太白山保護區氣溫變化及其空間差異性分析*

劉榮娟，白紅英，馬新萍，馮林林，秦 進，程德強

（西北大學城市與環境學院，西安 710127）

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太白山保護區氣溫變化及其空間差異性分析*

劉榮娟，白紅英**，馬新萍，馮林林，秦 進，程德強

（西北大學城市與環境學院，西安 710127）

摘要：根據太白山保護區周邊15個氣象站1959-2013年以及保護區內11個高山氣象站2012-2014年的數據，采用Kriging插值法、一元線性回歸分析法、Mann-Kendall突變檢驗法等，結合ArcGIS分析太白山保護區的氣溫變化趨勢和突變特征，并對比保護區南北坡和高海拔區域（海拔≥2800m）與保護區整體的氣溫變化差異。結果表明：（1）1959-2013年太白山保護區的氣溫呈波動上升趨勢，線性傾向率為0.329℃·10a?1（P＜0.05）。氣溫變化空間差異明顯，東南部和西部地區氣溫上升趨勢顯著（P＜0.05或P＜0.01），最高達0.383℃·10a?1；四季氣溫均呈上升趨勢，冬季升溫最快，春季最慢。（2）M-K檢驗表明，1998年前后保護區整體氣溫發生增溫突變。突變后氣溫上升加快，上升趨勢達顯著水平的區域為86.76%。（3）空間差異分析顯示，55a來太白山保護區北坡年平均氣溫和升溫速率明顯低于南坡，北坡和南坡年平均氣溫線性傾向率分別為0.247和0.291℃·10a?1。高海拔區域的年平均氣溫線性傾向率為0.244℃·10a?1，低于保護區整體，其氣溫突變發生在2001年，突變前東南部升溫最快，突變后西部升溫速率降低，中部地區升溫明顯加快。

關鍵詞：太白山保護區；氣溫變化；空間差異；Kriging插值；氣溫變化傾向率

劉榮娟，白紅英，馬新萍，等.太白山保護區氣溫變化及其空間差異性分析[J].中國農業氣象，2016，37（1）:1-10

氣候變化將嚴重影響全球各地的生產生活[1]。IPCC第五次評估報告指出[2]，全球氣候系統變暖的事實毋庸置疑，1951年以來全球地表溫度的平均上升速率為0.12（0.08～0.14）℃·10a?1。第二、第三次氣候變化國家評估報告[3-4]指出，1951-2009年中國陸地表面平均氣溫上升了1.38℃，明顯高于同期全球或北半球其它區域的平均增溫速率，尤其近15a處于近百年來升溫最快的階段。有關氣候變化的研究逐漸受到重視。

研究區域氣候在全球變化背景下的變化特征具有重要意義，而利用GIS技術生成高分辨率的氣候數據，分析氣候資源的空間分布及趨勢模擬，能達到較好的效果[5-6]。段春鋒等[7-10]對中國整體及區域氣溫變化的研究表明，各區域氣溫變化并不一致。施雅風等[11]認為，西北氣候由暖干型向暖濕轉型；吳昊旻等[12]對長三角地區的季節氣候變化特征進行了研究，認為該區域春夏季時間延長，秋冬季縮短，氣溫呈上升趨勢；楊再禹等[13]研究發現，黔東南地區1961-2009年氣候向暖干化發展。太白山位于秦嶺山脊線處，高差大，坡度陡，地貌特征復雜，是對全球變化響應敏感的地區之一。其所處的秦嶺地帶是中國南北重要的地理分界線，引起眾多關注[14-16]。對秦嶺氣候分界線[17]、南北氣候變化差異[18]等的研究表明，秦嶺南北坡的氣溫具有同步增加的趨勢[19]。但目前關于太白山區氣候的研究報道鮮見，尤以針對太白山復雜的地形內氣候變化差異的相關研究缺乏。本文以太白山周邊氣象站點氣象數據為基礎，基于Kriging插值法和數理統計方法，對全球氣溫明顯升高的近半個世紀以來太白山保護區的氣候變化特征進行研究，將其與秦嶺山地和西北地區進行比較，并探討南北坡之間、高海拔區域與保護區整體之間的氣溫變化特征的異同。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

太白山國家級自然保護區地處陜西秦嶺中段，總面積563.25km2，位于33°49′-34°08′N，107°22′-107°52′E，地跨陜西眉縣、太白和周至3個縣[20]。海拔落差大，最高處3771.2m，位于主峰拔仙臺，最低處1028m。屬內陸季風氣候，年平均降水量500～1100mm，年平均氣溫5.9～7.5℃，南北坡氣溫變化有所差異。

1.2 數據來源

25m分辨率的DEM高程數據來自國家測繪局。太白山保護區周邊15個基本氣象站點1959-2013年以及保護區內11個高山氣象站點2012-2014年氣象數據來自陜西省氣象局，站點分布見圖1。基本氣象站長期氣象資料主要用于氣溫變化特征分析，2012-2014年高山氣象站氣象資料主要用于山地氣溫垂直遞減率的計算和空間插值結果的驗證。

圖1 研究區及其周邊各氣象站點位置(a)和太白山保護區地形圖(b)Fig.1 Meteorological stations(a) and topography(b) in the protected area of Taibai Mountain注：圖b中外部實線包圍的是太白山保護區即I區，內部填充部分為高海拔區域即II區。下同Note: In Fig.b， the range in outside solid line is I area which is Taibai Mountain protected area.The inside filling range is II area which is high altitude area （altitude ≥2800m）.The same as below

1.3 研究方法

1.3.1 一元線性回歸分析法

該方法可以對氣溫柵格圖內每個像元的變化趨勢進行模擬，采用最小二乘法計算其傾向值，以估計時間序列與氣溫序列的回歸系數，計算式為

式中，θslope為趨勢斜率（℃·10a?1），體現像元在一定時間內的變化趨勢，n為年份累加，Ti為第i年的年平均氣溫（℃），θslope＞0說明氣溫升高；θslope＜0則氣溫降低。

1.3.2 Mann-Kendall檢驗法

均值突變是氣候突變的一種，能一定程度上反應基本氣候狀況的變化，而M-K檢驗則可有效檢測氣溫均值突變。其步驟為先將原始時間序列定義為X1，X2，…，Xn，ni表示時間序列中第i個樣本Xi大于Xj的累計數，dk為統計量，即

式中，dk的均值E（dk）和方差Var（dk）分別為

將dk標準化后得

U（dk）所得曲線UF若超過信度線（u0.05＝±1.96，u0.01＝±2.56），表示變化趨勢顯著，UF曲線與反序列計算得出的UB曲線在置信區間內的交點即為突變的開始點[21-22]。

1.3.3 Kriging插值法及其驗證

利用Kriging插值法[23]對氣溫要素進行空間插值，變異函數均選擇球面函數。為保證山地氣溫插值結果的準確性，插值過程中需考慮高程因素的影響[24]。首先確定氣溫垂直遞減率，對26個氣象站數據進行選擇整理，結合海拔高度分別計算南北坡年、季、月的氣溫垂直遞減率[25]，保護區整體的氣溫垂直遞減率為南北坡平均值，而在保護區南北坡分別進行插值時則使用各自的氣溫垂直遞減率。考慮到高海拔區域與保護區整體的差異性，上述計算的遞減率并不適用。太白山11個高山站點平均海拔2272m，更接近保護區高海拔地區的氣溫特征，利用2012-2014年氣象數據計算其氣溫遞減率，再次對高海拔地區的氣溫進行插值。表1為太白山高海拔區域與保護區整體氣溫垂直遞減率，1月和7月均為兩個區域氣溫遞減率最低和最高的月份，由表可見，高海拔區域各個月份、季節和年平均氣溫的遞減率均高于保護區整體，氣溫隨海拔升高而降低的現象在高海拔地區更為明顯，且時間上以冬季差異最大，空間上表現為北坡差異更大。

利用表1中的垂直遞減率將各站點實測氣溫值訂正至海平面氣溫，在ArcGIS10.1中進行插值，將插值后的柵格數據與區域DEM數據相疊加，利用柵格計算工具，最終得到具有地形特征的太白山保護區整體、保護區南北坡和高海拔區域的氣溫柵格數據，即

式中，T0為插值后生成的海平面的溫度（℃），A為研究區氣溫垂直遞減率（℃·m?1），E為海拔（m） ，T為最終生成的研究區氣溫（℃）。

插值后輸出各站點的交叉驗證結果，分析插值誤差大小，交叉驗證結果顯示平均標準差為0.877。將太白山保護區內4個站點2012、2013年的實測溫度數據與插值結果進行對比，其結果顯示（表2），插值誤差絕大部分在±1℃以內，表明該插值結果具有較高的可信性，可以用來分析太白山保護區的氣溫變化特征。

表1 太白山保護區（I）和高海拔區域（II）內南北坡氣溫的垂直遞減率（℃·m?1）Table 1 Temperature lapse rate of southern and northern slopes in I area and II area（℃·m?1）

表2 太白山區域站點2012、2013年不同時段平均氣溫插值結果與實測數據的對比(℃)Table 2 Contrast between average temperature interpolation results with measured data in regional sites of Taibai Mountain during different periods in 2012 and 2013(℃)

2 結果與分析

2.1 太白山保護區氣溫變化趨勢分析

2.1.1 年平均氣溫

根據55a插值后的柵格數據，太白山保護區年平均氣溫為3.540℃，其中高海拔區域（海拔≥2800m）為0.225℃，各區域年平均氣溫的空間分布和變化趨勢見圖2。由圖2b可見，55a來兩個研究區域內年平均氣溫均表現為波動上升趨勢，整個保護區年平均氣溫的線性傾向率為0.329℃·10a?1（P＜0.05），高海拔區域為0.244℃·10a?1（P＜0.05）。由圖3可見，各柵格的氣溫變化率存在明顯的空間差異，太白山保護區內大部分地區線性變化較快，年平均氣溫呈顯著（P＜0.05）上升趨勢，東南部和西部地區呈極顯著（P＜0.01）上升趨勢，最高達0.383℃·10a?1，其它地區的線性變化趨勢不顯著。

2.1.2 季平均氣溫

由圖4可見，太白山保護區四季平均氣溫變化率存在不同的空間差異。除春季有小范圍不顯著下降外，其余均呈上升趨勢。其中冬季平均氣溫上升最快，其線性傾向率為0.468℃·10a?1（P＜0.05），最高達0.644℃·10a?1，春季氣溫上升最慢。秋、冬季氣溫變化率的空間分布相似，東南部線性變化較快，氣溫呈顯著（P＜0.05）或極顯著（P＜0.01）上升趨勢；春夏兩季線性變化較緩，其中北部變化最快，上升趨勢達到顯著或極顯著水平（P＜0.05或P＜0.01）。西部地區四季升溫均不顯著。

圖2 1959-2013年太白山保護區（I區和II區）年平均氣溫的空間分布(a)及其年際變化(b)Fig.2 Spatial distribution(a) and variation (b) of annual mean temperature in I area and II area during 1959-2013

圖3 1959-2013年太白山保護區年平均氣溫變化率的空間分布(a)及其F檢驗結果(b)Fig.3 Spatial distribution(a) of annual mean temperature change rate and its F-test result(b) in protected area during 1959-2013

圖4 1959-2013年太白山保護區季平均氣溫變化趨勢的空間分布及F檢驗結果Fig.4 Spatial distribution and its F-test result of seasonal mean temperature change rate in protected area during 1959-2013

2.2 氣溫突變特征分析

由圖5可見，研究期內（1959-2013年），太白山保護區年平均氣溫在1984-1995年有所下降，其余時段內均呈上升趨勢；UF（I）與UB（I）在u0.05＝±1.96（P＜0.05）的兩條臨界線內相交于1998年，說明太白山保護區年平均氣溫于1998年前后發生增溫突變，并在2002年超過1.96的臨界線（P＜0.05），達到顯著增溫水平；高海拔地區年平均氣溫在1986年之前呈波動下降或上升趨勢，UF（II）與UB（II）在u0.05＝±1.96（ P＜0.05）的兩條臨界線內相交于2001年，說明太白山高海拔區域年平均氣溫于2001年前后發生增溫突變，并在2003年超過1.96的臨界線（ P＜0.05），達到顯著增溫水平。

根據上述結果，將太白山保護區氣溫分為1959-1998年和1999-2013年2個時段進行分析。由圖6可見，突變前后氣溫均呈上升趨勢，但突變前的氣溫變化率明顯小于突變后，且其空間分布差異較大。1959-1998年除西部區域升溫顯著外，其它區域平均氣溫變化均不顯著；1999-2013年太白山保護區平均氣溫線性傾向率為0.348℃·10a?1（P＜0.05），以中部地區最高，達到0.385℃·10a?1（P＜0.05）。經統計突變年前后氣溫變化顯著性水平的柵格數，發現全保護區年平均氣溫上升顯著的區域所占比例由突變前的43.59%上升至突變后的86.76%。

圖5 1959-2013年太白山保護區（I）與高海拔區域（∏）內年平均氣溫M-K突變檢驗Fig.5 M-K test of annual temperature in protected area(I)and high altitude area(II)during 1959-2013

圖6 1959-2013年氣溫突變前(a)、后(b)太白山保護區（I區）年平均氣溫變化率的空間分布及其F檢驗結果Fig.6 Spatial distribution of annual mean temperature change rate and its F-test result in protected area (I area) before(a) and after(b) mutation year

對2012-2014年11個高山站氣象數據進行插值并計算變化率后可知，高海拔區域（海拔≥2800m）突變前（1959-2001年）年平均氣溫為-0.108℃，突變后（2002-2013年）年平均氣溫為0.959℃。圖7顯示了突變前后該區域氣溫變化率的空間分布。由圖可見，突變前（圖7a）氣溫變化趨勢不顯著，以東南部上升速度最快；突變后（圖7b）氣溫變化線性傾向率達到0.279℃·10a?1（P＜0.05），其中西部升溫速率降低，中部地區升溫明顯加快，最高達到0.470℃·10a?1（P＜0.05）。

2.3 太白山保護區南北坡氣溫變化差異分析

太白山地跨秦嶺分水嶺南北兩側，南坡平均海拔2773m，北坡平均海拔2304m，氣候特征有所差異。對Kriging插值結果計算表明，北坡年平均氣溫（5.179℃）高于南坡（2.427℃），但突變前后北坡增溫速率（0.247℃·10a?1）均明顯低于南坡（0.291℃·10a?1）。由圖8可知，南北坡氣溫線性傾向率在突變后均有所增加，且南北坡增溫速率差異加大；空間分布上北坡變化率分布具有明顯的海拔變化特征，由北向南隨著海拔升高，升溫速率逐漸增加，而南坡主要表現為東西向的差異。

圖7 1959-2013年突變前后太白山高海拔區域（II區）年平均氣溫變化率的空間分布Fig.7 Spatial distribution of annual mean temperature change rate in high altitude area (II area) before(a) and after(b) mutation year

圖8 1959-2013年太白山保護區突變前(a)后(b)南北坡年平均氣溫變化率的空間分布Fig.8 Spatial distribution of annual mean temperature change rate of northern and southern slopes in protected area of Taiabai Mountain before(a) and after(b) mutation during 1959-2013

3 討論與結論

（1）1959-2013年，太白山保護區年平均氣溫呈波動上升趨勢，線性斜率為0.329℃·10a?1（P＜0.05），可以分為3個不同階段：1959-1979年的波動增溫期，1979-1998年的平緩升溫期和1999-2013年的迅速升溫期。四季平均氣溫均呈上升趨勢，冬季升溫最快，春季最慢。太白山保護區無論年或季節的平均升溫速率均高于中國平均速率（0.04℃·10a?1），且冬季氣溫升高對保護區的氣溫變化影響最大，這與全球變暖的特征頗為相似。同時段內，秦嶺關中、陜南地帶[26]氣溫傾向率（0.21℃·10a?1、0.12℃·10a?1）均稍低于此；而干旱區[27]（0.39℃·10a?1）的氣溫傾向率則略高于此。王勁松等[28]的研究結果表明，西北區1960-2005年氣溫變化幅度為0.37℃·10a?1，1985年之后是該地區增溫的主要階段，并以冬季增溫率最高。馬新萍[29]研究發現，1959-2013年秦嶺山地氣溫變化率為0.174℃·10a?1，太白山在秦嶺山地內屬升溫顯著地區，與本文研究結論相符合。從全球變化的大環境來看，太白山保護區將繼續保持升溫趨勢。

（2）M-K檢驗結果顯示，1998年前后保護區氣溫發生增溫突變，而高海拔地區在2001年發生突變。突變前年氣溫平均變化率明顯小于突變后。研究時段內，西部地區由升溫最快變為升溫最慢的區域之一，東部地區和中部高海拔區域升溫速率呈加大趨勢；且氣溫上升趨勢達到顯著水平的區域比例大幅增加。

關于區域氣溫的突變特征前人做了許多研究，但結論并不一致。對秦嶺地區氣溫突變的研究通常分南北坡分別進行，研究表明其突變基本均發生在20世紀90年代，這與全球氣候變化的大形勢相吻合。宋佃星等[18]認為秦嶺北部在1989 年發生突變，升溫幅度為0.34℃·10a?1；秦嶺南部在1992 年發生突變，升溫幅度為0.14℃·10a?1，兩地同樣夏冬兩季升溫幅度大。李雙雙等[26]和白晶等[30]都將秦嶺分為關中和陜南進行分析，前者認為1959-2009年秦嶺南北氣候變化具有同步性，增溫趨勢明顯，關中地區氣溫突變（1995 年）早于陜南（1998 年）；后者同樣認為關中地區氣溫突變時期（1990 年）早于陜南（1998年），兩者時間上略有差異，但均與本文結論類似。20世紀80年代北半球發生變暖的突變[31]，從90年代初期，中國東北、華北、青藏高原及西北地區先后進入增暖期[32]，而秦嶺氣溫突變發生時間滯后，太白山保護區及其高海拔區域突變滯后現象則尤其明顯。

（3）太白山保護區內氣溫變化率存在明顯的空間差異。北坡氣溫高于南坡，但其升溫速率較低，且北坡基本表現為由北向南升溫速率逐漸增加，而南坡主要表現為東西向的差異。太白山區2800m以上的高海拔區域主要分布有太白紅杉、灌叢、高山草甸等植被類型[33]，該區域幾乎沒有人類活動的影響，其氣溫變化特征與低海拔區域不同，更能體現出排除人為干擾和城市熱島效應的區域氣候變化特征。高海拔區域氣溫遞減率高于保護區整體，但二者波動趨勢一致。高海拔區域南北坡均會受到冬季風強烈影響，冬季遞減率與保護區整體差異尤為明顯，又因南坡氣溫普遍較低，所以北坡氣溫垂直遞減率普遍高于南坡，且與保護區整體的差異更大。高海拔區域突變前后氣溫變化率均低于太白山保護區整體，且空間分布有較大差異，西部升溫速率降低，中部地區升溫顯著。

本文分析了不同海拔不同坡向的山地氣溫變化特征以及氣溫垂直遞減率的差異，但氣溫變化的影響因素較為復雜，太白山保護區尤其高海拔地區的氣溫變化是否與大氣環流等有關還需要進一步探討。

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Temperature Variation and Spatial Difference in the Protected Area of Taibai Mountain

LIU Rong-juan, BAI Hong-ying, MA Xin-ping, FENG Lin-lin, QIN Jin, CHENG De-qiang
（Department of Urban and Environment， Northwestern University， Xi'an， Shaanxi 710127， China）

Abstract：Based on the data of 15 meteorological stations from the period of 1959 to 2013 around Taibai Mountain and the data of 11 alpine meteorological stations from the period of 2012 to 2014 inside Taibai Mountain protected area， authors used the Kriging， linear regression and Mann-Kendall mutation test method combined with ArcGIS to analyze the variation trend and mutation characteristics of temperature in the protected area， and contrasted the differences in climate change between southern and northern aspect of the conservation area, high altitude area （altitude≥2800m） and overall the protected area of Taibai Mountain. The results showed: （1）there was an upward trend of annual mean temperature in the protected area of Taibai Mountain from1959 to 2013， and linear trend rate was 0.329℃·10y?1. Spatial differences of temperature variation was very significant， southeastern and western regions showed a significant warming trend （P＜0.05， P＜0.01）， up to 0.383℃·10y?1. Every seasonal mean temperature was increased; winter warming rate was the fastest while spring was the slowest. （2）According to result of M-K test， a warm abrupt change of the annual mean temperature in overall protected area was occurred in 1998. After 1998， temperature variation rate was increasing rapidly. The proportion of the Area’s significant warming trend reached 86.76%. （3）Analysis of spatial difference indicated: annual mean temperature and change rate of northern aspect was lower than southern aspect in the protected area of Taibai Mountain. In latest 55 years， their linear trend rate were 0.247℃·10y?1and 0.291℃·10y?1. Temperature linear trend rate of high altitude area（0.244℃·10y?1） was lower than overall protected area. A warm mutation of the annual mean temperature was appeared in 2001.book=2,ebook=5Temperature of southeastern region raised fast before 2001. Warming rate of western region was declined while central region’s was significantly accelerated after 2001.

Key words：Taibai Mountain; Temperature variation; Spatial difference; Kriging; Temperature change trend rate

作者簡介：劉榮娟（1990-），女，碩士生，主要從事植被變化研究。E-mail：lrj61887@163.com

基金項目：林業公益性行業科研專項“秦嶺天然林對氣候變化的時空響應及管理對策”（201304309）

* 收稿日期：2015-06-03**通訊作者。E-mail：hongyingbai@163.com

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.0011