全球變暖背景下松花江流域氣溫最新變化特征

孫 文, 范昊明

(沈陽農業大學 水利學院, 沈陽 110866)

氣候變化與人類及其他物種生存發展息息相關。氣候變化影響涉及陸地、海洋、冰蓋等所有地區[1]。諸多研究成果及觀測數據顯示，全球氣候系統正在經歷一個變暖過程[2-4]。全球氣候變暖主要出現在20世紀20年代到40年代之間，以及80年代中期以后，其中后者變化更為顯著[5]。在全球變暖大背景下，中國氣候變化與全球及北半球表現出趨勢上的一致性[6-8]。大尺度范圍研究發現，近100年來中國年平均地表氣溫升溫幅度約為0.5～0.8℃[9]，略高于全球同期水平(0.6℃土0.2℃)，主要發生在冬季和春季，夏季氣溫變化不明顯[10-12]。但因區域環境特征、地理因素、氣候背景、氣候驅動力等諸多條件影響，局地氣候對于全球變暖響應的時間、尺度和幅度等都會表現出一定的時空差異，變化特征不盡相同，另外研究時段長度也會影響研究結果[13]。王澄海等[14]研究發現我國氣候生長期已明顯增長，北方和青藏高原增溫比其他地區顯著，而中國西南地區出現降溫現象，春季和夏季降溫尤為突出，長江中下游地區夏季平均氣溫也呈降低趨勢[15]。李小燕等[16]研究發現，1981—2010年陜南地區氣溫總體呈波動上升趨勢，李雙雙等[17]研究發現1961—2009年秦嶺南北表現出同步增溫趨勢，但突變年份有所不同。

松花江流域位于東北地區腹地，是我國林業、農業等基礎產業主要生產區，氣候變化對當地發展具有重要影響。孟悅[18]，曾小凡等[19]指出松花江流域20世紀后半葉氣溫主要以暖干變化為主，俞方元等[20]研究認為過去50 a松花江流域氣溫上升2°，冬季升溫最為明顯。以往成果多集中于長序列大尺度研究，忽略了短期，尤其是80年代后期氣候顯著變化過程，且數據資料相對陳舊，對近期松花江流域氣候研究相對較少，無法客觀反映最新事實。本文以松花江流域及其包含3個三級子流域為研究對象，選取變化最為顯著的20世紀80年代以后為研究時段，分析在全球氣候變暖大背景下，松花江流域在最近過去37 a間氣候變化響應情況，了解流域尺度內，受小氣候影響的區域氣候變化特點。另外，松花江流域內大規模城市較少，森林綠地覆蓋度較高[21]，以此為研究區可減少城市熱島效應對局地氣溫影響，避免人為等因素對自然狀態下氣候變化過程的過多干擾。研究以期對松花江流域局地氣候變化有更深入認識，為東北地區氣候研究，農林牧業生產發展，水利規劃等工作提供重要參考，同時為積雪分布、融雪徑流等生態氣候學科研究提供依據。

1　數據與研究方法

1.1　研究區概況

松花江流域位于北緯41°42′—51°38′，東經119°52′—132°21′，東西長920 km，南北寬1 070 km，面積55.68×104km2，占東北三省總面積69.3%，地跨內蒙古、黑龍江、吉林和遼寧四省。其中嫩江流域29.7×104km2，第二松花江流域7.34×104km2，松花江干流流域18.64×104km2。流域地勢跨度較大，四周高，中間低，西、北、東三面環山，僅西南部和遼河流域分水嶺較低，其余海拔均在500 m以上[22-24]。流域地處北溫帶季風氣候區，四季分明，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，冬季寒冷少水，大部分地區冬季持續半年之久，年內溫差較大。年內降雨變化十分顯著，積雪融水為春季河流主要水量來源，流域內有多年凍土存在。

1.2　數據來源

選取1979—2015年松花江流域內47個平均分布、資料序列相對完整的氣象站點年、月平均氣溫資料建立氣候序列，氣溫資料均來自中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn)。

將47個氣象站氣溫資料按年、月進行整理，對于撤銷、遷移臺站等原因導致數據缺失的站點按照線性回歸法進行插補，經過訂正處理后的47個臺站的氣溫資料通過了數據一致性檢驗，應用于本次研究。根據3個子流域界限對氣象站進行區域劃分，見圖1。根據北半球溫帶地區氣溫周期性變化，以氣候統計法為標準，劃分四季：春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—翌年2月。流域內各站點氣溫平均序列代表該流域氣溫序列，分別計算松花江流域、嫩江流域、第二松花江流域和松花江干流流域年及四季平均氣溫序列。

圖1松花江流域氣象站點分布

1.3　研究方法

利用一次線性傾向估計、5 a滑動平均法分析消除高頻變化后的氣溫年際變化，趨勢變化及氣候變化定量程度采用氣候趨勢系數和氣候傾向率進行分析，采用M-K檢驗，滑動T檢驗對氣溫序列進行氣候趨勢分析和突變年份檢驗，利用ArcGIS空間插值(RBF插值法)分析氣候變化區域特征，繪制氣溫傾向率變化圖，分析氣溫變化空間差異。利用M-K非參數統計檢驗法對松花江及3個子流域年、四季平均氣溫進行突變檢驗，分析其變化趨勢和突變時間。為增加結果準確性，對檢驗結果中可能的突變點運用滑動T檢驗法進行驗證，確定準確突變時間。

2　結果與分析

2.1　氣溫特征分析

由線性傾向趨勢線(圖2)可看出，37 a間，除嫩江流域冬季外，松花江流域及3個子流域年、四季平均氣溫呈不同程度增溫變化。各流域時間上呈現較高同步性，氣候變化基本一致，但變化速率上存在一定區域差異。

從5 a滑動平均來看，松花江流域及3個子流域年、春季平均氣溫在1979—1988年呈下降變化，80年代末期至21世紀初期波動上升，2009—2013年小幅下降，2014—2015年呈上升趨勢；夏季各地變化略有差異，松花江及嫩江流域表現為1979—1993年小幅下降，1994—2015年波動升溫的變化過程，第二松花江流域在夏季表現為波動下降—上升—下降的變化過程，松花江干流流域夏季整體呈緩慢升溫趨勢；各地秋季升溫明顯，表現出上升(1979—1995年)—下降(1979—1995年)—上升(2001—2005年)—下降(2006—2015年)的一致變化，冬季各區氣溫波動幅度較大，總體呈現出一次較大的波動變化，1979—1997年為升溫階段，1998—2015年為降溫階段，但2006—2008年有短暫升溫過程，且2006年松花江及3個子流域均出現冬季氣溫最高值。

從松花江流域年平均氣溫時間序列(圖2)分析得出，松花江流域多年平均氣溫3.67℃，變異系數0.19，最低值出現在1980年為2.37℃，最高值是2007年5.12℃。年平均氣溫傾向率0.29℃/10 a，相關系數0.46，通過r=0.05顯著性檢驗，氣溫上升程度高于同期全國其他地區。這與韓翠華[25]、張晶晶等[26]對東北地區氣候研究結果接近，但低于陸志華等[27]的研究結果。從表1可以看出，松花江流域秋季升溫速率最大，其次是夏季和春季，冬季最小。對于冬季需要特別指出，1979—1999年松花江流域冬季平均氣溫升溫速率為1.13℃/10 a，相關系數0.53，通過0.01(r0.01=0.41)顯著性水平檢驗，說明升溫趨勢明顯，溫度上升較快，2000年為冬季最冷年份，溫度-19.63℃，2001—2015年氣溫呈明顯下降趨勢，降溫速率為1.45℃/10 a，大于前20 a增溫速率。21世紀前后氣溫出現明顯轉折性變化，使得松花江流域冬季氣溫整體變化速率較小，變化不顯著。Medhaug I等[28]研究認為1997年超級厄爾尼諾現象，使得全球大部分地區從1998年溫度明顯升高，并伴有3 a升溫期，進入21世紀后氣溫逐漸降低；劉實等[29]研究證實受東亞冬季風加強影響，我國東北地區冬季氣溫于2004年已轉入低溫階段；翟獻帥等[30]對東北地區研究也證實了這一轉折性變化；范蘭等[31]對中國近15 a氣溫研究得出我國近期氣溫呈現波動下降趨勢，以上研究均證實了松花江流域冬季氣溫轉折性變化。

嫩江、第二松花江、松花江干流流域多年平均氣溫為3.41℃，4.15℃，3.56℃，年氣候傾向率0.31℃/10 a，0.31℃/10 a，0.29℃/10 a，說明流域內部年氣溫變化差異不大。分析3個子流域四季氣溫變化速率(表1)，增溫速率為秋季>夏季>春季>冬季，與松花江流域變化情況相同。子流域中，第二松花江流域的夏季、秋季、冬季增溫幅度最大，春季增溫幅度最小；嫩江流域春季最大，冬季最小；松花江干流流域與松花江流域四季氣溫變化速率最為接近，第二松花江流域相較其他地區氣溫偏高。夏季及秋季對松花江流域升溫變化貢獻率較大，容易造成初雪日延后，夏季干旱等區域氣候變化。

綜上所述，1979—2015年，松花江流域及3個子流域年、四季平均氣溫出現多次冷暖波動過程，總體呈增溫趨勢，秋季和夏季增溫幅度大于春季和冬季；3個子流域中，嫩江流域與第二松花江流域年增溫速率相同，松花江干流流域略小。松花江流域及3個子流域氣候變化趨勢呈較高同步性，季節變化特征總體一致，20世紀70年代末至80年代中期氣溫波動下降，80年代末至90年代中期氣溫顯著增加，21世紀后呈現下降趨勢。

表1　松花江及3個子流域平均氣溫變化速率及相關系數

圖2　松花江及3個子流域平均氣溫變化序列

2.2　氣溫變化突變分析

圖3為各流域年、四季平均氣溫M-K突變檢驗，由圖3A，B，C，D可見，各流域年平均氣溫經歷兩次明顯升溫波動，1979—1983年為短暫增暖趨勢，1984—1987年出現下降趨勢，1988—2008年為明顯增暖期，1993年超過95%信度線，2009—2015年表現為下降趨勢。根據正序列曲線UF和反序列曲線UB交點位置，確定年平均氣溫存在增暖突變點。2條曲線交點位于臨界線之間，經檢驗，1988年為增暖突變點。從1988年開始，松花江及3個子流域年及四季氣溫明顯增暖。自90年代后期開始，增暖趨勢均超過α=0.001顯著性水平(u0.001=2.56)。可以確定，松花江流域全年氣候在20世紀80年代末期經歷了一個相對偏暖的氣候變化。

由圖3E，F，G，H可見，春季與全年變化趨勢相似。1980—1983年表現出短暫增暖趨勢，1984—1988年為下降趨勢；1989—2003年呈增溫趨勢，其中松花江和嫩江流域在2003年超過95%信度檢驗，第二松花江流域1997年超過α=0.05顯著性水平，1998年增溫趨勢超過α=0.001顯著性水平，表明第二松花江流域在20世紀90年代末期春季升溫趨勢十分顯著；松花江干流流域兩次增溫變化均沒有通過95%信度檢驗，之后各地均呈現降溫趨勢。春季信度線內存在多個交點，經檢驗，各流域均在1989年發生增溫性突變，嫩江、第二松花江流域2010年發生降溫突變。研究確定松花江流域20世紀90年代春季增溫現象是一個突變現象，這一變化自1989年開始。

由圖3I，J，K，L可以看出，夏季松花江、嫩江及松花江干流流域在1979—1993年為不顯著降溫趨勢，1994—2015年呈明顯增溫趨勢，超過α=0.001顯著性水平；第二松花江流域在1979—1982年增溫，1983—1987年下降，1988—2008年顯著增溫，2008—2015年氣溫有所回落。松花江、嫩江流域1996年在信度區間出現增溫突變點；經檢驗，第二松花江流域在1987年、松花江干流流域在2001年存在增溫突變點，說明全區在夏季升溫明顯，但突變時間有所不同。

由圖3M，N，O，P可見，1979—1987年各流域秋季氣溫變化趨勢平緩，1987年之后表現為明顯增溫趨勢，均超過α=0.001顯著性水平，全區1988—1989年出現增溫突變點，說明全區在20世紀90年代后秋季增溫顯著。

圖3Q，R，S，T正序列曲線表明，1979—1985年松花江及3個子流域經歷一個小幅升溫—降溫趨勢變化，嫩江及第二松花江流域拐點在1981年，松花江及松花江干流流域拐點在1982年。1985—1998年呈明顯增暖趨勢，此次增溫變化3個子流域均超過α=0.001顯著性水平。1998年之后，松花江、嫩江、松花江干流流域出現大幅度快速降溫趨勢，第二松花江流域也呈下降趨勢，但速度趨緩。除第二松花江流域在信度區間內存在一個交點外，其他流域均存在多個交點。經檢測，松花江及3個子流域在1986年發生顯著增暖突變，松花江、嫩江及松花江干流流域在2008—2009年存在降溫突變點。這與宋燕等[32]對于全球80年代之后突變時間研究結果相似。

綜上，松花江及3個子流域的年、春季、冬季變化趨勢相似度較高，但四季突變時間存在一定差異。各流域年平均氣溫在1988年發生增溫性突變，四季平均氣溫在80年代末期以后均出現統計意義上的增溫突變；除第二松花江流域外，其他流域21世紀初期冬季均發生降溫突變。這進一步證實了前文在年際變化分析中夏季、秋季在90年代以后增溫明顯，冬季在21世紀以后降溫顯著的論述。

3　氣候變化區域差異分析

圖4為1979—2015年松花江及3個子流域年、四季氣溫變化速率空間分布圖。從變化區域差異來看，整個松花江流域年平均氣溫上升幅度在0.07～0.51℃/10 a，存在3個高值區，分別是嫩江流域小二溝地區，哈爾濱、綏化、尚志等地，以及第二松花江流域上游的松江、敦化等地。以上地區升溫速率均通過r=0.01顯著性檢驗，達到顯著升溫水平。富錦、泰來以及第二松花江流域西南部部分地區速率偏低，增溫變化不顯著，均未通過r=0.05顯著性檢驗。

松花江流域春季升溫速率在0.01～0.46℃/10 a，高值區主要位于嫩江流域小二溝及西部索倫、烏蘭浩特一帶。第二松花江流域南部地區及松花江干流富錦、明水、鐵力等地變化較小，升溫不顯著。

夏季松花江流域大部分地區平均氣溫升溫幅度在0.20℃/10 a以上，北部和西部一帶以及中部哈爾濱地區是升溫高值區，升溫幅度在0.40℃/10 a以上，其中小二溝地區最大。伊春、富錦及第二松花江流域清原、臨江等南部大部分地區，升溫速率偏低，增幅在0.11～0.30℃/10 a，變化不顯著。

秋季升溫速率在0.20～0.70℃/10 a，大部分地區升溫幅度在0.30℃/10 a以上。與其他季節相比，秋季升溫趨勢最為明顯，其中小二溝、嫩江、綏化、哈爾濱、松江等地升溫速率較大且超過r=0.01顯著性檢驗。第二松花江南部、松干流域北部及嫩江的博客圖、泰來等地增溫較小，增溫幅度在0.20～0.34℃/10 a。

圖3　松花江及3個子流域年、四季平均氣溫MK統計量

圖4　松花江流域年及四季平均氣溫變化速率空間分布

受21世紀初期北方氣溫轉折性降溫變化影響，冬季各地區升溫不顯著，有些地區出現降溫趨勢，全流域氣溫變化速率在-0.35～0.33℃/10 a。哈爾濱、綏化、小二溝及東南部地區為增溫變化，佳木斯、富錦、索倫、泰來等地呈降溫趨勢。各地均未通過r=0.05顯著性檢驗。

綜上所述，松花江流域年、四季氣溫變化區域差異明顯，空間分布不均。小二溝、哈爾濱、敦化、松江等地增溫幅度較大，烏蘭浩特、索倫除冬季外其他季節升溫幅度也較大。富錦、鶴崗、佳木斯，泰來及西南部地區增溫幅度最小，且冬季多地出現降溫變化。究其原因，主要因為不同季節氣溫分布格局是由不同控制機制決定：冬季氣溫分布格局主要由緯度控制，夏季主要由地形控制[33]，另外除區域氣候自身變化因素外，局地氣溫在自然變暖基礎上，下墊面差異、城市化效應和土地利用等諸多條件也是影響氣溫變化的重要因素。

4　結 論

(1) 松花江及3個子流域年、四季平均氣溫總體隨年代發展呈增溫趨勢，各地平均氣溫自20世紀80年代末增溫明顯，進入21世紀后氣溫均有所回落，其中冬季降溫最為顯著。

(2) 松花江流域及3個子流域多年平均氣溫及年升溫速率相差不大，氣溫變化趨勢總體一致。松花江與松花江干流流域年平均氣溫傾向率為0.29℃/10 a，嫩江及第二松花江流域為0.31℃/10 a，夏季和秋季增溫幅度大于春季和冬季；1979—2015年松花江流域平均氣溫在2.37～5.12℃，多年平均氣溫3.67℃。

(3) 松花江流域及3個子流域年、四季平均氣溫均發生突變，其中年平均氣溫在1989年發生增溫性突變，春季、秋季主要發生在20世紀80年代末，夏季主要發生在90年代中后期，冬季主要發生在1986年和21世紀初期。

(4) 流域各地氣溫變化速率空間差異較大，其中小二溝、哈爾濱、敦化、松江等地升溫速率較大，富錦、佳木斯、泰來及第二松花江流域西南部分地區氣溫變化速率偏低。

(5) 氣候快速變暖會導致極端天氣增加、氣象災害頻發，給人類生命和財產安全帶來威脅，因此了解區域氣候變化形成機制和影響因素以及如何有效應對，將是今后研究的重要內容。

參考文獻：

[1]《氣候變化國家評估報告》編寫委員會.氣候變化國家評估報告[M].北京:科學出版社,2007.

[2]秦大河, Thomas Stocker. IPCC第五次評估報告第一工作組報告的亮點結論[J].氣候變化研究進展,2014,10(1):1-6.

[3]丁一匯,任國玉,石廣玉,等.氣候變化國家評估報告(Ⅰ):中國氣候變化的歷史和未來趨勢[J].氣候變化研究進展,2007,3(S):1-5.

[4]沈永平,王國亞. IPCC第一工作組第五次評估報告對全球氣候變化認知的最新科學要點[J].冰川凍土,2013,35(5):1068-1076.

[5]孫嫻,林振山.經驗模態分解下中國氣溫變化趨勢的區域特征[J].地理學報,2007,62(11):1132-1141.

[6]劉宣飛,朱乾根.中國氣溫與全球氣溫變化的關系[J].大氣科學學報,1998(3):390-397.

[7]易湘生,尹衍雨,李國勝,等.青海三江源地區近50年來的氣溫變化[J].地理學報,2011,66(11):1451-1465.

[8]Medhaug I, Drange H. Global and regional cooling in a warming climate from CMIP5 models[R]. EGU General Assembly Conference, 2015.

[9]Gao X J, Shi Y, Zhang D F, et al. Climate change in China in the 21st century as simulated by a high resolution regional climate model[J]. Chinese Science Bulletin, 2012,57(10):1188-1195.

[10]梁蘇潔,丁一匯,趙南,等.近50年中國大陸冬季氣溫和區域環流的年代際變化研究[J].大氣科學,2014,38(5):974-992.

[11]姜曉艷,劉樹華,馬明敏,等.中國東北地區近百年氣溫序列的小波分析[J].氣候變化研究進展,2008,4(2):122-125.

[12]沈志超,任國玉,李嬌,等.中國東北地區冬季氣溫變化特征及其與大氣環流異常的關系[J].氣象與環境學報,2013,29(1):47-54.

[13]楊素英,王謙謙,孫鳳華.中國東北南部冬季氣溫異常及其大氣環流特征變化[J].應用氣象學報,2005,16(3):334-344.

[14]王澄海,李健,許曉光.中國近50年氣溫變化準3年周期的普遍性及氣溫未來的可能變化趨勢[J].高原氣象,2012,31(1):126-136.

[15]楊建瑩,陳志峰,嚴昌榮,等.近50年黃淮海平原氣溫變化趨勢和突變特征[J].中國農業氣象,2013,34(1):1-7.

[16]李小燕,任志遠,張翀.陜南氣溫變化的時空分布[J].資源科學,2012,34(5):927-932.

[17]李雙雙,延軍平,萬佳.全球氣候變化下秦嶺南北氣溫變化特征[J].地理科學,2012,32(7):853-858.

[18]孟悅.松花江流域氣候年代際變化分析及預測[D].蘭州:蘭州大學,2007.

[19]曾小凡,李巧萍,蘇布達,等.松花江流域氣候變化及ECHAM5模式預估[J].氣候變化研究進展,2009,5(4):215-219.

[20]俞方圓,鄭粉莉,李志,等.近51年松花江流域溫度變化趨勢分析[J].干旱地區農業研究,2011,29(5):242-246.

[21]杜國明,孫曉兵,王介勇.東北地區土地利用多功能性演化的時空格局[J].地理科學進展,2016,35(2):232-244.

[22]王志杰,簡金世,焦菊英,等.基于RUSLE的松花江流域不同侵蝕類型區泥沙輸移比估算[J].水土保持研究,2013,20(5):50-56.

[23]馮波,章光新,李峰平.松花江流域季節性氣象干旱特征及風險區劃研究[J].地理科學,2016,36(3):466-474.

[24]溫姍姍,姜彤,李修倉,等.1961—2010年松花江流域實際蒸散發時空變化及影響要素分析[J].氣候變化研究進展,2014,10(2):79-86.

[25]韓翠華,郝志新,鄭景云.1951—2010年中國氣溫變化分區及其區域特征[J].地理科學進展,2013,32(6):887-896.

[26]張晶晶,陳爽,趙昕奕.近50年中國氣溫變化的區域差異及其與全球氣候變化的聯系[J].干旱區資源與環境,2006,20(4):1-6.

[27]陸志華,夏自強,于嵐嵐,等.近51年松花江流域氣溫時空變化特征[J].河海大學學報自然科學版,2012(6):629-635.

[28]Medhaug I, Drange H. Global and regional surface cooling in a warming climate: a multi-model analysis[J]. Climate Dynamics, 2016,46(11/12):3899-3920.

[29]劉實,隋波,涂鋼,等.我國東北地區冬季氣溫變化的東亞冬季風背景[J].應用氣象學報,2014(1):11-21.

[30]翟獻帥,蘇筠,方修琦.東北地區近30年來溫度變化的時空差異[J].中國農業資源與區劃,2017,38(2):20-27.

[31]范蘭,呂昌河,楊彪.近15 a中國氣溫變化趨勢分析[J].沙漠與綠洲氣象,2014(5):34-38.

[32]宋燕,季勁鈞.氣候變暖的顯著性檢驗以及溫度場和降水場的時空分布特征[J].氣候與環境研究,2005,10(2):157-165.

[33]盧愛剛,康世昌,龐德謙,等.地形對中國氣溫季節分布格局的差異影響[J].生態環境學報,2008,17(4):1450-1452.