淮河流域氣溫變化對Hiatus現(xiàn)象的時空響應(yīng)分析

吳雨純 晁儲辰 李 娜 王思遠 王 覽 楊 穎 孫 朋

（宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽 宿州 234000）

0 引言

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會第五次評估報告認為，全球氣候變化已是不爭的事實，全球平均溫度在1880—2012年期間升高了約0.85℃（0.65℃—1.06℃）［1］。氣溫升高對社會經(jīng)濟、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境以及人體健康造成了嚴重影響［2］。然而在全球變暖被廣泛關(guān)注和認可的同時，也存在質(zhì)疑聲音，特別是全球平均表面溫度上升趨勢自1998年以來顯示出停滯狀態(tài)，即變暖趨緩（Hiatus）現(xiàn)象，引起了廣泛的討論［3-4］。

近年來，關(guān)于全球變暖停滯的現(xiàn)象被國內(nèi)外諸多學(xué)者關(guān)注，并開展了大量相關(guān)性研究。Knight等［5］指出1979—1998年期間，地球地表溫度增溫速率在1999年之后10年間明顯偏低，即全球變暖趨緩（停滯）現(xiàn)象；England等［6］研究表明，過去的20年間太平洋信風(fēng)加強使得次表層海洋熱吸收加強，從而大大增加了赤道東太平洋的冷異常；趙宗慈等［7］在探究圍繞全球變暖停滯的爭論時指出目前學(xué)者對于Hiatus現(xiàn)象是否存在主要持三種態(tài)度；梁瓏騰［8］等利用中國北方357個氣象站1951—2014年的季（月）平均最低氣溫，平均氣溫和平均最高氣溫數(shù)據(jù)，應(yīng)用MK檢驗等方法，分析了中國北方地區(qū)三類氣溫季節(jié)突變與變暖停滯年份時空變異性；張旺雄等［9］以中國綠洲為例來探究喜涼作物生長期對全球變暖停滯響應(yīng)的時空差異。

淮河流域是我國的0℃等溫線、暖溫帶與亞熱帶分界線、濕潤區(qū)與半濕潤區(qū)分界線、旱地農(nóng)業(yè)與水田農(nóng)業(yè)分界線等20多種重要地理要素過渡帶，氣候條件分布差異明顯，天氣多變，降水年際變化大，旱澇災(zāi)害交替發(fā)生，造成農(nóng)業(yè)產(chǎn)量極不穩(wěn)定的現(xiàn)象［10-11］。因此，研究淮河流域氣溫變化對Hiatus現(xiàn)象的響應(yīng)是十分有意義的，有助于深入理解全球變暖停滯下區(qū)域氣候響應(yīng)差異，提高研究區(qū)經(jīng)濟生活相關(guān)的極端氣候災(zāi)害的預(yù)估能力。

1 研究區(qū)概況

淮河流域地處我國南北氣候過渡帶，位于東經(jīng)111°55'—121°25'，北緯30°55'—36°36'，流域面積27×104km2。淮河流域發(fā)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(nèi)洪澤湖。流域東臨黃海，西起桐柏山、伏牛山，北以黃河南堤和泰山與黃河流域分界，南以大別山及其余脈與長江流域分界。流域包括湖北、河南、安徽、江蘇、山東5省40個地（市）。淮河流域內(nèi)的氣候具有過渡性和不穩(wěn)定性，這導(dǎo)致淮河流域旱澇災(zāi)害頻繁，生態(tài)環(huán)境較為脆弱。按照淮河流域的地貌特征和自然地理特征將淮河流域劃分為4個子區(qū)域，分別為淮河上游（一區(qū)）、淮河中游（二區(qū)）、沂沭泗河（三區(qū)）、淮河下游（四區(qū)）。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究所用的研究數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享服務(wù)中心和中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)。利用淮河流域1959—2018年間27個經(jīng)過質(zhì)量控制檢驗的氣象站點地面逐日觀測資料，建立以月、四季、年、站點不同尺度的氣溫（最高溫度、最低溫度、均溫）數(shù)據(jù)體系。基于SigmaPlot、SPSS、Matlab等平臺，利用趨勢分析、突變分析等方法分析氣候變化下氣溫的年際變化，對研究地區(qū)1959—2018年氣溫時空變化特征進行分析，在此基礎(chǔ)上，對淮河流域是否存在Hiatus現(xiàn)象及其與研究區(qū)氣溫變化的響應(yīng)情況進行探討。

2.2 研究方法

2.2.1 線性趨勢法。線性趨勢法是把氣候要素寫成時間t的線性函數(shù)x=at+b，其中a，b為經(jīng)驗常數(shù)。用最小二乘法，通過實際資料計算出a和b，其中a表示線性函數(shù)的斜率，也就是氣候要素的線性趨勢，a為正（負）表示增加（減小）趨勢，零表示無變化趨勢［12］。

2.2.2 累積距平曲線法。累積距平是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢的方法。對于序列x，其某一時刻t的累積距平表示為［13］，如式（1）。

式中：xˉ為序列x的均值。從累積距平曲線明顯的上下起伏，可以判斷長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，還可以診斷發(fā)生突變的大致時間。

2.2.3 MK突變檢驗。Mann—Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，具有人為影響少、定量化程度高的特點，已被廣泛使用［14］。運用MK突變檢驗方法對研究區(qū)內(nèi)的站點近60年的氣象數(shù)據(jù)進行突變檢測，可以判斷氣候序列中是否存在氣候突變，如果存在，可確定出突變發(fā)生的時間［15］。

3 結(jié)果分析

3.1 時間尺度氣溫變化差異

3.1.1 氣溫年代際變化。由表1可知，平均氣溫距平在20世紀60至80年代都為負距平，從20世紀90年代開始氣溫距平開始大于0℃，2010—2018年氣溫距平值最大。20世紀60年代在二區(qū)的平均氣溫年代際距平值為-0.39℃，而其他各區(qū)的距平值都在-0.3℃內(nèi)；20世紀70年代和20世紀80年代的各區(qū)平均氣溫年代際距平值均為負值，但20世紀70年代時期各區(qū)的距平值差異較大而20世紀80年代時期各區(qū)的距平值差異較小；20世紀90年代各區(qū)平均氣溫距平值均為正值；2000—2009年在二區(qū)的平均氣溫距平值最大，為0.52℃；2010—2018年在一區(qū)的平均氣溫距平值最小，為0.6℃，而二區(qū)的平均氣溫距平值最大，為0.74℃。淮河流域的平均氣溫年代際距平值不斷增加，20世紀90年代開始氣溫距平值為正值，2010—2018年的氣溫距平值最大，在各區(qū)中最大的為0.74℃。二區(qū)的氣溫距平值相較于其他區(qū)來說變化較大，可能是二區(qū)對氣候變化響應(yīng)更加敏感。

表1 淮河流域平均氣溫年代際距平值表單位：℃

3.1.2 氣溫年際變化趨勢。由圖1可知，研究顯示近60年淮河流域平均氣溫整體以0.022 8℃/10 a呈增加的趨勢，而1998—2012年流域內(nèi)的年均氣溫變化率為-0.251℃/10 a，這也恰巧能夠說明Hiatus現(xiàn)象是存在的。流域內(nèi)多年氣溫平均值為14.60℃，最高氣溫為2017年的15.82℃，最低氣溫為1969年的13.33℃，見圖1（a）。由圖1（b）可知，1959—2018年最高氣溫整體以-0.003 8℃/10 a小幅度降低的趨勢，并且1998—2012年的最高氣溫也呈輕微下降的趨勢。多年最高氣溫平均值為19.22℃，多年流域年平均最高氣溫的最大值與最小值分別為2016年的21.04℃和1989年的17.3℃。由圖1（c）可知，最低氣溫整體以0.016 6℃/10 a小幅度增長的趨勢，此外1998—2018年的最低氣溫也呈增加的趨勢。

圖1 淮河流域氣溫變化趨勢圖

3.1.3 氣溫季節(jié)變化趨勢。由圖2可知，近60年淮河流域的四季平均氣溫的變化趨勢呈不同幅度增長或下降，其中春季氣溫整體以0.0 093℃/10 a小幅度增長而夏、秋、冬季氣溫分別以0.036℃/10 a、0.007℃/10 a、0.0 019℃/10 a不同幅度下降。淮河流域多年春季平均氣溫的最大值與最小值分別為11.83℃、7.82℃，其在1998—2012年的春季平均氣溫呈上升的趨勢，見圖2（a）；夏季平均氣溫的最大值與最小值分別為16.69℃、11.29℃，1959—1980年呈較大幅度下降趨勢，1980—1998年變化幅度較平緩，1998年之后有顯著下降的趨勢但在1998—2012年這段時期夏季平均氣溫的趨勢還是呈增加的趨勢，見圖2（b）；秋季平均氣溫的最大值與最小值分別為8.73℃、5.88℃，1959年到2018年春季均溫變化較穩(wěn)定，1998—2018年秋季平均氣溫呈輕微上升的趨勢，見圖2（c）；冬季平均氣溫的最大值與最小值分別為4.49℃、2.81℃，在1998年氣溫有明顯下降的趨勢所以在1998—2018年這個階段冬季平均氣溫呈輕微下降的趨勢，見圖2（d）。除此之外春、夏、秋、冬季的氣溫均值分別為9.87℃、13.38℃、6.99℃、3.56℃。

圖2 淮河流域四季平均氣溫變化趨勢圖

3.1.4 氣溫年內(nèi)月尺度變化分析。圖3為淮河流域月尺度氣溫變化箱體圖，由圖3可知，6月、7月氣溫較高，1月、12月氣溫較低，夏季高溫，冬季寒冷，這符合淮河流域季風(fēng)氣候的特點。在圖3（a）中6月和8月的四分位距離都是最大的，但6月的平均氣溫的差值是最大的。說明該地區(qū)的冷暖分布不平衡。在圖3（b）中2月的四分位距離是最大的且溫差是最大的，溫差為12.6℃。在圖3（c）中9月的四分位距離是最大的，全年中的最高溫高和最低溫分別為7月的23.7℃和1月的-3.2℃。

圖3 淮河流域月尺度氣溫變化箱體圖

3.2 氣溫突變分析

3.2.1 氣溫年際變化突變分析。利用Mann-Kendall檢驗方法對淮河流域近60年的氣溫的年際變化進行突變分析。由圖4可知，淮河流域近60年來UF曲線總體呈增長的趨勢，在1970—1975年4次突破了信度為0.05的置信線U=±1.96。UF和UB曲線在2001年相交于置信線之間，在2001年之后UF和UB曲線趨勢變化相反，說明2001年淮河地區(qū)氣溫年際變化突出明顯。

圖4 淮河流域氣溫年際變化突變分析圖

3.2.2 四季氣溫變化突變分析。由圖5（a）可知，淮河流域春季氣溫UF曲線于1961—1963年2次突破信度為0.05的置信線U=±1.96，在1959—2018年間，UF和UB曲線7次相交于置信線之間，則該地區(qū)春季氣溫突變較明顯。由圖5（b）可知，淮河流域夏季氣溫UF曲線整體呈下降趨勢，UF和UB曲線于1975年相交于信度為0.05的置信線U=±1.96之間，則1975年為該地區(qū)夏季氣溫下降的突變點。由圖5（c）可知，淮河流域秋季氣溫UF曲線于1961—1963年兩次突破信度為0.05的置信線，1959—2018年UF和UB曲線6次相交于置信線U=±1.96之間，則該地區(qū)秋季的氣溫突變也比較明顯。由圖5（d）可知，淮河流域冬季氣溫UF曲線整體呈下降的趨勢，UF曲線在1990—1994年突破了信度為0.05的置信線U=±1.96，在1966—2014年UF和UB曲線變化趨勢幾乎一致，UF和UB曲線于1966年、2014年以及2017年相交于信度為0.05的置信線U=±1.96之間，則1966年、2014年以及2017年為該地區(qū)冬季氣溫變化的突變點。淮河流域夏季和冬季UF曲線呈下降趨勢，春季和秋季氣溫突變比較明顯。

圖5 淮河流域四季氣溫變化突變分析圖

4 結(jié)論

①淮河流域全區(qū)年均溫在2001年突變升高。春季氣溫在1963年突變降低，2001年突變升高；夏季氣溫在1975年突變下降；秋季氣溫在1964年突變升高和在2010年突變下降；冬季氣溫在1967年突變下降和2012年突變升高。各分區(qū)氣溫基本上都在1998年左右突變升高。

②研究顯示，近60年淮河流域平均氣溫整體以0.0 228℃/10 a呈增加的趨勢，而1998—2012年淮河流域的年均氣溫變化率為-0.251℃/10 a，降溫趨勢存在季節(jié)上和空間上的差異，在此期間造成全球變暖停滯現(xiàn)象的原因是研究區(qū)內(nèi)冬季氣溫的下降及研究區(qū)西南部的升溫變緩。除此之外，流域內(nèi)1998—2012年的平均最低氣溫和平均最高氣溫的趨勢也呈現(xiàn)下降或者升溫變緩的趨勢，這都能從側(cè)面反映出淮河流域?qū)θ驓鉁刈兓蠬iatus現(xiàn)象的響應(yīng)。