河南省氣溫資料均一化前后氣溫變化趨勢對比分析

姬興杰 丁亞磊2 李鳳秀 左璇

(1.河南省氣候中心，河南 鄭州 450003; 2.鄭州大學生態(tài)與環(huán)境學院，河南 鄭州 450001)

引言

氣候變化是當今人類社會面臨最重要的環(huán)境問題之一[1-2]。目前，全球氣候變化主要的特征是氣候變暖[3]。平均氣溫是全球氣候變暖最重要的指示因子，IPCC第五評估報告指出，近130多年(1880—2012年)全球地表平均溫度升高了0.85 ℃，2003—2012年全球地表平均溫度相比1850—1900年上升0.78 ℃[4]。氣溫的長期趨勢變化不僅直接影響蒸發(fā)、降水、徑流及水資源量[5-8]，還會影響農業(yè)生產、森林的結構組成及病蟲害的發(fā)生，導致生物物種滅絕的風險增加[9-12]?；跉庀笳緦嶋H觀測平均氣溫資料，劉桂芳等[13]研究發(fā)現(xiàn)，近45 a中國西部地區(qū)的年平均氣溫增溫顯著，速率為0.40 ℃/10 a；朱玲等[14]研究得出，1965—2014年遼寧省年平均氣溫呈上升趨勢；王建英等[15]研究顯示，近50 a河南省濮陽市年平均氣溫增溫顯著，速率為0.14 ℃/10 a，冬春季氣溫明顯上升；這些研究均得出氣溫變暖的結論，并顯示出增溫速率的區(qū)域差異，有助于認識氣溫的變化規(guī)律，但這些研究均未考慮非自然因素對觀測氣溫要素的影響。研究指出[16-17]，局地性長期氣候變化趨勢極易受到非自然因素的影響，其變化差異和不確定性較大。李百超等[18]利用氣溫觀測資料和均一化氣溫資料的結果進行對比分析發(fā)現(xiàn)，兩種數(shù)據(jù)得到的結果有明顯差異，非自然因素對氣溫變化的影響明顯。李嬌等[19]研究發(fā)現(xiàn)，均一化后沈陽站的平均氣溫序列中的城市化影響偏差有所增大。路平平等[20]研究得出，站址遷移等非自然因素對溫度序列非均一性影響顯著，均一化前后結果差距明顯。因此，由于非自然因素的影響，直接采用氣象臺站氣溫觀測數(shù)據(jù)資料進行氣溫變化分析，可能不能反映出氣溫的真實變化規(guī)律。

河南省位于中國中東部內陸地區(qū)，屬于典型的大陸性季風氣候，介于31°23′—36°22′N、110°21′—116°39′E之間，為南北氣候過渡帶，對氣溫變化極為敏感。近年來，隨著河南省城市化進程加快，省內大部分氣象站均有過臺站遷移，加之觀測方法改變、儀器更換及周圍環(huán)境變化等非自然因素的影響，直接采用氣溫觀測資料可能已不能反映出河南省氣溫變化的真實規(guī)律，而均一化氣溫資料可以有效地糾正因臺站遷址儀器更換等原因造成的地面氣溫觀測記錄中的非均一性，排除非自然因素對氣溫變化的影響。因此，利用國家氣象信息中心研制的河南省111個站1961—2017年的均一化逐日平均氣溫資料和河南省氣象臺站逐日平均氣溫觀測資料，試圖闡明非自然因素對河南省平均氣溫變化趨勢及其空間差異的影響，以期獲得河南省平均氣溫的真實變化規(guī)律，這對于河南省積極應對以氣溫上升為主要特征的氣候變化及其帶來的影響具有重要意義。

1 資料與方法

1.1 資料來源

河南省111個氣象站建站至2017年逐日平均氣溫數(shù)據(jù)來源有兩個，分別為國家氣象信息中心訂正過的均一化逐日平均氣溫資料和河南省氣候中心逐日平均氣溫觀測資料。均一化氣溫數(shù)據(jù)的訂正是在綜合中國地面觀測臺站歷史沿革信息，包括臺站遷移、環(huán)境變化、觀測時制和時間變化、儀器變更等相關信息之后，采用近年來國內外應用較為廣泛的RHtest均一性檢驗訂正方法進行訂正，RHtest系統(tǒng)包括PMFT(懲罰最大F檢驗)和PMT(懲罰最大T檢驗)兩種方法[21-23]，適用于不同的參考序列或無參考序列的情況。相關研究表明[24-25]，該系統(tǒng)已被成功地運用于對氣候資料序列的均一化研究，取得了較好的效果。為避免頻繁更改實時觀測數(shù)據(jù)，國家氣象信息中心發(fā)布的均一化逐日平均氣溫資料主要基于后段數(shù)據(jù)(近年數(shù)據(jù))對前段數(shù)據(jù)進行時間序列上的均一化訂正，該資料具有較好的可用性和認可度[26]。河南省111個氣象站點覆蓋18個地市，其中65個氣象站點進行了均一化，占比58.6%，其空間分布見圖1。有效站點統(tǒng)計分析顯示(圖2)，平均氣溫數(shù)據(jù)在1961年之前有效站點占4.5%—73.9%，1961—2017年有效站點均達90%以上。因此，本研究采用分析的資料時段為1961—2017年。

空心圓為未均一化處理站點，實心圓為經均一化處理站點圖1 河南省氣象站空間分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in He′nan province

圖2 河南省平均氣溫數(shù)據(jù)有效氣象站點比例逐年變化Fig.2 Annual variation of the percentage of available meteorological stations for the mean temperature data in He′nan province

1.2 分析方法

河南省平均氣溫變化趨勢的事實采用一元線性回歸方程y=kx+b求得，其中，x為時間；k為各指標隨時間的變化量，k>0表示各指標隨時間的增加而增加，k<0表示隨時間的增加而減小。概率水平為P<0.05(達到顯著水平)和P<0.01(達到極顯著水平)，氣候傾向率為k×10。

2 結果分析

2.1 均一化前后全省平均氣溫趨勢變化

2.1.1 年變化

由圖3可知，1961—2017年均一化前后河南省年平均氣溫均呈顯著上升趨勢，均一化前增溫速率為0.19 ℃/10 a，均一化后增溫速率為0.21 ℃/10 a，增加了0.02 ℃/10 a。全省年平均氣溫均一化前為14.6 ℃，均一化后為14.5 ℃，下降了0.1 ℃。均一化前后，全省年平均氣溫最高值均出現(xiàn)在2017年，為15.7 ℃。1961—2017年，均一化前，年平均氣溫最低值為13.5 ℃，出現(xiàn)在1984年；均一化后，年平均氣溫最低值為13.3 ℃，也出現(xiàn)在1984年，但降低了0.2 ℃。

圖3 1961—2017年河南省均一化前后年平均氣溫變化Fig.3 Change of annual mean temperature before and after homogenization in He′nan province from 1961 to 2017

2.1.2 季變化

由圖4和圖5可知，1961—2017年均一化前后河南省春季、秋季和冬季的季平均氣溫均呈顯著上升，與年平均氣溫變化規(guī)律相一致；均一化前后，夏季平均氣溫氣候傾向率均為負，均一化前為0.05 ℃/10 a，均一化后為0.03 ℃/10 a，相差0.02 ℃/10 a。四季之間，均一化前，以冬季的增溫速率最大，為0.36 ℃/10 a，其次是春季和秋季，分別為0.30 ℃/10 a和0.17 ℃/10 a；均一化后，仍以冬季平均氣溫增速最大，為0.38 ℃/10a，其次是春季和秋季，分別為0.32 ℃/10 a和0.19 ℃/10 a；均一化后，冬季、春季和秋季增溫速率增大0.02 ℃/10 a。

圖5 1961—2017年河南省均一化前后四季平均氣溫及其氣候傾向率Fig.5 Mean temperatures of four seasons and their climatic trend rates before and after the homogenization in He′nan province from 1961 to 2017

2.1.3 月變化

由圖6和圖7可知，1961—2017年均一化前后河南省月平均氣溫呈顯著上升的月份均為1月、2月、3月、4月、9月、10月和12月。均一化前，全省月平均氣溫以2月增速最大，為0.49 ℃/10 a，其次為3月和4月，分別為0.41 ℃/10 a和0.34 ℃/10 a；均一化后，仍以2月增速最大，為0.51 ℃/10 a，3月和4月次之，分別為0.43 ℃/10 a和0.36 ℃/10 a；均一化后，2月、3月和4月月平均氣溫增溫速率增大了0.02。均一化前，6月、7月和8月的月平均氣溫氣候傾向率為負，均一化后，7月的月平均氣溫氣候傾向率由負變正，6月和8月沒有變化。除6月、7月和8月外，均一化后，各月月平均氣溫的氣候傾向率均比均一化前略高。從總體上看，均一化后月、季和年全省平均氣溫增加速率整體增大，非自然因素導致了對全省平均氣溫增速的低估。

2.2 均一化前后單站平均氣溫趨勢變化

2.2.1 年變化

由圖8和表1可知，1961—2017年均一化前后單站年平均氣溫氣候傾向率差值為正、0、負的站點分別為43.3%、41.4%、15.3%。這說明全省111個站單站年平均氣溫的氣候傾向率有43.3%被低估、15.3%被高估；全省有41.4%站點均一化前后的氣候傾向率沒有變化，即這些站點的年平均氣溫未受到非自然因素的影響。

圖6 1961—2017年河南省均一化前后1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)月平均氣溫變化Fig.6 Monthly mean temperature changes in January (a),April (b),July (c) and October (d) before and after homogenization in He′nan province from 1961 to 2017

圖7 1961—2017年河南省均一化前后各月平均氣溫及其氣候傾向率Fig.7 Monthly mean temperature and their climatic trend rates before and after the homogenization of He′nan province from 1961 to 2017

由圖8和表1可知，非自然因素對全省單站年平均氣溫變化顯著性造成了影響。1961—2017年均一化前全省111個站有90.1%站點年平均氣溫上升顯著，均一化后增加為96.4%。也就是說，均一化前，年平均氣溫變化趨勢不顯著的站點有11個，包括內黃、范縣、魯山、舞陽、淅川、登封、鎮(zhèn)平、虞城、許昌、扶溝和遂平；均一化后，年平均氣溫變化趨勢不顯著的僅有4個站，分別為內黃、孟州、魯山和舞陽；與均一化前相比，除內黃和魯山外，其余站點都變成顯著，但孟州由顯著變?yōu)椴伙@著。

2.2.2 季變化

由圖9和表1可知，非自然因素對全省單站四季平均氣溫氣候傾向率造成了影響。1961—2017年，全省111個站單站春季和秋季平均氣溫的氣候傾向率有43.3%被低估、15.3%被高估，夏季和冬季有41.5%站點被低估、17.1%站點被高估；全省有41.4%站點均一化前后的氣候傾向率沒有變化，即這些站點的季平均氣溫未受到非自然因素的影響。

圖9和表1顯示，非自然因素對全省單站四季平均氣溫變化顯著性造成了影響。均一化前，春季平均氣溫上升顯著的站點占92.8%，均一化后增加為99.1%；均一化前，夏季有20.7%站點平均氣溫變化顯著，均一化后降為19.8%；均一化前，秋季和冬季平均氣溫上升顯著的站點為76.6%和98.2%，均一化后增加為89.2%和99.1%，分別增加了12.6%和0.9%。非自然因素對全省單站春季、秋季和冬季平均氣溫變化顯著性造成低估，對夏季平均氣溫變化顯著性造成高估。

2.2.3 月變化

由圖10和表1可知，非自然因素對全省單站月平均氣溫氣候傾向率造成了影響。1961—2017年，全省111個站中有58.6%的站點月平均氣溫變化受到非自然因素的影響，其中，1—12月月平均氣溫氣候傾向率低估站點的比例最大，為43.3%，包括1月、2月、4月和10月，低估比例最小為7月的39.7%；與之相對應，氣候傾向率高估站點的比例最高為7月的18.9%，高估站點的比例最低為15.3%，包括1月、2月、4月和10月；均一化前，全省111個氣象站6月、7月和8月月平均氣溫氣候傾向率為負的站點最多，占全省的76.6%、53.2%和82.0%，均一化后，分別占全省的65.8%、41.4%和74.8%，較均一化前低，這說明，在均一化后，有相當一部分站點的月平均氣溫變化趨勢由下降變?yōu)樯仙?。與年和季節(jié)相一致，全省有41.4%站點均一化前后的各月平均氣溫氣候傾向率沒有變化，即這些站點的月平均氣溫未受到非自然因素的影響。

圖9 1961—2017年河南省各站均一化前后春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)平均氣溫變化對比空間分布Fig.9 Spatial distributions of comparison of mean temperature changes in spring (a),summer (b),autumn (c),winter (d) before and after the homogenization for each station in He′nan province from 1961 to 2017

圖10 1961—2017年河南省各站均一化前后1月(a)、2月(b)、3月(c)、4月(d)、5月(e)、6月(f)、7月(g)、8月(h)、9月(i)、10月(j)、11月(k)和12月(l)月平均氣溫變化對比空間分布Fig.10 Spatial distribution of comparisons of mean temperature change in January (a),February (b),March (c),April (d),May (e),June (f),July (g),August (h),September (i),October (j),November (k) and December (l) before and after the homogenization for each station in He′nan province from 1961 to 2017

由圖10和表1可知，非自然因素對全省單站月平均氣溫變化的顯著性造成了影響。1961—2017年，均一化前，全省111個氣象站1—12月月平均氣溫增溫顯著的站點超過50%的有5個月份，分別為2月、3月、4月、10月、12月，均一化后比均一化前多了個1月，增加為6個月份，各月之間，以2月和3月所占比例最高；均一化前，6月、7月和8月月平均氣溫變化不顯著的站點分別占全省的89.2%、98.2%和83.8%，均一化后分別占90.1%、92.8%和90.1%；非自然因素對6月和8月月平均氣溫變化趨勢的顯著性造成高估，對7月月平均氣溫變化趨勢的顯著性造成低估。除6月、8月、9月外，其余各月均一化后平均氣溫變化顯著的站點比例均比均一化前大。

表1 1961—2017河南省各站均一化前后年、季節(jié)、月平均氣溫變化統(tǒng)計分析Table 1 Statistical analysis of annual,seasonal,and monthly mean temperature changes before and after homogenization for each station in He′nan province from 1961 to 2017

2.3 城市化的影響分析

在均一化處理過的氣象站點中，選擇未遷站的鄭州、駐馬店和焦作等3個城市站點，進行城市化對氣溫變化的影響分析。分析發(fā)現(xiàn)(圖11)，在鄭州、駐馬店和焦作3站，年、四季和各月均一化后平均氣溫的增溫速率均小于均一化前，兩者年平均氣溫速率差值鄭州站最大、焦作站次之、駐馬店站最小，分別為0.21 ℃/10 a、0.14 ℃/10 a和0.05 ℃/10 a。由于3個城市氣象站均未遷站，造成均一化前后差別較大的主要原因為城市化和人為排放熱源導致氣溫變化速率加快。

圖b、圖d和圖f中A代表P<0.01，B代表P<0.05圖11 1961—2017年鄭州站(a)、駐馬店站(c)、焦作站(e)均一化前后年平均氣溫以及鄭州站(b)、駐馬店站(d)、焦作站(f)均一化前后季和月平均氣溫變化Fig.11 Annual and seasonal-monthly mean temperature changes before and after homogenization in Zhengzhou station (a,b),Zhumadian station (c,d),Jiaozuo station (e,f) from 1961 to 2017

3 結論與討論

(1)從全省平均氣溫變化看，1961—2017年均一化前后全省年、春季和冬季平均氣溫均為顯著上升，均一化后的增溫速率高于均一化前。各月之間，除6月、7月和8月外，均一化后，各月月平均氣溫的氣候傾向率均比均一化前略高。均一化后月、季和年全省平均氣溫增加速率整體增大，非自然因素導致了對全省平均氣溫增速的低估。

(2)從單站氣候傾向率看，1961—2017年河南省有58.6%的站點受非自然因素影響較大，其中年、春季和秋季平均氣溫氣候傾向率有43.3%被低估、15.3%被高估，夏季和冬季平均氣溫氣候傾向率有41.5%被低估、17.1%被高估；月平均氣溫氣候傾向率低估站點的比例最大為43.3%，包括1月、2月、4月和10月，低估比例最小為7月的39.7%。

(3)從單站氣溫變化趨勢顯著性看，均一化前后，全省大部分站點的年和四季平均氣溫均變化顯著，非自然因素對全省單站春季、秋季和冬季平均氣溫變化顯著性造成低估，對夏季平均氣溫變化顯著性造成高估。各月之間，均一化前12個月份中，月平均氣溫增溫顯著的站點超過50%的有2月、3月、4月、10月、12月，均一化后，又多了個1月，并均以2月和3月顯著站點所占比例最高，除6月、8月、9月外，其余各月均一化后平均氣溫變化顯著的站點比例均比均一化前大。總體上看，全省40%左右站點的月平均氣溫變化速率及其顯著性受到非自然因素的影響，并使其結果低估。

(4)本研究通過均一化前后氣溫資料的對比分析，明確了氣溫變化真實變化規(guī)律及其空間差異，在分析氣溫變化對農業(yè)、水資源等影響評估時，應當考慮觀測數(shù)據(jù)本身不夠真實帶來的影響，使用均一化資料，以降低由于資料非均一性造成的評估結果不確定性，這對于積極應對氣溫變化可能帶來的影響具有一定的指導意義。許艷等[27]采用1961—2014年的均一化氣溫數(shù)據(jù)研究中國氣溫變化時得出，1961—1984年、1985—1997年、1998—2014年3個時段氣溫的氣候傾向率分別為0.02 ℃/10 a、0.40 ℃/10 a、-0.05 ℃/10 a，河南省同時期3個時段氣溫的氣候傾向率分別為-0.18 ℃/10 a、0.82 ℃/10 a、0.14 ℃/10 a。對比發(fā)現(xiàn)，1985年以后，河南省同期增溫速率遠高于全國增溫速率。與河南省同處華中地區(qū)的湖北省，利用1970—2013年逐月均一化氣溫數(shù)據(jù)得出的年平均氣溫增溫速率為0.30 ℃/10 a[28]，與河南省同期增溫速率0.27 ℃/10 a相比略高。張德汴等[29]利用河南省1957—2007年開封氣溫觀測資料，得出開封年平均氣溫增溫速率為0.18 ℃/10 a，冬季增溫速率最大，為0.3 ℃/10 a，而同時期氣溫觀測資料均一化后開封的年平均氣溫增溫速率為0.23 ℃/10 a，冬季增溫速率為0.42 ℃/10 a。