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中国近期温度指数的区域变化

Weihong Qian*, Xiang Lin

北京大学季风与环境研究组大气科学系物理学院，中国 北京100871

摘要：

通过对1961-2000年期间498个站点的日最高温度和日最低温度的研究来分析中国近期温度指数的区域变化。一些基于百分位和被修改过的指数在先前的研究中已使用过，在这些研究中对不同的地区都使用了线性趋势的分析方法。结果表明：在过去的40年里，一些重要的温度指数发生了重大的变化，特别是在中国北部的长江流域和新疆地区。1961-2000年区间就中国大陆地区来说，气温日较差在我国东北和中南部以及新疆地区减少最明显。在40°N黄河流域附近的中纬地区冷昼日数呈明显降低趋势，在黄河流域的中上游以及我国南部的一些沿海地区暖昼日数呈上升的趋势，而在我国华东地区的中部暖昼日数有减少的趋势。在中国大部分地区霜冻天数呈显著减少的趋势，在中国北部暖持续日数显著增加，而在新疆、黄河流域，我国东北地区的南部以及东南沿海地区的冷持续日数显著减少。在研究季节性贡献中，冷夜日数在冬天作为一个整体显著减少，它的线性倾向率是-2.5~-5d/10a。除了长江中下游地区，对冷昼日数的另一个贡献来自于夏季。对暖昼日数的正贡献来自于我国北方在冬季的高温，我国西部在夏季及南部沿海地区的高温；而长江流域和淮河流域对其却有显著的负贡献。气温指数的变化可能是由气候因素引起的，比如长江流域降水量的增加和黄河流域的干旱，也可能是由于非气候因素引起的，比如城市化和工业气溶胶。

关键词：气温指数，中国，区域气候趋势

1. 引言

暖持续日数和冷持续日数这些气候条件会对人们的社会、经济和环境产生重要的影响。Karl等（1999）评估了在过去的一个世纪里，极端气候对世界大多数地区的影响。Frich等(2002) 计算了20世纪后半期极端气候在北美洲、亚欧和澳大利亚的变化。他们研究发现极端冷日数包括霜冻天数呈减少的趋势，在中国北部极端暖日数增加而在中国南部极端暖日数却减少。Zhai amp; Pan (2003)利用我国1951-1999年期间200个测站的数据研究了我国极端气温事件的趋势变化，研究的极端气温事件有极端高温（Tmaxgt;35°）、霜冻日数（Tminlt;0）、暖（冷）昼日数及暖（冷）夜数。利用1950年的后观测数据也对我国的极端温度和极端降水事件做了研究(Zhai等，1999)。对我国几个最长（约100年）的气温系列进行了研究，结果表明：极端寒冷天气的年频率以每世纪约7%的速率在减少；而极端高温天气以每世纪超过10%的速率在减少，并且其具有很大的空间变异性（Yan等，2002）。

全球平均表面温度在第二十世纪增加了约0.6°C，有证据表明，变暖的第二十世纪的后半期，主要是由于人类活动造成的（IPCC，2001）然而，在同一时期北美洲西北部的年平均气温上升了1~2°(Hansen等，1999；Cayan等，2001),这说明不同地区的气候变化是不同的。对于一个国家或地区的决策者来说，仅仅了解气候变化是不够的。极端事件在韩国的研究也显示出了一些与全球趋势的差异，例如，韩国每天的温度范围上升的趋势是由最高温度的快速增加所造成的(Jung等，2002)。

中国受东亚季风的强烈影响(Qian amp; Zhu，2001)。在冬半年气候大多寒冷干燥，通过观察发现寒冷的天气和大风伴随着沙尘暴是中国北部的主要气候特点(Qian等，2002a)。夏季期间，伴随着我国东部炎热和潮湿的气候，雨带逐渐从南向北移动(Qian 等2002b)。气候的区域特点，在中国尤为突出。

为了详细的揭示中国极端气温指数的区域特征，本文选取了1961-2000年498个测站的气温数据进行研究。在第2和第3节描述了质量控制和分析方法。在第4节描述了上、下温度指数的区域特征。在第5和第6节中给出了讨论和总结。

1. 质量控制

气候数据是我们努力去识别和了解区域和全球气候变化的必要条件。最近，一个全球性的每日气象数据集在美国国家气候数据中心得到了改进 (NCDC) (Gleason ，2002)。这一全球性的逐日气象数据集包括地面气温和降雨量的数据，这些数据是从1951到20世纪90年代这一时间段中在我国196个测站观测得来。实际上，196个测站可能是在20世纪50年代的第一个十年的最大数量，因此，许多研究只使用了1951年以来160个测站的观测数据。这个数据是在我国1960年后总数据（726）中很小的一部分。除此之外，大多数测站还记录了一些其他的重要气象变量，比如每日的平均体感温度（Ts），相对湿度（RH）、风速（WS），阵风（WG），日照持续小时数（SS）以及蒸发量（PE）。

图一为来自中国气象中心（CNMC）的726个台站的日观测值。这些数据是10个变量的观测值：日最高气温（TX），日最低气温（TN）、日平均气温（TD），每天的总降水量（PR），和前面提到的变量：Ts，Rh，WS，WG，SS，和PE。彼得森（2003）描述了一个在美国使用的相当复杂的一个仪器变量。中国测量仪器的标准已由陶等（1991）和Kaiser等人（1993）提出。1951-2000年期间在中国除了PE传感器的测量外，其他的测量都没有发上变化。这些测站均匀分布在95°E以东。在西藏高原西部和新疆省的塔里木盆地之间存在一个巨大的空隙。虽然服务测站的数量已经改变了多年，然而自1958年以来测量Td，Tx，Tn，TS、SS、WS和Pr这些变量的测站总数一直保持在660个左右。在20世纪50年代初，温度观测站的数量约为160至400个左右。

图1 中国可用数据站点（●）本文使用的站点；（ ）因质量控制而遗漏的站点。上面的小数字表示1951-2000年的总站点数

质量控制（QC）的方法是在每天从各个观测站获得的温度和降水量的极端值的基础上建立起来的。Gleason（2002）定义的极端温度用来检查测站的日常温度。对QC方法的详细描述我们可以从（冯，2004）和从Zhai amp; Pan（2002）最近的研究中查找。QC包括检查内部和空间在日平均温度、日最高和日最低温度之间的一致性的。尽量减少时间不均匀性，测站位置发生迁移，数据记录类型和单位错误，以及读数或数据编码被删除所造成额影响。造成空间不一致和不连续的原因有许多，比如那些与相邻测站相比有着不相同高度的测站（例如台山，其位于山东平原最高的位置）被拆除。

经过上述步骤，可能会导致错误的一些因素被消除了，一些零散的缺失数据也得到了填补，但连续的数据丢失以及城市化的影响依然存在。其他一些步骤如下：（1）省略连续缺失数据的站点（＞8天）或总丢失的数据太多的站点（gt; 30天），（2）忽略测站的迁移，（3）忽略人口为50万以上的测站。总体上，靠近56个大城市的测站被省略。

经过上诉的测试和QC，本文选取了1961-2000年期间来自于498个高品质测站的的一系列数据，在西藏高原的中西部地区很少有测站，所以在研究中我们只提到了西藏的东部。

1. 分析方法

在以往的气候事件研究中使用了大量的温度指数。指数涉及到许多的阈值，如超过35℃为暖日数，超过25℃的为夏日天数。Monton等（2001）指出这些都适用于气候空间变异小的地区，但对于跨越广泛气候的地区来说，任意阈值是不适用的。在中国，气候变化区域很大所以不能用一个单一的温度阈值来描述整个地区的气候事件。为此，一些研究者基于统计数量来计算天气和气候指数，如选取第10（第5）或第90（第95）百分位所对应的数值为阈值 (Plummer等，1999；Peterson等，2002)；详细的信息可以从欧洲气候评估和数据集（ECamp;D）索引列表（www.knmi.NL / samenw / ECA）中查找。上下百分位温度指数可以在所有的地区使用，但在不同站点存在差异。在加勒比地区区域气候的研究中使用了与Peterson等(2002)相同的指数.

这项研究涵盖了中国大部分地区，其气候指数的选择是基于第十和第九十百分位上的数值以及一些固定的日温度阈值。这一固定阈值可以被所有的站点使用。对符合高斯分布的一系列数据，我们使用了计算线性趋势的最小二乘法及肯德尔显著性检验的方法对其进行了分析处理。本文所选取的温度指数如表一所示。

表1 气温指数

4、上下温度指数趋势

在本节分析了11个温度指数及其趋势变化，图2为中国1961-2000年气温日较差变化趋势的空间分布图（DTR）。在DTR中可以观察到中国作为一个整体有下降的趋势，最显著的趋势分布在中国东北、中国南方地区的中部和新疆（中国西北地区）。图3给出了DTR在不同地区的时间分布特征，减少最强的地区发生在中国东北部。图3所选择的地区在20世纪60年代上半期有最大的DTR，而在20世纪80年代中期，DTR显著减小并降到其最低值，但新疆在经历了很长一段时间的减小后，DTR在1997年又升到了最大值，而其他2个地区没有观察到有再增加的趋势。过去40年期间在中国东北部和新疆地区的DTR大约下降了1-1.25°C，并且其分别以-0.033°C/yr和-0.026°C/yr的趋势在减少。在中国南方地区，其以–0.017°C /yr的趋势在减小。在这3个地区对年度趋势贡献最大的是在冬季（DJF），但在中国东北部，秋天的趋势（SON）比春季（MAM）和夏季（JJA）的趋势都要大。有关季节趋势的详细资料见表2。在黄河中游出现上升趋势，但少数测站达到显著水平。沿海地区也有一些测站的DTR呈增加的趋势。在中国DTR的下降趋势与 Frich等人(2002) 的研究结果一致。周等（2004）研究表明城市化对DTR的下降具有重要的影响。过去20年里在中国东南部每年增加0.2°C 。在中国南部目前的研究中，这一因素在DTR在冬季下降的因素中占有很大的比例（表2）。

图2 中国1961-2000年气温日较差的趋势（°C/10 yr）分布图。实心点表示呈上升趋势的区域，方块表示其在0.05置信水平的情况下呈上升趋势，圆形表示呈下降趋势的区域，菱形表示在0.05置信水平情况下其呈下降趋势，虚线框表示在中国的3个区，分别为东北地区（a）、新疆（B）和中国南方地区（C）

图3 DTR在三个区域的趋势图：（a）东北地区，（b）新疆和（c）华南地区。虚线是1961-2000年的线性拟合线

表2 在图2中不同区域上DTR的季节和年际变化趋势（单位:°C/10 yr；除了在中国南方地区的DJF和SON，所有区域都满足0.05置信水平）