1961—2017年中国华东区域高空温度变化特征

支星 谈建国 孙兰东

(1.上海市气象局科技处，上海200030；2.上海市气候中心，上海200030；3.中国气象局上海城市气候变化应对重点开放实验室，上海200030)

引言

当前，全球气候系统受人类活动影响日益加剧，得到各国政府部门和广大公众的关注，气候变化研究已成为热点问题。已有研究表明，全球地表气温升高是不争的事实[1－4]。IPCC于2014年发布的第五次评估报告指出，近百年气候变暖是毋庸置疑的[5]。鉴于气候系统内部的相互关联，气候学家的关注焦点逐渐从地面扩展至高空，使得高空温度变化的研究也逐渐成为热点问题。目前，高空温度资料主要包括探空观测资料、卫星遥感资料和再分析资料三大类，探空温度资料尽管存在一定的人为误差，但其观测历史悠久、垂直层次多，空间分辨率高，在高空气候变化研究中具有不可替代性[6]，尤其在20世纪70年代以前，是高空大气相关信息的唯一来源[7]。

国外专家学者对于探空温度资料的研究起步较早。如Angell[8]利用1958—1998年全球63个探空站的观测资料，发现全球范围地面和对流层(850—300 hPa)普遍为增温趋势，北半球地面增暖趋势比对流层大，而南半球对流层增暖趋势比地面大。Branislava等[9]利用22个探空站对澳大利亚1958—2011年的高空温度进行分析，发现850 hPa、700 hPa的增温趋势大于地面，平流层下层100 hPa降温趋势非常显著。Brocard等[10]利用53个探空站对瑞士1959—2011年高空温度进行分析，发现1980年以来对流层增温明显，增温趋势向上逐渐减弱并在平流层变成降温趋势，对流层增温趋势在夏季最为显著，平流层降温趋势在冬季最为显著。RavindraBabu等[11]利用印度南部热带探空站Gadanki的2006—2018年探空数据，对印度本地的高空温度进行分析，发现在平流层低层有较明显的降温趋势，最大降温趋势为(1.3±0.86)K/10 a，在对流层整层均为升温趋势，最大升温趋势为(0.44±0.55)K/10 a。

中国探空观测始于20世纪50年代，观测站点由少到多，逐步遍布全国，探空资料的均一化研究始于20世纪90年代。相比于其他再分析资料，探空资料在中国区域的研究中可信度较高[6－7，12]，很多专家学者围绕全国范围或国内某特定区域进行研究，获得了有价值的研究成果。在中国全国范围来看，薛德强等[13]利用全国28个探空站研究发现，1961—2000年对流层中下层大部分地区呈现升温趋势，对流层上层和平流层大部分地区呈现降温趋势。王颖和任国玉[14]利用全国1961—2004年134个台站的探空温度资料，发现对流层中下层纬度越高增温趋势越明显，对流层上层纬度越高降温趋势越明显，平流层底层纬度越低降温趋势越明显。郭艳君和王国复[15]根据1958—2017年均一化的探空气温序列，发现对流层升温其中300 hPa升温最为明显，平流层下层降温，1979年后对流层升温趋势趋于显著。陈哲等[16]利用3种方法对1951—2008年中国123个探空站温度资料进行均一性检验和订正，发现对流层为增温趋势，增温趋势随高度的增加逐渐减弱，至对流层顶100 hPa转为弱的降温趋势。

在中国国内某特定区域范围来看，王荣英等[17]利用1979—2008年华北地区12个探空站资料，发现华北近地面到250 hPa的年平均温度和季节平均温度均呈现增温趋势，且离地面越近增温趋势越明显，对流层中下层在秋、冬季增温最为明显。谢潇等[18]利用中国地区137个探空站及地面160站资料，发现中国东部850—300 hPa于20世纪80年代末开始变暖，300—200 hPa为过渡层，气温由上升趋势过渡为下降趋势。柏玲等[19]利用新疆地区8个探空站逐日观测资料，发现1980—2013年新疆对流层上层的降温幅度大于中下层的增温幅度。

综上，目前研究大多集中在高空温度的时间变化特征方面[20]，对于空间分布特征研究的较少，专门针对中国华东区域的分析较少。中国华东区域作为中国综合技术水平最高的经济区，拥有全国30%的人口和38.7%的GDP生产总值。同时，中国华东区域为副热带季风气候，在全球气候变暖背景下，城市化和工业化带来的城市热岛效应也十分明显，近年来气温增暖显著[21－22]，但高空气温变化是否和地面增暖趋势一致尚有待验证。因此，本文利用1961—2017年的中国华东区域的探空资料分析该区域高空温度的时间和空间变化特征，为中国华东区域高空温度的年、季节变化趋势特征及对全球气候变化的响应提供参考。

1 资料与方法

所用的探空资料为国家气象信息中心整编的中国高空规定等压面月平均温度均一性订正数据集(V1.1)。数据为月平均资料，涵盖中国地区121个探空台站，等压面共8层，包括:100 hPa、150 hPa，200 hPa、300 hPa、400 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa，每天进行两次探空观测，分别为世界时的00时和12时，资料的时间长度为1951年4月至2017年12月。

本文在进行资料处理时，对于每个站点，当08时和20时两个时次中有一个时次的值缺失时，该站点该月数据即认定为缺测。一旦某站点某年缺测超过2次，即剔除该站点。严格的资料缺测处理方法可充分保证资料的连续性，最大限度避免引入误差。在研究时间变化特征时，对于整个中国华东区域的年平均温度，以所有探空站年平均温度的算术平均来计算。

中国华东区域六省一市本身探空站点不多，在综合考虑站点时间序列长度及数据缺测率的基础上，共选取13个探空站进行分析，站点空间分布如图1所示，具体信息见表1。13个站点中，山东省1个(青岛)、安徽省1个(阜阳)、江苏省3个(射阳、徐州、南京)、上海市1个(宝山)、浙江省2个(杭州、衢州)、江西省2个(南昌、赣州)、福建省3个(福州、邵武、厦门)，实现中国华东区域六省一市全覆盖，且站点分布相对均匀，空间性良好。

图1 中国华东区域13个探空站空间分布Fig.1 Locations of 13 radiosonde stations in East China

表1 中国华东区域13个探空站的地理信息Table 1 Detailed information of 13 radiosonde stations in East China

本文选取的研究时段为1961—2017年，选取850 hPa、500 hPa、200 hPa三个数据质量较好的层次，分别代表对流层中下层、对流层中层和对流层顶。季节划分方法为冬季(12—2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)。

2 结果分析

2.1 高空温度的时间变化

2.1.1 年际变化

图2 1961—2017年中国华东区域探空站850 hPa(a)、500 hPa(b)和200 hPa(c)高空温度的年际变化Fig.2 Interannual variation of radiosonde upper-level air temperature at 850 hPa(a)，500 hPa(b)，and 200 hPa(c)in East China from 1961 to 2017

由图2可知，1961—2017年中国华东区域探空站的850 hPa年平均温度以0.17℃/10 a的线性趋势显著增加(通过了置信度α＝0.1的显著性检验)，最高温度出现在1998年的11.5℃，最低温度出现在1984年的9.6℃。500 hPa的年平均温度增加趋势较850 hPa弱，为0.10℃/10 a(通过了置信度α＝0.1的显著性检验)，200 hPa的年平均温度也呈现升温趋势，增温幅度比500 hPa大，达0.14℃/10 a(通过了置信度α＝0.1的显著性检验)。

综合地面同时期的气温变化(0.20℃/10 a增温趋势，图略)来看，1961—2017年中国华东区域地面和对流层中下层增温趋势明显，向上增温趋势减弱，对流层顶增温趋势有所增强。这与陈哲和杨溯[23]研究结论类似，即研究1979—2012年中国探空温度资料中非均一性问题发现，探空资料在进行均一化订正后，100 hPa以下为升温趋势。这也与郭艳君和王国复[15]发现1958—2017年均一化的探空气温序列中300 hPa升温最为明显的研究结论类似。

对流层的增温趋势，主要和对流层的热量来源有关。对流层的热量主要来自地表的长波辐射，近60 a地表气温显著上升，通过对流活动向对流层高空输送的热量持续增加。同时，对流层的温室气体增加吸收了大量的长波辐射，造成对流层大气温度的升高[13，19，24]。

值得一提的是，在选取的13个站点中，上海宝山站经历了迁站的问题。上海中心气象台于1954年12月20日开始施放P3—049型探空仪(梳齿式电码型探空仪)，探测高空气压、温度、湿度资料[25]，但当时的观测是在上海徐家汇。1991年1月，高空气象探测站迁至宝山区宝杨路280号。因此，宝山站的资料其实分为两段，一段是在1961—1990年，观测资料用的是上海徐家汇站的观测资料，另一段是在1991—2017年，观测资料用的是上海宝山站的观测资料。为确保资料的可用性，本文分析了迁站对宝山站850 hPa高空温度变化的影响，见图3。由图3可知，宝山站在1991年前后的850 hPa温度数据是连续的，1991年前温度趋势变化几乎是一条直线，1991年之后温度呈现较明显的升温趋势，并没有出现类似仪器设备更换、辐射订正方法改变等带来的系统性偏低的误差[7，23]，同时宝山站整体1961—2017年850 hPa的增温趋势在0.14℃/10 a左右，与图2a较为接近，因此宝山站虽然经历了迁站，但资料可用。这也与吴慧等[26]的研究结论类似，该研究应用E-P检验方法监测中国东部4个站的非均一性，发现这些站的序列在迁站年前后没有出现间断点。

图3 1961—2017年850 hPa上海宝山站高空温度变化Fig.3 Variation of air temperature at 850 hPa observed at the Baoshan station in Shanghai from 1961 to 2017

2.1.2 年代际变化

由中国华东区域探空站的年代际变化特征可知(表2)，850 hPa平均温度先降后升，20世纪70年代达到最低的10.09℃后开始逐渐升高，并在21世纪前10 a达到最大，同时增温趋势在2011—2017年达到最大的1.89℃/10 a(通过置信度α＝0.1的显著性检验)。500 hPa平均温度则和850 hPa呈现出类似的特点，同样是在20世纪70年代达到最低后开始逐渐升高，在2011—2017年平均值达到最大，最大增温趋势也出现在这7 a。200 hPa平均温度的年代际变化特征则总体呈现持续的升温趋势，最低值在1961—1970年，最高值在2011—2017年。

综上，1961—2017年中国华东区域850 hPa、500 hPa平均温度的年代际变化均呈现出先降低后升高的趋势，而200 hPa平均温度变化的年代际变化则呈现持续升高的趋势。这与对吉林省高空温度的分析结论类似，即850—300 hPa，各年代平均温度在20世纪60—70年代温度降低，70—90年代温度升高[27]。

表2 1961—2017年中国华东区域探空站高空温度年代际变化Table 2 Interdecadal variation of radiosonde upper-level air temperature in East China from 1961 to 2017

2.1.3 季节变化

从不同层次不同季节的温度变化趋势来看(图4至图6)，850 hPa(图4)各季节均呈现出增温趋势，其中冬季的增温趋势最大，达到0.28℃/10 a(通过了置信度α＝0.1的显著性检验)，春、秋季增温趋势虽不及冬季，也均达到了0.16℃/10 a以上(通过了置信度α＝0.1的显著性检验)，夏季则增温趋势非常微弱。500hPa(图5)，不同季节的增降温

图4 1961—2017年中国华东区域探空站850 hPa春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均温度变化Fig.4 Annual variation of seasonal mean air temperature at 850 hPa in spring(a)，summer(b)，autumn(c)，and winter(d)in East China from 1961 to 2017

图5 1961—2017年中国华东区域探空站500 hPa春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均温度变化Fig.5 Annual variation of seasonal mean air temperature at 500 hPa in spring(a)，summer(b)，autumn(c)，and winter(d)in East China from 1961 to 2017

图6 1961—2017年中国华东区域探空站200 hPa春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均温度变化Fig.6 Annual variation of seasonal mean air temperature at 200 hPa in spring(a)，summer(b)，autumn(c)，and winter(d)in East China from 1961 to 2017

趋势不一，春季为微弱的降温(－0.027℃/10 a)， 夏、秋、冬季为增温，其中冬季的增温趋势则最为明显(0.24℃/10 a)，夏季增温趋势微弱(0.025℃/10 a)。200 hPa(图6)，夏季为微弱的降温趋势(－0.03℃/10 a)，春、秋、冬季则为显著的升温趋势，尤其在冬季达到0.26℃/10 a。

总体而言，秋、冬季在各个层次上均呈现显著的增温趋势，冬季的增温趋势明显大于其他季节，500 hPa春季和200 hPa夏季有微弱的降温趋势。这与Chen等[24]在中国西北地区的研究较为类似，Chen等利用中国西北地区14个探空站的温度资料，对1960—2009年850—50 hPa的8个标准层进行研究发现，中国西北地区对流层中下层的增温趋势在秋、冬季更为明显。

2.2 高空温度的空间分布

2.2.1 年平均温度的空间分布

图7 1961—2017年中国华东区域探空站850 hPa(a)、500 hPa(b)和200 hPa(c)年平均温度空间分布Fig.7 Spatial distribution of annual mean air temperature at 850 hPa(a)，500 hPa(b)，and 200 hPa(c)in East China from 1961 to 2017

1961—2017年中国华东区域高空温度的空间分布见图7，由图7可知，各层次均呈现出明显的南高北低的特征。850 hPa，北部(山东、安徽、江苏、上海等省市)温度为6.2—9.4℃，南部(江西、浙江、福建等省)温度则多为10.0—14.4℃，南北平均温差在4.0℃左右。500 hPa，北部温度多为－15.6～－11.4℃，南部温度多为－10.2～－6.4℃，南北平均温差接近5.0℃。200 hPa，北部温度多为－52.8～－51.7℃，南部温度多为－52.2～－51.7℃，南北平均温差不到0.2℃。因此，中国华东区域各层次年平均温度分布均呈现出明显的南北差异，且随着高度的增加，南北平均温差先增大后减小。

2.2.2 年平均温度变化趋势的空间分布

图8 1961—2017年中国华东区域探空站850 hPa(a)、500 hPa(b)和200 hPa(c)年平均温度变化趋势的空间分布Fig.8 Spatial distribution of variation trend of annual mean air temperature at 850 hPa(a)，500 hPa(b)，and 200 hPa(c)in East China from 1961 to 2017

1961—2017年中国华东区域探空站年平均温度变化趋势的空间分布见图8，图8进一步表明2.1.1节中提到的对流层中下层增温趋势明显，向上增温趋势减弱，对流层顶增温趋势又有所增强的特征。不同层次来看，850 hPa各站均呈现出显著增温趋势，趋势均在0.09℃/10 a以上，其中华东沿海的青岛、射阳等站的增温趋势更是达到了0.26℃/10 a以上。500 hPa所有站点也普遍呈现出增温趋势，但 是增温趋势不如850 hPa明显，一些华东内陆站点(徐州、阜阳、衢州、邵武)增温趋势不足0.07℃/10 a(未通过置信度α＝0.10的显著性检验)，华东沿海站点尤其是东南沿海站点增温趋势较为显著，在0.13℃/10 a以上。200 hPa华东北部有三个站点(徐州、射阳、宝山)出现了降温趋势，而南部则增温趋势非常显著，大多在0.17℃/10 a以上。200 hPa的温度变化情况与吴慧等[26]的研究结论相似，吴慧等研究表明，1958—2005年的中国东部对流层上层温度在江苏、上海等地为降温趋势，在安徽、浙江北部、山东东部等地为增温趋势。

2.2.3 季节平均温度变化趋势的空间分布

由1961—2017年中国华东区域各季节高空温度变化趋势的空间分布可知(图4)，850 hPa春、秋、冬季各站点普遍为增温趋势，且呈现出华东沿海地区增温趋势大于内陆地区的态势，夏季则华东沿海地区增温、内陆地区降温(图9)。500 hPa(图略)秋季、冬季普遍呈现增温趋势，华东南部地区和沿海地区增温趋势较大，春季、夏季一半左右的站点呈现出降温趋势，春季呈现降温趋势的站点主要在华东的北部地区，夏季呈现降温趋势的站点主要在华东的内陆地区，这与谢潇等[18]的结论相似，谢潇等认为中国东部500 hPa冬季为一致的增温趋势，500 hPa夏季35°N以南地区为降温趋势。200 hPa(图略)冬季所有站点均为增温趋势，春季除徐州站外其余站点均为增温趋势，夏季和秋季则一定程度上呈现华东南部地区增温、北部地区降温的态势。

图9 1961—2017年中国华东区域探空站850 hPa夏季温度变化趋势的空间分布Fig.9 Spatial distribution of variation trend of annual mean air temperature at 850 hPa in East China during summer from 1961 to 2017

3 结论与讨论

(1)从年际变化特征来看，1961—2017年中国华东区域对流层中下层增温趋势明显，向上增温趋势减弱，对流层顶增温趋势有所增强。上海宝山站1991年的迁站并不影响其高空温度资料质量。

(2)从年代际变化特征来看，850 hPa、500 hPa平均温度的年代际变化均呈现出先降低后升高的趋势，而200 hPa平均温度的年代际变化则呈现持续升高的趋势。

(3)从季节变化特征来看，秋、冬季在各个层次上均呈现显著的增温趋势，冬季的增温趋势明显大于其他季节，500 hPa春季和200 hPa夏季有微弱的降温趋势。

(4)从空间分布特征来看，各层次年平均温度分布均呈现出明显的南北差异，且随着高度的增加，南北平均温差先增大后减小。

(5)温度变化趋势的空间分布特征表明，850 hPa、500 hPa年平均温度变化趋势一定程度上呈现出华东沿海地区增温趋势大于内陆的特征，200 hPa则为华东南部的增温趋势大于北部的特征。850 hPa各季节为中国华东沿海地区增温、内陆增温趋势小于沿海地区或内陆呈现降温趋势，500 hPa的春季和200 hPa的夏、秋季则为中国华东南部地区增温、北部地区降温。

(6)由于中国华东区域的探空站点数目相对较少，可能对分析中国华东区域高空温度变化的时空分布特征存在一定影响。此外，本文主要基于探空资料进行观测事实的分析，其中得到的一些结论，尤其是年平均温度和季节平均温度变化趋势的空间分布特征的原因还有待进一步研究。