1961-2010年東北地區氣溫年較差的時空變化特征分析

王夫雪，劉吉平,2

(1.吉林師范大學博達學院，吉林四平 136000；2.吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林四平136000)

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1961-2010年東北地區氣溫年較差的時空變化特征分析

王夫雪1，劉吉平1,2

(1.吉林師范大學博達學院，吉林四平 136000；2.吉林師范大學旅游與地理科學學院，吉林四平136000)

本文利用1961-2010年東北地區90個氣象站的氣象數據，分析了東北地區氣溫年較差的時空變化特征。研究表明：近50 a來最熱月與最冷月均溫呈明顯的上升趨勢，氣溫傾向率分別為0.19 ℃/10 a和0.46 ℃/10 a，但升溫的幅度存在明顯區域差異。近50 a來氣溫年較差總體呈不明顯的下降趨勢，氣候傾向率為-0.27 ℃/10 a。大興安嶺為氣溫年較差變化趨勢和幅度空間分異的界線。東北地區氣溫年較差存在3～5年和12～14年的變化周期。1985-1986年為其突變期。氣溫年較差與大西洋歐洲區極渦面積指數呈顯著的正相關，與東亞槽的位置呈顯著的負相關。

氣溫年較差；氣溫傾向率；趨勢分析；東北地區

在全球氣候變暖的大背景下，近100 a來中國年平均地表溫度明顯增加，升溫幅度約為0.5～0.8 ℃，比同期全球升溫幅度平均值(0.6 ℃±0.2 ℃)略高，且增溫主要發生在冬季和春季，夏季氣溫變化不明顯[1]。由于各個季節的增溫幅度存在差異，氣溫的年較差也發生相應的變化。氣溫年較差是最熱月平均氣溫與最冷月平均氣溫之差，表示一地冬冷夏熱的程度[2]。對于各地氣溫年較差的空間分布特征已有較多研究，并在氣溫年較差對全球氣候變暖的響應問題上取得了一些成果。Hirschi[3]對1948年以來全球的氣溫年較差進行分析發現，北極地區和南極地區氣溫年較差分別下降3.4 ℃和7.5 ℃。吳志偉等[4]對近40 a來江蘇省氣溫年較差進行研究，結果表明江蘇地區氣溫年較差有減小的趨勢。華麗娟等[5]對1961-2000年中國區域氣溫較差進行分析表明全國大部分地區氣溫年較差都呈下降趨勢。劉宇峰等[6]研究得出汾河流域近48 a來氣溫年較差呈減小的趨勢，氣候傾向率為-0.37 ℃/10 a。但氣溫年較差在區域變化特征及原因、周期性和突變期等方面研究有待進一步深入。

東北地區位于我國大陸的東北部，地處歐亞大陸東岸中高緯度，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省及內蒙古的東四盟。已有學者對東北地區的溫度變化進行研究[7-8]，但主要集中在平均溫度的變化上，對氣溫年較差的變化研究甚少。與平均溫度變化不同的是氣溫年較差更能反映一個區域溫度變化幅度的特征，此外還可以反映某區域的氣候受海洋和陸地影響的程度。氣溫年較差有著重要的生態學意義，其變化對農業生產的影響較大(特別是冬小麥種植界限的北移)，而東北地區作為我國重要的商品糧生產基地，對氣溫年較差變化的研究就顯得尤為重要。本文利用東北地區1961-2010年的地面觀測資料，分析了東北地區氣溫年較差的時空變化特征，為相關部門合理利用氣候資源、調整農業生產提供參考。

1 數據和方法

1.1 數據

本文采用的數據來源于中國氣象科學數據共享服務網(http://cdc.cma.gov.cn)，將資料長度不足和發生過臺站遷移的站點剔除后，選取東北地區90個國家地面氣象觀測站(圖1)1961-2010年共50 a逐日地面觀測資料，包括逐日平均溫度、最高和最低溫度。大氣環流指數逐月資料采用中國國家氣候中心的全國160個監測站1952-2013年88項大氣環流因子月均值(獲取網址為：http:∥ncc.cma.gov.cn)，該數據經過較嚴格的質量控制和檢查，為全球氣候變化的研究提供一套較為可靠、系統和完整的資料，已得到學術界普遍的認可和廣泛的應用[9-10]。

圖1 東北地區氣象站點分布圖

1.2 方法

1.2.1 線性傾向估計

氣象要素的變化趨勢采用線性方程表示，即y=a+bt，其中，y為氣象要素，t為時間(1961-2010年)；b為線性趨勢項，b*10表示氣象要素傾向率，b的系數為正，則表明呈增加趨勢，反之減小趨勢[11]。

1.2.2 小波分析

小波分析在時域和頻域上都具有良好的局部性，可以分析時序數據周期變化的局部特征，還能清楚地看出各周期隨時間的變化規律[12]。本文采用墨西哥帽狀(Marr)小波作為母波函數，通過小波變換，把一維要素序列變成以時間和尺度為坐標的二維圖像，通過對二維圖像的分析可得到關于要素的局域特征。

1.2.3 克里格(kriging)插值

克里格方法是以空間自相關性為基礎，利用原始數據和半方差函數的結構性，對區域化變量的未知采樣點進行無偏估值的插值方法，是地統計學的主要內容之一[13]。由于需要插值的區域變量Z的期望值是未知的，所以本文采用普通克里格法對氣象數據進行空間插值。

1.2.4 Mann-kendall檢驗和滑動t檢驗

Mann-kendall非參數檢驗統計方法是由世界氣象組織推薦的應用于環境數據時間序列趨勢分析的一種方法，在水文、氣象時間序列變化趨勢檢驗中得到了廣泛應用[14]；滑動t檢驗是把一氣候序列中兩段子序列均值有無顯著差異當作來自總體均值有無顯著差異的問題來檢驗[15]。以上兩種檢驗各有優缺點，用時應互補，其原理文獻[14]中有詳細的介紹，在此不再贅述。

2 結果與分析

2.1 最熱月與最冷月平均氣溫時空變化趨勢

東北地區以溫帶大陸性季風氣候為主，最熱月為7月，最冷月為1月，個別年份有所變動，但總體上保持不變。1961-2010年東北地區最熱月平均溫度總體呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.19 ℃/10 a(p<0.05)。最冷月平均氣溫總體上也呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.46 ℃/10 a(p<0.05)。通過對比可以發現最熱月平均溫度與最冷月平均溫度整體均呈上升趨勢，而最冷月均溫的上升幅度明顯大于最熱月均溫的上升幅度，兩者呈非對稱變化。

根據選取的90個氣象站點50 a來的最熱月與最冷月平均氣溫變化趨勢進行普通克里格插值，得到東北地區最熱月(圖2a)與最冷月(圖2b)平均氣溫變化趨勢分布圖。從圖2a可以看出，東北最熱月平均溫度總體上呈明顯的上升趨勢，上升的幅度從東南向西北逐漸增大。呼倫貝爾高原的西部和小興安嶺的中部地區最熱月平均氣溫上升趨勢幅度最大，氣溫傾向率為0.46 ℃/10 a- 0.54 ℃/10 a。從圖2b可以看出，東北地區最冷月平均溫度總體上也呈明顯的上升趨勢，但上升的幅度存在明顯的地區差異。大興安嶺地區上升幅度小，小興安嶺地區和長白山地區上升幅度較大。上升幅度最大的站點為呼瑪，氣溫傾向率為1.05 ℃/10 a。只有一個站(額爾古納右旗)呈下降的趨勢，且沒有達到0.05顯著性水平，原因可能為該站處于大興安嶺北段冬季風的迎風坡上，最冷月在強勁的西北風影響下，增溫受到限制。雖然該站最冷月平均溫度近50 a來呈下降趨勢，但是該站冬季平均溫度仍呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.09 ℃/10 a，為東北各站點增溫幅度最小值。

圖2 1961-2010年東北地區最熱月(a)最冷月(b)平均氣溫趨勢空間變化特征

2.2 氣溫年較差的時空變化特征分析

近50 a來東北地區氣溫年較差變化趨勢空間分布如圖3所示。從圖中可以看出東北地區1961-2010年氣溫年較差變化趨勢的空間分布存在明顯的區域差異，大致以大興安嶺為界，大興安嶺以東的地區氣溫年較差呈減小趨勢，但并不明顯。在90個站點中，有81個氣溫年較差呈減小趨勢，占90%，但達到0.05顯著性水平的站點只有17個，占20.73%。大興安嶺以西的地區氣溫年較差呈增加趨勢，也不明顯。從氣溫年較差的變化幅度來看，仍然大致以大興安嶺為界，大興安嶺以東，越靠近大興安嶺氣溫年較差的減小幅度越小。大興安嶺以西，越靠近大興安嶺氣溫年較差的增加幅度越小。長白山地區和伊勒呼里山北部減小幅度較大，氣溫傾向率為-0.44 ℃/10a～0.65 ℃/10 a。東北地區近50 a氣溫年較差的總體變化呈不顯著的下降趨勢，為-0.27 ℃/10 a。

圖3 東北地區氣溫年較差趨勢空間變化特征

2.3 氣溫年較差的時間周期和突變特征

2.3.1 氣溫年較差時間序列周期特征

從1961-2010年東北地區氣溫年較差的小波分析中可以看出(圖4)，兩個比較明顯的震蕩周期的時間尺度分別為3～5年和12～14年。3～5年的震蕩周期下，氣溫年較差的偏高值期與偏低值期轉換頻繁，周期性的震蕩特征也比較明顯。從12～14年的震蕩周期來看，60年代的初期和中期是氣溫年較差的偏低值期，60年代末到70年代末為偏高值期，80年代初到90年代中期為偏低值期，90年代中期和末期為偏高值期，21世紀以來為偏低值期。圖4中顯示到2010年小波系數的等值線沒有閉合，這表明東北地區在2010年之后的一段時間內還將處于氣溫年較差的偏低值期。

虛線：小波指數為負；實線：小波指數為正圖4 1961-2010年東北地區氣溫年較差小波分析

2.3.2 氣溫年較差時間序列突變特征

對東北地區氣溫年較差進行突變分析(圖5a)，1961年到1974年正向序列(UFK)基本為正，表明在該段時期內東北地區氣溫年較差呈增大的趨勢。1975年到1984年反向序列(UBK)在0上下擺動，這一時期氣溫年較差變化較復雜。在1985年到2010年UFK<0，表明在此期間東北地區氣溫年較差一直呈減小的趨勢。1982年到1986年間UFK與UBK存在3個交點，且都在信度線(U0.05=±1.96)之內，分別是1982-1983、1983-1984、1985-1986。為了確定氣溫年較差突變確切的位置，對東北地區50 a來氣溫年較差進行滑動t-檢驗(圖5b)，結果表明基準年1986年兩端子序列的均值差異超過了0.05的顯著性水平，存在突變。所以綜合兩種檢驗的相同部分可以確定東北氣溫年較差的突變發生在1985-1986年，其它突變點均為偽突變點。

圖5 1961-2010年東北地區氣溫年較差M-K突變分析(a)和滑動t檢驗分析(b)

2.4 氣溫年較差與環流指數相關性分析

本文選取了8種常見的環流指數：北極濤動(AO)、南極濤動(AAO)、北大西洋濤動(NAO)、太平洋-北美遙相關型(PNA)、北太平洋年代際振蕩(PDO)、厄爾尼諾(ENSO)、東亞槽位置(EATP)、大西洋歐洲區極渦面積(AEPVA)。將東北地區近50 a來的氣溫年較差和這些指數做相關性分析(圖6)，可以看出氣溫年較差只和厄爾尼諾指數和大西洋歐洲區極渦面積指數呈正相關，與其它指數均呈負的相關性。其中與大西洋歐洲區極渦面積指數呈顯著的正相關，相關系數為0.43(p<0.01)，原因可能為大西洋歐洲區極渦面積的擴大有利于北方大部分地區冷日/夜次數增加[17]，從而降低冬季平均溫度，進而增大東北地區的氣溫年較差，反之減小東北地區的氣溫年較差。東北地區氣溫年較差與東亞槽的位置呈顯著的負相關，相關系數為-0.29(p<0.05)，原因可能為1959-2008年夏季西太平洋副熱帶高壓明顯西伸，夏季東亞大槽至少向西移動20個經度[18]，造成東北地區位于槽后，盛行下沉氣流，降水較少，溫度升高，從而增加氣溫年較差。

圖6 東北地區氣溫年較差與環流指數相關性分析

3 討論與結論

本文得出的東北地區1961-2010年氣溫年較差的減小幅度為0.46 ℃/10 a，比華麗娟等[5]研究得出的東北地區東部氣溫年較差(1961-2000年)減小幅度為0.94 ℃/10 a低，原因有兩方面：其一，兩者的研究區域不完全一致，所用站點及數量不同；其二，兩者對氣溫年較差的定義有區別，本文氣溫年較差為最熱月與最冷月平均溫度之差，后者氣溫年較差為年最高溫度與年最低溫度之差，筆者認為用最熱最冷月平均溫度才可以真實反映一個區域溫度變化的幅度情況，而年最高最低溫度由于極端溫度事件，存在較大變數。而近50 a來東北地區氣溫年較差減小幅度為0.27 ℃/10 a，比汾河流域[6]降低的幅度小，體現了區域氣候變化對全球變暖響應的不一致性。

近50 a來東北地區氣溫年較差的變化總體呈下降的趨勢，但不明顯，氣候傾向率為-0.27 ℃/10 a。其變化趨勢空間分布大致以大興安嶺為界，大興安嶺以東的地區氣溫年較差呈減小的趨勢；大興安嶺以西的地區氣溫年較差呈增加的趨勢。形成這種格局的原因可能有兩方面：(1)雖然近50 a來東亞冬季風整體呈減弱趨勢[19]，但大興安嶺以西的地區仍在強勁的西北風下首當其沖，最冷月(1月)冬季風減弱趨勢不顯著，增溫受限。已減弱的西北風在翻過大興安嶺后更加削弱，大興安嶺以東的地區基本離其越遠最冷月增溫幅度越大。(2)由于大興安嶺為東亞夏季風與非夏季風區的分界線，大興安嶺以西的地區為非季風區，最熱月(7月)溫度的高低受其下墊面的影響非常大，下墊面植被覆蓋好氣溫較低，反之較高。近50 a來內蒙古地區的植被受人類活動(特別是過度放牧)的影響，破壞較嚴重，而越靠近大興安嶺植被覆蓋越好，增溫幅度越小。而大興安嶺以東的地區越靠近大興安嶺受夏季風的影響越小，東亞夏季風在20世紀90年代才恢復增強[20]，從50 a來的總體上看夏季風還是減弱的，隨著夏季風的減弱，最熱月越靠近大興安嶺增溫的幅度也越大，更多的原因需要進一步的研究。

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Spatio-temporal Change Characteristic of Annual Temperature Range over Northeast China, 1961-2010

WANG Fu-xue1, LIU Ji-ping1,2

(1.Boda College of Jilin Normal University, Siping Jilin 136000, China;2.College of Tourist and Geoscience, Jilin Normal University, Siping Jilin 136000, China)

Based on the recorded data of 90 meteorological stations Northeast China during 1961- 2010, we analyzed the spatio-temporal variations of annual temperature range (ATR). The results showed that: the mean temperature of the warmest month and the coldest month shown a clear increasing trend with 0.19 °C /10 a and 0.46 °C /10 a over Northeast China in the last 50 years, respectively. The positive amplitude showed significant difference. The trend in ATR showed a non-significant decreasing from 1961 to 2010, with the value of -0.27 °C /10 a. As to the trend and amplitude of ATR, Da Hinggan Mountains was the dividing line in the spatial variation of ATR over Northeast China in the last 50 years. The ATR had the period of oscillation of 3～5 years, 12～14 years. In the last 50 years, the abrupt change period of ATR was during 1985-1986. The ATR had a significant positive correlation with the Atlantic-European Polar Vortex Area Index (AEPVAI) and a significant negative correlation with the East Asian Trough Position Index (EATPI) over NEC.

annual temperature range; temperature tendency rate; trend analysis; Northeast China

2016-04-29

吉林省科技廳自然科學基金項目“吉林省西部濕地空間格局圖譜與演變驅動機制研究”(20130101097JC)。

王夫雪(1986- )，女，助教，碩士，從事區域氣候變化、旅游地理學方向研究。

劉吉平(1960- )，男，教授，博士，碩士生導師，從事資源與環境信息系統研究。

P468

A

2095-7602(2016)08-0074-07