梁瓏騰,馬 龍,劉廷璽,孫柏林,周 瑩

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1951~2014年中國北方地區(qū)氣溫突變與變暖停滯的時空變異性

梁瓏騰,馬 龍*,劉廷璽,孫柏林,周 瑩

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學,水利與土木建筑工程學院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018)

基于1951~2014年中國北方及周邊地區(qū)357個氣象站點平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫年(月)數(shù)據(jù),采用M~K檢驗等方法,分析了中國北方地區(qū)3類氣溫突變和變暖停滯特征的時空變異性.結(jié)果表明:研究區(qū)3類氣溫整體突變年(1978~1999年、1981~2002年、1981~2005年)、分布廣泛的普遍突變年(1988年、1989年、1997年)及范圍(3a)均依次變晚.整體上,突變年隨緯度降低變晚,東北突變早于西北和華北地區(qū).變暖停滯集中于1998和2007年及其前后,3類氣溫亦依次變晚(1994~2007年、1995~2009年、1998~2010年),由黃河流域中段向其他方向越來越晚.突變至變暖停滯周期整體隨緯度降低縮短(3~30a),突變越早周期越長.西北地區(qū)突變與變暖停滯前后各時段均值溫差最大(2.4℃),溫差在1℃左右站點分布最廣泛.各時段升(降)溫速率整體依次在0.01℃/10a、0.05℃/10a、-0.03℃/10a左右站點分布最廣泛,突變后升溫最快(0.02~0.16℃/10a),且西北地區(qū)對升溫貢獻最大,變暖停滯后東北地區(qū)對降溫貢獻最大,2時段按平均最低氣溫、平均最高氣溫、平均氣溫順序升(降)溫速率遞減.3類氣溫波動程度減弱,整體隨緯度降低.高緯度、高海拔和山地地區(qū)突變和變暖停滯較周邊地區(qū)偏早或偏晚,特征值較大.整個北方地區(qū)3類氣溫突變、變暖停滯、突變與變暖停滯時間及各時段特征值各自具有自身一致性的普遍規(guī)律.

氣溫；突變；變暖停滯；時空變異性；中國北方地區(qū)

氣候突變表現(xiàn)為氣候在時空上從一個統(tǒng)計特征到另一個統(tǒng)計特征的急劇變化[1].近2000年來,冰期和間冰期氣候均發(fā)生過突變[2],冰芯[3]、孢粉[4]等亦證明其廣泛性.在中亞[5]、西地中海[6]以及中國華北平原[7]、青藏高原[8]等地區(qū)廣泛開展了氣候突變研究,研究表明,20世紀全球經(jīng)歷了3次較為明顯的氣候突變[9],但全球不同地域不同時段表現(xiàn)不同,中亞地區(qū)在20世紀80年代發(fā)生暖濕變化[5],西地中海[6]和中國華北平原地區(qū)[7]分別在2005年和1991~1994年出現(xiàn)氣候突變,青藏高原則在20世紀80年代和90年代發(fā)生氣溫突變[8].

氣候突變后的變暖停滯是指氣溫在達到最高后,不再上升甚至呈下降趨勢.Carter[10]率先發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象,后逐漸得到重視,《Nature》亦將全球氣候變暖停滯評選為“2014年十大科學事件之一”[11].但全球變暖是否真正停滯爭議不斷[12].研究表明,歐亞大陸[13]、中國[14]、北大西洋[15]、北半球熱帶外大陸[16]等地區(qū)在突變后出現(xiàn)變暖停滯現(xiàn)象,全球在30o~40oN及40o~60oS出現(xiàn)兩個變冷帶[17],中國黃河流域年(季)各類氣溫在1997~2007年間發(fā)生變暖停滯[18],Easterling[19]等認為全球變暖停滯很可能始于1998年,2000年后全球變暖開始減弱甚至停止變暖.而部分學者則認為該現(xiàn)象只是長期氣候變化中的小波動[20].

中國北方地區(qū)范圍廣、氣候類型多,極具代表性和典型性,針對它開展的氣溫變化研究已有很多,涉及整個北方地區(qū)[21]以及在其內(nèi)的華北[22]、西北地區(qū)[23]等;涉及的研究對象包括年(季)平均氣溫[21-23]等;突變檢驗使用M-K[22-23]、滑動T檢驗[21-22]等,涵蓋的氣象站最多在150個左右[21-22],數(shù)據(jù)序列長度多在50a左右.研究表明,北方地區(qū)氣溫大多在20世紀80年代中后期發(fā)生顯著突變[21-22].

綜上所述,國內(nèi)外氣候突變研究普遍存在氣象測站密度偏小、數(shù)據(jù)序列偏短的問題,中國北方地區(qū)亦如此,且研究區(qū)域普遍較小(屬中國北方內(nèi)部典型區(qū)域),氣溫突變年份和特征值多由研究區(qū)整體或分區(qū)平均水平得出,不能體現(xiàn)空間變異性.有關(guān)變暖停滯的研究時間序列亦較短,多介于1998~2012年,1998年是相關(guān)學者認為的全球綜合停滯年,在一定程度上忽略了區(qū)域異質(zhì)性,特別針對中國北方地區(qū)的研究較少,使用大范圍高密度站點揭示氣溫突變與變暖停滯現(xiàn)象及其特征空間變異性缺乏相應成果.基于此,本文以1951~2014年中國北方及其周邊357個高密度氣象站點的平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫年(月)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),開展中國北方地區(qū)氣溫突變與變暖停滯的時空變異性研究.

1 研究區(qū)概況、數(shù)據(jù)與方法

1.1 研究區(qū)概況

中國北方地域遼闊(圖1)(75.14°~132.58°E, 33.24°~53.28°N),包括西北(新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西、內(nèi)蒙古西部)、華北(河北、山東、河南、山西、內(nèi)蒙古中部)和東北(黑龍江、吉林、遼寧、內(nèi)蒙古東部)[24],東西橫跨三級階梯,地勢差大,山脈、丘陵、盆地、平原、沙漠等地貌復雜多樣,氣候差異顯著,降水介于50~1200mm之間,氣溫介于-13~23℃.

1.2 數(shù)據(jù)來源

本次使用的氣象站點共計357個,分布在中國北方及其周邊地區(qū)(圖1).使用的資料為這些站點自建站以來至2014年的平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫年(月)數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)整編資料,各氣象站點各類氣溫數(shù)據(jù)無明顯突變點和隨機變化,數(shù)據(jù)變化相對均一和一致,數(shù)據(jù)可靠,可以代表研究區(qū)氣溫狀況.

圖1 研究區(qū)及氣象站點分布

1.3 數(shù)據(jù)處理及使用的方法

1.3.1 對于缺測數(shù)據(jù)的插補延展,采用相關(guān)及回歸分析法.插補后形成各站點1951~2014年統(tǒng)一時間序列.

1.3.2 對于氣溫突變檢驗采用Mann~Kendall非參數(shù)統(tǒng)計法,當UF與UB線交點位于信度線之內(nèi),且只有一個交點時,此交點即為突變年份.兩條線交點位于信度線之外或檢驗出多次突變點時,使用滑動T檢驗法進行進一步復核確定.

1.3.3 對于氣溫突變后變暖停滯年份的確定,采用氣溫年序列及分階段趨勢線與3~5a滑動值序列及分階段趨勢線相結(jié)合的分析方式進行確定.

1.3.4 采用氣候傾向率法分析氣溫變化趨勢.氣溫變化劇烈程度用變異系數(shù)表示[24].

1.3.5 對突變與停滯年份及其前后特征值的空間變異性使用克里金插值進行分析.

2 結(jié)果分析

2.1 氣溫突變與變暖停滯年份的確定

圖2 東北、華北和西北地區(qū)代表站點平均氣溫突變年份M-K檢驗

圖3 東北、華北和西北地區(qū)代表站點平均氣溫年際突變與變暖停滯時間序列變化

本文對357個站點3類氣溫年際序列突變與變暖停滯年份進行了檢驗確定,其中突變與變暖停滯年份檢驗、時間序列變化以東北、華北和西北地區(qū)各自代表站點圖示給出,見圖2和圖3.

2.2 突變與變暖停滯年份的時空變異性

2.2.1 突變年份的時空變異性 圖4為研究區(qū)平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫1951~ 2014年年際突變年份空間分布情況.

由圖4可知,平均最低氣溫整體隨緯度降低突變變晚,新疆阿爾泰山地區(qū)和東北西北部突變最早(1978~1981年),在1990年代突變最廣泛(35°~40°N左右),其面積約占研究區(qū)的1/2,新疆南部、青南高原和河南省寶豐地區(qū)突變最晚(1990年代末).東北地區(qū)(1978~1987年)整體早于華北(1981~1999年)和西北地區(qū)(1981~2002年).海拔較高且山地富集的山西北部(1990~ 1993年)和甘肅北山地區(qū)(1993~1996年)比周邊地區(qū)突變偏晚.特別是在東北地區(qū),由東北中部向北越來越早,向南規(guī)律相反.結(jié)合圖2、圖3代表性站點類似所示及所有站點時間序列,采用時間序列分析方法分析(下同)表明,中國北方地區(qū),整體突變于1988年左右(1988~1990年),站點廣泛分布于整個北方地區(qū),且突變時間具有一致性.

平均氣溫整體隨緯度降低突變變晚,新疆西北部和東北塔河地區(qū)突變最早(1975~1978年),東北西北部、三江平原和新疆天山以北地區(qū)次之(1978~1981年),青南高原最晚(1993~2002年).東北 (1978~1990年) 整體早于華北(1981~1999年)和西北地區(qū)(1981~2005年),與東北和華北地區(qū)在1980年代中后期突變、西北地區(qū)于1990年代前期突變[22]整體一致.東北地區(qū)整體由東向西突變變晚,華北和西北地區(qū)與研究區(qū)整體趨勢一致.山西北部(1987~1990年)和甘肅北山(1993~1996年)與平均最低氣溫規(guī)律一致;青海地區(qū)隨緯度降低突變變晚(1990~2002年),(1990~1999年)空間變化速度更快.研究區(qū)整體突變于1989年左右(1988~1990年),站點廣泛分布.

圖4 研究區(qū)3類氣溫年際突變年份的空間分布及各突變年份范圍的站點數(shù)量分布

平均最高氣溫整體隨緯度降低突變變晚,新疆準噶爾盆地、呼倫貝爾高原和三江平原突變最早(1970年代末),3地區(qū)海拔均低于周邊地區(qū);青南高原突變最晚(1999~2005年),向北越來越早.東北地區(qū)(1981~1993年)整體早于華北(1987~2002年)和西北地區(qū)(1987~2005年),吉林以北地區(qū),由東北平原(1987~1990年)分別向東、西方向突變變早,以南(含吉林)自東向西突變逐漸變晚(1987~1993年);西北地區(qū),處于中國地勢第一級階梯(平均海拔在4000m以上)的塔里木盆地南部及青海地區(qū),突變均晚于1996年,海拔偏低的柴達木盆地突變亦較晚(1999~2002年).同樣,中國北方整體突變于1994~1996年,另有1997年突變站點較多(42個),主要分布在40°N以南地區(qū).

綜上所述,平均最低氣溫、平均氣溫、平均最高氣溫整體上突變依次變晚(1978~1999年、1981~2002年、1981~2005年),與中國北方地區(qū)整體在20世紀80~90年代突變[41]的結(jié)論基本一致.3類氣溫整體均隨緯度降低突變變晚,且均在新疆西北部和東北北部最早,平均氣溫(1975~ 1978年)較平均最低氣溫和最高氣溫早3~6a,青南高原突變最晚,氣溫顯著快速變化有所滯后,可能是積雪增加導致的反照率增加和冰川融化吸熱對增溫有減弱作用所致[25].整體上,平均最高氣溫(1996~2005年)、平均氣溫(1993~ 2002年)、平均最低氣溫(1993~1999年)依次變早,較呂少寧等[8]研究所得的青藏高原地區(qū)1980年代和1990年代均發(fā)生突變結(jié)論整體偏晚.整體上看,3類氣溫在東北地區(qū)空間變化規(guī)律不一致,突變年份分別早于華北和西北地區(qū)6~12a和1~15a.除隨經(jīng)緯度變化外,3類氣溫在山地和高海拔地區(qū)突變偏晚,突變年份隨海拔垂直變化顯著,可能與地球自轉(zhuǎn)和太陽黑子周期長度有關(guān)[26].此外,柴達木盆地突變較周圍地區(qū)晚,多年平均降水量低于50mm,而多年平均降水量超過800mm的華北平原南部突變亦很晚,表明降水條件與氣溫突變“正負”相關(guān)關(guān)系在研究區(qū)東西部可能相反.中國北方地區(qū)各類氣溫突變集中在單年或年份范圍方面具有各自一致性的普遍規(guī)律.

2.2.2 變暖停滯年份的時空變異性 研究區(qū)平均最低氣溫、平均氣溫和平均最高氣溫年際停滯年份的空間分布情況見圖5,3類氣溫突變至變暖停滯周期的空間分布情況見圖6.

由圖5、6可知,各地區(qū)3氣溫在1998年和2007年變暖停滯最集中.平均最低氣溫變暖停滯年份整體由東北向西南方向逐漸變晚,東北西北部(1990年代前期)停滯最早,內(nèi)蒙古中西部(渾善達克沙地以西, 1998~2003年)次之,自西向東與祁連山脈、黃土高原和大興安嶺相接,以該地區(qū)為中心向其他方向(除東北北部)停滯變晚,新疆西北、西南部和青海南部停滯最晚(2007年前后),3地區(qū)均處于或鄰近高原山地氣候區(qū).西北地區(qū)由東向西停滯變晚(1998~2007年),華北地區(qū)與之規(guī)律相反(2000~2006年),東北地區(qū)隨緯度升高停滯變晚(1994~2006年).整體上看,突變至停滯周期隨緯度降低逐漸縮短,東北和新疆西北部周期最長(9~24a),華北次之,西北地區(qū)(新疆地區(qū)除外)較短(9~15a),且北山、青南高原、黃土高原西部和太行山南部地區(qū)周期最短(9~12a).中國北方地區(qū)整體變暖停滯于1998年左右(1997~1999年)和2007年左右(2006~2008年),停滯時間具有一致性.于1982年突變、1998年停滯的站點廣泛分布并主要集中于陰山地區(qū)和東北平原西部;于1994年突變、2007年停滯的站點廣泛分布并主要集中于黃土高原和黑龍江南部.于1980~1982(1994~1996)年突變、1997~ 1999(2006~2008)年停滯的站點分布最廣泛.

平均氣溫在東北西北部停滯最早(1990年代初),其次是黃河流域中段(1998~2000年)次之,由內(nèi)蒙古中西部向東沿黃土高原北緣延伸至華北平原北部,向其他方向逐漸變晚,青南高原最晚,部分地區(qū)晚于2008年.東北地區(qū),東北平原北部至呼倫貝爾高原一帶停滯最晚(2006~ 2009年),由該區(qū)域分別向西北和東南方向停滯越來越早;華北地區(qū)由西向東停滯逐漸變晚(1997~2006年);西北地區(qū),其東北部(內(nèi)蒙古中部到黃土高原東北部地區(qū))停滯最早,集中于1998年.整體上,隨緯度降低周期逐漸縮短,東北地區(qū)(18~27a)長于華北和西北地區(qū)(6~18a);新疆西北部周期最長達30a,甘肅和陜西南部(秦嶺地區(qū))最短(3~6a).研究區(qū)整體變暖停滯亦發(fā)生于1998年左右(1997~1999年)和2007年左右(2006~2008年),相應站點廣泛分布.于1989年突變、1998年停滯的站點亦廣泛分布并主要集中于黃土高原和華北北部,于1982年突變、2007年停滯的站點分布廣泛(除黃土高原地區(qū));于1994年突變、2007年停滯的站點廣泛分布并主要集中于黃土高原和黑龍江南部;于1988~1990(1992~1994)年突變、1997~1999(2006~2008)年停滯的站點分布最為廣泛.

平均最高氣溫停滯年份整體變化趨勢與平均氣溫基本一致,黃河流域中段最早,集中于1998~ 1999年,青海南部最晚(2006~2010年),有16個站晚至2010年.東北地區(qū)自東向西停滯變晚,大興安嶺一帶較晚(2006~2009年);華北地區(qū)與之相反(2000~2006年);西北地區(qū)整體自東向西停滯變晚,新疆整體由西南向東北方向停滯變晚,準噶爾盆地地區(qū)周期最長(24~27a).整體隨緯度降低周期縮短,且東北(9~24a)、華北(3~15a)、西北地區(qū)(3~12a)依次縮短.研究區(qū)整體停滯于1998年左右(1997~1999年)和2007年左右(2006~2008年),站點廣泛分布.于1994年突變、1998年停滯的站點廣泛分布并主要集中于甘肅西部向東至黃土高原一帶;于1994年突變、2007年停滯的站點則廣泛分布于黃土高原外的其他地區(qū).于1992~1994(1994~1996)年突變、1997~ 1999(2006~2008)年停滯的站點分布最廣泛.

綜上,整體上按平均最低氣溫(1994~2007年)、平均氣溫(1995~2009年)、平均最高氣溫(1998~2010年)順序停滯依次變晚.在東北西北部,平均氣溫和平均最低氣溫均停滯最早(1990年代前期),平均最高氣溫較晚(2007年前后).東北地區(qū)3類氣溫停滯年份空間變化規(guī)律不一致;華北地區(qū)由東向西停滯越來越早;西北地區(qū)有2個中心區(qū)域,一是黃河流域中段(內(nèi)蒙古中部到黃土高原東北部,102°~117°E,37°~ 42°N),3類氣溫由該區(qū)域向其他方向停滯年份逐漸變晚,這可能與蒙古至河套平原方向的大氣環(huán)流有關(guān)[27],二是青南高原(2006~2010年),停滯年份向其他方向越來越早.3類氣溫變暖停滯年份集中于1998年和2007年及其前后,整體晚于眾多學者認為的全球綜合變暖停滯年(1998年)[14-15],相應結(jié)論與中國北方地區(qū)黃河流域內(nèi)蒙古段年氣溫在2007年發(fā)生停滯研究結(jié)論一致[18].整體上看,東北和新疆西北部周期最長(12~24a、18~30a、12~27a),華北次之,西北地區(qū)最短(不含新疆西北部,9~15a、3~18a、3~15a),隨緯度降低周期逐漸縮短,與緯度越低突變越晚的規(guī)律相統(tǒng)一;特別地,東北北部突變最早(70至80年代中期),突變至變暖停滯周期較長(18~27a).整個中國北方3類氣溫突變與變暖停滯時間集中在單年或年份范圍方面具有各自一致性的普遍規(guī)律.

2.3 突變與變暖停滯前后特征值的時空變異性

將3類氣溫分3個時段,統(tǒng)計分析各時段特征值的時空變異性.3個時段分別為T1時段(1951年~突變年)、T2時段(突變年~停滯年)和T3時段(停滯年~2014年).

2.3.1 各時段氣溫均值差的時空變異性 圖7中,A列為T2時段均值與T1時段均值差值的空間分布情況,B列為T3時段均值與T1時段均值差值的空間分布情況,C列為T3時段均值與T2時段均值差值的空間分布情況.

由圖7可知,A列,平均最低氣溫均值差空間差異最大(0.6~2.2℃),平均氣溫次之,平均最高氣溫最小(0.6~1.2℃).整體上3類氣溫溫差在西北地區(qū)最大(0.8~2.2℃、0.8~1.6℃、0.8~1.2℃),東北次之,華北地區(qū)最小(1.2~2℃、0.6~1.2℃、0.6~1 ℃).平均最低氣溫整體隨緯度降低溫差逐漸減小,溫帶季風氣候區(qū)與整體趨勢一致,溫帶大陸性氣候區(qū)在山地和高海拔地區(qū)溫差較大,亞熱帶季風氣候區(qū)與之規(guī)律相反;高原山地氣候區(qū)自東向西溫差逐漸增大;山西北部和新疆阿爾泰山地區(qū)溫差最大(2~2.2℃),研究區(qū)東南部(40°N以南青海省以東)整體偏小.平均氣溫整體隨緯度降低溫差逐漸減小,各氣候區(qū)空間變化趨勢與平均最低氣溫基本一致;新疆阿爾泰山地區(qū)溫差最大(1.4~1.6℃),華北平原中部溫差最小(0.6~0.8℃).平均最高氣溫在空間上呈經(jīng)向分布,分別由東西兩側(cè)(0.6~0.8℃)向研究區(qū)中部方向溫差逐漸增大至1~1.2℃.中國北方地區(qū)平均最低氣溫溫差整體在1.2℃左右(1.1~1.3℃)的站點分布最廣泛并主要集中于東北東南部、華北和黃土高原地區(qū);平均氣溫和平均最高氣溫分別在0.9℃左右(0.8~1℃)和1℃左右(0.9~1.1)的站點占比最大,其數(shù)量均自東向西逐漸減少.

B列,平均最低氣溫均值差空間差異最大(0.8~2.4℃),平均氣溫次之,平均最高氣溫最小(0.2~1.2℃).整體上3類氣溫溫差在西北地區(qū)最大(0.6~2.4℃、0.8~1.8℃、0.6~1.2℃),東北地區(qū)次之,華北地區(qū)最小(0.8~1.8℃、0.8~1.2℃、0.2~1 ℃).平均最低氣溫整體隨緯度降低溫差減小,各氣候區(qū)空間變化趨勢與A列平均最低氣溫基本一致;新疆西北部溫差最大(2.2~2.4℃),陜西南部溫差最小(0.6~1.2℃).平均氣溫空間變化趨勢與平均最低氣溫相似,五臺山地區(qū)溫差最大(1.8~2 ℃),研究區(qū)東南部溫差最小(0.8~1℃).平均最高氣溫溫差在110°E以東地區(qū),由東向西溫差由0.2 ℃逐漸增大至1.2℃,110°E以西地區(qū)整體隨緯度降低溫差減小.新疆地區(qū),3類氣溫均由塔里木盆地向南北兩側(cè)溫差逐漸增大,且向北增速更快.中國北方地區(qū)平均最低氣溫溫差在1℃左右(0.9~1.1℃)的站點占比最大,廣泛分布并主要集中于東北東南部和秦嶺地區(qū);平均氣溫則在1.2℃左右的站點占比最大,廣泛分布并主要集中于黃土高原及東北東部地區(qū);平均最高氣溫在0.8℃(0.7~0.9℃)左右的站點占比最大,在研究區(qū)分布廣泛.

C列,平均氣溫均值溫差空間差異最大(-0.6~0.8℃),平均最高氣溫次之,平均最低氣溫最小(-0.2~0.4℃).整體上3類氣溫溫差在西北地區(qū)最大(-0.2~0.4℃、-0.4~0.6℃、-0.4~0℃),華北次之,東北地區(qū)最小(-0.2~0.2℃、-0.4~0.4℃、-0.6~0℃).平均最低氣溫整體隨緯度降低溫差逐漸減小,新疆西北部、青海中西部和內(nèi)蒙古河套平原北部地區(qū)最大(0.28~0.35℃),呼倫貝爾高原和渤海西北部沿岸地區(qū)最小(-0.13~-0.06℃).平均氣溫整體上隨緯度降低溫差逐漸減小,溫帶季風氣候區(qū)隨緯度降低溫差逐漸增大,高原山地氣候區(qū)與之相反,溫帶大陸性氣候區(qū)和亞熱帶季風氣候區(qū)規(guī)律與A列平均最低氣溫基本一致.平均最高氣溫整體上隨緯度降低溫差逐漸減小,西北地區(qū)溫差在0℃以上的地區(qū)(40°N以北,75°~ 115°E)自西向東呈帶狀分布;在東北地區(qū),由其中部地區(qū)(-0.6~-0.4℃)向南北兩側(cè)逐漸增大至-0.2~0℃;華北和西北地區(qū)溫差均隨緯度降低逐漸減小(-0.4~0.2℃).中國北方地區(qū)平均最低氣溫溫差在0℃左右的站點占比最大,廣泛分布并集中于東北、華北和西北東南部地區(qū);平均氣溫和平均最高氣溫溫差分別在0.1℃左右和0.9℃左右(0.8~1℃)的站點占比最大,亦廣泛分布.

圖7 研究區(qū)3類氣溫在3個時段平均值差值的空間分布

綜上所述,A、B、C列平均最低氣溫溫差的空間變化差異整體最大(0.6~2.2℃、0.4~ 2.4 ℃、-0.2~0.4℃),平均氣溫次之,平均最高氣溫最小(0.6~1.2℃、0.2~1.2℃、-0.6~0.2℃),且均在西北地區(qū)溫差最大(最大達2.4℃),華北地區(qū)最小(最大達1.2℃).溫差最大值均出現(xiàn)在高緯度、高海拔或山地富集地區(qū),研究區(qū)東南部整體溫差最小.平均最低氣溫和平均氣溫各時段溫差在3大地區(qū)隨緯度降低溫差減小;在季風氣候區(qū),A、B兩列差值隨緯度降低逐漸減小,C列與之相反;溫帶大陸性氣候區(qū), 3列均在山地和高海拔地區(qū)較大,最大達2~2.2℃、2.2~2.4℃、0.6~0.8℃;高原山地氣候區(qū)整體變化規(guī)律不盡相同.平均最高氣溫,C列整體隨緯度降低溫差先增大(-0.6~0.2℃)后減小(-0.4~ -0.2℃),A、B列在空間上則呈經(jīng)向分布,由東西兩側(cè)(0.6~0.8℃、0.2~0.4)向研究區(qū)中部溫差遞增(1~1.2℃、0.8~1℃).整體上,3類氣溫突變前后兩時段溫差最大,且差值在1℃左右(0.8~1.2)的站點分布最廣泛,但3類氣溫主要分布范圍不一致,變暖停滯后與突變前次之,停滯前后最小.整個中國北方地區(qū)3類氣溫各時段溫差變化各自具有自身一致性的普遍規(guī)律.

2.3.2 T1~T3時段傾向率的時空變異性 傾向率反映氣溫變化趨勢,其絕對值越大升(降)溫速度越快,下述傾向率使用的是其絕對值.T1~T3時段3類氣溫傾向率變化見圖8.

圖8 研究區(qū)3類氣溫在3個時段傾向率的空間分布

由圖8可知,T1時段,平均最高氣溫整體升(降)溫最慢(0~0.02℃/10a),平均氣溫次之,平均最低氣溫最大(-0.01~0.04℃/10a).東北地區(qū)東北部(平均最低氣溫)、河南東南部和新疆于田地區(qū)(平均最高氣溫)在突變前氣溫保持平穩(wěn)或微弱下降(-0.01~0℃/10a).平均最低氣溫整體隨緯度降低升溫加快,研究區(qū)最南部邊緣地區(qū)(0.04~0.05℃/10a)升溫最快;東北至華北地區(qū)與整體趨勢一致(0~0.05℃/10a),西北地區(qū)整體趨勢不明顯;介于0.01~0.02℃/10a的站點分布最廣泛并主要集中于研究區(qū)東南部.平均氣溫整體隨緯度降低升溫變慢,新疆西北部升溫最快(0.04~0.06℃/10a);東北地區(qū)(0.01~0.04℃/10a)升溫速率整體高于西北和華北地區(qū)(0~0.03℃/10a);介于0.01~0.02℃/10a的站點分布廣泛并主要分布于東北平原、華北東部和黃土高原南部.平均最高氣溫整體升溫最慢,3大地區(qū)主要變化范圍基本一致,隨緯度降低升溫變慢;新疆準噶爾盆地西側(cè)山地地區(qū)升溫最快(0.03~0.06℃/10a),隨緯度降低減至0~0.01℃/10a;速率介于0~0.01℃/10a的站點廣泛分布.

T2時段平均最低氣溫(0.06~0.12 ℃/10a)整體升溫最快,平均氣溫和平均最高氣溫次之(0.04~0.12℃/10a).平均最低氣溫整體趨勢不明顯,東北地區(qū)最慢,隨緯度降低變慢(0.06~0.14℃/10a),華北地區(qū)自東向西升溫加快(0.06~0.12℃/10a),西北地區(qū)則主要介于0.08~ 0.1℃/10a;山西東北部和東北大興安嶺北部升溫最快(0.12~0.14℃/10a);介于0.06℃/10a左右的站點廣泛分布并集中于青海東部、黃土高原和華北地區(qū).平均氣溫整體由西北東部(新疆以東)向其他方向升溫減慢;升溫最快地區(qū)與平均最低氣溫基本一致;東北和華北地區(qū)由東向西升溫逐漸加快(0.04~0.12℃/10a),西北地區(qū)有隨緯度降低升溫加快的微弱趨勢;介于0.06℃/10a左右的站點分布廣泛并集中于東北、華北和新疆西北部.平均最高氣溫整體趨勢與平均氣溫一致,河套平原至山西北部地區(qū)升溫最快(0.16~0.26℃/10a);東北和華北地區(qū)整體由東向西升溫逐漸加快(0.02~0.1℃/10a),新疆和青海地區(qū)隨緯度降低升溫加快(0.04~0.14℃/10a),西北其他地區(qū)與之相反;介于0.04℃/10a左右的站點除新疆和東北西部地區(qū)外廣泛分布.

T3時段,平均最低氣溫整體降溫最快(-0.19~ -0.04℃/10a),平均最高氣溫次之,平均氣溫最慢(-0.25~-0.01℃/10a),按該順序依次在-0.02℃/10a、-0.04℃/10a、-0.03℃/10a左右的站點分布最廣泛.在東北地區(qū),3類氣溫降溫速率依次增大,空間變化趨勢基本一致,由研究區(qū)中部(西北東部和華北部分地區(qū),-0.07~-0.01℃/10a)向西北西部和東北地區(qū)方向降溫逐漸加快,最快分別達-0.19~-0.16℃/10a、-0.25~-0.22℃/10a、-0.28~ -0.25℃/10a.東北地區(qū)對降溫貢獻最大,由東向西傾向率逐漸增大,平均最高氣溫變化范圍最大(-0.28~-0.07℃/10a),平均氣溫次之,平均最低氣溫最小(-0.19~-0.07℃/10a);華北地區(qū)隨緯度降低降溫逐漸變慢(-0.16~-0.04℃/10a、-0.13~-0.01℃/10a、-0.19~-0.01℃/10a);西北地區(qū)整體趨勢不明顯,新疆地區(qū)由天山中部(-0.19~-0.16℃/10a)向其他方向降溫逐漸變慢;110°E以東地區(qū)(東北地區(qū)除外),3類氣溫隨緯度降低降溫逐漸減慢.

綜上所述,T1時段,平均氣溫和平均最高氣溫整體隨緯度降低升溫速度變慢,平均最低氣溫與之規(guī)律相反,平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫升(降)溫速率依次增大;T2時段由研究區(qū)中部(西北東部地區(qū))向其他方向升溫逐漸減慢,3類氣溫升溫速率依次遞減,T3時段由研究區(qū)中部(西北東部和華北部分地區(qū),-0.07~-0.01℃/10a)向西北西部和東北地區(qū)方向降溫逐漸加快,3類氣溫升溫速率亦依次遞減,這與Li等[14]研究所得的中國在1998~2012年平均最高氣溫下降明顯、平均最低氣溫較平靜的結(jié)論基本一致,東北地區(qū)3類氣溫降溫速率依次增大;突變前,3類氣溫整體微弱上升,平均最低氣溫與平均最高氣溫在個別地區(qū)保持平穩(wěn)或呈微弱下降趨勢(-0.01~0℃/10a);突變以后西北地區(qū)對升溫貢獻最大,且3類氣溫均在黃河流域中段(河套平原到山西北部)最大;氣溫變暖停滯以后,東北地區(qū)對降溫貢獻最大,由東向西降溫逐漸加快.整體上突變后升溫速率最大(0.02~0.16℃/ 10a),變暖停滯后降溫速率次之(-0.13~-0.01℃/10a),突變前升(降)溫速率最小(-0.01~0.06℃/10a),山地富集、高海拔或高緯度地區(qū)升(降)溫最快.中國北方地區(qū)氣溫T1~T3時段整體上依次在0.01℃/10a、0.05℃/10a、-0.03℃/10a左右站點分布最廣泛,具有各自一致性的普遍規(guī)律.

2.3.3 T1~T3時段氣溫變異系數(shù)的時空變異性 變異系數(shù)反應了氣溫相對于均值的離散程度,絕對值越大則離散程度越大.部分站點變異系數(shù)為負值,為體現(xiàn)離散程度的空間分布狀況,使用變異系數(shù)絕對值進行空間插值.當平均值接近0時,微小的擾動也會對變異系數(shù)產(chǎn)生較大影響,形成部分不合理現(xiàn)象,為此,將平均值介于-1℃~1℃的站點剔除后進行克里金空間插值,3類氣溫在T1、T2、T3時段變異系數(shù)的空間分布情況見圖9.

圖9 研究區(qū)3類氣溫在3個時段變異系數(shù)的空間分布

由圖9可知,平均最低氣溫在T1~T3時段整體隨緯度降低氣溫變化劇烈程度逐漸減弱,東北地區(qū)與之規(guī)律相反,變異系數(shù)介于0~0.2的站點數(shù)分別占總數(shù)的62.6%、65.5%、71.2%,面積約占研究區(qū)的1/2以上,3時段分別在0.06、0.07、0.03左右的站點分布廣泛并在華北平原和黃土高原及其東南部最為集中.3時段整體由華北地區(qū)向內(nèi)蒙古中西部方向氣溫變化越來越劇烈,新疆至青海地區(qū)整體隨緯度降低氣溫波動逐漸減弱,其中新疆西北部最劇烈(0.5~ 0.6、06~0.7、0.4~0.5).整體上看,東北中部、新疆北部和內(nèi)蒙古中西部氣溫波動較劇烈(0.4~0.8),3地區(qū)向其他方向氣溫波動程度逐漸減弱,其中新疆北部和鄂爾多斯高原分別在T2和T3時段變異系數(shù)達到0.6以上,研究區(qū)東南部氣溫波動最小(0~0.1).

平均氣溫在T1~T3時段,東北、華北和西北地區(qū)整體變化趨勢基本一致,隨緯度降低氣溫波動逐漸減弱,3時段變異系數(shù)介于0~0.1的區(qū)域面積約占研究區(qū)的1/3以上,介于0~0.2的站點數(shù)分別占總數(shù)的78.7%、86.7%、72%,3時段均在0.04左右的站點廣泛分布,空間分布與平均最低氣溫各時段情況相似.東北西北部氣溫波動較小(0~0.2),以呼倫貝爾高原至東北平原北部地區(qū)為中心(0.5~0.7、0.3~0.4、0.5~0.7)向南北兩側(cè)氣溫波動逐漸減弱;華北地區(qū)波動較小(0.1以下),空間變化趨勢不明顯;青海地區(qū)各時段空間變化規(guī)律不一致,整體趨勢受變異系數(shù)較大地區(qū)影響較大.

平均最高氣溫3時段整體均隨緯度降低氣溫波動程度逐漸減弱,僅個別地區(qū)變異系數(shù)大于0.2,主要介于0~0.08之間,且介于該區(qū)間的站點數(shù)分別占總數(shù)的77.8%、88.2%、83%,面積亦約占研究區(qū)的3/4以上,3時段在0.03、0.04、0.03左右的站點分布最廣泛并均在研究區(qū)東南部分布最集中,較平均最低氣溫和平均氣溫更加廣泛,尤其T2時段.各時段東北西北部和青南高原地區(qū)氣溫變化較劇烈(0.16~0.28、0.08~0.12、0.12~0.2),且東北至華北地區(qū)由東南至西北方向氣溫波動程度逐漸增大(0~0.28、0~0.16、0~0.2);由華北向內(nèi)蒙古中西部地區(qū)氣溫波動增強(0~0.08);新疆地區(qū),隨緯度降低氣溫波動逐漸減小(0~0.12),青海地區(qū)與之相反.

綜上,在T1~T3時段,氣溫變化劇烈程度按平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫順序依次增強;3類氣溫整體隨緯度降低波動程度逐漸減弱,其中平均最低氣溫東北地區(qū)與研究區(qū)整體變化趨勢相反.山地、高海拔和高緯度地區(qū)氣溫變化較為劇烈.在青海地區(qū),平均最低氣溫整體隨緯度降低變異系數(shù)減小(0~0.3、0~0.4、0~0.2),平均最高氣溫與之規(guī)律相反,平均氣溫各時段空間變化規(guī)律不盡相同.中國北方地區(qū)3類氣溫各時段變異系數(shù)變化各自具有自身一致性的普遍規(guī)律.

3 討論

綜上分析后發(fā)現(xiàn),氣溫特征值的時空變異性與經(jīng)緯度、海拔、氣候類型等相關(guān)性優(yōu)劣不一,且東北、華北和西北地區(qū)之間存在一定差異.與華南、西南、華東等地未發(fā)生突變[22]有所不同,各類氣溫在1970~2000年代初全面突變,除突變前平均最低氣溫與平均最高氣溫在部分地區(qū)保持平穩(wěn)或微弱下降外,3類氣溫突變前后均呈上升趨勢,與1950年代以來全球變暖加劇相呼應[28].自氣候突變理論創(chuàng)立至今,相關(guān)研究已有很多,如中亞地區(qū)在80年代經(jīng)歷了暖濕突變[5],北半球在上世紀70年代末到80年代初突變[29],與本文結(jié)論基本一致;西地中海地區(qū)在2005年突變[6],整體晚于本研究區(qū).

氣溫突變后升溫加快,極端天氣頻率增長趨勢與其具有一致性[30],研究表明, 1961~ 2015年我國平均高溫日數(shù)增加了28.4%,暴雨日數(shù)增加了8.2%[31];不同地區(qū)的干濕趨勢也相應改變,如1980年代以后,長江中下游和西北西部趨于濕潤,而華北和西北東部則趨于干旱[32];除此之外,氣溫突變還會對農(nóng)業(yè)、生態(tài)系統(tǒng)、水資源等領(lǐng)域產(chǎn)生一定不利影響[33].

本次研究區(qū)3類氣溫突變普遍發(fā)生在1980年代以后,突變年份在東西或南北方向上空間變化差異較大,不同地區(qū)與經(jīng)緯度、海拔、地貌、氣候類型等相關(guān)性優(yōu)劣不一,初步表明造成氣溫突變的因素可能并不單一.目前氣候突變的成因眾說紛紜,已有研究解釋的主要因素包括自然和人為因素,自然因素包括AMO增強[34]、太陽活動[35]、云輻射反饋[36]等.人為因素則包括人類活動產(chǎn)生的各種溫室氣體,尤其CO2對于全球氣候變暖貢獻較大[37].結(jié)合前人研究來看,中國北方地區(qū)地形復雜,地勢差大,不同地區(qū)影響氣溫突變的因素可能不同,如造成我國冬、夏季風的高、低氣壓于80年代發(fā)生突變[38],與本研究區(qū)受季風影響較大的東部地區(qū)氣溫突變時間具有一致性,隨緯度降低突變變晚可能與大氣環(huán)流和太陽活動[35]南北差異有關(guān).

研究區(qū)氣溫突變后的增溫顯著,但90年代尤其是1998年以后,各類氣溫整體增溫變緩甚至變暖停滯,集中于1998年和2007年及其前后,整體偏晚于全球變暖停滯時間(1998年)[14-15],部分地區(qū)較之偏早或未停滯.部分異常氣候現(xiàn)象與變暖停滯聯(lián)系密切,如北美大部分地區(qū)在2013和2014年冬季出現(xiàn)極端天氣,可能與造成氣溫變暖停滯的熱帶太平洋風有關(guān)[39]等.目前關(guān)于變暖停滯的形成機制存在兩種觀點:一是外強迫,如太陽輻射增加[14]、火山噴發(fā)氣溶膠[40]、人類活動氣溶膠[41]等;二是自然變率,如海洋吸收熱量[42]、大西洋經(jīng)向環(huán)流[15]、太平洋年代際振蕩(PDO)[37]等.也有部分學者認為變暖停滯是暫時的,且周期不會超過15a[20,43].總之,結(jié)合本文與相關(guān)研究成果來看,對于變暖停滯的主導因素以及該現(xiàn)象是否只是氣溫持續(xù)變暖過程中的小波動尚不能確定.

由于本文所使用數(shù)據(jù)序列長度有限,在長期氣溫突變與變暖停滯規(guī)律揭示上存在局限性和不足,本文發(fā)現(xiàn)中國北方地區(qū)絕大部分地區(qū)均出現(xiàn)變暖停滯現(xiàn)象,而由于變暖停滯后資料序列較短,氣溫雖微弱下降,但并不足以說明真正進入變暖停滯階段,部分學者對這一現(xiàn)象也持懷疑態(tài)度[20,43],存在一定爭議,本文將短時間序列的氣溫下降作為變暖停滯進行分析研究存在一定不足或不確定性.而通過與國內(nèi)外相關(guān)研究[14-15,18,37,40-42]對比發(fā)現(xiàn),變暖停滯年份與相關(guān)研究結(jié)論(2007[18],1998年以后[14-15,37,40-42])具有一致性,雖結(jié)論互相印證,但時間序列短造成的疑問和不足均是存在的.本文對于氣溫突變和變暖停滯的原因只是進行了初步探討,需進一步分析研究區(qū)氣溫突變與變暖停滯的原因.

4 結(jié)論

4.1 平均最低氣溫、平均氣溫、平均最高氣溫整體突變年(1978~1999年、1981~2002年、1981~2005年)、分布最廣泛的普遍突變年(1988年、1989年、1997年)及范圍(3a)均依次變晚,整體隨緯度降低變晚,東北(1970~1980年代)突變早于西北和華北地區(qū).變暖停滯集中于1998和2007年及其前后,3類氣溫停滯依次變晚(1994~ 2007年、1995~2009年、1998~2010年),由黃河流域中段向其他方向變晚.

4.2 3類氣溫突變至變暖停滯周期整體隨緯度降低縮短(3~30a),西北地區(qū)最短,華北次之,東北和新疆西北部最長(12~24a、18~30a、12~27a).整體上突變越早周期越長,東北地區(qū)與之相反.西北地區(qū)突變與變暖停滯前后各時段溫差最大(2.4℃)、東北次之、華北最小(1.2℃);3類氣溫突變前后溫差最大,在1℃左右(0.8~1.2)站點分布最廣泛.

4.3 整體上,3類氣溫在突變前升(降)溫速率依次遞減,速率最小,平均氣溫和最高氣溫隨緯度降低速率增大,最低氣溫相反,東北(-0.01~0.04℃/10a)升(降)溫速率最大.突變后升溫最快(0.02~0.16℃/10a),由西北東部向其他方向減慢,平均最低氣溫、平均最高氣溫、平均氣溫速率依次遞減,西北(0.06~0.12℃/10a)對升溫貢獻最大.變暖停滯后,由西北東部向其他方向降溫速率增大,平均最低氣溫(-0.19~-0.07℃/10a)、平均最高氣溫、平均氣溫降溫依次減慢,東北地區(qū)(-0.19~-0.07 ℃/10a)對降溫貢獻最大.各時段依次在0.01 ℃/10a、0.05℃/10a、-0.03℃/10a左右站點分布最廣泛.

4.4 3類氣溫在各時段變化劇烈程度均依次減弱(0~0.4、0~0.3、0~0.12),整體隨緯度降低減弱,東北(平均最低氣溫)與之相反.

4.5 山地、高緯度和高海拔地區(qū)氣溫突變和變暖停滯較周邊地區(qū)偏早或偏晚,各時段氣溫均值差較大,升(降)溫速度較快(可達0.4℃/10a),變化較劇烈.

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Spatiotemporal variation of the temperature mutation and warming hiatus over northern China during 1951~2014.

LIANG Long-teng, MA Long*, LIU Ting-xi, SUN Bo-lin, ZHOU Ying

(College of Water Conservancy and Civil Engineering College, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)., 2018,38(5)：1601~1615

Based on the annual (monthly) data of average minimum temperature, average temperature and average maximum temperature at 357 meteorological stations of northern China and the surrounding region from 1951 to 2014, the detection methods, such as Mann-Kendall, are adopted to analyze the spatiotemporal variation of the three types of temperature mutation and the warming hiatus. The results indicated that the total mutation year of the three types of temperature (1978 to 1999, 1981 to 2002 and 1981 to 2005), the general mutation year widely distributed (1988, 1989 and 1997) and the range (3a) were delayed one by one. Overall, mutation year gradually got late with the latitude. The mutation of northeastern China was earlier than that of northwestern and northern China. Warming hiatus was mainly in 1998 and 2007 and before or after the year of 1998 (2007). Three types of temperature also became later in turn (1994 to 2007, 1995 to 2009 and 1998 to 2010) from the middle of the Yellow River basin to other directions. The cycle from mutation to warm hiatus was gradually shortened with the latitude (3~30a). The earlier the mutation occurred, the longer of the cycle. The average temperature difference between the mutation and warming hiatus of northwestern China was the highest (2.4℃). Meteorological stations, where the temperature difference was 1℃,were the most widely distributed. The stations, at which the increase (decrease) temperature rate in each time period was generally 0.01℃/10a, 0.05℃/10a, -0.03℃/10a, were the most widely distributed. After the mutation, the temperature increased fastest(0.02~0.16℃/10a). The northwestern China contributed most to the heating. However, after the warming hiatus, the northeastern China contributed most to the cooling. In those two periods, heating (cooling) rate decreases in turn according to the order of average minimum temperature, average maximum temperature and average temperature. The change degree of the three types of temperature gradually decreases with the latitude as a whole. In the areas of high latitudes, high altitudes and mountains, the temperature mutation and the warming hiatus were earlier or later than surrounding areas, eigenvalues were larger. The time and eigenvalues of each period about three types of temperature mutation, warming hiatus as well as mutation and warming hiatus respectively had the universal law of consistency throughout the entire northern China.

temperature；mutation；warming hiatus；spatiotemporal variation；northern China

X821

A

1000-6923(2018)05-1601-15

2017-09-20

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學校青年科技英才支持計劃項目;國家自然科學基金資助項目(51669016);科技部《寒旱區(qū)水文過程與環(huán)境生態(tài)效應創(chuàng)新團隊》資助項目.

* 責任作者, 教授, malong4444333@163.com

梁瓏騰(1993-),男,山東臨沂人,漢族,內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學碩士研究生,從事水文及水資源、氣候變化、環(huán)境演變及響應關(guān)系研究.發(fā)表論文2篇.