淮河流域气温变化对Hiatus现象的时空响应分析

吴雨纯 晁储辰 李 娜 王思远 王 览 杨 颖 孙 朋

（宿州学院环境与测绘工程学院，安徽 宿州 234000）

0 引言

联合国政府间气候变化专门委员会第五次评估报告认为，全球气候变化已是不争的事实，全球平均温度在1880—2012年期间升高了约0.85℃（0.65℃—1.06℃）［1］。气温升高对社会经济、农业生产、生态环境以及人体健康造成了严重影响［2］。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，引起了广泛的讨论［3-4］。

近年来，关于全球变暖停滞的现象被国内外诸多学者关注，并开展了大量相关性研究。Knight等［5］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；England等［6］研究表明，过去的20年间太平洋信风加强使得次表层海洋热吸收加强，从而大大增加了赤道东太平洋的冷异常；赵宗慈等［7］在探究围绕全球变暖停滞的争论时指出目前学者对于Hiatus现象是否存在主要持三种态度；梁珑腾［8］等利用中国北方357个气象站1951—2014年的季（月）平均最低气温，平均气温和平均最高气温数据，应用MK检验等方法，分析了中国北方地区三类气温季节突变与变暖停滞年份时空变异性；张旺雄等［9］以中国绿洲为例来探究喜凉作物生长期对全球变暖停滞响应的时空差异。

淮河流域是我国的0℃等温线、暖温带与亚热带分界线、湿润区与半湿润区分界线、旱地农业与水田农业分界线等20多种重要地理要素过渡带，气候条件分布差异明显，天气多变，降水年际变化大，旱涝灾害交替发生，造成农业产量极不稳定的现象［10-11］。因此，研究淮河流域气温变化对Hiatus现象的响应是十分有意义的，有助于深入理解全球变暖停滞下区域气候响应差异，提高研究区经济生活相关的极端气候灾害的预估能力。

1 研究区概况

淮河流域地处我国南北气候过渡带，位于东经111°55'—121°25'，北纬30°55'—36°36'，流域面积27×104km²。淮河流域发源于河南南部桐柏山太白顶北麓，由淮河及沂沭泗两大水系组成，入江苏境内洪泽湖。流域东临黄海，西起桐柏山、伏牛山，北以黄河南堤和泰山与黄河流域分界，南以大别山及其余脉与长江流域分界。流域包括湖北、河南、安徽、江苏、山东5省40个地（市）。淮河流域内的气候具有过渡性和不稳定性，这导致淮河流域旱涝灾害频繁，生态环境较为脆弱。按照淮河流域的地貌特征和自然地理特征将淮河流域划分为4个子区域，分别为淮河上游（一区）、淮河中游（二区）、沂沭泗河（三区）、淮河下游（四区）。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源与处理

本研究所用的研究数据来源于中国气象数据共享服务中心和中国气象数据网。利用淮河流域1959—2018年间27个经过质量控制检验的气象站点地面逐日观测资料，建立以月、四季、年、站点不同尺度的气温（最高温度、最低温度、均温）数据体系。基于SigmaPlot、SPSS、Matlab等平台，利用趋势分析、突变分析等方法分析气候变化下气温的年际变化，对研究地区1959—2018年气温时空变化特征进行分析，在此基础上，对淮河流域是否存在Hiatus现象及其与研究区气温变化的响应情况进行探讨。

2.2 研究方法

2.2.1 线性趋势法。线性趋势法是把气候要素写成时间t的线性函数x=at+b，其中a，b为经验常数。用最小二乘法，通过实际资料计算出a和b，其中a表示线性函数的斜率，也就是气候要素的线性趋势，a为正（负）表示增加（减小）趋势，零表示无变化趋势［12］。

2.2.2 累积距平曲线法。累积距平是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法。对于序列x，其某一时刻t的累积距平表示为［13］，如式（1）。

式中：xˉ为序列x的均值。从累积距平曲线明显的上下起伏，可以判断长期显著的演变趋势及持续性变化，还可以诊断发生突变的大致时间。

2.2.3 MK突变检验。Mann—Kendall法是一种非参数统计检验方法，具有人为影响少、定量化程度高的特点，已被广泛使用［14］。运用MK突变检验方法对研究区内的站点近60年的气象数据进行突变检测，可以判断气候序列中是否存在气候突变，如果存在，可确定出突变发生的时间［15］。

3 结果分析

3.1 时间尺度气温变化差异

3.1.1 气温年代际变化。由表1可知，平均气温距平在20世纪60至80年代都为负距平，从20世纪90年代开始气温距平开始大于0℃，2010—2018年气温距平值最大。20世纪60年代在二区的平均气温年代际距平值为-0.39℃，而其他各区的距平值都在-0.3℃内；20世纪70年代和20世纪80年代的各区平均气温年代际距平值均为负值，但20世纪70年代时期各区的距平值差异较大而20世纪80年代时期各区的距平值差异较小；20世纪90年代各区平均气温距平值均为正值；2000—2009年在二区的平均气温距平值最大，为0.52℃；2010—2018年在一区的平均气温距平值最小，为0.6℃，而二区的平均气温距平值最大，为0.74℃。淮河流域的平均气温年代际距平值不断增加，20世纪90年代开始气温距平值为正值，2010—2018年的气温距平值最大，在各区中最大的为0.74℃。二区的气温距平值相较于其他区来说变化较大，可能是二区对气候变化响应更加敏感。

表1 淮河流域平均气温年代际距平值表单位：℃

3.1.2 气温年际变化趋势。由图1可知，研究显示近60年淮河流域平均气温整体以0.022 8℃/10 a呈增加的趋势，而1998—2012年流域内的年均气温变化率为-0.251℃/10 a，这也恰巧能够说明Hiatus现象是存在的。流域内多年气温平均值为14.60℃，最高气温为2017年的15.82℃，最低气温为1969年的13.33℃，见图1（a）。由图1（b）可知，1959—2018年最高气温整体以-0.003 8℃/10 a小幅度降低的趋势，并且1998—2012年的最高气温也呈轻微下降的趋势。多年最高气温平均值为19.22℃，多年流域年平均最高气温的最大值与最小值分别为2016年的21.04℃和1989年的17.3℃。由图1（c）可知，最低气温整体以0.016 6℃/10 a小幅度增长的趋势，此外1998—2018年的最低气温也呈增加的趋势。

图1 淮河流域气温变化趋势图

3.1.3 气温季节变化趋势。由图2可知，近60年淮河流域的四季平均气温的变化趋势呈不同幅度增长或下降，其中春季气温整体以0.0 093℃/10 a小幅度增长而夏、秋、冬季气温分别以0.036℃/10 a、0.007℃/10 a、0.0 019℃/10 a不同幅度下降。淮河流域多年春季平均气温的最大值与最小值分别为11.83℃、7.82℃，其在1998—2012年的春季平均气温呈上升的趋势，见图2（a）；夏季平均气温的最大值与最小值分别为16.69℃、11.29℃，1959—1980年呈较大幅度下降趋势，1980—1998年变化幅度较平缓，1998年之后有显著下降的趋势但在1998—2012年这段时期夏季平均气温的趋势还是呈增加的趋势，见图2（b）；秋季平均气温的最大值与最小值分别为8.73℃、5.88℃，1959年到2018年春季均温变化较稳定，1998—2018年秋季平均气温呈轻微上升的趋势，见图2（c）；冬季平均气温的最大值与最小值分别为4.49℃、2.81℃，在1998年气温有明显下降的趋势所以在1998—2018年这个阶段冬季平均气温呈轻微下降的趋势，见图2（d）。除此之外春、夏、秋、冬季的气温均值分别为9.87℃、13.38℃、6.99℃、3.56℃。

图2 淮河流域四季平均气温变化趋势图

3.1.4 气温年内月尺度变化分析。图3为淮河流域月尺度气温变化箱体图，由图3可知，6月、7月气温较高，1月、12月气温较低，夏季高温，冬季寒冷，这符合淮河流域季风气候的特点。在图3（a）中6月和8月的四分位距离都是最大的，但6月的平均气温的差值是最大的。说明该地区的冷暖分布不平衡。在图3（b）中2月的四分位距离是最大的且温差是最大的，温差为12.6℃。在图3（c）中9月的四分位距离是最大的，全年中的最高温高和最低温分别为7月的23.7℃和1月的-3.2℃。

图3 淮河流域月尺度气温变化箱体图

3.2 气温突变分析

3.2.1 气温年际变化突变分析。利用Mann-Kendall检验方法对淮河流域近60年的气温的年际变化进行突变分析。由图4可知，淮河流域近60年来UF曲线总体呈增长的趋势，在1970—1975年4次突破了信度为0.05的置信线U=±1.96。UF和UB曲线在2001年相交于置信线之间，在2001年之后UF和UB曲线趋势变化相反，说明2001年淮河地区气温年际变化突出明显。

图4 淮河流域气温年际变化突变分析图

3.2.2 四季气温变化突变分析。由图5（a）可知，淮河流域春季气温UF曲线于1961—1963年2次突破信度为0.05的置信线U=±1.96，在1959—2018年间，UF和UB曲线7次相交于置信线之间，则该地区春季气温突变较明显。由图5（b）可知，淮河流域夏季气温UF曲线整体呈下降趋势，UF和UB曲线于1975年相交于信度为0.05的置信线U=±1.96之间，则1975年为该地区夏季气温下降的突变点。由图5（c）可知，淮河流域秋季气温UF曲线于1961—1963年两次突破信度为0.05的置信线，1959—2018年UF和UB曲线6次相交于置信线U=±1.96之间，则该地区秋季的气温突变也比较明显。由图5（d）可知，淮河流域冬季气温UF曲线整体呈下降的趋势，UF曲线在1990—1994年突破了信度为0.05的置信线U=±1.96，在1966—2014年UF和UB曲线变化趋势几乎一致，UF和UB曲线于1966年、2014年以及2017年相交于信度为0.05的置信线U=±1.96之间，则1966年、2014年以及2017年为该地区冬季气温变化的突变点。淮河流域夏季和冬季UF曲线呈下降趋势，春季和秋季气温突变比较明显。

图5 淮河流域四季气温变化突变分析图

4 结论

①淮河流域全区年均温在2001年突变升高。春季气温在1963年突变降低，2001年突变升高；夏季气温在1975年突变下降；秋季气温在1964年突变升高和在2010年突变下降；冬季气温在1967年突变下降和2012年突变升高。各分区气温基本上都在1998年左右突变升高。

②研究显示，近60年淮河流域平均气温整体以0.0 228℃/10 a呈增加的趋势，而1998—2012年淮河流域的年均气温变化率为-0.251℃/10 a，降温趋势存在季节上和空间上的差异，在此期间造成全球变暖停滞现象的原因是研究区内冬季气温的下降及研究区西南部的升温变缓。除此之外，流域内1998—2012年的平均最低气温和平均最高气温的趋势也呈现下降或者升温变缓的趋势，这都能从侧面反映出淮河流域对全球气温变化中Hiatus现象的响应。