河南省气温资料均一化前后气温变化趋势对比分析

姬兴杰 丁亚磊2 李凤秀 左璇

(1.河南省气候中心，河南 郑州 450003; 2.郑州大学生态与环境学院，河南 郑州 450001)

引言

气候变化是当今人类社会面临最重要的环境问题之一[1-2]。目前，全球气候变化主要的特征是气候变暖[3]。平均气温是全球气候变暖最重要的指示因子，IPCC第五评估报告指出，近130多年(1880—2012年)全球地表平均温度升高了0.85 ℃，2003—2012年全球地表平均温度相比1850—1900年上升0.78 ℃[4]。气温的长期趋势变化不仅直接影响蒸发、降水、径流及水资源量[5-8]，还会影响农业生产、森林的结构组成及病虫害的发生，导致生物物种灭绝的风险增加[9-12]。基于气象站实际观测平均气温资料，刘桂芳等[13]研究发现，近45 a中国西部地区的年平均气温增温显著，速率为0.40 ℃/10 a；朱玲等[14]研究得出，1965—2014年辽宁省年平均气温呈上升趋势；王建英等[15]研究显示，近50 a河南省濮阳市年平均气温增温显著，速率为0.14 ℃/10 a，冬春季气温明显上升；这些研究均得出气温变暖的结论，并显示出增温速率的区域差异，有助于认识气温的变化规律，但这些研究均未考虑非自然因素对观测气温要素的影响。研究指出[16-17]，局地性长期气候变化趋势极易受到非自然因素的影响，其变化差异和不确定性较大。李百超等[18]利用气温观测资料和均一化气温资料的结果进行对比分析发现，两种数据得到的结果有明显差异，非自然因素对气温变化的影响明显。李娇等[19]研究发现，均一化后沈阳站的平均气温序列中的城市化影响偏差有所增大。路平平等[20]研究得出，站址迁移等非自然因素对温度序列非均一性影响显著，均一化前后结果差距明显。因此，由于非自然因素的影响，直接采用气象台站气温观测数据资料进行气温变化分析，可能不能反映出气温的真实变化规律。

河南省位于中国中东部内陆地区，属于典型的大陆性季风气候，介于31°23′—36°22′N、110°21′—116°39′E之间，为南北气候过渡带，对气温变化极为敏感。近年来，随着河南省城市化进程加快，省内大部分气象站均有过台站迁移，加之观测方法改变、仪器更换及周围环境变化等非自然因素的影响，直接采用气温观测资料可能已不能反映出河南省气温变化的真实规律，而均一化气温资料可以有效地纠正因台站迁址仪器更换等原因造成的地面气温观测记录中的非均一性，排除非自然因素对气温变化的影响。因此，利用国家气象信息中心研制的河南省111个站1961—2017年的均一化逐日平均气温资料和河南省气象台站逐日平均气温观测资料，试图阐明非自然因素对河南省平均气温变化趋势及其空间差异的影响，以期获得河南省平均气温的真实变化规律，这对于河南省积极应对以气温上升为主要特征的气候变化及其带来的影响具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

河南省111个气象站建站至2017年逐日平均气温数据来源有两个，分别为国家气象信息中心订正过的均一化逐日平均气温资料和河南省气候中心逐日平均气温观测资料。均一化气温数据的订正是在综合中国地面观测台站历史沿革信息，包括台站迁移、环境变化、观测时制和时间变化、仪器变更等相关信息之后，采用近年来国内外应用较为广泛的RHtest均一性检验订正方法进行订正，RHtest系统包括PMFT(惩罚最大F检验)和PMT(惩罚最大T检验)两种方法[21-23]，适用于不同的参考序列或无参考序列的情况。相关研究表明[24-25]，该系统已被成功地运用于对气候资料序列的均一化研究，取得了较好的效果。为避免频繁更改实时观测数据，国家气象信息中心发布的均一化逐日平均气温资料主要基于后段数据(近年数据)对前段数据进行时间序列上的均一化订正，该资料具有较好的可用性和认可度[26]。河南省111个气象站点覆盖18个地市，其中65个气象站点进行了均一化，占比58.6%，其空间分布见图1。有效站点统计分析显示(图2)，平均气温数据在1961年之前有效站点占4.5%—73.9%，1961—2017年有效站点均达90%以上。因此，本研究采用分析的资料时段为1961—2017年。

空心圆为未均一化处理站点，实心圆为经均一化处理站点图1 河南省气象站空间分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological stations in He′nan province

图2 河南省平均气温数据有效气象站点比例逐年变化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

河南省平均气温变化趋势的事实采用一元线性回归方程y=kx+b求得，其中，x为时间；k为各指标随时间的变化量，k>0表示各指标随时间的增加而增加，k<0表示随时间的增加而减小。概率水平为P<0.05(达到显著水平)和P<0.01(达到极显著水平)，气候倾向率为k×10。

2 结果分析

2.1 均一化前后全省平均气温趋势变化

2.1.1 年变化

由图3可知，1961—2017年均一化前后河南省年平均气温均呈显著上升趋势，均一化前增温速率为0.19 ℃/10 a，均一化后增温速率为0.21 ℃/10 a，增加了0.02 ℃/10 a。全省年平均气温均一化前为14.6 ℃，均一化后为14.5 ℃，下降了0.1 ℃。均一化前后，全省年平均气温最高值均出现在2017年，为15.7 ℃。1961—2017年，均一化前，年平均气温最低值为13.5 ℃，出现在1984年；均一化后，年平均气温最低值为13.3 ℃，也出现在1984年，但降低了0.2 ℃。

图3 1961—2017年河南省均一化前后年平均气温变化Fig.3 Change of annual mean temperature before and after homogenization in He′nan province from 1961 to 2017

2.1.2 季变化

由图4和图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气温均呈显著上升，与年平均气温变化规律相一致；均一化前后，夏季平均气温气候倾向率均为负，均一化前为0.05 ℃/10 a，均一化后为0.03 ℃/10 a，相差0.02 ℃/10 a。四季之间，均一化前，以冬季的增温速率最大，为0.36 ℃/10 a，其次是春季和秋季，分别为0.30 ℃/10 a和0.17 ℃/10 a；均一化后，仍以冬季平均气温增速最大，为0.38 ℃/10a，其次是春季和秋季，分别为0.32 ℃/10 a和0.19 ℃/10 a；均一化后，冬季、春季和秋季增温速率增大0.02 ℃/10 a。

图5 1961—2017年河南省均一化前后四季平均气温及其气候倾向率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 月变化

由图6和图7可知，1961—2017年均一化前后河南省月平均气温呈显著上升的月份均为1月、2月、3月、4月、9月、10月和12月。均一化前，全省月平均气温以2月增速最大，为0.49 ℃/10 a，其次为3月和4月，分别为0.41 ℃/10 a和0.34 ℃/10 a；均一化后，仍以2月增速最大，为0.51 ℃/10 a，3月和4月次之，分别为0.43 ℃/10 a和0.36 ℃/10 a；均一化后，2月、3月和4月月平均气温增温速率增大了0.02。均一化前，6月、7月和8月的月平均气温气候倾向率为负，均一化后，7月的月平均气温气候倾向率由负变正，6月和8月没有变化。除6月、7月和8月外，均一化后，各月月平均气温的气候倾向率均比均一化前略高。从总体上看，均一化后月、季和年全省平均气温增加速率整体增大，非自然因素导致了对全省平均气温增速的低估。

2.2 均一化前后单站平均气温趋势变化

2.2.1 年变化

由图8和表1可知，1961—2017年均一化前后单站年平均气温气候倾向率差值为正、0、负的站点分别为43.3%、41.4%、15.3%。这说明全省111个站单站年平均气温的气候倾向率有43.3%被低估、15.3%被高估；全省有41.4%站点均一化前后的气候倾向率没有变化，即这些站点的年平均气温未受到非自然因素的影响。

图6 1961—2017年河南省均一化前后1月(a)、4月(b)、7月(c)、10月(d)月平均气温变化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

图7 1961—2017年河南省均一化前后各月平均气温及其气候倾向率Fig.7 Monthly mean temperature and their climatic trend rates before and after the homogenization of He′nan province from 1961 to 2017

由图8和表1可知，非自然因素对全省单站年平均气温变化显著性造成了影响。1961—2017年均一化前全省111个站有90.1%站点年平均气温上升显著，均一化后增加为96.4%。也就是说，均一化前，年平均气温变化趋势不显著的站点有11个，包括内黄、范县、鲁山、舞阳、淅川、登封、镇平、虞城、许昌、扶沟和遂平；均一化后，年平均气温变化趋势不显著的仅有4个站，分别为内黄、孟州、鲁山和舞阳；与均一化前相比，除内黄和鲁山外，其余站点都变成显著，但孟州由显著变为不显著。

2.2.2 季变化

由图9和表1可知，非自然因素对全省单站四季平均气温气候倾向率造成了影响。1961—2017年，全省111个站单站春季和秋季平均气温的气候倾向率有43.3%被低估、15.3%被高估，夏季和冬季有41.5%站点被低估、17.1%站点被高估；全省有41.4%站点均一化前后的气候倾向率没有变化，即这些站点的季平均气温未受到非自然因素的影响。

图9和表1显示，非自然因素对全省单站四季平均气温变化显著性造成了影响。均一化前，春季平均气温上升显著的站点占92.8%，均一化后增加为99.1%；均一化前，夏季有20.7%站点平均气温变化显著，均一化后降为19.8%；均一化前，秋季和冬季平均气温上升显著的站点为76.6%和98.2%，均一化后增加为89.2%和99.1%，分别增加了12.6%和0.9%。非自然因素对全省单站春季、秋季和冬季平均气温变化显著性造成低估，对夏季平均气温变化显著性造成高估。

2.2.3 月变化

由图10和表1可知，非自然因素对全省单站月平均气温气候倾向率造成了影响。1961—2017年，全省111个站中有58.6%的站点月平均气温变化受到非自然因素的影响，其中，1—12月月平均气温气候倾向率低估站点的比例最大，为43.3%，包括1月、2月、4月和10月，低估比例最小为7月的39.7%；与之相对应，气候倾向率高估站点的比例最高为7月的18.9%，高估站点的比例最低为15.3%，包括1月、2月、4月和10月；均一化前，全省111个气象站6月、7月和8月月平均气温气候倾向率为负的站点最多，占全省的76.6%、53.2%和82.0%，均一化后，分别占全省的65.8%、41.4%和74.8%，较均一化前低，这说明，在均一化后，有相当一部分站点的月平均气温变化趋势由下降变为上升。与年和季节相一致，全省有41.4%站点均一化前后的各月平均气温气候倾向率没有变化，即这些站点的月平均气温未受到非自然因素的影响。

图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)平均气温变化对比空间分布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

图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)月平均气温变化对比空间分布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

由图10和表1可知，非自然因素对全省单站月平均气温变化的显著性造成了影响。1961—2017年，均一化前，全省111个气象站1—12月月平均气温增温显著的站点超过50%的有5个月份，分别为2月、3月、4月、10月、12月，均一化后比均一化前多了个1月，增加为6个月份，各月之间，以2月和3月所占比例最高；均一化前，6月、7月和8月月平均气温变化不显著的站点分别占全省的89.2%、98.2%和83.8%，均一化后分别占90.1%、92.8%和90.1%；非自然因素对6月和8月月平均气温变化趋势的显著性造成高估，对7月月平均气温变化趋势的显著性造成低估。除6月、8月、9月外，其余各月均一化后平均气温变化显著的站点比例均比均一化前大。

表1 1961—2017河南省各站均一化前后年、季节、月平均气温变化统计分析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 城市化的影响分析

在均一化处理过的气象站点中，选择未迁站的郑州、驻马店和焦作等3个城市站点，进行城市化对气温变化的影响分析。分析发现(图11)，在郑州、驻马店和焦作3站，年、四季和各月均一化后平均气温的增温速率均小于均一化前，两者年平均气温速率差值郑州站最大、焦作站次之、驻马店站最小，分别为0.21 ℃/10 a、0.14 ℃/10 a和0.05 ℃/10 a。由于3个城市气象站均未迁站，造成均一化前后差别较大的主要原因为城市化和人为排放热源导致气温变化速率加快。

图b、图d和图f中A代表P<0.01，B代表P<0.05图11 1961—2017年郑州站(a)、驻马店站(c)、焦作站(e)均一化前后年平均气温以及郑州站(b)、驻马店站(d)、焦作站(f)均一化前后季和月平均气温变化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 结论与讨论

(1)从全省平均气温变化看，1961—2017年均一化前后全省年、春季和冬季平均气温均为显著上升，均一化后的增温速率高于均一化前。各月之间，除6月、7月和8月外，均一化后，各月月平均气温的气候倾向率均比均一化前略高。均一化后月、季和年全省平均气温增加速率整体增大，非自然因素导致了对全省平均气温增速的低估。

(2)从单站气候倾向率看，1961—2017年河南省有58.6%的站点受非自然因素影响较大，其中年、春季和秋季平均气温气候倾向率有43.3%被低估、15.3%被高估，夏季和冬季平均气温气候倾向率有41.5%被低估、17.1%被高估；月平均气温气候倾向率低估站点的比例最大为43.3%，包括1月、2月、4月和10月，低估比例最小为7月的39.7%。

(3)从单站气温变化趋势显著性看，均一化前后，全省大部分站点的年和四季平均气温均变化显著，非自然因素对全省单站春季、秋季和冬季平均气温变化显著性造成低估，对夏季平均气温变化显著性造成高估。各月之间，均一化前12个月份中，月平均气温增温显著的站点超过50%的有2月、3月、4月、10月、12月，均一化后，又多了个1月，并均以2月和3月显著站点所占比例最高，除6月、8月、9月外，其余各月均一化后平均气温变化显著的站点比例均比均一化前大。总体上看，全省40%左右站点的月平均气温变化速率及其显著性受到非自然因素的影响，并使其结果低估。

(4)本研究通过均一化前后气温资料的对比分析，明确了气温变化真实变化规律及其空间差异，在分析气温变化对农业、水资源等影响评估时，应当考虑观测数据本身不够真实带来的影响，使用均一化资料，以降低由于资料非均一性造成的评估结果不确定性，这对于积极应对气温变化可能带来的影响具有一定的指导意义。许艳等[27]采用1961—2014年的均一化气温数据研究中国气温变化时得出，1961—1984年、1985—1997年、1998—2014年3个时段气温的气候倾向率分别为0.02 ℃/10 a、0.40 ℃/10 a、-0.05 ℃/10 a，河南省同时期3个时段气温的气候倾向率分别为-0.18 ℃/10 a、0.82 ℃/10 a、0.14 ℃/10 a。对比发现，1985年以后，河南省同期增温速率远高于全国增温速率。与河南省同处华中地区的湖北省，利用1970—2013年逐月均一化气温数据得出的年平均气温增温速率为0.30 ℃/10 a[28]，与河南省同期增温速率0.27 ℃/10 a相比略高。张德汴等[29]利用河南省1957—2007年开封气温观测资料，得出开封年平均气温增温速率为0.18 ℃/10 a，冬季增温速率最大，为0.3 ℃/10 a，而同时期气温观测资料均一化后开封的年平均气温增温速率为0.23 ℃/10 a，冬季增温速率为0.42 ℃/10 a。