1961—2015年中國熱區(qū)降水和氣溫時空變化特征

胡盈盈，肖 楊，戴聲佩，羅紅霞，李玉萍，李茂芬*

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院科技信息研究所/海南省熱帶作物信息技術(shù)應(yīng)用研究重點實驗室，海南 ?？?571101; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點實驗室，北京 100081; 3.南京大學 地理與海洋科學學院，江蘇 南京 210023; 4.南京大學南海協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210093)

【研究意義】氣候變暖是全球氣候變化的主要特征，已成為國內(nèi)外學者普遍關(guān)注的熱點[1-2]。全球氣候變暖背景下，中國氣溫大幅度上升，幾乎是全球上升幅度的兩倍[3-4]。嚴中偉等[5]依據(jù)均一化氣溫序列對中國區(qū)域氣候變暖進行了再評估，表明1990年以來中國以0.13～0.17 ℃/10 a的速率增溫，遠大于全球平均水平。全球氣候變暖還會導致降水結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化[6]。趙東升等[7]對中國1960—2018年氣候變化特征分析，指出中國降水量整體有增加趨勢，平均增加趨勢為11.72 mm/10 a，降水量在西北和東南地區(qū)呈現(xiàn)增多趨勢。中國幅員遼闊，依據(jù)氣候區(qū)劃從北到南依次為寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶和熱帶。其中，南亞熱帶和熱帶一般稱為“中國熱區(qū)”[8]，簡稱熱區(qū)。中國熱區(qū)位于北半球低緯度地區(qū)，不僅位置特殊，所反應(yīng)的各種地理事物和現(xiàn)象也很特殊。例如，氣候炎熱、極端降水多、天氣變化劇烈等。全球氣候變化背景下，熱區(qū)氣候資源也發(fā)生了相應(yīng)變化[9-10]，這些變化對農(nóng)業(yè)和糧食生產(chǎn)安帶來了一系列重大影響，充分認識熱區(qū)水熱資源，發(fā)展農(nóng)業(yè)和熱帶經(jīng)濟作物，對探索我國熱區(qū)氣候變化特征及空間格局、開發(fā)利用自然資源具有重要意義。【前人研究進展】近年來，諸多學者依據(jù)氣候、地理、農(nóng)業(yè)區(qū)劃[11]對熱區(qū)氣候變化進行了一系列研究。周偉東等[12]把中國東部地區(qū)劃分為熱帶、副熱帶、溫帶3個氣候帶，指出我國東部冬季溫帶增溫速率大于熱帶增溫速率，降水變化不顯著；戴聲佩等[13]對華南地區(qū)光、熱、水農(nóng)業(yè)氣候資源進行了時空分析，指出華南地區(qū)氣溫呈增溫趨勢，降水呈微弱增加趨勢；程建剛等[14]分析了云南省氣候變化特征，指出云南近50年氣溫變幅略大于全球，弱于北半球和全國；黃雪松等[15]采用統(tǒng)計學方法對廣西近50年季節(jié)性氣溫和降水進行分析，指出廣西近50年來平均氣溫升變率為0.1 ℃/10 a，降水量呈偏多趨勢但不明顯；張星等[16]年對閩江流域近45年的氣候進行分析，指出閩江流域20世紀70年代呈增溫趨勢，但降水略呈不顯著增加趨勢；羅紅霞等[17]對海南島氣溫、降水進行分析，得出海南島氣溫為增溫趨勢，降水量呈增多趨勢?！颈狙芯壳腥朦c】前人研究中，關(guān)于整合氣候資源研究方向較為分散，研究區(qū)域集中在省和地區(qū)，為全面分析我國熱區(qū)降水和氣溫的時空變化特征，本研究基于年降水量、年均溫、年均最高溫、年均最低溫，分析中國熱區(qū)1961—2015年降水和氣溫時空變化特征?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以期實現(xiàn)長時間序列中國熱區(qū)降水和溫度變化趨勢分析，摸清我國熱區(qū)氣候變化的時空特征，有利于了解全球氣候變化背景下我國低緯度區(qū)域性地域的氣候變化特征，為指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、戰(zhàn)略布局、生態(tài)環(huán)境保護提供科學參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國熱區(qū)位于歐亞大陸南端，位于18～27°N，97～120°E，主要包括海南、云南、廣西、廣東、福建、四川、貴州、湖南、江西、臺灣等省區(qū)。由于數(shù)據(jù)缺失，本研究不涉及中國臺灣。中國熱區(qū)屬熱帶季風氣候，氣溫暖濕，雨熱同季，年均氣溫21.4 ℃，降水量在1500 mm以上。研究區(qū)地貌類型多變，從云貴高原到濱海平原，地勢呈西高東低。熱區(qū)水熱資源豐富，動植物及種質(zhì)資源繁多，適宜發(fā)展的農(nóng)業(yè)主要有熱帶原料作物，如天然橡膠、木薯、甘蔗等，熱帶棕櫚作物，如椰子、檳榔、油棕等，以及熱帶水果、熱帶林木、熱帶水產(chǎn)等，形成了獨特的熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，在熱帶農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)不可替代的位置。

1.2 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)http://data.cma.cn/site/index.html，本研究收集了1961—2015年中國熱區(qū)76個氣象站點氣象資料。數(shù)據(jù)集為中國基本、基準地面氣象觀測站及自動站1961年以來收集的日值數(shù)據(jù)集，包括平均溫、最高溫、最低溫、降水量等氣象資料。氣象站點：海南島7個、云南21個、廣西19個、廣東22個、四川2個、福建5個(圖1)。氣象數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格質(zhì)量控制，對異?；蛉笔?shù)據(jù)進行剔除或插值補齊，以獲取有效氣象記錄。剔除氣象數(shù)據(jù)遵循以下原則：剔除原始數(shù)據(jù)整條缺失的氣象記錄數(shù)據(jù)，剔除最低氣溫大于最高氣溫的整條數(shù)據(jù)，剔除記錄值大于理論值的整條數(shù)據(jù)。

1.3 研究方法

本研究對中國熱區(qū)55年降水量和氣溫的年際、年代際變化進行研究。采用一元線性回歸、距平、累積距平和逐像元線性回歸方法對資料序列進行趨勢分析；利用Mann-Kendall突變檢驗和累計距平綜合判斷降水、氣溫時間序列的突變點，獲取氣候要素突變趨勢及突變年份；利用ArcGIS軟件進行克里金插值，分析氣候要素的空間變化特征。

1.3.1 氣候傾向率 氣候要素的變化趨勢，一般采用一元線性回歸方程表示：

y=a+bx

(1)

式中，y為氣候要素值，x為時間序列，a為回歸常數(shù)，b為氣候傾向率，a、b可由最小二乘法估算。10b即為氣候要素10年的氣候傾向率[18]，單位為mm/10 a或℃/10 a，氣候傾向率的正負可以指示氣候要素的增減趨勢。

1.3.2 累積距平分析 距平值是指某個時間序列的數(shù)據(jù)對于某段時間序列平均值的高低，距平值為0表示該值代表某段時間的平均水平，距平值有正負之分。距平值的累加就是累積距平值，累積距平曲線可以直觀地觀察氣候要素的累年變化趨勢。

1.3.3 突變檢測 M-K突變檢驗是一種采用在氣象研究中的非參數(shù)檢驗方法，適用于時間序列中對氣候要素進行突變檢驗，其檢測范圍寬，不需要樣本遵循一定的分布，且不受異常值干擾，被廣泛應(yīng)用到氣象研究中[19]，計算步驟詳細見參考文獻[20]。本研究結(jié)合相關(guān)理論[21]利用MATLAB軟件得到氣候突變因子。

1.3.4 空間變化趨勢計算 為研究熱區(qū)55年降水和氣溫的空間趨勢變化特征，本研究采用基于最小二乘法的線性回歸逐像元分析1961—2015年降水和氣溫年際變化趨勢，并利用F檢驗分析趨勢顯著性[22]。年變化率大于0，表示降水和氣溫呈上升趨勢，年變化率小于0，表示降水和氣溫呈減少趨勢。使用F檢驗進行顯著性檢驗，當P<0.05時，趨勢顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水和氣溫的年際變化特征

1961—2015年中國熱區(qū)年降水量(圖2-a)均值為1507.33 mm，年降水量1200～2000 mm。降水量在波動中上升，波動趨勢較為離散，氣候傾向為13.85 mm/10 a，高于與全國年降水量波動幅度[23]，但未通過顯著性檢驗(P>0.05)。降水量最大值出現(xiàn)在2001年，達1880.82 mm，距平值最高，2001年為豐水期；最小值出現(xiàn)在1966年，1204.19 mm，距平值最小，1966年為枯水期。2001—2003年降水量直線下降，降幅度達32.33%。

1961—2015年中國熱區(qū)年均氣溫(圖2-b)均值為17～23 ℃，年均氣溫呈波動上升趨勢，氣候傾向率為0.09 ℃/10 a(P<0.05)，明顯低于全國整體增溫速率0.22 ℃/10 a[24]，且低于1990年以來中國增溫幅度(0.13～0.17 ℃/10 a)[5]。2013—2014年年均溫出現(xiàn)“V”字型下降，2014年距平值最低，年均溫下降到最低值(18.75 ℃)，1998年年均溫最高為21.92 ℃。年均最高溫和最低溫均呈波動上升趨勢(圖2-c、圖2-d)，年均最低溫增溫幅度最大，達0.13 ℃/10 a(P<0.05)；年均最高溫次之，為0.07 ℃/10 a(P>0.05)。2013—2014年年均最高溫和年均最低溫均呈跌崖式下降，2014年最高溫和最低溫距平值最小，均達到記錄氣溫最低值。年均最高溫出現(xiàn)在1998年，為26.76 ℃，年均最低溫在2015年，為18.70 ℃。

2.2 降水和氣溫的年代際變化特征

中國熱區(qū)降水量年代際波動趨勢較大，整體呈上升趨勢(表1)。1961—1969年和1980—1989年降水量距平值為負，降水量低于55年降水均值，屬于降水量偏少年份，期間降水量呈下降趨勢，其余年代降水量均接近或高于常年水平，1990—1999年降水量最多。根據(jù)降水量年代傾向率變化來看，年代間降水變化趨勢存在差異，1980—1989年降水量下降速率最大，2010—2015年期間降水量增加速率最大，但這種趨勢均未通過顯著性檢驗。

表1 中國熱區(qū)1961—2015年年代際降水、氣溫距平和氣候傾向率變化趨勢

中國熱區(qū)均溫年代際變化趨勢不明顯。1990—1999年、2000—2009年均溫高于常年均溫，2010—2015年氣均溫接近常年正常值，其余年代均溫距平值均為負，氣溫偏冷；2010—2015年均溫降溫幅度最大，1990—1999年增溫幅度最大，但均未通過顯著性檢驗。中國熱區(qū)最高溫年代際變化趨勢也不明顯，2000—2009年最高溫較常年最高溫高，1990—1999年最高溫較往年變化不大，但期間卻以較大氣候傾向率(P>0.05)增溫。中國熱區(qū)最低溫年代際變化整體呈現(xiàn)上升趨勢，1990—1999年、2000—2009年和2010—2015年期間最低溫高于常年最低溫，且1990—1999年期間最低溫以較快速率上升，2010—2015年以1.10 ℃/10 a速率下降，均未通過顯著性檢驗。中國熱區(qū)年代際年均溫、年均最高溫，年均最低溫的氣候傾向率均在1990—1999年最大，2010—2015年最小。

2.3 降水和氣溫的突變檢測

由圖3-a看出，1961—2015年降水量UF曲線呈波動性上升，這種上升趨勢未達到0.05的顯著性水平，55年內(nèi)中國熱區(qū)年降水量未發(fā)生顯著性變化。降水量UF和UB在置信區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)15個交點(1969—1970年，1986—1987年，1989—1990年，1990—1991年，1991—1992年，2002—2003年，2005年，2006—2007年，2007—2008年，2008—2009年，2009—2010年，2010—2011年，2011—2012年，2013—2014年，2014—2015年)。交點較多的情況下難以判定突變年份，結(jié)合年降水量累積距平分析[25]結(jié)果(圖2-a)，2000—2003年降水量累積距平值經(jīng)歷了明顯的升降過程，2000—2002年呈現(xiàn)上升趨勢，2002—2003年呈現(xiàn)下降趨勢，降水量累積距平在2002年上升到最高值，說明2002年可能是降水發(fā)生突變的年份。結(jié)合兩種方法，判斷2002—2003年是熱區(qū)年降水量的突變時間點，發(fā)生了由多到少的突變。

1961—1998年熱區(qū)平均氣溫UF曲線呈波動下降趨勢(圖3-b)，1998年之后呈波動上升趨勢，且這種上升趨勢達到0.05顯著性水平(U0.05=±1.96)，UF和UB在1996—1997年相交；1966—1996年年均溫累積距平呈下降趨勢(圖2-b)，1996—2013年呈上升趨勢，1996年年均溫累積距平值為最低，判定1996—1997年間熱區(qū)年均溫出現(xiàn)突變上升現(xiàn)象。1961—2015年熱區(qū)年均最高氣溫UF和UB曲線相交于1996—1997年(圖3-c)，年均最高溫累積距平在1997年為最低值(圖2-c)，可以確定在1996—1997年間發(fā)生年均最高氣溫由少到多的突變。1961—2015年中國熱區(qū)年均最低氣溫UF曲線在1990年開始呈波動性上升，且通過顯著性檢驗(圖3-d)，UF和UK的交點在1996年，年均最低溫在1966年起呈上升趨勢(圖2-d)，因此可以確定年均最低溫突變年份為1996年。

2.4 降水和氣溫的空間分布特征

中國熱區(qū)降水量空間分布規(guī)律符合我國降水量由東南沿海向西北內(nèi)陸減少[26]的規(guī)律(圖4-a)。55年來熱區(qū)年降水量在800 mm以上，降水量最低值出現(xiàn)在熱區(qū)西北部四川和云南交界處，在1000 mm以下，降水量最高值集中在熱區(qū)中部和南部地區(qū)廣西省東南部、廣東省大部分以及海南島。

熱區(qū)平年均氣溫呈現(xiàn)出“中間高，兩頭低”的空間分布特征(圖4-b)。55年來年均溫在17 ℃以上，年均溫高值集中在熱區(qū)中部和南部地區(qū)廣西和廣東大部、雷州半島和海南島，年均溫在21～23 ℃；年均氣溫低值出現(xiàn)在云南大部，包括四川攀枝花地區(qū)，年均溫在17～19 ℃。熱區(qū)年均溫整體隨緯度增加而增加，同緯度地區(qū)云南、廣西、廣東和福建省氣溫存在差異，表明年均溫空間分布隨地理位置和地形的變化而變化。我國熱區(qū)年均最高溫空間上分布規(guī)律與年均溫大致相同(圖4-c)，均呈現(xiàn)出中南部氣溫高，東部和西部低的分布特征。熱區(qū)年均最高溫均在23 ℃以上，熱區(qū)南部雷州半島地區(qū)年均最高溫最高，高溫達26～27 ℃，熱區(qū)東部云南和西部福建等地年均最高溫值最低，為23～25 ℃。年均最低氣溫呈南部沿海高、西北低的分布特征(圖4-d)。年均最低溫值在12～20 ℃，熱區(qū)西北部云南和四川攀枝花地區(qū)年均最低溫最低，最低溫達12～15 ℃，熱區(qū)南部沿海地區(qū)和海南島等地年均最低溫值最高，最低溫高達18～20 ℃。中國熱區(qū)年均氣溫、最高氣溫和最低氣溫在空間分布上大體表現(xiàn)出一致性，主要變現(xiàn)為熱區(qū)中部和南部地區(qū)氣溫值較高，西北部云南地區(qū)氣溫值較低，雷州半島是中國熱區(qū)年均溫、年均最高溫和年均最低溫最高的地區(qū)。

2.5 降水和氣溫的空間趨勢變化特征

中國熱區(qū)西部云南、廣西西部降水呈不顯著下降趨勢(圖5-a)，最大降幅達-2.3 mm/10 a。東部和南部降水均呈上升趨勢，最大增幅達4.4 mm/10 a，廣東和福建、海南島均呈不顯著增濕趨勢，但近55年間海南島降水量增幅最快，年降水量減少最大值出現(xiàn)在云南勐臘(-2.3 mm/10 a)，增加極值出現(xiàn)在海南海口(4.4 mm/10 a)。

55年間熱區(qū)大多地區(qū)年均溫呈增溫趨勢(圖5-b)，西部云南呈不顯著降溫，其他地區(qū)均呈顯著增溫，熱區(qū)東部福建地區(qū)增溫幅度最大，年均溫減少最大值出現(xiàn)在云南瀾滄(-0.03 ℃/10 a)，年均溫增溫最大值出現(xiàn)在福建平潭(0.03 ℃/10 a)。

熱區(qū)西部四川攀枝花、云南地區(qū)年均最高溫呈降溫趨勢(未通過顯著性檢驗, 圖5-c)，中部、東部和南部廣西、廣東、福建和海南島年均最高溫呈顯著增溫趨勢，年均最高溫減少最大值出現(xiàn)在云南滄瀾(-0.01 ℃/10 a)，增加最大值在福建福州(0.02 ℃/10 a)。

熱區(qū)除西南地區(qū)云南年均最低溫呈不明顯下降外，其他地區(qū)年均最低溫均呈顯著上升趨勢(圖5-d)，年均最低溫減少極值出現(xiàn)在云南勐臘(-0.05 ℃/10 a)，增加極值出現(xiàn)在廣東深圳(0.05 ℃/10 a)。

中國熱區(qū)降水量減少地區(qū)為熱區(qū)西部云南地段，降水量增加地區(qū)主要為熱區(qū)東部和南部廣東、福建、海南島等地。中國熱區(qū)氣溫增溫幅度隨緯度升高而增大，隨海拔升高而減少，增溫明顯地區(qū)集中在熱區(qū)東部福建等地，降溫明顯地區(qū)在熱區(qū)西南部云南地段。整體來看，中國熱區(qū)55年間西部云南段呈降溫減濕趨勢，其他地區(qū)均呈增溫增濕趨勢。

3 討 論

本研究表明熱區(qū)降水量呈不顯著上升，年降水量以13.85 mm/10 a的速率上升，該結(jié)果與卞娟娟等[27]得出南方濕潤區(qū)轉(zhuǎn)干與趨濕趨勢并存，且相對濕潤地區(qū)的轉(zhuǎn)濕幅度較小這一現(xiàn)象吻合。降水傾率大于戴聲佩等[13]1960—2010年華南地區(qū)降水量的線性傾率3.78 mm/10 a，同時大于趙東升等[7]1960—2018年中國降水的增加趨勢11.71 mm/10 a。其主要原因為區(qū)域不同，研究時段和區(qū)站的選擇等差異。中國熱區(qū)年均溫、年均最高溫和年均最低溫的氣候傾率分別為0.09、0.13(P>0.05)、0.07 ℃/10 a，年均最低溫是熱區(qū)增溫的主要貢獻者，這一結(jié)論與陸晴[28]、戴聲佩[13]等人結(jié)論一致，分析其原因是熱區(qū)年均溫普遍較高，年均最低溫變化有可能更能敏感的響應(yīng)氣候變暖趨勢。低緯度地區(qū)年均溫對全國氣候增溫趨勢不明顯，降水表現(xiàn)出增加趨勢，具體響應(yīng)機制有待進一步探討。

氣候變化會直接影響作物的生長節(jié)育規(guī)律，對熱帶農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展帶來直接作用。熱帶地區(qū)低溫是限制農(nóng)作物的生長的一個重要因素，如喜熱作物橡膠、甘蔗等，當溫度達到一定低值極限，就會停止生長；水分的變化也會給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來不可估計的損失，熱帶地區(qū)一般分為旱、雨兩季，旱季時間過長，熱帶水果、冬季瓜菜等作物就會減產(chǎn)；氣溫變暖，熱帶地區(qū)蟲害繁殖加快，也會導致病蟲害加重等。厘清中國熱帶地區(qū)的水熱資源分配特征和變化趨勢，對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，重要經(jīng)濟作物的種植保護具有重要意義。本研究就過去55年中國熱區(qū)降水和氣溫變化進行了研究，并未探討和預(yù)測熱區(qū)降水和氣溫未來的變化趨勢，增加氣候因子日照、風速、極端氣候等對熱區(qū)植被的影響是下一步的研究方向。

4 結(jié) 論

通過對中國熱區(qū)1961—2015年降水和氣溫的變化特征分析，1961—2015年中國熱區(qū)降水呈現(xiàn)不顯著上升趨勢，氣溫呈顯著上升趨勢，總體氣候變化呈暖濕趨勢，對全球變暖響應(yīng)不顯著。

(1)中國熱區(qū)降水量變化不明顯，整體呈增加趨勢，氣候傾向率為13.85 mm/10 a(P>0.05),1961—1969年屬降水量最少的年代，1990—1999年屬于降水量最多的年代，熱區(qū)降水量突變發(fā)生在2002—2003年間，發(fā)生了由多到少的突變。

(2)空間上降水量集中在熱區(qū)中部和南部，主要表現(xiàn)在廣西沿海、廣東和海南島地區(qū)降水量較多。熱區(qū)西部降水量呈減少的趨勢，東部和南部降水量呈增多趨勢。近55年熱區(qū)降水減少較為明顯的地區(qū)出現(xiàn)在云南，增加明顯的地區(qū)為海南島。

(3)中國熱區(qū)年均溫、最低溫呈顯著上升趨勢，年均最高溫上升趨勢不顯著，氣候傾向率分別是0.09、0.13、0.07 ℃/10 a，年均氣溫、年均最高溫和年均最低溫累積距平表示氣溫經(jīng)歷了明顯的下降—上升的過程，1996—1997年間氣溫要素均發(fā)生了由低溫向高溫的突變。年代際年均溫、年均最高溫和年均最低溫均呈變暖趨勢，1990—1999年為變暖趨勢，期間年均氣溫、年均最高溫和年均最低溫增溫幅度最大。

(4)年均溫、年均最高溫和年均最低溫在空間分布上有著相同的分布規(guī)律，年均溫、年均最高溫和年均最低溫的高值分布區(qū)在雷州半島。熱區(qū)西南部云南等地年均溫、年均最高溫和年均最低溫表現(xiàn)出明顯的降溫趨勢，中部、東部和南部表現(xiàn)出明顯的增溫趨勢。近55年氣溫增溫幅度較小地區(qū)為云南西南部，增溫幅度最大的地區(qū)為福建。