平措次旺 索南才吉 格桑次旺 巴桑

摘要：通過對我國氣溫和降水的方差構成和局地相關關系的性質(zhì)、季節(jié)差異及地理分布進行分析，結(jié)果表明：我國60年和前后30年冬、夏相關系數(shù)r圖均是顯著的，且為負相關，夏季表現(xiàn)最為明顯。前、后30年冬季兩者的負相關關系加強，但極不穩(wěn)定;夏季2個負相關關系減弱，穩(wěn)定性有區(qū)域差異。氣溫和降水的年代際變化存在明顯變化，其降水年代際變化波動更為明顯，2種要素的方差構成其冬季氣溫的年代際方差貢獻大于夏季、夏季降水年代際方差貢獻大于冬季。在60年、前30年和后30年的完整場序列方面，對于年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異，氣溫的年代際變化分量在大部分測站上顯著，降水的年代際變化分量只有少數(shù)的測站上顯著。

關鍵詞：季平均氣溫和總降水;相關關系;年代際變化;暖干和冷濕團

中圖分類號 P461.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）16-0179-07

IPCC于2014年發(fā)布了第5次氣候變化的科學評估報告[1]，揭示了近100年全球氣候的變暖、極端天氣事件的頻繁發(fā)生，其中高溫和強降水事件趨多趨強，未來氣候災害風險更趨嚴重，并將嚴重影響自然生態(tài)系統(tǒng)和人類的生存和發(fā)展，需要國際社會積極采取措施行動，共同應對惡劣的氣候變化。由此可見，氣候問題不再僅僅是環(huán)境問題，而是更高層面的發(fā)展問題，并體現(xiàn)在人類安全和國家安全保障的許多環(huán)節(jié)。氣候變化是當前人類共同面臨的重大環(huán)境問題之一[2]，不再僅僅是一個學科問題，已日漸成為人們共同關心的重大社會問題。

我國屬于典型的季風氣候國家，其中氣候種類繁多且復雜多變，各地方氣候差別大，20世紀中期以來，我國各地方的氣候發(fā)生了顯著的變化，其中地表平均氣溫平均每10年升高0.23℃變暖幅度幾乎是全球的2倍，高溫、暴雨、干旱、臺風等極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生且趨強。自21世紀以來，氣象災害造成的經(jīng)濟損失與國內(nèi)生產(chǎn)總值的1%成相同率，是同期全球平均的8倍。

氣溫和降水是描述氣候狀態(tài)的2個基本變量，其變化規(guī)律可以反映氣候系統(tǒng)的基本變化特征。在全球變暖背景下，近100年來中國地表平均氣溫顯著升高，比同期升溫幅度平均值略高。我國增溫主要發(fā)生在冬、春季，夏季氣溫變化不明顯，對于降水而言，中國夏季在很大程度上決定了全年降水量的多少。眾多研究表明，我國氣溫、降水局地同期相關存在顯著的季節(jié)差異及年代際變化特征，周曉霞[3]等分析了近40年我國氣溫和降水的局地相關關系的性質(zhì)、季節(jié)變化和地理分布，結(jié)果表明，我國冬夏氣溫，降水異常序列中，自由度均分的方差年代際變化大于年際變化，但總方差則恰恰相反，尤氣溫最明顯;夏季在2種要素的局地相關圖上表現(xiàn)出顯著的負相關，顯著區(qū)覆蓋了 35°N以南、105°E以東的區(qū)域;局地氣溫和降水在夏季呈現(xiàn)顯著的負相關關系。黃嘉佑[4]研究表明，我國夏季氣溫場與降水場相互之間存在顯著的反相關，長江中下游、華南和華北等地區(qū)表現(xiàn)很顯著。李爽等[5]初步分析了我國近30年（1971-2000年）氣候變化趨勢，結(jié)果表明：近30年我國氣候變化主要以增溫為主，尤其是大范圍的區(qū)域溫度升高、降水增加。四季也以變暖濕的特點為主，而秋季略有異常，暖干型氣候變化是全國大范圍的主要氣候特點，冷干型氣候變化在冬季不存在。李亞濱等[6]通過對氣溫和降水的相關分析，認為黑龍江省大興安嶺、黑河及齊齊哈爾北部地區(qū)氣溫和降水存在著正相關，表明北部地區(qū)主要以暖濕或冷干相伴的氣候特點為主;而部分地區(qū)的氣溫和降水之間存在負相關關系，表明存在暖干或冷濕相伴的氣候變化。宋連春等[7]研究揭示了我國近40年的氣溫時空變化特征，表明我國氣溫的年際變化和變化特征存在顯著的區(qū)域和季節(jié)差異，在總趨勢升高的基礎上，具有冬季升溫、夏季降溫、前期降溫和后期升溫等特點，并且氣溫變化存在較明顯的準周期振蕩。

本研究選取國家氣候中心提供的我國160站逐月氣溫和降水量資料，用相關分析方法和周期分析方法分析了我國冬、夏季2種要素的方差構成和相關聯(lián)系，為揭示我國氣候系統(tǒng)中氣溫與總降水的同期相關聯(lián)系提供科學依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料 本文使用的資料為國家氣候中心提供的我國160站逐月氣溫和降水量資料。根據(jù)研究需要，將其處理為季平均氣溫和季降水總量。其中，冬季和夏季分別對應12月至次年2月和6-8月。1951-2010年分3個時段（60年、前30年和后30年）、2個季節(jié)（冬季和夏季），由此整理1951-2010年（對應γ=1-59、γ=1-28）冬、夏季中國160站氣溫、降水序列。

1.2 方法

1.2.1 周期分析 f、g分別表示季平均氣溫和季總降水量的（幾何）標準化距平序列。用周期分析方法可將其分解為年代際和年際變化分量sf、sg和sf、sg，它們是中心化、但非標準化的。（sf sg）=（∑6k=1fk ∑6k=1gk），（ff fg）=（1-f 1-g） （1）

式中：fk為f的k波分量fk=（f，～ck）～ck+（f，～sk）～sk （2）其中，～c、～Sk為幾何標準化的余弦、正弦諧波分量（即||～ck||2=||～Sk||2=1）

～Ck=（～ckj），～Ckj=2/ncos2πkj/n （3）

～Sk=（～Skj），～Skj=2/nsin2πkj/n

取n=30計算時，（1）式中及∑3 k=1，（2）式不變，（3）式中n= 30。Ss=6（3）∑k=1 （a2 k+b2 k），γs=12（6）

Sf=1-Ss，γf=47（23） （4）

Fγs，γf =Ss/γs/Sf/γf，F(xiàn)γs，γf（α=0.01）={2.60（60） 3.71 （30） （5）

1.2.2 穩(wěn)定站數(shù) 首先，構造整數(shù)數(shù)組l1（160）、l2（ 160）和l（160），其中

l1（i）={0|r前30α（i）|rα，30（正顯著站點）

l2與r后30α的關系同上。

其次，計算l（i）= l1（i）×l2（i），則有

l（i）={1 負穩(wěn)定站 4正穩(wěn)定站 2反轉(zhuǎn)站（可理解為極不穩(wěn)定）

最后，對l進行統(tǒng)計，其中l(wèi)（i）= 1的總站數(shù)為M-;l（i）=4的總站數(shù)為M+;M=M+ +M-。

1.2.3 相關分析

r = （ t'，r' ） /（ ||t'|| ||r'||），

（6）

rs =（t's，r's） / （ ||t's|| ||r's||），

rf= （tf，r'f）/（||t'f|| ||r'f|| ）

2個要素時間序列相關系數(shù)r的全體構成一個相關系數(shù)場r。個別點上相關系數(shù)r的顯著性檢驗使用t檢驗，對a=0.01和γ=58、γ=28，t檢驗用到的臨界相關系數(shù)及顯著檢驗參考表1。

2 局地相關系數(shù)圖的分析

分別計算60年，30年的冬、夏季各站完整序列t'和r'、慢變序列和快變序列的局地同時相關系數(shù)r、rs。

2.1 60年氣溫和降水局地相關關系 圖1（a）中通過相關計算r0.01（60a ）= 0.330，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共計23個，其中正相關3個，負相關20個，相關數(shù)r圖均是顯著的。圖中深色陰影區(qū)為正相關顯著區(qū)，淺色陰影區(qū)為負相關顯著區(qū)，大范圍的相關顯著分布以負相關為主，以暖干或冷濕相伴主的氣候發(fā)生變化，而西北西部和西南北部存在少量的正相關顯著區(qū)，表明這地區(qū)氣候變化特點主要是暖濕或冷干相伴。圖1（b）相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有98個，均為負相關，夏季相關系數(shù)r圖均是顯著的，其中負相關優(yōu)勢明顯，對比冬季該特點在夏季尤為明顯。夏季對氣溫和降水的影響較大，其氣溫和降水的相關性較強。35°N以南、105°E以東的大部分區(qū)域、華北和西北的大部分被夏季反相關所覆蓋，表明這些區(qū)域的暖干或冷濕相伴的氣候變化在夏季出現(xiàn)的幾率較大r0.01（60a ） = 0.330。

由圖1（a、b）可知，我國60年里冬、夏季單站同期相關系數(shù)r圖均是顯著的，且以負相關為主，該特點夏季最為明顯，并且冬、夏季的顯著位置及分布特點存在特點。35°N以南、105°E以東的大范圍地區(qū)，以及華北和西北的大部分區(qū)域被夏季反相關顯著區(qū)所覆蓋，意味著這些地區(qū)干熱型、濕涼異常夏季出現(xiàn)的幾率較大。陳隆勛等[9]曾分析了我國近40年來的氣候變化特點，結(jié)果表明，自1951年以來華北地區(qū)、西北地區(qū)和東北地區(qū)變暖變旱;西北東部地區(qū)變冷和略變濕;長江中下游地區(qū)略為變冷和變旱;西南地區(qū)明顯變冷（尤以四川盆地為甚）和略變旱;華南略變冷（東南沿海在變暖）和變旱，與我國近60年的氣溫和降水的相關關系接近相同。

2.2 前30年氣溫和降水局地相關關系 圖2（a）通過相關計算r0.01（ 30a ）= 0.463，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有9個，其中正相關1個，負相關8個。在冬季西北西部存在氣溫和降水的正相關顯著區(qū)，具有暖濕或冷干相伴的氣候特點，而大部分整片屬負相關顯著區(qū)，表明這些區(qū)域暖干或冷濕相伴的氣候特點最顯著，其氣溫和降水存在的相關關系及分布特點跟我國近60年冬季的氣溫和降水的局地相關分布略同。圖2（b）r0.01（30a）=0.463，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有81個，均為負相關。35°N以南、105°E以東的絕大部分地區(qū)，以及華北和西北的部分地區(qū)被相關性顯著區(qū)所覆蓋了，相對于負相關，表明這些區(qū)域通常呈現(xiàn)干熱或濕冷型夏季，這與黃嘉佑[7]得到的結(jié)論吻合，對比我國前30年的冬其夏季對氣溫和降水的影響較大、相關性較強。

我國前30年的單站氣溫、降水相關系數(shù)場圖上，顯著相關主要發(fā)生在夏季，以負相關為主，40°N以南、105°E以東的絕大部分地區(qū)被反相關顯著區(qū)所覆蓋，以及華北和西北的部分地區(qū)而冬季的顯著區(qū)只覆蓋了西北西部的若干個區(qū)域，并且相對于夏季其位置及分布特點存在差異，結(jié)合海英等[10]的研究結(jié)論，前30年間中國東部沿海大多數(shù)地區(qū)及青藏高原等地區(qū)向冷濕發(fā)現(xiàn)發(fā)展，中西部等向冷干發(fā)展。黃嘉佑[4]曾通過氣溫場與降水場相互關系分析（1951-1985年期間）發(fā)現(xiàn)它們有顯著的反相關，表現(xiàn)顯著的地區(qū)為長江中下游、華南及華北等，與本文研究的我國前30年的單站氣溫、降水相關關系一致。

2.3 后30年氣溫和降水局地相關關系 圖3（a）計算后30年相關系數(shù)r0.01（30a ）=0.463，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共21個，其中正相關1個，負相關20個。氣溫和降水相關顯著性以負相關為主，顯著區(qū)域分散在東北西部、西南北部和西北西南部，表明這些地區(qū)顯著的暖干或冷濕相伴的氣候特點?？梢缘贸鲋袊形鞑?、青藏高原和中國東北地區(qū)的溫度升高且多雨，溫度升高降水增加;淮河及秦嶺以南的地區(qū)低溫少雨，氣候變得冷濕。圖3（b）r0.01（30a）=0.463，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有51個，均為負相關。與前30年一樣單站氣溫、降水局地相關圖上負相關顯著占絕大優(yōu)勢，其在夏季最明顯。相關性顯著性成片于華南地區(qū)、東北北部、蒙古地區(qū)和西北西部的若干個地方，表明這些區(qū)域通常出現(xiàn)干熱或濕冷型夏季季，跟姜玉印[8]得出的結(jié)論一致。

后30年冬、夏季氣溫和降水的局地相關聯(lián)系均為負相關，在夏季顯著性尤為明顯，并且對氣溫和降水的影響較大，我國東部氣候變化的季節(jié)特征很明顯;北方地區(qū)在冬季增暖較為顯著，而在夏季沿著30°N的變冷趨勢更強。

上述圖1～3分別為60年、前30年和后30年完整的相關系數(shù)序列，表1和2給出了3組圖上相關系數(shù)顯著性水平的站數(shù)。綜合觀測這些圖表可見：我國60年、前30年或后30年無論冬、夏相關系數(shù)r圖均是顯著的，且均是負相關，負相關占絕對的優(yōu)勢，該特點夏季最為明顯，且冬、夏季相關顯著位置及分布特點存在差異。35°N以南、105°E以東的大部分區(qū)域、華北和西北的大部分被夏季反相關所覆蓋，這意味著這些地區(qū)存在暖干和冷濕態(tài)，與趙曉霞等[3]的研究結(jié)果一致。

根據(jù)上述對冬季（圖2a、3a）和夏季（圖2b、3b）進行的分析，對前、后30年統(tǒng)計結(jié)果的比較可以看出，冬季兩者的負相關關系加強，但極不穩(wěn)定;夏季2個的負相關關系減弱，穩(wěn)定性有區(qū)域差異;華北、長江中游、江南較穩(wěn)定，淮河和長江下游流域不穩(wěn)定。

3 氣溫和降水年代際變化

3.1 方差分析 根據(jù)我國60年、前30年和后30年距平場序列中慢變、快變方差貢獻（表3），無論是60年、前30年或后30年，我國冬、夏季降水和氣溫年代際方差貢獻遠差超過年際方差貢獻，其中除60年我國夏季降水的年代際變化的方差貢獻略大于冬季，而60年里冬、夏季的氣溫和降水的年代際方差貢獻相同。我國氣溫和降水都存在顯著的年代際變化，對于氣溫來說，降水的年代際變化波動更為明顯。參考文獻[11]根據(jù)F檢驗中通過a=0.01的慢、快變分量站數(shù)Ps、Pf（表4），就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言，年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異，年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著，而只有少數(shù)的年代際變化分量在降水測站上顯著[12]，其中前30年冬、夏季氣溫的年代際分量外60年和后30年氣溫的年代際分量是顯著，并且60年的顯著率尤為明顯而冬，夏季降水的年代際分量的顯著程度極小，年代分量的無論是冬、夏均不達不到顯著程度。

3.2 60年年代際分量的相關關系 圖4（a）將取信度（α=0.01，r0.01，60=0.689）時，所有站點的相關均不顯著，冬季在全國大部分地區(qū)降水異常和氣溫異常略似呈反位相變化。圖4（b）相關數(shù)r0.01，60 = 0.689，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共計10個（張家口、天津、岳陽、貴溪、南昌、曲江、柳州、宜賓、岷縣），均為負相關，以暖干或冷濕相伴的氣候特點具有很好的對應關系。由于位置顯著站點位置分散，所以在圖中未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。

3.3 前30年年代際分量的相關關系 1951-1980年中國160站冬季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關系數(shù)（圖5a）取信度（r0.01，30 = 0.875）時，所有站點的相關均不顯著。與整體的60年一樣，冬季在全國大部分地區(qū)降水異常和氣溫異常略似呈反位相變化。夏季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關系數(shù)（圖5b ）r0.01，30=0.875，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有6個（陽江、柳州、百色、康定、且末、烏蘇），均為負相關，常常呈現(xiàn)跟干熱型、濕涼型夏季，由于位置顯著站點位置分散，所以在圖中未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。

3.4 后30年年代際分量的相關關系 1981-2010年中國160站冬季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關系數(shù)（圖6a）r0.01，30=0.875，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有2個（東臺、屯溪），均為正相關。由于位置顯著站點位置分散，所以未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。東臺、屯溪的氣溫偏高（低）常常與降水偏多（少）相對應。夏季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關系數(shù)（圖6b）r=0.01，30=0.875，相關系數(shù)絕對值大于此閾值的臺站共有7個（牡丹江、烏蘭浩特、天津、貴溪、曲江、柳州、百色），均為負相關，這些區(qū)域干熱型、濕涼異常夏季出現(xiàn)的幾率較大，由于位置顯著站點位置分散，所以在圖中未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。

上述分析我國60年、前30年和后30年冬、夏季氣溫和降水的年代際相關分析（圖4～6），表5和6給出了3組圖上相關系數(shù)顯著性水平的站數(shù)。綜合觀測這些圖表可見，當取信度a=0.01時，除后30年我國冬季所有氣溫和降水的年代際分量站點的相關均不顯著，而后30年臺站均為正相關，即氣溫偏高（低）常常與降水偏多（少）相對應。但由于位置顯著站點位置分散，所以在圖中未出現(xiàn)明顯的顯著區(qū)域。而3個時段的夏季氣溫和降水的年代際變化有一定的同步性，它們之間存在顯著的負相關，以暖干或冷濕相伴的氣候特點有很好的對應關系。前后30年冬、夏季慢變相關均強而穩(wěn)定其多數(shù)區(qū)域干熱型、濕涼異常夏季出現(xiàn)的幾率較大，就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言，年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異，年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著，而只有少數(shù)的年代際變化分量在降水測站上。

4 結(jié)論

（1） 我國60年前30年或后30年的冬、夏相關系數(shù)r圖均是顯著的，且均為負相關，負相關站絕對的優(yōu)勢，該特點夏季最為明顯，且冬、夏季相關顯著位置及分布特點存在差異。35°N以南、105°E以東的大部分區(qū)域、華北和西北的大部分被夏季反相關所覆蓋，這意味著這些地區(qū)存在暖干和冷濕2種氣候狀態(tài)。

（2） 對前、后30年統(tǒng)計結(jié)果的比較可以看出，冬季兩者的負相關關系加強，但極不穩(wěn)定;夏季2個的負相關關系減弱，穩(wěn)定性有區(qū)域差異;華北、長江中游、江南較穩(wěn)定，淮河和長江下游流域等不穩(wěn)定。

（3） 就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言，年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異，年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著，而只有少數(shù)的年代際變化分量在降水測站上。冬季氣溫的年代際方差貢獻大于夏季、夏季降水的方差貢獻大于冬季。取信度a=0.01時，除后30年我國冬季所有氣溫和降水的年代際分量站點的相關均不顯著，而3個時段的夏季氣溫和降水的年代際變化有一定的同步性，相互之間存在顯著的負相關，以暖干或冷濕相伴的氣候特點有很好的對應關系。前后30年冬、夏季慢變相關均強而穩(wěn)定其多數(shù)區(qū)域干熱型、濕涼異常夏季出現(xiàn)的幾率較大。

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作者簡介：平措次旺（1993-），男，藏族，西藏日嘻則人，助理工程師，研究方向：綜合氣象觀測。 收稿日期：2020-06-22