范蘭，呂昌河*，楊彪

（1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100010）

近15a中國(guó)氣溫變化趨勢(shì)分析

范蘭1，呂昌河1*，楊彪2

（1.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101；2中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100010）

利用1998—2012年635個(gè)氣象站點(diǎn)的觀察數(shù)據(jù)，對(duì)我國(guó)氣溫的時(shí)空變化趨勢(shì)及其區(qū)域差異進(jìn)行了分析和突變檢驗(yàn)，結(jié)果表明：近15 a來(lái)我國(guó)年平均氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)式下降的特點(diǎn)，但下降趨勢(shì)不顯著；全國(guó)絕大部分地區(qū)年均和四季氣溫在0.05顯著水平未檢測(cè)出顯著的變化趨勢(shì)，但Z值顯示，氣溫存在不顯著的變化傾向：青藏高原區(qū)年均氣溫存在上升傾向，而其他地區(qū)多呈下降傾向；春季氣溫呈上升和下降傾向的區(qū)域約各占一半，夏季絕大部分地區(qū)氣溫有上升傾向，而秋季和冬季大部分地區(qū)氣溫則呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)。

氣候變化；氣溫變化；趨勢(shì)分析；突變檢驗(yàn)

大量的文獻(xiàn)和研究成果證實(shí)近百年全球正在不斷變暖[1-3]。政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）自1990年成立以來(lái)，陸續(xù)發(fā)表了5次評(píng)估報(bào)告和l次補(bǔ)充報(bào)告，指出近百年全球平均增溫率在0.45～0.85℃/100 a之間[4-5]，并預(yù)測(cè)未來(lái)全球還將呈現(xiàn)繼續(xù)增溫的趨勢(shì)。但對(duì)近15 a溫度的變化趨勢(shì)存在著爭(zhēng)議，爭(zhēng)議點(diǎn)在于全球增溫趨勢(shì)是繼續(xù)上升，還是減緩上升，抑或是停止上升。如IPCC第五次報(bào)告指出，起始于1998年強(qiáng)厄爾尼諾事件之后的15 a間（1998—2012年），全球地表的升溫速率為每10 a升高0.05℃（-0.05～+0.15℃），明顯小于1951年以來(lái)0.12℃（0.08～0.14℃）的升溫速率[6-7]。而德國(guó)《明鏡周刊》報(bào)道過(guò)去15 a間全球平均氣溫并未上升[8]；Robert等人對(duì)1998—2008年全球地表氣溫進(jìn)行分析后指出其幾乎沒(méi)有上升[9]。

近15 a我國(guó)的氣溫是否也存在同樣的變化趨勢(shì)呢？是繼續(xù)上升還是有所減緩，抑或是停止上升？為了回答該問(wèn)題，我們根據(jù)覆蓋全國(guó)的635個(gè)氣象站1998—2012年的氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)年和季節(jié)平均氣溫的變化趨勢(shì)以及突變進(jìn)行了分析和檢驗(yàn)，以揭示近15 a我國(guó)氣溫的變化特征與空間差異。

1 數(shù)據(jù)與方法

從國(guó)家氣象信息中心的中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（http://cdc.cma.gov.cn/），下載了覆蓋全國(guó)的744個(gè)氣象站1998—2012年日氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)。通過(guò)Matlab軟件編程對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行檢測(cè)后，剔除了存在1 a或多年缺測(cè)日數(shù)≥10 d的109個(gè)站點(diǎn)。在其余635個(gè)站點(diǎn)中，578個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)完整，57個(gè)站點(diǎn)存在少量數(shù)據(jù)缺測(cè)但年缺測(cè)日數(shù)少于10 d，用其它年份同日的多年平均值對(duì)缺測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。根據(jù)氣溫的日值數(shù)據(jù)，計(jì)算每年和春、夏、秋、冬四季的平均氣溫。

采用Mann-Kendall非參數(shù)秩次相關(guān)檢驗(yàn)法（M-K檢驗(yàn)）和Sen’s坡度估計(jì)法，分析變化趨勢(shì)和幅度，采用反距離權(quán)重插值法（IDW）對(duì)站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值。M-K檢驗(yàn)法可判斷出時(shí)間序列變量是否具有上升或下降趨勢(shì)[10-11]，被世界氣象組織推薦且廣泛應(yīng)用于水文和氣候要素隨時(shí)間的趨勢(shì)分析。該方法根據(jù)統(tǒng)計(jì)變化量Z值判斷趨勢(shì)，大于零為上升趨勢(shì)，小于零為下降趨勢(shì)[12-15]。M-K檢驗(yàn)是比較常用的氣候突變檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單并可以明確突變開(kāi)始的時(shí)間和突變區(qū)域[16-17]。Sen’s坡度估計(jì)法用來(lái)計(jì)算具有線性趨勢(shì)的等間隔時(shí)間數(shù)據(jù)系列的坡度，即單位時(shí)間內(nèi)的變化幅度，實(shí)際坡度值Q通過(guò)非參數(shù)檢驗(yàn)獲取，能夠定量計(jì)算變化量[18-19]。因此，在很多研究中，M-K檢驗(yàn)與Sen’s坡度估計(jì)法常結(jié)合運(yùn)用[20]，以同時(shí)給出分析變量的變化趨勢(shì)、顯著性水平和變化幅度。IDW是一個(gè)常用的空間插值方法，通過(guò)對(duì)采樣點(diǎn)線性加權(quán)來(lái)決定像元值，加權(quán)權(quán)重與距離成反比，輸入的點(diǎn)離輸出像元越遠(yuǎn)，它對(duì)輸出值的計(jì)算影響就越小，即離采樣點(diǎn)越近的點(diǎn)，在估算時(shí)越具有代表性[21]。

本研究首先利用M-K檢驗(yàn)和Sen’s方法，分站點(diǎn)對(duì)1998—2012年的年和四季氣溫系列數(shù)據(jù)逐一進(jìn)行計(jì)算，得到全部635個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫變化趨勢(shì)的Z值和Sen’s坡度值。然后對(duì)各站點(diǎn)的Z值通過(guò)ArcGIS軟件中的IDW進(jìn)行空間插值，輸出0.5× 0.5 km的柵格圖；根據(jù)Z值，對(duì)柵格數(shù)據(jù)分為4類(lèi)，即Z值≥1.96為顯著上升/變暖（0.05顯著水平），Z≤-1.96為顯著下降/變冷，0≤Z＜1.96為不顯著上升/變暖，-1.96＜Z＜0為不顯著下降/變冷。最后，對(duì)氣溫存在顯著變化趨勢(shì)的站點(diǎn)，抽樣進(jìn)行了突變檢驗(yàn)。該檢驗(yàn)通過(guò)正序列（UFK）和反序列（UBK）兩個(gè)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行突變判斷，若UFK的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)，當(dāng)UFK或UBK超過(guò)臨界直線時(shí)，則表明上升或者下降趨勢(shì)顯著[17]，在UFK曲線超過(guò)臨界值信度線的前提下，若UFK和UBK僅有一個(gè)明顯的交叉點(diǎn)，且位于信度線之間，則表明該交叉點(diǎn)為突變點(diǎn)，且統(tǒng)計(jì)上顯著；若交點(diǎn)位于信度線之外，或者存在多個(gè)明顯的交叉點(diǎn)，則不確定是否為突變點(diǎn)，超過(guò)臨界線的范圍為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 近15 a年均氣溫的變化趨勢(shì)

1961—2012年我國(guó)635個(gè)代表性氣象站的年平均氣溫在10.2～12.2℃之間（圖1a），呈現(xiàn)顯著的波動(dòng)上升趨勢(shì)，平均每10 a增溫0.23℃，但存在顯著的時(shí)間差異，主要表現(xiàn)在：1961—1969年年均氣溫呈現(xiàn)顯著且快速下降趨勢(shì)，平均每10 a下降0.91℃，1970—1986年年均氣溫在10.3～11.0℃之間波動(dòng)，未呈現(xiàn)明顯的變化趨勢(shì)；1987—2007年呈現(xiàn)顯著增溫趨勢(shì)，平均每10 a增加0.49℃，之后氣溫呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，由2007年的12.2℃下降到2012年的11.1℃。從1961—2012年氣溫的時(shí)間變化看，1998年似乎是一個(gè)明顯的分界點(diǎn)，之后10 a氣溫呈現(xiàn)了明顯的在高位震蕩的特點(diǎn)，并于2008年開(kāi)始?xì)鉁爻霈F(xiàn)了連續(xù)4 a的下降（圖1b）。趨勢(shì)分析結(jié)果顯示，1998—2012年，我國(guó)年平均氣溫在11.1～12.2℃之間波動(dòng)，呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖1b），但未通過(guò)0.05顯著性檢驗(yàn)。

圖1 我國(guó)635站1960—2012年（a）、1998—2012年（b）平均氣溫變化

對(duì)全國(guó)635個(gè)臺(tái)站氣溫?cái)?shù)據(jù)的M-K檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)（表1；圖2），有18個(gè)站點(diǎn)氣溫在0.05顯著性水平上呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，分布面積占國(guó)土面積的0.87%，主要分布在青藏高原中部和橫斷山脈等地，年均增溫幅度為0.05～0.10℃；有111個(gè)站呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，其分布面積占7%，其中28個(gè)站點(diǎn)在≤0.05顯著性水平上顯著下降，主要分布在黃土高原北部、內(nèi)蒙古中部、華北平原北部，其年均氣溫降幅-0.15～-0.03℃。其余80%的站點(diǎn)（面積約占92%）在0.05顯著水平上未檢測(cè)出顯著的變化趨勢(shì)，不過(guò)從Z值看，有144個(gè)站點(diǎn)氣溫有上升傾向，主要分布在青藏高原中南部、橫斷山脈、云貴高原的西部、新疆天山山脈東段、黑龍江和內(nèi)蒙北部的大小興安嶺地區(qū)，分布面積占27%；362個(gè)站點(diǎn)氣溫呈下降傾向，分布于我國(guó)中南部、西部和東北部地區(qū)，其分布面積占65%。

2.2 近15a氣溫的季節(jié)變化趨勢(shì)

表1 氣象站年平均氣溫變化趨勢(shì)與幅度統(tǒng)計(jì)

1998—2012年超過(guò)90%的站點(diǎn)各季的平均氣溫在0.05顯著水平上均未檢測(cè)出顯著的變化趨勢(shì)，但在變化的傾向性上各季存在差異（表2）：春季氣溫呈上升和下降傾向的區(qū)域約各占一半，絕大部分地區(qū)夏季氣溫有上升趨勢(shì)，而秋季和冬季氣溫卻呈現(xiàn)不顯著下降趨勢(shì)（圖2）。

春季：有超過(guò)一半的區(qū)域（占51%），氣溫呈現(xiàn)上升傾向，主要分布在我國(guó)西部、華北平原和長(zhǎng)江中下游平原地區(qū)，但只有4個(gè)站點(diǎn)的上升趨勢(shì)通過(guò)了0.05顯著性檢驗(yàn)；其余地區(qū)（占49%）的氣溫呈下降趨勢(shì)，主要位于我國(guó)中部、東北和南部地區(qū)，其中有26個(gè)站點(diǎn)，集中分布在廣東中南部、山西中部地區(qū)，氣溫在0.05的顯著性水平上呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，平均降幅為-0.21～-0.06℃/a。

夏季：在我國(guó)82%的區(qū)域氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中在新疆西北部、青藏高原南部、橫斷山脈，云貴高原、四川盆地等地，共有26個(gè)站點(diǎn)的氣溫在0.05的顯著水平上呈上升趨勢(shì)，年增幅為0.03～0.16℃/ a。氣溫呈下降趨勢(shì)的區(qū)域主要位于遼寧、京津冀地區(qū)、黃土高原、青海、新疆北部等地，約占國(guó)土面積的18%。

秋季：大部分地區(qū)氣溫變化不顯著，全國(guó)只有15個(gè)站點(diǎn)在0.05顯著水平上檢測(cè)出顯著的變化趨勢(shì)，其中7個(gè)站點(diǎn)顯著上升、8個(gè)站點(diǎn)顯著下降。從Z值所指示的變化傾向性看，在東北北部、新疆北部、青藏高原西部與東部、橫斷山區(qū)、云南和廣西、浙江和福建等地（占37%），氣溫呈不顯著上升趨勢(shì)，其余地區(qū)則都呈不顯著下降趨勢(shì)。

圖2 1998—2012年我國(guó)年和四季平均氣溫變化趨勢(shì)

冬季：氣溫在青藏高原和橫斷山區(qū)（占21%）呈不顯著上升趨勢(shì)，其余約占國(guó)土面積79%的區(qū)域呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中有56個(gè)站點(diǎn)，主要分布在新疆北部、內(nèi)蒙古西部、黃土高原、長(zhǎng)江中下游平原以及廣東省東部地區(qū)，在0.05的置信水平上檢測(cè)出下降趨勢(shì)，平均降幅在-0.37～-0.10℃/a之間。

表2 四季平均氣溫變化趨勢(shì)與幅度統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)論與討論

本研究利用全國(guó)635個(gè)氣象站的氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)M-K趨勢(shì)分析顯示：1998—2012年，我國(guó)超過(guò)70%的區(qū)域年平均氣溫存在下降傾向，其中在華北和廣東部分地區(qū)在0.05顯著水平上呈現(xiàn)了顯著的降溫趨勢(shì)（圖2），其余近30%的區(qū)域集中分布在青藏高原地區(qū)，氣溫呈現(xiàn)了不顯著上升趨勢(shì)。分季節(jié)看，我國(guó)超過(guò)95%的區(qū)域，四季氣溫在0.05顯著水平上未檢測(cè)出顯著變化趨勢(shì)，但Z值顯示，大部分區(qū)域夏季存在變暖傾向，其他季節(jié)，超過(guò)一半的區(qū)域存在變冷傾向（表2）。青藏高原中南部、橫斷山區(qū)和云貴高原西段，四季氣溫均呈現(xiàn)上升傾向，而黃土高原、華北平原北部以及廣東省的大部分地區(qū)四季氣溫均呈現(xiàn)下降傾向。M-K突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)呈顯著上升趨勢(shì)站中94%的站存在暖突變，呈顯著下降趨勢(shì)的站中約27%存在冷突變。

本研究中氣象站點(diǎn)分布不均，尤其是新疆和西藏等地區(qū)氣象站點(diǎn)較稀疏，這在一定程度上影響了氣溫的趨勢(shì)分析和插值結(jié)果；同時(shí)，對(duì)近15 a氣溫不顯著下降原因還有待進(jìn)一步分析。

[1]葛全勝，王順兵，鄭景云.過(guò)去5000年中國(guó)氣溫變化序列重建[J].自然科學(xué)進(jìn)展，2006，16（6）：689-696.

[2]韓翠華，郝志新，鄭景云.1951—2010年中國(guó)氣溫變化分區(qū)及其區(qū)域特征[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2013，32（6）：887-896.

[3]丁一匯，任國(guó)玉，趙宗慈，等.中國(guó)氣候變化的檢測(cè)及預(yù)估[J].沙漠與綠洲氣象，2007，1（1）：1-10.

[4]秦大河，Stocker T，TSU，等.IPCC第五次評(píng)估報(bào)告第一工作組報(bào)告的亮點(diǎn)結(jié)論[R].氣候變化研究進(jìn)展，2014，10（1）：1-6.

[5]趙宗慈，王紹武，羅勇.IPCC成立以來(lái)對(duì)溫度升高的評(píng)估與預(yù)估[J].氣候變化研究進(jìn)展，2007，3（3）：183-184.

[6]IPCC.Working group I contribution to the IPCC Fifth Assessment Report climate change2013：the physical science basis summary for policymakers[R].2013.

[7]翟盤(pán)茂，李蕾.IPCC第五次評(píng)估報(bào)告反映的大氣和地表的觀測(cè)變化[J].氣候變化研究進(jìn)展，2014，10（1）：20-24.

[8]楊柳.全球平均氣溫15年未上升氣候?qū)＜壹m結(jié)是否公布真相[EB/OL].（2013-09-24）[2014-10-11]http://www. spiegel.de/thema/intergovernmental_panel_on_climate_ change/.

[9]Robert K K，Heikki K,Michael L M，et al.Reconciling anthropogenic climate change with observed temperature 1998-2008[J].PNAS，2011，108：11790-11793.

[10]Mann H B.Non-parametric tests against trend[J].Econometric，1945，13：245-259.

[11]Kendall M G.Rank Correlation Measures[M].London：Charles Griffin，1975.

[12]符淙濱，王強(qiáng).氣候突變的定義和檢測(cè)方法[J].大氣科學(xué)，1992，16（4）：482-493.

[13]Beran R，F(xiàn)euerverger A，Hall P.On nonparametric estimation of intercept and slope distributions in random coefficient regression[J].Annals of Statistics，1996，24：2569-2592.

[14]Donald H B,Mohamed A H E.Detection of hydrologic trends and variability[J].Journal of Hydrology，2002，55：107-122.

[15]Sicard P,Mangin A，Hebel P，et al.Detection and estimation trends linked to air quality and mortality on French Riviera over the 1990-2005 period[J].Science of the Total Environment，2010，408：1943-1950.

[16]藺學(xué)東，張鐿鋰，姚治君，等.拉薩河流域近50年來(lái)徑流變化趨勢(shì)分析[J].地理科學(xué)進(jìn)展，2007，26（3）：58-67.

[17]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].第二版，北京：氣象出版社，2008.

[18]Sen P K.Estimates of the regression coefficient based onKendall's tau[J].Journal of the American Statistical Association，1968，63：1379-1389.

[19]Thiel H.A rank-invariant methodoflinearand polynomial regression analysis,Part 3[R].Proceedings of Koninalijke Nederlandse Akademie van Weinenschatpen A，1950，53：1397-1412.

[20]Salmi T,M??tt? A,Anttila P，et al.Detecting trends of annual values of atmospheric pollutants by the Mann-Kendall test and Sen’s slope estimates-the EXCEL templateapplication499MAKESENS[R].Finnish Meteorological Institute Publications on Air Quality No.31（ReportcodeFMI-AQ-31），Helsinki,Finland.（Availableat：http：//www.ilmanlaatu.fi/ilmansaasteet/ julkaisu/julkaisu.php）2002，35 pp.

[21]ESRI中國(guó)北京培訓(xùn)中心.ArcGIS地理信息系統(tǒng)培訓(xùn)系列叢書(shū)—ArcGIS空間分析教程[M].北京：中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所信息室，2009.

[22]尹云鶴，吳紹洪，陳剛.1961—2006年我國(guó)氣候變化趨勢(shì)與突變的區(qū)域差異[J].自然資源學(xué)報(bào)，2009，24（12）：2147-2157.

Trend of Temperature in Recent 15 Years in China

FAN Lan1，LV Changhe1，YANG Biao2
（1.Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，CAS，Beijing 100101，China；2.China Academy of Space Technology，Beijing 100010，China）

This study analyzed change trend of mean annual and seasonal temperature and its spatial variation in China,using the meteorological observation data of 635 stations from 1998 to 2012.The results showed that both mean annual and seasonal temperature had a non-significant trend in the most areas,but the test statistic Z was mostly not passed test at the 0.05 significance level.The trend of spatial variation differed apparently.Annual temperature tended to decline in the most part of China except the Tibet Plateau with a warming trend.In spring,the mean temperature tended to increase in the west part of China while tended to decrease in the most part of eastern China.In summer,it showed a non-significant warming trend while in autumn and winter a cooling trend in the most areas.Abrupt change test at typical stations indicated that the most of stations with a warming trend had an abrupt change in temperature,often happened in 2005 and 2006, while only 27%stations with a cooling trend had an abrupt change in temperature,normally occurred in 2009,2010 or 2011.

climate change；temperature change；trend analysis；abrupt change test

P467

A

1002-0799（2014）05-0034-05

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.006

2014-03-20

國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃課題（2012CB955304）。

范蘭（1985-），女，博士后，現(xiàn)從事氣候變化、作物生產(chǎn)潛力、糧食產(chǎn)量與食物安全等的研究。E-mail：fanl.09b@igsnrr.ac.cn

呂昌河（1962-），男，研究員，主要從事土地利用和作物生產(chǎn)潛力等方面的研究。E-mail：luch@igsnrr.ac.cn

范蘭，呂昌河,楊彪，等.近15a中國(guó)氣溫變化趨勢(shì)分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：34-38.