江苏近53年气候变化特征分析_夏露
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江苏近 53 年气候变化特征分析
夏露
1-2
，张强
2,1,3
， 孙宁 ，翟颖佳
4
1-2
，王世华
5
1.兰州大学 大气科学学院，甘肃 兰州 730000 2.中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验 室，甘肃 兰州 730020 3． 甘肃省气象局， 甘肃 兰州 730020 4.南京信息工程大学大气科学学院，南京 210044 5.江苏省泰州市气象局，泰州 225300 摘要：本文运用了统计学方法，引入了气候趋势系数，以计算出江苏地区在全球变暖的气候背景下，气温、降水变化与时 间序列的相关性，得到了从 1960 至 2012 年江苏省年平均气温、年平均降水量的气候倾向趋势。得出该时间段内，江苏地 区明显有增暖趋势。年平均降水量也与年代呈正相关，但是系数的地区分布却存在不同。在此时间区间内，江苏以长江为 界，江苏的气温、降水的区域特征明显：江南较江北更加暖湿，且江南经济发达地区此现象更为明显。江苏地区升温的原 因为最低温度的升高，江南温度比江北温度升高的原因为江南地区最高气温的升高。此外，通过江南江北四季对比研究可 以得出。春季升温最为明显，其中最低温度的升高最显著。春季及秋季降水都呈现减少趋势，江南地区秋季降水减少最明 显，夏秋季降水增加，其中江南地区夏季降水增加最显著。对于气温、降水的 EOF 分析也进一步验证了该地区增温增湿的 总体趋势。进一步讨论得出，江苏地区江南江北气候差异的主要原因在于城市化程度的不同，随着江南江北经济差距的缩 小，此差距预计将减少。 关键词：气候变化；江苏地区；气候倾向系数； EOF
区站号 58027 58040 58138 58150 58241 58251 58259 58265 58238 58343 58345 58358
台站名称 徐州 赣榆 盱眙 射阳 高邮 东台 南通 吕泗 江北平均 南京 常州 潥阳 吴县东山 江南平均
年平均气温(℃) 14.62 13.61 14.91 14.18 15.09 15.15 15.50 15.22 14.79 15.68 15.91 15.79 16.27 15.91
1. 前言
当今社会，全球公众对气候变化的关注与日剧增，气候变化已成为大气科学研究的一个热点。气候的变暖 已经成为公认的事实。据 IPCC 最新预测，２０世纪５０年代以来，观测到的气候系统的许多变化是过去几十 年甚至千年以来史无前例的，包括：大气和海洋的温度升高、冰雪覆盖面积减少、海平面上升，以及大气中 CO2 浓度的增加。1880-2012 年全球平均温度已升温 0.85℃[1]。若温室效应仍迅速增强，全球平均气温还将继续 上升。从 1990 年代初的资料看，增温特征仍很明显。这种趋势无疑将对全球生态系统、社会带来非常巨大的 影响。降水方面，自 1901 年以来，北半球中纬度陆地的降水量已经在增加。陆地上越来越多的地区出现强降 水的频率、强度和降水量在增加的情况[2]。 在百年尺度的增暖背景下，中国降水、气温特征及变化趋势是很值得探讨的，而数十年时间尺度的变暖、 变冷趋势已由观测所证实。我国幅员辽阔，各地气候的形成原因不完全相同，在全球气候持续变暖的过程中， 中国各地气候是怎样变化的，对这个问题中国学者进行了许多研究 [3-8]，并得到了一些很好的结果。例如施能 [9] 指出，本世纪以来中国绝大部分地区气温变暖，其中西北、东北、华北北部增暖最明显，增温幅度在 0.1 ℃ /10a 以上。降水以负趋势为主，但趋势系数值较小。 20 世纪 80 年代中国降水气温的区域特色明显 , 华北是暖 干，西南是冷干，东北是暖略偏湿，长江中下游是冷湿 , 西北是暖湿 [10] 。在此暖背景下，中国华北及河套地 区、长江中下游以北黄河以南，华中降水明显减少，东北及西北略有增加。王绍武 [2]利用中国气温等级资料研 究了近百年中国气温变化规律，表明中国的气候变化与全球有相同的时候，却并不总是一致。中国与全球气温
由上述表中可以看出，江南江北对比较为明显。从气温方面来看，长江以南地区比江北地区高出了 7.5%, 而降水方面则比江北地区高出了10.52%。此数据说明，江南江北年平均气温以及年平均降水量的对比较为明 显，研究较有意义。
3.2 江南、江北的气候趋势变化特征
1200 1000
降水量/mm
17 16.5 16 15.5 15
1
的相关系数在 0.3-0.4 之间。中国东北、华北及新疆的变暖可能与北半球一致，但长江流域气温反而有所下 降。施能 [9]等利用自然正交展开插补了中国 28 个测站近 100 年月平均气温，研究表明，20 世纪以来中国绝大 部分地区气温变暖。数十年尺度冷暖背景下,中国气候变化有区域特征。林学椿等 [10] 收集了中国 711 个站的温 度资料,建立了中国近一百多年的温度序列。研究表明，中国年温度变化与北半球年温度变化相似。虽然这些 研究结果不尽相同，但都揭示了这样一个事实，即中国气温变化与全球变化有相似之处，同时也具有区域特 征。因此，研究中国气温变化，不但要研究全国气温总的变化特征，而且要研究其区域特征 [11-12]。 在全球变暖变湿的背景下，中国地区也存在着气候变暖的趋势。对于位于东南沿海地区的江苏省，近年来 气候特征发生了明显的变化，极端天气频繁出现、灾害频发对人民生产生活产生了极大的影响。在全国普遍升 温且降水情况略有不同的背景下，研究江苏地区的气候变化情况意义较大。以往研究中国气温区域变化时，其 区域的划分是按照省份或是按照山川河流等地理特征进行分类。本文选取了江苏省各测站为研究对象，且以长 江为分界，较以往研究范围较小，研究可以结合本地区的特殊情况更为具体细致。
2.2.2 气候倾向率的计算方法
气象要素的趋势变化一般用一次线性方程表示，即
xt a0 a1t
t=1,2,…n(年)
（2）
d xt a1 dt
10
（3）
a1 称为气候倾向率,单位为某要素单位/10a。
a1 rxt
据回归理论
X t
.这样,我们就可以从气候趋势系数
rxt 求出气候倾向率。
2.2 方法 2.2.1 气候趋势系数的计算方法
施能 提出，为研究气象要素在气候变化中升降的定量程度并可对其进行统计检验 ,可以计算气候趋势 系数。文中定义为 n 个时刻(年)的要素序列与自然数列 1,2,3,……,n 的相关系数
[8]
rxt
( x x)(i t )
i 1 i
n
( x x) (i t )
表 1 1960-2012 江苏地区气温、降水年平均值 Table 1 1960-2012 Jiangsu temperature and precipitation average 年平均 最高气温(℃) 19.82 18.28 19.76 18.88 19.68 19.64 19.75 18.98 19.35 20.48 20.26 20.35 20.11 20.30 年平均 最低气温 (℃) 10.21 9.60 10.93 10.37 11.39 11.60 12.16 12.09 11.05 11.80 12.43 12.15 13.28 12.41 年降水量 (mm) 839.00 930.21 1023.34 1002.00 1036.78 1061.76 1070.83 1052.71 1002.08 1059.32 1097.45 1133.65 1135.73 1106.54
2. 资料和方法
2.1 . 研究区域概况及资料处理
江苏地处长江中下游地区，长江流域的年平均气温呈东高西低、南高北低的分布趋势，总体来说江南高于 江北。而年平均最高气温：中下游地区普遍在 20-24℃之间，比长江流域年平均气温高 4-5℃。年平均最低气 温：中下游大部地区为 12-14℃。降水方面，长江流域平均年降水量 1067mm ，由于亚热带季风气候十分典 型，年降水量和暴雨的时空分布很不均匀。长江中下游地区年降水量处于 800-1600mm ，属于湿润地带。降水 量的年内分配较不均匀，长江流域大部分地区年降水日数在 140 天以上。 本文资料来源于江苏地区测站的逐日资料，包括逐日气温及逐日降水量。资料年代从 1960年起，直至2012 年。该资料由江苏省气象信息中心提供，具有较高的可靠性。根据目标范围，本文选取了江苏境内的测站资 料，并根据数据的年代范围，从中筛选了12个测站，而在这12个站中，以长江为界分成两个范围，其中包括长 江以南地区4个测站，分别为南京（58238）、常州（58343）、潥阳（58345）、吴县东山（58358），长江以 北地区8个测站，分别为徐州（58027）、赣榆（58040）、盱眙（58138）、射阳（58150）、高邮（58241）、 东台（58251）、南通（58259）、吕泗（58265）。分别提取了上述测站的气温和降水资料，并运用统计的方 法对各测站数据进行预处理，得到年 /季平均日气温、日最高气温、日最低气温及年 /季平均降水量。
施能等[9]一文中介绍了一种确定气候暖湿特征的做法：根据所选取的全国范围内 28 个测站，首先求得每 个测站 20 世纪 80 年代的气温与降水的均值，然后进行排序，按照排序的次序来区分各个测站的暖湿情况，由 此得到全国范围内的气温、降水变化趋势的区域分布特征。文中指出，相对于全国范围而言，长江流域以冷湿 为主要特征。 遵循上述方法，本文将研究聚焦在江苏地区范围内。自 1960-2012 年，本文根据 12 个站 52 年的逐日资料 求出年平均气温以及年平均降水量进行排序比较。结果如表一所示： （1）在江苏范围内而言，南京、常州、潥阳、吴县东山、南通这 5 个测站以暖湿为主要特征。徐州、赣 榆、盱眙、射阳、高邮这五个测站以冷干为主要特征。东台为冷湿，吕泗为暖干。 （2）5 个以暖湿为主要特征的测站中，江南的测站占据其中 4 个，换言之，就是江南的站全处于暖湿的状 态。且根据地理的分布，越靠南的测站，暖湿程度越高。越靠北的测站，冷干的程度越高。 4
3
图 2 1960-2012 年各站年平均降水量的气verage precipitation climate trend coefficient of each station
降水量气候趋势方面（图 2）可以看出，虽然降水的气候倾向系数值普遍小于年平均气温气候倾向率，但 大部分地区都呈现正值。说明江苏绝大部分地区降水随着时间呈现正相关。可得，江苏地区降水随时间增多， 且江南地区相关系数更大。
江南年代际降水 江北年代际降水
800 600 400 200 0 1960-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2012
14.5 14 13.5 13
江南年代际气温 江北年代际气温
图 3 江南、江北年代际气温、降水年代际趋势图 Fig.3 Decadal temperature, precipitation decadal trends in Jiangnan and Jiangbei
3.
3.1
气候变化趋势及年代特征
气候趋势系数及倾向率
图 1 1960-2012 年各站年平均气温的气候趋势系数 Fig.1 1960-2012 annual average temperature climate trend coefficient of each station
由图 1 可以看出，江苏地区气温趋势系数都为正值，显然，江苏地区年平均气温在 1960-2012 年之间有明 显增加的趋势。且绝大多数都在 0.5 以上，更有最高值 0.7。由此可见，在全球变暖的大背景下，江苏地区的 升温幅度较为明显。
2 i 1 i i 1
n
n
2
（1）
2
x 其中 n 为年数。 i 是第 i 年要素值,x 为其样均值.t=(n+1)/2 ,显然这个值为正（负）时表示该要素在所计算
n2
的 n 年内有线性增(降)的趋势。 一种随机振动。
1 r 2 xt
符合自由度,n-2 的分布,从而检验这种气候趋势是否有意义,还是
夏露
1-2
，张强
2,1,3
， 孙宁 ，翟颖佳
4
1-2
，王世华
5
1.兰州大学 大气科学学院，甘肃 兰州 730000 2.中国气象局兰州干旱气象研究所/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室/中国气象局干旱气候变化与减灾重点开放实验 室，甘肃 兰州 730020 3． 甘肃省气象局， 甘肃 兰州 730020 4.南京信息工程大学大气科学学院，南京 210044 5.江苏省泰州市气象局，泰州 225300 摘要：本文运用了统计学方法，引入了气候趋势系数，以计算出江苏地区在全球变暖的气候背景下，气温、降水变化与时 间序列的相关性，得到了从 1960 至 2012 年江苏省年平均气温、年平均降水量的气候倾向趋势。得出该时间段内，江苏地 区明显有增暖趋势。年平均降水量也与年代呈正相关，但是系数的地区分布却存在不同。在此时间区间内，江苏以长江为 界，江苏的气温、降水的区域特征明显：江南较江北更加暖湿，且江南经济发达地区此现象更为明显。江苏地区升温的原 因为最低温度的升高，江南温度比江北温度升高的原因为江南地区最高气温的升高。此外，通过江南江北四季对比研究可 以得出。春季升温最为明显，其中最低温度的升高最显著。春季及秋季降水都呈现减少趋势，江南地区秋季降水减少最明 显，夏秋季降水增加，其中江南地区夏季降水增加最显著。对于气温、降水的 EOF 分析也进一步验证了该地区增温增湿的 总体趋势。进一步讨论得出，江苏地区江南江北气候差异的主要原因在于城市化程度的不同，随着江南江北经济差距的缩 小，此差距预计将减少。 关键词：气候变化；江苏地区；气候倾向系数； EOF
区站号 58027 58040 58138 58150 58241 58251 58259 58265 58238 58343 58345 58358
台站名称 徐州 赣榆 盱眙 射阳 高邮 东台 南通 吕泗 江北平均 南京 常州 潥阳 吴县东山 江南平均
年平均气温(℃) 14.62 13.61 14.91 14.18 15.09 15.15 15.50 15.22 14.79 15.68 15.91 15.79 16.27 15.91
1. 前言
当今社会，全球公众对气候变化的关注与日剧增，气候变化已成为大气科学研究的一个热点。气候的变暖 已经成为公认的事实。据 IPCC 最新预测，２０世纪５０年代以来，观测到的气候系统的许多变化是过去几十 年甚至千年以来史无前例的，包括：大气和海洋的温度升高、冰雪覆盖面积减少、海平面上升，以及大气中 CO2 浓度的增加。1880-2012 年全球平均温度已升温 0.85℃[1]。若温室效应仍迅速增强，全球平均气温还将继续 上升。从 1990 年代初的资料看，增温特征仍很明显。这种趋势无疑将对全球生态系统、社会带来非常巨大的 影响。降水方面，自 1901 年以来，北半球中纬度陆地的降水量已经在增加。陆地上越来越多的地区出现强降 水的频率、强度和降水量在增加的情况[2]。 在百年尺度的增暖背景下，中国降水、气温特征及变化趋势是很值得探讨的，而数十年时间尺度的变暖、 变冷趋势已由观测所证实。我国幅员辽阔，各地气候的形成原因不完全相同，在全球气候持续变暖的过程中， 中国各地气候是怎样变化的，对这个问题中国学者进行了许多研究 [3-8]，并得到了一些很好的结果。例如施能 [9] 指出，本世纪以来中国绝大部分地区气温变暖，其中西北、东北、华北北部增暖最明显，增温幅度在 0.1 ℃ /10a 以上。降水以负趋势为主，但趋势系数值较小。 20 世纪 80 年代中国降水气温的区域特色明显 , 华北是暖 干，西南是冷干，东北是暖略偏湿，长江中下游是冷湿 , 西北是暖湿 [10] 。在此暖背景下，中国华北及河套地 区、长江中下游以北黄河以南，华中降水明显减少，东北及西北略有增加。王绍武 [2]利用中国气温等级资料研 究了近百年中国气温变化规律，表明中国的气候变化与全球有相同的时候，却并不总是一致。中国与全球气温
由上述表中可以看出，江南江北对比较为明显。从气温方面来看，长江以南地区比江北地区高出了 7.5%, 而降水方面则比江北地区高出了10.52%。此数据说明，江南江北年平均气温以及年平均降水量的对比较为明 显，研究较有意义。
3.2 江南、江北的气候趋势变化特征
1200 1000
降水量/mm
17 16.5 16 15.5 15
1
的相关系数在 0.3-0.4 之间。中国东北、华北及新疆的变暖可能与北半球一致，但长江流域气温反而有所下 降。施能 [9]等利用自然正交展开插补了中国 28 个测站近 100 年月平均气温，研究表明，20 世纪以来中国绝大 部分地区气温变暖。数十年尺度冷暖背景下,中国气候变化有区域特征。林学椿等 [10] 收集了中国 711 个站的温 度资料,建立了中国近一百多年的温度序列。研究表明，中国年温度变化与北半球年温度变化相似。虽然这些 研究结果不尽相同，但都揭示了这样一个事实，即中国气温变化与全球变化有相似之处，同时也具有区域特 征。因此，研究中国气温变化，不但要研究全国气温总的变化特征，而且要研究其区域特征 [11-12]。 在全球变暖变湿的背景下，中国地区也存在着气候变暖的趋势。对于位于东南沿海地区的江苏省，近年来 气候特征发生了明显的变化，极端天气频繁出现、灾害频发对人民生产生活产生了极大的影响。在全国普遍升 温且降水情况略有不同的背景下，研究江苏地区的气候变化情况意义较大。以往研究中国气温区域变化时，其 区域的划分是按照省份或是按照山川河流等地理特征进行分类。本文选取了江苏省各测站为研究对象，且以长 江为分界，较以往研究范围较小，研究可以结合本地区的特殊情况更为具体细致。
2.2.2 气候倾向率的计算方法
气象要素的趋势变化一般用一次线性方程表示，即
xt a0 a1t
t=1,2,…n(年)
（2）
d xt a1 dt
10
（3）
a1 称为气候倾向率,单位为某要素单位/10a。
a1 rxt
据回归理论
X t
.这样,我们就可以从气候趋势系数
rxt 求出气候倾向率。
2.2 方法 2.2.1 气候趋势系数的计算方法
施能 提出，为研究气象要素在气候变化中升降的定量程度并可对其进行统计检验 ,可以计算气候趋势 系数。文中定义为 n 个时刻(年)的要素序列与自然数列 1,2,3,……,n 的相关系数
[8]
rxt
( x x)(i t )
i 1 i
n
( x x) (i t )
表 1 1960-2012 江苏地区气温、降水年平均值 Table 1 1960-2012 Jiangsu temperature and precipitation average 年平均 最高气温(℃) 19.82 18.28 19.76 18.88 19.68 19.64 19.75 18.98 19.35 20.48 20.26 20.35 20.11 20.30 年平均 最低气温 (℃) 10.21 9.60 10.93 10.37 11.39 11.60 12.16 12.09 11.05 11.80 12.43 12.15 13.28 12.41 年降水量 (mm) 839.00 930.21 1023.34 1002.00 1036.78 1061.76 1070.83 1052.71 1002.08 1059.32 1097.45 1133.65 1135.73 1106.54
2. 资料和方法
2.1 . 研究区域概况及资料处理
江苏地处长江中下游地区，长江流域的年平均气温呈东高西低、南高北低的分布趋势，总体来说江南高于 江北。而年平均最高气温：中下游地区普遍在 20-24℃之间，比长江流域年平均气温高 4-5℃。年平均最低气 温：中下游大部地区为 12-14℃。降水方面，长江流域平均年降水量 1067mm ，由于亚热带季风气候十分典 型，年降水量和暴雨的时空分布很不均匀。长江中下游地区年降水量处于 800-1600mm ，属于湿润地带。降水 量的年内分配较不均匀，长江流域大部分地区年降水日数在 140 天以上。 本文资料来源于江苏地区测站的逐日资料，包括逐日气温及逐日降水量。资料年代从 1960年起，直至2012 年。该资料由江苏省气象信息中心提供，具有较高的可靠性。根据目标范围，本文选取了江苏境内的测站资 料，并根据数据的年代范围，从中筛选了12个测站，而在这12个站中，以长江为界分成两个范围，其中包括长 江以南地区4个测站，分别为南京（58238）、常州（58343）、潥阳（58345）、吴县东山（58358），长江以 北地区8个测站，分别为徐州（58027）、赣榆（58040）、盱眙（58138）、射阳（58150）、高邮（58241）、 东台（58251）、南通（58259）、吕泗（58265）。分别提取了上述测站的气温和降水资料，并运用统计的方 法对各测站数据进行预处理，得到年 /季平均日气温、日最高气温、日最低气温及年 /季平均降水量。
施能等[9]一文中介绍了一种确定气候暖湿特征的做法：根据所选取的全国范围内 28 个测站，首先求得每 个测站 20 世纪 80 年代的气温与降水的均值，然后进行排序，按照排序的次序来区分各个测站的暖湿情况，由 此得到全国范围内的气温、降水变化趋势的区域分布特征。文中指出，相对于全国范围而言，长江流域以冷湿 为主要特征。 遵循上述方法，本文将研究聚焦在江苏地区范围内。自 1960-2012 年，本文根据 12 个站 52 年的逐日资料 求出年平均气温以及年平均降水量进行排序比较。结果如表一所示： （1）在江苏范围内而言，南京、常州、潥阳、吴县东山、南通这 5 个测站以暖湿为主要特征。徐州、赣 榆、盱眙、射阳、高邮这五个测站以冷干为主要特征。东台为冷湿，吕泗为暖干。 （2）5 个以暖湿为主要特征的测站中，江南的测站占据其中 4 个，换言之，就是江南的站全处于暖湿的状 态。且根据地理的分布，越靠南的测站，暖湿程度越高。越靠北的测站，冷干的程度越高。 4
3
图 2 1960-2012 年各站年平均降水量的气verage precipitation climate trend coefficient of each station
降水量气候趋势方面（图 2）可以看出，虽然降水的气候倾向系数值普遍小于年平均气温气候倾向率，但 大部分地区都呈现正值。说明江苏绝大部分地区降水随着时间呈现正相关。可得，江苏地区降水随时间增多， 且江南地区相关系数更大。
江南年代际降水 江北年代际降水
800 600 400 200 0 1960-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000 2001-2012
14.5 14 13.5 13
江南年代际气温 江北年代际气温
图 3 江南、江北年代际气温、降水年代际趋势图 Fig.3 Decadal temperature, precipitation decadal trends in Jiangnan and Jiangbei
3.
3.1
气候变化趋势及年代特征
气候趋势系数及倾向率
图 1 1960-2012 年各站年平均气温的气候趋势系数 Fig.1 1960-2012 annual average temperature climate trend coefficient of each station
由图 1 可以看出，江苏地区气温趋势系数都为正值，显然，江苏地区年平均气温在 1960-2012 年之间有明 显增加的趋势。且绝大多数都在 0.5 以上，更有最高值 0.7。由此可见，在全球变暖的大背景下，江苏地区的 升温幅度较为明显。
2 i 1 i i 1
n
n
2
（1）
2
x 其中 n 为年数。 i 是第 i 年要素值,x 为其样均值.t=(n+1)/2 ,显然这个值为正（负）时表示该要素在所计算
n2
的 n 年内有线性增(降)的趋势。 一种随机振动。
1 r 2 xt
符合自由度,n-2 的分布,从而检验这种气候趋势是否有意义,还是