汉江上游近50多年来气温变化特征与区域差异(上)

    摘 要：依据1960-2011年汉江上游29个气象站数据，采用线性回归分析方法、Mann-Kendall突变检验法、空间插值法及Matlab软件小波分析法对汉江上游近52a平均气温的时空变化特征进行了分析。结果显示：(1)1960-2011年间汉江上游年平均气温呈显著上升趋势，年均温的增温速率为0.104℃/10a；年均温距平在1997年之后以正值为主，尤其在2000-2007年间气温上升趋势更明显。(2)汉江上游年均温突变点出现在1997年。(3)汉江上游年均温具有明显的周期性，29a左右的周期振荡最强，为第一主周期。(4)汉江上游多年年均温的空间分布主要表现为南北低中间高，大致呈纬线方向分布。1997年后与1997年前相比，所有县域年均温整体都有上升，但冷暖中心出现了一定的变化。在1997年之后暖中心范围不断扩大，强度不断加深，而冷中心范围在不断减小，强度在不断减弱。(5)温度变率方面，年均温较高的中间河谷盆地增温较少或略有降温，而年均温较低的河谷两侧低山区增温明显，增温幅度较大。且1997年前后，增温中心明显由气温较高的汉江上游东部向气温较低的西部移动。
    关键词：气温，变化特征，区域差异，汉江上游
    基金项目：国家社会科学基金重点项目(编号：11AZS009)；国家自然科学基金重点项目(编号：41030637)；国家自然科学基金面上项目(编号：41271108)；教育部博士点基金优先发展领域项目(编号：20110202130002)；中央高校基本科研业务费专项基金项目(编号：GK201002015)。
    近百年来全球气候正经历一次以变暖为主要特征的显著变化[1,2]。自20世纪80年代以来，气候学家对全球气候做了大量研究，IPCC第4次评估报告明确指出，近100 a(1906～2005年)地球表面平均温度上升了0.74℃，近50a的线性增温速率为0.13℃/10a[3，4]。在这种全球气候变暖的大背景下，由于人类活动以及自然等因素的综合影响，不断出现大范围的气候异常现象，给社会、经济和人民生活造成了严重影响[5-7]。与全球气候变化相比，中国的气候也发生了显著的变化，近百年气温上升了0.5℃～0.8℃，近50 a(1956～2005年)增暖尤其明显，年均温平均升高了1.25℃[8]，总的趋势在不断上升，但气候变化在各区域却存在明显的区域差异[9-14]。汉江上游是南水北调中线工程的水源地，其区域的气候状况对于保障京、津地区的供水至关重要，同时也有助于当地采取积极有效的措施应对气候变化所带来的极端自然灾害，从而减少不必要的经济损失。正因为汉江上游所处的位置具有重要的地理意义，再加上近些年对气候变化的备受关注，也有学者对此做了一些相关研究。陈华等利用Mann-Kendall检验和空间插值对汉江流域1951-2003年降水气温时空变化趋势进行了研究[15]；冯彩琴等利用线性趋势、距平分析等方法对陕南地区近47年来气候变化特征进行了研究[16]；李小燕等利用Mann-Kendall检验和经验正交函数法对陕南1981-2010年气温变化的时空分布进行了研究[17]。这些研究大多是利用较少的气象站点对陕南汉江上游或汉江整个流域的气温变化特征进行研究，针对汉江上游的研究较少。鉴于此，本文在前面学者的研究基础上，对汉江上游气温变化特征做了更加全面的分析，主要利用汉江上游及其周边的29个气象观测站的气温资料，对其进行空间插值、线性回归分析、气温突变分析和周期分析，为汉江上游短期的气候预测，以及应对气候变化采取有效措施做出一定的贡献，对深入了解汉江上游气候变化规律及成因也具有十分重要的意义。
    1  研究区概况、资料与方法
    1.1  研究区概况
    汉江是长江中游的最大支流，发源于陕西省西南部宁强县北的米仓山，向东南流经陕西南部、湖北西部和中部，并在武汉市入长江。全长1532km，流域面积1.74×105 km2。干流丹江口以上为上游，长约925km，流域面积5.91×104 km2，占全流域面积的37.2%。本文主要研究的是汉江上游(宁强县—丹江口段)，即陕南的汉中市、安康市、商洛市及湖北的十堰市。其北有秦岭山脉与其干流平行，海拔高度在2 500 m以上；南以米仓山、大巴山为界，平均海拔在2 000 m左右[18,19]。汉江上游属北亚热带季风气候区且气候垂直分布明显，流域幅员广阔，光、热和水资源空间差异大，加上区内垂直地带性十分显著，从而形成了多样化的气候地带。作为我国南北气候的过渡地带，该区域是对气候变化极为敏感的一个地区。
    1.2  数据来源及处理
    本文利用汉江上游及其周边地区29个气象站点(图1)1960-2011年间的月平均气温、年平均气温进行研究，这些数据来源于中国气象局国家气象信息中心数据应用服务室和陕西省气象局，具有较好的代表性、准确性和比较性。为保证数据的统一性和完整性，选取汉江上游及其周边地区气象站中气候要素比较完备，分布在汉江上游及其周围不同方位的气象站，对于少部分站点缺少年份的数据(郧西1978-1981，郧县1991-1995)，采用邻近站点多元线性回归进行插补处理，经过订正处理后的29个台站的各要素资料具有较好的连续性。
    1.3  研究方法
    研究中采用距平分析、5年滑动平均距平分析和线性回归分析方法对气温的时间序列进行趋势研究；利用Mann-Kendall突变检验法[20,21]分析气候突变特征，得出序列突变点和可能突变点；采用GIS空间分析技术，用Arcgis9.3地学统计模块中的方法[22,23]进行空间插值，分析气温年代变化的空间分布情况及特征；同时还利用Matlab7.12软件的小波分析[24]工具箱，分析得出气温年际变化的周期，再进行综合分析。
    2  结果与分析
    2.1  气温变化趋势分析
    将29个站点的月、年气温取平均，得到汉江上游年平均气温距平序列，并进行线性趋势拟合。从图2可以看出，近52a来汉江上游地区年平均气温呈上升趋势，趋势增温率为0.104℃/10a(通过0.01水平的显著性检验)，低于近50a来全国的增温速率0.186℃/10a[25]。1979年之前正负距平交叉出现；1980-1989年间以负距平为主；1990-1996年间正、负距平交叉出现；1997年以来以正距平为主。通过5a滑动分析结果也可看出其变化的波动趋势，1978年之前较稳定，1978-2011年间主要有8次明显的波动，1984、1993、2005、2011等年出现波谷，1984年为最冷年份，年均温为13.03℃，比52a来平均年均温低了0.80℃；1979、1988、1999、2007等年出现波峰，2006年为最热年份，温度达到14.80℃，比52a来平均年均温高了0.96℃，尤其是2000-2007年间气温上升趋势较明显，平均气温距平值达到0.47℃，平均气温达到14.31℃，可以看出汉江上游地区在该时段正处于气温偏高时期，这与全国气温的变化趋势大致相同[26]；而2008年以来发现5a滑动平均线开始下降，距平值小，气温有所下降。
    为了更清楚了解汉江上游近52年来气温变化趋势，对各年代际年均温进行统计分析，如表1所示。从表1可知，年均温和年均温距平值均呈现出先增后减再增的趋势，在80年代达到最低，且90年代以来的年均温增温速率比60、70年代快；由各年代的气温倾向率可知，90年代的气温倾向率最高，通过了0.05水平的显著性检验，表明从90年代以来气温回升加速，而2000年以来的气温倾向率为-0.218℃/10a，并结合图2可知，近几年气温有所偏低。
    2.2  气温突变特征分析
    1960-2011年间汉江上游的年平均气温的变化趋势已通过了0.01水平的显著性检验，为了更好地说明其变化趋势，对其再进行非参数统计检验法(Mann-Kendall)，如图3所示。若UF或UB的值大于0，则表示序列呈上升趋势，小于0则表示序列呈下降趋势。由图3可知，汉江上游2000年之前除了1961、1962、1966和1979年外，正序列曲线c1(UF)多在0值以下，说明此时段气温呈波动下降趋势。2000年后正序列曲线c1(UF)均在0值以上，表明2000年以来气温回升，在2007年超过显著性水平0.05阈值线，气温显著增加。正序列曲线c1(UF)和反序列曲线c2(UB)在0.05显著性水平阈值线范围内有一个交点，即突变点。从突变检验得出突变点为1997年，由此可知，这个突变点1997年前后发生了从冷到暖的突变。
    2.3  气温周期特征分析
    图4为汉江上游近52a年平均气温在不同时间尺度上的周期振荡(a)和小波方差图(b)。图(a)中各个时间尺度的正小波变化系数与年平均气温的高温期相对应，用实线绘出；负小波变换系数与低温期相对应，用虚线绘出。正值中心是高温中心，图中用“+”表示；负值中心是低温中心，图中用“—”表示。由小波分析图(a)从上至下可分析得出年均温存在25a以上尺度和20a以下尺度的周期变化，周期中心分别为29a、19a。较大尺度25a上的周期振荡非常明显，期间汉江上游的年均温变化经历了暖-冷-暖的循环交替变化，1980-1995a时间段小波系数值为负，说明期间气温偏低；1962-1977a、1997-2011a时间段小波系数值为正，说明期间气温偏高，尤其是近10多年气温的偏暖化程度加深。在20a以下的较小尺度上，同样存在着冷暖交替的周期振荡，但相对来说不太稳定，主要经历了暖-冷-暖-冷-暖的循环交替变化。小波方差曲线可以进一步确定气温变化时间序列中存在的周期成分，其对应峰值处的尺度即为该序列的主要时间尺度，即主要周期[27,28]。因此，从图4(b)小波方差曲线中可以看出年均温存在19a、29a或更大的周期变化特征，其中年均温的主周期为29a，说明29a左右的周期振荡最强。
    2.4  气温变化空间特征分析
    从汉江上游年平均气温的时间变化特征可以看出，1997年后的年平均气温变化与1997年前相比差异明显。为清楚反映其变化特征，并结合M-K突变检验结果，选1960-2011年间各站点年均温，绘制出汉江上游52年来的年均温和突变点1997年前后年均温及其相应的气温倾向率的空间插值图(图5)。从图5a中可以看出，汉江上游年平均气温的变化范围为11.05℃-15.89℃，郧县、安康、旬阳、白河县周围出现暖中心，郧县的温度最高，达到15.89℃；洛南、留坝、佛坪、镇坪和柞水县周围出现冷中心，洛南县的温度最低，为11.05℃。总体表现为南北低，中间高，大致沿纬线分布。秦巴山地对汉江上游年平均气温的空间分布有较明显的影响，由于留坝、佛坪、洛南等县位于汉江上游北部秦岭南坡，受地形、海拔因素的影响使其年均温较汉江谷地低；另外，受大巴山的影响使安康南部的镇坪县年均温也出现冷中心，且北部秦岭南坡的年均温均较安康南部低。
    由图可知，突变点1997年前后汉江上游多年平均气温整体上均呈现出南北低中间高的特征，对于同一个检测站来说，1997年后(1997～2011)多年平均气温均高于1997年前(1960-1996)，即1997年前后，所有县域年均温整体都有上升，变化范围由10.93℃-15.89℃上升为11.39℃-16.41℃。但其空间分布却存在着一定的地域差异，最高气温由1997年前的郧县变为旬阳县，最低气温均出现在洛南县。1997年前暖中心主要出现在安康中部、十堰北部，1997年后在汉中周围出现了新的暖中心；而1997年前冷中心主要在秦岭南坡和安康南部地区，1997年后在汉中西南部宁强出现了新的冷中心。整体上看，汉江上游在1997年之后年均温的暖中心范围不断扩大，强度不断加深，而冷中心范围在不断减小，强度在不断减弱。
    1960-2011年间，汉江上游气温倾向率的变化范围为-0.03℃/10a-0.46℃/10a。虽然汉江上游整体气温呈显著的暖干化，但不同县域温度的变化情况有着明显的差异。大部分县域呈现增温趋势，局部县域气温略有下降。河谷两侧低山区的镇安、郧西、佛坪、平利增温明显，其中镇安增温速率最大，达0.464℃/10a，远高于近50a来全国的增温速率(0.186℃/10a)；而郧县、商南、宁强县温度略有下降，年均温最高的郧县降温速率最大，平均每10a下降0.033℃。在温度较高的中间河谷盆地区域，郧县整体表现为降温趋势，西乡、汉阴、安康、白河、石泉、紫阳、洋县虽然呈现增温趋势，但增温幅度都很小(0.018℃/10a-0.082℃/10a)。因此，从气温倾向率整体变化来看，年均温较高的中间河谷盆地增温较少或略有降温，而年均温较低的河谷两侧低山区增温明显，增温幅度较大。从图5e、5f来看，1997年前汉江上游东部地区增温明显，郧西增温速率最大，其次镇安增温速率较大；1997年后，则在汉江上游的西部汉中、佛坪、洋县出现新的增温中心，增温中心明显由气温较高的东部向气温较低的西部移动。