西北地區年平均地表溫度時空特征分析

陳笑笑 孫必云 華維

摘要利用西北地區136個氣象臺站1960—2004年逐月0 cm地表溫度資料，采用主成分、旋轉主成分和小波等分析方法，研究了西北地區年平均地表溫度的時空變化特征。結果表明，近45年來西北地區年平均地表溫度表現為明顯的升高趨勢，且升溫的空間分布較為復雜，高溫區和低溫區交錯分布，陜西、甘肅、新疆東北部和新疆南部為高溫區，青海和新疆北部為低溫區。經驗正交分解結果表明，西北地區年平均地表溫度第1特征向量表現了西北全區地溫一致偏高或偏低的變化特征，第2和第3特征向量分別表現出東西及中部與東、西部相反的差異。旋轉經驗正交分解后發現，地表溫度存在5個空間異常區，即西北東部、西北北部、西北中部、新疆南部和新疆中部，其中西北東部區、西北中部區和新疆中部區表現為高—低—高的過程，西北北部區和新疆南部區則為一致的增加趨勢。各異常區年平均地表溫度均存在8～16年或16～32年的長周期，西北北部區還存在4～8年的短周期。

關鍵詞地表溫度；時空特征；西北地區

中圖分類號S161.2文獻標識碼

A文章編號0517-6611（2017）23-0182-04

Analysis of Spatial and Temporal Characteristics of Annual mean Surface Temperature in Northwest China

CHEN Xiaoxiao，SUN Biyun，HUA Wei*

（School of Atmospheric Sciences，Joint Laboratory of Climate and Environment Change，Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province，Chengdu University of Information Technology，Chengdu，Sichuan 610225）

AbstractOn basis of the monthly surface temperature data collected from 136 observational stations in Northwest China（NWC） during 1960-2004，the methods of principal component analysis，rotated principal component analysis and wavelet analysis were used to analyze the spatial and temporal characteristics of annual mean surface temperature in NWC.The results showed that the annual mean surface temperature in NWC in the past 45 years was obviously increasing，and the spatial distribution of the warming was more complicated.High temperature zone and low temperature area staggered distribution，the annual mean surface temperature decreased in Shanxi，Gansu and northeast and south of Xinjiang and increased in Qinghai and north of Xinjiang.The empirical results showed that the first eigenvector showed the consistent high or low of annual mean surface temperature in entire NWC，and the second eigenvectors showed the annual mean surface temperature in eastern NWC are opposite with western NWC，vice versa；the third eigenvectors showed the annual mean surface temperature in mid NWC were opposite with eastern and western NWC，respectively.Rotational experience orthogonal decomposition revealed that the surface temperature abnormal area could be divided into fifth sub regions： eastern NWC，northern NWC，mid NWC，southern Xinjiang and mid Xinjiang.The eastern NWC，mid NWC and mid Xinjiang showed highlowhigh process，northern NWC and southern Xinjiang were the same increase trend.All the sub regions exist 8～16 years or 16～32 years periodic oscillations，only the northern NWC exist 4～8 years periodic oscillation.

Key wordsLand surface temperature；Spatial and temporal characteristics；Northwest China

基金項目國家自然科學基金項目（41405069，91537214）；四川省教育廳重點項目（16ZA0203）；成都信息工程大學中青年學術帶頭人科研基金項目（J201516）；引進人才啟動基金項目（KYTZ201517）。

作者簡介陳笑笑（1995—），女，湖北襄陽人，本科生，專業：大氣科學。*通訊作者，副教授，博士，碩士生導師，從事氣候變化研究。

收稿日期2017-06-07

陸氣相互作用對各種尺度的天氣和氣候變化都存在顯著影響。在陸氣相互作用中，土壤溫度對大氣環流、氣候變化，乃至干旱等災害性極端天氣氣候的作用尤為重要[1-5]。不少學者對我國地溫的變化進行了研究[6-8]，目前相關工作主要集中于冬春季地溫變化，而對整個西北地區地溫年平均地溫的長期演變規律缺少較全面的分析[9-10]。因此，筆者利用1960—2004年西北地區陜西、寧夏、甘肅、新疆、青海和內蒙古等省、自治區136個臺站地表0 cm溫度觀測數據，對近45年西北地區年平均地表溫度的時空變化特征進行分析。

1資料與方法

地表溫度數據采用中國氣象數據網提供的西北地區136個臺站1960—2004年的月平均0 cm地溫資料，該資料經過了較嚴格的質量控制和檢查。采用經驗正交分解（EOF）和旋轉經驗正交分解（REOF）[11]來研究地表溫度的整體空間分布和局地異常敏感區。采用施能[12]定義的氣候趨勢系數分析近45年來西北地區地表的變化趨勢。采用Marr小波分析[13-14]地表溫度變化的多時間尺度變化特征。

2結果與分析

2.1西北地區年平均地表溫度的空間分布

由圖1a可看出，1960—2004年西北地區年平均地表溫度的空間分布較為復雜，受海拔、緯度等影響，地溫高低值區交錯分布。高溫區主要分布在陜西、甘肅以及新疆東部和西南部，年平均地表溫度一般都在10.0 ℃以上，地表溫度的最高中心位于新疆吐魯番，可達17.6 ℃；青海和新疆北部地區為相對低值區，最低中心在青海托勒，年平均地溫僅為1.0 ℃。利用趨勢相關方法分析西北地區年平均地表溫度線性趨勢（圖1b）表明，近45年西北大部分地區年平均地表溫度均表現為顯著的升溫趨勢，僅新疆中部、青海東南部和陜西東南部等地區地表溫度出現降低趨勢，但線性趨勢系數一般較小，未能通過顯著性檢驗。

2.2西北地區年平均地表溫度的空間異常特征

EOF分析表明，前3個模態累計方差貢獻共計72.65%（表1）。從第1模態空間分布（圖2a）可看出，近45年西北地區為一致的正值分布；西北地區東部、中部和西部分別存在大值分布區，正值中心分別位于青海海源（0.95）、甘肅安西（0.91）和新疆若羌（0.91）；這一空間類型方差貢獻為59.08%（表1），反映了受大尺度天氣氣候系統的影響，西北地區地表溫度表現為全區一致的偏高或偏低。第2模態對應的主成分方差貢獻相對較小，為7.84%（表1），說明西北地區年平均地表溫度存在一定的局地變化特征。由圖2b可見，新疆、甘肅和內蒙古為主要的正值分布區，正值中心位于新疆塔城，為0.60；而青海、甘肅南部和陜西則為負值分布區，負值中心在青海河南，達-0.69。這種南北反向的分布特征突出反映了西北地區的北部年平均地表溫度偏高（低）、南部年平均地表溫度偏低（高）的特點。第3模態反映了西北地區中部地表溫度與東、西部相反變化的特點；新疆北部和陜西為主要正值區，正值中心在新疆烏魯木齊，為0.71；新疆南部、青海和甘肅是主要負值區，負值中心在青海班瑪縣，中心值為-0.48（圖2c）。

為進一步研究西北地區年平均地表溫度的局地特征，取前10個模態（累積方差達87.06%）進行旋轉，按旋轉載荷向量絕對值>0.4的地區基本布滿全區位標準，得到西北地區年平均地表溫度的5個主要空間異常區（圖3）。第Ⅰ區—西北東部區，包括寧夏、陜西、甘肅南部等地區，大值中心位于陜西寶雞，為0.93，方差貢獻為23.88%；第Ⅱ區—西北北部區，大值區包括新疆北部和內蒙古等地，中心在新疆阿勒泰市，為0.94，方差貢獻為16.55%；第Ⅲ區—新疆南部區，大值區主要為新疆南部，中心在新疆莎車縣，達-0.84，方差貢獻為12.18%；第Ⅳ區—西北中部區，大值區包括青海、甘肅和新疆東南部等地區，中心在甘肅合作市，為0.81，方差貢獻為21.33%；第Ⅴ區—新疆中部區，大值區在新疆中部區，中心在新疆庫車縣，為0.74，方差貢獻為3.23%。

安徽農業科學2017年

2.3西北地區年平均地表溫度的時間演變特征

2.3.1各異常區代表站年平均地表溫度的年際變化。

以各異常區旋轉載荷向量值最大站點為代表站進行該異常區年平均地表溫度的變化趨勢分析，由圖4可見，西北東部區（代表站寶雞）近45年來年平均地表溫度經歷了高—低—高的過程，20世紀60年代初到70年代末，盡管其年際變化非常明顯，但其變化趨勢相對較為平緩，主要表現為降溫趨勢；1978年前后年平均地表溫度開始再次降低，到90年代前期達到最低，1995年后年平均地表溫度明顯升高。西北北部區（代表站阿勒泰）年平均地表溫度在20世紀70年代之前為較明顯的降溫趨勢，70年代初開始顯著升溫，一直持續到21世紀初期。新疆南部區（代表站莎車）年平均地表溫度近45年中呈明顯的增加趨勢。西北中部區（代表站合作）年平均地表溫度經歷了由低到高的過程，20世紀80年代之前為相對偏低期，80年代到21世紀初為相對偏高期。新疆中部區（代表站庫車）年平均地表溫度為高—低—高的拋物線型，20世紀70年代中期前偏高，70年代末至80年代后期為降溫趨勢，90年代后期開始呈明顯的升溫趨勢。總體來看，西北東部區、西北中部區和新疆中部區年平均地表溫度都經歷了高—低—高的過程，而西北北部區和新疆南部區年平均地表溫度近45年中為較一致的升溫趨勢。

2.3.2各代表站年平均地表溫度周期分析。

由圖5可知，西北東部區（寶雞）年平均地表溫度在8～16年長時間變化尺度上經歷了偏少—偏多—偏少的交替過程；西北北部區（阿勒泰）年平均地表溫度在16～32年長時間變化尺度上主要表現為由低到高的變化周期，而在4～8年的小時間尺度上，表現為低—高—低—高……共3個循環交替過程；新疆南部區（莎車）在16～32年的長時間變化尺度上，該地區年平均地表溫度在20世紀80年代初之前偏低，之后偏高；西北中部區（合作）在16～32年尺度上經歷了由少到多的變化過程，突變時間在20世紀80年代中期；新疆中部區（庫車）年平均地表溫度在8～16年長時間變化尺度上經歷了偏少—偏多—偏少的交替過程。

3結論

（1）受海拔和緯度影響，西北地區年平均地表溫度空間分布復雜，高、低溫區交錯分布，陜西、甘肅以及新疆東北部和南部是西北地表高溫區，青海和新疆北部地區為相對低溫區；近45年來整個西北地區年平均地表溫度基本上都表現為明顯的升高趨勢。

（2）EOF分析表明，受大尺度環流和氣候背景影響，第1模態反映了全區年平均地表溫度一致偏高或偏低的變化特征。西北地區年平均地表溫度也存在東西及中部與東、西部相反的差異。

（3）REOF分析表明，西北年平均地表溫度空間異常區可分為5個，即西北東部區、西北北部區、新疆南部區、西北中部區和新疆中部區。西北東部區、西北中部區和新疆中部區年平均地表溫度均經歷了高—低—高的過程，而西北北部區和新疆南部區年平均地表溫度呈一致的增加趨勢。

（4）小波分析表明，各異常區的顯著周期及其年代變化具有一定差異，各異常區年平均地表溫度均存在8～16或16～32年的長周期，西北北部區還存在4～8年的短周期。

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