1961—2015年中国热区降水和气温时空变化特征

胡盈盈，肖 杨，戴声佩，罗红霞，李玉萍，李茂芬*

(1.中国热带农业科学院科技信息研究所/海南省热带作物信息技术应用研究重点实验室，海南 海口 571101; 2.农业农村部农业遥感重点实验室，北京 100081; 3.南京大学 地理与海洋科学学院，江苏 南京 210023; 4.南京大学南海协同创新中心，江苏 南京 210093)

【研究意义】气候变暖是全球气候变化的主要特征，已成为国内外学者普遍关注的热点[1-2]。全球气候变暖背景下，中国气温大幅度上升，几乎是全球上升幅度的两倍[3-4]。严中伟等[5]依据均一化气温序列对中国区域气候变暖进行了再评估，表明1990年以来中国以0.13～0.17 ℃/10 a的速率增温，远大于全球平均水平。全球气候变暖还会导致降水结构出现变化[6]。赵东升等[7]对中国1960—2018年气候变化特征分析，指出中国降水量整体有增加趋势，平均增加趋势为11.72 mm/10 a，降水量在西北和东南地区呈现增多趋势。中国幅员辽阔，依据气候区划从北到南依次为寒温带、中温带、暖温带、北亚热带、中亚热带、南亚热带和热带。其中，南亚热带和热带一般称为“中国热区”[8]，简称热区。中国热区位于北半球低纬度地区，不仅位置特殊，所反应的各种地理事物和现象也很特殊。例如，气候炎热、极端降水多、天气变化剧烈等。全球气候变化背景下，热区气候资源也发生了相应变化[9-10]，这些变化对农业和粮食生产安带来了一系列重大影响，充分认识热区水热资源，发展农业和热带经济作物，对探索我国热区气候变化特征及空间格局、开发利用自然资源具有重要意义。【前人研究进展】近年来，诸多学者依据气候、地理、农业区划[11]对热区气候变化进行了一系列研究。周伟东等[12]把中国东部地区划分为热带、副热带、温带3个气候带，指出我国东部冬季温带增温速率大于热带增温速率，降水变化不显著；戴声佩等[13]对华南地区光、热、水农业气候资源进行了时空分析，指出华南地区气温呈增温趋势，降水呈微弱增加趋势；程建刚等[14]分析了云南省气候变化特征，指出云南近50年气温变幅略大于全球，弱于北半球和全国；黄雪松等[15]采用统计学方法对广西近50年季节性气温和降水进行分析，指出广西近50年来平均气温升变率为0.1 ℃/10 a，降水量呈偏多趋势但不明显；张星等[16]年对闽江流域近45年的气候进行分析，指出闽江流域20世纪70年代呈增温趋势，但降水略呈不显著增加趋势；罗红霞等[17]对海南岛气温、降水进行分析，得出海南岛气温为增温趋势，降水量呈增多趋势。【本研究切入点】前人研究中，关于整合气候资源研究方向较为分散，研究区域集中在省和地区，为全面分析我国热区降水和气温的时空变化特征，本研究基于年降水量、年均温、年均最高温、年均最低温，分析中国热区1961—2015年降水和气温时空变化特征。【拟解决的关键问题】以期实现长时间序列中国热区降水和温度变化趋势分析，摸清我国热区气候变化的时空特征，有利于了解全球气候变化背景下我国低纬度区域性地域的气候变化特征，为指导农业生产、战略布局、生态环境保护提供科学参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

中国热区位于欧亚大陆南端，位于18～27°N，97～120°E，主要包括海南、云南、广西、广东、福建、四川、贵州、湖南、江西、台湾等省区。由于数据缺失，本研究不涉及中国台湾。中国热区属热带季风气候，气温暖湿，雨热同季，年均气温21.4 ℃，降水量在1500 mm以上。研究区地貌类型多变，从云贵高原到滨海平原，地势呈西高东低。热区水热资源丰富，动植物及种质资源繁多，适宜发展的农业主要有热带原料作物，如天然橡胶、木薯、甘蔗等，热带棕榈作物，如椰子、槟榔、油棕等，以及热带水果、热带林木、热带水产等，形成了独特的热带农业生产区，在热带农业生产中占据不可替代的位置。

1.2 数据来源

气象数据资料来源于中国气象数据网http://data.cma.cn/site/index.html，本研究收集了1961—2015年中国热区76个气象站点气象资料。数据集为中国基本、基准地面气象观测站及自动站1961年以来收集的日值数据集，包括平均温、最高温、最低温、降水量等气象资料。气象站点：海南岛7个、云南21个、广西19个、广东22个、四川2个、福建5个(图1)。气象数据经过严格质量控制，对异常或缺失数据进行剔除或插值补齐，以获取有效气象记录。剔除气象数据遵循以下原则：剔除原始数据整条缺失的气象记录数据，剔除最低气温大于最高气温的整条数据，剔除记录值大于理论值的整条数据。

1.3 研究方法

本研究对中国热区55年降水量和气温的年际、年代际变化进行研究。采用一元线性回归、距平、累积距平和逐像元线性回归方法对资料序列进行趋势分析；利用Mann-Kendall突变检验和累计距平综合判断降水、气温时间序列的突变点，获取气候要素突变趋势及突变年份；利用ArcGIS软件进行克里金插值，分析气候要素的空间变化特征。

1.3.1 气候倾向率 气候要素的变化趋势，一般采用一元线性回归方程表示：

y=a+bx

(1)

式中，y为气候要素值，x为时间序列，a为回归常数，b为气候倾向率，a、b可由最小二乘法估算。10b即为气候要素10年的气候倾向率[18]，单位为mm/10 a或℃/10 a，气候倾向率的正负可以指示气候要素的增减趋势。

1.3.2 累积距平分析 距平值是指某个时间序列的数据对于某段时间序列平均值的高低，距平值为0表示该值代表某段时间的平均水平，距平值有正负之分。距平值的累加就是累积距平值，累积距平曲线可以直观地观察气候要素的累年变化趋势。

1.3.3 突变检测 M-K突变检验是一种采用在气象研究中的非参数检验方法，适用于时间序列中对气候要素进行突变检验，其检测范围宽，不需要样本遵循一定的分布，且不受异常值干扰，被广泛应用到气象研究中[19]，计算步骤详细见参考文献[20]。本研究结合相关理论[21]利用MATLAB软件得到气候突变因子。

1.3.4 空间变化趋势计算 为研究热区55年降水和气温的空间趋势变化特征，本研究采用基于最小二乘法的线性回归逐像元分析1961—2015年降水和气温年际变化趋势，并利用F检验分析趋势显著性[22]。年变化率大于0，表示降水和气温呈上升趋势，年变化率小于0，表示降水和气温呈减少趋势。使用F检验进行显著性检验，当P<0.05时，趋势显著。

2 结果与分析

2.1 降水和气温的年际变化特征

1961—2015年中国热区年降水量(图2-a)均值为1507.33 mm，年降水量1200～2000 mm。降水量在波动中上升，波动趋势较为离散，气候倾向为13.85 mm/10 a，高于与全国年降水量波动幅度[23]，但未通过显著性检验(P>0.05)。降水量最大值出现在2001年，达1880.82 mm，距平值最高，2001年为丰水期；最小值出现在1966年，1204.19 mm，距平值最小，1966年为枯水期。2001—2003年降水量直线下降，降幅度达32.33%。

1961—2015年中国热区年均气温(图2-b)均值为17～23 ℃，年均气温呈波动上升趋势，气候倾向率为0.09 ℃/10 a(P<0.05)，明显低于全国整体增温速率0.22 ℃/10 a[24]，且低于1990年以来中国增温幅度(0.13～0.17 ℃/10 a)[5]。2013—2014年年均温出现“V”字型下降，2014年距平值最低，年均温下降到最低值(18.75 ℃)，1998年年均温最高为21.92 ℃。年均最高温和最低温均呈波动上升趋势(图2-c、图2-d)，年均最低温增温幅度最大，达0.13 ℃/10 a(P<0.05)；年均最高温次之，为0.07 ℃/10 a(P>0.05)。2013—2014年年均最高温和年均最低温均呈跌崖式下降，2014年最高温和最低温距平值最小，均达到记录气温最低值。年均最高温出现在1998年，为26.76 ℃，年均最低温在2015年，为18.70 ℃。

2.2 降水和气温的年代际变化特征

中国热区降水量年代际波动趋势较大，整体呈上升趋势(表1)。1961—1969年和1980—1989年降水量距平值为负，降水量低于55年降水均值，属于降水量偏少年份，期间降水量呈下降趋势，其余年代降水量均接近或高于常年水平，1990—1999年降水量最多。根据降水量年代倾向率变化来看，年代间降水变化趋势存在差异，1980—1989年降水量下降速率最大，2010—2015年期间降水量增加速率最大，但这种趋势均未通过显著性检验。

表1 中国热区1961—2015年年代际降水、气温距平和气候倾向率变化趋势

中国热区均温年代际变化趋势不明显。1990—1999年、2000—2009年均温高于常年均温，2010—2015年气均温接近常年正常值，其余年代均温距平值均为负，气温偏冷；2010—2015年均温降温幅度最大，1990—1999年增温幅度最大，但均未通过显著性检验。中国热区最高温年代际变化趋势也不明显，2000—2009年最高温较常年最高温高，1990—1999年最高温较往年变化不大，但期间却以较大气候倾向率(P>0.05)增温。中国热区最低温年代际变化整体呈现上升趋势，1990—1999年、2000—2009年和2010—2015年期间最低温高于常年最低温，且1990—1999年期间最低温以较快速率上升，2010—2015年以1.10 ℃/10 a速率下降，均未通过显著性检验。中国热区年代际年均温、年均最高温，年均最低温的气候倾向率均在1990—1999年最大，2010—2015年最小。

2.3 降水和气温的突变检测

由图3-a看出，1961—2015年降水量UF曲线呈波动性上升，这种上升趋势未达到0.05的显著性水平，55年内中国热区年降水量未发生显著性变化。降水量UF和UB在置信区间内出现15个交点(1969—1970年，1986—1987年，1989—1990年，1990—1991年，1991—1992年，2002—2003年，2005年，2006—2007年，2007—2008年，2008—2009年，2009—2010年，2010—2011年，2011—2012年，2013—2014年，2014—2015年)。交点较多的情况下难以判定突变年份，结合年降水量累积距平分析[25]结果(图2-a)，2000—2003年降水量累积距平值经历了明显的升降过程，2000—2002年呈现上升趋势，2002—2003年呈现下降趋势，降水量累积距平在2002年上升到最高值，说明2002年可能是降水发生突变的年份。结合两种方法，判断2002—2003年是热区年降水量的突变时间点，发生了由多到少的突变。

1961—1998年热区平均气温UF曲线呈波动下降趋势(图3-b)，1998年之后呈波动上升趋势，且这种上升趋势达到0.05显著性水平(U0.05=±1.96)，UF和UB在1996—1997年相交；1966—1996年年均温累积距平呈下降趋势(图2-b)，1996—2013年呈上升趋势，1996年年均温累积距平值为最低，判定1996—1997年间热区年均温出现突变上升现象。1961—2015年热区年均最高气温UF和UB曲线相交于1996—1997年(图3-c)，年均最高温累积距平在1997年为最低值(图2-c)，可以确定在1996—1997年间发生年均最高气温由少到多的突变。1961—2015年中国热区年均最低气温UF曲线在1990年开始呈波动性上升，且通过显著性检验(图3-d)，UF和UK的交点在1996年，年均最低温在1966年起呈上升趋势(图2-d)，因此可以确定年均最低温突变年份为1996年。

2.4 降水和气温的空间分布特征

中国热区降水量空间分布规律符合我国降水量由东南沿海向西北内陆减少[26]的规律(图4-a)。55年来热区年降水量在800 mm以上，降水量最低值出现在热区西北部四川和云南交界处，在1000 mm以下，降水量最高值集中在热区中部和南部地区广西省东南部、广东省大部分以及海南岛。

热区平年均气温呈现出“中间高，两头低”的空间分布特征(图4-b)。55年来年均温在17 ℃以上，年均温高值集中在热区中部和南部地区广西和广东大部、雷州半岛和海南岛，年均温在21～23 ℃；年均气温低值出现在云南大部，包括四川攀枝花地区，年均温在17～19 ℃。热区年均温整体随纬度增加而增加，同纬度地区云南、广西、广东和福建省气温存在差异，表明年均温空间分布随地理位置和地形的变化而变化。我国热区年均最高温空间上分布规律与年均温大致相同(图4-c)，均呈现出中南部气温高，东部和西部低的分布特征。热区年均最高温均在23 ℃以上，热区南部雷州半岛地区年均最高温最高，高温达26～27 ℃，热区东部云南和西部福建等地年均最高温值最低，为23～25 ℃。年均最低气温呈南部沿海高、西北低的分布特征(图4-d)。年均最低温值在12～20 ℃，热区西北部云南和四川攀枝花地区年均最低温最低，最低温达12～15 ℃，热区南部沿海地区和海南岛等地年均最低温值最高，最低温高达18～20 ℃。中国热区年均气温、最高气温和最低气温在空间分布上大体表现出一致性，主要变现为热区中部和南部地区气温值较高，西北部云南地区气温值较低，雷州半岛是中国热区年均温、年均最高温和年均最低温最高的地区。

2.5 降水和气温的空间趋势变化特征

中国热区西部云南、广西西部降水呈不显著下降趋势(图5-a)，最大降幅达-2.3 mm/10 a。东部和南部降水均呈上升趋势，最大增幅达4.4 mm/10 a，广东和福建、海南岛均呈不显著增湿趋势，但近55年间海南岛降水量增幅最快，年降水量减少最大值出现在云南勐腊(-2.3 mm/10 a)，增加极值出现在海南海口(4.4 mm/10 a)。

55年间热区大多地区年均温呈增温趋势(图5-b)，西部云南呈不显著降温，其他地区均呈显著增温，热区东部福建地区增温幅度最大，年均温减少最大值出现在云南澜沧(-0.03 ℃/10 a)，年均温增温最大值出现在福建平潭(0.03 ℃/10 a)。

热区西部四川攀枝花、云南地区年均最高温呈降温趋势(未通过显著性检验, 图5-c)，中部、东部和南部广西、广东、福建和海南岛年均最高温呈显著增温趋势，年均最高温减少最大值出现在云南沧澜(-0.01 ℃/10 a)，增加最大值在福建福州(0.02 ℃/10 a)。

热区除西南地区云南年均最低温呈不明显下降外，其他地区年均最低温均呈显著上升趋势(图5-d)，年均最低温减少极值出现在云南勐腊(-0.05 ℃/10 a)，增加极值出现在广东深圳(0.05 ℃/10 a)。

中国热区降水量减少地区为热区西部云南地段，降水量增加地区主要为热区东部和南部广东、福建、海南岛等地。中国热区气温增温幅度随纬度升高而增大，随海拔升高而减少，增温明显地区集中在热区东部福建等地，降温明显地区在热区西南部云南地段。整体来看，中国热区55年间西部云南段呈降温减湿趋势，其他地区均呈增温增湿趋势。

3 讨 论

本研究表明热区降水量呈不显著上升，年降水量以13.85 mm/10 a的速率上升，该结果与卞娟娟等[27]得出南方湿润区转干与趋湿趋势并存，且相对湿润地区的转湿幅度较小这一现象吻合。降水倾率大于戴声佩等[13]1960—2010年华南地区降水量的线性倾率3.78 mm/10 a，同时大于赵东升等[7]1960—2018年中国降水的增加趋势11.71 mm/10 a。其主要原因为区域不同，研究时段和区站的选择等差异。中国热区年均温、年均最高温和年均最低温的气候倾率分别为0.09、0.13(P>0.05)、0.07 ℃/10 a，年均最低温是热区增温的主要贡献者，这一结论与陆晴[28]、戴声佩[13]等人结论一致，分析其原因是热区年均温普遍较高，年均最低温变化有可能更能敏感的响应气候变暖趋势。低纬度地区年均温对全国气候增温趋势不明显，降水表现出增加趋势，具体响应机制有待进一步探讨。

气候变化会直接影响作物的生长节育规律，对热带农业的生产和发展带来直接作用。热带地区低温是限制农作物的生长的一个重要因素，如喜热作物橡胶、甘蔗等，当温度达到一定低值极限，就会停止生长；水分的变化也会给农业生产带来不可估计的损失，热带地区一般分为旱、雨两季，旱季时间过长，热带水果、冬季瓜菜等作物就会减产；气温变暖，热带地区虫害繁殖加快，也会导致病虫害加重等。厘清中国热带地区的水热资源分配特征和变化趋势，对指导农业生产，重要经济作物的种植保护具有重要意义。本研究就过去55年中国热区降水和气温变化进行了研究，并未探讨和预测热区降水和气温未来的变化趋势，增加气候因子日照、风速、极端气候等对热区植被的影响是下一步的研究方向。

4 结 论

通过对中国热区1961—2015年降水和气温的变化特征分析，1961—2015年中国热区降水呈现不显著上升趋势，气温呈显著上升趋势，总体气候变化呈暖湿趋势，对全球变暖响应不显著。

(1)中国热区降水量变化不明显，整体呈增加趋势，气候倾向率为13.85 mm/10 a(P>0.05),1961—1969年属降水量最少的年代，1990—1999年属于降水量最多的年代，热区降水量突变发生在2002—2003年间，发生了由多到少的突变。

(2)空间上降水量集中在热区中部和南部，主要表现在广西沿海、广东和海南岛地区降水量较多。热区西部降水量呈减少的趋势，东部和南部降水量呈增多趋势。近55年热区降水减少较为明显的地区出现在云南，增加明显的地区为海南岛。

(3)中国热区年均温、最低温呈显著上升趋势，年均最高温上升趋势不显著，气候倾向率分别是0.09、0.13、0.07 ℃/10 a，年均气温、年均最高温和年均最低温累积距平表示气温经历了明显的下降—上升的过程，1996—1997年间气温要素均发生了由低温向高温的突变。年代际年均温、年均最高温和年均最低温均呈变暖趋势，1990—1999年为变暖趋势，期间年均气温、年均最高温和年均最低温增温幅度最大。

(4)年均温、年均最高温和年均最低温在空间分布上有着相同的分布规律，年均温、年均最高温和年均最低温的高值分布区在雷州半岛。热区西南部云南等地年均温、年均最高温和年均最低温表现出明显的降温趋势，中部、东部和南部表现出明显的增温趋势。近55年气温增温幅度较小地区为云南西南部，增温幅度最大的地区为福建。