1961—2015年中國熱區降水和氣溫時空變化特征

胡盈盈，肖 楊，戴聲佩，羅紅霞，李玉萍，李茂芬*

(1.中國熱帶農業科學院科技信息研究所/海南省熱帶作物信息技術應用研究重點實驗室，海南 海口 571101; 2.農業農村部農業遙感重點實驗室，北京 100081; 3.南京大學 地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023; 4.南京大學南海協同創新中心，江蘇 南京 210093)

【研究意義】氣候變暖是全球氣候變化的主要特征，已成為國內外學者普遍關注的熱點[1-2]。全球氣候變暖背景下，中國氣溫大幅度上升，幾乎是全球上升幅度的兩倍[3-4]。嚴中偉等[5]依據均一化氣溫序列對中國區域氣候變暖進行了再評估，表明1990年以來中國以0.13～0.17 ℃/10 a的速率增溫，遠大于全球平均水平。全球氣候變暖還會導致降水結構出現變化[6]。趙東升等[7]對中國1960—2018年氣候變化特征分析，指出中國降水量整體有增加趨勢，平均增加趨勢為11.72 mm/10 a，降水量在西北和東南地區呈現增多趨勢。中國幅員遼闊，依據氣候區劃從北到南依次為寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶。其中，南亞熱帶和熱帶一般稱為“中國熱區”[8]，簡稱熱區。中國熱區位于北半球低緯度地區，不僅位置特殊，所反應的各種地理事物和現象也很特殊。例如，氣候炎熱、極端降水多、天氣變化劇烈等。全球氣候變化背景下，熱區氣候資源也發生了相應變化[9-10]，這些變化對農業和糧食生產安帶來了一系列重大影響，充分認識熱區水熱資源，發展農業和熱帶經濟作物，對探索我國熱區氣候變化特征及空間格局、開發利用自然資源具有重要意義。【前人研究進展】近年來，諸多學者依據氣候、地理、農業區劃[11]對熱區氣候變化進行了一系列研究。周偉東等[12]把中國東部地區劃分為熱帶、副熱帶、溫帶3個氣候帶，指出我國東部冬季溫帶增溫速率大于熱帶增溫速率，降水變化不顯著；戴聲佩等[13]對華南地區光、熱、水農業氣候資源進行了時空分析，指出華南地區氣溫呈增溫趨勢，降水呈微弱增加趨勢；程建剛等[14]分析了云南省氣候變化特征，指出云南近50年氣溫變幅略大于全球，弱于北半球和全國；黃雪松等[15]采用統計學方法對廣西近50年季節性氣溫和降水進行分析，指出廣西近50年來平均氣溫升變率為0.1 ℃/10 a，降水量呈偏多趨勢但不明顯；張星等[16]年對閩江流域近45年的氣候進行分析，指出閩江流域20世紀70年代呈增溫趨勢，但降水略呈不顯著增加趨勢；羅紅霞等[17]對海南島氣溫、降水進行分析，得出海南島氣溫為增溫趨勢，降水量呈增多趨勢。【本研究切入點】前人研究中，關于整合氣候資源研究方向較為分散，研究區域集中在省和地區，為全面分析我國熱區降水和氣溫的時空變化特征，本研究基于年降水量、年均溫、年均最高溫、年均最低溫，分析中國熱區1961—2015年降水和氣溫時空變化特征。【擬解決的關鍵問題】以期實現長時間序列中國熱區降水和溫度變化趨勢分析，摸清我國熱區氣候變化的時空特征，有利于了解全球氣候變化背景下我國低緯度區域性地域的氣候變化特征，為指導農業生產、戰略布局、生態環境保護提供科學參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

中國熱區位于歐亞大陸南端，位于18～27°N，97～120°E，主要包括海南、云南、廣西、廣東、福建、四川、貴州、湖南、江西、臺灣等省區。由于數據缺失，本研究不涉及中國臺灣。中國熱區屬熱帶季風氣候，氣溫暖濕，雨熱同季，年均氣溫21.4 ℃，降水量在1500 mm以上。研究區地貌類型多變，從云貴高原到濱海平原，地勢呈西高東低。熱區水熱資源豐富，動植物及種質資源繁多，適宜發展的農業主要有熱帶原料作物，如天然橡膠、木薯、甘蔗等，熱帶棕櫚作物，如椰子、檳榔、油棕等，以及熱帶水果、熱帶林木、熱帶水產等，形成了獨特的熱帶農業生產區，在熱帶農業生產中占據不可替代的位置。

1.2 數據來源

氣象數據資料來源于中國氣象數據網http://data.cma.cn/site/index.html，本研究收集了1961—2015年中國熱區76個氣象站點氣象資料。數據集為中國基本、基準地面氣象觀測站及自動站1961年以來收集的日值數據集，包括平均溫、最高溫、最低溫、降水量等氣象資料。氣象站點：海南島7個、云南21個、廣西19個、廣東22個、四川2個、福建5個(圖1)。氣象數據經過嚴格質量控制，對異常或缺失數據進行剔除或插值補齊，以獲取有效氣象記錄。剔除氣象數據遵循以下原則：剔除原始數據整條缺失的氣象記錄數據，剔除最低氣溫大于最高氣溫的整條數據，剔除記錄值大于理論值的整條數據。

1.3 研究方法

本研究對中國熱區55年降水量和氣溫的年際、年代際變化進行研究。采用一元線性回歸、距平、累積距平和逐像元線性回歸方法對資料序列進行趨勢分析；利用Mann-Kendall突變檢驗和累計距平綜合判斷降水、氣溫時間序列的突變點，獲取氣候要素突變趨勢及突變年份；利用ArcGIS軟件進行克里金插值，分析氣候要素的空間變化特征。

1.3.1 氣候傾向率 氣候要素的變化趨勢，一般采用一元線性回歸方程表示：

y=a+bx

(1)

式中，y為氣候要素值，x為時間序列，a為回歸常數，b為氣候傾向率，a、b可由最小二乘法估算。10b即為氣候要素10年的氣候傾向率[18]，單位為mm/10 a或℃/10 a，氣候傾向率的正負可以指示氣候要素的增減趨勢。

1.3.2 累積距平分析 距平值是指某個時間序列的數據對于某段時間序列平均值的高低，距平值為0表示該值代表某段時間的平均水平，距平值有正負之分。距平值的累加就是累積距平值，累積距平曲線可以直觀地觀察氣候要素的累年變化趨勢。

1.3.3 突變檢測 M-K突變檢驗是一種采用在氣象研究中的非參數檢驗方法，適用于時間序列中對氣候要素進行突變檢驗，其檢測范圍寬，不需要樣本遵循一定的分布，且不受異常值干擾，被廣泛應用到氣象研究中[19]，計算步驟詳細見參考文獻[20]。本研究結合相關理論[21]利用MATLAB軟件得到氣候突變因子。

1.3.4 空間變化趨勢計算 為研究熱區55年降水和氣溫的空間趨勢變化特征，本研究采用基于最小二乘法的線性回歸逐像元分析1961—2015年降水和氣溫年際變化趨勢，并利用F檢驗分析趨勢顯著性[22]。年變化率大于0，表示降水和氣溫呈上升趨勢，年變化率小于0，表示降水和氣溫呈減少趨勢。使用F檢驗進行顯著性檢驗，當P<0.05時，趨勢顯著。

2 結果與分析

2.1 降水和氣溫的年際變化特征

1961—2015年中國熱區年降水量(圖2-a)均值為1507.33 mm，年降水量1200～2000 mm。降水量在波動中上升，波動趨勢較為離散，氣候傾向為13.85 mm/10 a，高于與全國年降水量波動幅度[23]，但未通過顯著性檢驗(P>0.05)。降水量最大值出現在2001年，達1880.82 mm，距平值最高，2001年為豐水期；最小值出現在1966年，1204.19 mm，距平值最小，1966年為枯水期。2001—2003年降水量直線下降，降幅度達32.33%。

1961—2015年中國熱區年均氣溫(圖2-b)均值為17～23 ℃，年均氣溫呈波動上升趨勢，氣候傾向率為0.09 ℃/10 a(P<0.05)，明顯低于全國整體增溫速率0.22 ℃/10 a[24]，且低于1990年以來中國增溫幅度(0.13～0.17 ℃/10 a)[5]。2013—2014年年均溫出現“V”字型下降，2014年距平值最低，年均溫下降到最低值(18.75 ℃)，1998年年均溫最高為21.92 ℃。年均最高溫和最低溫均呈波動上升趨勢(圖2-c、圖2-d)，年均最低溫增溫幅度最大，達0.13 ℃/10 a(P<0.05)；年均最高溫次之，為0.07 ℃/10 a(P>0.05)。2013—2014年年均最高溫和年均最低溫均呈跌崖式下降，2014年最高溫和最低溫距平值最小，均達到記錄氣溫最低值。年均最高溫出現在1998年，為26.76 ℃，年均最低溫在2015年，為18.70 ℃。

2.2 降水和氣溫的年代際變化特征

中國熱區降水量年代際波動趨勢較大，整體呈上升趨勢(表1)。1961—1969年和1980—1989年降水量距平值為負，降水量低于55年降水均值，屬于降水量偏少年份，期間降水量呈下降趨勢，其余年代降水量均接近或高于常年水平，1990—1999年降水量最多。根據降水量年代傾向率變化來看，年代間降水變化趨勢存在差異，1980—1989年降水量下降速率最大，2010—2015年期間降水量增加速率最大，但這種趨勢均未通過顯著性檢驗。

表1 中國熱區1961—2015年年代際降水、氣溫距平和氣候傾向率變化趨勢

中國熱區均溫年代際變化趨勢不明顯。1990—1999年、2000—2009年均溫高于常年均溫，2010—2015年氣均溫接近常年正常值，其余年代均溫距平值均為負，氣溫偏冷；2010—2015年均溫降溫幅度最大，1990—1999年增溫幅度最大，但均未通過顯著性檢驗。中國熱區最高溫年代際變化趨勢也不明顯，2000—2009年最高溫較常年最高溫高，1990—1999年最高溫較往年變化不大，但期間卻以較大氣候傾向率(P>0.05)增溫。中國熱區最低溫年代際變化整體呈現上升趨勢，1990—1999年、2000—2009年和2010—2015年期間最低溫高于常年最低溫，且1990—1999年期間最低溫以較快速率上升，2010—2015年以1.10 ℃/10 a速率下降，均未通過顯著性檢驗。中國熱區年代際年均溫、年均最高溫，年均最低溫的氣候傾向率均在1990—1999年最大，2010—2015年最小。

2.3 降水和氣溫的突變檢測

由圖3-a看出，1961—2015年降水量UF曲線呈波動性上升，這種上升趨勢未達到0.05的顯著性水平，55年內中國熱區年降水量未發生顯著性變化。降水量UF和UB在置信區間內出現15個交點(1969—1970年，1986—1987年，1989—1990年，1990—1991年，1991—1992年，2002—2003年，2005年，2006—2007年，2007—2008年，2008—2009年，2009—2010年，2010—2011年，2011—2012年，2013—2014年，2014—2015年)。交點較多的情況下難以判定突變年份，結合年降水量累積距平分析[25]結果(圖2-a)，2000—2003年降水量累積距平值經歷了明顯的升降過程，2000—2002年呈現上升趨勢，2002—2003年呈現下降趨勢，降水量累積距平在2002年上升到最高值，說明2002年可能是降水發生突變的年份。結合兩種方法，判斷2002—2003年是熱區年降水量的突變時間點，發生了由多到少的突變。

1961—1998年熱區平均氣溫UF曲線呈波動下降趨勢(圖3-b)，1998年之后呈波動上升趨勢，且這種上升趨勢達到0.05顯著性水平(U0.05=±1.96)，UF和UB在1996—1997年相交；1966—1996年年均溫累積距平呈下降趨勢(圖2-b)，1996—2013年呈上升趨勢，1996年年均溫累積距平值為最低，判定1996—1997年間熱區年均溫出現突變上升現象。1961—2015年熱區年均最高氣溫UF和UB曲線相交于1996—1997年(圖3-c)，年均最高溫累積距平在1997年為最低值(圖2-c)，可以確定在1996—1997年間發生年均最高氣溫由少到多的突變。1961—2015年中國熱區年均最低氣溫UF曲線在1990年開始呈波動性上升，且通過顯著性檢驗(圖3-d)，UF和UK的交點在1996年，年均最低溫在1966年起呈上升趨勢(圖2-d)，因此可以確定年均最低溫突變年份為1996年。

2.4 降水和氣溫的空間分布特征

中國熱區降水量空間分布規律符合我國降水量由東南沿海向西北內陸減少[26]的規律(圖4-a)。55年來熱區年降水量在800 mm以上，降水量最低值出現在熱區西北部四川和云南交界處，在1000 mm以下，降水量最高值集中在熱區中部和南部地區廣西省東南部、廣東省大部分以及海南島。

熱區平年均氣溫呈現出“中間高，兩頭低”的空間分布特征(圖4-b)。55年來年均溫在17 ℃以上，年均溫高值集中在熱區中部和南部地區廣西和廣東大部、雷州半島和海南島，年均溫在21～23 ℃；年均氣溫低值出現在云南大部，包括四川攀枝花地區，年均溫在17～19 ℃。熱區年均溫整體隨緯度增加而增加，同緯度地區云南、廣西、廣東和福建省氣溫存在差異，表明年均溫空間分布隨地理位置和地形的變化而變化。我國熱區年均最高溫空間上分布規律與年均溫大致相同(圖4-c)，均呈現出中南部氣溫高，東部和西部低的分布特征。熱區年均最高溫均在23 ℃以上，熱區南部雷州半島地區年均最高溫最高，高溫達26～27 ℃，熱區東部云南和西部福建等地年均最高溫值最低，為23～25 ℃。年均最低氣溫呈南部沿海高、西北低的分布特征(圖4-d)。年均最低溫值在12～20 ℃，熱區西北部云南和四川攀枝花地區年均最低溫最低，最低溫達12～15 ℃，熱區南部沿海地區和海南島等地年均最低溫值最高，最低溫高達18～20 ℃。中國熱區年均氣溫、最高氣溫和最低氣溫在空間分布上大體表現出一致性，主要變現為熱區中部和南部地區氣溫值較高，西北部云南地區氣溫值較低，雷州半島是中國熱區年均溫、年均最高溫和年均最低溫最高的地區。

2.5 降水和氣溫的空間趨勢變化特征

中國熱區西部云南、廣西西部降水呈不顯著下降趨勢(圖5-a)，最大降幅達-2.3 mm/10 a。東部和南部降水均呈上升趨勢，最大增幅達4.4 mm/10 a，廣東和福建、海南島均呈不顯著增濕趨勢，但近55年間海南島降水量增幅最快，年降水量減少最大值出現在云南勐臘(-2.3 mm/10 a)，增加極值出現在海南海口(4.4 mm/10 a)。

55年間熱區大多地區年均溫呈增溫趨勢(圖5-b)，西部云南呈不顯著降溫，其他地區均呈顯著增溫，熱區東部福建地區增溫幅度最大，年均溫減少最大值出現在云南瀾滄(-0.03 ℃/10 a)，年均溫增溫最大值出現在福建平潭(0.03 ℃/10 a)。

熱區西部四川攀枝花、云南地區年均最高溫呈降溫趨勢(未通過顯著性檢驗, 圖5-c)，中部、東部和南部廣西、廣東、福建和海南島年均最高溫呈顯著增溫趨勢，年均最高溫減少最大值出現在云南滄瀾(-0.01 ℃/10 a)，增加最大值在福建福州(0.02 ℃/10 a)。

熱區除西南地區云南年均最低溫呈不明顯下降外，其他地區年均最低溫均呈顯著上升趨勢(圖5-d)，年均最低溫減少極值出現在云南勐臘(-0.05 ℃/10 a)，增加極值出現在廣東深圳(0.05 ℃/10 a)。

中國熱區降水量減少地區為熱區西部云南地段，降水量增加地區主要為熱區東部和南部廣東、福建、海南島等地。中國熱區氣溫增溫幅度隨緯度升高而增大，隨海拔升高而減少，增溫明顯地區集中在熱區東部福建等地，降溫明顯地區在熱區西南部云南地段。整體來看，中國熱區55年間西部云南段呈降溫減濕趨勢，其他地區均呈增溫增濕趨勢。

3 討 論

本研究表明熱區降水量呈不顯著上升，年降水量以13.85 mm/10 a的速率上升，該結果與卞娟娟等[27]得出南方濕潤區轉干與趨濕趨勢并存，且相對濕潤地區的轉濕幅度較小這一現象吻合。降水傾率大于戴聲佩等[13]1960—2010年華南地區降水量的線性傾率3.78 mm/10 a，同時大于趙東升等[7]1960—2018年中國降水的增加趨勢11.71 mm/10 a。其主要原因為區域不同，研究時段和區站的選擇等差異。中國熱區年均溫、年均最高溫和年均最低溫的氣候傾率分別為0.09、0.13(P>0.05)、0.07 ℃/10 a，年均最低溫是熱區增溫的主要貢獻者，這一結論與陸晴[28]、戴聲佩[13]等人結論一致，分析其原因是熱區年均溫普遍較高，年均最低溫變化有可能更能敏感的響應氣候變暖趨勢。低緯度地區年均溫對全國氣候增溫趨勢不明顯，降水表現出增加趨勢，具體響應機制有待進一步探討。

氣候變化會直接影響作物的生長節育規律，對熱帶農業的生產和發展帶來直接作用。熱帶地區低溫是限制農作物的生長的一個重要因素，如喜熱作物橡膠、甘蔗等，當溫度達到一定低值極限，就會停止生長；水分的變化也會給農業生產帶來不可估計的損失，熱帶地區一般分為旱、雨兩季，旱季時間過長，熱帶水果、冬季瓜菜等作物就會減產；氣溫變暖，熱帶地區蟲害繁殖加快，也會導致病蟲害加重等。厘清中國熱帶地區的水熱資源分配特征和變化趨勢，對指導農業生產，重要經濟作物的種植保護具有重要意義。本研究就過去55年中國熱區降水和氣溫變化進行了研究，并未探討和預測熱區降水和氣溫未來的變化趨勢，增加氣候因子日照、風速、極端氣候等對熱區植被的影響是下一步的研究方向。

4 結 論

通過對中國熱區1961—2015年降水和氣溫的變化特征分析，1961—2015年中國熱區降水呈現不顯著上升趨勢，氣溫呈顯著上升趨勢，總體氣候變化呈暖濕趨勢，對全球變暖響應不顯著。

(1)中國熱區降水量變化不明顯，整體呈增加趨勢，氣候傾向率為13.85 mm/10 a(P>0.05),1961—1969年屬降水量最少的年代，1990—1999年屬于降水量最多的年代，熱區降水量突變發生在2002—2003年間，發生了由多到少的突變。

(2)空間上降水量集中在熱區中部和南部，主要表現在廣西沿海、廣東和海南島地區降水量較多。熱區西部降水量呈減少的趨勢，東部和南部降水量呈增多趨勢。近55年熱區降水減少較為明顯的地區出現在云南，增加明顯的地區為海南島。

(3)中國熱區年均溫、最低溫呈顯著上升趨勢，年均最高溫上升趨勢不顯著，氣候傾向率分別是0.09、0.13、0.07 ℃/10 a，年均氣溫、年均最高溫和年均最低溫累積距平表示氣溫經歷了明顯的下降—上升的過程，1996—1997年間氣溫要素均發生了由低溫向高溫的突變。年代際年均溫、年均最高溫和年均最低溫均呈變暖趨勢，1990—1999年為變暖趨勢，期間年均氣溫、年均最高溫和年均最低溫增溫幅度最大。

(4)年均溫、年均最高溫和年均最低溫在空間分布上有著相同的分布規律，年均溫、年均最高溫和年均最低溫的高值分布區在雷州半島。熱區西南部云南等地年均溫、年均最高溫和年均最低溫表現出明顯的降溫趨勢，中部、東部和南部表現出明顯的增溫趨勢。近55年氣溫增溫幅度較小地區為云南西南部，增溫幅度最大的地區為福建。