近51年松花江流域氣溫時(shí)空變化特征

陸志華，夏自強(qiáng)，于嵐嵐，王景才

(1.河海大學(xué)國(guó)際河流研究所，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著全球氣候變暖，氣候及其變化受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。IPCC研究報(bào)告指出，近百年來(lái)(1906—2005年)全球平均氣溫已經(jīng)升高0.74℃［1］，而且這種趨勢(shì)還將上升。隨著全球變暖趨勢(shì)的進(jìn)一步加劇，極端天氣和氣候事件數(shù)量也大幅度增加，對(duì)人類(lèi)社會(huì)造成極大威脅。目前，已有很多學(xué)者對(duì)國(guó)內(nèi)各大流域開(kāi)展這方面的研究［2-3］。

松花江流域位于我國(guó)東北地區(qū)的北部(北緯 41°42'～51°38'，東經(jīng) 119°52'～132°31')，南北長(zhǎng) 1 070 km，東西寬920km，流域面積54.6×104km2，占黑龍江流域總面積的29.4%。我國(guó)東北地區(qū)地處中高緯度、歐亞大陸東岸，氣候的季節(jié)性變化與整個(gè)東亞大氣環(huán)流緊密相關(guān)，氣候變化率較大，低溫冷害等災(zāi)害性天氣多發(fā)［4］。松花江流域近年來(lái)所發(fā)生的極端天氣和氣候事件日漸增多，給人民生命財(cái)產(chǎn)、國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失［5］。而且松花江是中俄界河黑龍江—阿穆?tīng)柡佑野蹲畲蟮闹Я?，松花江流域的氣候變化?huì)影響黑龍江下游俄羅斯境內(nèi)的水資源情況、人民的生活以及跨境生態(tài)安全，因此研究松花江流域的氣候變化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，已有不少學(xué)者對(duì)東北地區(qū)氣溫的變化情況、空間分布特征等進(jìn)行了大量研究［1，4-5］，但是將松花江流域作為整體來(lái)研究的還很少［6-7］。筆者以協(xié)克里格插值方法(Co-Kriging)為技術(shù)支撐，對(duì)松花江流域年平均氣溫和四季平均氣溫進(jìn)行分析，以揭示該流域氣溫變化的整體特征和區(qū)域差異，為流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)、氣候變化影響綜合評(píng)估等提供科學(xué)的依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來(lái)源

筆者基于松花江流域35個(gè)氣象站1960—2010年逐月氣溫資料(來(lái)源于中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng))，建立松花江流域年平均氣溫和四季平均氣溫系列。流域內(nèi)的氣象站點(diǎn)分布見(jiàn)圖1，四季劃分如下:春季為4—5月，夏季為6—8月，秋季為9—10月，冬季為11月至翌年3月［8］。

圖1 松花江流域及氣象站點(diǎn)分布Fig.1 Songhua River Basin and distribution of meteorological stations

1.2 研究方法

近年來(lái)，常利用區(qū)域內(nèi)的氣象站點(diǎn)資料，通過(guò)空間插值方法來(lái)研究區(qū)域內(nèi)氣象要素的空間分布情況。常用于氣象要素的空間插值方法有樣條插值法、協(xié)克里格法、逆距離權(quán)重法、趨勢(shì)面插值法、多項(xiàng)式插值法等［9］。這些方法各有利弊，應(yīng)該針對(duì)不同的插值對(duì)象選擇最優(yōu)的空間插值方法?？紤]到協(xié)克里格法具有明確的物理意義和較好的插值效果［10］，同時(shí)考慮到海拔高度對(duì)氣溫的影響，因此，筆者在A(yíng)rcGIS環(huán)境下采用協(xié)克里格插值法對(duì)整個(gè)流域的氣溫系列進(jìn)行插值(得到了3.2 km×3.2 km氣溫柵格序列)，繪制相應(yīng)的空間分布圖，并對(duì)氣溫變化的區(qū)域差異進(jìn)行分析。采用線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)方法［11］與M-K秩次相關(guān)法［12］研究年平均氣溫、四季平均氣溫系列的時(shí)間變化趨勢(shì)。

利用年平均氣溫、四季平均氣溫系列，以時(shí)間t為自變量，年(或四季)平均氣溫為因變量，建立一元回歸方程，其趨勢(shì)變化率方程為

式中:b0——擬合系數(shù)，可以用最小二乘法確定;b1——?dú)鉁刈兓瘍A向率，℃/a，由最小二乘法確定。b1為正值，表示氣溫為增高趨勢(shì);b1為負(fù)值，表示氣溫為降低趨勢(shì);絕對(duì)值越大，變化趨勢(shì)越明顯。

采用世界氣象組織推薦的M-K秩次相關(guān)法來(lái)研究氣溫的時(shí)間變化趨勢(shì)，M-K秩次相關(guān)法不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，因此其適用于分析水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)。計(jì)算方法如下:

假設(shè)有一時(shí)間序列X1，X2，X3，…，Xn，其趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量公式為

式中:sgn(*)為符號(hào)函數(shù)。當(dāng)Xi－Xj小于、等于或大于零時(shí)，sgn(Xi－Xj)分別為－1，0或1。M-K統(tǒng)計(jì)量Z值的計(jì)算公式為

2 氣溫變化的時(shí)間特征

2.1 年平均氣溫

a.年際變化。在全球變暖背景下，松花江流域年平均氣溫在波動(dòng)中上升(圖2)。近51 a流域年平均氣溫上升約1.99℃，比全球和全國(guó)的氣溫上升幅度要大很多［2－3］。年平均氣溫的變化傾向率為0.039℃/a，略高于整個(gè)東北地區(qū)年平均氣溫的變化傾向率(0.036℃/a)［4］，明顯高于全國(guó)年平均氣溫的變化傾向率(0.025℃/a)［2］。5 a滑動(dòng)平均過(guò)程線(xiàn)也表明，流域年平均氣溫呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。年平均氣溫的Z值為5.133，通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)，表明年平均氣溫上升趨勢(shì)極為顯著。進(jìn)入20世紀(jì)80年代后，流域內(nèi)的氣溫明顯升高，20世紀(jì)90年代上升幅度最明顯。左洪超等［3］研究指出，東北地區(qū)是我國(guó)增溫最快、增溫范圍最大的地區(qū)。因此可以認(rèn)為，松花江流域是我國(guó)氣候變化的敏感區(qū)。

b.階段性分析。為了明顯地顯現(xiàn)年平均氣溫的變化階段，采用距平累積分析方法［8］繪制年平均氣溫距平累積變化過(guò)程線(xiàn)(圖3)。圖3表明，流域年平均氣溫顯著升溫始于1988年，與東北地區(qū)年平均氣溫和黑龍江省年平均氣溫顯著升高的時(shí)間是一樣的［1，4］，比全國(guó)年平均氣溫顯著升高的時(shí)間晚2 a［13］。

圖2 松花江流域年平均氣溫距平的年際變化Fig.2 Inter-annual variation of annual average temperature anomaly in Songhua River Basin

圖3 松花江流域年平均氣溫距平累積變化過(guò)程線(xiàn)Fig.3 Accumulative annual temperature anomalies in Songhua River Basin

2.2 四季平均氣溫

松花江流域氣溫存在明顯的季節(jié)性差異，過(guò)渡季節(jié)氣溫變化劇烈，春、夏、秋、冬四季平均氣溫分別為9.66℃，20.34℃，9.00℃和 －12.36℃。

流域四季平均氣溫的年際變化過(guò)程見(jiàn)圖4，1960—2010年四季氣溫均在波動(dòng)中上升，春季和夏季在90年代中期開(kāi)始顯著升溫，秋季和冬季在80年代末90年代初開(kāi)始顯著升溫。四季氣溫的變化傾向率分別為0.037℃/a，0.028℃/a，0.036℃/a和0.048℃/a。其中，冬季變化傾向率高于年平均氣溫，冬季升溫幅度最大，夏季升溫幅度最小，春季升溫幅度略大于秋季?？梢哉J(rèn)為，冬季對(duì)松花江流域年平均氣溫的上升趨勢(shì)貢獻(xiàn)最大。春、夏、秋、冬氣溫系列的Z值分別為3.330，3.769，4.029和3.476，均通過(guò)了99%的置信度檢驗(yàn)，表明四季氣溫上升趨勢(shì)極為顯著。

圖4 松花江流域四季平均氣溫距平的年際變化Fig.4 Inter-annual variation of seasonal average temperature anomaly in Songhua River Basin

3 氣溫變化的空間分布特征

3.1 年平均氣溫

流域年平均氣溫空間分布(圖5(a))大致為從南至北隨緯度升高逐漸降低，區(qū)域差異明顯，流域年平均氣溫一般在－0.62～5.55℃之間。北部地區(qū)氣溫較低，加格達(dá)奇、小二溝附近年平均氣溫最低，在0℃以下;嫩江附近為0～0.75℃;北安、克山、海倫、鐵力、伊春一帶為0.75～2.12℃。流域西南部地區(qū)氣溫較高，松嫩平原的前郭、長(zhǎng)春、梅河口一帶氣溫最高，為4.86～5.55℃;烏蘭浩特、泰來(lái)、扶余、樺甸一帶為4.18～4.86℃。

為分析不同區(qū)域年平均氣溫變化趨勢(shì)，繪制年平均氣溫的變化幅度分布圖和M-K統(tǒng)計(jì)量Z值分布圖(圖5(b)(c))。近51 a來(lái)整個(gè)流域年平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，各地增溫幅度不同，增幅為0.034～0.041℃/a，大部分地區(qū)增幅為0.038～0.040℃/a。氣溫上升幅度最大的區(qū)域?yàn)槟劢⑿《?、富裕一帶和哈爾濱、綏化、北林一帶，增幅均為0.040～0.041℃/a。增幅最小的是第二松花江源頭地區(qū)一帶和索倫附近，分別為0.034～0.037℃/a，0.036～0.037℃/a。全流域年平均氣溫的Z值為4.59～5.47，均通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明流域各地年平均氣溫的上升趨勢(shì)極為顯著。

3.2 四季平均氣溫

通過(guò)繪制四季平均氣溫空間分布圖分析流域4個(gè)季節(jié)平均氣溫在空間上的分布情況，為節(jié)省篇幅，只敘述分析的結(jié)果。

春季，流域平均氣溫在7.08～11.50℃之間，由南向北遞減;北部地區(qū)氣溫較低，其中加格達(dá)奇、小二溝、嫩江一帶氣溫最低，為7.08～8.55℃;西南部松嫩平原地區(qū)氣溫較高，其中的泰來(lái)、前郭、長(zhǎng)春一帶氣溫最高，為11.01～11.50℃。

圖5 松花江流域年平均氣溫空間分布及變化趨勢(shì)分布Fig.5 Spatial distribution and change trend of annual average temperature in Songhua River Basin

夏季，流域平均氣溫最高，為18.00～22.14℃，也由南向北遞減;北部地區(qū)氣溫較低，加格達(dá)奇、小二溝一帶氣溫最低，為18.00～18.92℃;西南部松嫩平原地區(qū)氣溫較高，其中泰來(lái)、前郭一帶氣溫最高，為21.22～22.14℃。

秋季，流域平均氣溫為5.80～11.07℃，空間分布與春季、夏季相近;最低氣溫出現(xiàn)在加格達(dá)奇、小二溝一帶，為5.80～6.97℃;前郭、長(zhǎng)春、梅河口一帶氣溫最高，為10.49～11.07℃。

冬季，流域平均氣溫為－17.29～－8.70℃，空間分布與其余季節(jié)略有不同，總體也由南向北遞減;北部氣溫較低，最低出現(xiàn)在加格達(dá)奇、小二溝、嫩江一帶，為－17.29～－16.34℃;第二松花江流域一帶冬季氣溫較高，最高氣溫出現(xiàn)在長(zhǎng)春、梅河口一帶，為－9.66～－8.70℃。

總體來(lái)講，流域四季平均氣溫在空間分布上具有一定的相似性，松嫩平原一帶四季氣溫均較高，流域西部地區(qū)氣溫較低，松花江干流兩側(cè)地區(qū)氣溫居中。

為進(jìn)一步分析流域四季平均氣溫變化趨勢(shì)的區(qū)域差異，繪制四季平均氣溫變化幅度分布圖和M-K統(tǒng)計(jì)量Z值分布圖。為節(jié)省篇幅，只給出了流域四季平均氣溫變化幅度分布圖。

圖6 松花江流域四季平均氣溫變化幅度(單位:℃/a)Fig.6 Variation of seasonal average temperature in Songhua River Basin

春季，流域平均氣溫增加，各地增溫幅度不同，為0.014～0.051℃/a，總體呈東南向西北遞增的趨勢(shì)。流域50%以上地區(qū)(主要為流域左半部分)的增幅在0.035～0.051℃/a，增幅最大的是大興安嶺東部小二溝附近(為0.047～0.051℃/a)，增幅最小的是二松源頭一帶(為0.014～0.027℃/a)。全流域的Z值為1.22～4.35，且95%以上面積的Z值大于2.58，通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明流域各地春季氣溫上升明顯，且絕大部分地區(qū)變暖趨勢(shì)顯著。

夏季，流域平均氣溫呈上升趨勢(shì)，但是增幅是四季中最小的，在0.015～0.036℃/a之間。空間分布仍表現(xiàn)為由東南向西北遞增的趨勢(shì)，大興安嶺東部小二溝、扎蘭屯一帶的平均氣溫增幅最大(為0.032～0.036℃/a)，第二松花江源頭一帶的增幅較小(為0.015～0.020℃/a)。全流域夏季氣溫的Z值為2.14～4.55，均通過(guò)95%的顯著性檢驗(yàn)，絕大部分地區(qū)Z值為2.58～4.55，通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明全流域夏季氣溫變暖趨勢(shì)顯著。

秋季，流域平均氣溫增幅較大(為0.030～0.039℃/a)。各地增幅差異不大，嫩江流域增幅較大，大興安嶺東部小二溝附近和呼蘭浩特附近最大(為0.038～0.039℃/a)，松花江下游地區(qū)增幅較小(為0.030～0.031℃/a)。秋季氣溫的Z值在3.40～4.44之間，通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)，全流域秋季變暖趨勢(shì)極其顯著。

冬季，流域平均氣溫增幅最大，為0.047～0.049℃/a，而且各地增幅的空間分布非常均勻。冬季氣溫的Z值為2.85～4.52，通過(guò)99%的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明整個(gè)流域冬季氣溫上升明顯，變暖趨勢(shì)極其顯著。

4 結(jié) 論

a.近51 a，松花江流域年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，變化傾向率為0.039℃/a，比全球和全國(guó)的氣溫上升幅度要大;流域年平均氣溫年際變化的階段性明顯，顯著升溫始于1988年。

b.流域氣溫四季分明，四季平均氣溫均在波動(dòng)中上升，春、夏、秋、冬四季的變化傾向率分別為0.037℃/a，0.028℃/a，0.036℃/a和0.048℃/a，冬季對(duì)流域年平均氣溫的上升趨勢(shì)貢獻(xiàn)最大。四季氣溫的Z值均通過(guò)99%的置信度檢驗(yàn)，上升趨勢(shì)極為顯著。

c.流域年平均氣溫的空間分布大致從南至北隨緯度升高逐漸降低，一般在－0.62～5.55℃，北部地區(qū)氣溫較低，西南部地區(qū)氣溫較高;全流域年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，各地增幅為0.034～0.041℃/a。M-K法表明流域各地年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)。

d.流域四季氣溫的空間分布具有一定的相似性，由南向北遞減，松嫩平原一帶氣溫較高，北部地區(qū)氣溫較低，松花江干流兩側(cè)地區(qū)氣溫居中。春季全流域呈增暖趨勢(shì)，增幅為0.014～0.051℃/a;夏季平均氣溫呈上升趨勢(shì)，增幅為0.015～0.036℃/a;秋季平均氣溫增幅為0.030～0.039℃/a;冬季氣溫增幅最大，為0.047～0.049℃/a。

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