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．黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江哈爾濱150030;2．黑龍江省氣象臺，黑龍江哈爾濱150030）

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

個季節的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈波動上升趨勢，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。研究結果將有助于較全面地掌握黑龍江省區域氣溫變化規律，提高該省應對氣候變化的適應能力。

關鍵詞：氣候變化；  氣溫；  黑龍江��；  突變檢測

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

  氣候變化及其帶來的影響引起了全球的廣泛關注，IPCC第五次評估報告指出，氣候變化比以前認識的更為嚴重，全球從20世紀50年代以來的氣候變化是千年以來所未見的，2003 -2012年平均溫度比1850-1900年平均溫度上升了0.78℃，而降水在地區和季節上的差異也有所增加，未來極端性天氣氣候事件的發生概率可能將進一步增加。中國的氣候變化與全球的變化趨勢是一致的，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。黑龍江省位于中國最北部，是我國最大的商品糧生產基地，也是我國的重點林區之一，該省屬溫帶大陸性季風氣候，夏季氣溫高，降水多，是受氣候變化影響最為敏感的區域之一，許多學者針對黑龍江省氣溫的時空變化做了大量研究，結果均顯示黑龍江省近幾十年的年平均氣溫均呈現顯著上升趨勢。這些研究對認識黑龍江省氣候變化規律具有重要意義，但隨著氣溫資料時間序列的延長，研究結論也可能會出現變化，因此有必要對黑龍江省的氣溫時空分布特征進行再分析。另外，由于傳統的地表氣溫資料來源于距地面1.25～2.0 m處百葉箱或防輻射罩內測量的數據，只能提供代表觀測點周圍一定范圍內的離散的氣溫狀況，Pri-hodko等㈣通過設置高密度的氣象站點進行氣溫觀測試驗表明，氣溫在水平距離6 km范圍內變化通常小于0.6℃，而超出這個距離則變化劇烈。黑龍江省氣象觀測站布點稀疏，地形復雜的林區尤為明顯，而地形對氣溫有顯著影響，簡單的地理插值很難反映當地真實氣溫分布情況，因此需要考慮地形因素重新構建插值模型進行氣溫插值。

    本文基于黑龍江省80個氣象臺站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、累計距平法、Mann-Kendall法、滑動T檢驗和小波分析等方法，分季節、年和年代際對黑龍江省平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫等指標的時空變化進行研究。此研究將有助于較全面地掌握黑龍江省氣溫的時空變化規律，提高該省應對氣候變化的適應能力，進而對該省生態建設和環境保護，乃至對社會、經濟的可持續和協調發展具有一定的現實意義。

1  研究區概況

    黑龍江省位于中國的東北部，是中國位置最北、緯度最高的省份，介于東經，北緯之間。全省土地面積約46萬km²，占全國總面積的4.7%。該省屬中溫帶到寒溫帶的大陸性季風氣候，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；年日照時數一般在2 600 h左右。

    黑龍江省地勢大致是西北部、北部和東南部高，東北部和西南部低，主要由山地、臺地、平原和水面構成。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、老爺嶺和完達山脈（本文簡稱東部山地），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  數據來源及研究方法

2.1  數據來源

    氣溫資料來源于黑龍江省氣象局的1961-2013年80個氣象臺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個站數據的時間長度是53 a，46個站是43 a，2個站是42 a，2個站是40 a，1個站是47 a，站點的地理位置、海拔高度和數據時間長度如圖1。

2.2  研究方法

    本研究分季節、年和年代際對黑龍江省日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫等指標的時空變化進行分析。季節劃分方法為：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、滑動丁檢驗和累計距平的方法對氣溫序列進行氣候突變檢測，分析變化趨勢和識別突變年份；采用Morlet小波分析法提取氣溫序列的周期。

3  結果與分析

3.1  氣溫的時間變化分析

3.1.1  年際變化特征

    圖2、圖3顯示了1961-2013年黑龍江省季節和年度的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的變化趨勢，圖中曲線右側數字為對應的氣候變化傾向率，單位為℃／( 10 a)。圖3可見，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)。

    分別年度和季節看，年度和各個季節的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈波動上升趨勢。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�？梢娚郎刈蠲黠@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

  分別各個季節計算平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫1961-2013年的平均值，由此得到表1中的距平數據，結果顯示黑龍江省氣溫年代際變化呈明顯的增溫趨勢，20世紀60年代和70年代氣溫偏低，但其間氣溫已經表現出上升趨勢，20世紀80年代開始接近氣溫平均值，20世紀90年代和21世紀初氣溫普遍偏高。

  分別季節來看，春季氣溫的平均氣溫和最高氣溫在20世紀90年代最高，最低氣溫在21世紀初最高；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90年代最高。

3.2  氣溫空間變化分析

    以經度、緯度和海拔高度為自變量，分別以80個氣象觀測站平均氣溫、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R2分別為

0.711、0.614、0.690，各系數顯著性檢驗sig.<0.001。然后分別計算每l km像元內的年平均氣溫、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，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，大興安嶺溫度相對較低，小興安嶺和東部山地次之，松嫩平原和三江平原相對較高。

    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地區無明顯的增溫趨勢；全省其它地區的增溫幅度為0.10～0.20之間。大興安嶺北部及其他極少區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域增溫在0.60～1.04之間，其它大部分地區的最低氣溫增溫幅度在0.40~0.60℃/(10 a)之間。由此可見，全省絕大多數地區的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均有增加趨勢最低氣溫對平均氣溫增加的貢獻要大于最高氣溫，另一個明顯的規律是大興安嶺地區在全省最北部，也是氣溫最低的區域，其最高氣溫增溫幅度相對較高，最低氣溫增溫幅度相對較低。

3.3  氣溫突變檢測

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

  平均氣溫MK統計值UF從1970年開始大于0，之后逐漸增加，到1990年增加趨勢超過了a=0.05顯著性水平，表明從1990年開始平均氣溫開始顯著增加。UF和UB在1984年處交叉，表明1984年平均氣溫可能發生突變，而滑動丁檢驗結果顯示平均氣溫可能在1988年和1989年發生突變，再通過計算平均氣溫序列的累積距平，其峰值出現在1988年，因此確定1988年為平均氣溫的突變年份。

  最高氣溫MK統計值UF從1989年開始均大于0，之后逐漸增加，到1997年增加趨勢超過了a=0.05顯著性水平，表明從1997年開始平均氣溫開始顯著增加。UF和UB在1987-1988年處交叉，表明1987-1988能平均氣溫可能發生突變，而滑動丁檢驗結果卻未出現突變年份，再通過計算最高氣溫序列的累積距平，其峰值出現在1988年，因此確定1988年為平均

氣溫的突變年。

  最低氣溫MK統計值UF從1979年開始均大于0，之后逐漸增加，到1984年增加趨勢超過了a=0.05顯著性水平，表明從1984年開始平均氣溫開始顯著增加。UF和UB在1981-1982年處交叉，表明1981-1982年最低氣溫可能發生突變，滑動T檢驗結果顯示最低氣溫可能在1981年發生突變，因此確定1981年為最低氣溫的突變年份。

    由此可見，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平均氣溫突變的貢獻較大。

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，圖中可見，平均氣溫和最高氣溫小波系數等值線均在7～10 a尺度上較為密集，且發生了小波系數高、低值中心的變化，結合各自的小波方差計算結果，推斷平均氣溫和最高氣溫均存在8a的周期變化；最低氣溫小波系數等值線在7—8 a尺度上較為密集，且發生了小波系數高、低值中心的變化，結合各自的小波方差計算結果，推斷平均氣溫和最高氣溫均存在7a左右的周期變化。

4  結論與討論

4.1  結論

    通過對黑龍江省1961-2013年氣溫時空變化特征分析表明，該時段內氣溫呈明顯的上升趨勢，但存在季節和區域上的差異。    

( 1)1961-2013年黑龍江省平均氣溫2.57℃，增溫幅度為0.35℃/(10 a)；年度和各個季節的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈波動上升趨勢，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，大興安嶺溫度相對較低，小興安嶺和東部山地次之，松嫩平原和三江平原相對較高。

    (3)全省絕大多數地區的平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均有增加趨勢，最低氣溫對平均氣溫增加的貢獻要大于最高氣溫。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、滑動丁檢驗和累積距平結果，對氣溫進行突變檢測，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平均氣溫突變的貢獻較大。Morlet小波分析結果表明，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)的結論，與李彩霞等的研究結果一致略低于周秀杰等的0.37℃／(10 a)的結果，其原因主要與研究的空間范圍和時間序列的起止時間等方面存在差異有關。冬季增溫在全年中最顯著的結論與東北地區和全國是一致的，氣溫突變的時間也與東北地區一致，為1988年。

    氣溫的顯著增加對黑龍江省的生態環境和農業生產有利有弊。氣溫升高增加了黑龍江省的熱量資源，可能會使因受熱量資源制約動植物資的分布接線北移，使黑龍江境內的物種更加豐富，農作物的生育期延長，增產能力提高。但增溫也會使本就降水資源不足的地區更為干旱，氣候波動加劇，極端天氣事件頻發，病蟲害的越冬和傳播能力提升，農業生產的不確定性增多，森林火險增大。人類可采取適當的適應措施，通過調整物種類型或農業生產措施等手段趨利避害。