西北地區(qū)年平均地表溫度時(shí)空特征分析

陳笑笑 孫必云 華維

摘要利用西北地區(qū)136個(gè)氣象臺(tái)站1960—2004年逐月0 cm地表溫度資料，采用主成分、旋轉(zhuǎn)主成分和小波等分析方法，研究了西北地區(qū)年平均地表溫度的時(shí)空變化特征。結(jié)果表明，近45年來西北地區(qū)年平均地表溫度表現(xiàn)為明顯的升高趨勢(shì)，且升溫的空間分布較為復(fù)雜，高溫區(qū)和低溫區(qū)交錯(cuò)分布，陜西、甘肅、新疆東北部和新疆南部為高溫區(qū)，青海和新疆北部為低溫區(qū)。經(jīng)驗(yàn)正交分解結(jié)果表明，西北地區(qū)年平均地表溫度第1特征向量表現(xiàn)了西北全區(qū)地溫一致偏高或偏低的變化特征，第2和第3特征向量分別表現(xiàn)出東西及中部與東、西部相反的差異。旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解后發(fā)現(xiàn)，地表溫度存在5個(gè)空間異常區(qū)，即西北東部、西北北部、西北中部、新疆南部和新疆中部，其中西北東部區(qū)、西北中部區(qū)和新疆中部區(qū)表現(xiàn)為高—低—高的過程，西北北部區(qū)和新疆南部區(qū)則為一致的增加趨勢(shì)。各異常區(qū)年平均地表溫度均存在8～16年或16～32年的長周期，西北北部區(qū)還存在4～8年的短周期。

關(guān)鍵詞地表溫度；時(shí)空特征；西北地區(qū)

中圖分類號(hào)S161.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2017）23-0182-04

Analysis of Spatial and Temporal Characteristics of Annual mean Surface Temperature in Northwest China

CHEN Xiaoxiao，SUN Biyun，HUA Wei*

（School of Atmospheric Sciences，Joint Laboratory of Climate and Environment Change，Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu University of Information Technology，Chengdu，Sichuan 610225）

AbstractOn basis of the monthly surface temperature data collected from 136 observational stations in Northwest China（NWC） during 1960-2004，the methods of principal component analysis，rotated principal component analysis and wavelet analysis were used to analyze the spatial and temporal characteristics of annual mean surface temperature in NWC.The results showed that the annual mean surface temperature in NWC in the past 45 years was obviously increasing，and the spatial distribution of the warming was more complicated.High temperature zone and low temperature area staggered distribution，the annual mean surface temperature decreased in Shanxi，Gansu and northeast and south of Xinjiang and increased in Qinghai and north of Xinjiang.The empirical results showed that the first eigenvector showed the consistent high or low of annual mean surface temperature in entire NWC，and the second eigenvectors showed the annual mean surface temperature in eastern NWC are opposite with western NWC，vice versa；the third eigenvectors showed the annual mean surface temperature in mid NWC were opposite with eastern and western NWC，respectively.Rotational experience orthogonal decomposition revealed that the surface temperature abnormal area could be divided into fifth sub regions： eastern NWC，northern NWC，mid NWC，southern Xinjiang and mid Xinjiang.The eastern NWC，mid NWC and mid Xinjiang showed highlowhigh process，northern NWC and southern Xinjiang were the same increase trend.All the sub regions exist 8～16 years or 16～32 years periodic oscillations，only the northern NWC exist 4～8 years periodic oscillation.

Key wordsLand surface temperature；Spatial and temporal characteristics；Northwest China

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41405069，91537214）；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（16ZA0203）；成都信息工程大學(xué)中青年學(xué)術(shù)帶頭人科研基金項(xiàng)目（J201516）；引進(jìn)人才啟動(dòng)基金項(xiàng)目（KYTZ201517）。

作者簡(jiǎn)介陳笑笑（1995—），女，湖北襄陽人，本科生，專業(yè)：大氣科學(xué)。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事氣候變化研究。

收稿日期2017-06-07

陸氣相互作用對(duì)各種尺度的天氣和氣候變化都存在顯著影響。在陸氣相互作用中，土壤溫度對(duì)大氣環(huán)流、氣候變化，乃至干旱等災(zāi)害性極端天氣氣候的作用尤為重要[1-5]。不少學(xué)者對(duì)我國地溫的變化進(jìn)行了研究[6-8]，目前相關(guān)工作主要集中于冬春季地溫變化，而對(duì)整個(gè)西北地區(qū)地溫年平均地溫的長期演變規(guī)律缺少較全面的分析[9-10]。因此，筆者利用1960—2004年西北地區(qū)陜西、寧夏、甘肅、新疆、青海和內(nèi)蒙古等省、自治區(qū)136個(gè)臺(tái)站地表0 cm溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)近45年西北地區(qū)年平均地表溫度的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析。

1資料與方法

地表溫度數(shù)據(jù)采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供的西北地區(qū)136個(gè)臺(tái)站1960—2004年的月平均0 cm地溫資料，該資料經(jīng)過了較嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查。采用經(jīng)驗(yàn)正交分解（EOF）和旋轉(zhuǎn)經(jīng)驗(yàn)正交分解（REOF）[11]來研究地表溫度的整體空間分布和局地異常敏感區(qū)。采用施能[12]定義的氣候趨勢(shì)系數(shù)分析近45年來西北地區(qū)地表的變化趨勢(shì)。采用Marr小波分析[13-14]地表溫度變化的多時(shí)間尺度變化特征。

2結(jié)果與分析

2.1西北地區(qū)年平均地表溫度的空間分布

由圖1a可看出，1960—2004年西北地區(qū)年平均地表溫度的空間分布較為復(fù)雜，受海拔、緯度等影響，地溫高低值區(qū)交錯(cuò)分布。高溫區(qū)主要分布在陜西、甘肅以及新疆東部和西南部，年平均地表溫度一般都在10.0 ℃以上，地表溫度的最高中心位于新疆吐魯番，可達(dá)17.6 ℃；青海和新疆北部地區(qū)為相對(duì)低值區(qū)，最低中心在青海托勒，年平均地溫僅為1.0 ℃。利用趨勢(shì)相關(guān)方法分析西北地區(qū)年平均地表溫度線性趨勢(shì)（圖1b）表明，近45年西北大部分地區(qū)年平均地表溫度均表現(xiàn)為顯著的升溫趨勢(shì)，僅新疆中部、青海東南部和陜西東南部等地區(qū)地表溫度出現(xiàn)降低趨勢(shì)，但線性趨勢(shì)系數(shù)一般較小，未能通過顯著性檢驗(yàn)。

2.2西北地區(qū)年平均地表溫度的空間異常特征

EOF分析表明，前3個(gè)模態(tài)累計(jì)方差貢獻(xiàn)共計(jì)72.65%（表1）。從第1模態(tài)空間分布（圖2a）可看出，近45年西北地區(qū)為一致的正值分布；西北地區(qū)東部、中部和西部分別存在大值分布區(qū)，正值中心分別位于青海海源（0.95）、甘肅安西（0.91）和新疆若羌（0.91）；這一空間類型方差貢獻(xiàn)為59.08%（表1），反映了受大尺度天氣氣候系統(tǒng)的影響，西北地區(qū)地表溫度表現(xiàn)為全區(qū)一致的偏高或偏低。第2模態(tài)對(duì)應(yīng)的主成分方差貢獻(xiàn)相對(duì)較小，為7.84%（表1），說明西北地區(qū)年平均地表溫度存在一定的局地變化特征。由圖2b可見，新疆、甘肅和內(nèi)蒙古為主要的正值分布區(qū)，正值中心位于新疆塔城，為0.60；而青海、甘肅南部和陜西則為負(fù)值分布區(qū)，負(fù)值中心在青海河南，達(dá)-0.69。這種南北反向的分布特征突出反映了西北地區(qū)的北部年平均地表溫度偏高（低）、南部年平均地表溫度偏低（高）的特點(diǎn)。第3模態(tài)反映了西北地區(qū)中部地表溫度與東、西部相反變化的特點(diǎn)；新疆北部和陜西為主要正值區(qū)，正值中心在新疆烏魯木齊，為0.71；新疆南部、青海和甘肅是主要負(fù)值區(qū)，負(fù)值中心在青海班瑪縣，中心值為-0.48（圖2c）。

為進(jìn)一步研究西北地區(qū)年平均地表溫度的局地特征，取前10個(gè)模態(tài)（累積方差達(dá)87.06%）進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，按旋轉(zhuǎn)載荷向量絕對(duì)值>0.4的地區(qū)基本布滿全區(qū)位標(biāo)準(zhǔn)，得到西北地區(qū)年平均地表溫度的5個(gè)主要空間異常區(qū)（圖3）。第Ⅰ區(qū)—西北東部區(qū)，包括寧夏、陜西、甘肅南部等地區(qū)，大值中心位于陜西寶雞，為0.93，方差貢獻(xiàn)為23.88%；第Ⅱ區(qū)—西北北部區(qū)，大值區(qū)包括新疆北部和內(nèi)蒙古等地，中心在新疆阿勒泰市，為0.94，方差貢獻(xiàn)為16.55%；第Ⅲ區(qū)—新疆南部區(qū)，大值區(qū)主要為新疆南部，中心在新疆莎車縣，達(dá)-0.84，方差貢獻(xiàn)為12.18%；第Ⅳ區(qū)—西北中部區(qū)，大值區(qū)包括青海、甘肅和新疆東南部等地區(qū)，中心在甘肅合作市，為0.81，方差貢獻(xiàn)為21.33%；第Ⅴ區(qū)—新疆中部區(qū)，大值區(qū)在新疆中部區(qū)，中心在新疆庫車縣，為0.74，方差貢獻(xiàn)為3.23%。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2017年

2.3西北地區(qū)年平均地表溫度的時(shí)間演變特征

2.3.1各異常區(qū)代表站年平均地表溫度的年際變化。

以各異常區(qū)旋轉(zhuǎn)載荷向量值最大站點(diǎn)為代表站進(jìn)行該異常區(qū)年平均地表溫度的變化趨勢(shì)分析，由圖4可見，西北東部區(qū)（代表站寶雞）近45年來年平均地表溫度經(jīng)歷了高—低—高的過程，20世紀(jì)60年代初到70年代末，盡管其年際變化非常明顯，但其變化趨勢(shì)相對(duì)較為平緩，主要表現(xiàn)為降溫趨勢(shì)；1978年前后年平均地表溫度開始再次降低，到90年代前期達(dá)到最低，1995年后年平均地表溫度明顯升高。西北北部區(qū)（代表站阿勒泰）年平均地表溫度在20世紀(jì)70年代之前為較明顯的降溫趨勢(shì)，70年代初開始顯著升溫，一直持續(xù)到21世紀(jì)初期。新疆南部區(qū)（代表站莎車）年平均地表溫度近45年中呈明顯的增加趨勢(shì)。西北中部區(qū)（代表站合作）年平均地表溫度經(jīng)歷了由低到高的過程，20世紀(jì)80年代之前為相對(duì)偏低期，80年代到21世紀(jì)初為相對(duì)偏高期。新疆中部區(qū)（代表站庫車）年平均地表溫度為高—低—高的拋物線型，20世紀(jì)70年代中期前偏高，70年代末至80年代后期為降溫趨勢(shì)，90年代后期開始呈明顯的升溫趨勢(shì)?？傮w來看，西北東部區(qū)、西北中部區(qū)和新疆中部區(qū)年平均地表溫度都經(jīng)歷了高—低—高的過程，而西北北部區(qū)和新疆南部區(qū)年平均地表溫度近45年中為較一致的升溫趨勢(shì)。

2.3.2各代表站年平均地表溫度周期分析。

由圖5可知，西北東部區(qū)（寶雞）年平均地表溫度在8～16年長時(shí)間變化尺度上經(jīng)歷了偏少—偏多—偏少的交替過程；西北北部區(qū)（阿勒泰）年平均地表溫度在16～32年長時(shí)間變化尺度上主要表現(xiàn)為由低到高的變化周期，而在4～8年的小時(shí)間尺度上，表現(xiàn)為低—高—低—高……共3個(gè)循環(huán)交替過程；新疆南部區(qū)（莎車）在16～32年的長時(shí)間變化尺度上，該地區(qū)年平均地表溫度在20世紀(jì)80年代初之前偏低，之后偏高；西北中部區(qū)（合作）在16～32年尺度上經(jīng)歷了由少到多的變化過程，突變時(shí)間在20世紀(jì)80年代中期；新疆中部區(qū)（庫車）年平均地表溫度在8～16年長時(shí)間變化尺度上經(jīng)歷了偏少—偏多—偏少的交替過程。

3結(jié)論

（1）受海拔和緯度影響，西北地區(qū)年平均地表溫度空間分布復(fù)雜，高、低溫區(qū)交錯(cuò)分布，陜西、甘肅以及新疆東北部和南部是西北地表高溫區(qū)，青海和新疆北部地區(qū)為相對(duì)低溫區(qū)；近45年來整個(gè)西北地區(qū)年平均地表溫度基本上都表現(xiàn)為明顯的升高趨勢(shì)。

（2）EOF分析表明，受大尺度環(huán)流和氣候背景影響，第1模態(tài)反映了全區(qū)年平均地表溫度一致偏高或偏低的變化特征。西北地區(qū)年平均地表溫度也存在東西及中部與東、西部相反的差異。

（3）REOF分析表明，西北年平均地表溫度空間異常區(qū)可分為5個(gè)，即西北東部區(qū)、西北北部區(qū)、新疆南部區(qū)、西北中部區(qū)和新疆中部區(qū)。西北東部區(qū)、西北中部區(qū)和新疆中部區(qū)年平均地表溫度均經(jīng)歷了高—低—高的過程，而西北北部區(qū)和新疆南部區(qū)年平均地表溫度呈一致的增加趨勢(shì)。

（4）小波分析表明，各異常區(qū)的顯著周期及其年代變化具有一定差異，各異常區(qū)年平均地表溫度均存在8～16或16～32年的長周期，西北北部區(qū)還存在4～8年的短周期。

參考文獻(xiàn)

[1]

湯懋蒼，孫淑華，鐘強(qiáng)，等.下墊面能量?jī)?chǔ)放與天氣變化[J].高原氣象，1982，1（1）：24-33.

[2] 李超.青藏高原0.8m地溫異常與我國汛期降水的關(guān)系[J].成都?xì)庀髮W(xué)院學(xué)報(bào)，1995，10（2）：175-181.

[3] 趙紅巖，楊瑜峰，梁東升，等.中國北方沙塵暴與地溫場(chǎng)的相關(guān)分析[J].中國沙漠，2007，27（3）：509-513.

[4] 費(fèi)曉玲，丁春蘭.甘肅黃土高原地溫與冬小麥發(fā)育期的關(guān)系分析[J].干旱氣象，2009，27（2）：148-151.

[5] 張俊鵬，孫景生，劉祖貴，等.不同麥秸覆蓋量對(duì)夏玉米田棵間土壤蒸發(fā)和地溫的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2009，27（1）：95-100.

[6] 陸曉波，徐海明，孫丞虎，等.中國近50 a地溫的變化特征[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，29（5）：706-712.

[7] 王紹令.近數(shù)十年來青藏公路沿線多年凍土變化[J].干旱區(qū)地理，1993，16（1）：1-8.

[8] 李棟梁，鐘海玲，吳青柏，等.青藏高原地表溫度的變化分析[J].高原氣象，2005，24（3）：291-298.

[9] 李英年，鮑新奎，曹廣民.祁連山海北高寒濕地40～80 cm土壤溫度狀況觀測(cè)分析[J].冰川凍土，2000，22（2）：153-158.

[10] 韓博，呂世華，奧銀煥.西北戈壁區(qū)夏季一次降水前后土壤溫度變化規(guī)律分析[J].高原氣象，2009，28（1）：36-45.

[11] 魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，1999：106-113.

[12] 施能.北半球冬季大氣環(huán)流遙相關(guān)的長期變化及其與我國氣候變化的關(guān)系[J].氣象學(xué)報(bào)，1996，54（6）：675-683.

[13] 胡增，臻石偉.子波變換在大氣科學(xué)中的應(yīng)用研究[J].大氣科學(xué)，1997，21（1）：58-72.

[14] 林振山，鄧自旺.子波氣候診斷技術(shù)的研究[M].北京：氣象出版社，1999：1-56.