吳金華, 盛芝露, 杜加強, 張楊成思, 張 靜,2

(1.中國環(huán)境科學(xué)研究院, 北京 100012; 2.蘭州大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院, 蘭州 730030)

氣候變化是全球變化研究的核心問題和重要內(nèi)容，同時也是當(dāng)前人類社會面臨的最嚴(yán)重的環(huán)境問題之一。聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)最新發(fā)布的第五次評估報告[1-2]指出，近百年來全球氣候變暖毋庸置疑，1880—2012年，全球地表平均溫度大約升高了0.85 ℃，1951—2012年期間全球平均地表溫度的升溫速率為0.12 ℃/10 a，期間陸地比海洋增溫快，高緯度地區(qū)增溫比中緯度地區(qū)大，氣候突變事件發(fā)生的頻率和強度伴隨著全球氣溫升高可能會有所增強。在此背景下，不少研究表明中國的氣候變暖趨勢與全球基本一致[3-6]，中國1951—2018年增溫速率為0.24℃/10 a，明顯高于同期全球或北半球同期平均水平，中國北方地區(qū)增溫速率明顯大于南方，其中東北地區(qū)是增溫最顯著的地區(qū)之一[4]；中國極端強降水事件呈增多趨勢，東北地區(qū)降水量年際波動增大[6]。

不少學(xué)者曾針對東北地區(qū)的氣候變化展開研究[7-10]，這些研究對于正確認(rèn)識東北地區(qū)氣候變化特征有重要意義。已有研究表明，東北地區(qū)氣候在過去數(shù)幾十年表現(xiàn)為氣溫明顯升高，降水有所減少。然而綜合分析發(fā)現(xiàn)以往研究對于氣候突變多采用單一檢測方法，缺少對檢測結(jié)果的驗證；其次是將氣候要素時間序列作為整體研究，缺少了對序列內(nèi)部階段性變化特征的挖掘；此外，以往研究所選取的氣象站點數(shù)和研究起止年份不盡一致，終止年份多為2000年前后，未覆蓋近二十年的氣候變化。為此，本文選取東北地區(qū)作為研究區(qū)，基于1956—2017年的月平均氣溫與月降水量數(shù)據(jù)，運用Kriging插值及一系列時空分析方法，旨在解決以下3個問題：(1) 現(xiàn)有研究得出的東北地區(qū)氣溫、降水的年際變化趨勢在2000年后是否仍然持續(xù)；(2) 東北地區(qū)氣溫、降水是否存在突變及階段變化特征；(3) 東北地區(qū)氣溫、降水變化的空間分布及階段變化顯著的區(qū)域。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

東北地區(qū)位于我國大陸的東北部，疆土遼闊，是我國重要的地理、文化和經(jīng)濟分區(qū)，地理位置在115°31′—133°5′E，38°43′—53°34′N，包括了黑龍江省、吉林省、遼寧省的全部區(qū)域以及內(nèi)蒙古自治區(qū)東部的呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市。區(qū)域內(nèi)地形多樣，南臨渤、黃二海，東側(cè)和北側(cè)是鴨綠江、圖們江、烏蘇里江和黑龍江等流域低地，西側(cè)是呼倫貝爾高原及內(nèi)蒙古高原，內(nèi)側(cè)是由大興安嶺、小興安嶺和長白山系形成的馬蹄形環(huán)繞的山地丘陵，中心部分則為三江平原、松嫩平原和遼河平原所組成的東北平原。東北地區(qū)自南向北跨越了中溫帶和寒溫帶，氣候類型為溫帶季風(fēng)氣候以及大興安嶺以西的溫帶大陸性氣候，冬季受大陸氣團影響，寒冷干燥，盛行西北風(fēng)，夏季受海洋氣團影響，暖熱多雨。自東南而西北，年降水量自1 000 mm降至300 mm以下，從濕潤區(qū)、半濕潤區(qū)過渡到半干旱區(qū)，其中夏季降雨量占了全年降雨量的絕大部分。

1.2 數(shù)據(jù)來源及處理

氣溫和降水是表征區(qū)域氣候特征的兩個最基本的氣候要素。本研究中采用中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)所提供的東北地區(qū)月平均氣溫和月降水量的氣象站點觀測數(shù)據(jù)，剔除數(shù)據(jù)缺失嚴(yán)重的站點，選用區(qū)域內(nèi)共計102個站點數(shù)據(jù)。這些站點在區(qū)域內(nèi)均勻分布，可以體現(xiàn)區(qū)域的整體情況(圖1)。采用空間插值方法來推算站點以外區(qū)域的氣候要素情況，用插值形成的柵格數(shù)據(jù)來描述氣候要素的空間分布，能有效地提高氣象資料的利用水平。地統(tǒng)計學(xué)的Kriging插值方法在我國降雨量和氣溫研究上有很好的擬合優(yōu)度[11-13]，因此，本文也采用該插值方法生成1956—2017年期間的月平均氣溫和月降水量柵格數(shù)據(jù)，空間分辨率為1 km。

圖1 東北地區(qū)地理概況及氣象站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢分析法 采用趨勢分析法擬合氣候要素的變化趨勢，通過計算氣候傾向率和累積距平值[14]定量分析氣候要素的變化特征。

1.3.2 氣候變率 氣候變率可以表示氣候變化幅度的大小[15]，并且氣候變率與災(zāi)害性天氣的發(fā)生頻率有關(guān)。絕對變率Va的計算公式為：

1.3.3 突變檢測 氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)的一種重要現(xiàn)象，是氣候從一種穩(wěn)定態(tài)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象，表現(xiàn)為氣候在時空上從一個統(tǒng)計特性到另一個統(tǒng)計特性的急劇變化[16]。檢驗突變情況的方法有很多種，本研究采用Mann-Kendall趨勢檢驗法、滑動t-檢驗兩種檢驗方法對氣候要素時間序列的突變情況進行分析，以達到互相比較、互相檢驗的效果，兩種檢驗方法均設(shè)置0.05顯著性水平的信度線。

Mann-Kendall法是由Mann和Kendall提出的，最初用于檢測序列的一種變化趨勢，后被發(fā)展用來檢測氣候突變。該方法是世界氣象組織(WMO)推薦的一種在世界范圍內(nèi)廣泛使用的非參數(shù)檢驗法，其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，且不受少數(shù)異常值的干擾，計算簡單，被許多學(xué)者用來分析氣溫、降水量、徑流和泥沙等要素時間序列的突變分析[17-19]。

滑動t-檢驗用來檢驗兩組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變[20-21]，為此將連續(xù)序列分成兩段子序列，如果兩段子序列的均值差異超過了一定的顯著性水平，可以認(rèn)為均值發(fā)生了質(zhì)變，有突變發(fā)生。具體應(yīng)用中，為避免任意選擇子序列長度造成突變點的漂移，可以反復(fù)調(diào)整子序列，提高計算結(jié)果的可靠性，在本研究中子序列長度分別取5 a，10 a和15 a。

1.3.4 Fisher最優(yōu)分割法 Fisher最優(yōu)分割法是一種對有序樣本進行聚類分析的方法，可用于對時間序列進行分段以確定不同時段的特征[22-23]，較多應(yīng)用于地震分期[24-25]和汛期分期[26-27]。該方法的原理是在對有序樣本進行分割時，總希望段內(nèi)差異愈小，一般采用離差平方和來表示段內(nèi)數(shù)據(jù)的變化程度，在分割法中簡稱為變差，變差愈小則表明各段數(shù)據(jù)愈接近。當(dāng)分段數(shù)確定，用分割后的各段變差之和，即誤差函數(shù)作為比較不同分割的優(yōu)劣標(biāo)準(zhǔn)，以誤差函數(shù)值最小為最優(yōu)。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫和降水年際變化趨勢特征

由圖2可知，1956—2017年東北地區(qū)年平均氣溫在波動中顯著上升，傾向率為0.327℃/10 a(p<0.001)。62 a的年平均氣溫為2.97℃，年平均溫度最高值為4.75℃，出現(xiàn)在2007年，年平均溫度最低值為0.91℃，出現(xiàn)在1969年，最高值與最低值間相差3.84℃。由圖3可知，年均溫累積距平值呈現(xiàn)先下降再上升的過程，即年均溫距平值在1987年前幾乎持續(xù)為負(fù)，1987年后距平值持續(xù)為正，表明1987年前后分別是氣溫相對較低和較高的兩個時期。

圖2 東北地區(qū)年平均氣溫年際變化趨勢

圖3 東北地區(qū)年平均氣溫累積距平值

由圖4可知，1956—2017年東北地區(qū)的降水量波動性較大，呈小幅減少趨勢，傾向率為-3.634 mm/10 a(p>0.05)。62 a平均降水量為499.52 mm，2013年年降水量最高，為649.02 mm，2001年年降水量最低，為377.66 mm，最高值與最低值間相差271.36 mm。由圖5可知，年降水量累積距平值有多個升降過程，降水量累積距平峰值出現(xiàn)在1964年和1998年，谷值出現(xiàn)在1982年和2009—2011年期間。峰值往往表明對應(yīng)年份前面一個時期降水較多而往后降水較少，谷值則相反。

圖4 東北地區(qū)年降水量年際變化趨勢

圖5 東北地區(qū)年降水量累積距平值

2.2 氣溫和降水序列突變檢測

年平均氣溫Mann-Kendall趨勢檢驗法和滑動t檢驗突變檢測的結(jié)果見圖6。UF曲線整體位于0值以上，說明氣溫時間序列呈上升趨勢。這種上升趨勢在1959年和1989年以后超過了0.05的置信水平，達到了顯著上升趨勢。UF曲線與UB曲線有一個交點，且交點在置信區(qū)間內(nèi)，說明氣溫突變可能發(fā)生在1986—1987年。為了檢驗結(jié)果的可靠性，本研究選用了5 a，10 a，15 a滑動步長進行滑動t-檢驗，從滑動檢驗的結(jié)果來看，1987年附近的確出現(xiàn)了一次增溫的突變過程，從5 a滑動檢驗的圖中可以看出在2009年氣溫在顯著升高的過程還有一個變冷的突變。

圖6 東北地區(qū)年平均氣溫Mann-Kendall檢驗和滑動t檢驗

東北地區(qū)降水量的Mann-Kendall趨勢檢驗的結(jié)果見圖7，UF曲線整體位于0值以下，說明區(qū)域內(nèi)的降水量在時間段內(nèi)呈下降趨勢，這種下降趨勢在1967—1985年期間超出了0.05的置信水平，達到了顯著下降的趨勢。UF曲線與UB曲線有4個交點，分別是：1957年、1959年、1961年、2016年，突變檢測效果不理想，結(jié)合滑動t-檢驗的結(jié)果來看，1964年左右存在一個的降水量減少的突變過程；在1983年降水量是一個增加的突變過程；之后降水量下降趨緩，在1998—1999年期間，降水量又有一個減少的突變。

圖7 東北地區(qū)年降水量Mann-Kendall檢驗和滑動t檢驗

2.3 氣溫和降水階段性變化特征

結(jié)合東北地區(qū)年平均氣溫變化的特點，運用Fisher最優(yōu)分割法將氣溫時間序列分割為：1956—1957年、1958—1987年、1988—2013年、2014—2017年4個時間段，表1為東北地區(qū)4個時間段年平均氣溫及其絕對變率和相對變率。各個時段的年平均氣溫呈上升趨勢，從1956—1957年的1.26℃升高到2014—2017年的3.96℃；從氣候變率上來看，1958—1987年年均溫的絕對變率和相對變率較大，氣候變率大代表著更大的氣候要素波動，往往與異常天氣的頻率及強度有關(guān)。

表1 1956-2017年東北地區(qū)不同時段年平均氣溫及其變率

結(jié)合東北地區(qū)年降水量變化的特點，運用Fisher最優(yōu)分割法將降水量時間序列分割為：1956—1964年、1965—1982年、1983—1998年、1999—2009年、2010—2017年5個時間段，分割結(jié)果基本與累積距平和突變檢測的分析結(jié)果基本一致，表2為東北地區(qū)5個時段年降水量及其絕對變率和相對變率。從中可以看出，1956—1964年是年平均降水量最多的時期，降水量為543.26 mm，降水量最少的時期是1999—2009年，為444 mm。62 a間，降水量經(jīng)歷了一個周期波動過程。2010—2017年年降水量的絕對變率和相對變率較大，代表這一時間段內(nèi)的降水情況不穩(wěn)定。降水的多變常常預(yù)示旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率有所增加。

查證該時期記錄旱澇情況的文獻資料，2011年、2012年東北地區(qū)是明顯的干旱區(qū)之一[28-29]，2013年東北地區(qū)的洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，區(qū)域降水量較常年偏多10%～20%，黑龍江、松花江流域汛期平均降水量較常年偏多3～4成[30]，2014年以來雖然存在一些季節(jié)性的洪澇情況，但東北地區(qū)整體降水量偏少，干旱缺水情況在部分地區(qū)一直存在[31-34]。

表2 1956-2017年東北地區(qū)不同時段年降水量及其變率

2.4 氣溫和降水變化的空間分布

計算1956—2017年東北地區(qū)年平均氣溫的空間分布見圖8A所示，可以看出氣溫的緯度地帶性分布特征明顯，由南到北呈現(xiàn)遞減的趨勢，氣溫較高的區(qū)域為渤海、黃海海灣地區(qū)，年均溫在10℃左右；氣溫較低的為大興安嶺北部，年均溫低于-4℃；東北平原的氣溫相較于整個區(qū)域比較適中，年平均氣溫整體大于2 ℃。計算62 a區(qū)域的氣溫傾向率，結(jié)果見圖8B所示，可以發(fā)現(xiàn)整個區(qū)域的傾向率均為正值，說明1956—2017年區(qū)域整體的氣溫都呈上升趨勢。氣溫傾向率較高的區(qū)域在小興安嶺區(qū)域，其次是呼倫貝爾高原、內(nèi)蒙古高原以及東北平原的部分地區(qū)，氣溫傾向率較低的區(qū)域主要在遼河流域。

基于Fisher最優(yōu)分割法分割年平均氣溫時間序列的結(jié)果，分別計算1956—1957年、1958—1987年、1988—2013年、2014—2017年4個時間段(下文將分別用氣溫時間分段1，2，3，4進行替代)年平均氣溫的平均值，將相鄰時間段的平均氣溫柵格相減，得到時間段間的氣溫變化差值。分析結(jié)果可以得出：時間分段2相較于分段1，除大興安嶺北部區(qū)域氣溫下降之外區(qū)域整體氣溫上升，其中氣溫增加最多的區(qū)域是在呼倫貝爾高原區(qū)域，內(nèi)陸的增溫幅度要高于沿海地區(qū)；時間分段3相較于分段2，區(qū)域氣溫也是有所增加，增溫幅度較大的區(qū)域變成了小興安嶺地區(qū)，其次才是呼倫貝爾高原，增溫較小的區(qū)域集中在遼河流域以及區(qū)域東北沿海地區(qū)；時間分段4相較于分段3，大興安嶺和遼河平原的氣溫有所上升，而小興安嶺和三江平原部分區(qū)域氣溫有所下降；時段間的增溫幅度有所減緩。

圖8 1956-2017年年平均氣溫均值和傾向率的空間分布

計算1956—2017年東北地區(qū)年降水量的空間分布見附圖12A所示。從圖中可以看出，區(qū)域內(nèi)降水量最多的區(qū)域在長白山區(qū)域南部臨黃海的區(qū)域，平均年降水量超過800 mm；降水量最少的區(qū)域是在呼倫貝爾高原，平均年降水量少于350 mm，其次便是大興安嶺山脈和內(nèi)蒙古高原，平均年降水量不超過500 mm，在少雨的地區(qū)降水量呈現(xiàn)由東向西逐漸遞減的趨勢。附圖12B是區(qū)域62 a降水量傾向率的空間分布，結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)降水量增長和下降趨勢同時存在，大興安嶺北部呈現(xiàn)增長趨勢，其余大部分區(qū)域的降水量都呈下降趨勢，包括遼東半島、遼河平原、三江平原、內(nèi)蒙古高原東部以及呼倫貝爾高原。

由Fisher最優(yōu)分割法分割年降水量時間序列的結(jié)果，分別計算1956—1964年、1965—1982年、1983—1998年、1999—2009年、2010—2017年5個時間段(下文中將分別用降水時間分段1，2，3，4，5進行替代)年降水量的平均值，將相鄰時間段的平均降水量柵格相減，得到時段間的降水量變化差值。結(jié)果表明，區(qū)域整體的降水量均值經(jīng)歷了一個降低—升高—降低—升高的周期波動過程，在此過程中不同區(qū)域呈現(xiàn)出不同的變化特征。降水時間分段2與分段1相比，區(qū)域整體降水量降低，降幅較大的區(qū)域是長白山南部和三江平原，降幅較小的區(qū)域是大興安嶺山脈；降水時間分段3相較分段2，降水量有所升高，主要的升高區(qū)域在松嫩平原北部靠近大興安嶺的區(qū)域；降水時間分段4相較于分段3，降水量降低，東北地區(qū)西南部，包括大興安嶺、呼倫貝爾高原、內(nèi)蒙古高原以及遼河平原，降水量減少明顯；降水時間分段5與分段4相比，降水量整體上升，其中大興安嶺南部以及長白山脈西側(cè)和南側(cè)的降水量有較大提升。由降水量的變化過程可看出，2010年后，降水量進入相對豐水期。

3 討 論

在以往的氣候變化研究中，大多數(shù)學(xué)者計算區(qū)域平均溫度或降水量多用區(qū)域內(nèi)站點觀測數(shù)據(jù)的均值來表示[7-9]，用算數(shù)平均作為區(qū)域氣象要素平均情況的前提是各氣象站點的分布是獨立的，但實際情況是站點間氣象要素值存在空間自相關(guān)，故將觀測數(shù)據(jù)直接用于周邊地區(qū)均值的推算不是最優(yōu)的方法。另外一些學(xué)者提出城市化的影響是造成氣候變化分析中結(jié)果不確定性的重要因素，在研究氣溫和降水變化特征時應(yīng)該排除熱島效應(yīng)，否則會出現(xiàn)虛假的增暖和降水格局[35]，這也是一些研究計算出的氣候傾向率偏大的原因。如何區(qū)分長期氣候變化中的自然氣候變換項和人類活動作用項是一項關(guān)鍵的問題，有學(xué)者針對氣候變化的城市化效應(yīng)進行了定量評價[36-37]，但剔除氣候變化中的人類活動作用目前還沒有一個公認(rèn)有效的辦法。本研究對氣象觀測資料進行Kriging插值，考慮氣象要素的空間自相關(guān)，計算得到的區(qū)域均值更加合理，另外插值避免將城市氣象站點觀測值直接用作周邊地區(qū)均值，減小了城市化效應(yīng)對定量分析氣候變化情況的影響。

本研究運用Fisher最優(yōu)分割法對長時間序列進行分段處理和分析，有效地彌補了將時間序列作為整體分析的缺陷，即在對完整時間序列分析變化趨勢時，會丟失序列內(nèi)部相對短期的波動情況以及階段變化信息。本研究將Fisher最優(yōu)分割法與變率分析相結(jié)合，檢測到2010—2017年為降水相對波動較大的時期，旱澇發(fā)生頻繁；將Fisher最優(yōu)分割法與空間分析方法相結(jié)合，分析得出不同地區(qū)的階段升溫情況以及時段間降水量呈現(xiàn)降低—升高—降低—升高的周期波動過程。Fisher最優(yōu)分割與常用的時空分析方法結(jié)合對于研究一個長時間序列中的局部特征提供一個新的思路。

東北地區(qū)耕地資源集中，是國家重要的“糧倉”之一，氣候變暖趨勢和降水格局的改變正逐步改變區(qū)域農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)。典型的例子就是在東北松嫩—三江平原，中晚熟水稻品種種植面積大幅擴張，顯著提高了糧食產(chǎn)量[38]。隨著區(qū)域水土資源開發(fā)強度不斷增大，社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，水資源供需矛盾尤為突出，這對水資源利用效率和配置情況提出了較高的要求[39]。氣候變化還對東北地區(qū)的生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。東北地區(qū)是我國濕地資源的主要分布區(qū)之一，氣候變暖以及水分條件的不穩(wěn)定導(dǎo)致了濕地生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重退化[40]，同時氣候變化也是東北平原西部地區(qū)的土地荒漠化的重要影響因素[41]。因此，正確認(rèn)識氣候變化特征對于東北地區(qū)生產(chǎn)生活的開展和生態(tài)環(huán)境保護具有十分重要的意義。從本研究的結(jié)果來看，過去幾十年內(nèi)氣溫顯著升高以及降水的波動減少使得東北地區(qū)的氣候呈現(xiàn)暖干化的趨勢，這一結(jié)論與其他學(xué)者的研究結(jié)果相一致[7-8]。從整個時間序列的氣溫變化情況來看，氣溫上升的趨勢有所減緩；另一方面，雖然東北地區(qū)的降水呈現(xiàn)減少的趨勢，但相比21世紀(jì)初的十年間，當(dāng)前的降水量處在相對豐水期，同時水分條件不穩(wěn)定，極端降水情況發(fā)生頻繁，需要引起足夠重視。建議通過水利工程措施和水源涵養(yǎng)、水分調(diào)節(jié)等生態(tài)服務(wù)功能提升措施，提高區(qū)域水資源利用效率，保證社會經(jīng)濟活動正常進行。

4 結(jié) 論

(1) 1956—2017年東北地區(qū)氣溫顯著上升，平均氣溫傾向率為0.327 ℃/10 a(p<0.001)，年均溫的最高值與最低值相差3.84 ℃，1987年前后分別是氣溫相對較低和較高的兩個時期。1956—2017年東北地區(qū)降水量的波動性較大，總體呈減少趨勢，平均傾向率為-3.634 mm/10 a(p>0.05)，最高年份與最低年份的降水量相差271.36 mm，降水量的變化包含有多個升降過程；

(2) 氣溫在1987年有一個增溫的明顯突變，1989年后氣溫增長的趨勢達到顯著；氣溫時間序列分割結(jié)果表明氣溫的上升過程具有階段性，其中1958—1987年氣溫波動較大；降水量在1964年、1983年、1999年附近降水量都有一個突變的過程；降水時間序列分割結(jié)果表明降水量呈現(xiàn)周期波動過程，周期變化的時間點與突變時間基本一致，其中2010—2017年的降水量變率最高，降水情況較不穩(wěn)定。

(3) 東北地區(qū)氣溫由南至北氣溫逐漸降低；1956—2017年區(qū)域整體普遍升溫，但不同區(qū)域的增溫速率存在明顯差異，其中增溫較快是小興安嶺地區(qū)；通過計算不同時段間的氣溫差值發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)增溫幅度較大的區(qū)域先是小興安嶺和呼倫貝爾高原，再是大興安嶺和遼河平原。多年平均降水量的空間分布表現(xiàn)為由東南向西北遞減，1956—2017年除大興安嶺北部外的絕大多數(shù)區(qū)域降水量呈下降趨勢；降水量呈現(xiàn)降低—升高—降低—升高的周期變化過程，時段間的降水量變化存在區(qū)域分異；2010年后，降水量進入相對豐水期。