1960-2013年黄土高原地区气温变化对Hiatus现象的响应

张耀宗, 张 勃, 刘艳艳, 张多勇

(1.陇东学院 历史与地理学院, 甘肃 庆阳 745000; 2.西北师范大学地理与环境科学学院, 兰州 730070; 3.庆阳市荒漠化防治中心, 甘肃 庆阳 745000)

以全球变暖为主的气候变化已经引起了全球各界广泛的关注，IPCC第五次评估指出近百年来气温明显升高[1]，中国第3次气候变化评估报告也表明近百年(1909—2011年)中国陆地区域平均增温0.9～1.5℃；近五六十年，平均气温上升速率为0.21～0.25℃/10 a，增幅高于全球平均水平[2]，且近年来中国高温热浪频发，带来巨大的供电和供水压力，对社会经济、农业生产、生态环境和人体健康造成了严重影响[3-4]。然而在全球变暖被广泛关注和认可的同时，也存在质疑声音，特别是全球平均表面温度上升趋势自1998年以来显示出停滞状态，即变暖趋缓(hiatus)现象，引起了国际社会的广泛讨论[5-6]。Knight等[7]指出1979—1998年期间，地球地表温度增温速率在1999年之后10 年间明显偏低，即全球变暖趋缓(停滞)现象，Easterling等[8]认为1998—2008年全球升温出现了停滞，并把这一现象称为Hiatus，之后很多国外学者对这一问题进行了讨论和验证[9-10]，Meehl[11]，Ridley[12],Risbey[13]等对Hiatus现象的机制从外强迫和自然变率两方面进行了解释，关于这一现象目前还存在很多争议[14-15]。IPCC第五次评估报告中指出，1998—2012年间全球平均地表温度的上升趋势为0.05℃/10 a(-0.05±0.15)，只是1951—2012年[上升趋势为0.12℃/10 a(0.08±0.14)]的1/3～1/2，这种变缓的趋势不仅表现在全球气温上，在全球海面温度、海平面高度和蒸发等变量也有同样的表现，由此可见Hiatus是气候变化的一个重要特征[16]。国内学者王绍武等[17-19]对全球变暖“停滞”现象进行了多次的追踪报道与科学解读。苏京志[5]、陈幸荣[16]、宋斌[20]等对Hiatus现象及其机制的研究进展进行了分析。林霄沛等[21]对国家重点研发计划项目全球变暖“停滞”现象辨识与机理研究做了介绍。Hiatus现象的研究是当前气候变化的一个研究热点和重点问题，对Hiatus研究有助于理解气候变暖“停滞”带来的区域性特征及气候响应，提高对经济生活相关的强降水、热浪等极端气候灾害的预估能力。

黄土高原地区处于北半球干旱区与湿润区的过渡带，是气候变化的敏感区和生态脆弱区，气温变化会影响黄土高原地区干湿变化及热量资源分布，进而对植被及农作物的生长产生作用，气温变化也会对其他气候要素产生影响[22-24]。Hiatus概念提出是基于全球平均表面温度，但不同区域的温度变化趋势并不一致[21]，黄土高原地区处在北半球中纬度气候变化敏感区，其对全球气温变化的Hiatus现象是如何响应的？黄土高原地区气温变化是否存在停滞或者减缓现象也能反映出Hiatus现象的区域响应过程，本文利用黄土高原地区114个气象站点数据，在数据均一化检验后，研究黄土地区及不同分区平均气温、平均最高、最低气温对Hiatus现象的响应过程。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

本文研究的黄土高原地区为中国科学院黄土高原综合科学考察队(1991年)确定的范围，其边界范围北抵阴山，南达秦岭，东到太行山，西止青海日月山(图1)，位于北纬32°—41°，东经107°—114°，面积6.4×105km2。按照黄土高原地区的地貌特征和自然地理特征将黄土高原地区分为6个子区域[25]，分别是：陇中黄土高原(Ⅰ)、陇东黄土高原(Ⅱ)、关中平原(Ⅲ)、山西黄土高原(Ⅳ)、河套地区(Ⅴ)、鄂尔多斯高原(Ⅵ)。

图1 研究区概况

1.2 数据来源与处理

利用黄土高原地区114个气象站点月平均气温、最低气温、最高气温数据计算分析黄土高原地区气温变化趋势，数据来源于中国气象科学数据共享服务网(http:∥data.cma.cn/)，为保证序列趋势的一致性，时间序列连续小于45 a的站点被剔除，通过元数据分析，上述资料已经经过了严格的质量控制，使用Wang等[26-27]的PMF与PMFT方法在Rhtest软件的支持下，完成对数据的均一化检验和订正，本研究中气候基准期为1961—1990年,3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月秋季、12月—次年2月为冬季。Ⅰ区(30个站点)、Ⅱ区(23个站点)、Ⅲ区(17个站点)、Ⅳ区(22个站点)、Ⅴ区(12个站点)、Ⅵ区(3个站点)以及周边气象站点7个。根据文献研究结果[1-2,8]，本文中的Hiatus时间段为1998—2013年。

2 研究方法

本文采用线性趋势法计算黄土高原地区气温的线性变化趋势，同时使用Mann-Kendall趋势法对气温变化趋势进行检验。线性趋势法的优点在于方法简单、物理意义清晰，并可以定量估计出趋势大小，通过相关系数检验了其显著程度，Mann-Kendall非参数统计检验(M-K)是世界气象组织WMO推荐的应用于环境数据时间序列趋势分析的方法，是检验时间序列单调趋势的有效工具[28-30]，这两种方法在气温变化的研究中已经广泛使用[31-33]，具体算法参照文献[28—29]，具体算法省略。

3 结果与分析

3.1 气温年际变化趋势

研究显示近54 a黄土高原地区平均气温呈显著上升趋势，升温率为0.27℃/10 a，达到了0.01的置信度水平，高于中国近60年的升温速率0.21～0.25℃/10 a[2]。图2为黄土高原地区平均气温M-K趋势检验空间分布图，由图2可知，空间上98%的站点气温呈上升趋势，由东南向西北的升温率呈增加趋势，96%的站点通过了0.05的显著性水平检验，其结果和线性趋势结果基本一致；最低气温、最高气温升温率分别为0.35，0.297℃/10 a，达到了0.01的置信度水平；平均最低气温的升温率大于平均气温的升温率，也大于平均最高气温的升温率，董丹宏等[34]指出1963—2012年中国平均最低气温的升温率大于最高气温，本文结果与其一致，平均气温与平均最低气温在Ⅵ和Ⅴ区升温最为显著；平均最高气温所有站点呈升温趋势，其中94%的站点通过了0.05的显著性水平，由东南向西北升温率呈增加趋势，其中Ⅰ和Ⅴ区升温趋势最为显著。

3.2 气温季节变化趋势

近54 a黄土高原地区四季平均气温均呈显著上升趋势(图3)。春、夏、秋、冬4季的升温率分别为0.3，0.15，0.25，0.41℃/10 a，升温率冬>春>秋>夏，冬季升温最显著，这和Wang等[23]的结果较为一致。空间上，春季气温97%的站点、夏季气温71%的站点、秋季96.5%、冬季98%的站点呈增加趋势，除夏季外其他各季节在空间上变化较为一致，夏季相对于其他季节升温率不明显，Ⅲ和Ⅳ区夏季部分站点表现为降温趋势；平均最低气温四季的升温率分别为0.32，0.32，0.26，0.54℃/10 a，春、夏、秋、冬四季的升温率：冬>春>夏>秋；最高气温四季的升温率分别为0.34，0.19，0.39，0.37℃/10 a，四季的升温率：秋>冬>春>夏。

图2 1960-2013年黄土高原地区平均气温变化空间分布

3.3 气温年代际变化特征

平均气温、平均最低气温、最高气温距平在1960s为负距平，从1970s开始气温距平开始大于0℃，之后气温距平值不断增大，1990s气温距平值大于0.5℃，2000s气温距平显著增加，且大于1℃(表1)。20世纪有两个高温时期，20—40年代，70—90年代，80年代中期以来全国增温明显，尤其是东北、华北西北地区，由年代际变化分析可知，黄土高原地区气温从1990s开始显著增加和全国气温变化存在一致性[35]。各分区气温距值基本和黄土高原地区变化一致，但存在区域差异，1960s在Ⅲ区平均气温、平均最高气温为正距平，距平值为0.01℃，其他各区域均为负距平；1970s在Ⅴ区平均气温、Ⅰ区平均最低气温、Ⅵ区平均最高气温为负距平，其他区域为正距平；1980s在Ⅲ区平均气温、Ⅳ区平均最低气温、Ⅱ与Ⅲ区平均最高气温为负距平，其他均为正距平；1990s各区气温距平均为正值；2000s除Ⅳ与Ⅲ区平均气温距平小于1℃之外，其他各区距平均大于1℃，2000s平均最低气温、最高气温距平均大于1℃，Ⅵ与Ⅴ区平均气温距平值最大。从20世纪60年代以来气温距平值呈增大趋势，特别是1990s各区距平值均大于0℃，2000s气温距平值几乎全部超过1℃。Ⅲ区在1960s升温较早，而在2000s升温幅度低，可能Ⅲ区对气候变化响应更敏感。

图3 1960-2013年黄土高原地区四季平均气温变化序列

表1 黄土高原地区平均气温年代际距平值 ℃

由表2可知，从1961—1990年开始升温率呈增加趋势，1961—1990年中只有Ⅵ区升温率达到了0.05的显著性水平；1971—2000年升温率高于1961—1990年；3个年代际中1981—2010年升温率最高，且均达到了0.01的显著性水平。与全国同期气温变化比较，1981—2010年黄土高原地区升温率与高于全国其他区域，升温明显[36]，1971—2000年黄土高原地区升温率低于中国东北、华北北部，高于全国其他地区；黄土高原地区气温升温率在1961—1990年高于中国黄淮、华南地区，小于全国其他区域。

表2 黄土高原地区平均气温30年代际距平值 ℃

注：*表示p<0.05,**表示p<0.01，下表同。

3.4 黄土高原气温变化对Hiatus现象的响应

黄土高原地区气温变化对Hiatus现象响应明显。近54 a黄土高原地区气温呈显著上升趋势，均通过了显著性检验；1960—1997年黄土高原地区及其分区气温为上升趋势，黄土高原地区及Ⅴ区未通过显著性检验，除Ⅲ区之外，1960—1997年的升温率均低于1960—2013年的升温率。Hiatus期间(1998—2013年)黄土高原地区气温变化的气候倾向率为-0.33℃/10 a，气温变化出现停滞现象，气温升温开始出现减缓趋势，中国及中国的东部季风区、西北干旱区也出现升温减缓的趋势[37-38]。黄土高原地区各区域中除陇中黄土高原以0.02℃/10 a的速率微弱升温外，其他各区均表现为降温趋势，其中Ⅳ和Ⅱ区降温趋势最为明显，通过分析(图4)，平均最低气温、平均最高气温也对Hiatus现象的响应明显，Hiatus期间气候倾向率分别为-0.16，-0.5℃/10 a，平均最高气温减缓趋势大于平均气温和平均最低气温。

图4 黄土高原地区不同时期气温变化趋势

Hiatus现象在季节上存在差异。1960—1997年春季各分区均表现为增温趋势，黄土高原地区增温率0.07℃/10 a，幅度较低，Hiatus期间春季全区及Ⅳ，Ⅱ，Ⅲ区为降温趋势，Ⅰ，Ⅴ，Ⅵ区为增温趋势；1960—1997年夏季气温以-0.09℃/10 a的速率降低，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ区为降温趋势，其他各区为微弱升温趋势，Hiatus期间除Ⅱ区外其他区域表现升温趋势；秋季1960—1997年全区均表现为升温趋势，Hiatus期间在Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ区为降温趋势；1960—1997年冬季全区及分区域的升温速率高于1960—2013年，Hiatus期间全区出现显著降温趋势，气候倾向率-0.88℃/10 a，降温幅度大于同期其他季节。

分析可知，在Hiatus期间夏季气温呈升高趋势，线性升温率0.11℃/10 a，未达到显著性水平，春、秋、冬呈降温趋势，其中冬季降温最显著，升温的停滞是主要是由于冬季气温显著降低引起，这和1998年来全球和中国冬季气温下降显著、夏季上升显著的趋势是一致的[9,39]。

4 讨论与结论

4.1 讨 论

本文使用黄土高原地区114个气象站点的数据分析了黄土高原地区在Hiatus(1998—2013年)期间气温变化，研究显示1998年以来黄土高原地区气温也出现了减缓趋势，是对全球升温“停滞”(Hiatus)现象和中国近15 a来气温也出现的放缓趋势很好的响应[2,19,21]，1998年以来黄土高原地区气温变化呈降低趋势，主要是冬季气温显著降低引起的，但夏季气温由降温趋势变为升温趋势，这和Kosaka等[9]指出1998年来全球冬季气温下降显著、夏季上升显著的趋势是一致的，Zhang等[39]研究指出中国在Hiatus(1998—2013年)期间，冬季最高气温呈显著下降趋势，夏季呈增加趋势，本文结论和其结果较为一致，Hiatus(1998—2013年)期间夏季气温升高是否和此间夏季高温、热浪天气频发有关，今后需要深入研究。

尽管黄土高原地区Hiatus期间(1998—2013年)也出现减缓趋势但1990s，2000s两个年代的气温距平值处在近54 a的高值期，因此黄土高原地区Hiatus期间气温变化应该是高位走低(高温震荡)现象[40-42]，近54 a气温呈明显的增温趋势，整体升温趋势没有发生变化，因此Hiatus现象并不是升温停滞，而是在此期间气温变化有所减缓，中国气候公报2014年、2015年、2016年报告显示近几年气温持续升高，均超过1961年以来的历史记录，Hiatus现象可能是气温变化的一个短暂的波动[5,43]，黄土高原地区1998—2013年出现气温减缓的趋势是对全球气温变化Hiatus现象的一种响应，一定程度上证实了Hiatus现象是存在的，本文初步确定了黄土高原地区也存在气温减缓的趋势。目前关于全球气候变暖“停滞”的主导因素及作用机制还不确定，主要的观点是存在两种主要的原因，第一是外部强迫因素，第二是气候内部因素影响，内部变率的影响作用可能更大[44-45]。Hiatus期间(1998—2013年)黄土高原地区极端气温事件发生的频率及其影响将是重要的研究方向[38]。

表3 黄土高原地区年际和季节不同时间段气温升温率 ℃/10 a

4.2 结 论

(1) 1960—2013年黄土高原地区平均气温升温显著，线性升温率0.27℃/10 a，增温幅度高于全国同期水平，平均最低气温升温率(0.35℃/10 a)>平均最高气温(0.297℃/10 a)>平均气温(0.27℃/10 a)，空间上平均气温、平均最高气温升温率由东南向西北增加，最低气温升温率空间一致性较好。

(2) 四季气温均呈显著上升趋势，春、夏、秋、冬升温率分别为0.3，0.15，0.25，0.41℃/10 a，平均气温和最低气温冬季升温最显著、平均最高气温秋季升温最显著。从1960s开始逐年代气温距平呈增加趋势，从1980s开始大于0.5℃，2000s平均气温距平大于1℃。陇东黄土高原1960s开始气温距平大于0℃，2000s气温距平未超过1℃，可能受到升温停滞的影响。

(3) 黄土高原地区平均气温在Hiatus期间(1998—2013年)出现降温的趋势，1998—2013年黄土高原地区气温变化倾向率为-0.33℃/10 a，降温趋势存在季节上和空间上的差异，1998—2013年气温降低是由于冬季显著降温引起的，夏季Hiatus期间呈增加趋势，线性升温率0.11℃/10 a，平均最低和平均最高气温在Hiatus期间也出现了升温减缓趋势，黄土高原地区对全球气温变化的Hiatus现象有很好的响应。