1959-2013年珠江流域平均气温时空变化特征*

谢毅文, 李 娟，陈伟荣，罗世豪

(1. 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉430072；2. 东莞理工学院 化学与环境工程学院，广东 东莞523808；3. 北京师范大学水科学研究院，北京100875；4. 中国环境科学研究院，北京100012；5. 东莞市海汇环保科技有限公司，广东 东莞523000)

1959-2013年珠江流域平均气温时空变化特征*

谢毅文1,2, 李 娟3,4，陈伟荣2，罗世豪5

(1. 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉430072；2. 东莞理工学院 化学与环境工程学院，广东 东莞523808；3. 北京师范大学水科学研究院，北京100875；4. 中国环境科学研究院，北京100012；5. 东莞市海汇环保科技有限公司，广东 东莞523000)

根据1959-2013年珠江流域43个气象站点月平均气温数据，采用线性倾向估计、M-K突变分析和小波分析等方法分析了珠江流域平均气温的时空变化特征。结果表明：珠江流域在统计时间段的平均气温均呈上升趋势，且绝大部分区域上升显著(P<0.05)；年平均气温序列于1993年存在显著突变，其余时间尺度突变主要发生在20世纪90年代初期；年平均气温序列主周期为3.6 a，1963-1970年期间存在2.4～3.4 a的变化周期；1983-2008年期间存在2.8～4.4 a的变化周期。流域内年平均气温范围为10.68～22.60 ℃，平均值为19.50 ℃，从西部到东部总体呈增加趋势；绝大多数气象站点在不同时间尺度内的平均气温均呈上升趋势，其中珠江三角洲地区和东江流域受城市化影响平均气温上升尤为显著。

平均气温；时空变化；升温趋势；全球变暖；珠江流域

近年来，因全球变暖引起的洪涝和干旱灾害不断增多，严重影响人类生态环境和社会经济发展[1]。全球气温升高是众多气象灾害事件发生的重要驱动因素之一，已引起世界范围内的广泛关注[2-3]。据IPCC第五次评估报告指出，全球气候变化程度有可能比目前人类所认识到的还更严重，20世纪50年代以来的变化剧烈程度是近千年以来所罕见的[4]。从有详细气象记录以来的19世纪50 年代开始，在刚刚过去的3个10 a中，每一个10 a都刷新了平均气温最高的纪录； 1980-2012年期间则可能是北半球自1400年以来最热的30 a。1880-2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，约升高了0.85 ℃；2003-2012年平均温度比1850-1900年平均温度上升了0.78 ℃，因此，全球气温变暖已是不争的事实[5]。全球变暖将影响地球的水循环系统，导致地球干湿更分明、海水升温、冰川消融、北半球春季积雪减少等，并由此引发出一系列灾害。

在全球气温升高的背景下，了解区域气温的变化规律对及时预测预警灾害性天气显得尤为重要。中国为此也开展了一系列探索区域气温变化规律的研究，以期为气候灾害预报提供有效参考依据，如屠其璞等[6]发现中国平均气温的升温趋势为每百年0.76 ℃，与北半球陆地平均气温的相关系数为0.78，且中国平均气温和北半球平均气温目前都处在最高温期；曾小凡等[7]分析了长江流域年平均气温空间变化特征，发现自1991年以来全流域平均气温均为上升趋势，其中中下游地区和金沙江流域平均气温上升幅度最大；王莹等[8]发现在全球变暖背景下，近50 a广西全区年平均气温和年极端最高、最低平均气温呈现总体上升趋势，其中年平均气温和年极端最低平均气温的上升趋势特别显著；张雪芹等[9]发现中国干旱区1961-2007年间的年平均气温呈明显上升趋势，约上升了1.8 ℃，平均每10 a气温升温速率为0.39 ℃，增暖幅度与波动幅度均高于同期全球以及中国区域平均水平。上述研究表明，我国大部分地区平均气温与全球变暖的大背景相一致，均呈现上升趋势。

珠江是中国7大江河之一，流域下游珠江三角洲地区经济发达，是中国最为重要的经济增长极之一[10]。珠江流域是中国南方水循环最活跃的流域之一，然而，随着全球气候变暖引起的流域气象灾害也逐渐频繁，主要表现在两方面：① 上游地区降雨偏少，导致这些地区经常遭受干旱灾害威胁[11]；② 下游地区水循环变得更加活跃，导致这些地区经常产生极端降雨并形成洪涝威胁[12-13]。可见，全球气温升高给珠江流域社会经济发展带来了严峻的挑战。为了积极应对因气温升高导致气候异常而带来的一系列问题，探讨珠江流域气温变化规律显得非常重要。鉴于此，本文采用1959-2013年珠江流域43个气象站提供的月平均气温数据，分析流域平均气温的时空变化特征并探讨其发展规律，以期为流域灾害预警预报、灾害管理、防灾减灾等工作提供科学的参考依据。

1 流域概况与数据来源

珠江流域(102°14′E-115°53′E; 21°31′N-26°49′N) 面积约47.6 万km2，由西江、北江、东江、珠江三角洲诸河组成。珠江流域地处热带和亚热带季风气候区，多年平均气温在14～22 ℃，多年平均降水量1 525 mm，年内降水多集中在4-9月，约占全年水量的80%。

站点数据源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥cdc.cma.gov.cn/home.do)。珠江流域共有国家级气象站点48个，本文选择其中数据系列完整并通过R软件检测的站点共43个(如图1)，对1959-2013年逐月平均气温数据，通过R软件中的RClimDex 程序处理，以达到检测和提高数据质量的目的。检验处理主要包括以下几个方面错误记录检查内容：① 月最低温>月最高温；②记录值严重偏离本地区气象实际情况，即超出3 倍标准差的值定义为出界值。通过人工检查同相邻站点的记录进行比对，对合理的数据进行保留，不合理的则按缺测进行处理，而缺测数据采用3次样条函数内插补齐。为了方便分析，根据珠江流域内各独立的水系特征及地形地貌相似的原则，把流域划分为7个子区域：区域1包含南盘江和北盘江流域，区域 2 包括红水河及柳江流域，区域 3 包含左江、右江及郁江流域，区域 4 包含贺桂江、黔浔江及西江干流流域，区域 5 为北江流域，区域 6 为东江流域，区域 7 为珠江三角洲，具体如图1所示。

图1 珠江流域地形概况及其气象站点分布图Fig.1 Terrain situation and meteorological stations of Pearl River basin

2 研究方法

珠江流域的年平均气温在年内不同时间尺度呈现明显的差异特征，因此本文选取年、四季、汛期与非汛期共7个时间尺度，并对于时间尺度作如下划分：春季(3-5月)，夏季(6-8月)，秋季(9-11月)，冬季(12月-翌年2月)，汛期划分为4-9月，非汛期划分为10月-翌年3月。对于年均气温的时间变化主要采取趋势分析、突变分析和周期分析，空间变化则采取Kriging插值法。

根据月平均气温统计出各年平均气温后，利用线性倾向估计方法构建年平均气温值与年份之间的线性关系，以分析年平均气温的时间趋势变化，计算步骤详见文献[14]。突变分析采取Mann-Kendall法(简称M-K法)分析空间模态时间变化特征，该方法又称无分布检验，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，可检验年平均气温长时间序列的变化趋势，定量反映变化趋势的显著性，计算步骤详见文献[14]。周期分析则采取小波分析，它是建立在经典的傅里叶分析和窗口傅里叶变换的基础上发展起来的，可以分析出时间序列周期变化的局部特性，具体计算方法详见文献[15-16]。

在年平均气温空间格局研究中，由于基于地统计学的Kriging插值方法有较好的拟合效果[17]，利用ArcGIS的地统计模块将43个站点的多年平均气温和变化速率进行空间内插，得到空间连续分布的珠江流域多年年平均气温及其变化速率图。

3 研究结果分析

3.1 多时间尺度变化特征

运用线性倾向估计方法，分析珠江流域43个站点1959-2013年之间55 a平均气温数据，并计算其及七个子区域多时间尺度趋势线斜率slope值和相关系数R值。对于年平均气温、春季平均气温、夏季平均气温、秋季平均气温和汛期平均气温，时间序列长达55 a，以0.05显著水平进行检验查得R0.05,55=0.265 61；冬季以及非汛期平均气温时间序列长度为54 a，以0.05显著水平进行检验查得R0.05,54=0.268 09。流域及其子区域slope值以和信度水平检验结果如表1所示。可知，珠江流域及其子区域在大部分时间尺度内的平均气温均通过了通过95%的信度水平显著性检验，表明在对应的时间尺度内平均气温上升显著。

表1 子区域及珠江流域平均气温趋势线斜率1)

1)“*”为通过95%的信度水平显著性检验

图1为7个子区域和珠江流域年平均气温趋势变化图。可知，各子区域和流域均呈上升趋势，且均通过了0.05置信水平检验，表明在1959-2013年55 a间年平均气温显著地上升，其中子区域7上升速率最高(每10 a为0.19 ℃)，而区域2上升速率最低(每10 a为0.111℃)。珠江流域最大年均气温发生在1998年的20.39为℃，最小发生在1984年的18.69 ℃。从平均气温年纪变化来看，珠江流域在1960年代中期到1980年代中期平均气温下降到一个较低水平，此后分别在1980年代中期至1990年代中期、1990年代中期至2010年代初期平均气温回升到较高水平。

珠江流域四季平均气温变化趋势如图3(a-d)所示，可知珠江流域四季温度均呈上升趋势，其中春季平均气温变化没有通过0.05置信水平检验，上升趋势不显著；而夏秋冬平均气温均通过置信水平检验，上升趋势显著(P<0.05)。各个季节中，冬季平均气温上升速率最大(每10 a为0.28 ℃)，秋季次之(每10 a为0.24 ℃)。对于子区域，代表南盘江和北盘江流域的区域1以及珠江三角洲所在的区域7同样是春季平均气温呈不显著上升趋势，但夏秋冬平均气温上升趋势显著(P<0.05)，且冬季上升速率最高；其他子区域春季和冬季平均气温上升不显著，夏季和冬季上升趋势显著(P<0.05)。

珠江流域汛期与非汛期平均气温变化趋势如图3(e-f)所示，整个珠江流域在汛期和非汛期平均气温均呈现上升趋势，且均通过0.05信度检验，而非汛期上升速率较大(每10 a为0.17 ℃)。7个子区域在汛期平均气温均呈显著上升趋势(P<0.05)，其中代表珠江三角洲的区域1上升速率最高(每10 a为0.15 ℃)；7个子区域非汛期平均气温也呈上升趋势，除区域2和区域3未通过0.05置信水平检验外其余均通过检验，而非汛期平均气温上升速率最高发生在代表珠江三角洲的区域1。

由图2和图3可知，在1959-2013年期间珠江流域平均气温呈上升趋势，平均每10 a上升速率为0.134 ℃。本文的上升趋势与王兆礼等的结果基本一致，但后者的每10 a平均上升速率为0.10 ℃，显然，计算时间序列较短(1961-2000年)是导致二者差异的主要原因[18]。

外界条件以及气象环流特征是引起珠江流域平均气温上升的主要原因。文献[19-20]研究发现500 hPa高度场在1970年代末后呈现波动式上升，中纬度环流由以前的经向环流为主逐渐演变成纬向环流为主，而此时副热带高压同样也进入偏强期，这种环流的演变使得进入及影响我国的冷空气次数偏少、强度偏弱，从而导致珠江流域的气温明显偏高，尤其是近10 a增加趋势更加明显。刘燕等[21]发现冬季西风带系统活动减弱，西风槽经向度减小使得冷空气活动减弱，导致对珠江流域的影响也相应减弱，从而有利于冬季温度升高；同时华南低层偏南风异常(冬季风减弱)，珠江流域上空水汽含量增加而削弱向外长波辐射，不利于夜间辐射降温而导致夜间最低温度的显著增暖。另外副热带高压加强西伸使得华南受副高控制机会增加，副高控制下的下沉气流利于珠江流域温度显著升高；南海夏季风强度减弱，导致大气中水汽含量减少、比热降低，因而白天吸收短波辐射时更容易导致升温。

3.2 突变分析

为分析年均气温序列的突变情况，采用M-K法对区域1-7及整个珠江流域的平均气温序列进行突变分析，发现7个子区域和珠江流域的年均气温序列均没有发生显著的突变。以珠江流域为例，图4显示了流域的年均气温突变情况：整个珠江流域UF曲线表现出先降后稳定上升的趋势，UF和UB两曲线在临界值±1.96(α=0.05)之间仅在1993年处有交点，表明存在突变点；UF曲线在2004年以后超出临界线，表明珠江流域在2004年后年平均气温上升趋势显著(P<0.05)。再统计、分析珠江流域四季、汛期与非汛期尺度平均气温突变情况如表2所示，可知珠江流域除了夏季突变发生时间较早(1983)、春季没有发生突变外，其余时间尺度的平均气温突变主要发生在20世纪90年代初期，且这些突变呈上升趋势。

图2 珠江流域及各区域年平均气温变化趋Fig.2 Variation trend of annual average temperature in Pearl River basin and the sub-regions

3.3 周期分析

为分析年均气温周期变化情况，对1959-2013年区域1-7及整个珠江流域的年均气温进行小波分析。限于篇幅，仅以全流域的年均气温为例分析序列的周期特性。图5为年平均气温小波分析图，左侧为连续小波变换图，各包络线为能量密度等值线；右侧为全局小波功率图，点线表示95%置信水平的红噪声检验曲线，若实线的峰值超过点线则表示对应的周期显著。1959-2013年珠江流域平均气温序列存在3.6，8和22.7 a的周期，其中3.6 a的周期通过了95% 的红噪声检验，故3.6 a为序列的主周期。具体来看，在 COI(Cone of influence，小波影响锥)区域内小波功率谱能量密度的峰值主要集中在1963-1970年，存在2.4～3.4 a的变化周期，并通过显著性检验；1983-2008年存在2.8～4.4 a的变化周期，通过了显著性检验；在其他时间尺度，小波功率谱能量都比较小，均没有通过95%置信水平的显著性检验。

表2 珠江流域多时间尺度平均气温突变分析

图3 珠江流域各时间尺度平均气温变化趋势Fig.3 Average temperature variation trend of different time scales over Pearl River basin

图4 珠江流域年平均气温突变分析图Fig.4 Mutation analysis diagram of annual average temperature in Pearl River basin

再对珠江流域不同时间尺度的周期分析结果汇总于表3，由表可知，流域各时间尺度的主周期在2.6～3.6 a之间。

图5 珠江流域年平均气温小波分析图Fig.5 Wavelet analysis of annual average temperature over the Pearl River basin

表3 珠江流域多时间尺度平均气温周期分析

Table 3 Period analysis of average temperature with multi-time scale

序列序列年份周期/a主周期/a显著年份全年1959-20132 8～4 4/2 4～3 43 61963-1970/1983-2008春季1959-20131 7～5 23 61963-2004夏季1959-20131 8～3 42 61964-1979/1990-2010秋季1959-20131 8～3/6 5～9 22 61962-2009/1974-2002冬季1959-20121 8～4 8/5 7～8 63 61964-1992/1971-1988汛期1959-20131 8～3 4/1 8～6 22 81973-1987/1993-2006非汛期1959-20122～4/2 8～9 53 11964-1981/1969-1996

3.4 年平均气温空间分布及其变化特征

计算各站点多年平均气温并通过Kriging插值法对全流域进行插值，可得珠江流域年均气温空间分布图(图6a)。流域内年平均气温范围为10.68～22.60 ℃，平均值为19.50 ℃，最大值为深圳站的22.62 ℃，最小值为威宁站的10.64 ℃。东部、中部区域年平均气温较高而西部较低，从西部到东部呈总体增加趋势。

利用1959-2013年珠江流域43个站点不同时间尺度的平均气温与时间序列建立线性相关关系，得到各站点对应的相关系数。给定显著性水平α= 0.05(置信度95%)，分析平均气温时间序列的趋势变化情况和显著程度。表4为各站点平均气温趋势统计表，可知流域大多数站点的在不同时间尺度均呈上升趋势。

图6 珠江流域年均气温空间分布图Fig.6 Spatial distribution characteristics of annual average temperature in Pearl River basin

图7 珠江流域不同时间尺度平均气温变化速率空间分布图Fig.7 Spatial distribution maps of average temperature change rates with different time scales in the Pearl River basin

表4 珠江流域各站点平均气温变化趋势特征统计

Table 4 Trend characteristics of average temperature variation of the stations in Pearl River basin

时间尺度趋势检验通过率/%上升个数总数显著不显著下降个数总数显著不显著全年86 042375101春季25 6391029413夏季88 441374211秋季83 741365202冬季39 5431726000汛期79 141338211非汛期65 1432815000

计算各个站点平均气温变化速率并利用Kriging插值法插值得到珠江流域平均气温变化趋势空间分布特征，如图7所示。对于全年尺度，共有42个站点(97.67%)呈上升趋势，其中37个站点(86.05%)呈显著上升(P<0.05)，表明珠江流域年平均气温呈总体上升趋势，而流域东部及西南部上升尤为显著。对于四季、汛期和非汛期时间尺度，大部分站点平均气温呈上升趋势，仅有极个别站点呈下降趋势。东部地区的区域6与区域7平均气温上升尤为显著，主要是因为近几十年来东江流域和珠江三角洲地区城市化进程不断推进使得城市的热岛效应越来越明显，从而导致区域升温趋势显著。

4 结 论

根据珠江流域43个气象站1959-2013年逐月平均气温数据，采用线性倾向估计、M-K趋突变检验、小波周期分析和Krijing插值法等方法分析了珠江流域及其子区域平均气温时空变化特征，得出以下主要结论：

1)珠江流域及其子区域在1959-2013年间年平均气温呈总体上升趋势，且绝大部分区域上升显著(P<0.05)，其中珠江三角洲地区的上升速率最高，每10 a达到了0.19 ℃；四季、汛期与非汛期时间尺度的平均气温也有不同程度的升高，且大部分地区上升显著(P<0.05)。

2)珠江流域及其子区域的平均气温均存在显著上升突变，全流域突变点出现在1993年，且在2004年后年平均气温上升趋势显著(P<0.05)；四季、汛期与非汛期时间尺度平均气温突变主要发生在20世纪90年代初期，这些突变均呈上升趋势。

3)珠江流域年平均气温序列的主周期为3.6 a。1963-1970年存在2.4～3.4 a的变化周期，1983 -2008年存在2.8～4.4 a的变化周期；其他时间尺度存在2.6～3.6 a的主周期。

4)流域内年平均气温范围为10.68～22.60 ℃，平均值为19.50 ℃，从西部到东部呈总体上升趋势。

5)流域绝大多数气象站点在不同时间尺度的平均气温呈上升趋势，其中珠江三角洲地区和东江流域受城市化热岛效应影响上升尤为显著。

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Spatio-temporal variation of average temperature over the Pearl River basin during 1959-2013

XIEYiwen1,2,LIJuan3,4,CHENWeirong2,LUOShihao5

(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan 430072, China; 2. College of Chemical and Environmental Engineering, Dongguan University of Technology, Dongguan 523808, China;3. College of Water Sciences, Beijing Normal University, Beijing 100875, China;4. Chinese Research Academy of Environmental Sciences, Beijing 100012, China;5. Dongguan Haihui Environmental Protection Science & Technology Limited Company,Dongguan 523000, China)

Based on the monthly average temperature data from 43 meteorological stations during 1959 to 2013, the spatiotemporal variation in the Pearl River basin was analyzed using the methods of linear regression, Mann-Kendall and wavelet analysis. The results show that: the average temperature showed an increasing trend in different time scales and the average temperature in most of the areas increased significantly (P<0.05). The annual average temperature series of the Pearl River basin had a mutation in 1993 but the other time scales had mutations mainly in the early 1990s. The primary period of the annual average temperature series was 3.6a and there were 2.4～3.4 years and 2.8～4.4 years change periods in 1963-1970 and 1983-2008 respectively. The value range of the average temperature of the basin was 10.68～22.60℃ with the average value of 19.50℃, which showed an increasing trend totally form the western to eastern. The average temperature of most meteorological stations of different time scales showed an increasing trend, which increased significantly in the Pearl River Delta and the Dongjiang River basin due to the influence of urbanization.

average temperature; spatiotemporal variation; warming trend; global warming; the Pearl River basin

10.13471/j.cnki.acta.snus.2016.03.005

2015-05-26

环保公益性行业科研专项基金资助项目(201309003)；水资源与水电工程科学国家重点实验室开放基金资助项目(2013B106)；华南地区水循环与水安全广东省普通高校重点实验室开放基金资助项目(KLB09002)；广东高校化工清洁生产与绿色化学品工程技术开发中心开放基金资助项目(201403)

谢毅文(1980年生)，男;研究方向：水资源水环境保护；通讯作者：李娟 ;E-mail:lijuan@craes.org.cn

P468.1

A

0529-6579(2016)03-0030-09