近50年淮河流域氣溫時空變化及其與PDO的關系

田立鑫, 韓 美, 徐澤華, 孔祥倫, 朱繼前

(山東師范大學 地理與環境學院 “人地協調與綠色發展”山東省高校協同創新中心, 濟南 250358)

全球氣候系統的變暖仍將繼續，在IPCC第5次評估報告中指出全球平均地表溫度自1951年以來上升了0.72℃，至21 世紀末全球平均溫度將升高0.3～4.5℃[1-2]。就我國氣溫變化來說，近百年來不同地區存在明顯的差異[3-5],但總體變化趨勢與北半球大體一致[6]。淮河流域地處我國南北氣候過渡區，具有重要的地理意義，對全球氣候變化十分敏感[7]，其氣候要素的研究成為近些年來的熱點[8-10]。王珂清等分析了淮河流域1961—2008年的年平均氣溫發現冬季增溫幅度最大，空間上春、秋、冬三季節全流域大部分地區平均氣溫均呈現上升趨勢[11]。高超等研究發現淮河流域年平均氣溫在90年代中后期顯著升高，在季節變化上冬季增溫速率較快，并預測在2011—2060年該地區氣溫將持續升高[12]。葉正偉等運用綜合線性回歸、距平、小波和重標極差分形等時間序列分析方法，發現1960—2015年淮河流域不同類型氣溫呈現上升趨勢[13]。葉金印等對淮河流域氣象要素的時間和空間特征進行分析，發現流域年平均氣溫變化有明顯的空間差異性，且全流域年平均氣溫均呈上升趨勢[14]。為了更好地解釋不同區域氣溫變化的現象，許多學者對大氣環流因子與氣溫變化的關系展開研究[15-20]，太平洋年代際振蕩(Pacific Decadal Oscillation,以下簡稱PDO)是中北太平洋海溫年代際循環的海洋現象[21-23]，被認為是影響北半球氣候變化的重要模態，會對區域氣候變化產生極為復雜的影響[24]。許多國外學者已經就PDO指數和北太平洋等地區的氣候變率之間的關系展開研究[25-27]，丁一匯等研究發現近百年全球氣溫的快速增溫期與趨緩期(或停頓期)與PDO(太平洋年代際濤動)的位相變化有很明顯的相關，PDO處于正位相時，全球處于增暖期(20世紀20—40年代和80，90年代),PDO處于負位相時則對應全球增溫的停滯階段(20世紀50—70年代和1998—2014年)[28]。我國的一些學者也就PDO與溫度的關系展開研究，徐憶菲等分析了我國1951—2013年冬季月平均氣溫與PDO在年際和年代際時間尺度上的相關關系，發現當PDO處于年代際正(負)相位時，我國氣溫普遍偏高(低)[29]；秦劍等指出云南夏季氣溫與春季太平洋年代際濤動(PDO)指數具有較強的正相關關系[30]。

近些年來，有關淮河流域氣溫變化的研究多集中在對不同類型氣溫時空變化過程的研究中，但鮮有學者將PDO指數與流域氣溫相結合，探討PDO和流域年平均氣溫之間存在的聯系。本文在先前學者研究成果的基礎上，通過近52 a淮河流域67個站點觀測的年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫資料，運用線性傾向估計、Mann-Kendall 檢驗、空間插值等方法系統探討1965—2016年淮河流域不同特征氣溫在全球氣候變暖影響下的時空變化特征以及突變狀況；并運用連續小波(CWT)、交叉小波變換(XWT)和小波相干譜(WTC)對流域年平均氣溫和PDO(太平洋年代際濤動)的周期特征進行研究，以期為研究淮河流域氣候變化研究提供科學依據。

1 試驗材料與方法

1.1 研究區概況

淮河流域地處我國東部，位于110°22′—121°52′E，29°27′—36°12′N，面積約27萬km2，流域發源于河南南部桐柏山太白頂北麓，由淮河及沂沭泗兩大水系組成，入江蘇境內洪澤湖。流域東臨黃海，南以大別山、江淮丘陵等與長江分界，北以黃河南堤和泰山為界[31]。淮河流域除去西部、西南部及東北部為山區、丘陵區以外，其余均為廣闊的平原。流域地處中國南北氣候過渡帶，以南屬亞熱帶區，以北屬暖溫帶區[32-33]。淮河流域多年平均降水量約為920 mm，并由南向北遞減，由于流域內氣候的過渡性和不穩定性，導致淮河流域旱澇災害頻繁，生態環境較為脆弱[34]。

1.2 數據來源及處理

本文研究的氣溫數據來自中國氣象局國家氣象信息中心(NMIC),網址為http:∥data.cma.cn/。選取淮河流域67個數據序列完整的氣象站日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫資料(圖1)，并將時間統一訂正到1965—2016年。文中所指的平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均為一年中每日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫的合計平均。為了滿足研究需求，NMIC對數據質量進行評估，以確保數據的可靠性和連續性。PDO指數資料來自http:∥research.jisao.washington.edu/pdo/PDO.latest[35],資料時間段為1965—2016年。

圖1 淮河流域氣象站點分布

1.3 研究方法

1.3.1 趨勢性和突變性分析方法 趨勢分析分別采用線性傾向估計和Mann-kendall趨勢檢驗兩種方法。采用線性傾向估計來分析淮河流域3種不同類型氣溫在時間上的年際變化趨勢。Mann-kendall檢驗[36]是世界氣象組織(WTO)推薦的一種非參數檢驗法[37]適用于類型變量和順序變量[38]，本文運用此方法分析流域在空間上的氣溫變化趨勢和突變狀況。

1.3.2 Sen′s斜率估計 Sen′s趨勢分析中數據不需要服從一定的分布，受異常值干擾較小，對測量誤差或離群數據具有較強的規避能力[39]，能夠很好地揭示時間序列的突變和趨勢變化[40-41]。

1.3.3 周期分析 運用連續小波(CWT)在時頻域中分析年平均氣溫序列的年代際振蕩，交叉小波變化(XWT)和小波相干譜(WTC)探討年平均氣溫與PDO(太平洋年代際濤動)之間的多時間尺度相關關系，具體方法過程詳見文獻[17,42]。

2 結果與分析

2.1 淮河流域氣溫年際變化特征

將1965—2016年52 a的年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫變化趨勢進行對比(圖2)，可以看出三者的氣溫變化趨勢大體一致，呈現逐步上升的趨勢。流域年平均氣溫最小值出現在1969年(13.88℃)，最大值出現在1993年(16.32℃)，多年平均氣溫為14.99℃；年均最高氣溫在18.79℃(1984年)到21.20℃(1993年)之間變化；年均最低氣溫最小值為9.57℃(1969年)，最大值為12.36℃(2016年)。年平均、最高、最低氣溫在1965—1990年接近84%的年份處于負距平。就年平均氣溫來說，1992年前后氣溫呈顯著上升趨勢，之后各年的平均氣溫高于流域整個時段的年平均氣溫。從年際變化上升趨勢來說，5 a滑動最低氣溫曲線較5 a滑動最高氣溫曲線以及5 a滑動平均氣溫曲線變化更為劇烈，表明年最低氣溫的上升幅度最為明顯，這也說明增暖現象在最低氣溫上表現得更加突出。與國內外一些研究結果得出的結論“全球地表溫度的升高過程中大多數地區在最低氣溫的上升幅度明顯高于最高溫度”[43-44]一致。

2.2 淮河流域氣溫空間分布特征

通過對淮河流域67個氣象站點1965—2016年年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫實測溫度數據進行Kriging空間插值(圖3)，可以看出淮河流域各地年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的變化在空間上具有高度一致性，不同特征氣溫在空間上呈現出從南向北遞減的趨勢。南部黃山地區以及流域北部的沂蒙山和大別山山區海拔較高，受地形的影響，根據氣溫的垂直遞減規律，三地區年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫均為淮河流域明顯的低值中心。淮河流域平均氣溫的變化范圍為8.2～16.9℃，溫度最高值出現在安慶附近，為16.99℃；淮河流域的最高氣溫在11.53～22.16℃之間變化，在祁門地區附近溫度最高；最低氣溫在5.5～13.84℃之間變化，安慶地區附近的最低氣溫的最高值為13.84℃。

圖2 淮河流域不同類型氣溫年際變化特征

2.3 淮河流域氣溫變率空間分布

運用Sen′s斜率估計與(M-K)檢驗相結合的方法對氣溫變化的趨勢和顯著性進行分析，結果顯示淮河流域各個站點的M-K檢驗Z值均為正值，說明該研究區內年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫均呈現上升趨勢。通過對流域不同特征氣溫Sen′s斜率進行空間插值，可以看出流域的平均氣溫升高態勢呈現出東部沿海高、西部內陸低的空間格局，而最高氣溫在流域西南部升溫較為顯著，最低氣溫在流域西北地區的升溫較為明顯。

圖3 淮河流域不同類型氣溫空間分布

年平均氣溫的M-K趨勢檢驗中淮河流域有95%(64個)的站點呈極顯著增溫趨勢(圖4)，其中盧氏站和碭山站的氣溫變化率分別為0.095℃/10 a和0.115℃/10 a，通過了90%和95%的置信度檢驗，而許昌站氣溫上升率僅為0.05℃/10 a，未通過置信度檢驗，表明該地年平均氣溫的上升趨勢不顯著。從總體空間分布上來看，除許昌站外，各個站點年平均氣溫均通過了置信度檢驗，說明大部分地區年平均氣溫呈明顯的上升趨勢，流域內站點的M-K檢驗Z值呈現東南高于西北的特點，體現了明顯的地域分異規律。

在年平均最高氣溫的M-K趨勢檢驗中淮河流域有45個站點檢驗統計量|Z|>2.576，通過99%的置信度檢驗，氣溫顯著上升(圖5)；12個站點通過了95%的置信度檢驗,零散分布在流域中部和北部；6個站點通過了90%的置信度檢驗，主要集中在流域中部地區；而開封等4個站點未通過90%的置信度檢驗，年平均最高氣溫的上升趨勢不顯著。整體來看，空間分布上，淮河流域西南地區M-K檢驗Z值較高，升溫較東部和中部地區更為顯著。

在年平均最低氣溫中除許昌站外其余66個氣象站點的檢驗統計量Z均大于2.576，通過了99%的置信度檢驗，年最低氣溫呈極顯著上升趨勢(圖6)。與年平均氣溫、年平均最高氣溫相比，淮河流域年平均最低氣溫的上升趨勢更為明顯。

圖4 淮河流域年平均氣溫空間變化趨勢

圖5 淮河流域年最高氣溫空間變化趨勢

圖6 淮河流域年最低氣溫空間變化趨勢

2.4 淮河流域氣溫突變檢驗

應用Mann-Kendall突變檢驗方法對1965—2016年淮河流域氣溫序列進行突變分析，發現(圖7A)的正序列曲線UF與反序列曲線UB在1996年存在交點并位于0.05信度線內，說明流域年平均氣溫突變時間為1996年，并在1998年開始顯著升溫。最高氣溫(圖7B)與最低氣溫(圖7C)的UF與UB曲線在1992年存在交點，表明兩者的突變年份均為1992年，說明最高氣溫在1992年發生了由低到高的突變，并在2002年氣溫顯著上升；最低氣溫于1992年發生突變，并在1993年升溫顯著。最高氣溫和最低氣溫都呈現“上升—下降—上升—顯著上升”的變化過程，而平均氣溫在1983—1990年期間UF統計量為負值，說明在這個期間淮河流域的平均氣溫是呈現下降趨勢的。總的來看淮河流域氣溫都在90年代呈現突變性增溫，但平均氣溫的突變要滯后于年平均最高和最低氣溫。

圖7 淮河流域不同類型氣溫突變檢驗

2.5 淮河流域年平均氣溫與PDO的關系

2.5.1 基于連續小波轉換的年平均氣溫和PDO的振蕩特征 淮河流域年平均氣溫和PDO指數在不同時間段呈現出各種振蕩周期(圖8)。年平均氣溫在1989—1998年之間存在1.3～5.5 a的顯著周期(通過置信度水平95%的紅噪聲檢驗)；PDO指數在1989—1998年、1994—2001年分別存在4.2～5.5 a，8.5～9.8 a的顯著周期(通過置信度水平95%的紅噪聲檢驗)，而在2001—2014年之間存在1.3 a的顯著周期，但位于影響錐之外，未通過顯著水平α=0.05下的紅色噪音標準譜檢驗。對比可知，淮河流域年平均氣溫和PDO指數在一定階段存在時頻域相關。

2.5.2 淮河流域年平均氣溫和PDO交叉小波變換和小波相干譜分析 對淮河流域年平均氣溫和PDO(太平洋年代際濤動)進行交叉小波變換(XWT)和小波相干譜(WTC)分析，進一步分析淮河流域年平均氣溫和PDO在周期上的共同特征。交叉小波變換重點突出淮河流域年平均氣溫和PDO在高能量區的相互關系，相干小波變換則重點突出淮河流域年平均氣溫和PDO在低能量區的相互關系。從圖9A中看出，交叉小波功率譜高能量區在1989—1999年表現出3～6 a的共振周期(通過了通過置信度水平95%的紅噪聲檢驗)，平均位相角接近垂直向上90°，則位相譜年平均氣溫變化位相比PDO提前。從小波相干功率譜低能量區(圖9B)中可以看出，在1990—1993年存在2～4 a的共振周期(小波相干譜相關性通過置信度水平95%的紅噪聲檢驗)，年平均氣溫與PDO呈正相關，前者比后者提前兩個月(平均相位角右向上60°)；在1991—1997年存在2.5～5.5 a的共振周期且接近同位相變化。

注：黑色細實線為小波邊界影響錐部分，通過置信水平為95%的紅噪聲檢驗的部分用粗黑實線表示。
圖8 連續小波變換功率譜年平均氣溫、PDO

注：圖A是淮河流域年平均氣溫與PDO的交叉小波功率譜，圖B為淮河流域年平均氣溫與PDO的相干小波功率譜；細實線為影響錐，在該細實線以外的功率譜不予考慮；粗實線圈出的范圍通過了為95%顯著性水平檢驗下的紅噪聲檢驗；箭頭表示相對位相差，→表示年平均氣溫和PDO同位相變化，←表示年平均氣溫和PDO反位相變化，↓表示年平均氣溫變化位相比PDO變化位相落后90°，↑表示年平均氣溫變化位相比PDO變化位相提前90°。
圖9 平均氣溫與PDO的交叉小波功率譜、相干小波功率譜的關系

2.5.3 PDO冷暖相位轉變對淮河流域氣溫的影響 為了進一步探究淮河流域氣溫與PDO之間的聯系,我們根據PDO的年代際振蕩特征，對研究時段進行冷暖相位劃分，將PDO指數進行11 a滑動平均處理，指數大于零(小于零)則稱為PDO暖相位(冷相位)[45]，通過分析結果可知在研究時段內1965—1976年基本處于冷相位，1977—2000年PDO轉變為暖相位，2001—2016年PDO又向冷相位發展。通過對流域不同相位下的年平均氣溫進行插值，由插值結果可知當PDO處于冷相位時，淮河流域的年平均氣溫比PDO處于暖相位時年平均氣溫高(圖10)。這與以往研究發現的在PDO暖位相期，長江中下游地區的氣溫異常偏低是一致的[46]。從冷暖相位的年平均氣溫差插值圖中可以看出，流域中部地區在PDO冷相位與暖相位時的氣溫差異較小。由此可見，PDO處于不同相位時地區氣溫的變化也會產生差異。

3 討 論

淮河流域年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的突變時間均在20世紀90年代發生突變，3類氣溫突變前后均呈上升趨勢，與1950年以來全球氣候變暖狀況加劇相呼應[47]。

PDO作為一種年代到年代際時間尺度上的氣候變率強信號,可直接影響太平洋及其周邊地區(包括中國)氣候產生年代際變化[46]，對區域乃至全球氣候變化具有重要的影響[48-51]。在國內相關學者主要探討了PDO對中國降水[42]、季節性氣溫[52]、氣候變率[46]、干濕變化[53]等方面的影響，而對局域范圍內PDO與年際尺度氣溫之間的關系研究較少。本文利用小波分析等方法，探討了淮河流域氣溫與PDO之間的關系，發現淮河流域平均氣溫存在1.3～5.5 a的顯著周期，PDO在4.2～5.5 a存在顯著周期，雖然尺度上并不能完全對應，但有交叉部分，表明淮河流域年平均氣溫與PDO有相似的震蕩周期特征。在高能量區淮河流域年平均氣溫和PDO的相關性主要體現出3～6 a的共振周期，在低能量區兩者存在2～4 a和2.5～5.5 a的共振周期，表明PDO對淮河流域年平均氣溫在較短年際周期交替上有重要的影響。

圖10 PDO不同相位所對應的流域年平均氣溫狀況

PDO處于暖位相(即“正相位”)時，熱帶中東太平洋異常暖，阿留申低壓加強，西風加強，北太平洋中西部溫度較低，赤道中東太平洋、北美沿岸和阿拉斯加灣偏暖，大氣環流由此產生變化，直到幾十年之后才逐漸變冷，PDO冷相位(即“負相位”)時，太平洋出現類似于拉尼娜現象，赤道附近的深海冷水涌上洋面，大氣圈變冷[54-57]。由插值結果可知當PDO處于冷相位時，淮河流域的年平均氣溫比PDO暖相位時高(圖10)，朱益民等[46]曾分析了PDO在海洋中的特征及其與東亞大氣環流和中國氣候變率的聯系，其結果與本文結果具有一致性。但在之前眾多學者分析中[29,50,57]，當PDO處于年代際正(負)相位時，氣溫是普遍偏高(低)的，與本文的研究結論存在矛盾，這是淮河流域在1976—1999年溫度的持續升高的積累所致。從PDO不同相位時淮河流域年平均氣溫變化趨勢可以看出，在冷相位時期(1965—1976年、2001—2016年)流域年平均氣溫的變化趨勢線斜率分別為-0.023 7，0.002 9(圖11)。表明在此階段內流域年平均氣溫呈下降趨勢或極不顯著的升溫，PDO的相位轉變是氣候變暖停滯的原因之一[58-59]。

圖11 PDO不同相位時流域氣溫變化趨勢

由于本文所使用數據序列長度有限，在揭示流域長期氣溫時空格局變化上存在局限性和不足。本文對于淮河流域年平均氣溫與PDO的關系只是進行了初步探討，還需進一步分析PDO對研究區年平均氣溫變化的影響機理。

4 結 論

(1) 在流域氣溫時空變化上，流域多年平均氣溫為14.99℃，1965—2016年淮河流域年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均有不同程度的上升，其中年平均最低氣溫的上升趨勢最為明顯，氣溫變化趨勢線斜率為0.039 2。流域氣溫從南向北呈現遞減趨勢，南部黃山地區以及流域北部的沂蒙山和大別山山區海拔較高，受地形的影響，根據氣溫的垂直遞減規律，三地區年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫均為淮河流域明顯的低值中心。

(2) 在氣溫變率的空間分布中，淮河流域各個地區氣溫均呈上升趨勢，但各地增溫趨勢存在差異，流域的平均氣溫升高態勢呈現出東部沿海高，西部內陸低的空間格局，而最高氣溫在流域西南部升溫較為顯著，最低氣溫在流域西北地區的升溫較為明顯。年平均氣溫的突變主要發生在1996年，而年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的突變則稍有提前(1992年)。

(3) 在淮河流域年平均氣溫與PDO的關系上，淮河流域平均氣溫存在1.3～5.5 a尺度的年際振蕩周期，呈現出與PDO指數相似的變化特點。高能量區表現出3～6 a的共振周期,平均氣溫變化位相比PDO提前；低能量區分別存在2～4 a和2.5～5.7 a的共振周期。PDO冷暖相位轉變對淮河流域氣溫變化具有顯著影響，當PDO處于冷相位時，淮河流域的年平均氣溫比PDO暖相位時高。