近50年來(lái)全球變暖背景下青藏高原氣溫變化特征

吳成啟, 唐登勇

(1.南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210044; 2.河北省石家莊市贊皇縣氣象局, 石家莊 050000)

近50年來(lái)全球變暖背景下青藏高原氣溫變化特征

吳成啟1,2, 唐登勇1

(1.南京信息工程大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 南京 210044; 2.河北省石家莊市贊皇縣氣象局, 石家莊 050000)

利用青藏高原1961—2010年逐日氣溫氣候統(tǒng)計(jì)資料，采用了線(xiàn)性回歸方程、曼—肯德?tīng)柾蛔儥z驗(yàn)等方法，研究了青藏高原氣溫氣候時(shí)間和空間尺度上的變化趨勢(shì)，研究表明：(1) 青藏高原年平均氣溫以0.022 8℃/a的速率遞增，在1993年之后年平均氣溫值較高，在南部區(qū)域年平均氣溫較高，而在中部區(qū)域年平均氣溫較低，且1996年為青藏高原年平均氣溫開(kāi)始突變的年份；(2) 青藏高原年平均氣溫存在顯著的季節(jié)變化特征，且4個(gè)季節(jié)下的年平均氣溫均呈遞增的變化趨勢(shì)，其中春季增溫幅度最大，冬季增溫幅度最??；(3) 通過(guò)對(duì)青藏高原年平均氣溫EOF分解分析得出，年平均氣溫呈南—中—北型、南—北型分布特征

青藏高原; 氣溫; 線(xiàn)性回歸; 曼—肯德?tīng)?EOF

近些年來(lái)，有研究資料顯示，全球的氣候正發(fā)生著異常的變化，異常的氣候變化，往往伴隨著一定的氣候?yàn)?zāi)害的發(fā)生。全球氣候變化對(duì)人類(lèi)、生態(tài)等發(fā)展存在著正、負(fù)面的影響，但是負(fù)面影響較為突出[1],且負(fù)面影響造成的危害受到了人類(lèi)的重視。由于全球氣候的異常變化，對(duì)區(qū)域小范圍內(nèi)氣候的研究成為了科研界的熱點(diǎn)。青藏高原是全球氣候系統(tǒng)的組成部分，且是一個(gè)較為敏感的地帶，對(duì)研究青藏高原氣候的變化，有著極其重要的意義。青藏高原地處我國(guó)西南區(qū)域，占地面積較大，東西最寬處距離為3 000 km,南北最寬處距離為1 600 km.有學(xué)者研究，青藏高原區(qū)域具有顯著的熱力、地動(dòng)力等作用[2-4]。該地區(qū)的熱力以及地動(dòng)力作用對(duì)北半球環(huán)流構(gòu)成了一定的影響，且在夏季的時(shí)候熱力、地動(dòng)力作用能夠影響到赤道南部區(qū)域[5]。根據(jù)研究資料，青藏高原比低海拔區(qū)域?qū)夂蜃兓捻憫?yīng)較為顯著[6-7]。青藏高原氣候的變化對(duì)我國(guó)氣候變化具有十分重要的意義，而氣溫氣候在氣候變化中占據(jù)著重要的地位。

近些年來(lái)很多科研工作者對(duì)不同區(qū)域內(nèi)氣溫和降水氣候做了一定的研究，同時(shí)取得了一定的結(jié)論。對(duì)氣溫的研究工作主要有：趙昕奕等[8]在對(duì)青藏高原氣溫變化的研究工作中，指出了青藏高原地區(qū)氣溫在50年代到80年代期間呈顯著的增溫變化趨勢(shì)。羅燕等[9]利用云南省125個(gè)測(cè)站逐日實(shí)測(cè)氣溫資料，采用了極端氣溫閾值法，研究了在極端閾值條件下氣溫的分布特征。研究表明，云南省極端高溫頻數(shù)具有顯著的年代際變化特征。王遵婭等[10]在對(duì)近50 a來(lái)我國(guó)的氣溫變化研究中，得出了我國(guó)氣溫呈逐年增溫的變化趨勢(shì)，且在90年代增溫幅度較大。Hansen[11]和Vinnikov等[12]利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)全球地表氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了處理分析，發(fā)現(xiàn)90年代中期全球地表氣溫較19世紀(jì)末期上升了0.3～0.6℃。還有很多學(xué)者[13-16]對(duì)其他區(qū)域的氣溫氣候變化特征進(jìn)行了研究。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文利用青藏高原56個(gè)測(cè)站1961—2010年逐日平均氣溫、降水量資料，用來(lái)研究氣溫、降水氣候在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律，資料均來(lái)源于青藏高原國(guó)家基準(zhǔn)地面氣象觀(guān)測(cè)站，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，質(zhì)量良好。根據(jù)56個(gè)測(cè)站經(jīng)緯度以及海拔數(shù)據(jù)，采用克里金插值，運(yùn)用Furfer軟件繪制出了測(cè)站空間位置分布結(jié)果，圖1為青藏高原地區(qū)56個(gè)測(cè)站海拔空間分布(圖中“+”號(hào)為資料中所選用的青藏高原站點(diǎn))。

圖1青藏高原地區(qū)56個(gè)測(cè)站海拔空間分布

2 青藏高原氣溫氣候特征變化

2.1 氣溫年際變化規(guī)律

本文利用青藏高原56個(gè)地面測(cè)站實(shí)測(cè)的逐日的氣溫資料，計(jì)算出每個(gè)測(cè)站逐年的氣溫平均值，然后求出青藏高原整體年平均氣溫的均值，用來(lái)研究青藏高原整體年平均氣溫年際變化趨勢(shì)。圖2為1961—2010年青藏高原地區(qū)年平均氣溫及距平變化趨勢(shì)。

從年平均氣溫距平值可以看出，在1961—1993年期間年平均氣溫距平值以負(fù)值為主，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，青藏高原地區(qū)僅有6個(gè)年份的年平均氣溫距平值大于0，說(shuō)明了在1961—1993年期間內(nèi)青藏高原地區(qū)年平均氣溫值較低，處于偏冷期，在1994—2010年期間年平均氣溫距平值以正值為主，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，青藏高原地區(qū)僅有2個(gè)年份的年平均氣溫距平值小于0，說(shuō)明了在1994—2010年期間內(nèi)青藏高原地區(qū)年平均氣溫值較高，處于偏暖期。從青藏高原年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值曲線(xiàn)可以看出，在1961—1969年期間青藏高原年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以下，說(shuō)明了在此年份期間氣溫較低，而后從1970年開(kāi)始，存在一個(gè)持續(xù)時(shí)間較短的增溫變化趨勢(shì)，在1974—1995年期間青藏高原年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以下，說(shuō)明了在此年份期間氣溫也相對(duì)較低，從1996年開(kāi)始青藏高原年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以上，說(shuō)明從1996年開(kāi)始青藏高原年平均氣溫相對(duì)較高。

從年平均氣溫散點(diǎn)值以及線(xiàn)性回歸方程可以看出，青藏高原年平均氣溫實(shí)際測(cè)量值具有顯著的年際變化差異性，且根據(jù)線(xiàn)性方程擬合的結(jié)果可看出，方程的斜率為0.022 8，這說(shuō)明了青藏高原年平均氣溫以0.022 8℃/a的速率遞增。根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]研究，我國(guó)的年平均氣溫以0.025℃/10 a的速率遞增，這一增溫速度略高于青藏高原年平均氣溫增溫的變化率。

圖2青藏高原地區(qū)年平均氣溫及距平變化趨勢(shì)

本文采用克里金插值，運(yùn)用Furfer軟件繪制出了56個(gè)測(cè)站年平均氣溫空間分布結(jié)果，圖3為1961—2010年青藏高原地區(qū)年平均氣溫空間分布結(jié)果，從圖中可以看出，青藏高原地區(qū)年平均氣溫存在顯著性的空間分布差異性，在青藏高原南部區(qū)域年平均氣溫較高，年平均氣溫分布于7～13℃，在西部區(qū)域年平均氣溫也相對(duì)較高，氣溫分布于1～4℃，而在中部區(qū)域年平均氣溫較低，年平均氣溫低于0℃以下。在(經(jīng)度:90°,緯度:29°)以及(經(jīng)度:97°,緯度:30°)空間位置處出現(xiàn)了年平均氣溫極大值，而在(經(jīng)度:93.4°,緯度:35°)以及(經(jīng)度:97°,緯度:33°)空間位置處出現(xiàn)了年平均氣溫極小值。

圖3青藏高原地區(qū)年平均氣溫空間分布結(jié)果(單位:℃)

2.2 氣溫季節(jié)變化規(guī)律

本文利用青藏高原56個(gè)地面測(cè)站實(shí)測(cè)的逐日的氣溫資料，計(jì)算出每個(gè)測(cè)站逐年每個(gè)季節(jié)下氣溫平均值，然后求出青藏高原整體逐年的每個(gè)季節(jié)平均氣溫的均值，用來(lái)研究青藏高原整體年平均氣溫季節(jié)變化趨勢(shì)。圖4為1961—2010年青藏高原地區(qū)四季逐年平均氣溫距平變化趨勢(shì)。從圖4中可以看出，青藏高原年平均氣溫存在顯著的季節(jié)變化特征，且4個(gè)季節(jié)下的年平均氣溫均呈遞增的變化趨勢(shì)。

從圖4A春季逐年平均氣溫距平變化趨勢(shì)結(jié)果可以看出，在1961—1993年期間春季年平均氣溫距平值以負(fù)值為主，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，青藏高原地區(qū)僅有8個(gè)年份的春季年平均氣溫距平值大于0，說(shuō)明了在1961—1993年期間內(nèi)青藏高原地區(qū)春季年平均氣溫值較低，處于偏冷期。在1994—2010年期間春季年平均氣溫距平值以正值為主，在這個(gè)時(shí)期內(nèi)，青藏高原地區(qū)僅有2個(gè)年份的春季年平均氣溫距平值小于0，說(shuō)明了在1994—2010年期間內(nèi)青藏高原地區(qū)春季年平均氣溫值較高，處于偏暖期。從青藏高原春季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值曲線(xiàn)可以看出，在1961—1994年期間青藏高原春季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以下，說(shuō)明了在此年份期間氣溫較低，從1995年開(kāi)始青藏高原春季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以上，說(shuō)明從1995年開(kāi)始青藏高原春季年平均氣溫相對(duì)較高。根據(jù)線(xiàn)性方程擬合的結(jié)果可看出，方程的斜率為0.024 6，大于0，這說(shuō)明了青藏高原春季年平均氣溫以0.024 6℃/a的速率遞增，春季氣溫增溫的速率要略高于年平均氣溫變化的速率。

從圖4B夏季逐年平均氣溫距平變化趨勢(shì)結(jié)果可以看出，在1961—1980年期間青藏高原地區(qū)夏季年平均氣溫值較低。在1981—1992年期間夏季年平均氣溫距平值在0值上下波動(dòng)，說(shuō)明了在1981—1992年期間夏季年平均氣溫波動(dòng)幅度較大。在1993—2010年期間夏季年平均氣溫較高。從青藏高原夏季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值曲線(xiàn)可以看出，在1961—1990年期間青藏高原夏季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以下，說(shuō)明了在此年份期間氣溫較低，從1994年開(kāi)始青藏高原夏季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以上，說(shuō)明從1994年開(kāi)始青藏高原夏季年平均氣溫相對(duì)較高。根據(jù)線(xiàn)性方程擬合的結(jié)果可看出，青藏高原夏季年平均氣溫以0.024 0℃/a的速率遞增，夏季氣溫增溫的速率要略低于春季年平均氣溫變化的速率。

從圖4C秋季逐年平均氣溫距平變化趨勢(shì)結(jié)果可以看出，在1961—1971年期間青藏高原地區(qū)秋季年平均氣溫值較低。在1972—1993年期間秋季年平均氣溫距平值在0值上下波動(dòng)，說(shuō)明了在1972—1993年期間秋季年平均氣溫波動(dòng)幅度較大。在1994—2010年期間青藏高原地區(qū)秋季年平均氣溫值較高。從青藏高原秋季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值曲線(xiàn)可以看出，在1961—1994年期間青藏高原秋季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值以0值以下為主，說(shuō)明了在此年份期間氣溫較低，從1995年開(kāi)始青藏高原秋季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以上，說(shuō)明從1995年開(kāi)始青藏高原秋季年平均氣溫相對(duì)較高。根據(jù)線(xiàn)性方程擬合的結(jié)果可看出，青藏高原秋季年平均氣溫以0.022 4℃/a的速率遞增。

從圖4D冬季逐年平均氣溫距平變化趨勢(shì)結(jié)果可以看出，在1961—1979年期間青藏高原地區(qū)冬季年平均氣溫值較低。在1980—1997年期間冬季年平均氣溫距平值在0值上下波動(dòng)，說(shuō)明了在1980—1997年期間秋冬年平均氣溫波動(dòng)幅度較大。在1998—2010年期間青藏高原地區(qū)冬季年平均氣溫值較高。從青藏高原冬季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值曲線(xiàn)可以看出，在1961—1986年期間青藏高原秋季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值在0值以下，說(shuō)明了在此年份期間氣溫較低，從1995年開(kāi)始青藏高原秋季年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均值處于0值以上，說(shuō)明從1996年開(kāi)始青藏高原冬季年平均氣溫相對(duì)較高。根據(jù)線(xiàn)性方程擬合的結(jié)果可看出，青藏高原冬季年平均氣溫以0.034 6℃/a的速率遞增，可以看出青藏高原冬季增溫幅度較大。

圖4青藏高原地區(qū)四季逐年平均氣溫距平變化趨勢(shì)

2.3 氣溫突變年檢驗(yàn)

圖5為1961—2010年青藏高原地區(qū)年平均氣溫突變檢驗(yàn)結(jié)果，從年平均氣溫突變年檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，從1961年開(kāi)始年平均氣溫有1個(gè)持續(xù)時(shí)間較短的降溫過(guò)程，從1963年開(kāi)始青藏高原地區(qū)年平均氣溫UF統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)均為正值，這說(shuō)明了從1963年開(kāi)始青藏高原年平均氣溫隨著時(shí)間的推移呈增溫的變化趨勢(shì)，其中從1999年開(kāi)始青藏高原年平均氣溫UF統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)超出了本文所設(shè)定的臨界曲線(xiàn)，所明了從1999年開(kāi)始年平均氣溫隨著時(shí)間變化呈顯著的增溫變化趨勢(shì)。年平均氣溫UF統(tǒng)計(jì)曲線(xiàn)以及UB曲線(xiàn)有1個(gè)交點(diǎn)位于1996年，且可以看出該交點(diǎn)處于臨界曲線(xiàn)內(nèi)[19]，這說(shuō)明了1996年為青藏高原年平均氣溫開(kāi)始突變的年份。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證青藏高原地區(qū)年平均氣溫M-K突變檢驗(yàn)方法的正確性。本文對(duì)年平均氣溫進(jìn)行小波變換。小波系數(shù)變化圖中，紅線(xiàn)為顯著性檢驗(yàn)水平線(xiàn)。以1996年為界線(xiàn)，在16～32 a的長(zhǎng)時(shí)間變換周期尺度上，青藏高原年平均氣溫在1996年前有負(fù)距平貢獻(xiàn)，表明了1996年之前年平均氣溫處于相對(duì)偏冷期。而1996年之后為正距平貢獻(xiàn)，表明了1996年之后年平均氣溫處于相對(duì)偏暖期。因此，根據(jù)M-K突變檢驗(yàn)以及小波變換檢驗(yàn)，可以看出1996年作為青藏高原年平均氣溫突變年是可信的。

圖5青藏高原地區(qū)年平均氣溫突變檢驗(yàn)

2.4 氣溫EOF空間分解

本文利用青藏高原年平均氣溫資料，采用EOF正交函數(shù)分解的方法[20]，研究青藏高原年平均氣溫空間分布情況。計(jì)算出青藏高原年平均氣溫經(jīng)正交函數(shù)空間分解后的累積方差貢獻(xiàn)率以及特征向量值(表1)。從表1累積方差貢獻(xiàn)率統(tǒng)計(jì)結(jié)果中可以看出，前3個(gè)主成分的累積方差貢獻(xiàn)率為99.488 7%，這說(shuō)明了前3個(gè)主成分所包含的信息能夠解釋青藏高原年平均氣溫空間場(chǎng)的全部特征。其中第一主成分的貢獻(xiàn)率最高為81.838 6%，其次是第二主成分的貢獻(xiàn)率為12.824 0%。

表1 青藏高原年平均氣溫差貢獻(xiàn)率、累積方差貢獻(xiàn)率

本文對(duì)青藏高原56個(gè)測(cè)站逐年氣溫?cái)?shù)據(jù)，進(jìn)行了EOF分解，并計(jì)算出了前3個(gè)特征場(chǎng)向量。圖6為青藏高原年平均氣溫EOF分解特征場(chǎng)空間分布。

圖6青藏高原年平均氣溫EOF分解特征場(chǎng)空間分布

根據(jù)第一向量特征場(chǎng)空間分布結(jié)果圖可以看出，青藏高原年平均氣溫呈南—中—北型分布特征，即在南部區(qū)域年平均氣溫較高，北部區(qū)域年平均氣溫其次，中部區(qū)域年平均氣溫最低，在(91.8°E,29°N)位置處的青藏高原年平均氣溫最高，在(93°E,34.3°N)位置處的青藏高原年平均氣溫最低。根據(jù)第二向量特征場(chǎng)空間分布結(jié)果圖可以看出，青藏高原年平均氣溫呈南—北型分布特征，即在南部區(qū)域年平均氣溫相對(duì)較低，但是在南部少部分區(qū)域氣溫也較高，北部區(qū)域年平均氣溫相對(duì)較高，在(90°E,29°N)位置處的青藏高原年平均氣溫最高，在(92°E,29°N)位置處的青藏高原年平均氣溫最低。根據(jù)第三向量特征場(chǎng)空間分布結(jié)果圖可以看出，在青藏高原南部以及中部處年平均氣溫相對(duì)較高，而在東北角以及北部區(qū)域年平均氣溫相對(duì)較低，從三特征向量場(chǎng)空間結(jié)果顯示出，青藏高原年平均氣溫沒(méi)有明顯的分布類(lèi)型。在(91.8°E,29°N)位置處的青藏高原年平均氣溫最高，在(102°E,36°N)位置處的青藏高原年平均氣溫最低。

3 結(jié) 論

(1) 在1961—1993年期間青藏高原地區(qū)年平均氣溫值較低，處于偏冷期，在1994—2010年期間青藏高原地區(qū)年平均氣溫值較高，青藏高原年平均氣溫以0.022 8℃/a的速率遞增，且1996年為青藏高原年平均氣溫開(kāi)始突變的年份。青藏高原南部區(qū)域年平均氣溫較高，而在中部區(qū)域年平均氣溫較低。

(2) 青藏高原年平均氣溫存在顯著的季節(jié)變化特征，且4個(gè)季節(jié)下的年平均氣溫均呈遞增的變化趨勢(shì),其中春季年平均氣溫以0.024 6℃/a的速率遞增，夏季年平均氣溫以0.024 0℃/a的速率遞增，秋季年平均氣溫以0.022 4℃/a的速率遞增，冬季年平均氣溫以0.034 6℃/a的速率遞增。

(3) 通過(guò)對(duì)青藏高原年平均氣溫EOF分解分析得出，根據(jù)第一特征場(chǎng)顯示出青藏高原年平均氣溫呈南—中—北型分布特征，第二特征場(chǎng)顯示出青藏高原年平均氣溫呈南—北型分布特征，第三特征場(chǎng)顯示出青藏高原年平均氣溫沒(méi)有明顯的分布類(lèi)型。

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ChangeofTemperatureinTheTibetanPlateauintheContextofGlobalWarminginRecent50Years

WU Chengqi1,2， Tang Deng Yong1

(1.SchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,NanjingUniversityofInformationScience&Technology,Nanjing210044,China; 2.ZanhuangCountyMeteorologicalBureau,Shijiazhuang050000,China)

We use daily temperature climate statistics of the Tibetan Plateau from 1961 to 2010, and used the linear regression equation, Mann-Kendall mutation testing and other methods to study the spatiotemporal trend of the temperature and climate of the plateau. The results show that: (1) the increase rate of the average annual temperature of the plateau is 0.022 8 ℃, after 1993, annual average temperature value was high, and average temperatures in the southern region was higher, while the annual average temperature was low in the central region, and abrupt change of temperature in Tibetan Plateau occurred in 1996; (2) the average annual temperature presented the significant seasonal variation, and the average annual temperature trend under four seasons was incremental, warming was the biggest in the spring, and the warming was slight in winter; (3) it was concluded that the average annual presented the distribution characteristics of types of South-Center-North and South-North based on EOF analysis on the average annual temperature.

Tibetan Plateau; temperature; linear regression; Mann-Kendall; EOF

P467

A

1005-3409(2017)06-0262-05

2016-07-02

2016-07-15

吳成啟(1986—),男,河北省石家莊人,研究生,工程師,從事于環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象等研究。E-mail:2670944154@qq.com