1951—2014年中国北方地区季节气温突变与变暖停滞年份的时空变异性

　　摘要：利用中国北方357个气象站1951-2014年的季(月)平均最低气温，平均气温和平均最高气温数据，应用Mann-Kendall检验等方法，分析了中国北方地区三类气温季节突变与变暖停滞年份时空变异性。结果表明：平均最低气温、平均气温和平均最高气温各季节整体随纬度降低突变和变暖停滞年份变晚，突变至变暖停滞周期缩短。东北春、冬季突变和变暖停滞整体最早(20世纪70年代至80年代、1993-2002年)，华北次之，西北最晚(20世纪80年代至21世纪前10a、1996-2010年);夏、秋季突变华北最早(20世纪70年代和90年代).东北次之，西北最晚(20世纪90年代至21世纪前10a)，变暖停滞年份地区差异较小。平均最高气温未突变和平均最低气温未停滞站点较多，均主要分布在山地、高纬度地区和华北平原南部，其周边区域突变及停滞年份相对偏晚。同类气温突变和变暖停滞年份整体上分别按冬(1981-1990年)、春、秋、夏季(1994-2008年)和冬(1995-2008年)、秋、夏、春季(1998-2010年)顺序依次变晚，冬一春一秋→夏季突变至变暖停滞周期依次缩短。春、夏和冬季均为平均最低气温整体突变最早(1972-1999、1987-1999、1971-2000年)，平均气温次之，平均最高气温最晚(1975-2008、1994-2008、1972-2006年)，秋季与之不同。春、夏季整体按平均最低气温(1994-2008、1997-2008年)、平均气温、平均最高气温(均为1997-2010年)停滞依次变晚，秋、冬季与之相反。各季节突变至变暖停滞周期整体按平均最低气温(9-18a)、平均气温和平均最高气温(5-12a)依次缩短。夏季三类气温均在华北南部(低纬度)突变最早，与研究区整体规律相悖，该地区大部分站点未停滞，亦与突变早停滞也早的整体规律不同。

　　关键词：季节气温;突变;变暖停滞;时空变异性;中国北方地区

　　近百年来，全球和区域范围内热量资源、降水、水资源变化显著，空间分布不均状况加剧，各种尺度上的高温、暴雨、干旱等极端气候事件频发，不仅破坏自然生态，而且造成经济损失，甚至威胁人类生存吗，研究表明，这些变化与气温突变及变暖停滞紧密相关，揭示气温突变与变暖停滞特征及规律对于在全球范围深入了解气候变化、防灾减灾及改善生态环境等具有重要意义。气候突变表现为气候在时空上从一个统计特性到另一个统计特性的急剧变化”，冰芯同、孢粉、近2000a冰期和间冰期气候回等证明气候突变具有时间尺度的广泛性。中亚叫、亚洲东北部以及中国的南方调、华北平原心国等地区在近几十年均发生气候突变，证明气候突变在空间尺度的广泛性。研究表明，全球在20世纪发生3次较明显的气候突变国，但不同地域和时段表现不同，如中亚在80年代突变，冬季气温对升温贡献最大，90年代中期以后东北亚夏季地表气温突变吗，中国南方地区冬季三类气温整体突变于90年代吗，华北平原在1991-1994年突变以后春季升温最快吗。

　　气温突变后的变暖停滞是指气温上升达到一定数值后，不再上升甚至呈下降趋势。全球变暖是否停滞是近年来气候研究的热门话题”，存在一定争议。相关研究表明，欧亚大陆1嚼、中国]、北美四、北大西洋四、北半球热带外大陆四等地区在突变以后均出现变暖停滞现象，30°~40N及40°-60S出现两个变冷带四，1998年很可能是全球变暖停滞的起始年四，从年代际太平洋振荡(IPO)变化推测该现象可能会维持30a]。部分学者则认为21世纪全球变暖并未停滞，该现象只是长期气候变化中的小波动。

　　全球气候变暖背景下，中国南方大部分地区未发生突变或明显突变，中国北方地区则整体增暖趋势明显，其冷暖受到东亚乃至全球大气环流的影响，在响应全球气候变化上具有代表性圆;中国北方地区地域范围广，包含季风气候、温带大陆性气候和高原山地气候等多种气候类型，不同地区及不同气候区之间气候差异显著，具有较强的气候变化典型性四。针对中国北方地区开展的气温变化研究已有很多，涉及整个北方地区回及其内部的西北、华北5观和东北地区叫等;突变检验因子主要包括年(季)平均气温恐到、气温极值即等;突变检验使用累积距平法国、Mann-Kendall非参数统计法5]、滑动t检验四0等，涵盖的气象站多的在150个左右～确，少的在10个以下，数据序列长度多在50a左右。研究表明，中国北方地区冬季增温比夏季显著，东北、华北冬季气温突变最早网，北方农牧交错带冬季突变最早(1978年)，夏季滞后(1991年)圆，可能是极涡面积、纬向环流及东北冷涡导致了东北地区夏季气温突变叫，黄河流域内蒙古段在20世纪90年代增温最明显，冬季对升温贡献最大。

　　综上所述，国内外有关气温突变与变暖停滞的研究，普遍以平均气温作为研究对象，而平均最低气温、平均气温、平均最高气温涵盖了气温普遍范围，且三者变化特征存在明显差异四，仅揭示平均气温突变与变暖停滞特征不足以涵盖气温普遍范围内的特征，亦对极端气候的形成或影响研究存在一定局限，研究三类气温更有价值和意义。气温突变的相关研究多从年尺度开展，季或月尺度研究偏少;使用的气象测站普遍密度偏小、数据序列相对偏短。有关变暖停滞研究使用的时间序列多为相关学者认为的全球综合变暖停滞年(1998年)至2012年，在一定程度上忽略了区域异质性。对于中国北方地区，普遍以其内部典型区域为研究对象，存在区域范围较小、气象站点密度偏小、数据序列长度偏短、季节分析较少等不足，且气温突变年份和停滞年份多由研究区整体或分区平均水平得出，不能体现空间变异性，特别是针对气温突变后的变暖停滞研究较少，使用大范围高密度站点揭示季节气温突变与变暖停滞年份空间变异性缺乏相应成果。基于此，本文以1951—2014年分布于中国北方地区及其周边的357个高密度气象站点的平均最低气温、平均气温、平均最高气温季(月)数据为基础，开展中国北方地区季节气温突变与变暖停滞年份的时空变异性研究。

　　1、研究区概况、数据与方法

　　1.1研究区概况

　　中国北方地区地域辽阔(图1)，跨度大(介于73°40′~135°2′E、31°9′~53°33′N之间)，包括西北(西北东部包括青海、甘肃、宁夏、陕西和内蒙古西部，西北西部为新疆地区)、华北(河北、山东、河南、山西、内蒙古中部)和东北(黑龙江、吉林、辽宁、内蒙古东部)[33]三大分区，地势相差较大，自西向东横跨三级阶梯，地貌复杂多样，包括沙漠、山脉、丘陵、高原、平原、盆地等;气候类型多样，包括季风气候、温带大陆性气候和高原山地气候，自西到东降水介于50~1200mm之间，气温介于-13~23℃之间。

　　1.2使用的数据

　　本次使用的气象站点共计357个，分布在中国北方及其周边地区，气象站点分布如图1所示。使用的资料为这些站点自建站以来至2014年的平均最低气温、平均气温和平均最高气温年(月)数据。数据来源于中国气象数据网，国家气象信息中心对各气象站点的各类气温数据已进行质量控制，但不排除存在错误数据的可能，因此本文采取气候极值和时间一致性检查等质量控制措施，剔除了4个变化异常的站点(奉节、承德、河曲、库车)，其他站点数据无明显突变点和随机变化，变化相对均一和一致，数据可靠，可以代表研究区气温状况。在插补后形成1951-2014年统一年(月)数据序列，进而形成各站点三类气温春季(3-5月)、夏季(6-8月)、秋季(9-11月)、冬季(12月至翌年2月)气温序列。插补前，相对于1951-2014年统一时段有24.6%的站点数据序列完整，在1951年缺测的站点占72%，在1952-1953、1954-1955、1956-1960、1961-1970年间缺测的站点分别占68.1%、46.2%、35.3%、7.8%(其间个别年份缺测)，8.4%的站点在其他年份缺测(如1971、2009年等)。

　　1.3数据处理及使用的方法

　　1)对于缺测数据的插补延展，采用相关及回归分析法。通过插补，形成各站点1951-2014年统一数据序列。

　　2结果分析

　　2.1气温突变与变暖停滞年份的确定

　　对357个站点四季各类气温时间序列突变与变暖停滞年份进行了检验确定，限于篇幅，时间序列变化情况以东北、华北和西北地区各自代表性站点图示给出，图2为哈尔滨、石家庄和兰州1951-2014年各季节平均气温突变与变暖停滞时间序列变化情况。三类气温各分区分时段发生突变的站点数量情况见表1至表3。

　　由表1至表3可知，平均最低气温，东北地区春、秋季气温突变主要集中在20世纪80年代(两季节在该时段突变的站点分别占该地区站点总数的59.8%、49.5%，以下类似所占百分比简写)，夏、冬季分别在90年代和70年代突变最集中(63.9%、58.8%);华北春、夏季(44.3%、43.2%)和西北春、夏、秋季(52.3%、47.7%、50.3%)均在90年代最集中，冬季均在80年代最集中(50.0%、49.7%)，华北秋季较为特殊，在80年代和90年代均较集中且站点数量一致(34.1%)。平均气温中，东北春、冬季气温突变在70年代最集中(72.2%、63.9%)，华北和西北冬季在80年代最集中(63.6%、40.4%)，此外，各地区其他季节气温均在90年代最集中，如东北夏(66.0%)、秋季(48.5%)，华北和西北春(60.2%、50.9%)、夏(54.5%、47.7%)、秋季(50.0%、54.3%)。平均最高气温与平均气温情况类似，同一地区，各季节于90年代最集中，如东北夏季(75.3%)，华北春、夏、秋季(61.4%、45.5%、48.9%)，西北夏、秋、冬季(43.0%、68.9%、43.7%);东北春、冬季(47.4%、56.7%)和华北冬季(58.0%)在80年代最集中;东北秋季和西北春季在21世纪前10a最集中(63.9%、64.2%)。

　　2.2气温突变年份的时空变异性

　　研究区1951—2014年各季节平均最低气温、平均气温、平均最高气温年际突变年份空间分布情况见图3。

　　由图3可知，三类气温指标中，春季平均最低气温整体突变最早，主要介于1972—1999年，该时段站点占所有站点的81.2%，平均气温次之(1975—2007年，89.6%)，平均最高气温最晚(1975—2008年，91.3%)。未突变站点，平均最低气温(7个)集中分布在秦岭地区，平均最高气温(14个)主要分布在中国地势第二、三级阶梯分界线两侧、阴山、长白山和河南中北部，其周边区域突变整体偏晚(21世纪初)。东北(20世纪70年代至80年代前中期)整体早于华北(20世纪80年代中后期至21世纪初)和西北地区(20世纪90年代至21世纪初)。除新疆和青海外，三类气温整体随纬度降低突变变晚;东北平原内部的三江平原至其北部突变较早，该地区整体按三类气温(1973—1979、1970—1978、1967—1978年)顺序依次变早，与研究区整体规律相反。季风气候区随纬度降低突变变晚，温带大陆性气候区整体由东向西突变变晚，高原山地气候区整体趋势不一致，可能与不同类型气温间高原积雪反照率和冰川融化吸热对增温的减弱作用具有区域差异性有关[34]。

　　夏季，平均最低气温整体突变最早(1987—1999年，69.8%)，平均气温次之(1989—2004年，68.4%)，平均最高气温最晚(1994—2008年，74.2%)。未突变站点，平均最低气温(5个)分布于新疆西北部、青南高原东部、华北平原和东北长白山南部，平均气温(8个)分布在华北(117.5ºE左右)、秦岭西部和山西南部，平均最高气温(25个)分布在长白山、阴山西部、华北平原北部(山东中部，山地富集)、新疆准噶尔盆地西邻、秦岭西部及以西地区，其周边区域突变亦较晚。三类气温在华北西南部突变最早(1970年前后)，华北北部和东北地区突变时间整体差距不大(20世纪80年代末至21世纪初)，新疆西北部(准噶尔盆地以西)个别站点突变亦较早(20世纪70年代初)。西北地区(20世纪90年代中期至21世纪前10a中期)整体晚于华北和东北地区，甘肃及青海东南部突变最晚(21世纪前10a中期)。除华北南部，研究区整体有随纬度降低突变变晚的微弱趋势。

　　秋季平均气温整体突变最早(1982—2001年，85.2%)，突变于20世纪80年代的站点在研究区广泛分布，平均最低气温(1982—2002年，77.0%)则偏早于平均最高气温(1987—2006年，90.5%)，两者在1993—1996年突变的区域面积分别约占研究区的1/2和1/3以上。平均最低气温随纬度降低突变变晚;平均气温在高海拔地区突变偏晚，河南地区相反;平均最高气温在105°E两侧分别自西向东突变变晚。未突变站点，平均最低气温(5个)分布在青海东北部、长白山南部、大兴安岭北部等地，平均气温(4个)与平均最高气温(5个)均分布在天山西部、秦岭东部、长白山东部、大兴安岭北部等地，其临近站点突变普遍较晚。平均最低气温，东北地区(1978—1990年)突变整体早于华北和西北地区(1981—2001年);平均气温按华北(1980—1999年)、东北(1980—1999年)和西北地区(1984—2001年)顺序依次变晚，几乎全部介于1990—1996年之间;平均最高气温则按东北(1996—2001年)、西北(1987—2001年)和华北(1985—1999年)顺序依次变早。

　　冬季，平均最低气温(1970—2000年，92.7%)、平均气温(1972—2001年，92.4%)、平均最高气温(1975—2006年，86.8%)突变整体依次变晚，均随纬度降低突变变晚。三类气温均在青南高原突变最晚，且整体依次变晚(1993—2002、1993—2005、1999—2005年);东北西北部和新疆西北部突变最早，三类气温依次变早(1970—1975、1965—1973、1960—1972年)。平均最低气温未突变站点(4个)分别分布在大兴安岭南部、阴山西部和青南高原，平均气温全部突变，平均最高气温未突变站点分布在东北大兴安岭、长白山和天山地区。东北地区(20世纪70年代至80年代)整体早于华北(20世纪80年代至90年代中期)和西北地区(20世纪80年代至21世纪初)，东北西北部和新疆西北部最早(1970年前后)，青海最晚(1984—1999、1984—2001、1997—2006年)。

　　综上，各季节不同地区的突变时间整体差异较大，空间变化规律亦不尽相同，20世纪突变的区域面积整体按平均最低气温、平均气温和平均最高气温顺序依次增大。各季节三类气温整体随纬度降低突变变晚，春、冬季最明显，夏、秋季在东北部分地区突变则较晚，尤其平均最高气温(20世纪90年代末至2001年)。除春、冬季平均气温全部突变外，其他季节三类气温均有未突变站点，其集中区域的周边地区突变偏晚，而华北部分地区未突变可能与人类活动导致气溶胶浓度增大进而影响气温变化有关[14]。特别地，夏季三类气温在纬度较低的河南地区突变最早(20世纪70年代前后)，与研究区整体随纬度降低突变变晚的总体趋势相悖，这可能与夏季大气环流被河南地区西邻高山阻隔导致人类活动气溶胶浓度增大有关。

　　《1951—2014年中国北方地区季节气温突变与变暖停滞年份的时空变异性》来源：《自然资源学报》2018年12期，作者：梁珑腾;马龙;刘廷玺;孙柏林;周莹;柳杨。

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