近65年來中國冬季氣溫的變化研究

惠素敏,鄭昭佩,許春花,李念,趙啟

(山東師范大學 人口·資源與環境學院,山東 濟南 250014)

近65年來中國冬季氣溫的變化研究

惠素敏,鄭昭佩,許春花,李念,趙啟

(山東師范大學 人口·資源與環境學院,山東 濟南 250014)

摘要：利用中國160測站的冬季平均氣溫數據分析了其變化的主要特征,研究表明:EOF分析的第一模態說明中國冬季氣溫具有很好的一致性,即全國一致降溫或增暖,第二模態分布表明中國冬季氣溫具有南北反向的變化特征;REOF第一空間模態側重于長江中下游、華南地區的冬季氣溫異常狀況,第二模態側重于西南部分地區氣溫的異常狀況;M-K檢驗指出在20世紀80年代中國冬季氣溫發生了一次由冷到暖的突變。

關鍵詞：冬季氣溫;EOF分析;M-K檢驗

收稿日期：2015-10-28

作者簡介：惠素敏(1990—)，女,山東濰坊人，山東師范大學人口·資源與環境學院碩士研究生。

通訊作者：鄭昭佩(1971—)，男,山東濟南人,教授,碩士生導師,主要從事生態壞境修復與保護的研究工作。

中圖分類號：P402.1

文獻標識碼：A

文章編號：：1674-9944(2015)11-0012-05

Abstract:The article analyzes the main features of the change of temperature based on the average winter temperature data measured by 160 meteorological stations in China.In the research,the first mode of EOF analysis shows that the China’s winter temperature has a good consistency,which means the trend of increment and fall of temperature are the same in China.This second mode of EOF indicates that the winter temperature has the feature of reverse in south and north;The fist space-mode of REOF focuses on the abnormality state of the winter temperature in the middle and lower Yangtze River and the Southeast area,and the second mode focuses on some abnormality states of the Southwest area;M-K test points out that a mutation from cold to warm happened in the 1980s of China’s winter temperature.

1引言

近年來,隨著全球氣溫的不斷變化,中國的冬季氣溫也相應的發生了一系列的變化,對于中國冬季氣溫變化的特征,不少的學者都做了大量的研究。屠其璞[1]、林學椿[2]等、丁一匯[3]等、宋連春[4]、黃琦[5]、周自江[6]等、劉莉紅[7]、李慶祥[8]均對中國冬季氣溫的時間演變特征做了分析,并得到共同的結論:近幾十年來,中國冬季氣溫一直保持上升的趨勢,且在20世紀80年代之前,中國冬季氣溫偏低,80年代之后的冬季氣溫偏高。關于中國冬季氣溫空間分布特征的研究,吳洪寶[9]等、屠其璞[10]等、張晶晶[11]等、劉宣飛[12]等、朱艷峰[13]等、康麗華[14、15]等在不同的時間尺度上做過分析,基本上都認為中國冬季氣溫北方的變化幅度比南方大,且東北地區的氣溫變化振幅最大;利用EOF(REOF)方法分析得到,第一模態空間分布在全國大部分地區是同號,表明中國冬季氣溫存在著一致的上升或下降趨勢。第二模態證明:中國西南、華南地區的冬季氣溫與東北、華北及新疆地區冬季氣溫的異常變化具有反相變化的特征。

本文在總結前人的基礎上,分析了1951～2014年這65年中國冬季氣溫的年際和年代際變化特征,利用EOF、REOF分析了近65年中國冬季氣溫的時空分布以及氣溫變化的區域特征。為了進一步分析中國冬季氣溫變化的突變情況,本文通過M-K檢驗并結合t檢驗,研究了冬季氣溫發生突變的時間,以及不同區域所發生突變的先后順序。

2資料與方法

本文利用中國氣象局國家氣候中心提供的全國160測站月平均氣溫,時間是從1951年1月到2015年2月,取當年的12月至次年的2月作為當年的冬季氣溫。為了便于分析,文中用到的數據均作了標準化處理,對160站冬季氣溫資料求平均,然后將各站的數據減去平均值得到距平,再除以各站的均方差得到標準化距平。

用EOF方法分析中國冬季氣溫的年際和年代際之間的變化特征及其主要的模態類型,REOF分析中國冬季氣溫變化的區域特征,M-K分析冬季氣溫發生變化的突變情況。

3結果分析

在全球不斷變暖的大背景下,中國冬季氣溫也相應的發生了顯著的年際和年代際的變化特征,在20世紀80年代中期以前中國冬季一直處于冷期,80年代中期之后一直處于暖期。本文利用國家氣候中心整編的全國160個臺站從1951年至2014年共64年的逐月氣溫,并規定當年的12月至次年的2月這3個月氣溫的平均值作為當年的冬季氣溫。為了更好地分析中國冬季不同地區氣溫的變化特征,本文參照王遵婭和丁一匯的劃分方法將中國分為七大地理區如圖1所示,即東北(1區)、華北(2區)、長江中下游(3區)、華南(4區)、青藏高原(5區)、西南(6區)、西北(7區)。此外,將中國分為南(包括3、4、5、6區)、北(包括1、2、7區)兩部分。同時,用1、2、3、4區代表中國東部,5、6、7代表中國西部。所選取的全國160個臺站的地理位置如圖2所示。

3.1　中國冬季氣溫的年際和年代際變化特征

圖3為1951～2014年中國冬季氣溫的異常分布圖,由圖3(a)的線性趨勢分布圖可以看出,近60多年來,中國冬季氣溫線性趨勢每10年的增長率均為正值,并且由南向北逐漸增加。其中最大值在華北及西北的部分地區,達到0.5～0.7℃/10年,其次是東北的部分地區,長江中下游和華南的部分地區是最小值,僅為0.1℃/10年左右。整體上北部地區的線性趨勢增長率要高于南部地區的增長率,這表明近60多年來,中國冬季氣溫北方地區的增溫幅度要高于南方地區,在全國一致增溫的情況下存在著南北差異現象。從圖3(b)的中國冬季氣溫的方差圖中也可以看出,北方地區的氣溫變化率要大于南方地區,東北、華北以及西北的部分地區方差高達1.8℃以上,而南方地區的長江中下游和華南地區的氣溫變化率相對較小,方差在1.2℃以下。

由全國冬季氣溫的距平序列和11年滑動平均(圖4)可知,中國冬季氣溫呈顯著的多年代際尺度變化,20世紀80年代中期以前,中國冬季氣溫主要呈現的是負異常,且溫度距平值低于-1.0℃以上的達到7年,而80年代中后期,中國冬季氣溫呈正異常,除1999(-0.11)、2004(-0.16)、2007(-0.19)、2010(-0.23)、2011(-0.70)、2012(-0.03)這6年以外,其他年份均為正距平。11年滑動平均也呈現出1985年之前為負距平,之后進入正距平階段。由上述分析可得到結論:中國冬季氣溫在20世紀80年代中期(1985年)以前為冷期,80年代中后期(1985年)為暖期。

3.2　中國冬季氣溫的時空變化特征

為了進一步分析中國冬季氣溫的年際和年代際變化特征及其主要模態,對全國160站1951～2014年的冬季氣溫作EOF分析,為了更清楚的表達其變化特征,將160站的氣溫資料作標準化距平處理。通過EOF分析得到的前5個模態的方差貢獻率分別是57.80%、12.50%、6.70%、4.06%、3.12%,可以看到只有前兩個模態最突出,因此在本文中選擇前兩個模態進行分析,占方差總貢獻率的70.30%。圖5給出的是EOF空間分布型和與之對應的時間系數,圖5(a)是第一模態的分布圖,從圖中可以看出中國冬季氣溫具有很好的一致性,即全國一致降溫或增暖。最高值位于100-120°E、25-40°N的華北及長江中下游地區,說明該區域冬季氣溫異常顯著,最低值位于西南的部分地區。第一模態對應的時間系數在波動中上升,并且存在以10年為周期的年代際變化特征,20世紀80年代中期以前,冬季氣溫多處于負異常,中國冬季偏冷,80年代中后期冬季氣溫呈正異常。第二模態分布圖5(b)表明中國冬季氣溫具有南北反向的變化特征,其中40°N東北、華北以及西北的部分地區為正值區,40°N以南為負值區。這種南北反向的變化特征表示冬季氣溫存在“蹺蹺板”現象,即當中國北方地區氣溫升高時,南方地區的氣溫降低;當南方地區氣溫升高時,北方地區的氣溫降低。

為了檢測中國冬季氣溫的突變情況,對主要模態的時間系數做了M-K檢驗如圖6,由圖可知,中國冬季氣溫具有明顯的突變現象(兩圖的交點均位于置信區間內)。為確保突變點的可信度,M-K檢驗之后,再結合t檢驗。由圖6可看出,突變年前后的t值都超過了0.05信度的顯著性檢驗,說明這突變點是可信的。由圖可知,兩模態的突變時間都發生在20世紀80年代,且第一模態的突變現象更顯著。這說明在20世紀80年代中國冬季氣溫發生了一次由冷到暖的突變,這與全球變暖的時間相一致。

3.3　中國冬季氣溫的區域變化特征

為了探討中國冬季氣溫的分區情況及各區氣溫的變化特征,在EOF分析的基礎上對冬季氣溫做了REOF分析及各區氣溫變化特征的分析。圖7是160站中國冬季氣溫標準化REOF分析的前2個空間型。由圖可知,第一空間模態側重于長江中下游、華南地區的冬季氣溫異常狀a況,第二模態側重于西南部分地區氣溫的異常狀況。

圖8分別給出了兩個地區的REOF時間系數(a、b)和REOF時間系數的M-K檢驗結果(c、d),并結合了t檢驗。由圖可知,時間系數沒有明顯的變化趨勢,但冬季氣溫卻有明顯的突變現象(交點位于置信區間內,且突變前后的t檢驗均超過0.05的信度顯著性檢驗),其中長江中下游、華南地區的突變發生在1983年前后,而西南部分地區的突變發生在1978年左右,說明西南地區發生的突變要比長江中下游和華南地區發生的突變時間早。

4結語

通過160測站的氣溫資料對中國近65年冬季氣溫的變化特征進行分析,得到如下的結論。

(1)中國冬季氣溫的時空變化特征:冬季氣溫線性趨勢每10a的增長率均為正值,并且由南向北逐漸增加,最大值達到0.5～0.7℃/10a;由全國冬季氣溫的距平序列和11年滑動平均可知,中國冬季氣溫呈顯著的多年代際尺度變化,20世紀80年代中期以前,中國冬季氣溫主要呈現的是負異常,而80年代中后期,中國冬季氣溫呈正異常;EOF分析的第一模態表明冬季氣溫具有很好的一致性,即全國一致降溫或增暖,第二模態分布說明中國冬季氣溫具有南北反向的變化特征,這種南北反向的變化特征表示冬季氣溫存在“蹺蹺板”現象,即當中國北方地區氣溫升高時,南方地區的氣溫降低;當南方地區氣溫升高時,北方地區的氣溫降低。

(2)中國冬季氣溫的區域變化特征:REOF第一模態側重于長江中下游、華南地區的冬季氣溫異常狀況,第二模態側重于西南部分地區氣溫的異常狀況。

(3)中國冬季氣溫的突變情況:對EOF的前兩個模態的額時間序列做M-K檢驗并結合t檢驗可知,突變時間發生在20世紀80年代,且第一模態的突變現象更顯著。這說明在20世紀80年代中國冬季氣溫發生了一次由冷到暖的突變,這與全球變暖的時間相一致。REOF前量模態時間序列的M-K檢驗可知,長江中下游、華南地區的突變發生在1983年前后,而西南部分地區的突變發生在1978年左右,說明西南地區發生的突變要比長江中下游和華南地區發生的突變時間早。

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Research on the Change of Winter Temperatures in China for the Past

Sixty-five Years

Hui Sumin,Zheng Zhaopei,Xu Chunhua,Li Nian,Zhao Qi

(CollegeofPopulation,ResourcesandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

Key words:winter temperature;EOF analysis;M-K test