松花江流域氣溫時空變化規律

汪 飛, 洪 林, 吐尼亞孜·亞森, 熊繼東, 江洪珊

(武漢大學 水資源與水電工程科學國家重點實驗室, 武漢 430072)

隨著全球氣候變暖，氣候的變化及其影響受到越來越多國內外學者的關注和研究[1-3]。根據IPCC第五次的研究報告[4]，近百年全球變暖已高達0.85～0.89℃。與全球變化相一致，中國氣溫也呈現出增溫特征[5-6]，其增長速率高于同期北半球水平，且在20世紀80年代中后期增溫速率有加大趨勢[7]。氣候變化使得水資源的分布、循環以及生態系統發生改變，使得水土資源之間的矛盾進一步加劇，同時也增加了極端事件發生的可能性[8]。氣溫作為氣候變化的重要指標，對生態系統的變化起著重要的作用。

松花江流域位于我國的東北地區，是我國重要的商品糧基地，氣候變化對區域的發展具有重要影響。目前已有諸多學者對該區域的氣候變化進行了分析和研究，姜曉艷等[9]分析了東北地區的冷暖交替特征；曾小凡等[10]利用距平法探討了松花江流域氣溫和降水的變化趨勢；孫文等[11]研究了全球變暖背景下松花江流域氣溫年內的趨勢和突變特征。以往結果分析了流域內年平均氣溫的變化趨勢，但對年平均最低和最高氣溫以及氣溫序列周期特征的研究相對較少。本文以松花江流域上年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫為研究對象，對其時空變化特征、變異特征和周期特征進行較為深入的研究分析，以期對流域的氣溫變化特征有更為深刻的認識，為當地的農業發展規劃、生態環境保護、水土資源平衡調整提供一定的參考依據。

1 資料和方法

1.1 資料來源

本研究選取松花江流域上分布較為均勻、資料序列相對完整的35個氣象站點，從中國氣象數據網上獲取這35個站點從1956—2015年的年值氣象數據，建立松花江流域年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的數據系列，并對由于遷站、漏測等原因導致的數據缺失項采取線性回歸的方式進行插補，從而研究松花江流域氣溫變化趨勢和規律。松花江流域上的氣象站點的分布如圖1所示。

1.2 研究方法

對松花江流域氣溫變化規律的研究主要包括氣溫的趨勢分析、突變點分析和周期性分析。

圖1 松花江流域氣象站點分布

本文選取線性回歸法并輔以5 a滑動平均趨勢法來研究松花江流域氣溫的變化趨勢[12]，趨勢變化采用氣溫傾向率來定量分析；利用ArcGIS中的空間插值工具得到流域的氣溫變化率分布圖，結合各站點的分布特征和傾向特征分析氣溫在流域空間上的差異性；利用Mann-Kendall(M-K)檢驗法[13]對松花江流域氣溫序列進行突變識別，分析其變化規律及可能存在的突變特征，并結合Pettitt法進行突變結果檢驗；通過Morlet小波分析氣溫變化的周期性特征[14]。

2 結果與分析

2.1 氣溫時空變化分析

2.1.1 氣溫變化趨勢分析 通過線性回歸法和5 a滑動平均法對整個流域上的氣溫序列做趨勢分析，分別得到年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的變化趨勢圖，結果如圖2所示；對氣溫變化的趨勢進行顯著性水平為0.05的非參數統計檢驗，顯著性檢驗結果見表1。

由線性趨勢圖可以看出，松花江流域上的3種氣溫序列均呈顯著的波動上升趨勢，其變化趨勢也基本保持一致，但在增長率上存在一定的差異性。其中年平均最低氣溫的線性增長幅度最大，以0.429℃/10 a的幅值增長；其次是年平均氣溫，為0.322℃/10 a；年平均最高氣溫的線性增長幅度為0.19℃/10 a。這3種氣溫的增長趨勢均通過了α=0.05的顯著性檢驗，可認為增長是顯著的。年平均氣溫上升程度處于同期全國增溫范圍內[5,15]，0.322℃/10 a的增溫略低于姜曉艷等[9]對東北地區氣溫變化的研究成果，與孫文等[11]對松花江流域最新氣溫研究的結果基本一致，同時年平均最低氣溫比最高氣溫增長更快也符合全國氣溫變化特征[5]。

圖2 松花江流域氣溫變化趨勢

表1 氣溫變化趨勢檢驗

從5 a滑動平均的結果來看，年平均氣溫和年平均最高氣溫的變化趨勢較為一致，在20世紀50年代至80年代雖呈現波動上升趨勢，但趨勢較為平緩，相比而言，從20世紀90年代開始，氣溫的增長趨勢更為顯著，且氣溫的波動更為劇烈；而對于年平均最低氣溫，氣溫序列從20世紀80年代開始即有較為劇烈的增長趨勢，先于年平均氣溫和年平均最高氣溫。

2.1.2 氣溫空間變化規律 利用ArcGIS軟件將各站點3種氣溫序列的變化趨勢按照反距離加權平均(IDW)的插值方式繪制松花江流域氣溫變化的空間分布圖(圖3)。

圖3 松花江流域氣溫空間變化

從空間分布圖中可以看出，在整個松花江流域上，3種氣溫序列的增長趨勢大致相同。年平均氣溫上升范圍在0.190～0.458℃/10 a；年平均最高氣溫變化范圍處于0.052～0.328℃/10 a，同比另外兩種氣溫序列而言變化較為平緩；年平均最低氣溫變化幅度非常劇烈，其上升范圍在0.265～0.669℃/10 a，這可能是由于東北地區冬季呈現明顯的暖干變化，從而導致年平均最低氣溫整體上升較快。

3種氣溫變化的空間分布都不均勻。且存在較為明顯的高值區，其中嫩江流域的大興安嶺站、松花江干流的綏化站、黑龍江站的增長趨勢最為顯著，這些站點的3種氣溫均表現極高的增溫趨勢。整體上看，年平均氣溫和年平均最低氣溫的增長趨勢具有非常高的相似性，且變化傾向率較高的站點基本分布在流域的西北—東南沿江條帶上，在其兩側的氣溫增幅則稍弱；而對于年平均最高氣溫來說，其變幅較大的區域在空間分布上整體向東北方向遷移。考慮到站點在松花江流域上的地理特征，氣溫變化的這種分布情況可能與區域自身的氣候特征以及地理條件有關，另外也可能是受到靠近河流的地區城市化水平、土地利用率以及工業、農業發展的影響。

2.2 變異分析

用Mann-Kendall法對松花江流域1956—2015年年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫進行突變檢驗(取0.05的顯著性水平)，分別繪制正向序列UFk、反向序列UBk兩條折線和顯著性水平上、下信度線(U0.05=1.96)，見圖4。

M-K法用于突變檢驗時，當正向序列曲線超過信度線，即表示存在明顯的變化趨勢時，若正、反曲線的交叉點位于信度線之間，這點便是突變點的開始[16-17]。

由圖4檢驗結果分析可得：3種氣溫的正向序列曲線UFk均超過了上信度線，即都顯示出氣溫序列存在明顯的正向變化趨勢；對于年平均氣溫和年平均最高氣溫，增溫趨勢在20世紀80年代后期非常顯著，而年平均最低氣溫則在80年代前期就表現為明顯的增長趨勢，這與前面的趨勢分析結果相符。

在上、下信度線內，3種氣溫的正、反序列曲線均存在交點。其中，年平均氣溫序列交點位于1989年左右，年平均最高氣溫序列交于1 992左右，年平均最低氣溫則落在1 987左右。在交點之后，3種氣溫均呈明顯的增溫趨勢。為進一步驗證其突變的可能性，結合Pettitt檢驗法對氣溫序列做突變檢驗，其結果如圖5所示，對于年平均氣溫和年平均最低氣溫，其Pettitt最低值均只有一處，對應的年份分別為1988年，1987年，與M-K法識別結果基本一致；而對于年平均最高氣溫，M-K法檢驗的突變年份1992年對應了一個低值，但其右側仍存在較低值，從M-K檢驗圖上可以看到，年平均氣溫在高于上信度線外，正、反序列曲線同樣出現了交點，考慮到M-K法并不能肯定或排除其為該序列突變點的可能性，而Pettitt法不適用于多個突變點情況，可考慮該氣溫序列在其他點處依舊可能存在突變點的情況。結合兩種突變識別的分析結果，可認為松花江流域的氣溫序列在1987—1992年之間存在突變。

圖4 松花江流域氣溫Mann-Kendall法突變識別

圖5 松花江流域氣溫Pettitt法突變識別

2.3 周期分析

借助MATLAB的小波分析工具，得到小波系數，通過提取小波系數的實部部分后，利用克里金插值法繪制小波系數實部等值線圖，見圖6。對不同的時間尺度求取氣溫變化的小波方差值并繪制小波方差圖，見圖7。對小波系數的模取平方，同樣利用克里金插值法繪制小波系數模方圖，見圖8。

小波系數實部等值線圖能夠反映在不同的時間尺度下序列的周期變化，同時能夠體現不同周期在時間域上的分布情況，小波方差圖能夠表明不同時間尺度下時間序列波動能量的分布情況。因此可以利用實部等值線圖和方差圖分析氣溫系列的周期分布特征；小波系數的模值顯示了整個時間域上不同時間尺度下變化周期所對應的能量密度，因此小波系數模方圖可用來分析對應尺度的周期性的顯著性特征。

由圖6和圖7可以看出，3種氣溫序列的周期性特征較為類似，均存在3個明顯的峰值，其時間尺度分別為28 a，14 a和7 a，其中28 a所對應的周期震蕩最劇烈，可認為是氣溫變化的第一主周期；14 a是峰值的次高點，其周期震蕩較為明顯，但弱于28 a所對應的周期，可認為是第二主周期；第三主周期為7 a，從等值線圖中可以明顯得看出，該周期出現的次數最為頻繁。流域在整個時間域內的氣溫變化周期基本是由以上3個周期波動控制。

圖6 松花江流域氣溫小波系數實部等值線

圖7 松花江流域氣溫小波方差

圖8 松花江流域氣溫小波系數模方等值線

由圖8可知，3種氣溫序列中20～30 a時間尺度所對應的能量密度均最為集中，且貫穿于整個時間域內，說明該時間尺度內的變化周期最為明顯，對整個研究時間域內的氣溫變化都起控制作用；但在10～15 a和5～10 a時間尺度，能量密度的表現形式并不一致。對于年平均氣溫和年平均最高氣溫，10～15 a時間尺度的能量主要集中在1990年以后，而5～10 a時間尺度能量分布貫穿整個研究時間域；年平均最低氣溫在10～15 a時間尺度上的能量密度集中在1990年之前，而5～10 a時間尺度的主要分布于1990年之后。這可能與氣溫序列在1987—1992年時間段內出現了突變有關，從而導致氣溫序列出現了新的周期性變化特征。

3 結 論

(1) 松花江流域3種氣溫序列總體呈上升趨勢，且上升趨勢均是顯著的。流域年平均氣溫以0.322℃/10 a的趨勢增長，年平均最高氣溫增幅為0.190℃/10 a，年平均最低氣溫為0.429℃/10 a

(2) 3種氣溫序列變化的空間分布并不均勻，年平均氣溫和年平均最低氣溫變化在空間分布上具有較大的相似性，在西北—東南沿江條帶上上升趨勢大于其他區域，相比而言，年平均最高氣溫的增溫變幅較大的區域更偏向東北方向。

(3) 從M-K法和Pettitt法突變檢驗結果來看，松花江流域氣溫序列在1987—1992年之間發生突變，突變后的氣溫呈現明顯的上升趨勢。

(4) 松花江流域氣溫變化存在3個主周期，對應的時間尺度分別為28 a，14 a和7 a，其中28 a時間尺度的主周期貫穿于整個時間域內，起主要控制作用，而其他兩個主周期在1990年前后出現了一定的差異性。