中亚地区与中国气候变化的关系

张理宁

摘要 利用戈达德太空研究所建立的全球网格逐月气温距平数据以及新疆地区国家基准地面气象逐月气温距平资料，通过一元线性回归方程、小波变换等方法，对中亚地区1961—2010年气温变化与中国气温变化关系进行了研究。结果表明：中亚地区在近50年中年平均气温在波动中呈递增趋势，年平均气温每10年气温增加0.277 ℃，这一增温幅度要高于全国年平均气温增温幅度；从1987年开始，中亚地区年平均气温开始呈逐渐增温趋势。我国年平均气温从20世纪80年代开始呈递增趋势，这一结论与中亚地区相一致；中亚地区年平均气温在随时间变化过程中存在着16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3类尺度的周期变化规律，其中3年小尺度变化具有全域性。我国气温普遍存在3～4年的全域性周期变化规律，这一变化规律与中亚地区年平均气温存在3年小尺度全域性相一致；根据EOF分解得出，中亚地区年平均气温空间分布类型主要为东南—西北型、东—西型、南—北型。

关键词 年平均气温；气候变化；小波变换；方差；EOF；中亚地区；中国

中图分类号 P467 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）24-0220-03

Relationship of Climate Change Between Central Asia and China

ZHANG Li-ning

（Longnan Meteorological Bureau in Jiangxi Province，Longnan Jiangxi 341700）

Abstract Based on the global grid monthly air temperature anomaly data set up by the Goddard Institute for Space Research and the national monthly ground-level temperature anomaly data in Xinjiang area，linear regression equation and wavelet transform were used to analyze the relationship of climate change between Central Asia and China during 1961-2010.The results showed that in the recent 50 years，the average annual temperature in Central Asia increased with fluctuation，and the average annual temperature increased by 0.277 ℃ every 10 years. Since 1987，the annual average temperature in Central Asia began to show a trend of increasing temperature gradually. The annual average temperature in Central Asia varied in the range of 16～30 years large-scale，6～12 years middle-scale and 3-year small scale，and the 3-year small-scale change was global. The annual mean air temperature in China had a tendency of 3～4 years periodic variation，which was consistent with the 3-year small scale variation in Central Asia. According to the EOF decomposition，it was concluded that the main spatial distribution types in Central Asia were southeast-northwest type，east-west type and south-north type.

Key words annual mean temperature；climate change；wavelet transform；variance；EOF；Central Asia；China

近年來，随着全球气温升高而导致蒸发量增大，干旱面积随之扩大，导致中亚地区温带农业发达地区退化成草原，而温带草原蒸发强烈退化成沙漠。有研究表明[1]，中亚地区温度距平的变化趋势总体上与我国气温变化趋势大致相同，不同之处在于中亚地区气温的年际变化更大，气温的变化幅度更为剧烈。而中亚地区与全球气温变化趋势相比，不同之处主要是中亚地区增温时间长且增温幅度较大。前人的研究[2-4]还认为，我国近百年来的温度变化与全球相似，存在2段变暖过程，即20世纪20—40年代变暖和70年代开始的变暖，其中20—40年代的暖期在我国大陆尤其显著。

中亚地区气候变化和中国的气候变化，引起世界各国政府和专家学者的高度重视。也有不少研究表明[5-7]，不同地区的气候变化规律不尽相同。缪启龙等[1]利用戈达德太空研究所建立的全球网格点月平均地表温度距平序列，通过一元线性回归、M-K检验对中亚地区1880—2011年地面气温变化的基本特征进行分析和讨论。结果表明：近130年来，中亚地区温度变化趋势率为0.073 ℃/10年，接近于全球，高于我国的近百年温度变化趋势率。龚志强等[8]运用动力学自相关因子指数Q分析中国温度的时空变化特征，得到8个不同的动力学温度变化特征区：准噶尔区、东北区、西北区、西南东区、西南西区、华北区、东南区和中南区。初步讨论了这些特征区的年均温度变化和极端温度年出现天数及其与温度突变的关系，以及不同温度段对中国近58年增暖的可能影响。

中亚地区与我国西北地区（新疆等地）毗邻，关于对过去中亚气候变化和中国气候变化的关系的研究对于气候预测具有重要意义。本文使用中亚6个地区逐日气温资料，采用一元线性回归方程、滑动平均、小波变换、EOF正交函数分解等方法，研究中亚地区气温变化特征，以期能够加深对全球气候变化地区性差异的了解，探讨适应气候变化的对策。

1 资料选取

本文1961—2010年使用戈达德太空研究所建立的全球网格逐月气温距平数据以及新疆地区国家基准地面气象逐月气温距平资料。空间覆盖范围为89.0°N～80.0°S，1.0°～359.5°E，使用空间分辨率为2.0°×2.0°。本文分析的地区为中亚5个国家（吉尔吉斯斯坦、哈萨克斯坦、塔吉克斯坦、乌兹别克斯坦、土库曼斯坦）以及新疆地区。

2 中亚地区与我国气温时间变化关系

2.1 气温年际变化规律

本文求出中亚6个地区准年的年平均气温平均值，用来代表中亚地区气温年际变化情况。为了中亚地区年平均气温的气候变化趋势，这里用一次直线方程来定量描述。

图1中曲线为年平均气温实测值，直线为一元线性回归方程拟合值，一元线性回归方程均通过0.05显著性水平检验。可以看出，中亚地区年平均气温在波动中呈递增趋势。根据一元线性回归方程可知，其年平均气温气候倾向率为0.277 ℃/10年，表明了中亚地区年平均气温每10年增加0.277 ℃。根据相关研究[9-10]，中亚地区年平均气温变化趋势与我国年平均气温变化相一致，都呈递增趋势。但中亚地区增温幅度要大于全国气温增温幅度。

2.2 气温距平变化规律

本文使用滑动平均对1961—2010年中亚地区年平均气温进行趋势拟合，用来确定年平均气温趋势变化。对样本量为n的气温序列x，其滑动平均序列表示为：

■j=■■xi+j-1（j=1，2，…，n-k+1）

式中：k为滑动长度，取值为5；n为样本量，取值为50。

从图2 1961—2010年中亚地区年平均气温距平值演变规律可以看出：

（1）从5年滑动平均曲线可以看出，1987年是中亚地区年平均气温的一个转折点，在1961—1987年期间，曲线值以<0为主，说明了在此期间中亚地区年平均气温较低，处于偏冷期。而在1987—2010年期间，曲线值以>0为主，高于平均值水平，表明了从1987年开始，中亚地区年平均气温开始呈逐渐增温趋势。文献[11]中对全国年平均气温研究得出，我国年平均气温从20世纪80年代开始呈递增趋势，这一结论与中亚地区相一致。

（2）从柱状图可以看出，在1964—1989年期间，仅1971年气温距平值>0，其余均<0，表明了在此期间中亚地区年平均气温处于相对稳定的变化状态，同时可以看出此期间气温较低。在1997—2010年期间，年平均气温距平值均为正数，表明了此期间中亚地区年平均气温也处于相对稳定的变化状态，同时说明了在此期间温度相对较高。

（3）年平均气温距平值>1 ℃的有4个年份，均处于偏暖期。其中2006年温度递增幅度较大，年平均气温距平值为1.42 ℃。其次是2004年，年平均气温距平值为1.09 ℃。

年平均气温距平值<-1 ℃的有6个年份，均处于偏冷期。其中1972年降温幅度最大，年平均气温距平值为-1.63 ℃。其次是1964年，年平均气温距平值为-1.22 ℃。

3 气温周期变化规律

小波变换方法是一种时频分析方法，既可以了解时间序列不同时间的频率特征，又可以了解不同频率的时间分布特征。本文对中亚地区年平均气温资料，采用连续复小波变化，研究其年平均气温随时间多尺度变化规律。

从图3中亚地区年平均气温小波系数等值线图可以看出：年平均气温变化过程中存在多时间尺度特征。总体看来，年平均气温变化过程中存在着16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3类尺度的周期变化规律。其中16～30年大尺度在20世纪70年代中期至80年代中期、21世纪00年代期间表現的较为显著，具有局域性。3年小尺度在整个时间内均显著，具有全局性。王澄海等[12]对全国年平均气温，运用小波分析得出，我国气温普遍存在3～4年的全域性周期变化规律，这一变化规律与中亚地区年平均气温存在3年小尺度全域性相一致。

图4中亚地区年平均气温小波方差图存在3个较为明显的峰值，其依次对应着23、14、3年的时间尺度。其中，最大峰值对应着23年的时间尺度，说明23年左右的周期振荡最强，为年平均气温变化的第一主周期；14年时间尺度对应着第二峰值，为年平均气温的第二主周期，第三峰值对应着3年的时间尺度，为年平均气温的第三主周期。这说明上述3个周期的波动控制着中亚地区年平均气温在整个时间域内的变化特征。

4 气温正交函数分解

本文对中亚6个地区1961—2010年50年来逐年平均气温，采用EOF正交函数方法进行分解，来研究年平均气温空间分布规律。

表1为中亚6个地区年平均气温经EOF分解后的特征值和方差贡献率，可以看出，前3个载荷向量累积贡献率为84.203 9%>80%。因此，说明前3个载荷向量所包含的信息，能够描述中亚地区年平均气温空间场的特征。第一载荷向量贡献率为50.954 3%，该贡献率值较大，表明了第一载荷向量是决定性向量；第二、第三载荷向量贡献率分别为18.397 8%、14.851 8%。

表2为年平均气温经EOF分解后的前3个载荷向量场，第一向量场可以看出，中亚6个地区仅乌兹别克斯坦向量场为负值，其余5个地区均为正值。最大值位于土库曼斯坦，第一向量场值为0.503 2。其次为塔吉克斯坦，第一向量场值为0.486 4。因此，根据第一向量值，可以看出中亚地区年平均气温从东南地区向西北递减。

从第二向量场可以看出，新疆、吉尔吉斯斯坦地区向量场值为负数，其余4个地区向量场值为正数。因此，根据第二向量值，可以看出中亚地区年平均气温从东向西递减。

从第三向量场可以看出，塔吉克斯坦、土库曼斯坦地区向量场值为负数，其余4个地区向量场值为正数。新疆地区向量场值最大为0.728 7，其次是乌兹别克斯坦，向量场值为0.526 7。因此，根据第三向量值，可以看出中亚地区年平均气温从南向北递增。

5 结论

本文利用1961—2010年中亚地区月气温资料，采用一元线性回归、连续复小波变换、EOF正交函数分解等方法，研究了中亚地区和全国气温变化情况，得出以下结论：

（1）中亚地区在近50年中年平均气温在波动中呈递增趋势，年平均气温气候倾向率为0.277 ℃/10年，即年平均气温每10年气温增加0.277 ℃，这一增温速度要大于全国年平均气温增温幅度。中央区地区年平均气温增温幅度最大的是塔吉克斯坦地区，年平均气温每10年增加0.348 ℃。

（2）在1961—1987年期间，中亚地区年平均气温较低，处于偏冷期。而在1987—2010年期间，年平均气温高于平均值水平，说明在此期间中亚地区年平均气温开始较高。我国年平均气温从20世纪80年代开始呈递增趋势，这一结论与中亚地区相一致。

（3）中亚地区年平均气温在随时间变化过程中存在着16～30年大尺度、6～12年中尺度和3年小尺度的3类尺度的周期变化规律。其中，23年左右的周期年平均气温变化的第一主周期；14年时间尺度为第二主周期，3年的时间尺度为第三主周期，3个周期的波动控制着中亚地区年平均气温在整个时间域内的变化特征。而我国气温普遍存在3～4年的全域性周期变化规律，这一变化规律与中亚地区年平均气温存在3年小尺度全域性相一致。

（4）由EOF正交函数分解得出：根据第一向量值，可以看出中亚地区的年平均气温呈现从东南地区向西北递减的趋势；根据第二向量值，可以看出中亚地区年平均气温从东向西递减；根据第三向量值，可以看出中亚地区年平均气温从南向北递增。

6 参考文献

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