巴基斯坦近40 a氣溫時空變化特征

鄧明仔，何 清，阿力木·阿巴斯，金莉莉

（1.新疆師范大學地理科學與旅游學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆烏魯木齊 830002；3.新疆大學資源與環境科學學院，新疆 烏魯木齊 830046）

聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在第五次評估報告中指出，1880—2012年全球地表平均氣溫約上升了0.85℃，近30 a中的每個10 a均比1850年以來的任何一個10 a都暖[1]。全球變暖的背景下，巴基斯坦過去百年有明顯變暖跡象，溫度的上升速率達0.06℃/10 a[2-4]。巴基斯坦主要為干旱氣候，并處于快速升溫地區，對全球變暖的響應更敏感，是全球受氣候變化影響最嚴重的國家之一[5-6]。研究表明，近年來巴基斯坦極端高溫事件發生頻率不斷增加[7]，干旱加劇[8-9]，對巴基斯坦經濟和社會的可持續發展產生了巨大威脅[10]。對于巴基斯坦的氣溫變化已有大量研究，但多集中于巴基斯坦的部分區域[11-15]，對于巴基斯坦全國范圍的氣溫變化亟需開展更為詳細的研究。

通常情況下，氣溫研究依賴于地面氣象站點，但其不足之處在于觀測站點的分布不均勻，尤其是在高海拔地區，易造成數據的缺測漏測。插值方式由于具有較大的不確定性，易產生誤差，于是具有高時空分辨率的再分析資料成為全球地面觀測資料的替代品備受歡迎[16-17]。再分析資料通過資料同化技術同化了數值天氣預報、地面觀測數據以及衛星遙感資料，雖然與地面站點觀測值之間有一定的誤差，但對于大區域氣溫的研究影響不大。Simmons等[18]將全球尺度的觀測數據與再分析數據進行對比發現，在歐洲與亞洲2個區域，兩者的相關系數高達0.997，因此在許多研究中再分析數據可作為真實觀測數據運用[19-20]。ERA-Interim是ECMWF模型經過改進所模擬出的產品，提供自1979年以來的再分析資料，并實時更新，在空間分辨率、誤差校正、四維變分法等方面也有了很大的提升，在全球不同的區域都能很好地匹配觀測數據[21-25]。學者將NCEPCFSR、NCEP-NCAR、ERA-Interim和ERA-40這幾種數據與觀測資料進行比較，發現ERA-Interim在均方根誤差和偏差方面更優[25-27]。本文分別在巴基斯坦4個不同氣候區選取代表站，基于ERAInterim再分析資料和地面觀測資料對過去40 a巴基斯坦氣溫時空變化特征進行分析，探討其影響機理，能夠為再分析資料在巴基斯坦的應用提供借鑒實例，也為今后研究巴基斯坦氣候變化趨勢和氣候資源的開發利用提供參考，保障其經濟和社會的可持續發展。巴基斯坦與新疆接壤，位于新疆的西南部，對巴基斯坦氣溫變化特征的分析還有利于深入地了解新疆氣候，為“一帶一路”倡議下中巴走廊建設提供科學保障[28-29]。

1 研究區概況

巴基斯坦伊斯蘭共和國，簡稱巴基斯坦，地跨23°35'～37°05'N，60°57'～77°50'E[30]，東鄰印度，東北鄰中國，西北與阿富汗接壤，西鄰伊朗，南瀕阿拉伯海。巴基斯坦屬熱帶和亞熱帶氣候，年平均氣溫達27℃，降水多集中于北部，年降水量少于250 mm的地區超過全國總面積的四分之三。該國地形從南部平原到北部高山不等，境內五分之三為山區和丘陵，主要河流為印度河及其四條主要支流杰盧姆河、奇納布河、拉維河和薩特勒季河。

氣候區的特征是各種氣候要素的相似性，最常用來幫助定義氣候區的是溫度和降水。根據地形等差異所帶來的氣溫和降水變化，巴基斯坦可分為4個氣候區，即印度河三角洲、印度河平原、西部俾路支高原和北部高山區[30]。本文選取4個分別位于不同氣候區的站點（表1），能夠準確反映巴基斯坦的氣溫變化特征。并將3—5月定義為巴基斯坦的春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

表1 巴基斯坦氣候分區

2 數據與方法

2.1 研究數據

本文所選用的資料：（1）巴基斯坦地面站點氣溫觀測資料來源于國際氣象組織（https://climatedatacatalogue.wmo.int/assessed-datasets），包括卡拉奇、雅各布阿巴德、奎達和德羅什站點1979—2018年共40 a氣溫逐月數據。該資料缺測錯測等異常數據較少，數據質量良好。（2）歐洲中期天氣預報中心1979—2018年共計40 a ERA-Interim氣溫再分析資料。網格范圍為20°～40°N，60°～80°E，空間分辨率為0.125°×0.125°。在進行ERA-Interim再分析資料與地面觀測數據的對比分析時，根據上述4個地面站點的經緯度坐標直接選取對應的ERA-Interim網格點數據，可避免多網格空間插值帶來的誤差。

2.2 研究方法

在分析氣溫時空變化特征之前，對地面站點逐月氣象數據進行預處理，包括數據質量的檢驗，剔除相應時段內缺測、漏測以及異常的數據，對于空缺的數據采用線性插值方法進行插補，保證數據質量。同時為了消除隨機誤差的影響，對地面觀測數據采取5 a滑動平均處理。

基于地面觀測資料，通過一元線性回歸計算1979—2018年巴基斯坦不同氣候區年、季的氣溫變化率，以了解其氣溫的時間變化特征；同時采用MK突變檢驗和Morlet小波分析對不同氣候區氣溫進行突變檢測和周期分析。利用線性擬合方法對ERA-Interim資料與地面實測數據進行對比驗證，評價其在巴基斯坦的適用性，最后采用回歸分析對巴基斯坦40 a ERA-Interim資料年、季平均氣溫空間分布及變化格局進行分析討論[31-34]。

3 結果與分析

3.1 基于觀測資料的氣溫時間變化特征

3.1.1 年平均氣溫變化特征

基于地面觀測資料分析巴基斯坦不同區域年平均氣溫變化如圖1。卡拉奇1979—2018年年平均氣溫為26.8℃，最高氣溫出現在2018年，為27.9℃，最低氣溫出現在1984年，為25.6℃。卡拉奇40 a年平均氣溫整體呈現波動上升趨勢，氣溫變化率為0.409℃/10 a，增溫趨勢極顯著（P<0.001）。

圖1 巴基斯坦40 a年平均氣溫變化趨勢

雅各布阿巴德1979—2018年年平均氣溫為27.2℃，最高氣溫出現在2010年和2018年，均為28.3℃，最低氣溫出現在1997年，為26.6℃。雅各布阿巴德40 a年平均氣溫整體呈現波動上升趨勢，氣溫變化率為0.222℃/10 a，增溫趨勢顯著（P<0.01）。

奎達1979—2018年年平均氣溫為17.0℃，最高氣溫出現在2016年，為18.8℃，最低氣溫出現在1986年，為15.7℃。奎達40 a年平均氣溫整體呈現波動上升趨勢，氣溫變化率為0.52℃/10 a，增溫趨勢極顯著（P<0.001）。

德羅什1979—2018年年平均氣溫為17.8℃，最高氣溫出現在1999年，為19.6℃，最低氣溫出現在1989年，為16.5℃。德羅什40 a年平均氣溫整體呈現波動上升趨勢，氣溫變化率為0.004℃/10 a，增溫趨勢不顯著（P>0.05）。

綜上，在卡拉奇、雅各布阿巴德、奎達和德羅什40 a年平均氣溫均呈現先降溫后增溫的整體趨勢，卡拉奇和奎達增溫趨勢顯著，其次為雅各布阿巴德、德羅什增溫趨勢不明顯。分析巴基斯坦不同區域年平均氣溫的線性趨勢變化發現，巴基斯坦年平均氣溫氣候變化率達0.004～0.52℃/10 a，遠高于巴基斯坦過去100 a平均增溫速率[2-4]，同全球近50 a來加速增溫趨勢一致[35-36]。

3.1.2 四季氣溫變化特征

圖2為巴基斯坦不同區域四季氣溫變化趨勢。卡拉奇春季、夏季、秋季、冬季平均氣溫分別為28.6、30.5、27.7、20.5℃。四季均呈增溫趨勢，其中冬季增溫最多，其次為春季、秋季，夏季增溫最少。春季、秋季、冬季增溫趨勢極顯著（P<0.001），氣溫變化率分別為0.455、0.427、0.656℃/10 a，夏季增溫趨勢不明顯（P>0.05），氣溫變化率為0.097℃/10 a。

圖2 巴基斯坦40 a四季平均氣溫變化趨勢

雅各布阿巴德春季、夏季、秋季、冬季平均氣溫分別為30.1、35.0、27.2、16.7℃。四季均呈增溫趨勢，其中春季增溫最多，其次為秋季、冬季，夏季增溫最少。春季氣溫變化率達到0.551℃/10 a（P<0.01），夏季僅為0.048℃/10 a（P>0.05）。

奎達春季、夏季、秋季、冬季的平均氣溫分別為17.6、27.8、16.6、6.2℃。四季均呈現增溫趨勢，其中春季增溫趨勢最顯著（P<0.001），氣溫變化率為0.767℃/10 a，其次是秋季、夏季（P<0.001），氣溫變化率分別為0.597、0.553℃/10 a，冬季增溫趨勢不明顯（P>0.05），氣溫變化率僅為0.164℃/10 a。

德羅什春季、夏季、秋季、冬季平均氣溫分別為17.2、29.0、18.6、6.2℃。四季氣溫變化趨勢不明顯（P>0.05），其中春季、冬季均呈增溫趨勢，氣溫變化率分別為0.262、0.065℃/10 a，夏季、秋季呈降溫趨勢，氣溫變化率分別為0.184、0.125℃/10 a。

綜上所述，巴基斯坦不同區域四季氣溫變化趨勢表明，春季、秋季氣候變暖趨勢較明顯，與Rio S D等[3]研究得出的3月和季風季節（7—9月）是增溫趨勢幅度最大時期的結論相符。其中春季增溫趨勢明顯，可能與北大西洋濤動（NAO）、厄爾尼諾現象（ENSO）和北海—里海模式（NCP）遠動模式的相關性最大。同時，NAO可能對季風季節某些月份的溫度產生影響，尤其是在8月，在季節分辨率上，NAO和NCP可以控制季風季節的溫度，而在冬季和季風季節后，控制能力減弱[37]。

3.1.3 氣溫的M-K檢驗

利用M-K突變檢驗方法對巴基斯坦不同區域1979—2018年年平均氣溫進行突變診斷和分析得到圖3。卡拉奇于1998年發生氣溫突變，雅各布阿巴德在1998年發生氣溫突變，奎達在2001年發生氣溫突變。德羅什年平均氣溫順序統計曲線和逆序統計曲線基本都是在顯著性水平a=0.05的臨界線內，順序統計曲線和逆序統計曲線有幾個交點，分別位于1981、1988、1993、2007、2009、2011和2015年，表示在有交點的年份氣溫有波動，但其變化趨勢不明顯，不存在突變現象。

圖3 M-K突變檢驗曲線

巴基斯坦處于快速升溫地區，對全球變暖的響應較敏感，并與全球范圍氣溫的變化趨勢較一致。全球氣溫變化存在著2個氣溫變暖的階段，即20世紀20—40年代以及20世紀70年代至今[38-39]，巴基斯坦氣溫突變發生于1998年左右，正處于全球氣溫變暖的第二階段，并且與中亞地區經歷的顯著增溫過程的時間相符，即20世紀90年代后期和21世紀前期[40]。雖然氣溫呈升高趨勢是巴基斯坦整體性趨勢，但由于緯度、海陸位置不同等原因，不同區域升溫的幅度與時間存在區別，造成氣溫突變發生年份有所差異。北部高山區主要為高海拔的興都庫什山、喀喇昆侖山及喜馬拉雅山山區，終年積雪，溫度的變化較巴基斯坦其他地區并不明顯，未發生氣溫突變現象[5，12]。

3.1.4 氣溫的Morlet小波分析

通過觀察研究區域氣溫的小波周期圖（圖4）中各種尺度正負相間的振蕩中心及其閉合曲線的密集區，并計算小波方差，可得到巴基斯坦不同區域的40 a年平均氣溫多個尺度的變化周期以及準變化周期。卡拉奇除4、9 a氣溫周期外，還存在20、32 a的長周期變化，觀察小波方差峰值，以32 a為準變化周期。雅各布阿巴德存在4、12、22 a的氣溫周期，根據小波方差峰值，以12 a為準變化周期。奎達存在5、12、21 a的氣溫周期，小波方差的結果表明，以21 a為準變化周期。德羅什存在9 a短周期變化和32 a長周期變化，小波方差的結果表明，以32 a為準變化周期。

圖4 Morlet小波功率譜和小波方差

綜上所述，巴基斯坦不同區域存在4～5、12、20～22、32 a尺度的氣溫周期變化規律，與巴基斯坦過去百年時間序列上氣溫存在5～6、14～50 a的年際振蕩結論相符[2]。不同區域周期震蕩最強時期不同，氣溫變化準周期有所差異，其中4～5 a左右的短氣溫周期，與厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）事件的變化周期一致，說明巴基斯坦氣溫周期變化可能與ENSO事件存在聯系。此外，12、20～22、32 a尺度的氣溫周期變化規律，可能是受到太陽黑子11 a活動周期的影響[2，41-42]。

3.2 ERA-Interim再分析資料在巴基斯坦的適用性分析

為驗證ERA-Interim再分析資料在巴基斯坦的適用性，挑選4個分別位于不同氣候區的站點（卡拉奇、雅各布阿巴德、奎達以及德羅什），將ERAInterim再分析資料與相對應的地面站點數據的年平均氣溫進行對比和擬合分析。從圖5可以看出，4個站點再分析數據與觀測數據描述的氣溫年變化趨勢一致，都呈增溫的趨勢（k>0）。從數值上分析，ERA-Interim再分析資料對卡拉奇和雅各布阿巴德、德羅什站點氣溫的模擬存在低估，對奎達站點氣溫的模擬存在高估。卡拉奇、雅各布阿巴德、奎達站的再分析資料和觀測數據接近，差值較小，在2℃左右。德羅什站的再分析資料和觀測數據偏差量較大，即北部高海拔山區的再分析資料與地面站點數據之間的誤差較大。卡拉奇、雅各布阿巴德、奎達、德羅什站的再分析數據和觀測數據的相關系數均為0.9以上（圖5b、5d、5f、5h），達到極顯著水平（P<0.001）。

圖5 ERA-Interim再分析資料與地面觀測數據比較擬合

除北部山區外，在巴基斯坦大部分地區，即印度河三角洲、印度河平原、西部俾路支高原，ERAInterim資料與地面觀測數據相關性良好，能夠較好地反映巴基斯坦地面氣溫的變化特征，適用于進行氣溫要素的長時間序列分析。

3.3 基于ERA-Interim再分析資料的氣溫空間變化特征

3.3.1 年平均氣溫空間分布

基于巴基斯坦1979—2018年ERA-Interim再分析資料，進一步分析巴基斯坦氣溫的空間分布。從圖6a可以看出，巴基斯坦年平均氣溫在-10～30℃，空間上南部氣溫高于北部。高溫區年平均氣溫在30℃左右，主要集中于南部中低海拔的印度河平原和三角洲地區，低溫區年平均氣溫在0℃左右，分布于北部高海拔山區，這是由于南部是河谷平原地形，西部和北部是高山高原地形所導致。巴基斯坦位于低緯，處在熱帶和亞熱帶地區，其南部為阿拉伯海，東部為印度河平原，西部是俾路支高原，北部則是高海拔的興都庫什山、喀喇昆侖山及喜馬拉雅山山區，地形的巨大差異造成了氣溫的區域差異，由此呈現出非常明顯的水平方向緯度梯度性和垂直方向海拔梯度性分布[43]。

從圖6b可知，巴基斯坦40 a年平均氣溫變化率在空間上呈現自西南向北部和東部遞減的趨勢，其中僅有中部和西北小部分區域氣溫變化率為負值，是降溫區域（P<0.05），最大降溫變化率為0.2℃/10 a，其他區域呈現出增溫趨勢（P<0.05），西部俾路支高原增溫趨勢最為顯著，達到0.6℃/10 a。巴基斯坦氣溫變化率的差異主要是由于緯度的變化以及地形的差異所導致，南部沿海地區升溫幅度小于俾路支高原，原因是海洋的緩和作用使其溫度變化趨于均勻，北部山區則由于海拔較高，常年積雪覆蓋，溫度增長趨勢不明顯或有小幅度降溫。Khan等[5]研究也表明，與全國其它地區相比，南方高溫區的平均氣溫上升更快，除了北部的喜馬拉雅山脈等地區外，整個巴基斯坦每年的冷熱日數都在增加，熱浪正在上升，特別是在炎熱的信德省平原和南部沿海地區，而寒潮在北部寒冷地區正在減弱。

圖6 巴基斯坦40 a年平均氣溫（a，單位：℃）和氣溫變化率（b，單位：℃/10 a）的空間分布

3.3.2 四季平均氣溫空間分布及變化

巴基斯坦四季氣溫分布與年平均氣溫的空間分布相似（圖7），整體上表現為南部氣溫高于北部的空間特征，呈現出非常明顯的水平方向緯度梯度性和垂直方向海拔梯度性分布。春季平均氣溫在-15～35℃，高溫區域位于南部印度河平原和三角洲的部分地區，向北遞減，低溫區域位于北部山區。夏季平均氣溫在-5～35℃，高溫區域位于南部印度河平原和三角洲以及西部俾路支高原的大部分地區，低溫區域位于北部山區。秋季平均氣溫在-15～30℃，高溫區域位于南部印度河平原和三角洲地區，低溫區域位于北部山區。冬季平均氣溫在-25～25℃，高溫區域位于南部印度河三角洲地區，低溫區域位于北部山區。

圖7 巴基斯坦40 a春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）平均氣溫（單位：℃）的空間分布

根據巴基斯坦氣溫變化率的空間分布（圖8）可知，春季巴基斯坦大部分區域氣溫變化率在0.4～0.8℃/10 a（P<0.05），氣溫顯著上升，僅西北小部分區域呈現降溫趨勢。夏季巴基斯坦西部、南部和北部地區氣溫上升（P<0.05），最大增溫速率達0.4℃/10 a，中部地區氣溫呈現降溫（P<0.05），降溫速率為-0.4～0℃/10 a。秋季巴基斯坦大部分區域氣溫顯著上升（P<0.05），增溫速率為0.1～0.6℃/10 a，僅中部小部分區域呈現降溫趨勢（P<0.05）。冬季巴基斯坦大部分區域呈現增溫趨勢（P<0.05），增溫速率為0～0.4℃/10 a。

圖8 巴基斯坦40 a春季（a）、夏季（b）、秋季（c）、冬季（d）氣溫變化率（單位：℃/10 a）的空間分布

4 討論與結論

4.1 討論

以往再分析資料適用性研究結果表明，在模擬區域氣候模式時，將再分析資料作為邊界條件進行計算，與地面觀測資料普遍存在1～2℃偏差[44]。而本文將ERA-Interim再分析資料與相對應的地面站點實測數據40 a年平均氣溫進行對比和擬合分析發現，在卡拉奇、雅各布阿巴德和奎達站點兩者數據接近，差值在2℃左右，在德羅什站點，即北部高海拔山區，再分析資料與地面站點數據之間的誤差較大，超過了正常的誤差水平。李川、李瑞青等在青藏高原地區利用再分析資料與實測數據進行對比時也出現較大誤差[23，45]，根據程新宇杰、高路等的研究表明地面觀測站點和再分析資料格點的高度差是導致誤差的重要原因[24，46-47]；同時，由于數值模式的初始場存在誤差、模式物理過程的不完美、大氣的混沌性導致再分析資料存在不可避免的系統性誤差；同化地面資料時不同參數的設置和數值格式也是重要的影響因素，因為不同數值模式對由復雜地形引起的氣候差異的捕捉能力不盡相同[44，48]。結合德羅什站點的實際情況，ERA-Interim資料與地面觀測資料的偏差還可能與數據同化時的地面資料不足或不全有關。巴基斯坦北部山區站點相對于南部地區站點較少，且氣象站點多位于平原，集中在人類居住地區，在氣候環境極端惡劣的山區分布稀疏，并且數據同化過程采用的地面站點數據主要來自世界氣象組織國際交換站點數據，所以能夠有效利用的站點數據更少[44]。

本文僅基于1979—2018年ERA-Interim再分析資料和地面站點數據，選取了4個分別位于不同氣候區的站點對巴基斯坦氣溫時空變化特征進行分析，初步得出ERA-Interim再分析資料在巴基斯坦除北部山區外的大部分區域適用性良好。對于ERA-Interim再分析資料在巴基斯坦北部山區的適用性分析中誤差的來源與訂正，未來還需獲取更多站點以及更長時間序列的資料，以期獲得更加全面、客觀的結論。

4.2 結論

基于巴基斯坦不同氣候區4個代表站（卡拉奇、雅各布阿巴德、奎達、德羅什）地面觀測資料和ERA-Interim氣溫資料對1979—2018年巴基斯坦年、季氣溫的時空分布進行分析后，得出以下結論：

（1）1979—2018年巴基斯坦氣溫整體呈現波動上升趨勢，除北部山區外大部分區域增溫顯著，四季溫度變化中春、秋兩季增溫顯著；巴基斯坦過去40 a氣溫突變發生在1998年左右，突變后明顯增溫，并存在4～5、12、20～22和32 a周期變化，不同區域準變化周期有所差異。

（2）ERA-Interim再分析資料與地面觀測數據兩者的相關性達到極顯著水平，在巴基斯坦大部分區域差值較小，能夠較好地反映巴基斯坦地面氣溫的變化特征，適用于進行氣溫要素的長時間序列分析。

（3）巴基斯坦年、四季平均氣溫整體呈現出南高北低的特點，高溫區位于南部中低海拔的印度河平原和三角洲地區，低溫區分布于北部高海拔山區。40 a來巴基斯坦大部分區域年、季平均氣溫呈現明顯增溫趨勢，其中俾路支高原顯著增溫，南部印度河三角洲和印度河平原次之，北部高海拔山區變化不顯著，氣溫顯著變冷區幾乎不存在。