中亞地區與中國氣候變化的關系

張理寧

摘要 利用戈達德太空研究所建立的全球網格逐月氣溫距平數據以及新疆地區國家基準地面氣象逐月氣溫距平資料，通過一元線性回歸方程、小波變換等方法，對中亞地區1961—2010年氣溫變化與中國氣溫變化關系進行了研究。結果表明：中亞地區在近50年中年平均氣溫在波動中呈遞增趨勢，年平均氣溫每10年氣溫增加0.277 ℃，這一增溫幅度要高于全國年平均氣溫增溫幅度；從1987年開始，中亞地區年平均氣溫開始呈逐漸增溫趨勢。我國年平均氣溫從20世紀80年代開始呈遞增趨勢，這一結論與中亞地區相一致；中亞地區年平均氣溫在隨時間變化過程中存在著16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3類尺度的周期變化規律，其中3年小尺度變化具有全域性。我國氣溫普遍存在3～4年的全域性周期變化規律，這一變化規律與中亞地區年平均氣溫存在3年小尺度全域性相一致；根據EOF分解得出，中亞地區年平均氣溫空間分布類型主要為東南—西北型、東—西型、南—北型。

關鍵詞 年平均氣溫；氣候變化；小波變換；方差；EOF；中亞地區；中國

中圖分類號 P467 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2016）24-0220-03

Relationship of Climate Change Between Central Asia and China

ZHANG Li-ning

（Longnan Meteorological Bureau in Jiangxi Province，Longnan Jiangxi 341700）

Abstract Based on the global grid monthly air temperature anomaly data set up by the Goddard Institute for Space Research and the national monthly ground-level temperature anomaly data in Xinjiang area，linear regression equation and wavelet transform were used to analyze the relationship of climate change between Central Asia and China during 1961-2010.The results showed that in the recent 50 years，the average annual temperature in Central Asia increased with fluctuation，and the average annual temperature increased by 0.277 ℃ every 10 years. Since 1987，the annual average temperature in Central Asia began to show a trend of increasing temperature gradually. The annual average temperature in Central Asia varied in the range of 16～30 years large-scale，6～12 years middle-scale and 3-year small scale，and the 3-year small-scale change was global. The annual mean air temperature in China had a tendency of 3～4 years periodic variation，which was consistent with the 3-year small scale variation in Central Asia. According to the EOF decomposition，it was concluded that the main spatial distribution types in Central Asia were southeast-northwest type，east-west type and south-north type.

Key words annual mean temperature；climate change；wavelet transform；variance；EOF；Central Asia；China

近年來，隨著全球氣溫升高而導致蒸發量增大，干旱面積隨之擴大，導致中亞地區溫帶農業發達地區退化成草原，而溫帶草原蒸發強烈退化成沙漠。有研究表明[1]，中亞地區溫度距平的變化趨勢總體上與我國氣溫變化趨勢大致相同，不同之處在于中亞地區氣溫的年際變化更大，氣溫的變化幅度更為劇烈。而中亞地區與全球氣溫變化趨勢相比，不同之處主要是中亞地區增溫時間長且增溫幅度較大。前人的研究[2-4]還認為，我國近百年來的溫度變化與全球相似，存在2段變暖過程，即20世紀20—40年代變暖和70年代開始的變暖，其中20—40年代的暖期在我國大陸尤其顯著。

中亞地區氣候變化和中國的氣候變化，引起世界各國政府和專家學者的高度重視。也有不少研究表明[5-7]，不同地區的氣候變化規律不盡相同?？妴埖萚1]利用戈達德太空研究所建立的全球網格點月平均地表溫度距平序列，通過一元線性回歸、M-K檢驗對中亞地區1880—2011年地面氣溫變化的基本特征進行分析和討論。結果表明：近130年來，中亞地區溫度變化趨勢率為0.073 ℃/10年，接近于全球，高于我國的近百年溫度變化趨勢率。龔志強等[8]運用動力學自相關因子指數Q分析中國溫度的時空變化特征，得到8個不同的動力學溫度變化特征區：準噶爾區、東北區、西北區、西南東區、西南西區、華北區、東南區和中南區。初步討論了這些特征區的年均溫度變化和極端溫度年出現天數及其與溫度突變的關系，以及不同溫度段對中國近58年增暖的可能影響。

中亞地區與我國西北地區（新疆等地）毗鄰，關于對過去中亞氣候變化和中國氣候變化的關系的研究對于氣候預測具有重要意義。本文使用中亞6個地區逐日氣溫資料，采用一元線性回歸方程、滑動平均、小波變換、EOF正交函數分解等方法，研究中亞地區氣溫變化特征，以期能夠加深對全球氣候變化地區性差異的了解，探討適應氣候變化的對策。

1 資料選取

本文1961—2010年使用戈達德太空研究所建立的全球網格逐月氣溫距平數據以及新疆地區國家基準地面氣象逐月氣溫距平資料?？臻g覆蓋范圍為89.0°N～80.0°S，1.0°～359.5°E，使用空間分辨率為2.0°×2.0°。本文分析的地區為中亞5個國家（吉爾吉斯斯坦、哈薩克斯坦、塔吉克斯坦、烏茲別克斯坦、土庫曼斯坦）以及新疆地區。

2 中亞地區與我國氣溫時間變化關系

2.1 氣溫年際變化規律

本文求出中亞6個地區準年的年平均氣溫平均值，用來代表中亞地區氣溫年際變化情況。為了中亞地區年平均氣溫的氣候變化趨勢，這里用一次直線方程來定量描述。

圖1中曲線為年平均氣溫實測值，直線為一元線性回歸方程擬合值，一元線性回歸方程均通過0.05顯著性水平檢驗?？梢钥闯觯衼喌貐^年平均氣溫在波動中呈遞增趨勢。根據一元線性回歸方程可知，其年平均氣溫氣候傾向率為0.277 ℃/10年，表明了中亞地區年平均氣溫每10年增加0.277 ℃。根據相關研究[9-10]，中亞地區年平均氣溫變化趨勢與我國年平均氣溫變化相一致，都呈遞增趨勢。但中亞地區增溫幅度要大于全國氣溫增溫幅度。

2.2 氣溫距平變化規律

本文使用滑動平均對1961—2010年中亞地區年平均氣溫進行趨勢擬合，用來確定年平均氣溫趨勢變化。對樣本量為n的氣溫序列x，其滑動平均序列表示為：

■j=■■xi+j-1（j=1，2，…，n-k+1）

式中：k為滑動長度，取值為5；n為樣本量，取值為50。

從圖2 1961—2010年中亞地區年平均氣溫距平值演變規律可以看出：

（1）從5年滑動平均曲線可以看出，1987年是中亞地區年平均氣溫的一個轉折點，在1961—1987年期間，曲線值以<0為主，說明了在此期間中亞地區年平均氣溫較低，處于偏冷期。而在1987—2010年期間，曲線值以>0為主，高于平均值水平，表明了從1987年開始，中亞地區年平均氣溫開始呈逐漸增溫趨勢。文獻[11]中對全國年平均氣溫研究得出，我國年平均氣溫從20世紀80年代開始呈遞增趨勢，這一結論與中亞地區相一致。

（2）從柱狀圖可以看出，在1964—1989年期間，僅1971年氣溫距平值>0，其余均<0，表明了在此期間中亞地區年平均氣溫處于相對穩定的變化狀態，同時可以看出此期間氣溫較低。在1997—2010年期間，年平均氣溫距平值均為正數，表明了此期間中亞地區年平均氣溫也處于相對穩定的變化狀態，同時說明了在此期間溫度相對較高。

（3）年平均氣溫距平值>1 ℃的有4個年份，均處于偏暖期。其中2006年溫度遞增幅度較大，年平均氣溫距平值為1.42 ℃。其次是2004年，年平均氣溫距平值為1.09 ℃。

年平均氣溫距平值<-1 ℃的有6個年份，均處于偏冷期。其中1972年降溫幅度最大，年平均氣溫距平值為-1.63 ℃。其次是1964年，年平均氣溫距平值為-1.22 ℃。

3 氣溫周期變化規律

小波變換方法是一種時頻分析方法，既可以了解時間序列不同時間的頻率特征，又可以了解不同頻率的時間分布特征。本文對中亞地區年平均氣溫資料，采用連續復小波變化，研究其年平均氣溫隨時間多尺度變化規律。

從圖3中亞地區年平均氣溫小波系數等值線圖可以看出：年平均氣溫變化過程中存在多時間尺度特征。總體看來，年平均氣溫變化過程中存在著16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3類尺度的周期變化規律。其中16～30年大尺度在20世紀70年代中期至80年代中期、21世紀00年代期間表現的較為顯著，具有局域性。3年小尺度在整個時間內均顯著，具有全局性。王澄海等[12]對全國年平均氣溫，運用小波分析得出，我國氣溫普遍存在3～4年的全域性周期變化規律，這一變化規律與中亞地區年平均氣溫存在3年小尺度全域性相一致。

圖4中亞地區年平均氣溫小波方差圖存在3個較為明顯的峰值，其依次對應著23、14、3年的時間尺度。其中，最大峰值對應著23年的時間尺度，說明23年左右的周期振蕩最強，為年平均氣溫變化的第一主周期；14年時間尺度對應著第二峰值，為年平均氣溫的第二主周期，第三峰值對應著3年的時間尺度，為年平均氣溫的第三主周期。這說明上述3個周期的波動控制著中亞地區年平均氣溫在整個時間域內的變化特征。

4 氣溫正交函數分解

本文對中亞6個地區1961—2010年50年來逐年平均氣溫，采用EOF正交函數方法進行分解，來研究年平均氣溫空間分布規律。

表1為中亞6個地區年平均氣溫經EOF分解后的特征值和方差貢獻率，可以看出，前3個載荷向量累積貢獻率為84.203 9%>80%。因此，說明前3個載荷向量所包含的信息，能夠描述中亞地區年平均氣溫空間場的特征。第一載荷向量貢獻率為50.954 3%，該貢獻率值較大，表明了第一載荷向量是決定性向量；第二、第三載荷向量貢獻率分別為18.397 8%、14.851 8%。

表2為年平均氣溫經EOF分解后的前3個載荷向量場，第一向量場可以看出，中亞6個地區僅烏茲別克斯坦向量場為負值，其余5個地區均為正值。最大值位于土庫曼斯坦，第一向量場值為0.503 2。其次為塔吉克斯坦，第一向量場值為0.486 4。因此，根據第一向量值，可以看出中亞地區年平均氣溫從東南地區向西北遞減。

從第二向量場可以看出，新疆、吉爾吉斯斯坦地區向量場值為負數，其余4個地區向量場值為正數。因此，根據第二向量值，可以看出中亞地區年平均氣溫從東向西遞減。

從第三向量場可以看出，塔吉克斯坦、土庫曼斯坦地區向量場值為負數，其余4個地區向量場值為正數。新疆地區向量場值最大為0.728 7，其次是烏茲別克斯坦，向量場值為0.526 7。因此，根據第三向量值，可以看出中亞地區年平均氣溫從南向北遞增。

5 結論

本文利用1961—2010年中亞地區月氣溫資料，采用一元線性回歸、連續復小波變換、EOF正交函數分解等方法，研究了中亞地區和全國氣溫變化情況，得出以下結論：

（1）中亞地區在近50年中年平均氣溫在波動中呈遞增趨勢，年平均氣溫氣候傾向率為0.277 ℃/10年，即年平均氣溫每10年氣溫增加0.277 ℃，這一增溫速度要大于全國年平均氣溫增溫幅度。中央區地區年平均氣溫增溫幅度最大的是塔吉克斯坦地區，年平均氣溫每10年增加0.348 ℃。

（2）在1961—1987年期間，中亞地區年平均氣溫較低，處于偏冷期。而在1987—2010年期間，年平均氣溫高于平均值水平，說明在此期間中亞地區年平均氣溫開始較高。我國年平均氣溫從20世紀80年代開始呈遞增趨勢，這一結論與中亞地區相一致。

（3）中亞地區年平均氣溫在隨時間變化過程中存在著16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3類尺度的周期變化規律。其中，23年左右的周期年平均氣溫變化的第一主周期；14年時間尺度為第二主周期，3年的時間尺度為第三主周期，3個周期的波動控制著中亞地區年平均氣溫在整個時間域內的變化特征。而我國氣溫普遍存在3～4年的全域性周期變化規律，這一變化規律與中亞地區年平均氣溫存在3年小尺度全域性相一致。

（4）由EOF正交函數分解得出：根據第一向量值，可以看出中亞地區的年平均氣溫呈現從東南地區向西北遞減的趨勢；根據第二向量值，可以看出中亞地區年平均氣溫從東向西遞減；根據第三向量值，可以看出中亞地區年平均氣溫從南向北遞增。

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