朱亞妮 趙平 曹麗娟 余予 唐國利
1 國家氣象信息中心,北京 100081 2 中國氣象科學研究院,北京 100081
20世紀80年代以來,全球變暖現(xiàn)象及其潛在影響引起了公眾和國內(nèi)外科學家的廣泛關注。根據(jù)最 新 的全球 表 面溫度 數(shù) 據(jù)集(Li et al., 2021),1900~2019年全球陸地平均增溫趨勢分別為1.19°C/100 a,全球平均表面溫度升高趨勢為0.91°C/100 a。不同地域的變暖速率也各不相同(Yun et al., 2019; Sun et al., 2021)。一般來說,大陸變暖高于海洋,中高緯度陸地區(qū)域變暖高于低緯度地區(qū)。比如西伯利亞到蒙古一帶的北亞大陸升溫高達2°C/100 a(Zhao et al., 2014; Wang et al., 2018;Yan et al., 2019),是近一個世紀以來升溫最顯著的區(qū)域之一。
中國地處歐亞大陸東端,其氣溫主要受上游北亞大陸冬季風的強弱變化影響,年際變率較大。關于中國地區(qū)的近百年長期氣溫變化也有不少研究,然而結(jié)果卻不盡相同(張先恭和李小泉, 1982; 唐國利和林學椿, 1992; 王紹武等, 1998; Wang and Gong,2000; 陳隆勛等, 2004; Zhai et al., 2004; 唐國利和任國玉, 2005; 聞新宇等, 2006)。唐國利等(2009)基于不同學者各自提出的序列構(gòu)建方法,將幾條主要的中國百年氣溫序列延長到2007年,并做了對比分析,發(fā)現(xiàn)各序列在1951年之后比較一致,但在1951年之前存在較大差異。需要指出的是,盡管這些基于原始資料構(gòu)建的序列在早期存在較大差異,但在20世紀40年代卻較為吻合,都表現(xiàn)為明顯的氣溫高值。這一早期暖期的存在,導致了上述研究對中國近百年氣溫變化趨勢估計普遍偏低,為0.49~0.92°C/100 a(Li et al., 2020)。
但基于均一化氣溫資料的研究成果卻有不同結(jié)論。聞新宇等(2006)利用英國CRU-TS2.1資料 (Jones and Briffa, 1996)得到的中國區(qū)域平均氣溫序列顯示20世紀40年代并不是一個明顯暖期。Li et al.(2017)和Cao et al.(2013, 2017)的研究結(jié)果同樣表明20世紀40年代并不明顯偏暖??梢?,對20世紀40年代是否是中國近百年的一個暖期仍存在明顯分歧。
表1給出了20世紀80年代以來我國氣候工作者建立的10條中國平均溫度序列及其建立方法。由表可見,基于原始資料構(gòu)建的序列在20世紀40年代均存在明顯暖期,而基于均一化資料構(gòu)建的序列未出現(xiàn)此暖期。Yan et al.(2020)回顧了始于20世紀80年代的中國百年氣溫序列的研究,亦指出基于均一化的氣溫觀測序列集,1900 年以來中國氣溫升高趨勢 1.3~1.7°C/100 a,遠高于使用原始資料的評估結(jié)果。但除了使用的資料是否均一化以外,上述序列所用的氣溫資料和序列建立的方法也各不相同,因此無法充分地評估影響中國百年氣溫變化趨勢的因素。
表1 10條中國百年年平均氣溫序列Table 1 Ten centennial-scale annual mean temperature series across China
本文聚焦于20世紀40年代“暖期”存在與否這一問題,運用早年研究使用的長期氣溫觀測數(shù)據(jù),仿照早年方法重建百年氣溫序列,代以插補后資料和均一化資料構(gòu)建百年氣溫變化序列,通過對比上述序列的差異,細致分析了資料缺失、非均一性問題對20世紀40年代“暖期”的影響,其中特別分析了20世紀50年代初期臺站遷址等導致的觀測序列非均一性及其對百年氣溫趨勢評估的影響。
1951年之前的原始氣溫觀測數(shù)據(jù)來源于國家氣象信息中心收集整理的中國長年代溫度、降水數(shù)據(jù)集、數(shù)字化全國60個重點城市序列氣溫數(shù)據(jù)集和中國24個城市長年代氣溫數(shù)據(jù)集以及中國科學院大氣物理研究所研制發(fā)布的兩個長期儀器記錄數(shù)據(jù)庫中的逐月氣溫資料(Tao et al., 1991),上述數(shù)據(jù)集里均包含臺站沿革信息。1951年以來的氣溫觀測資料、均一化氣溫資料和臺站歷史沿革信息分別來自國家氣象信息中心公開發(fā)布的基礎資料數(shù)據(jù)集(任芝花等, 2012)、中國國家級地面氣象站均一化氣溫月值數(shù)據(jù)集(Cao et al., 2016)和氣象臺站元數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)集。
資料處理過程包括不同來源資料的拼接、質(zhì)量控制、插補和均一化等4個環(huán)節(jié)。由于1951年前的資料存在多個來源或多個觀測點,為延長資料長度和提高資料完整性,第一步,對不同來源、相同站名的資料進行拼接,資料拼接遵循以下原則 (Cao et al., 2013, 2017):優(yōu)先考慮海拔高度差異,選擇與近60年觀測站點海拔最接近的數(shù)據(jù)源,其次考慮水平距離,如果海拔高度和水平距離差異均不大,則選擇資料較長的序列。第二步,對拼接后的序列進行基本的質(zhì)量控制,包括氣候極值檢驗、主要變化范圍檢查和內(nèi)部一致性檢查,將質(zhì)量控制甄別出的錯誤和可疑數(shù)據(jù)剔除。第三步,對質(zhì)量控制后的氣溫資料進行插補,具體插值算法采用包含標準序列法(余予等, 2012)、偏最小二乘回歸、多元線性回歸和梯度距離權(quán)重反比法的綜合插補方案(integrated method)(Cao et al., 2013, 2017)。第四步,對插補后的數(shù)據(jù)再做第二步的質(zhì)量控制,檢查插補是否引進了新的錯誤數(shù)據(jù)。最后,采用Wang et al.(2008)發(fā)展的RHtest方法對年平均氣溫序列進行非均一性檢測與訂正。該方法已被應用于中國近60年及百年尺度均一化氣溫序列研制(Cao et al., 2013, 2016)。
中國器測資料大體上可分為1950年前后兩個系統(tǒng)。由于歷史原因,1950年以前的氣溫資料除時空覆蓋不完整等問題以外,還由于臺站位置變動頻繁、觀測規(guī)范不統(tǒng)一等問題存在嚴重的非均一問題。本文采用WYG序列構(gòu)建使用的長期氣溫觀測數(shù)據(jù),仿照WYG序列構(gòu)建方法重建百年氣溫序列,在成功還原WYG序列的基礎上,從資料缺測和資料非均一性等方面分析了中國20世紀40代“偏暖”的原因。
王紹武等(1998)利用觀測氣溫、敦德及古里雅冰芯資料及有關史料、樹木年輪資料,構(gòu)建了東北、華北、華東、華南、臺灣、華中、西南、西北、新疆、西藏10個區(qū)1880~1996年的年平均氣溫序列,然后根據(jù)每個區(qū)的面積平均得到了中國近百年氣溫序列。1880~1910年在東北、華北、華東和華南使用中心站觀測資料,其他地區(qū)使用墩德及古里雅冰芯、樹木年輪及有關史料;1911~1950年新疆依然使用古里雅冰芯,西藏使用拉薩的氣溫觀測和樹木年輪資料,臺灣地區(qū)使用代表站觀測資料,其他7個地區(qū)使用氣溫等級資料;1951~2008年10個區(qū)全部使用代表站觀測氣溫資料。這項研究詳細給出了構(gòu)建中國百年氣溫序列的代表臺站,這是重建這一序列的重要基礎。為便于討論,簡記該序列為WYG序列。圖1給出了構(gòu)建WYG序列的45個代表站的空間分布。由圖可見,作為早期相關研究成果的代表,WYG序列所用的代表站覆蓋范圍相對較廣,且在東西部分布較為均衡,較好地反映了中國全區(qū)的信息。
圖1 構(gòu)建中國百年氣溫序列的45個代表站的空間分布(圓點代表110°E以東臺站,三角形代表110°E以西臺站)Fig. 1 Spatial distribution of 45 stations used in the calculation of 100-a time series of the mean temperature in China (dots denote the stations at the east of 110°E and triangles denote the stations at the west of 110°E, respectively)
由于未能獲取1951年以來的臺灣地區(qū)資料,本文使用臺灣以外9個區(qū)域的平均氣溫來計算全國平均氣溫距平序列。表2給出了9個區(qū)45個代表站的分區(qū)和平均氣溫起始年、序列長度以及自觀測起始年至2010年的氣溫資料缺測年份。然后利用這45個代表站的氣溫資料,仿照WYG序列構(gòu)建方法,對WGY序列進行了重建。
表2 (續(xù))Table 2 (Continued)
具體來說,首先利用中國大陸45個代表站的氣溫觀測資料得到9個區(qū)的平均氣溫序列,然后將9個區(qū)氣溫進行算術(shù)平均,最終得到中國地區(qū)氣溫距平序列(T45)。圖2 給出了1910~2010年二者的變化曲線。T45與WYG序列長期變化較為接近,在1940年代均出現(xiàn)了明顯暖期。二者在1911~1950年階段相關系數(shù)為0.88,在1911~2008年階段相關系數(shù)為0.93。 特別在1951~2008年期間,兩條序列變化非常一致,相關系數(shù)高達0.96。另外,從表3中可以看到,二者在1911~1950年、1951~2008年和1911~2008年等時段的變化趨勢和平均氣溫都較一致。在6個不同的時段,它們的變化趨勢和平均氣溫的差異都不大,平均氣溫差異僅為0.03~0.14°C。上述結(jié)果說明WYG和T45序列具有較高一致性。
表3 中國年平均氣溫WYG序列和T45序列在3個時期的變化趨勢和平均值Table 3 Trends and mean temperature between the results obtained by WYG series and T45 series in China during the three periods
圖2 1911~2010年中國年平均氣溫的WYG序列和T45序列Fig. 2 WYG series and T45 series of the annual mean temperature in China during the period 1911-2010
盡管T45序列與WYG序列在資料類型和數(shù)據(jù)來源等方面存在一定差異,從而導致二者在年際尺度上存在一些細節(jié)差異,但二者的年代際變化特征基本一致,特別是在20世紀40年代,都表現(xiàn)出了偏暖的特征??梢?,上述因素對序列中20世紀40年代暖期存在與否并無決定性的影響?;谶@一結(jié)論,下文將仿照WYG列的構(gòu)建方法,先后代以45個站插補完整和均一化的觀測資料建立中國近百年氣溫序列,討論資料缺失和非均一性對20世紀40年代“偏暖”的影響。
由于戰(zhàn)爭頻發(fā)等原因,1950年以前的氣溫觀測存在嚴重的時間不連續(xù)問題。由表2給出的45個代表站的資料缺測情況可知,資料長度在60年以上(即觀測起始年在1951年之前)的臺站有40個,新疆喀什、哈密,青海甘孜、瑪多和四川玉樹5個臺站在1951年前沒有觀測數(shù)據(jù)。在1951年前有資料的40個臺站中,徐家匯、重慶、貴陽、昆明和酒泉5個站氣溫數(shù)據(jù)完整;濟南等16個臺站的缺測率低于10%,廣州等17個臺站缺測率低于20%;烏魯木齊和長沙的缺測率最高,在30%以上。
圖3給出了1911~2010年臺站數(shù)量的變化情況,直觀地顯示了20世紀40年代受戰(zhàn)爭影響突然加劇的資料缺失現(xiàn)象。1911~1936年,有數(shù)據(jù)臺站數(shù)呈上升趨勢,1937~1949年,受戰(zhàn)爭影響,臺站數(shù)有所減少;1950年,臺站數(shù)大幅增多,1951年以后基本維持穩(wěn)定。
圖3 1911~2010年45個代表站的數(shù)據(jù)量Fig. 3 Number of stations with yearly temperature data during 1911-2010
首先,按照Cao et al.(2013, 2017) 的方法對氣溫序列中的缺測值進行插補,然后再計算插補后45個臺站的算術(shù)平均值(Tint),并與WYG序列進行了比較。另外,為了考察基于45個臺站的序列是否具有較好的代表性,圖4給出了基于中國825個基準、基本站得到的1951~2010年的全國氣溫距平序列(T825)。由圖4可見,在1951~2008年,Tint和WYG序列與T825高度吻合,增溫速率也十分接近。在這一時段,Tint和WYG序列與T825的相關系數(shù)分別為0.99和0.96,說明盡管Tint和WYG序列采用的臺站數(shù)量較少,但仍能比較好地代表中國區(qū)域的氣溫變化。同時,上述結(jié)果也表明,Tint和WYG序列之間也存在可比性。從更早的時段來看,Tint和WYG序列表征的中國百年氣溫變化特征也較為相似,二者在1911~1950年的相關系數(shù)高達0.91。同時,對于20世紀40年代的偏暖現(xiàn)象,Tint顯示的結(jié)果與WYG序列也較為一致。由此推測,對于20世紀40年代暖期存在與否這一問題,20世紀40年代的資料缺測和觀測臺站的減少并非主要影響因素。
圖4 1911~2010年中國氣溫的Tint、WYG和T825序列Fig. 4 Three annual time series of the surface air temperature anomaly in China from 1911 to 2010
由于觀測臺站站址遷移以及觀測時制、觀測方法和觀測儀器變化等情況,百年氣溫序列存在非常嚴重的非均一性。通過詳細考察臺站歷史沿革發(fā)現(xiàn),本文所用45個臺站中,有40個臺站觀測起始年在1951以前,這當中有36個臺站站址在1950年前后發(fā)生了變動,遷站比例高達90%。例如,昆明站在1951年由太華山下遷到下西壩武家堆;重慶站(2004年撤站)1959年后的資料為溫江站的觀測資料。同時,由于1950年前缺乏統(tǒng)一的觀測規(guī)范和觀測方法,觀測儀器、觀測時制、時次也各不相同,使得該階段資料序列均一性難以保證。而均一化的氣候序列是氣候變化研究的基礎(嚴中偉等, 2014),對于正確評估階段性的氣候變化特征尤其重要。因此,利用Wang(2008)發(fā)展的RHtest方法對45個臺站建站~2010年期間的平均氣溫進行了非均一性檢驗與訂正。
45個臺站的年平均氣溫序列由1~12月氣溫值平均而得,缺測1個月或以上的年氣溫值即為缺測。由于解放前觀測臺站分布稀疏,較難選到合適的參考站,因此,采用PMF方法對百年氣溫序列進行均一化檢驗。再結(jié)合元數(shù)據(jù),對不連續(xù)點逐一進行判別,保留通過99%顯著性檢驗并有元數(shù)據(jù)支持的不連續(xù)點。解放后的資料采用國家氣象信息中心發(fā)布的中國國家級地面氣象站均一化氣溫月值數(shù)據(jù)集(Cao et al., 2016),由于1950年后的數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過均一化處理,因此檢驗得到的斷點皆出現(xiàn)在百年序列起始年到1950年之間。應用上述方法檢驗出18個臺站總計20個不連續(xù)點,另外27個臺站沒有出現(xiàn)不連續(xù)點。對照臺站歷史沿革,臺站遷移是不連續(xù)點產(chǎn)生的主要原因,部分臺站還伴有觀測時制、平均氣溫計算方法的變化,這些變化可能加劇觀測偏差。表4給出了這18個站的具體訂正信息。由表可見,這18個站氣溫序列的訂正量幅度較大,有6個不連續(xù)點的訂正量甚至超過2°C,僅4個不連續(xù)點的訂正量低于0.8°C。這些訂正量足以影響資料自起始年至2010年氣溫變化的總體線性趨勢,導致訂正后18個序列的增溫趨勢增大。
圖5給出了45個臺站自建站至2010年的氣溫變化趨勢。從百年尺度來看,訂正前我國南方和西南很大范圍都出現(xiàn)變冷趨勢(圖5a);訂正后,除個別站點的微小偏冷趨勢外,全國大部分地區(qū)都表現(xiàn)為增暖趨勢(圖5b)。訂正后的百年尺度氣溫變化趨勢與近60年(1951~2010年)訂正后的氣溫變化趨勢(圖5c)相似,后者在全國大部分地區(qū)也表現(xiàn)為增暖趨勢,進一步說明訂正后百年氣溫序列變化趨勢可能更可信。
圖5 45個臺站建站至2010年年平均氣溫序列訂正(a)前、(b)后趨勢和(c)1951~2010年年平均氣溫序列訂正后趨勢Fig. 5 Annual average temperature trends of 45 stations during the periods from the starting time of measurements to 2010 (a) before and (b) after adjustment; (c) the annual average temperature trends of 45 sites after adjustment during 1951-2010
圖6給出了哈爾濱等8個站點訂正前、后年平均氣溫序列。這些站的氣溫原始序列最高值出現(xiàn)在1950年前。芷江等站在這段時間的平均氣溫甚至比2000~2010年高出1~2°C。對照臺站歷史沿革,發(fā)現(xiàn)這些臺站在1950年前后遷址,其序列已不能正確描述現(xiàn)址真實的氣候變化特征。特別是在20世紀40年代,很多站點在遷站前出現(xiàn)了偏暖狀態(tài),但在遷站后出現(xiàn)了劇烈的系統(tǒng)性降溫。這種變化對40年代“暖期”的出現(xiàn)可能產(chǎn)生重要影響。
圖6 (a)哈爾濱、(b)沈陽、(c)濟南、(d)成都、(e)芷江、(f)徐州、(g)廈門和(h)湛江年平均氣溫序列訂正前、后對比Fig. 6 Raw and adjusted annual time series of the mean temperature at (a) Harbin, (b) Shenyang, (c) Jinan, (d) Chengdu, (e) Zhijiang, (g) Xiamen, (f)Xuzhou, and (h) Zhanjiang station
資料長時間的缺失,可能會導致序列非均一性斷點檢驗和訂正的不確定性。為了考察資料不同程度的缺失對均一化序列可能存在的影響,分別選取45個站在20世紀40年代資料缺測年數(shù)少于5年和資料完整站點的均一化資料構(gòu)建中國百年氣溫序列,并對比分析了其表征的中國氣溫變化特征。需要指出的是,缺測不長于5年的17個站點以及資料完整的10個站點的分布都相對較為廣泛(圖7),大體上可以代表全國而不是某一小范圍的氣溫變化。1951年以來基于45站、17站、10站與825站氣溫數(shù)據(jù)計算的中國氣溫序列高度一致,這也說明由這些站計算的中國氣溫序列具有相當好的代表性。比較這3條序列發(fā)現(xiàn),它們所反映的年代際變化特征基本一致,且在20世紀40年代均不再呈現(xiàn)明顯的“暖期”(圖8)。上述分析結(jié)果表明資料的缺失程度引起的均一化的不確定性、選用站點數(shù)量的變化對全國氣溫序列的年代際變化特征的影響并不明顯,而是否對數(shù)據(jù)進行均一化處理則是決定20世紀40年代“暖期”存在與否的主導因素。
圖7 (a)缺測不長于5年的17個站點以及(b)資料完整的10個站點的空間分布Fig. 7 Spatial distributions of (a) 17 stations with no more than five years’ missing records and (b) 10 stations with full records
圖8 1911~2010年基于45個站(T45)、缺測不少于5年的17個站(Tamiss_5yr)和資料完整的10個站(Tamiss_0yr)、825站(T825)訂正資料構(gòu)建的氣溫序列Fig. 8 Annual time series of the mean temperature in China during 1911-2010 using the results of T45, Tamiss_5yr, Tamiss_0yr, and T825,respectively
進一步地,為了完全避免資料缺測可能造成的均一性檢驗和訂正的不確定性,基于20世紀40年代資料完整的10個臺站,對比分析了均一化氣溫構(gòu)建序列(Tamiss_0yr)和氣溫原始資料構(gòu)建序列 (Tmiss_0yr)的差異。如圖9所示,這兩條序列站點數(shù)量等其他條件完全相同,因此可以更純粹地反映均一化處理的影響。二者在1951~2010年都表現(xiàn)為明顯的增暖,氣溫變化趨勢也相差不大,分別為2.01°C/100 a和1.93°C/100 a;而1911~1950年期間,Tmiss_0yr明顯偏高,其增暖速率達到3.58°C/100 a,明顯高于Ta_miss_0yr的增暖速率 (2.30°C/100 a)。特別是在20世紀20~40年代,Tmiss_0yr序列表現(xiàn)出了顯著的暖期,而Tamiss_0yr序列在這一時段則沒有明顯的偏暖。由以上分析可知,均一化后的氣溫序列Tamiss_0yr在1951~2010年期間的變化趨勢與Tmiss_0yr接近,而在1911~1950年,前者的變化趨勢明顯低于后者。相應地,Tamiss_0yr序列沒有表現(xiàn)出20世紀40年代的偏暖特征。進一步證實了資料未經(jīng)均一化處理可能是20世紀40年代出現(xiàn)氣溫偏暖的主要原因,這個在早期研究結(jié)果中十分突出的偏暖期可能是虛假的。
圖9 基于資料完整的10個臺站資料構(gòu)建的訂正(Tamiss_0yr)和原始(Tmiss_0yr)氣溫序列Fig. 9 Annual time series of the mean temperature in China during 1911-2010 calculated by raw (Tamiss_0yr) and adjusted (Tmiss_0yr) data from the ten stations with full records
利用最新收集整理的氣溫觀測資料,通過重建早期研究的代表性成果WYG序列,針對20世紀40年代“暖期”是否存在這一焦點問題進行了深入分析,本文探討了早期氣溫資料缺失和非均一性對中國百年氣溫序列變化趨勢的影響。結(jié)果表明:
(1)利用原始器測資料成功還原了WYG序列,并再現(xiàn)20世紀40年代的“暖期”;在此基礎上,采用相同的序列構(gòu)建方法,分別利用經(jīng)過插補、均一化處理的觀測資料建立中國近百年氣溫序列,前者 “暖期”仍然存在,后者則“暖期”消失。
(2) 基于插補后資料構(gòu)建的中國百年氣溫序列在20世紀40年代仍然存在“暖期”,說明資料缺失可能不是暖期形成的主要原因。進一步通過比較不同數(shù)量臺站構(gòu)建的多條序列發(fā)現(xiàn),對于20世紀40年代“暖期”存在與否這一問題,資料缺測和觀測臺站的減少并不是主要影響因素。
(3)基于均一化資料構(gòu)建的全國氣溫序列在20世紀40年代并未出現(xiàn)突出的偏暖現(xiàn)象,因此原始觀測資料的非均一性很可能是導致20世紀40年代出現(xiàn)虛假偏暖的主要原因。由臺站歷史沿革可知,20世紀50年代初頻繁的站址遷移是造成這種非均一性的最大原因。
(4)采用早期序列的構(gòu)建方法,基于20世紀40年代資料完整站點均一化資料計算的中國百年氣溫序列在1911~2010年的變化趨勢為1.41°C/100 a,大于早期大部分研究的估算結(jié)果。
相對于以往的大部分工作,本文考慮了氣溫觀測時間不連續(xù)性、臺站遷移、觀測時制不統(tǒng)一等對資料非均一性的影響,對數(shù)據(jù)進行了插補和均一化處理。在成功還原WYG序列的基礎上,采用同樣的序列構(gòu)建方法,分別利用插補、均一化處理后的數(shù)據(jù)重新得到中國近百年氣溫變化序列,并比較分析與WYG序列的差異,更細致地從資料缺失、非均一性等多角度探討了資料問題對20世紀40年代 “暖期”的影響。需要指出的是,盡管在20世紀40年代資料缺失和觀測臺站減少的影響不起決定性作用,但這是由于該時段有效臺站數(shù)量不算太少,大體上分布均勻并可代表全國廣大地區(qū)。實際上,當臺站個數(shù)極少的情況下,臺站數(shù)變化的影響還是十分重要的。因此,對于中國百年氣溫序列的構(gòu)建來說,早期資料和臺站較少的影響仍需得到足夠重視。現(xiàn)有的中國氣溫百年序列存在的不確定性,尚有進一步完善的潛力。