太白山保护区气温变化及其空间差异性分析*

刘荣娟，白红英，马新萍，冯林林，秦 进，程德强

（西北大学城市与环境学院，西安 710127）



太白山保护区气温变化及其空间差异性分析*

刘荣娟，白红英**，马新萍，冯林林，秦 进，程德强

（西北大学城市与环境学院，西安 710127）

摘要：根据太白山保护区周边15个气象站1959-2013年以及保护区内11个高山气象站2012-2014年的数据，采用Kriging插值法、一元线性回归分析法、Mann-Kendall突变检验法等，结合ArcGIS分析太白山保护区的气温变化趋势和突变特征，并对比保护区南北坡和高海拔区域（海拔≥2800m）与保护区整体的气温变化差异。结果表明：（1）1959-2013年太白山保护区的气温呈波动上升趋势，线性倾向率为0.329℃·10a−1（P＜0.05）。气温变化空间差异明显，东南部和西部地区气温上升趋势显著（P＜0.05或P＜0.01），最高达0.383℃·10a−1；四季气温均呈上升趋势，冬季升温最快，春季最慢。（2）M-K检验表明，1998年前后保护区整体气温发生增温突变。突变后气温上升加快，上升趋势达显著水平的区域为86.76%。（3）空间差异分析显示，55a来太白山保护区北坡年平均气温和升温速率明显低于南坡，北坡和南坡年平均气温线性倾向率分别为0.247和0.291℃·10a−1。高海拔区域的年平均气温线性倾向率为0.244℃·10a−1，低于保护区整体，其气温突变发生在2001年，突变前东南部升温最快，突变后西部升温速率降低，中部地区升温明显加快。

关键词：太白山保护区；气温变化；空间差异；Kriging插值；气温变化倾向率

刘荣娟，白红英，马新萍，等.太白山保护区气温变化及其空间差异性分析[J].中国农业气象，2016，37（1）:1-10

气候变化将严重影响全球各地的生产生活[1]。IPCC第五次评估报告指出[2]，全球气候系统变暖的事实毋庸置疑，1951年以来全球地表温度的平均上升速率为0.12（0.08～0.14）℃·10a−1。第二、第三次气候变化国家评估报告[3-4]指出，1951-2009年中国陆地表面平均气温上升了1.38℃，明显高于同期全球或北半球其它区域的平均增温速率，尤其近15a处于近百年来升温最快的阶段。有关气候变化的研究逐渐受到重视。

研究区域气候在全球变化背景下的变化特征具有重要意义，而利用GIS技术生成高分辨率的气候数据，分析气候资源的空间分布及趋势模拟，能达到较好的效果[5-6]。段春锋等[7-10]对中国整体及区域气温变化的研究表明，各区域气温变化并不一致。施雅风等[11]认为，西北气候由暖干型向暖湿转型；吴昊旻等[12]对长三角地区的季节气候变化特征进行了研究，认为该区域春夏季时间延长，秋冬季缩短，气温呈上升趋势；杨再禹等[13]研究发现，黔东南地区1961-2009年气候向暖干化发展。太白山位于秦岭山脊线处，高差大，坡度陡，地貌特征复杂，是对全球变化响应敏感的地区之一。其所处的秦岭地带是中国南北重要的地理分界线，引起众多关注[14-16]。对秦岭气候分界线[17]、南北气候变化差异[18]等的研究表明，秦岭南北坡的气温具有同步增加的趋势[19]。但目前关于太白山区气候的研究报道鲜见，尤以针对太白山复杂的地形内气候变化差异的相关研究缺乏。本文以太白山周边气象站点气象数据为基础，基于Kriging插值法和数理统计方法，对全球气温明显升高的近半个世纪以来太白山保护区的气候变化特征进行研究，将其与秦岭山地和西北地区进行比较，并探讨南北坡之间、高海拔区域与保护区整体之间的气温变化特征的异同。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

太白山国家级自然保护区地处陕西秦岭中段，总面积563.25km2，位于33°49′-34°08′N，107°22′-107°52′E，地跨陕西眉县、太白和周至3个县[20]。海拔落差大，最高处3771.2m，位于主峰拔仙台，最低处1028m。属内陆季风气候，年平均降水量500～1100mm，年平均气温5.9～7.5℃，南北坡气温变化有所差异。

1.2 数据来源

25m分辨率的DEM高程数据来自国家测绘局。太白山保护区周边15个基本气象站点1959-2013年以及保护区内11个高山气象站点2012-2014年气象数据来自陕西省气象局，站点分布见图1。基本气象站长期气象资料主要用于气温变化特征分析，2012-2014年高山气象站气象资料主要用于山地气温垂直递减率的计算和空间插值结果的验证。

图1 研究区及其周边各气象站点位置(a)和太白山保护区地形图(b)Fig.1 Meteorological stations(a) and topography(b) in the protected area of Taibai Mountain注：图b中外部实线包围的是太白山保护区即I区，内部填充部分为高海拔区域即II区。下同Note: In Fig.b， the range in outside solid line is I area which is Taibai Mountain protected area.The inside filling range is II area which is high altitude area （altitude ≥2800m）.The same as below

1.3 研究方法

1.3.1 一元线性回归分析法

该方法可以对气温栅格图内每个像元的变化趋势进行模拟，采用最小二乘法计算其倾向值，以估计时间序列与气温序列的回归系数，计算式为

式中，θslope为趋势斜率（℃·10a−1），体现像元在一定时间内的变化趋势，n为年份累加，Ti为第i年的年平均气温（℃），θslope＞0说明气温升高；θslope＜0则气温降低。

1.3.2 Mann-Kendall检验法

均值突变是气候突变的一种，能一定程度上反应基本气候状况的变化，而M-K检验则可有效检测气温均值突变。其步骤为先将原始时间序列定义为X1，X2，…，Xn，ni表示时间序列中第i个样本Xi大于Xj的累计数，dk为统计量，即

式中，dk的均值E（dk）和方差Var（dk）分别为

将dk标准化后得

U（dk）所得曲线UF若超过信度线（u0.05＝±1.96，u0.01＝±2.56），表示变化趋势显著，UF曲线与反序列计算得出的UB曲线在置信区间内的交点即为突变的开始点[21-22]。

1.3.3 Kriging插值法及其验证

利用Kriging插值法[23]对气温要素进行空间插值，变异函数均选择球面函数。为保证山地气温插值结果的准确性，插值过程中需考虑高程因素的影响[24]。首先确定气温垂直递减率，对26个气象站数据进行选择整理，结合海拔高度分别计算南北坡年、季、月的气温垂直递减率[25]，保护区整体的气温垂直递减率为南北坡平均值，而在保护区南北坡分别进行插值时则使用各自的气温垂直递减率。考虑到高海拔区域与保护区整体的差异性，上述计算的递减率并不适用。太白山11个高山站点平均海拔2272m，更接近保护区高海拔地区的气温特征，利用2012-2014年气象数据计算其气温递减率，再次对高海拔地区的气温进行插值。表1为太白山高海拔区域与保护区整体气温垂直递减率，1月和7月均为两个区域气温递减率最低和最高的月份，由表可见，高海拔区域各个月份、季节和年平均气温的递减率均高于保护区整体，气温随海拔升高而降低的现象在高海拔地区更为明显，且时间上以冬季差异最大，空间上表现为北坡差异更大。

利用表1中的垂直递减率将各站点实测气温值订正至海平面气温，在ArcGIS10.1中进行插值，将插值后的栅格数据与区域DEM数据相叠加，利用栅格计算工具，最终得到具有地形特征的太白山保护区整体、保护区南北坡和高海拔区域的气温栅格数据，即

式中，T0为插值后生成的海平面的温度（℃），A为研究区气温垂直递减率（℃·m−1），E为海拔（m） ，T为最终生成的研究区气温（℃）。

插值后输出各站点的交叉验证结果，分析插值误差大小，交叉验证结果显示平均标准差为0.877。将太白山保护区内4个站点2012、2013年的实测温度数据与插值结果进行对比，其结果显示（表2），插值误差绝大部分在±1℃以内，表明该插值结果具有较高的可信性，可以用来分析太白山保护区的气温变化特征。

表1 太白山保护区（I）和高海拔区域（II）内南北坡气温的垂直递减率（℃·m−1）Table 1 Temperature lapse rate of southern and northern slopes in I area and II area（℃·m−1）

表2 太白山区域站点2012、2013年不同时段平均气温插值结果与实测数据的对比(℃)Table 2 Contrast between average temperature interpolation results with measured data in regional sites of Taibai Mountain during different periods in 2012 and 2013(℃)

2 结果与分析

2.1 太白山保护区气温变化趋势分析

2.1.1 年平均气温

根据55a插值后的栅格数据，太白山保护区年平均气温为3.540℃，其中高海拔区域（海拔≥2800m）为0.225℃，各区域年平均气温的空间分布和变化趋势见图2。由图2b可见，55a来两个研究区域内年平均气温均表现为波动上升趋势，整个保护区年平均气温的线性倾向率为0.329℃·10a−1（P＜0.05），高海拔区域为0.244℃·10a−1（P＜0.05）。由图3可见，各栅格的气温变化率存在明显的空间差异，太白山保护区内大部分地区线性变化较快，年平均气温呈显著（P＜0.05）上升趋势，东南部和西部地区呈极显著（P＜0.01）上升趋势，最高达0.383℃·10a−1，其它地区的线性变化趋势不显著。

2.1.2 季平均气温

由图4可见，太白山保护区四季平均气温变化率存在不同的空间差异。除春季有小范围不显著下降外，其余均呈上升趋势。其中冬季平均气温上升最快，其线性倾向率为0.468℃·10a−1（P＜0.05），最高达0.644℃·10a−1，春季气温上升最慢。秋、冬季气温变化率的空间分布相似，东南部线性变化较快，气温呈显著（P＜0.05）或极显著（P＜0.01）上升趋势；春夏两季线性变化较缓，其中北部变化最快，上升趋势达到显著或极显著水平（P＜0.05或P＜0.01）。西部地区四季升温均不显著。

图2 1959-2013年太白山保护区（I区和II区）年平均气温的空间分布(a)及其年际变化(b)Fig.2 Spatial distribution(a) and variation (b) of annual mean temperature in I area and II area during 1959-2013

图3 1959-2013年太白山保护区年平均气温变化率的空间分布(a)及其F检验结果(b)Fig.3 Spatial distribution(a) of annual mean temperature change rate and its F-test result(b) in protected area during 1959-2013

图4 1959-2013年太白山保护区季平均气温变化趋势的空间分布及F检验结果Fig.4 Spatial distribution and its F-test result of seasonal mean temperature change rate in protected area during 1959-2013

2.2 气温突变特征分析

由图5可见，研究期内（1959-2013年），太白山保护区年平均气温在1984-1995年有所下降，其余时段内均呈上升趋势；UF（I）与UB（I）在u0.05＝±1.96（P＜0.05）的两条临界线内相交于1998年，说明太白山保护区年平均气温于1998年前后发生增温突变，并在2002年超过1.96的临界线（P＜0.05），达到显著增温水平；高海拔地区年平均气温在1986年之前呈波动下降或上升趋势，UF（II）与UB（II）在u0.05＝±1.96（ P＜0.05）的两条临界线内相交于2001年，说明太白山高海拔区域年平均气温于2001年前后发生增温突变，并在2003年超过1.96的临界线（ P＜0.05），达到显著增温水平。

根据上述结果，将太白山保护区气温分为1959-1998年和1999-2013年2个时段进行分析。由图6可见，突变前后气温均呈上升趋势，但突变前的气温变化率明显小于突变后，且其空间分布差异较大。1959-1998年除西部区域升温显著外，其它区域平均气温变化均不显著；1999-2013年太白山保护区平均气温线性倾向率为0.348℃·10a−1（P＜0.05），以中部地区最高，达到0.385℃·10a−1（P＜0.05）。经统计突变年前后气温变化显著性水平的栅格数，发现全保护区年平均气温上升显著的区域所占比例由突变前的43.59%上升至突变后的86.76%。

图5 1959-2013年太白山保护区（I）与高海拔区域（∏）内年平均气温M-K突变检验Fig.5 M-K test of annual temperature in protected area(I)and high altitude area(II)during 1959-2013

图6 1959-2013年气温突变前(a)、后(b)太白山保护区（I区）年平均气温变化率的空间分布及其F检验结果Fig.6 Spatial distribution of annual mean temperature change rate and its F-test result in protected area (I area) before(a) and after(b) mutation year

对2012-2014年11个高山站气象数据进行插值并计算变化率后可知，高海拔区域（海拔≥2800m）突变前（1959-2001年）年平均气温为-0.108℃，突变后（2002-2013年）年平均气温为0.959℃。图7显示了突变前后该区域气温变化率的空间分布。由图可见，突变前（图7a）气温变化趋势不显著，以东南部上升速度最快；突变后（图7b）气温变化线性倾向率达到0.279℃·10a−1（P＜0.05），其中西部升温速率降低，中部地区升温明显加快，最高达到0.470℃·10a−1（P＜0.05）。

2.3 太白山保护区南北坡气温变化差异分析

太白山地跨秦岭分水岭南北两侧，南坡平均海拔2773m，北坡平均海拔2304m，气候特征有所差异。对Kriging插值结果计算表明，北坡年平均气温（5.179℃）高于南坡（2.427℃），但突变前后北坡增温速率（0.247℃·10a−1）均明显低于南坡（0.291℃·10a−1）。由图8可知，南北坡气温线性倾向率在突变后均有所增加，且南北坡增温速率差异加大；空间分布上北坡变化率分布具有明显的海拔变化特征，由北向南随着海拔升高，升温速率逐渐增加，而南坡主要表现为东西向的差异。

图7 1959-2013年突变前后太白山高海拔区域（II区）年平均气温变化率的空间分布Fig.7 Spatial distribution of annual mean temperature change rate in high altitude area (II area) before(a) and after(b) mutation year

图8 1959-2013年太白山保护区突变前(a)后(b)南北坡年平均气温变化率的空间分布Fig.8 Spatial distribution of annual mean temperature change rate of northern and southern slopes in protected area of Taiabai Mountain before(a) and after(b) mutation during 1959-2013

3 讨论与结论

（1）1959-2013年，太白山保护区年平均气温呈波动上升趋势，线性斜率为0.329℃·10a−1（P＜0.05），可以分为3个不同阶段：1959-1979年的波动增温期，1979-1998年的平缓升温期和1999-2013年的迅速升温期。四季平均气温均呈上升趋势，冬季升温最快，春季最慢。太白山保护区无论年或季节的平均升温速率均高于中国平均速率（0.04℃·10a−1），且冬季气温升高对保护区的气温变化影响最大，这与全球变暖的特征颇为相似。同时段内，秦岭关中、陕南地带[26]气温倾向率（0.21℃·10a−1、0.12℃·10a−1）均稍低于此；而干旱区[27]（0.39℃·10a−1）的气温倾向率则略高于此。王劲松等[28]的研究结果表明，西北区1960-2005年气温变化幅度为0.37℃·10a−1，1985年之后是该地区增温的主要阶段，并以冬季增温率最高。马新萍[29]研究发现，1959-2013年秦岭山地气温变化率为0.174℃·10a−1，太白山在秦岭山地内属升温显著地区，与本文研究结论相符合。从全球变化的大环境来看，太白山保护区将继续保持升温趋势。

（2）M-K检验结果显示，1998年前后保护区气温发生增温突变，而高海拔地区在2001年发生突变。突变前年气温平均变化率明显小于突变后。研究时段内，西部地区由升温最快变为升温最慢的区域之一，东部地区和中部高海拔区域升温速率呈加大趋势；且气温上升趋势达到显著水平的区域比例大幅增加。

关于区域气温的突变特征前人做了许多研究，但结论并不一致。对秦岭地区气温突变的研究通常分南北坡分别进行，研究表明其突变基本均发生在20世纪90年代，这与全球气候变化的大形势相吻合。宋佃星等[18]认为秦岭北部在1989 年发生突变，升温幅度为0.34℃·10a−1；秦岭南部在1992 年发生突变，升温幅度为0.14℃·10a−1，两地同样夏冬两季升温幅度大。李双双等[26]和白晶等[30]都将秦岭分为关中和陕南进行分析，前者认为1959-2009年秦岭南北气候变化具有同步性，增温趋势明显，关中地区气温突变（1995 年）早于陕南（1998 年）；后者同样认为关中地区气温突变时期（1990 年）早于陕南（1998年），两者时间上略有差异，但均与本文结论类似。20世纪80年代北半球发生变暖的突变[31]，从90年代初期，中国东北、华北、青藏高原及西北地区先后进入增暖期[32]，而秦岭气温突变发生时间滞后，太白山保护区及其高海拔区域突变滞后现象则尤其明显。

（3）太白山保护区内气温变化率存在明显的空间差异。北坡气温高于南坡，但其升温速率较低，且北坡基本表现为由北向南升温速率逐渐增加，而南坡主要表现为东西向的差异。太白山区2800m以上的高海拔区域主要分布有太白红杉、灌丛、高山草甸等植被类型[33]，该区域几乎没有人类活动的影响，其气温变化特征与低海拔区域不同，更能体现出排除人为干扰和城市热岛效应的区域气候变化特征。高海拔区域气温递减率高于保护区整体，但二者波动趋势一致。高海拔区域南北坡均会受到冬季风强烈影响，冬季递减率与保护区整体差异尤为明显，又因南坡气温普遍较低，所以北坡气温垂直递减率普遍高于南坡，且与保护区整体的差异更大。高海拔区域突变前后气温变化率均低于太白山保护区整体，且空间分布有较大差异，西部升温速率降低，中部地区升温显著。

本文分析了不同海拔不同坡向的山地气温变化特征以及气温垂直递减率的差异，但气温变化的影响因素较为复杂，太白山保护区尤其高海拔地区的气温变化是否与大气环流等有关还需要进一步探讨。

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Temperature Variation and Spatial Difference in the Protected Area of Taibai Mountain

LIU Rong-juan, BAI Hong-ying, MA Xin-ping, FENG Lin-lin, QIN Jin, CHENG De-qiang
（Department of Urban and Environment， Northwestern University， Xi'an， Shaanxi 710127， China）

Abstract：Based on the data of 15 meteorological stations from the period of 1959 to 2013 around Taibai Mountain and the data of 11 alpine meteorological stations from the period of 2012 to 2014 inside Taibai Mountain protected area， authors used the Kriging， linear regression and Mann-Kendall mutation test method combined with ArcGIS to analyze the variation trend and mutation characteristics of temperature in the protected area， and contrasted the differences in climate change between southern and northern aspect of the conservation area, high altitude area （altitude≥2800m） and overall the protected area of Taibai Mountain. The results showed: （1）there was an upward trend of annual mean temperature in the protected area of Taibai Mountain from1959 to 2013， and linear trend rate was 0.329℃·10y−1. Spatial differences of temperature variation was very significant， southeastern and western regions showed a significant warming trend （P＜0.05， P＜0.01）， up to 0.383℃·10y−1. Every seasonal mean temperature was increased; winter warming rate was the fastest while spring was the slowest. （2）According to result of M-K test， a warm abrupt change of the annual mean temperature in overall protected area was occurred in 1998. After 1998， temperature variation rate was increasing rapidly. The proportion of the Area’s significant warming trend reached 86.76%. （3）Analysis of spatial difference indicated: annual mean temperature and change rate of northern aspect was lower than southern aspect in the protected area of Taibai Mountain. In latest 55 years， their linear trend rate were 0.247℃·10y−1and 0.291℃·10y−1. Temperature linear trend rate of high altitude area（0.244℃·10y−1） was lower than overall protected area. A warm mutation of the annual mean temperature was appeared in 2001.book=2,ebook=5Temperature of southeastern region raised fast before 2001. Warming rate of western region was declined while central region’s was significantly accelerated after 2001.

Key words：Taibai Mountain; Temperature variation; Spatial difference; Kriging; Temperature change trend rate

作者简介：刘荣娟（1990-），女，硕士生，主要从事植被变化研究。E-mail：lrj61887@163.com

基金项目：林业公益性行业科研专项“秦岭天然林对气候变化的时空响应及管理对策”（201304309）

* 收稿日期：2015-06-03**通讯作者。E-mail：hongyingbai@163.com

doi:10.3969/j.issn.1000-6362.2016.01.0011