1901-2019年上海合作组织国家气候时空变化特征

谢梦霞, 戈文艳,2, 胡亚鲜,2, 王 飞,2, 韩剑桥,2, 李 健

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 2.中国科学院水利部 水土保持研究所, 陕西 杨凌 712100; 3.济南市水利工程服务中心, 济南 250099)

全球气候在近百年来的暖湿化趋势日益突出，引起诸多学者的广泛关注。IPCC第5次报告指出全球平均地表气温在1880—2012年期间上升了0.85℃[1]，中国大陆地表年平均气温升高了0.5～0.8℃[2]。种种迹象表明全球气候呈现出变暖趋势，且20世纪50年代以来上升趋势更加显著。气候变化使得水资源的时空分布、循环及生态系统发生重大改变，由此引发洪涝、干旱和热浪等极端气候事件的数量和强度不断增加，造成巨大的经济损失[3]。因此，气温和降雨量作为气候变化的重要指标，研究其时空变化特征对于量化气候变化对自然灾害的影响至关重要[4]。

在全球尺度上，气候变化的区域性特征显著，在不同高度、不同纬度和海陆之间[5]差异较大。Yu等[6]研究发现兴都库什喜马拉雅地区在1901—2014年大部分地区都经历了变暖趋势，尤其是青藏高原和巴基斯坦南部，年际降雨量以5.28 mm/10 a的速度上升，而1980年中期以后，降雨量的增长更为迅速；段安民等[7]指出，从1998年开始青藏高原的年际气温和降雨量呈加速增长趋势；黄秋霞等[8]研究表明，中亚地区近30 a来年际平均气温和降雨量均为增加趋势，且具有较大的区域和季节性差异；Xu等[9]通过对亚洲气候变化趋势的研究发现高纬度地区的气温增速高于低纬度地区，降雨量总体上呈增加趋势；符淙斌等[10]通过研究70年代全球地面气温变率的时空特征，发现亚欧大陆中部是全球三大气温变率中心之一。与全球其他地区相比，旱涝灾害和山地灾害频发区，如亚洲东部、南部和中亚内陆地区素来是全球气候变化的特殊区和敏感区[11]，也是诸多学者关注的重点区域。

受地形地势、大气和海洋环流的影响，上海合作组织横跨寒、温、热三带，区域内气候类型复杂多样，其中典型的季风气候和大陆性干旱气候占主导。此外，全球最大的非地带性干旱半干旱区也分布于此，水热资源时空分布严重失衡，内陆区水资源匮乏，是气候变化的敏感区，也是生态环境的脆弱区[12]。因此，在全球变暖背景下，对上合组织气候变化进行监测分析，可为当前跨国界复杂地形之间的生态环境保护、水资源的开发与利用、农牧业的生产和发展以及极端天气气候事件与灾害的防御等提供科学支撑，具有十分重要的理论和现实意义。基于此，本文基于CRU最新的网格点月平均气温和逐月降雨量格点数据集(CRU TS v4.04)，运用线性回归趋势分析法和Pettitt突变检验方法，分析上合组织1901—2019年月平均气温和累积降雨量的长期变化趋势及空间分异规律，为应对和缓解区域潜在气候变化策略的制定提供理论依据。

1 研究区概况

上海合作组织，简称上合组织，位于亚欧大陆，经纬度范围为19°65′E—169°70′W和5°55′N—81°85′N，包括8个成员国、4个观察员国、6个对话伙伴国。其中，成员国为中国、俄罗斯、印度、哈萨克斯坦、巴基斯坦、塔吉克斯坦、吉尔吉斯斯坦、乌兹别克斯坦，观察员国有蒙古、阿富汗、白俄罗斯和伊朗，对话伙伴国包括柬埔寨、尼泊尔、斯里兰卡、土耳其、亚美尼亚、阿塞拜疆。受经纬跨度大，地势起伏剧烈的影响，该国家组织地形地势分布复杂，区域内高原、盆地、丘陵和沟壑纵横交错，海拔为-155～8 489 m，地势总体上中部高，南北低。受季风环流、北极涛动和南方涛动的共同影响，区域内气候的纬向地带性和垂直地带性显著。降水和气温变化梯度较大。年降水量约为470 mm，从沙漠地区不到50 mm到山区迎风坡2 000 mm以上；整个区域的平均气温为0.79℃，空间差异性较大，极地和高山地区的年平均气温低于0℃，30°N以南的区域，年平均气温大多在10℃以上。

2 数据源与研究方法

2.1 数据源

本文采用英国East Anglia大学提供的1901—2019年的Climatic Research Unit(简称CRU)全球地表逐月平均气温和累积降雨量格点数据(CRU TS v4.04)作为基础气象数据，空间分辨率为0.5°×0.5°[13]。CRU数据集具有严格的时间均一性检验、尺度长、分辨率高等优点，故被广泛应用于气候变化研究中[14-15]。为了研究上合组织长时间序列气温和降雨量的时空变化规律，本研究将气候资料细分为年际和季节性气象，其中季节划分依次为：春季3—5月，夏季6—8月，秋季9—11月，冬季12—翌年2月[16]。

2.2 研究方法

2.2.1 趋势分析 运用最小二乘法分析气温和降雨量的年际变化趋势。该方法是利用时间序列与年序数构建一元回归方程，根据计算出的指标系数得出变化的倾向性，同时将一元线性回归方程的斜率定义为气候的年际变化趋势率(slope)[17]：

(1)

式中:slope为气候与时间变量拟合的一元线性回归方程斜率;i为时间变量,取值为1～n的整数;n为研究时间段,本文为119;ci为第i年的气温和降雨量资料。slope>0表示气候随时间递增,slope<0表示随时间递减,slope绝对值越大,表明气候的变化速率越大。采用t检验法来检验变化趋势的显著性,本次研究选择在0.05显著性水平下对研究区域119 a来气温和降雨量的变化趋势进行显著性检验。

2.2.2 变异分析 本研究利用Pettitt来检验气候分区中气温和降雨量长时间序列的突变情况，既能判断出突变点的位置和数量，又能准确地判断出这些变点是否具有统计意义上的显著。Pettitt检验在秩序列基础上定义统计量，最大值所对应时间为可能的突变时间，其统计量Ut,n计算公式如下[18]：

(2)

(3)

式中:Xt,Xj为假设检验的随机变量;n为数据系列的时间长度，本文为119;Ut,n为新序列,新序列是由第一个样本序列超过第2个样本序列次数的统计量组成。

若t满足：

Kt=max1≤t≤n|Ut,n|

(4)

则t为出现突变的年份。

对应的显著性p可通过以下公式近似算出：

(5)

当p≤0.05时，检验出的突变点具有统计意义上的显著。

本文将上合组织区域划分为极地气候、北部森林气候、寒温带气候、高原山地气候、暖温带气候、亚热带气候、热带气候共7个气候区，对其进行变异分析。

3 结果与分析

3.1 时间变化特征

3.1.1 气温时间变化特征 图1为对年平均和季节平均气温进行5 a滑动平均和线性拟合得出的时间变化趋势分布图。1901—2019年上合组织多年平均气温为0.79℃，119 a的年平均气温呈显著上升趋势，增长率为0.14℃/10 a。根据异常值将平均气温分为3个变化阶段，1901—1938年属于缓慢增长期，增长趋势为0.14℃/10 a(p<0.05)，1938—1969年以0.16℃/10 a的速度呈显著下降趋势，1969年之后整体增加速度较快，达到0.39℃/10 a(p<0.05)。在研究时段内，上合组织年平均气温波动范围在-1～3℃，1969年是119 a中最寒冷的一年，气温在1984年之后持续高涨。

在季节尺度上，春季平均气温为0.76℃，增长趋势最大(0.2℃/10 a，p<0.05)，1953年的异常高值将其分为两个增长阶段，1953年之后以0.44℃/10 a的速度快速增加(p<0.05)。夏季平均气温为16.4℃，但变化趋势0.08℃/10 a(p<0.05)是季节变化中最小的，1954—1992年气温呈不显著下降趋势(-0.02℃/10 a)。秋季平均气温为1.4℃，增长趋势为0.1℃/10 a(p<0.05)，1945—1972年气温呈减少趋势(-0.161 0 a，p>0.05)。冬季平均气温为-15.4℃，1969年气温出现异常低值(-19.12℃)，变化趋势为0.18℃/10 a(p<0.05),1996年之后气温以0.47℃/10 a的速度显著上升。

结果表明，上合组织气温变化趋势大小顺序为春季>冬季>年>秋季>夏季，气温增长速度大致经历由缓慢到高速增加这一过程，1940—1970年气温呈显著下降趋势。

3.1.2 降雨量时间变化特征 1901—2019年上合组织年平均降雨量在430～510 mm波动，整体呈显著上升趋势，增长速率为2.4 mm/10 a(图2)。1961年和1986年的异常值将年平均降雨量分为3个阶段。1961年之前，属于快速增长期，降雨量增长速率为4.97 mm/10 a(p<0.05)，但降雨量在1961—1986年期间以6.58 mm/10 a(p>0.05)的速度快速下降，而在1986年后以7.89 mm/10 a的速率显著上升。在研究期内，1930s降雨量较少，1990s属于多雨期，其中，1990年降雨量最大(509.6 mm)。

图1 1901-2019年气温变化

图2 1901-2019年降雨量变化

在季节上，春季平均降雨量为90 mm，变化趋势为0.75 mm/10 a(p<0.05)，1967—1992年降雨量呈不显著减少趋势(-1.45 mm/10 a)。夏季平均降雨量为212 mm，整体以0.29 mm/10 a(p>0.05)的速度上升，分阶段变化显著。1901—1943年降雨量以2.5 mm/10 a的速度显著上升，1943—1992年降雨量呈不显著减少趋势(-1.91 mm/10 a)，1992年之后降雨量快速增加，增长速率为6.71 mm/10 a(p<0.05)。秋季平均降雨量为112 mm，增长趋势为0.73 mm/10 a(p<0.05)，1960—2001年降雨量以1.03 mm/10 a的速率呈减少趋势(p>0.05)。冬季平均降雨量为59 mm，变化速率为0.7 mm/10 a(p<0.05)，1901—1945年降雨量呈显著的下降趋势(-0.63 mm/10 a)，1945年后以0.64 mm/10 a的速度上升(p<0.05)。

综上所述，降雨量总体变化趋势大小为年>春季>秋季>冬季>夏季，其变化趋势与气温变化表现一致。

3.2 空间变化特征

3.2.1 气温空间变化特征 1901—2019年平均气温空间分布遵循纬度和高山垂直分异规律，由北向南气温逐渐上升。1901年以来年平均气温呈增加趋势，其空间变化趋势差异性大(图3)。以30°N为界，变化趋势由南向北递增。年气温变化趋势在-0.13～0.82℃/10 a，10°—20°N的气温变化趋势小，变化速率在0.2～0.3℃/10 a(p<0.05)的分布范围最广，20°N以北地区的气温变化趋势集中在0.4～0.6℃/10 a(p<0.05)。由表1可知，年平均气温除中国东南沿海变化趋势在0.1℃/10 a以下的小部分区域外，98.55%的地区发生显著性变化。

与年平均气温变化趋势一致，81%以上区域季节性气温发生显著变化，冬季升温趋势最快，夏季气温变化最小。春季，气温变化趋势为-0.05～0.35℃/10 a，除中国东南沿海部分地区变化速率小于0.05℃/10 a的区域不显著外，其余98.66%的区域气温发生显著性变化。30°N以南地区的升温趋势小于0.15℃/10 a(p<0.05)，以北增温趋势大于0.2℃/10 a(p<0.05)。夏季，90%以上的区域发生显著变化，变化趋势主要集中在0.04～0.08℃/10 a，其次是0.08～0.12℃/10 a，内陆伊朗地区和北部俄罗斯东北地区的升温趋势高于0.16℃/10 a(p<0.05)。秋季，变化趋势集中在0.06～0.12℃/10 a，北极附近增温率达0.24℃/10 a(p<0.05)。冬季，20°N以南地区的变化倾向率集中在0.06～0.12℃/10 a，以北变化率在0.18～0.24℃/10 a，俄罗斯东部少部分增温趋势达0.3℃/10 a以上(p<0.05)。

3.2.2 降雨量空间变化特征 1901—2019年上合组织年平均和各季节平均降雨量由南向北、从东向西逐渐递减，遵循“从沿海到内陆、低纬到高纬降雨量逐渐递减”的空间变化规律。119 a来年平均降雨量呈增加趋势，其空间变化差异显著(图4)。变化趋势总体由西南向东北递增，变化趋势集中在0～0.6 mm/10 a(p>0.05)，极少部分地区降雨量增加趋势在1.8 mm/10 a以上。结合表2可得，上合组织119 a来年降雨量变化趋势只有30%的地区呈显著性变化，主要位于西北地区。

降雨量各季节变化与年变化一致，表现出不显著的变化趋势，且各季节变化具有显著的区域特征。春季，变化趋势集中在0.5～1.5 mm/10 a，青藏高原部分地区变化趋势在1.5 mm/10 a以上(p<0.05)。夏季，变化趋势集中在-10～1 mm/10 a，多数地区的降雨量呈下降趋势(p>0.05)。秋季，0～1 mm/10 a的变化范围最广，10°—20°N部分地区降雨量呈减少趋势，而北部俄罗斯部分地区则呈显著增加趋势。冬季，整体降雨量变化趋势在0～0.5 mm/10 a的居多，北部区域降雨量呈显著上升趋势，西南地区呈不显著下降趋势。

3.3 突变分析

3.3.1 气温突变分析 1901—2019年，上合组织7个自然气候分区气温突变时间在1980年左右(图5)，与全球突变时间(1978年)大体一致[19]，7个自然气候分区均满足置信区间(±279.98之外)要求。其中，寒温带气候区突变时间最早1972年(p<0.05)，其次，暖温带、热带和亚热带气候区在1976年发生突变(p<0.05)，极地和北部森林气候区在1980年发生突变(p<0.05)，高原山地气候区突变时间最晚(1986年，p<0.05)。整体突变时间表现出由南向北，平原到高原逐渐推迟的变化规律。

3.3.2 降雨量突变分析 上合组织119 a来降雨量突变时间在1930—1984年(图6)，7个自然气候区的突变顺序依次为：热带>北部森林>暖温带>寒温带>极地>亚热带>高原山地。低纬度和低海拔地区的降雨量突变时间早于高海拔地区，热带气候区从1930年开始发生(p<0.05)，高原山地气候区则在1984年才发生突变(p<0.05)，北部森林气候区1941年(p<0.05)，暖温带气候区1947年(p>0.05)，寒温带气候区1951年(p<0.05)，极地气候区1953年(p<0.05)，亚热带气候区1961年(p>0.05)。

图3 1901-2019年气温空间变化分布

表1 1901-2019年气温变化显著性面积占比 %

4 讨 论

在全球变暖的大背景下，上合组织119 a来年平均气温和降雨量表现出先增加后减少再增加这一变化过程，与北半球及全球气候变化总体呈现增加趋势一致[19-20]。受工业化和城市化进程造成温室气体的过度排放及大气环流异常的共同影响，上合组织国家于2000年后表现出极端高温现象，且呈现出继续增长趋势，与吴成启等[21]研究结果一致，但跟何金海等[22]认为2000年以后全球和欧亚中高纬地区逐渐进入变暖减缓期的研究结果有悖。气温变暖已成为上合组织气候变化的主要特征，同时也存在负增长时期，如1950—1970年气温呈显著下降趋势，与张秀年等[23]认为北半球陆地地面气温在1950—1960年代有一个较强降温过程的研究结果一致。

气温变化是自然因素和人类活动共同影响的结果。自工业革命以来，由于化石燃料的大量消耗，大气中二氧化碳的浓度大约升高了100 mg/kg，增幅超过40%，大气中二氧化碳浓度的改变被认为是近代气候变化的首要原因。其中，Ge等[24]研究表明20世纪以来全球气温正处于近2 000 a来气候变化中的第4个暖周期，且属于增长最快的时期。IPCC-AR5证实了全球变暖主要受人为外在因素的推动，如土地不合理利用、城市扩张和温室气体的排放等影响，人类活动排放的温室气体是增温最主要的因素。上合组织气温变化与北极涛动(AO)息息相关[25]。1901—1940年，AO处于正相时，极地气压下降，导致上合组织该时段气温出现小幅度的上升(p<0.05)，而1940—1970年，AO进入了负相时期，大气压力增加，大面积出现降温的现象(p<0.05)。1969年受强烈冷空气的影响，亚欧国家多数地区的气温达到记录以来的最低值。北极和北部高纬度地区受子午热传导和雪/冰-反照率[26]变化的影响，气温升温趋势显著高于低纬地区。中亚内陆地区，气候干旱、降水少、植被稀疏[27]，农耕经济的发展使得气温显著上升。同时，吴国雄等[28]研究发现，青藏高原热力抬升作用引发的高原环流，深刻地影响着亚洲气候，增强了东亚地区的夏季风，而加剧了中亚地区的干旱。低纬度地区，经济相对发达，工业化和城市化发展快，对1901—2019年气温的上升起主要的贡献作用。

诸多研究表明[29]，在全球陆地和海洋区域的年降水和季节性降水模式中人为因素越发明显。1901—1960年，降雨量显著增加主要是由水分汇聚的垂直动态分量[30]和EOF模式引起。全球气候模式表明[31]，1960—1985年温室气体浓度增加导致降水增加，但受人为过多排放气溶胶的影响，期间降水减少(p>0.05)。1985年之后，降雨量量以7.9 mm/10 a(p<0.05)的速度急剧增加，气溶胶排放的减少和气温的快速升高两者的贡献最大。119 a来高纬度地区主要受火山爆发、工业活动中排放的硫酸盐气溶胶[32]和温室气体的共同影响，降雨量变化速率显著高于低纬度地区。地形地势、蒸散发和降水再循环率[33]对青藏高原上降水的显著变化起着重要贡献。

研究表明，全球在20世纪发生了3次比较明显的气温突变，在不同的地区和不同的时间结果不一致，季风区突变时间随纬度升高变晚，大陆性气候区整体由东向西突变较晚，高原山地区突变时间推迟[34]。上合组织气候区气温的突变主要受人类活动和太阳辐射的影响，区域经济越发达，突变时间越早[35]。气候系统内部变率、太阳辐射、火山活动、土地利用和温室气体等[36]多种强迫因子均能引起降水剧烈突变。青藏高原人类干扰少，气温和降水突变时间晚且主要受全球工业化产生的温室气体的影响[37]。

5 结 论

(1) 1901—2019年上合组织年平均气温和降雨量均呈显著上升趋势，变化趋势分别为0.14℃/10 a和2.4 mm/10 a，均经历“增加—减少—增加”这一变化过程。1901—1938年和1969—2019年期间气温位于暖期(p<0.05)，1939—1968年属于冷期(p<0.05)。降雨量在1901—1961年和1986—2019年属于湿润期(p<0.05)，1962—1985年处于干旱期(p>0.05)。特别是2000年后，气温和降雨量均呈快速增加阶段(p<0.05)。

(2) 气候变化区域性特征显著。年平均气温呈上升趋势(p<0.05)，表现出纬度差异，以20°N为界，变化趋势由南向北递增，北部区域年变化趋势集中在0.4～0.6℃/10 a(p<0.05)，南部0.2～0.3℃/10 a的分布范围最广。降雨量年变化趋势主要集中在0～0.6 mm/10 a，北部、干旱区的降雨量呈显著增加趋势，湿润地区的总降雨量无明显变化，降雨量整体空间分布上表现出不显著变化趋势。

图4 1901-2019年降雨量空间变化分布

表2 1901-2019年降雨量变化显著性面积占比 %

图5 气温年际突变空间分布

图6 降雨量年际突变空间分布

(3) 气候变化具有显著的季节性特征。各季节气温呈显著增加趋势，春季升温速率较快(0.2℃/10 a，p<0.05)，夏季气温变化速率较慢(0.08℃/10 a，p<0.05)；春季降雨量变化趋势较大(0.75 mm/10 a，p<0.05)，夏季降雨量变化趋势较小(0.29 mm/10 a，p>0.05)。

(4) 受人类活动和太阳辐射的影响，上合组织气候突变遵循纬度和高山垂直分异规律，随纬度、海拔的升高突变时间推迟。7个气候区的气温突变时间顺序依次为：寒温带>热带>亚热带>暖温带>北部森林>极地>高原山地，降水突变时间顺序为：热带>北部森林>暖温带>寒温带>极地>亚热带>高原山地。