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1961-2013年黑龍江省氣溫變化特征(其他)

                    于成龍¹，  劉丹¹，  馬秋斯²，  宮麗娟¹

    （1．黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江哈爾濱150030;2．黑龍江省氣象臺(tái)，黑龍江哈爾濱150030）

摘要：利用黑龍江省1961-2013年80個(gè)氣象臺(tái)站日氣溫資料，采用線性傾向率法、Mann-Kendall法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)和小波分析等方法，對(duì)黑龍江省氣溫的時(shí)空變化特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明：(1)近52年來(lái)，黑龍江省年平均氣溫2.57℃，增溫幅度為0.35℃／(10 a)；(2)各

個(gè)季節(jié)的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，其中升溫最明顯的是最低氣溫，而冬季的最低氣溫又是四季中升溫幅度最大的，氣候傾向率達(dá)到0.59℃／(10 a)；(3)從空間尺度上，大小興安嶺的增溫幅度較大；(4)平均氣溫和最高氣溫的突變年份相同，為1988

年，最低氣溫的突變先于平均氣溫和最高氣溫7 a；(5)年平均氣溫存在8 a尺度的變化周期。研究結(jié)果將有助于較全面地掌握黑龍江省區(qū)域氣溫變化規(guī)律，提高該省應(yīng)對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力。

關(guān)鍵詞：氣候變化；  氣溫；  黑龍江省；  突變檢測(cè)

中圖分類號(hào)：X16；P467  doi: 10.3969/j.issn。1003-6504.2016.05.032    文章編號(hào)：1003-6504(2016)05-0169-07

  氣候變化及其帶來(lái)的影響引起了全球的廣泛關(guān)注，IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，氣候變化比以前認(rèn)識(shí)的更為嚴(yán)重，全球從20世紀(jì)50年代以來(lái)的氣候變化是千年以來(lái)所未見(jiàn)的，2003 -2012年平均溫度比1850-1900年平均溫度上升了0.78℃，而降水在地區(qū)和季節(jié)上的差異也有所增加，未來(lái)極端性天氣氣候事件的發(fā)生概率可能將進(jìn)一步增加。中國(guó)的氣候變化與全球的變化趨勢(shì)是一致的，平均增溫速度高于全球或北半球同期，而北方和青藏高原尤為明顯。黑龍江省位于中國(guó)最北部，是我國(guó)最大的商品糧生產(chǎn)基地，也是我國(guó)的重點(diǎn)林區(qū)之一，該省屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季氣溫高，降水多，是受氣候變化影響最為敏感的區(qū)域之一，許多學(xué)者針對(duì)黑龍江省氣溫的時(shí)空變化做了大量研究，結(jié)果均顯示黑龍江省近幾十年的年平均氣溫均呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)。這些研究對(duì)認(rèn)識(shí)黑龍江省氣候變化規(guī)律具有重要意義，但隨著氣溫資料時(shí)間序列的延長(zhǎng)，研究結(jié)論也可能會(huì)出現(xiàn)變化，因此有必要對(duì)黑龍江省的氣溫時(shí)空分布特征進(jìn)行再分析。另外，由于傳統(tǒng)的地表氣溫資料來(lái)源于距地面1.25～2.0 m處百葉箱或防輻射罩內(nèi)測(cè)量的數(shù)據(jù)，只能提供代表觀測(cè)點(diǎn)周圍一定范圍內(nèi)的離散的氣溫狀況，Pri-hodko等㈣通過(guò)設(shè)置高密度的氣象站點(diǎn)進(jìn)行氣溫觀測(cè)試驗(yàn)表明，氣溫在水平距離6 km范圍內(nèi)變化通常小于0.6℃，而超出這個(gè)距離則變化劇烈。黑龍江省氣象觀測(cè)站布點(diǎn)稀疏，地形復(fù)雜的林區(qū)尤為明顯，而地形對(duì)氣溫有顯著影響，簡(jiǎn)單的地理插值很難反映當(dāng)?shù)卣鎸?shí)氣溫分布情況，因此需要考慮地形因素重新構(gòu)建插值模型進(jìn)行氣溫插值。

    本文基于黑龍江省80個(gè)氣象臺(tái)站1961-2012年的日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫資料，采用線性傾向率法、累計(jì)距平法、Mann-Kendall法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)和小波分析等方法，分季節(jié)、年和年代際對(duì)黑龍江省平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫等指標(biāo)的時(shí)空變化進(jìn)行研究。此研究將有助于較全面地掌握黑龍江省氣溫的時(shí)空變化規(guī)律，提高該省應(yīng)對(duì)氣候變化的適應(yīng)能力，進(jìn)而對(duì)該省生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)，乃至對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)和協(xié)調(diào)發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1  研究區(qū)概況

    黑龍江省位于中國(guó)的東北部，是中國(guó)位置最北、緯度最高的省份，介于東經(jīng)，北緯之間。全省土地面積約46萬(wàn)km²，占全國(guó)總面積的4.7%。該省屬中溫帶到寒溫帶的大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫在1℃左右，氣溫由東南向西北逐漸降低，南北相差近10℃；年平均降水量500 mm左右，西南部降水量較低；年日照時(shí)數(shù)一般在2 600 h左右。

    黑龍江省地勢(shì)大致是西北部、北部和東南部高，東北部和西南部低，主要由山地、臺(tái)地、平原和水面構(gòu)成。西北部為東北一西南走向的大興安嶺山地，北部為西北一東南走向的小興安嶺山地，東南部為東北一西南走向的張廣才嶺、老爺嶺和完達(dá)山脈（本文簡(jiǎn)稱東部山地），土地約占全省總面積的24.7%；海拔高度在300 m以上的丘陵地帶約占全省的35.8%；東北部的三江平原、西部的松嫩平原，是中國(guó)最大的東北平原的一部分，平原占全省總面積的37.0%，海拔高度為50～200 m(引自搜狗百科)。

2  數(shù)據(jù)來(lái)源及研究方法

2.1  數(shù)據(jù)來(lái)源

    氣溫資料來(lái)源于黑龍江省氣象局的1961-2013年80個(gè)氣象臺(tái)站逐日氣溫整編資料，包括日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫，其中有29個(gè)站數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度是53 a，46個(gè)站是43 a，2個(gè)站是42 a，2個(gè)站是40 a，1個(gè)站是47 a，站點(diǎn)的地理位置、海拔高度和數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)度如圖1。

2.2  研究方法

    本研究分季節(jié)、年和年代際對(duì)黑龍江省日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫等指標(biāo)的時(shí)空變化進(jìn)行分析。季節(jié)劃分方法為：春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月，冬季12月一次年2月。

    采用Mann-Kendall、滑動(dòng)丁檢驗(yàn)和累計(jì)距平的方法對(duì)氣溫序列進(jìn)行氣候突變檢測(cè)，分析變化趨勢(shì)和識(shí)別突變年份；采用Morlet小波分析法提取氣溫序列的周期。

3  結(jié)果與分析

3.1  氣溫的時(shí)間變化分析

3.1.1  年際變化特征

    圖2、圖3顯示了1961-2013年黑龍江省季節(jié)和年度的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的變化趨勢(shì)，圖中曲線右側(cè)數(shù)字為對(duì)應(yīng)的氣候變化傾向率，單位為℃／( 10 a)。圖3可見(jiàn)，年平均氣溫2.57℃，增溫幅度為0.35℃/(10 a);年平均最高氣溫8.75℃，增溫幅度為0.21℃/(10 a);年平均最低氣溫-3 .12℃，增溫幅度為0.51℃/(10 a)。

    分別年度和季節(jié)看，年度和各個(gè)季節(jié)的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。平均氣溫和最高氣溫的變化傾向率由大到小的順序均分別是冬季、秋季、全年、夏季、春季；最低氣溫的氣候變化傾向率由大到小的順序是冬季、春季、年度和秋季、夏季。可見(jiàn)升溫最明顯的是最低氣溫，而冬季的最低氣溫又是四季中升溫幅度最大的。

3.1.2  年代際變化特征

  分別各個(gè)季節(jié)計(jì)算平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫1961-2013年的平均值，由此得到表1中的距平數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示黑龍江省氣溫年代際變化呈明顯的增溫趨勢(shì)，20世紀(jì)60年代和70年代氣溫偏低，但其間氣溫已經(jīng)表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代開(kāi)始接近氣溫平均值，20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初氣溫普遍偏高。

  分別季節(jié)來(lái)看，春季氣溫的平均氣溫和最高氣溫在20世紀(jì)90年代最高，最低氣溫在21世紀(jì)初最高；夏季和秋季的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均是21世紀(jì)初最高；冬季和全年的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均是20世紀(jì)90年代最高。

3.2  氣溫空間變化分析

    以經(jīng)度、緯度和海拔高度為自變量，分別以80個(gè)氣象觀測(cè)站平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫為因變量，做多元線性回歸，回歸方程分別為：平均氣溫=58.974-0.820 latitude-0.128 longitude-0.007 alti-tude,最高氣溫=63.118-0.735 latitude -0.150 longi-tude-0.003 altitude，最低氣溫=55.979-0.913 latitude-0.110 longitude -0.010 altitude，回歸系數(shù)R2分別為

0.711、0.614、0.690，各系數(shù)顯著性檢驗(yàn)sig.<0.001。然后分別計(jì)算每l km像元內(nèi)的年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫，得到圖4。

    1961-2013年黑龍江平均氣溫(圖4(a))的變化范圍在-4.17～5.07℃，其中大興安嶺和小興安嶺北部的平均氣溫<0℃，小興安嶺南部和東部山地的平均氣溫在0～2.00℃之間，三江平原和松嫩平原在2.01～5.70℃之間；最高氣溫(圖4(b))的變化范圍在4.43~12.14℃，其中大興安嶺和小興安嶺北部的平均氣溫在4.43～6.99℃之間，小興安嶺南部和東部山地的平均氣溫在7.00～8.50℃之間，三江平原和松嫩平原在8.51～12.14℃之間；最低氣溫(圖4(c))的變化范圍在-11.69～0.35℃，其中大興安嶺和小興安嶺北部的平均氣溫在-11.69～-5.00℃之間，小興安嶺南部和東部山地的平均氣溫在-5.00～-3.01℃之間，三江平原和松嫩平原在-3.00～0.35℃之間。由此可見(jiàn)，1961-2013年黑龍江平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫的分布形式基本一致，在各自溫度變化范圍內(nèi)，大興安嶺溫度相對(duì)較低，小興安嶺和東部山地次之，松嫩平原和三江平原相對(duì)較高。

    平均氣溫增溫幅度最大的是大興安嶺南部和小興安嶺北部(圖4(d))，增溫幅度為0.4～0.61℃1(10a);大興安嶺東北部、三江平原中部、松嫩平原南部和東部山地東南部的增溫幅度在0.15 ~0.30℃／(10 a)，其它大部分地區(qū)的增溫幅度在0.30～0.40C/( 10 a)。最高氣溫增溫幅度最大的是大興安嶺西北部(圖4(e))，為0.40～0.45℃/(10 a);其次是大興安嶺大部、小興安嶺北部和三江平原東部，增溫幅度為0.20～0.40C/(10 a);松嫩平原、三江平原和東部山地極少數(shù)地區(qū)無(wú)明顯的增溫趨勢(shì)；全省其它地區(qū)的增溫幅度為0.10～0.20之間。大興安嶺北部及其他極少區(qū)域的最低氣溫增溫在0～0.40℃/(10 a)之間(圖4(f))，小興安嶺西北部和松嫩平原北部少量區(qū)域增溫在0.60～1.04之間，其它大部分地區(qū)的最低氣溫增溫幅度在0.40~0.60℃/(10 a)之間。由此可見(jiàn)，全省絕大多數(shù)地區(qū)的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均有增加趨勢(shì)最低氣溫對(duì)平均氣溫增加的貢獻(xiàn)要大于最高氣溫，另一個(gè)明顯的規(guī)律是大興安嶺地區(qū)在全省最北部，也是氣溫最低的區(qū)域，其最高氣溫增溫幅度相對(duì)較高，最低氣溫增溫幅度相對(duì)較低。

3.3  氣溫突變檢測(cè)

    采用Mann-kendall法和滑動(dòng)T檢驗(yàn)相結(jié)合，對(duì)黑龍江省1961-2013年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，2種方法均采用a=0.05顯著性檢驗(yàn)（圖5）。

  平均氣溫MK統(tǒng)計(jì)值UF從1970年開(kāi)始大于0，之后逐漸增加，到1990年增加趨勢(shì)超過(guò)了a=0.05顯著性水平，表明從1990年開(kāi)始平均氣溫開(kāi)始顯著增加。UF和UB在1984年處交叉，表明1984年平均氣溫可能發(fā)生突變，而滑動(dòng)丁檢驗(yàn)結(jié)果顯示平均氣溫可能在1988年和1989年發(fā)生突變，再通過(guò)計(jì)算平均氣溫序列的累積距平，其峰值出現(xiàn)在1988年，因此確定1988年為平均氣溫的突變年份。

  最高氣溫MK統(tǒng)計(jì)值UF從1989年開(kāi)始均大于0，之后逐漸增加，到1997年增加趨勢(shì)超過(guò)了a=0.05顯著性水平，表明從1997年開(kāi)始平均氣溫開(kāi)始顯著增加。UF和UB在1987-1988年處交叉，表明1987-1988能平均氣溫可能發(fā)生突變，而滑動(dòng)丁檢驗(yàn)結(jié)果卻未出現(xiàn)突變年份，再通過(guò)計(jì)算最高氣溫序列的累積距平，其峰值出現(xiàn)在1988年，因此確定1988年為平均

氣溫的突變年。

  最低氣溫MK統(tǒng)計(jì)值UF從1979年開(kāi)始均大于0，之后逐漸增加，到1984年增加趨勢(shì)超過(guò)了a=0.05顯著性水平，表明從1984年開(kāi)始平均氣溫開(kāi)始顯著增加。UF和UB在1981-1982年處交叉，表明1981-1982年最低氣溫可能發(fā)生突變，滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果顯示最低氣溫可能在1981年發(fā)生突變，因此確定1981年為最低氣溫的突變年份。

    由此可見(jiàn)，黑龍江省1961-2013年平均氣溫和最高氣溫的突變年份相同，最低氣溫的突變先于平均氣溫和最高氣溫7a，表明最高氣溫的突變對(duì)平均氣溫突變的貢獻(xiàn)較大。

3.4  氣溫周期變化分析

    圖6顯示了黑龍江省1961-2013年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫Morlet小波變換系數(shù)，圖中可見(jiàn)，平均氣溫和最高氣溫小波系數(shù)等值線均在7～10 a尺度上較為密集，且發(fā)生了小波系數(shù)高、低值中心的變化，結(jié)合各自的小波方差計(jì)算結(jié)果，推斷平均氣溫和最高氣溫均存在8a的周期變化；最低氣溫小波系數(shù)等值線在7—8 a尺度上較為密集，且發(fā)生了小波系數(shù)高、低值中心的變化，結(jié)合各自的小波方差計(jì)算結(jié)果，推斷平均氣溫和最高氣溫均存在7a左右的周期變化。

4  結(jié)論與討論

4.1  結(jié)論

    通過(guò)對(duì)黑龍江省1961-2013年氣溫時(shí)空變化特征分析表明，該時(shí)段內(nèi)氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，但存在季節(jié)和區(qū)域上的差異。    

( 1)1961-2013年黑龍江省平均氣溫2.57℃，增溫幅度為0.35℃/(10 a)；年度和各個(gè)季節(jié)的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，升溫最明顯的是最低氣溫，而冬季的最低氣溫又是四季中升溫幅度最大的，氣候傾向率達(dá)到0.59℃／(10 a)。

    (2 )1961-2013年黑龍江平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫的分布形式基本一致，在各自溫度變化范圍內(nèi)，大興安嶺溫度相對(duì)較低，小興安嶺和東部山地次之，松嫩平原和三江平原相對(duì)較高。

    (3)全省絕大多數(shù)地區(qū)的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均有增加趨勢(shì)，最低氣溫對(duì)平均氣溫增加的貢獻(xiàn)要大于最高氣溫。其中平均氣溫增溫幅度最大的是大興安嶺南部和小興安嶺北部，最高氣溫增溫幅度最大的是大興安嶺西北部，最低氣溫增溫幅度最大的是小興安嶺西北部和松嫩平原北部。

    (4)綜合Mann-kendall法、滑動(dòng)丁檢驗(yàn)和累積距平結(jié)果，對(duì)氣溫進(jìn)行突變檢測(cè)，黑龍江省1961-2013年平均氣溫和最高氣溫的突變年份相同，為1988年，最低氣溫的突變先于平均氣溫和最高氣溫7a，表明最高氣溫的突變對(duì)平均氣溫突變的貢獻(xiàn)較大。Morlet小波分析結(jié)果表明，黑龍江省年平均氣溫存在8a尺度的變化周期。

4.2  討論

    本研究得出的黑龍江省1961-2013年平均氣溫的增溫幅度為0.35℃／(10 a)的結(jié)論，與李彩霞等的研究結(jié)果一致略低于周秀杰等的0.37℃／(10 a)的結(jié)果，其原因主要與研究的空間范圍和時(shí)間序列的起止時(shí)間等方面存在差異有關(guān)。冬季增溫在全年中最顯著的結(jié)論與東北地區(qū)和全國(guó)是一致的，氣溫突變的時(shí)間也與東北地區(qū)一致，為1988年。

    氣溫的顯著增加對(duì)黑龍江省的生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有利有弊。氣溫升高增加了黑龍江省的熱量資源，可能會(huì)使因受熱量資源制約動(dòng)植物資的分布接線北移，使黑龍江境內(nèi)的物種更加豐富，農(nóng)作物的生育期延長(zhǎng)，增產(chǎn)能力提高。但增溫也會(huì)使本就降水資源不足的地區(qū)更為干旱，氣候波動(dòng)加劇，極端天氣事件頻發(fā)，病蟲(chóng)害的越冬和傳播能力提升，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不確定性增多，森林火險(xiǎn)增大。人類可采取適當(dāng)?shù)倪m應(yīng)措施，通過(guò)調(diào)整物種類型或農(nóng)業(yè)生產(chǎn)措施等手段趨利避害。