中國北方地區年降水與氣溫關系及其時空變異性

陳陽，馬龍，劉廷璽，黃星，梁瓏騰

內蒙古農業大學水利與土木建筑工程學院，內蒙古 呼和浩特 010018

降水與氣溫變化趨勢的不同組合，也即其間關系的演變對植被（盧喬倩等，2020；李登科等，2020）、水資源（Chen et al.，2015）、生態環境（Shi et al.，2017；石曉麗等，2018）等影響較大，揭示其間關系類型及時空演變與影響成為重要研究內容，但目前大范圍多氣候類型區的二者關系類型及其時空變異性和影響仍不明確。

國內外關于降水與氣溫之間的關系研究主要分為兩大類：第一類側重于研究降水與氣溫的變化特征及影響，其間接揭示了二者間的關系。研究范圍從全球（Sun et al.，2014；Schultz et al.，1993；Gornall et al.，2010）、歐洲（Beniston et al.，1998）、地中海（Erol et al.，2012）、柯西河流域（Dinesh et al.，2014）到中國（章大全等，2010；Huang et al.，2019；Cao et al.，2020）、中國的西北地區（Wu et al.，2020；Shi et al.，2007）等，結果表明，自20世紀后半期以來，降水與氣溫在全球較大范圍內均以上升為主（Sun et al.，2014），對植被（Schultz et al.，1993）、農業生產（Gornall et al.，2010）等方面影響較大，破壞了歐洲作物與灌溉水之間原有的供求關系（Beniston et al.，1998），增加了柯西河流域水稻、玉米的產量（Dinesh et al.，2014），減少了中國西北地區沙塵天氣出現的頻率并優化了該地的植被覆蓋狀況（Shi et al.，2007）。而部分地區氣溫是明顯上升的，但降水呈下降趨勢，其改變了地中海地區的水文過程（Erol et al.，2012），造成了中國干旱總面積不斷擴大（章大全等，2010；Huang et al.，2019）、氣候潛在生產力下降（Cao et al.，2020）等問題。

第二類則直接從降水與氣溫間的關系入手開展相關研究，研究區域涉及全球（剛成誠等，2016）、中亞（迪麗努爾·托列吾別克等，2018；Gong et al.，2017）、澳大利亞西南部（Chris et al.，2018）、中國（蘇明峰，2005；Yang et al.，2006）、中國的干旱、半干旱地區、北方農牧交錯帶（Shi et al.，2018；Shi et al.，2014）等（Wang et al.，2016；Yao et al.，2018；韓輝邦等，2017；李虹雨等，2017；王靜茹等，2016；黃星等，2016），以平均值、標準差、PDSI、AAT10、SPEI（Shi et al.，2018；Shi et al.，2014）、氣候傾向率（Shi et al.，2014）、Piecewise linear fitting model的趨勢判別結果（施曉暉等，2008）及二者變化趨勢的幾何關系等為手段，將二者關系劃分為暖干、暖濕、冷干、冷濕、一致變化、反對稱變化等類型，結果表明：近百年來，全球（剛成誠等，2016）、中亞氣候呈暖濕化趨勢（迪麗努爾·托列吾別克等，2018）；澳大利亞西南部整體趨于暖干（Chris et al.，2018）、中國的降水與氣溫在1690s到18世紀末多呈暖濕型關系，而在19世紀初至1970s則以冷干、冷濕型關系為主；于1970s中期才再次向暖干、暖濕轉型（蘇明峰，2005；Yang et al.，2006）；中國的干旱、半干旱地區在過去的十年呈暖濕趨勢（Wang et al.，2016），新疆（Yao et al.，2018）、青海（韓輝邦等，2017）的氣候分別由暖干、冷干向暖濕轉型；內蒙古地區、科爾沁沙地、黃河流域內蒙古段的降水與氣溫除個別階段呈一致變化外，均以反對稱變化為主（李虹雨等，2017；王靜茹等，2016；黃星等，2016）。

綜合表明，現存相關成果多為降水與氣溫各自變化趨勢的單獨分析或二者綜合影響作用研究（Feng et al.，2015）；部分針對二者關系展開的研究，也主要針對暖干、暖濕兩類（趙東升等，2019），冷干、冷濕等關系涉及的較少，且多為15—30 a的大尺度研究，遺漏了重要的短期關系（Samuel et al.，2016）；多為降水與平均氣溫間的關系研究，忽略了平均最低氣溫、平均最高氣溫與其的差異性，未全面揭示二者間的關系類型，更缺乏涵蓋多種氣候類型區域的二者關系時空變異性及其影響的成果。為使研究成果具有較高的代表性和全面性，本文以范圍較廣、涵蓋氣候類型較多的中國北方地區為研究區，利用分布于中國北方及其周邊的357個高密度氣象站點1951—2016年降水量、平均最低氣溫、平均氣溫、平均最高氣溫數據，全面揭示降水與三類氣溫間關系類型及時空變異性，不僅豐富了該方面研究成果，也為區域氣候變化、水資源問題應對、生態環境改善等提供了參考。

1 資料與方法

1.1 研究區概況

中國北方地區（73°40′—135°2′E、31°9′—53°33′N）幅員遼闊，總面積約531×104km2，包括西北（青海、甘肅、寧夏、陜西、內蒙古西部和新疆地區）、華北（北京、天津、河北、山東、河南、山西、內蒙古中部）、東北（黑龍江、吉林、遼寧、內蒙古東部）三大地區。東西橫跨三級階梯，地勢差大，地形地貌復雜多樣，分布有山脈、丘陵、盆地、平原、沙漠等，氣候差異顯著，包含溫帶季風性氣候、溫帶大陸性氣候和高原山地氣候等。

1.2 數據來源

使用的資料為中國北方及周邊地區357個氣象站點1951—2016年降水量、平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫的年數據，數據來源于中國氣象網（http://data.cma.cn/），經檢驗，各氣象站點的各類氣象因子數據無異常值，可以代表研究區氣候狀況。具體站點分布情況見圖1。

圖1 研究區及氣象站點分布圖Fig.1 Locations of the study area and the meteorological stations

1.3 數據處理方法

（1）將降水與三類氣溫時間序列統一為1951—2016年，利用臨近站點的完整數據，采用相關及回歸分析方法，對降水與三類氣溫的缺測數據進行插補。

（2）以平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫數據為依據，采用中心聚類法對研究區進行分區，即選取一點為中心，用臨近點與其做相關性分析，得到二者的相關系數rij，通過公式：

將相關系數rij轉換為cij和wij，再根據公式：

得到服從卡方分布的計算值χ2，當時，說明顯著性在α=0.05的置信區間，這些站點可以劃分為一類，即屬于同一個分區，否則就對站點重新進行篩選，擴大或縮小區域，直到滿足檢驗為止。具體計算過程參見文獻（么枕生，1994；劉揚等，2012）。

（3）采用距離平方反比法求取各分區降水及氣溫序列均值，即將各分區分成 1°×1°的均勻經緯度網格，形成網格點，計算各網格點到所有氣象站點的距離權重，綜合各站點氣象資料，確定各格點的降水與氣溫數據，之后求取分區所有格點數據的平均值，即為各分區區域年面值序列。具體計算過程參見文獻（Jones et al.，1996）。

（4）采用相關系數法分析降水與氣溫間的相關性，相關系數的計算公式為：

式中，rxy為降水與氣溫間的相關系數；xi、yi為第i年的降水、氣溫年值，mm或℃；、為降水、氣溫多年平均值，mm或℃；n為計算時段年數。

（5）采用5 a滑動值序列與氣候傾向率相結合的方法分析氣候因子的變化趨勢，氣候傾向率的計算公式為：

式中，θ為氣候傾向率，mm·10 a?1或℃·10 a?1；ci為第i年的降水、氣溫年值，mm或℃；n為計算時段年數。

（6）根據降水（p）與氣溫（t）氣候傾向率的正負情況等來確定關系類型，以降水的傾向率發生正負變化（即傾向率由大于0變為小于0，或由小于0變為大于0）的年份作為整個時段劃分為多個短時段的節點（所有節點亦適用于氣溫），設各節點順序分別為a、b、c…等，則a-b、b-c…為含于1951—2016年內部的短時段，θpab、θpbc、θtab和θtbc則分別為降水與氣溫在時段a-b、b-c的氣候傾向率，此處僅以a-b、b-c時段為例進行關系判別說明，其他時段關系的判別執行類似過程，具體判別流程如圖2所示。

圖2 降水與氣溫關系類型判別流程圖Fig.2 Relationship type discrimination flowchart

2 結果與分析

2.1 氣候因子的分區

根據方法（2）的分區過程，將研究區共劃分為6個1級氣候類型區（Ⅰ—Ⅵ區），隨經緯度和其他地理條件變化，1級區內部亦存在一定差異，因此，在 1級區基礎上依照類似過程進行了 2級區劃分（共15個），全文基于2級區區域面均值序列開展分析。由于三類氣溫之間有所差異，使得三類氣溫各分區范圍存在一定差異（見圖3）。

圖3 研究區三類氣溫分區示意圖Fig.3 Distribution of three types temperature in the study area

2.2 降水與三類氣溫的相關性

圖4為研究區降水與三類氣溫1951—2016年年際序列相關系數分布情況，由圖可知，降水與平均最低氣溫在新疆、青海（其北部地區r=0.413）呈較強的正相關，向東（除東北北部外）隨海拔降低逐漸變弱，且轉變為以負相關為主；而與平均氣溫則在華北南部的汾渭平原（r= ?0.390）、東南部的蘇北平原、西北地區東南部的秦巴山區、青海省北部以及東北地區中西部二者相關性較強，在其他地區較弱，其在西北地區中西部以及東北北部呈正相關，在其他地區均呈負相關；降水與平均最高氣溫在東北（除其北部）、華北（其東南部的蘇北平原r= ?0.568）以及西北地區東部相關性較強，而在西北地區中西部較弱，且除青海外，其他地區均呈負相關，相關性整體由東向西變弱。整體上，降水與三類氣溫在緯度較低的地區往往相關性更強，如在溫帶季風氣候區，降水與三類氣溫的相關性均由東北向華北北部、由華北中東部向南部、東南部增強。除在內蒙古西部降水與三類氣溫的相關性均未通過顯著性水平檢驗外，在新疆、青海、東北北部，降水與氣溫的相關性均隨三類氣溫依次變化逐漸減弱，而在其他地區則與之相反。

圖4 各分區降水與三類氣溫的相關系數空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of coefficient between precipitation and three types of temperature

2.3 降水與三類氣溫的趨勢關系

根據趨勢分析過程，確定出各分區降水與三類氣溫的關系共有六類，將這六類關系依次命名為暖濕冷干（冷干暖濕）交替型（以下簡稱暖濕冷干交替型）、暖濕型、冷干型、暖干冷濕（冷濕暖干）交替型（以下簡稱暖干冷濕交替型）、暖干型和冷濕型，分別歸屬為趨勢同向型和趨勢反向型兩大類（圖5a）。某類關系在部分站點間斷出現（已在圖6標出），其出現時間以最早出現、持續時間以持續期最長的一次為準，并將所有間斷的持續時間進行累加，稱為持續總時間（圖5b）。圖6為趨勢同向型、趨勢反向型關系在各分區的出現時間、持續時間及持續總時間的空間分布。

圖5 關系類型界定圖（a）及各類關系出現時間、持續時間及持續總時間統計方法界定圖（b）Fig.5 Definition diagram of relationship types(a), and definition diagram of statistical methods for appearance time, duration time and total duration time of various relationships(b)

圖6 降水與氣溫關系出現時間、持續時間及持續總時間的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the appearance time, duration time and total duration time of the relationship between precipitation and temperature

2.4 降水與氣溫關系的時空變異性

2.4.1 暖濕冷干交替型

這類關系在西北地區東南部（僅平均最低氣溫）以及青海南部（除平均最高氣溫）出現的時間較晚，分別為 1985年和 1992年，而在其他地區則均為1951年，除平均最高氣溫外，均呈自北向南出現時間變晚的趨勢，這類關系在新疆南部、青海北部（平均最低氣溫和平均氣溫）、華北東南部（平均最高氣溫）的持續時間較長，而在其他地區較短。

2.4.2 暖濕型

降水與平均最低氣溫在東北地區出現這類關系的時間及其持續時間自北向南變晚、變短，而在華北地區，除在其西南部的持續總時間略長于周邊地區外，出現時間、持續時間整體自西向東變晚、變長，在西北地區北部，這類關系的出現時間、持續時間自西向東變早、變短，而在西北地區東部則隨緯度下降變早、變長；降水與平均氣溫在東北北部出現這類關系的時間比東部晚，且持續時間比東部長，而在華北地區，這類關系的出現時間、持續時間自北向南變早、變短，在西北地區東南部和青海北部出現時間較晚，向北逐漸變早且持續時間變短，持續總時間則與之相反（由26 a變為25 a）；降水與平均最高氣溫在東北地區僅于 1985年在其北部出現過此類關系，持續時間為 5 a，在華北地區，這類關系以其中部為中心，出現時間最早，向南北兩側逐漸變晚，且除在華北中東部的持續時間長于周邊地區外，整體自北向南縮短，而在西北地區，這類關系的出現時間隨緯度下降變晚，持續時間在內蒙古西部較短（但其持續總時間較長），在其他地區較長。

2.4.3 冷干型

這類關系在青海北部（僅平均最高氣溫）、南部（三類氣溫）的出現時間均為1951年，持續時間分別為14 a和7 a，而在東北北部（除平均最高氣溫）的出現時間為1992年，持續時間為14 a。

2.4.4 暖干冷濕交替型

降水與平均最低氣溫在華北西南部、青海南部、新疆北部出現這類關系的時間較早，且除華北西南部外，持續時間均較長，在其他地區則自東北向西南、隨海拔升高出現時間變晚、持續時間變短；與平均氣溫在東北地區（除北部外）出現這類關系的時間及其持續時間自西向東變晚、變短，而在華北地區，這類關系的出現時間隨緯度下降變早，持續時間在華北中西部最長，而在其他地區較短，西北地區北部出現這類關系的時間自西向東變晚，南部則與之相反，且除在新疆北部的持續總時間較長外，持續時間整體自西向東變長；降水與平均最高氣溫在研究區中部（90°—120°E）出現這類關系的時間及其持續時間隨緯度下降變早、變長，而東北地區出現這類關系的時間整體較早且持續時間較長，新疆出現這類關系的時間及其持續時間自北向南變晚、變短。

2.4.5 暖干型

除華北東南部外，降水與平均最低氣溫、平均氣溫出現這類關系的時間均隨緯度下降變晚，但二者持續時間變化趨勢的差異較大，降水與平均最低氣溫呈由東北地區中東部向西北地區東部、由華北地區中東部向其南部持續時間變長的趨勢，與平均氣溫則在華北西南部以及青海北部等地的持續時間較短，而在其他地區較長，與平均最高氣溫在華北北部、內蒙古西部出現這類關系的時間較早，且持續時間較長，而在華北西南部、青海南部出現較晚，持續時間較短。

2.4.6 冷濕型

這類關系在西北地區東南部（平均最低氣溫）的出現時間為1951年，持續時間為16 a，在東北北部（平均氣溫）的出現時間為2006年，持續時間為10 a。

2.4.7 年代際降水與氣溫關系的時空演變

圖 7為年代際降水與三類氣溫關系的空間分布示意圖（僅表示出各分區降水與氣溫的主要關系類型），圖8為各研究區降水與三類氣溫關系隨時間演變示意圖。在降水與平均最低氣溫關系的時空變異性方面，降水與平均最低氣溫在1950s—1970s除在青海北部、新疆南部等中緯度（36°—39°E）地區以暖濕冷干交替型關系、在青海南部、新疆北部以暖干冷濕交替型關系為主外，整體以暖干型關系為主；而在1980s—1990s，除青海、新疆南部等地區外，整體呈北部暖濕、南部暖干的分布規律；進入21世紀以后，研究區整體以暖干冷濕交替型關系為主，集中在東北、華北北部、內蒙古西部等高緯度地區。

圖7 各年代降水與三類氣溫關系的空間分布示意圖Fig.7 The spatial distribution of the relationship between precipitation and three types of temperature in each period

圖8 降水與三類氣溫關系隨時間演變示意圖Fig.8 The evolution of the relationship between precipitation and three types of temperature over time

在降水與平均氣溫關系的時空變異性方面，在1950s—1970s，降水與平均氣溫在東北（除中西部外）、華北北部、東南部以暖干型、在青海北部等中緯度地區以暖濕冷干交替型、西北東部以暖濕型關系為主外，整體以暖干冷濕交替型關系居多；自1980s開始向暖濕轉型，占研究區總面積的50%以上，即除東北、西北地區東部、青海以及華北中西部、西南部外，其他地區均呈暖濕型關系；進入21世紀以后，除青海及其以東地區以暖濕型關系為主外，整體以暖干冷濕交替型關系居多。

就降水與平均最高氣溫關系的時空變異性而言，在 1950s，降水與平均最高氣溫的關系除了在華北北部和內蒙古西部以暖干型、華北中部以暖濕型、青海以冷干型以及在新疆南部和華北東南部以暖濕冷干交替型關系為主外，整體以暖干冷濕交替型關系為主，并隨時間的推移整體擴大，到 1970s末達到最大；自1980s開始，暖濕型關系成為了研究區主要的降水氣溫關系類型，即除東北、華北中西部、內蒙古西部以及西北地區東部外，均以暖濕型關系為主；21世紀以后，除華北南部、中東部、西北地區東南部以及青海外，研究區整體以暖干冷濕交替型關系為主。

綜上所述，暖濕冷干交替型、暖濕型、暖干型關系均在中高緯度地區的出現時間較早，而在低緯度地區較晚，其他關系類型，除暖干冷濕交替型關系在新疆外，則均與之相反，暖濕型、暖干冷濕交替型關系的持續時間由西北北部向華北北部縮短，暖干型關系則與之相反。處于不同的干濕區、溫度帶（鄭景云等，2010）的研究區降水與氣溫關系的演變也不同，如東北（中溫帶濕潤區）、華北中西部、西北東部（中溫帶半濕潤、半干旱混合區）在整個研究時段內均以趨勢反向型關系為主；青海（高原溫帶、亞寒帶）大多呈趨勢同向型關系；東北北部（寒溫帶）的降水-氣溫關系在整個研究時段內大致經歷了由暖干到暖濕、再到暖干、冷干及冷濕的5次變化；華北南部、中東部等地區（暖溫帶半濕潤區）在1980s以后均以暖濕型關系為主，并持續至2016年；而內蒙古西部、華北北部（中溫帶干旱、半干旱、半濕潤混合區）在1950s以暖干型關系為主，隨后向暖濕轉型，進入21世紀以后則以暖干冷濕交替型關系居多，且前者關系發生轉化的時間早于后者；新疆北部（暖溫帶、中溫帶干旱區）的降水與氣溫在 1980s—1990s呈暖濕型關系，除此之外，均以暖干冷濕交替型關系為主，南部（暖溫帶、高原亞寒帶干旱區）在 21世紀以前呈趨勢同向型關系，21世紀以后則與之相反。

3 討論

內蒙古東部、中部降水與三類氣溫均呈負相關（李虹雨等，2017）、科爾沁沙地年區域平均降水量與區域平均氣溫呈顯著負相關（王靜茹等，2016）、黃河流域內蒙古段年際降水與平均最高氣溫呈負相關（黃星等，2016）等，均與本文對應區域所得結論一致，而黃河流域降水與氣溫呈負相關（李佩成等，2011）、東北地區降水與三類氣溫均以正相關為主（Du et al.，2013）等，與本文存在一定差異，可能是研究范圍、氣溫類型等不同所致。內蒙古降水與三類氣溫以反對稱關系為主（李虹雨等，2017），黃河流域內蒙古段降水與三類氣溫在1980s—1990s呈一致的上升趨勢（黃星等，2016），西北地區自1980s開始向暖濕氣候轉型（Shi et al.，2007）等，均與本文“降水與氣溫在1980s—1990s以暖濕型關系為主，除此之外，均以暖干冷濕交替型關系居多”的結論吻合。而Wang et al.（2018）的研究結果表明，21世紀以后，氣溫在全國較大范圍內呈下降趨勢，降水則以增加為主，這與本文的研究結果有所不同，可能與研究時段、劃分關系類型的時間尺度不同有關。

關于不同類型的降水、氣溫關系所產生的影響目前眾說紛紜，如當氣候由暖濕變為冷干時，土壤含水量會明顯下降（Samuel et al.，2016），暖干型關系會對陸地水儲量（Cao et al.，2018）、農作物產量（Beniston et al.，1998）等諸多方面造成負面影響，在更冷、更干的條件下，植被覆蓋度會顯著下降，但會增加其功能的多樣性（Alani et al.，2017）。亦有學者提出，降水與氣溫對植被、作物等產生的影響存在時滯性（Li et al.，2019；Ofori-Boateng et al.，2014）和種間差異（宋小艷等，2018），亦與海拔（Wang et al.，2020）、地形（Albrich et al.，2020）、季節（Wagena et al.，2018）、氣溫類型（Wang et al.，2018）等諸多因素緊密相連。關于本研究區不同類型的降水-氣溫關系所產生的影響，今后有待進一步研究。

本文對中國北方地區降水與三類氣溫關系做了詳細分析，但由于個別站點存在遷站、部分數據時間序列長度有限等情況，對于長期降水與氣溫間關系的變化規律分析存在一定的不確定性與局限性。使用數據為處理后的各分區區域平均值，忽略了部分區域異質性，亦對結果產生一定影響。本次研究不僅對揭示中國北方地區降水與氣溫間關系的變化規律有一定借鑒意義，更對整個北方地區的生態環境改善、農牧業可持續發展、水資源問題應對等均有一定的參考價值。

4 結論

（1）降水與平均最高氣溫（?0.568—0.082）的相關性強于平均最低氣溫（?0.018—0.413）和平均氣溫（?0.39—0.261），與平均最低氣溫在新疆、青海呈較強的正相關性，而與平均氣溫則在華北北部、東南部以及青海北部等地區負相關性較強，與平均最高氣溫在東北、華北、西北地區東南部相關性較強，且除青海外，均呈負相關。

（2）降水與氣溫關系主要有趨勢同向型和趨勢反向型兩大類以及暖干冷濕交替型、暖濕冷干交替型、暖干型、暖濕型、冷干型、冷濕型六小類，趨勢同向型關系以暖濕型為主，自1980s開始在較大范圍內出現，持續時間集中在21—40 a之間，趨勢反向型關系以暖干冷濕交替型為主，出現時間多為1950s，持續時間為13—66 a不等。

（3）就整個研究區而言，降水與平均最低氣溫在1950s—1970s以暖干型關系為主，與平均氣溫、平均最高氣溫則大多呈暖干冷濕交替型關系，在1980s—1990s，降水與三類氣溫的關系陸續向暖濕轉型，其中降水與平均氣溫關系發生轉化的時間早于平均最低氣溫和平均最高氣溫，進入21世紀以后，降水與三類氣溫均以暖干冷濕交替型關系居多。

（4）降水與氣溫關系的演變和分布亦存在南北差異，在1950s—1990s，研究區北部和南部的降水與氣溫雖均呈由趨勢反向型關系向趨勢同向型關系轉化的趨勢，但北部關系發生轉化的時間早于南部；進入21世紀以后，北部的降水與氣溫大多以相反的趨勢變化，南部則均以上升為主，呈暖濕化的趨勢。