于此阈值的台站共有51个，均为负相关。与前30年一样单站气温、降水局地相关图上负相关显著占绝大优势，其在夏季最明显。相关性显著性成片于华南地区、东北北部、蒙古地区和西北西部的若干个地方，表明这些区域通常出现干热或湿冷型夏季季，跟姜玉印[8]得出的结论一致。

后30年冬、夏季气温和降水的局地相关联系均为负相关，在夏季显著性尤为明显，并且对气温和降水的影响较大，我国东部气候变化的季节特征很明显;北方地区在冬季增暖较为显著，而在夏季沿着30°N的变冷趋势更强。

上述图1～3分别为60年、前30年和后30年完整的相关系数序列，表1和2给出了3组图上相关系数显著性水平的站数。综合观测这些图表可见：我国60年、前30年或后30年无论冬、夏相关系数r图均是显著的，且均是负相关，负相关占绝对的优势，该特点夏季最为明显，且冬、夏季相关显著位置及分布特点存在差异。35°N以南、105°E以东的大部分区域、华北和西北的大部分被夏季反相关所覆盖，这意味着这些地区存在暖干和冷湿态，与赵晓霞等[3]的研究结果一致。

根据上述对冬季（图2a、3a）和夏季（图2b、3b）进行的分析，对前、后30年统计结果的比较可以看出，冬季两者的负相关关系加强，但极不稳定;夏季2个的负相关关系减弱，稳定性有区域差异;华北、长江中游、江南较稳定，淮河和长江下游流域不稳定。

3 气温和降水年代际变化

3.1 方差分析 根据我国60年、前30年和后30年距平场序列中慢变、快变方差贡献（表3），无论是60年、前30年或后30年，我国冬、夏季降水和气温年代际方差贡献远差超过年际方差贡献，其中除60年我国夏季降水的年代际变化的方差贡献略大于冬季，而60年里冬、夏季的气温和降水的年代际方差贡献相同。我国气温和降水都存在显著的年代际变化，对于气温来说，降水的年代际变化波动更为明显。参考文献[11]根据F检验中通过a=0.01的慢、快变分量站数Ps、Pf（表4），就我国60年、前30年和后30年的完整场序列而言，年代际分量的显著性在气温和降水上存在显著差异，年代际变化分量在气温的大部分测站上显著，而只有少数的年代际变化分量在降水测站上显著[12]，其中前30年冬、夏季气温的年代际分量外60年和后30年气温的年代际分量是显著，并且60年的显著率尤为明显而冬，夏季降水的年代际分量的显著程度极小，年代分量的无论是冬、夏均不达不到显著程度。

3.2 60年年代际分量的相关关系 图4（a）将取信度（α=0.01，r0.01，60=0.689）时，所有站点的相关均不显著，冬季在全国大部分地区降水异常和气温异常略似呈反位相变化。图4（b）相关数r0.01，60 = 0.689，相关系数绝对值大于此阈值的台站共计10个（张家口、天津、岳阳、贵溪、南昌、曲江、柳州、宜宾、岷县），均为负相关，以暖干或冷湿相伴的气候特点具有很好的对应关系。由于位置显著站点位置分散，所以在图中未出现明显的显著区域。

3.3 前30年年代际分量的相关关系 1951-1980年中国160站冬季气温和降水距平场慢变分量序列的相关系数（图5a）取信度（r0.01，30 = 0.875）时，所有站点的相关均不显著。与整体的60年一样，冬季在全国大部分地区降水异常和气温异常略似呈反位相变化。夏季气温和降水距平场慢变分量序列的相关系数（图5b ）r0.01，30=0.875，相关系数绝对值大于此阈值的台站共有6个（阳江、柳州、百色、康定、且末、乌苏），均为负相关，常常呈现跟干热型、湿凉型夏季，由于位置显著站点位置分散，所以在图中未出现明显的显著区域。

3.4 后30年年代际分量的相关关系 1981-2010年中国160站冬季气温和降水距平场慢变分量序列的相关系数（图6a）r0.01，30=0.875，相关系数绝对值大于此阈值的台站共有2个（东台、屯溪），均为正相关。由于位置显著站点位置分散，所以未出现明显的显著区域。东台、屯溪的气温偏高（低）常常与降水偏多（少）相对应。夏季气温和降水距平场慢变分量序列的相关系数（图6b）r=0.01，30=0.875，相关系数绝对值大于此阈值的台站共有7个（牡丹江、乌兰浩特、天津、贵溪、曲江、柳州、百色），均为负相关，这些区域干热型、湿凉异常夏季出现的几率较大，由于位置显著站点位置分散，所以在图中未出现明显的显著区域。

上述分析我国60年、前30年和后30年冬、夏季气温和降水的年代际相关分析（图4～6），表5和6给出了3组图上相关系数显著性水平的站数。综合观测这些图表可见，当取信度a=0.01时，除后30年我国冬季所有气温和降水的年代际分量站点的相关均不显著，而后30年台站均为正相关，即气温偏高（低）常常与降水偏多（少）相对应。但由于位置显著站点位置分散，所以在图中未出现明显的显著区域。而3个时段的夏季气温和降水的年代际变化有一定的同步性，它们之间存在显著的负相关，以暖干或冷湿相伴的气候特点有很好的对应关系。前后30年冬、夏季慢变相关均强而稳定其多数区域干热型、湿凉异常夏季出现的几率较大，就我国60年、前30年和后30年的完整场序列而言，年代际分量的显著性在气温和降水上存在显著差异，年代际变化分量在气温的大部分测站上显著，而只有少数的年代际变化分量在降水测站上。

4 结论

（1） 我国60年前30年或后30年的冬、夏相关系数r图均是显著的，且均为负相关，负相关站绝对的优势，该特点夏季最为明显，且冬、夏季相关显著位置及分布特点存在差异。35°N以南、105°E以东的大部分区域、华北和西北的大部分被夏季反相关所覆盖，这意味着这些地区存在暖干和冷湿2种气候状态。

（2） 对前、后30年统计结果的比较可以看出，冬季两者的负相关关系加强，但极不稳定;夏季2个的负相关关系减弱，稳定性有区域差异;华北、长江中游、江南较稳定，淮河和长江下游流域等不稳定。

（3） 就我國60年、前30年和后30年的完整场序列而言，年代际分量的显著性在气温和降水上存在显著差异，年代际变化分量在气温的大部分测站上显著，而只有少数的年代际变化分量在降水测站上。冬季气温的年代际方差贡献大于夏季、夏季降水的方差贡献大于冬季。取信度a=0.01时，除后30年我国冬季所有气温和降水的年代际分量站点的相关均不显著，而3个时段的夏季气温和降水的年代际变化有一定的同步性，相互之间存在显著的负相关，以暖干或冷湿相伴的气候特点有很好的对应关系。前后30年冬、夏季慢变相关均强而稳定其多数区域干热型、湿凉异常夏季出现的几率较大。

参考文献

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作者简介：平措次旺（1993-），男，藏族，西藏日嘻则人，助理工程师，研究方向：综合气象观测。 收稿日期：2020-06-22