王夫雪，劉吉平,2

(1.吉林師范大學(xué)博達(dá)學(xué)院，吉林四平 136000；2.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林四平136000)

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1961-2010年東北地區(qū)氣溫年較差的時(shí)空變化特征分析

王夫雪1，劉吉平1,2

(1.吉林師范大學(xué)博達(dá)學(xué)院，吉林四平 136000；2.吉林師范大學(xué)旅游與地理科學(xué)學(xué)院，吉林四平136000)

本文利用1961-2010年東北地區(qū)90個氣象站的氣象數(shù)據(jù)，分析了東北地區(qū)氣溫年較差的時(shí)空變化特征。研究表明：近50 a來最熱月與最冷月均溫呈明顯的上升趨勢，氣溫傾向率分別為0.19 ℃/10 a和0.46 ℃/10 a，但升溫的幅度存在明顯區(qū)域差異。近50 a來氣溫年較差總體呈不明顯的下降趨勢，氣候傾向率為-0.27 ℃/10 a。大興安嶺為氣溫年較差變化趨勢和幅度空間分異的界線。東北地區(qū)氣溫年較差存在3～5年和12～14年的變化周期。1985-1986年為其突變期。氣溫年較差與大西洋歐洲區(qū)極渦面積指數(shù)呈顯著的正相關(guān)，與東亞槽的位置呈顯著的負(fù)相關(guān)。

氣溫年較差；氣溫傾向率；趨勢分析；東北地區(qū)

在全球氣候變暖的大背景下，近100 a來中國年平均地表溫度明顯增加，升溫幅度約為0.5～0.8 ℃，比同期全球升溫幅度平均值(0.6 ℃±0.2 ℃)略高，且增溫主要發(fā)生在冬季和春季，夏季氣溫變化不明顯[1]。由于各個季節(jié)的增溫幅度存在差異，氣溫的年較差也發(fā)生相應(yīng)的變化。氣溫年較差是最熱月平均氣溫與最冷月平均氣溫之差，表示一地冬冷夏熱的程度[2]。對于各地氣溫年較差的空間分布特征已有較多研究，并在氣溫年較差對全球氣候變暖的響應(yīng)問題上取得了一些成果。Hirschi[3]對1948年以來全球的氣溫年較差進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，北極地區(qū)和南極地區(qū)氣溫年較差分別下降3.4 ℃和7.5 ℃。吳志偉等[4]對近40 a來江蘇省氣溫年較差進(jìn)行研究，結(jié)果表明江蘇地區(qū)氣溫年較差有減小的趨勢。華麗娟等[5]對1961-2000年中國區(qū)域氣溫較差進(jìn)行分析表明全國大部分地區(qū)氣溫年較差都呈下降趨勢。劉宇峰等[6]研究得出汾河流域近48 a來氣溫年較差呈減小的趨勢，氣候傾向率為-0.37 ℃/10 a。但氣溫年較差在區(qū)域變化特征及原因、周期性和突變期等方面研究有待進(jìn)一步深入。

東北地區(qū)位于我國大陸的東北部，地處歐亞大陸東岸中高緯度，包括黑龍江省、吉林省、遼寧省及內(nèi)蒙古的東四盟。已有學(xué)者對東北地區(qū)的溫度變化進(jìn)行研究[7-8]，但主要集中在平均溫度的變化上，對氣溫年較差的變化研究甚少。與平均溫度變化不同的是氣溫年較差更能反映一個區(qū)域溫度變化幅度的特征，此外還可以反映某區(qū)域的氣候受海洋和陸地影響的程度。氣溫年較差有著重要的生態(tài)學(xué)意義，其變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響較大(特別是冬小麥種植界限的北移)，而東北地區(qū)作為我國重要的商品糧生產(chǎn)基地，對氣溫年較差變化的研究就顯得尤為重要。本文利用東北地區(qū)1961-2010年的地面觀測資料，分析了東北地區(qū)氣溫年較差的時(shí)空變化特征，為相關(guān)部門合理利用氣候資源、調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)

本文采用的數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn)，將資料長度不足和發(fā)生過臺站遷移的站點(diǎn)剔除后，選取東北地區(qū)90個國家地面氣象觀測站(圖1)1961-2010年共50 a逐日地面觀測資料，包括逐日平均溫度、最高和最低溫度。大氣環(huán)流指數(shù)逐月資料采用中國國家氣候中心的全國160個監(jiān)測站1952-2013年88項(xiàng)大氣環(huán)流因子月均值(獲取網(wǎng)址為：http:∥ncc.cma.gov.cn)，該數(shù)據(jù)經(jīng)過較嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查，為全球氣候變化的研究提供一套較為可靠、系統(tǒng)和完整的資料，已得到學(xué)術(shù)界普遍的認(rèn)可和廣泛的應(yīng)用[9-10]。

圖1 東北地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖

1.2 方法

1.2.1 線性傾向估計(jì)

氣象要素的變化趨勢采用線性方程表示，即y=a+bt，其中，y為氣象要素，t為時(shí)間(1961-2010年)；b為線性趨勢項(xiàng)，b*10表示氣象要素傾向率，b的系數(shù)為正，則表明呈增加趨勢，反之減小趨勢[11]。

1.2.2 小波分析

小波分析在時(shí)域和頻域上都具有良好的局部性，可以分析時(shí)序數(shù)據(jù)周期變化的局部特征，還能清楚地看出各周期隨時(shí)間的變化規(guī)律[12]。本文采用墨西哥帽狀(Marr)小波作為母波函數(shù)，通過小波變換，把一維要素序列變成以時(shí)間和尺度為坐標(biāo)的二維圖像，通過對二維圖像的分析可得到關(guān)于要素的局域特征。

1.2.3 克里格(kriging)插值

克里格方法是以空間自相關(guān)性為基礎(chǔ)，利用原始數(shù)據(jù)和半方差函數(shù)的結(jié)構(gòu)性，對區(qū)域化變量的未知采樣點(diǎn)進(jìn)行無偏估值的插值方法，是地統(tǒng)計(jì)學(xué)的主要內(nèi)容之一[13]。由于需要插值的區(qū)域變量Z的期望值是未知的，所以本文采用普通克里格法對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行空間插值。

1.2.4 Mann-kendall檢驗(yàn)和滑動t檢驗(yàn)

Mann-kendall非參數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法是由世界氣象組織推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢分析的一種方法，在水文、氣象時(shí)間序列變化趨勢檢驗(yàn)中得到了廣泛應(yīng)用[14]；滑動t檢驗(yàn)是把一氣候序列中兩段子序列均值有無顯著差異當(dāng)作來自總體均值有無顯著差異的問題來檢驗(yàn)[15]。以上兩種檢驗(yàn)各有優(yōu)缺點(diǎn)，用時(shí)應(yīng)互補(bǔ)，其原理文獻(xiàn)[14]中有詳細(xì)的介紹，在此不再贅述。

2 結(jié)果與分析

2.1 最熱月與最冷月平均氣溫時(shí)空變化趨勢

東北地區(qū)以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎顭嵩聻?月，最冷月為1月，個別年份有所變動，但總體上保持不變。1961-2010年東北地區(qū)最熱月平均溫度總體呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.19 ℃/10 a(p<0.05)。最冷月平均氣溫總體上也呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.46 ℃/10 a(p<0.05)。通過對比可以發(fā)現(xiàn)最熱月平均溫度與最冷月平均溫度整體均呈上升趨勢，而最冷月均溫的上升幅度明顯大于最熱月均溫的上升幅度，兩者呈非對稱變化。

根據(jù)選取的90個氣象站點(diǎn)50 a來的最熱月與最冷月平均氣溫變化趨勢進(jìn)行普通克里格插值，得到東北地區(qū)最熱月(圖2a)與最冷月(圖2b)平均氣溫變化趨勢分布圖。從圖2a可以看出，東北最熱月平均溫度總體上呈明顯的上升趨勢，上升的幅度從東南向西北逐漸增大。呼倫貝爾高原的西部和小興安嶺的中部地區(qū)最熱月平均氣溫上升趨勢幅度最大，氣溫傾向率為0.46 ℃/10 a- 0.54 ℃/10 a。從圖2b可以看出，東北地區(qū)最冷月平均溫度總體上也呈明顯的上升趨勢，但上升的幅度存在明顯的地區(qū)差異。大興安嶺地區(qū)上升幅度小，小興安嶺地區(qū)和長白山地區(qū)上升幅度較大。上升幅度最大的站點(diǎn)為呼瑪，氣溫傾向率為1.05 ℃/10 a。只有一個站(額爾古納右旗)呈下降的趨勢，且沒有達(dá)到0.05顯著性水平，原因可能為該站處于大興安嶺北段冬季風(fēng)的迎風(fēng)坡上，最冷月在強(qiáng)勁的西北風(fēng)影響下，增溫受到限制。雖然該站最冷月平均溫度近50 a來呈下降趨勢，但是該站冬季平均溫度仍呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.09 ℃/10 a，為東北各站點(diǎn)增溫幅度最小值。

圖2 1961-2010年東北地區(qū)最熱月(a)最冷月(b)平均氣溫趨勢空間變化特征

2.2 氣溫年較差的時(shí)空變化特征分析

近50 a來東北地區(qū)氣溫年較差變化趨勢空間分布如圖3所示。從圖中可以看出東北地區(qū)1961-2010年氣溫年較差變化趨勢的空間分布存在明顯的區(qū)域差異，大致以大興安嶺為界，大興安嶺以東的地區(qū)氣溫年較差呈減小趨勢，但并不明顯。在90個站點(diǎn)中，有81個氣溫年較差呈減小趨勢，占90%，但達(dá)到0.05顯著性水平的站點(diǎn)只有17個，占20.73%。大興安嶺以西的地區(qū)氣溫年較差呈增加趨勢，也不明顯。從氣溫年較差的變化幅度來看，仍然大致以大興安嶺為界，大興安嶺以東，越靠近大興安嶺氣溫年較差的減小幅度越小。大興安嶺以西，越靠近大興安嶺氣溫年較差的增加幅度越小。長白山地區(qū)和伊勒呼里山北部減小幅度較大，氣溫傾向率為-0.44 ℃/10a～0.65 ℃/10 a。東北地區(qū)近50 a氣溫年較差的總體變化呈不顯著的下降趨勢，為-0.27 ℃/10 a。

圖3 東北地區(qū)氣溫年較差趨勢空間變化特征

2.3 氣溫年較差的時(shí)間周期和突變特征

2.3.1 氣溫年較差時(shí)間序列周期特征

從1961-2010年東北地區(qū)氣溫年較差的小波分析中可以看出(圖4)，兩個比較明顯的震蕩周期的時(shí)間尺度分別為3～5年和12～14年。3～5年的震蕩周期下，氣溫年較差的偏高值期與偏低值期轉(zhuǎn)換頻繁，周期性的震蕩特征也比較明顯。從12～14年的震蕩周期來看，60年代的初期和中期是氣溫年較差的偏低值期，60年代末到70年代末為偏高值期，80年代初到90年代中期為偏低值期，90年代中期和末期為偏高值期，21世紀(jì)以來為偏低值期。圖4中顯示到2010年小波系數(shù)的等值線沒有閉合，這表明東北地區(qū)在2010年之后的一段時(shí)間內(nèi)還將處于氣溫年較差的偏低值期。

虛線：小波指數(shù)為負(fù)；實(shí)線：小波指數(shù)為正圖4 1961-2010年東北地區(qū)氣溫年較差小波分析

2.3.2 氣溫年較差時(shí)間序列突變特征

對東北地區(qū)氣溫年較差進(jìn)行突變分析(圖5a)，1961年到1974年正向序列(UFK)基本為正，表明在該段時(shí)期內(nèi)東北地區(qū)氣溫年較差呈增大的趨勢。1975年到1984年反向序列(UBK)在0上下擺動，這一時(shí)期氣溫年較差變化較復(fù)雜。在1985年到2010年UFK<0，表明在此期間東北地區(qū)氣溫年較差一直呈減小的趨勢。1982年到1986年間UFK與UBK存在3個交點(diǎn)，且都在信度線(U0.05=±1.96)之內(nèi)，分別是1982-1983、1983-1984、1985-1986。為了確定氣溫年較差突變確切的位置，對東北地區(qū)50 a來氣溫年較差進(jìn)行滑動t-檢驗(yàn)(圖5b)，結(jié)果表明基準(zhǔn)年1986年兩端子序列的均值差異超過了0.05的顯著性水平，存在突變。所以綜合兩種檢驗(yàn)的相同部分可以確定東北氣溫年較差的突變發(fā)生在1985-1986年，其它突變點(diǎn)均為偽突變點(diǎn)。

圖5 1961-2010年東北地區(qū)氣溫年較差M-K突變分析(a)和滑動t檢驗(yàn)分析(b)

2.4 氣溫年較差與環(huán)流指數(shù)相關(guān)性分析

本文選取了8種常見的環(huán)流指數(shù)：北極濤動(AO)、南極濤動(AAO)、北大西洋濤動(NAO)、太平洋-北美遙相關(guān)型(PNA)、北太平洋年代際振蕩(PDO)、厄爾尼諾(ENSO)、東亞槽位置(EATP)、大西洋歐洲區(qū)極渦面積(AEPVA)。將東北地區(qū)近50 a來的氣溫年較差和這些指數(shù)做相關(guān)性分析(圖6)，可以看出氣溫年較差只和厄爾尼諾指數(shù)和大西洋歐洲區(qū)極渦面積指數(shù)呈正相關(guān)，與其它指數(shù)均呈負(fù)的相關(guān)性。其中與大西洋歐洲區(qū)極渦面積指數(shù)呈顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.43(p<0.01)，原因可能為大西洋歐洲區(qū)極渦面積的擴(kuò)大有利于北方大部分地區(qū)冷日/夜次數(shù)增加[17]，從而降低冬季平均溫度，進(jìn)而增大東北地區(qū)的氣溫年較差，反之減小東北地區(qū)的氣溫年較差。東北地區(qū)氣溫年較差與東亞槽的位置呈顯著的負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.29(p<0.05)，原因可能為1959-2008年夏季西太平洋副熱帶高壓明顯西伸，夏季東亞大槽至少向西移動20個經(jīng)度[18]，造成東北地區(qū)位于槽后，盛行下沉氣流，降水較少，溫度升高，從而增加氣溫年較差。

圖6 東北地區(qū)氣溫年較差與環(huán)流指數(shù)相關(guān)性分析

3 討論與結(jié)論

本文得出的東北地區(qū)1961-2010年氣溫年較差的減小幅度為0.46 ℃/10 a，比華麗娟等[5]研究得出的東北地區(qū)東部氣溫年較差(1961-2000年)減小幅度為0.94 ℃/10 a低，原因有兩方面：其一，兩者的研究區(qū)域不完全一致，所用站點(diǎn)及數(shù)量不同；其二，兩者對氣溫年較差的定義有區(qū)別，本文氣溫年較差為最熱月與最冷月平均溫度之差，后者氣溫年較差為年最高溫度與年最低溫度之差，筆者認(rèn)為用最熱最冷月平均溫度才可以真實(shí)反映一個區(qū)域溫度變化的幅度情況，而年最高最低溫度由于極端溫度事件，存在較大變數(shù)。而近50 a來東北地區(qū)氣溫年較差減小幅度為0.27 ℃/10 a，比汾河流域[6]降低的幅度小，體現(xiàn)了區(qū)域氣候變化對全球變暖響應(yīng)的不一致性。

近50 a來東北地區(qū)氣溫年較差的變化總體呈下降的趨勢，但不明顯，氣候傾向率為-0.27 ℃/10 a。其變化趨勢空間分布大致以大興安嶺為界，大興安嶺以東的地區(qū)氣溫年較差呈減小的趨勢；大興安嶺以西的地區(qū)氣溫年較差呈增加的趨勢。形成這種格局的原因可能有兩方面：(1)雖然近50 a來東亞冬季風(fēng)整體呈減弱趨勢[19]，但大興安嶺以西的地區(qū)仍在強(qiáng)勁的西北風(fēng)下首當(dāng)其沖，最冷月(1月)冬季風(fēng)減弱趨勢不顯著，增溫受限。已減弱的西北風(fēng)在翻過大興安嶺后更加削弱，大興安嶺以東的地區(qū)基本離其越遠(yuǎn)最冷月增溫幅度越大。(2)由于大興安嶺為東亞夏季風(fēng)與非夏季風(fēng)區(qū)的分界線，大興安嶺以西的地區(qū)為非季風(fēng)區(qū)，最熱月(7月)溫度的高低受其下墊面的影響非常大，下墊面植被覆蓋好氣溫較低，反之較高。近50 a來內(nèi)蒙古地區(qū)的植被受人類活動(特別是過度放牧)的影響，破壞較嚴(yán)重，而越靠近大興安嶺植被覆蓋越好，增溫幅度越小。而大興安嶺以東的地區(qū)越靠近大興安嶺受夏季風(fēng)的影響越小，東亞夏季風(fēng)在20世紀(jì)90年代才恢復(fù)增強(qiáng)[20]，從50 a來的總體上看夏季風(fēng)還是減弱的，隨著夏季風(fēng)的減弱，最熱月越靠近大興安嶺增溫的幅度也越大，更多的原因需要進(jìn)一步的研究。

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Spatio-temporal Change Characteristic of Annual Temperature Range over Northeast China, 1961-2010

WANG Fu-xue1, LIU Ji-ping1,2

(1.Boda College of Jilin Normal University, Siping Jilin 136000, China;2.College of Tourist and Geoscience, Jilin Normal University, Siping Jilin 136000, China)

Based on the recorded data of 90 meteorological stations Northeast China during 1961- 2010, we analyzed the spatio-temporal variations of annual temperature range (ATR). The results showed that: the mean temperature of the warmest month and the coldest month shown a clear increasing trend with 0.19 °C /10 a and 0.46 °C /10 a over Northeast China in the last 50 years, respectively. The positive amplitude showed significant difference. The trend in ATR showed a non-significant decreasing from 1961 to 2010, with the value of -0.27 °C /10 a. As to the trend and amplitude of ATR, Da Hinggan Mountains was the dividing line in the spatial variation of ATR over Northeast China in the last 50 years. The ATR had the period of oscillation of 3～5 years, 12～14 years. In the last 50 years, the abrupt change period of ATR was during 1985-1986. The ATR had a significant positive correlation with the Atlantic-European Polar Vortex Area Index (AEPVAI) and a significant negative correlation with the East Asian Trough Position Index (EATPI) over NEC.

annual temperature range; temperature tendency rate; trend analysis; Northeast China

2016-04-29

吉林省科技廳自然科學(xué)基金項(xiàng)目“吉林省西部濕地空間格局圖譜與演變驅(qū)動機(jī)制研究”(20130101097JC)。

王夫雪(1986- )，女，助教，碩士，從事區(qū)域氣候變化、旅游地理學(xué)方向研究。

劉吉平(1960- )，男，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事資源與環(huán)境信息系統(tǒng)研究。

P468

A

2095-7602(2016)08-0074-07