1961—2005年東北地區氣溫和降水變化趨勢

賀 偉，布仁倉 ，熊在平，胡遠滿

(1．森林與土壤生態國家重點實驗室，中國科學院沈陽應用生態研究所，沈陽 110016;2．中國科學院大學，北京 100049)

氣候變化及其影響研究是當今全球廣泛關注的課題。IPCC第四次評估報告［1］指出，全球平均地表溫度一直在增加，全球地表溫度均呈現一致的增暖趨勢，近50年(1956—2005年)的變暖速率((0．13±0．03)℃/10 a)幾乎是近100年(1906—2005年)的兩倍。大量研究表明，中國地區氣候變化與全球氣候變化總趨勢是一致［2-9］。中國近54年(1951—2004年)來增溫速率約0．25℃/10 a，比全球或半球同期平均增溫速率高得多，而東北是全國增溫最顯著的地區之一［2，5］。

東北地區是中國最大的商品糧基地和農業生產最具發展潛力的地區之一，同時也是中國重要的工業和能源基地。東北地區位于北半球的中高緯度，是我國緯度最高的地區，是世界著名的溫帶季風氣候區，是典型的氣候脆弱區和受氣候變暖影響最為敏感的地區之一［10-11］。近年來針對東北地區氣候變化已展開不少研究，研究結果表明東北地區近百年表現為明顯的增溫趨勢，年降水有減少趨勢［12］。已有研究較多的關注于對農業生產具有重大影響的夏季旱澇災害、低溫冷害等方面的研究［13-16］，而針對東北地區夏季氣溫和降水變化的時空分布及變化規律的研究也不少［17-19］。這些研究對于正確認識東北地區氣候變化規律具有重要意義。以往的研究大多都是對氣溫或降水的單一氣象要素，而且所用氣象要素資料的長度和氣象臺站數也不盡一致。

本文選取東北地區96個氣象站1961—2005年的日平均氣溫和日降水量資料為基礎資料，借助線性傾向率法，累積距平法，Mann-Kendall法和Morlet小波分析等方法，研究了東北地區氣溫和降水的趨勢變化，突變變化和周期變化，探討了東北地區近45年來的氣候變化對全球變暖的區域響應。這會提高對東北地區氣候變化規律的認識，同時對東北地區生態環境建設和保護具有極其重要的現實意義，而且有望加強東北地區應對全球變暖所帶來的威脅和災難的能力。

1 研究區概況

本文所指東北地區包括東北三省(黑龍江省、遼寧省和吉林省)和內蒙古自治區東北的三市一盟(呼倫貝爾市、通遼市、赤峰市和興安盟)。地理位置大體在北緯 38°40'至 53°30'，東經 115°05'至 135°02'，南北縱跨近15°，東西橫跨近20°。本地區位于東亞季風的最北端，屬于溫帶大陸性季風氣候，是中國濕潤的東部季風區和干旱的內陸之間的過渡帶，夏季高溫多雨，冬季嚴寒干燥，大陸性氣候由東向西漸強。地貌類型多變，從地勢平坦的濱海平原到起伏較大的山地，海拔由0到2500 m左右。

2 資料與研究方法

2．1 資料

為保證各站點資料系列的同步性和具有較長的觀測系列，建站時間為1961年以后的氣象站和缺測數據太多的氣象站點被剔除，最終選取東北地區及其附近96個氣象站(圖1)。各站點的缺測數據采用鄰近站點的觀測數據用多元回歸插值補齊。采用的數據資料為1961—2005年的日平均氣溫和日降水量資料。

圖1 東北地區96個氣象站點分布圖Fig．1 The distribution of the meteorological stations

2．2 研究方法

本文對東北地區氣溫和降水量的季節、年和年代際變化進行了研究，季節劃分方法為:春季(3月—5月)、夏季(6月—8月)、秋季(9月—11月)和冬季(12月—翌年2月)。采用一元線性趨勢分析和累積距平分析對資料序列進行變化趨勢分析;采用Mann-Kendall檢驗方法對氣候要素序列進行氣候突變檢測，判斷突變年份與氣候要素變化趨勢;采用Morlet小波分析方法提取氣候要素序列周期，在小波分析中采用一維對稱拓展消除邊界效應［20-21］。

2．2．1 一元線性趨勢分析

氣候要素的趨勢變化一般采用一元線性回歸模型描述，即:

式中，y為氣候要素序列，x為時間序列(本文中為1961—2005年)，b為線性趨勢項，10 b即為氣候要素每

10a的氣候傾向率［22］，用于定量分析氣候要素變化的線性趨勢。

2．2．2 累積距平分析

累積距平是一種由曲線直觀判斷氣候變化趨勢的方法。對于氣候要素序列，其某一時刻t的累積距平表示為:

將n個時刻的累積距平值全部算出，繪出累積距平曲線進行趨勢分析。

2．2．3 突變檢測

氣候突變是普遍存在于氣候系統的一個重要現象，氣候突變的普遍適定義為:氣候從一種穩定態(或穩定持續的變化趨勢)跳躍式地轉變到另一種穩定態(或穩定持續的變化趨勢)的現象，它表現為氣候在時空上從一個統計特性到另一個統計特性的急劇變化［23］。本文采用Mann-Kendall非參數檢驗法來分析突變，該方法的優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾［24］。

Mann-Kendall檢驗的基本原理［23］設氣候序列為 x(x1，x2，…，xn)，mi表示第 i個樣本 xi大于 xj(1≤j≤i)的累積數，定義一個統計量:

在原序列的隨機獨立等假定下，dk的均值、方差分別為:

將dk標準化，

這里UFk為標準分布，其概率a1=prob(|U|＞|UFk|)可以通過計算或查表獲得，給出顯著水平a(取a=0．05，u0．05=1．96)，若|UF|＞u0，則表明該氣候序列呈顯著的變化趨勢。

按氣候序列 x 的逆序列(xn、xn-1、…，x1)，再重復上面的過程，同時使|UBk|=-UFk，k=n、n-1，…，UB1=0。若UF值大于0，則表明序列呈上升趨勢，若小于0，則表明呈下降趨勢，當超過置信水平時，表明上升(下降)趨勢顯著。如果UF和UB兩條曲線出現交點，且交點位于置信區間內，那么交點對應的時刻即是突變開始的時刻。

2．2．4 小波分析

小波分析在氣候變化研究中顯現了年與年之間，波長與波長之間的波幅變化形態與特征，已廣泛應用于氣象領域［25-29］，并成為研究氣象要素長期變化的工具。本文采用復值Morlet小波分析方法研究東北地區年均溫和年降水量的周期變化規律。

對于時間序列函數f(t)，小波變換定義為:

式中，Wf(a，b)是小波系數，a是伸縮因子，決定小波寬度;b是平移因子，是反映小波位置移動的參數，ψ是ψ*的共軛函數。本文采用Matlab小波分析工具箱中的Morlet小波［30］為小波母函數，對東北地區氣候資料序列進行連續小波變換。其解析形式為:

小波方差為［31］:

在一定的時間尺度下，小波方差表示時間序列在該尺度中周期波動的強弱(能量大小)，小波方差隨尺度的變化過程能反映時間序列中所包含的各種時間尺度(周期)及其強弱(能量大小)隨尺度的變化特征，對應峰值處的尺度即為該序列的主要時間尺度，即主要周期［32］。

3 結果分析

3．1 氣溫與降水量的年際變化

1961—2005年東北地區年平均氣溫變化在2．45—5．72℃之間，年平均氣溫在波動中逐漸上升，氣候傾向率0．38℃/10 a(P＜0．01)(圖2)，明顯高于全國平均增暖速率0．22℃/10 a［6］。東北地區四季平均氣溫均呈現增高的趨勢，其中冬季增溫幅度最大，達到0．53℃/10 a;春季次之，為0．42℃/10 a;秋季為0．30℃/10 a;夏季增溫幅度最小，為0．24℃/10 a(圖2)。全國四季均溫增暖速率分別為:冬季0．36℃/10 a，春季0．23℃/10 a，秋季0．19℃/10 a，夏季0．12℃/10 a［6］，可見東北地區年均溫和四季均溫變化趨勢與全國年均溫和四季均溫變化趨勢相同，但東北地區年均溫和四季均溫增暖速率卻明顯高于全國水平。

1961—2005年東北地區年降水量變化在430．40—678．72 mm之間，年降水量在波動中下降，氣候傾向率為-5．71 mm/10 a(P＞0．05)(圖2)，與全國平均年降水量波動略有減少的趨勢［33］相同。1961—2005年東北地區季節降水量呈現不同的變化趨勢和不同的變化強度。春季降水量和冬季降水量呈現增多的趨勢，春季降水增強幅度最大，為1．43 mm/10 a，冬季降水為0．30 mm/10 a;夏季降水和秋季降水呈現減少的趨勢，夏季降水減少幅度最大，為-5．32 mm/10 a，秋季降水為-2．02 mm/10 a(圖2)。

圖2 東北地區氣溫與降水量的年、季節變化圖Fig．2 Variation of the annual and seasonal temperature and precipitation in Northeastern China

3．2 氣溫與降水量的年代際變化

東北地區氣溫年代際變化呈現明顯的增溫趨勢，1961—1970年和1971—1980年氣溫偏冷，但期間氣溫已呈現上升趨勢，1981—1990年開始變暖，其后氣溫逐年升高，且上升幅度逐年增大。季節溫度的年代際變化也呈現統一的增暖趨勢，春季均溫和冬季均溫在1981—1990年開始變暖，夏季均溫和秋季均溫在1991—2000年開始變暖(表1)。

表1 東北地區年、季節溫度距平年代際變化/℃Table 1 The decade change of annual，seasonal temperature anomaly in Northeast China

東北地區降水量年代際變化趨勢不明顯，整體上呈現出減少的趨勢，其中1971—1980年和2001—2005年屬于降水偏少的年份，1981—1990年屬于降水最多的年代。春季和冬季降水量的年代際變化呈現增多的趨勢，夏季和秋季降水量呈現減少的趨勢(表2)。

表2 東北地區年、季節降水量距平年代際變化/mmTable 2 The decade change of annual，seasonal precipitation anomaly in Northeast China

3．3 氣溫與降水量的空間變化

采用IDW插值對96站氣溫和降水量變化的年、季節氣候傾向率進行內插，得到東北地區氣溫和降水量變化的空間分布圖(圖3)。

3．3．1 氣溫的空間變化

近45年來東北地區年均溫呈上升趨勢，96站增溫趨勢顯著(P＜0．05)，平均增溫幅度為0．38℃/10 a。氣溫上升幅度較大的地區位于大興安嶺地區、小興安嶺地區及松嫩平原大部分地區，升溫中心位于黑龍江省孫吳(0．66℃/10 a);增溫幅度較小的地區為遼河平原，長白山南部地區及遼東平原，其中遼寧省本溪為氣溫變化幅度最小的地區(0．09℃/10 a)(圖3a)。

東北地區春季溫度呈增溫趨勢，平均升溫幅度為0．42℃/10 a，96站中94站(97．91%)增溫趨勢顯著(P＜0．05)，空間分布特征為低緯度向高緯度增溫幅度逐漸增大。氣溫增幅較大的地區位于大小興安嶺北部地區，增幅最大值出現在內蒙古海拉爾(0．69℃/10 a);增幅較小的地區為燕山山脈東段，遼河平原，遼東山地及長白山等地區，增幅最小值出現在遼寧省本溪(0．12℃/10 a)(圖3b)。

東北地區夏季溫度增溫幅度最小，平均升溫幅度為0．24℃/10 a，96站中70站(72．92%)增溫趨勢顯著(P＜0．05)，空間特征表現為由南向北增溫幅度逐漸增強。依據夏季溫度變化可將東北地區劃分為3個區域:新巴爾虎左旗，齊齊哈爾，北安，孫吳一線西北側，包括大興安嶺中北部地區，小興安嶺地區增溫幅度超過0．3℃/10 a;翁牛特旗，開魯，雙遼，東崗一線以南地區，包括燕山山脈東段，遼河平原，長白山南段，遼東半島，該區域升溫幅度小于0．2℃/10 a;兩線中間的地區升溫幅度(0．2—0．3)℃/10 a(圖3c)。

圖3 東北地區氣溫與降水量變化趨勢分布Fig．3 Distribution of climate trend coefficient of temperature and precipitation in northeastern China

東北地區秋季溫度呈增溫趨勢，平均升溫幅度為0．30℃/10 a，96站中73站(76．04%)增溫趨勢顯著(P＜0．05)。空間分布上可以翁牛特旗，開魯，雙遼，東崗一線為界劃分為2個區域:該線以北地區升溫幅度均大于0．3℃/10 a，;該線以南地區升溫幅度均小于0．3℃/10 a(圖3d)。

東北地區冬季溫度增溫幅度最大，平均升溫幅度為0．53℃/10 a，96站中80站(83．33%)增溫趨勢顯著(P＜0．05)。氣溫增幅較大的地區為大興安嶺北部地區，小興安嶺地區和長白山南部地區(圖3e)。

東北地區氣溫增暖幅度隨緯度的升高而增大，增暖較明顯的地區為大興安嶺北部和小興安嶺地區，增暖幅度較小的地區為遼河平原，遼東半島和長白山南部地區。

3．3．2 降水量的空間變化

東北地區年降水量普遍呈現減少趨勢，平均減少幅度為-5．71 mm/10 a。年降雨量減少幅度較強的地區主要為遼東半島和長白山南段。年降水量呈增加趨勢的地區主要為呼倫貝爾高原，大興安嶺北部地區，松嫩平原，長白山中段(圖3f)。

東北地區春季降水量呈現增加趨勢，平均增加幅度為1．43 mm/10 a，春季降水變化隨經度的升高而升高。但松嫩平原西南部地區，遼河平原和遼東半島地區春季降水量呈現減少趨勢，減少最大值出現在遼寧省章黨(-5．47 mm/10 a)(圖 3g)。

東北地區夏季降水量呈現減少趨勢，平均減少幅度為-5．32 mm/10 a。夏季降雨量減少幅度較強的地區主要為遼東半島和長白山南段。夏季降水呈現增多趨勢的地區主要為大興安嶺東北側，松嫩平原，長白山中段，遼河平原，增加極值出現在吉林省靖宇(23．18 mm/10 a)(圖3h)。

東北地區秋季降水量呈現減少趨勢，平均減少幅度為-2．02 mm/10 a。在空間分布上，由東南向西北秋季降水變化趨勢由減少逐漸轉為增加。可以阿爾山，博克圖，嫩江和呼瑪一線為界，該線西北地區秋季降水呈現增多趨勢，主要包括大興安嶺北段和呼倫貝爾高原地區，其中增加極值出現在內蒙古自治區額爾古納右旗(7．12 mm/10 a);該線東南地區秋季降水量呈現減少趨勢，減少極值出現在吉林省靖宇(-11．59 mm/10 a)(圖3i)。

東北地區冬季降水量呈現增加趨勢，平均增加幅度為0．30 mm/10 a。隨著緯度的升高，冬季降水量變化趨勢由減少變化增多。可以扎魯特旗，雙遼，四平，梅河口，臨江一線為界，該線以北地區冬季降水量呈現增多趨勢，增加極值出現在黑龍江省黑河(3．12 mm/10 a);該線以南地區冬季降水量呈現減少趨勢，減少極值出現在遼寧省熊岳(-2．96 mm/10 a)(圖3j)。

東北地區降水量減少較明顯的地區為遼東半島和長白山南段，降水量增加較明顯的地區為大興安嶺北部，松嫩平原。

3．4 年均溫和年降水量突變檢測

用Mann-Kendall法對東北地區1961—2005年平均氣溫進行突變檢驗分析(圖4)。由圖4可以看出，UF曲線在1966年前呈現波動下降的趨勢，之后呈現波動上升趨勢，1990年這種上升趨勢超過了顯著性水平0．05的置信水平。UF曲線在置信區間內與UB曲線有一個交點(1988—1989年間)。累積距平分析結果顯示，1961—2005年東北地區年平均氣溫累積距平呈現先下降后上升的“V”字形趨勢，1961—1987年呈現下降趨勢，1988—2005呈現上升趨勢，說明東北地區溫度經歷了下降-上升的過程。氣溫突變可能發生在1987年左右(圖5)。結合兩種方法的分析結果，判斷東北地區年平均氣溫在1988—1989年間發生了由低溫到高溫的突變。

年降水量的Mann-Kendall檢驗結果顯示(圖6)，UF線波動下降，但這種下降趨勢未能越過置信水平，UF線在置信區間內與UB線有5個交點(1967年，1968—1969年間，1969—1970年間，1983年，1995—1996年間)。累積距平分析表明，1961—2005年東北地區年降水量經歷了明顯的升降變化過程(圖7)。1961—1964年年降雨量呈現增多趨勢，1964—1974年降雨量在波動中緩慢下降，1975—1982年降雨量減少明顯，低于多年平均降水量，1982年下降到最低值，1982—1998年降雨量逐漸增加，1998年上升到最大值，1998—2005年降雨量呈現減少趨勢，由此推斷1982年和1998年可能是降水發生突變的年份。結合兩種方法的分析結果，判斷東北地區降水量在1982—1983年間可能發生了由少到多的突變。

圖4 東北地區年平均氣溫Mann-Kendall突變判別曲線Fig．4 Mann-Kendalltestofannualmeantemperaturein northeastern China

圖5 東北地區年平均氣溫累積距平值Fig．5 Accumulated annual mean temperature anomaly in Northeastern China

圖6 東北地區年降水量Mann-Kendall突變判別曲線Fig．6 Mann-Kendall test of annual precipitation in Northeastern China

圖7 東北地區年降水量累積距平值Fig．7 Accumulated annual precipitation anomaly in Northeastern China

3．5 年均溫和年降水量周期變化分析

圖8a給出了東北地區年平均氣溫的Morlet小波變換系數的實部時頻變化，正值區表示氣溫偏高，負值區表示氣溫偏低。由圖8a可以看出年平均氣溫小波系數等值線在5—6a，9—11a和23—26a左右時間尺度上較為密集，且發生了小波系數高、低值中心的變化。年平均氣溫小波方差圖(圖8b)顯示小波方差在11 a、24 a和6 a存在極值，因此，可以得出東北地區年平均氣溫在45 a尺度內存在11 a的強顯著周期，此外還有24 a和6 a的尺度變化周期。

由圖8a和圖8b判讀還可以得到，在45 a尺度內東北地區年平均氣溫變化的主周期約為11 a。通過提取該尺度的小波系數作圖，得到主周期下年平均氣溫變化的小波系數過程線(圖8c)。由于小波系數過程線是對特定尺度下原數據序列信息的提取，因此，小波系數過程線可以反映數據序列在該尺度下的波動信息。從圖8c上可以看出，東北地區年平均氣溫相對偏高的階段:1961—1963年，1966—1969年，1973—1977年，1981—1984年，1988—1992年，1996—1999年，2002—2005年;年平均氣溫相對偏低階段為:1964—1965年，1970—1972年，1978—1980年，1985—1987年，1993—1995年，1999—2001年。從圖中還可以看出，東北地區年平均氣溫的突變年份為:1963年，1966年，1969年，1973年，1977年，1981年，1984年，1988年，1992年，1995年，1999年，2002年。結合累積距平分析和突變檢測的結果，東北地區年平均氣溫突變的年份為1988年。

圖8d為年降水量的Morlet小波變換系數的實部時頻變化，正值區表示降水偏多，負值區表示降水偏少。年降水量在小波系數等值線在5—6 a和15—18 a時間尺度上較為密集，且發生了小波系數高、低值中心的變化。年降水量的小波方差圖(圖8e)顯示小波方差在16 a和6 a存在極值。由此可推斷東北地區年降水量存在16 a的強顯著周期和6 a的小尺度變化周期。

通過對圖8d和圖8e的判讀還可以得出，在45 a尺度內東北地區年降水量變化的主周期約為16 a。提取該尺度的小波系數作圖，得到主周期下年降水量變化的小波系數過程線(圖8f)。從圖8f上可以看出，東北地區年降水量相對偏多的階段:1961—1964年，1971—1976年，1983—1987年，1993—1998年，2004—2005年;年降水量相對偏少的階段為:1965—1970年，1977—1982年，1988—1992年，1999—2003年。從圖中還可以看出，東北地區年降水量的突變年份為:1964年，1970年，1976年，1982年，1987年，1993年，1998年，2003年。結合累積距平分析和突變檢測的結果，東北地區年降水量突變的年份為1993年。

圖8 小波變換系數實部等值線圖、小波方差圖、主周期小波系數過程線Fig．8 The isoline of the real part of Morlet Wavelet coefficients，wavelet variance and the wavelet coefficient curves in the principal period scales

4 結論與討論

4．1 結論

通過對我國東北地區1961—2005年氣溫和降水量的變化特征分析，1961—2005年東北地區氣溫呈現顯著上升趨勢，降水量呈現下降趨勢，總體氣候呈現暖干化趨勢，對全球變暖響應顯著。

(1)東北地區年平均氣溫上升趨勢顯著，年平均氣溫以0．38℃/10 a(P＜0．01)的速率上升，年平均氣溫累積距平經過了下降-上升的過程，年平均氣溫在1988—1989年發生了由低溫到高溫的突變。四季平均氣溫均呈現增高的趨勢，冬季增溫幅度最大。東北地區年均溫和季節均溫年代際變化亦呈現明顯的增暖趨勢，年均溫，春季均溫和冬季均溫均在1981—1990年開始變暖，夏季均溫和秋季均溫在1991—2000年開始變暖。

(2)東北地區年降水量變化不明顯，整體呈現減少趨勢，氣候傾向率為-5．71 mm/10 a(P＞0．05)，1981—1990年為降水量最多的年代，東北地區年降水量突變發生在1982—1983年間。春季降水和冬季降水量呈現增多的趨勢，夏季降水和秋季降水呈現減少的趨勢。

(3)近45年東北地區氣溫增幅較大的地區為大興安嶺北部和小興安嶺地區，增幅較小的地區為遼河平原，遼東半島和長白山南部地區。東北地區降水量減少較明顯的地區為遼東半島和長白山南段，增加較明顯的地區為大興安嶺北部和松嫩平原。

(4)Morlet小波分析結果表明，東北地區年平均氣溫存11 a的強顯著周期，此外還有24 a和6 a尺度的變化周期，東北地區年降水量存在16 a強顯著周期和6 a的小尺度變化周期。

4．2 討論

本研究中東北地區年平均氣溫上升趨勢顯著:年平均氣溫以0．38℃/10 a(P＜0．01)的速率上升，該結果略高于前人的增暖趨勢估計值［34-35］。其原因主要為不同的研究者對東北地區范圍定義不一，氣候要素序列的起止時間不同和區域站點選擇等方面存在差異。研究表明，全國臺站中城鎮站的氣象資料大多數可能存在城市熱島效應增強所造成的影響［36-37］，如果能剔除城市化對地表氣溫的影響，東北地區的增溫速率將小于0．38℃/10 a，這將有待今后的進一步研究。年平均氣溫累積距平經歷了下降—上升的變化過程，年平均氣溫在1988—1989年發生了由低溫到高溫的突變，東北地區年降水量變化不明顯，整體呈現減少趨勢，氣候傾向率為-5．71 mm/10 a(P＞0．05)。

氣溫的顯著增高和降水的減少加劇了東北地區的暖干化發展態勢，將影響到東北地區的經濟發展、生態與環境等諸多方面，首先是農業，已有研究表明氣候變暖對東北地區農業影響總體有利，溫度的升高緩解了低溫對東北農業生產造成的危害，低溫冷害、冰雹災害發生機率明顯降低。氣候變暖帶來了新生的農業氣候資源，為作物種植制度的調整提供了可能。但氣候變化對農業影響的研究存在較大的不確定性，有必要針對農業氣候變化及其對農業影響展開系統性研究［16］。其次，氣候變暖使得東北地區自然環境發生著變化。東北地區的濕地正面臨著巨大的威脅，氣候變暖使蒸騰蒸發量增大，降水變率增大，極端降水事件(旱澇災害)的頻率和強度增加，致使許多濕地干涸，濕地生態系統嚴重退化［38］。大興安嶺地區凍土呈現出自南向北的區域性退化趨勢，島狀融區在擴大，多年凍土上限下降，下限在上移，氣候變暖是其變化的最主要原因［39］。氣候因素是荒漠化發展的一個基本因素，在全球氣候變化的大背景下，東北地區在向著干旱發展［14］，東北平原西部的荒漠化和沙漠化問題比較嚴重［40］。

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