中國氣溫和降水局地同期相關的季節差異及年代際變化

平措次旺 索南才吉 格桑次旺 巴桑

摘要：通過對我國氣溫和降水的方差構成和局地相關關系的性質、季節差異及地理分布進行分析，結果表明：我國60年和前后30年冬、夏相關系數r圖均是顯著的，且為負相關，夏季表現最為明顯。前、后30年冬季兩者的負相關關系加強，但極不穩定;夏季2個負相關關系減弱，穩定性有區域差異。氣溫和降水的年代際變化存在明顯變化，其降水年代際變化波動更為明顯，2種要素的方差構成其冬季氣溫的年代際方差貢獻大于夏季、夏季降水年代際方差貢獻大于冬季。在60年、前30年和后30年的完整場序列方面，對于年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異，氣溫的年代際變化分量在大部分測站上顯著，降水的年代際變化分量只有少數的測站上顯著。

關鍵詞：季平均氣溫和總降水;相關關系;年代際變化;暖干和冷濕團

中圖分類號 P461.7 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）16-0179-07

IPCC于2014年發布了第5次氣候變化的科學評估報告[1]，揭示了近100年全球氣候的變暖、極端天氣事件的頻繁發生，其中高溫和強降水事件趨多趨強，未來氣候災害風險更趨嚴重，并將嚴重影響自然生態系統和人類的生存和發展，需要國際社會積極采取措施行動，共同應對惡劣的氣候變化。由此可見，氣候問題不再僅僅是環境問題，而是更高層面的發展問題，并體現在人類安全和國家安全保障的許多環節。氣候變化是當前人類共同面臨的重大環境問題之一[2]，不再僅僅是一個學科問題，已日漸成為人們共同關心的重大社會問題。

我國屬于典型的季風氣候國家，其中氣候種類繁多且復雜多變，各地方氣候差別大，20世紀中期以來，我國各地方的氣候發生了顯著的變化，其中地表平均氣溫平均每10年升高0.23℃變暖幅度幾乎是全球的2倍，高溫、暴雨、干旱、臺風等極端天氣氣候事件頻繁發生且趨強。自21世紀以來，氣象災害造成的經濟損失與國內生產總值的1%成相同率，是同期全球平均的8倍。

氣溫和降水是描述氣候狀態的2個基本變量，其變化規律可以反映氣候系統的基本變化特征。在全球變暖背景下，近100年來中國地表平均氣溫顯著升高，比同期升溫幅度平均值略高。我國增溫主要發生在冬、春季，夏季氣溫變化不明顯，對于降水而言，中國夏季在很大程度上決定了全年降水量的多少。眾多研究表明，我國氣溫、降水局地同期相關存在顯著的季節差異及年代際變化特征，周曉霞[3]等分析了近40年我國氣溫和降水的局地相關關系的性質、季節變化和地理分布，結果表明，我國冬夏氣溫，降水異常序列中，自由度均分的方差年代際變化大于年際變化，但總方差則恰恰相反，尤氣溫最明顯;夏季在2種要素的局地相關圖上表現出顯著的負相關，顯著區覆蓋了 35°N以南、105°E以東的區域;局地氣溫和降水在夏季呈現顯著的負相關關系。黃嘉佑[4]研究表明，我國夏季氣溫場與降水場相互之間存在顯著的反相關，長江中下游、華南和華北等地區表現很顯著。李爽等[5]初步分析了我國近30年（1971-2000年）氣候變化趨勢，結果表明：近30年我國氣候變化主要以增溫為主，尤其是大范圍的區域溫度升高、降水增加。四季也以變暖濕的特點為主，而秋季略有異常，暖干型氣候變化是全國大范圍的主要氣候特點，冷干型氣候變化在冬季不存在。李亞濱等[6]通過對氣溫和降水的相關分析，認為黑龍江省大興安嶺、黑河及齊齊哈爾北部地區氣溫和降水存在著正相關，表明北部地區主要以暖濕或冷干相伴的氣候特點為主;而部分地區的氣溫和降水之間存在負相關關系，表明存在暖干或冷濕相伴的氣候變化。宋連春等[7]研究揭示了我國近40年的氣溫時空變化特征，表明我國氣溫的年際變化和變化特征存在顯著的區域和季節差異，在總趨勢升高的基礎上，具有冬季升溫、夏季降溫、前期降溫和后期升溫等特點，并且氣溫變化存在較明顯的準周期振蕩。

本研究選取國家氣候中心提供的我國160站逐月氣溫和降水量資料，用相關分析方法和周期分析方法分析了我國冬、夏季2種要素的方差構成和相關聯系，為揭示我國氣候系統中氣溫與總降水的同期相關聯系提供科學依據。

1 資料和方法

1.1 資料 本文使用的資料為國家氣候中心提供的我國160站逐月氣溫和降水量資料。根據研究需要，將其處理為季平均氣溫和季降水總量。其中，冬季和夏季分別對應12月至次年2月和6-8月。1951-2010年分3個時段（60年、前30年和后30年）、2個季節（冬季和夏季），由此整理1951-2010年（對應γ=1-59、γ=1-28）冬、夏季中國160站氣溫、降水序列。

1.2 方法

1.2.1 周期分析 f、g分別表示季平均氣溫和季總降水量的（幾何）標準化距平序列。用周期分析方法可將其分解為年代際和年際變化分量sf、sg和sf、sg，它們是中心化、但非標準化的。（sf sg）=（∑6k=1fk ∑6k=1gk），（ff fg）=（1-f 1-g） （1）

式中：fk為f的k波分量fk=（f，～ck）～ck+（f，～sk）～sk （2）其中，～c、～Sk為幾何標準化的余弦、正弦諧波分量（即||～ck||2=||～Sk||2=1）

～Ck=（～ckj），～Ckj=2/ncos2πkj/n （3）

～Sk=（～Skj），～Skj=2/nsin2πkj/n

取n=30計算時，（1）式中及∑3 k=1，（2）式不變，（3）式中n= 30。Ss=6（3）∑k=1 （a2 k+b2 k），γs=12（6）

Sf=1-Ss，γf=47（23） （4）

Fγs，γf =Ss/γs/Sf/γf，Fγs，γf（α=0.01）={2.60（60） 3.71 （30） （5）

1.2.2 穩定站數 首先，構造整數數組l1（160）、l2（ 160）和l（160），其中

l1（i）={0|r前30α（i）|rα，30（正顯著站點）

l2與r后30α的關系同上。

其次，計算l（i）= l1（i）×l2（i），則有

l（i）={1 負穩定站 4正穩定站 2反轉站（可理解為極不穩定）

最后，對l進行統計，其中l（i）= 1的總站數為M-;l（i）=4的總站數為M+;M=M+ +M-。

1.2.3 相關分析

r = （ t'，r' ） /（ ||t'|| ||r'||），

（6）

rs =（t's，r's） / （ ||t's|| ||r's||），

rf= （tf，r'f）/（||t'f|| ||r'f|| ）

2個要素時間序列相關系數r的全體構成一個相關系數場r。個別點上相關系數r的顯著性檢驗使用t檢驗，對a=0.01和γ=58、γ=28，t檢驗用到的臨界相關系數及顯著檢驗參考表1。

2 局地相關系數圖的分析

分別計算60年，30年的冬、夏季各站完整序列t'和r'、慢變序列和快變序列的局地同時相關系數r、rs。

2.1 60年氣溫和降水局地相關關系 圖1（a）中通過相關計算r0.01（60a ）= 0.330，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共計23個，其中正相關3個，負相關20個，相關數r圖均是顯著的。圖中深色陰影區為正相關顯著區，淺色陰影區為負相關顯著區，大范圍的相關顯著分布以負相關為主，以暖干或冷濕相伴主的氣候發生變化，而西北西部和西南北部存在少量的正相關顯著區，表明這地區氣候變化特點主要是暖濕或冷干相伴。圖1（b）相關系數絕對值大于此閾值的臺站共有98個，均為負相關，夏季相關系數r圖均是顯著的，其中負相關優勢明顯，對比冬季該特點在夏季尤為明顯。夏季對氣溫和降水的影響較大，其氣溫和降水的相關性較強。35°N以南、105°E以東的大部分區域、華北和西北的大部分被夏季反相關所覆蓋，表明這些區域的暖干或冷濕相伴的氣候變化在夏季出現的幾率較大r0.01（60a ） = 0.330。

由圖1（a、b）可知，我國60年里冬、夏季單站同期相關系數r圖均是顯著的，且以負相關為主，該特點夏季最為明顯，并且冬、夏季的顯著位置及分布特點存在特點。35°N以南、105°E以東的大范圍地區，以及華北和西北的大部分區域被夏季反相關顯著區所覆蓋，意味著這些地區干熱型、濕涼異常夏季出現的幾率較大。陳隆勛等[9]曾分析了我國近40年來的氣候變化特點，結果表明，自1951年以來華北地區、西北地區和東北地區變暖變旱;西北東部地區變冷和略變濕;長江中下游地區略為變冷和變旱;西南地區明顯變冷（尤以四川盆地為甚）和略變旱;華南略變冷（東南沿海在變暖）和變旱，與我國近60年的氣溫和降水的相關關系接近相同。

2.2 前30年氣溫和降水局地相關關系 圖2（a）通過相關計算r0.01（ 30a ）= 0.463，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共有9個，其中正相關1個，負相關8個。在冬季西北西部存在氣溫和降水的正相關顯著區，具有暖濕或冷干相伴的氣候特點，而大部分整片屬負相關顯著區，表明這些區域暖干或冷濕相伴的氣候特點最顯著，其氣溫和降水存在的相關關系及分布特點跟我國近60年冬季的氣溫和降水的局地相關分布略同。圖2（b）r0.01（30a）=0.463，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共有81個，均為負相關。35°N以南、105°E以東的絕大部分地區，以及華北和西北的部分地區被相關性顯著區所覆蓋了，相對于負相關，表明這些區域通常呈現干熱或濕冷型夏季，這與黃嘉佑[7]得到的結論吻合，對比我國前30年的冬其夏季對氣溫和降水的影響較大、相關性較強。

我國前30年的單站氣溫、降水相關系數場圖上，顯著相關主要發生在夏季，以負相關為主，40°N以南、105°E以東的絕大部分地區被反相關顯著區所覆蓋，以及華北和西北的部分地區而冬季的顯著區只覆蓋了西北西部的若干個區域，并且相對于夏季其位置及分布特點存在差異，結合海英等[10]的研究結論，前30年間中國東部沿海大多數地區及青藏高原等地區向冷濕發現發展，中西部等向冷干發展。黃嘉佑[4]曾通過氣溫場與降水場相互關系分析（1951-1985年期間）發現它們有顯著的反相關，表現顯著的地區為長江中下游、華南及華北等，與本文研究的我國前30年的單站氣溫、降水相關關系一致。

2.3 后30年氣溫和降水局地相關關系 圖3（a）計算后30年相關系數r0.01（30a ）=0.463，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共21個，其中正相關1個，負相關20個。氣溫和降水相關顯著性以負相關為主，顯著區域分散在東北西部、西南北部和西北西南部，表明這些地區顯著的暖干或冷濕相伴的氣候特點?？梢缘贸鲋袊形鞑?、青藏高原和中國東北地區的溫度升高且多雨，溫度升高降水增加;淮河及秦嶺以南的地區低溫少雨，氣候變得冷濕。圖3（b）r0.01（30a）=0.463，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共有51個，均為負相關。與前30年一樣單站氣溫、降水局地相關圖上負相關顯著占絕大優勢，其在夏季最明顯。相關性顯著性成片于華南地區、東北北部、蒙古地區和西北西部的若干個地方，表明這些區域通常出現干熱或濕冷型夏季季，跟姜玉印[8]得出的結論一致。

后30年冬、夏季氣溫和降水的局地相關聯系均為負相關，在夏季顯著性尤為明顯，并且對氣溫和降水的影響較大，我國東部氣候變化的季節特征很明顯;北方地區在冬季增暖較為顯著，而在夏季沿著30°N的變冷趨勢更強。

上述圖1～3分別為60年、前30年和后30年完整的相關系數序列，表1和2給出了3組圖上相關系數顯著性水平的站數。綜合觀測這些圖表可見：我國60年、前30年或后30年無論冬、夏相關系數r圖均是顯著的，且均是負相關，負相關占絕對的優勢，該特點夏季最為明顯，且冬、夏季相關顯著位置及分布特點存在差異。35°N以南、105°E以東的大部分區域、華北和西北的大部分被夏季反相關所覆蓋，這意味著這些地區存在暖干和冷濕態，與趙曉霞等[3]的研究結果一致。

根據上述對冬季（圖2a、3a）和夏季（圖2b、3b）進行的分析，對前、后30年統計結果的比較可以看出，冬季兩者的負相關關系加強，但極不穩定;夏季2個的負相關關系減弱，穩定性有區域差異;華北、長江中游、江南較穩定，淮河和長江下游流域不穩定。

3 氣溫和降水年代際變化

3.1 方差分析 根據我國60年、前30年和后30年距平場序列中慢變、快變方差貢獻（表3），無論是60年、前30年或后30年，我國冬、夏季降水和氣溫年代際方差貢獻遠差超過年際方差貢獻，其中除60年我國夏季降水的年代際變化的方差貢獻略大于冬季，而60年里冬、夏季的氣溫和降水的年代際方差貢獻相同。我國氣溫和降水都存在顯著的年代際變化，對于氣溫來說，降水的年代際變化波動更為明顯。參考文獻[11]根據F檢驗中通過a=0.01的慢、快變分量站數Ps、Pf（表4），就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言，年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異，年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著，而只有少數的年代際變化分量在降水測站上顯著[12]，其中前30年冬、夏季氣溫的年代際分量外60年和后30年氣溫的年代際分量是顯著，并且60年的顯著率尤為明顯而冬，夏季降水的年代際分量的顯著程度極小，年代分量的無論是冬、夏均不達不到顯著程度。

3.2 60年年代際分量的相關關系 圖4（a）將取信度（α=0.01，r0.01，60=0.689）時，所有站點的相關均不顯著，冬季在全國大部分地區降水異常和氣溫異常略似呈反位相變化。圖4（b）相關數r0.01，60 = 0.689，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共計10個（張家口、天津、岳陽、貴溪、南昌、曲江、柳州、宜賓、岷縣），均為負相關，以暖干或冷濕相伴的氣候特點具有很好的對應關系。由于位置顯著站點位置分散，所以在圖中未出現明顯的顯著區域。

3.3 前30年年代際分量的相關關系 1951-1980年中國160站冬季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關系數（圖5a）取信度（r0.01，30 = 0.875）時，所有站點的相關均不顯著。與整體的60年一樣，冬季在全國大部分地區降水異常和氣溫異常略似呈反位相變化。夏季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關系數（圖5b ）r0.01，30=0.875，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共有6個（陽江、柳州、百色、康定、且末、烏蘇），均為負相關，常常呈現跟干熱型、濕涼型夏季，由于位置顯著站點位置分散，所以在圖中未出現明顯的顯著區域。

3.4 后30年年代際分量的相關關系 1981-2010年中國160站冬季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關系數（圖6a）r0.01，30=0.875，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共有2個（東臺、屯溪），均為正相關。由于位置顯著站點位置分散，所以未出現明顯的顯著區域。東臺、屯溪的氣溫偏高（低）常常與降水偏多（少）相對應。夏季氣溫和降水距平場慢變分量序列的相關系數（圖6b）r=0.01，30=0.875，相關系數絕對值大于此閾值的臺站共有7個（牡丹江、烏蘭浩特、天津、貴溪、曲江、柳州、百色），均為負相關，這些區域干熱型、濕涼異常夏季出現的幾率較大，由于位置顯著站點位置分散，所以在圖中未出現明顯的顯著區域。

上述分析我國60年、前30年和后30年冬、夏季氣溫和降水的年代際相關分析（圖4～6），表5和6給出了3組圖上相關系數顯著性水平的站數。綜合觀測這些圖表可見，當取信度a=0.01時，除后30年我國冬季所有氣溫和降水的年代際分量站點的相關均不顯著，而后30年臺站均為正相關，即氣溫偏高（低）常常與降水偏多（少）相對應。但由于位置顯著站點位置分散，所以在圖中未出現明顯的顯著區域。而3個時段的夏季氣溫和降水的年代際變化有一定的同步性，它們之間存在顯著的負相關，以暖干或冷濕相伴的氣候特點有很好的對應關系。前后30年冬、夏季慢變相關均強而穩定其多數區域干熱型、濕涼異常夏季出現的幾率較大，就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言，年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異，年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著，而只有少數的年代際變化分量在降水測站上。

4 結論

（1） 我國60年前30年或后30年的冬、夏相關系數r圖均是顯著的，且均為負相關，負相關站絕對的優勢，該特點夏季最為明顯，且冬、夏季相關顯著位置及分布特點存在差異。35°N以南、105°E以東的大部分區域、華北和西北的大部分被夏季反相關所覆蓋，這意味著這些地區存在暖干和冷濕2種氣候狀態。

（2） 對前、后30年統計結果的比較可以看出，冬季兩者的負相關關系加強，但極不穩定;夏季2個的負相關關系減弱，穩定性有區域差異;華北、長江中游、江南較穩定，淮河和長江下游流域等不穩定。

（3） 就我國60年、前30年和后30年的完整場序列而言，年代際分量的顯著性在氣溫和降水上存在顯著差異，年代際變化分量在氣溫的大部分測站上顯著，而只有少數的年代際變化分量在降水測站上。冬季氣溫的年代際方差貢獻大于夏季、夏季降水的方差貢獻大于冬季。取信度a=0.01時，除后30年我國冬季所有氣溫和降水的年代際分量站點的相關均不顯著，而3個時段的夏季氣溫和降水的年代際變化有一定的同步性，相互之間存在顯著的負相關，以暖干或冷濕相伴的氣候特點有很好的對應關系。前后30年冬、夏季慢變相關均強而穩定其多數區域干熱型、濕涼異常夏季出現的幾率較大。

參考文獻

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作者簡介：平措次旺（1993-），男，藏族，西藏日嘻則人，助理工程師，研究方向：綜合氣象觀測。 收稿日期：2020-06-22