中国冬季气温变化的趋向性研究_黄嘉佑

图 1 河源冬半年气温第 1 主分量逐年变化 Fig . 1 Yearly variations of the first principal component of winter half y ear temperatures for Heyuan
图2
河源冬半年气温第 2 主分量逐年变化 principal compo nent
河源 10 月 1 主分量 2 主分量 3 主分量 0. 69 0. 41 0. 24 11 月 0. 74 0. 23 - 0. 14 12 月 0. 46 - 0. 25 - 0. 78 1月 0. 69 0. 23 0. 06 2月 0. 52 - 0. 49 0. 46 3月 0. 31 - 0. 79 0. 07 10 月 0. 21 0. 88 0. 19 11 月 0. 28 - 0. 34 0. 87 12 月 0. 59 0. 07 - 0. 21 通化 1月 0. 69 0. 29 0. 20 2月 0. 75 - 0. 23 - 0. 24 3月 0. 77 - 0. 20 - 0. 16
5期
黄嘉佑等 : 中国冬季气温变化的趋向性研究
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关于中国冬季气候的趋向性变化趋势还未见有 研究。那么这种现象在中国是否有表现 ? 有什么样 表现 ? 冬季气温的前期和后期的变化是否也存在趋 向性不同变化? 如果存在, 这种趋向不同变化是否 明显? 在中国是如何表现的 ? 是否也在 1979 年前 后有所表现 ? 即这种趋向性是否存在年代际变化 ? 这些问题是值得研究的。
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只是在第 1 个主要特征上 , 表现为冬半年的前 3 个 月趋势是上升的 , 后 3 个月同样也是上升的 , 也可 以以 3 个月为分界。第 2 特征与河源 第 3 特 征类 似, 单月特征前冬表现在 10 月份 , 而后冬仍然表现 在 2 月份。 第 3 特征与河源第 2 特征类似, 前冬表 现在 10, 11 月份 , 而后冬相反变化仍然表现在 2, 3 月份。从这 3 个主要气候变化特征看到, 中国南北 冬季气温变化存在前冬与后冬变化不同的气候变化 特征。 进一步, 对两个站的前 3 个主分量分析可以分 析它们的年际变化主要特征。从河源冬半年气温第
分布[ 8] 。统计量 t= s
n
x 1- x 2 1 1 n+ m
2
资料与方法
( 1) n+ m - 2 x 1 和 x 2 分别表示冬季后 期和前期气温距平平均 s= 值 , n 和 m 分别表示冬季后期和前期序列的样本容 量 , 其差异程度可以通过计算的实际 t 值 , 然后进行 显著性检验。
i= 1
E
( x 1i - x 1) 2 +
i= 1
E ( x 2i -
m
x 2) 2
选取 1951 ) 2004 年中国 160 个测站逐月气温 和降水量资料( 由中国国家气候中心提供 ) , 研究冬 季的气温的年际和年代际变化 , 以及前冬和后冬季 的气温变化气候特征。 对冬季气温变化的差异性需要考虑年变化的影 响, 即由于气温的年变化周期的影响, 冬季前期气温 值一般比后期高 , 需要消除气温年变化影响。因此 , 在分析之前对气温逐月的序列作标准化处理, 使得 各月的平均值均为 0, 标准差为 1, 从而比较它们标 准化距平的差异和变化 ( 文中称为气温距平的差异 和变化) 。 对于考察气温距平变化趋势, 使用气温距平为 因变量 , 年份变化 为自变量的一 元线性回归 [ 8] , 以 直线斜率( 自变量的回归系数 ) 作为趋势度量, 称为 趋势系数。 为了考察在一段时期内气温的差异性, 需要有 差值量的比较, 但是多大的差值可以认为是明显差 异呢 ? 因此, 对不同时段的气温平均值的差值 , 还需 要作显著性检验, 以便确定为显著的差异。统计检 验使用冬季前期与后期气温标准化距平的平均值的 差异, 检验的统计量遵从自由度为 n + m - 2 的 t
- 7] 差异显著性均超过 5% 显著性检验水平 [ 6 。
近年来, 气温变化的趋向性研究受到气象学家 很大关注。例如胡桂芳等 [ 1] 对济南 、 青岛年及四季 的平均和平均最低( 高) 的百年气温序列进行诊断分 析, 发现近百年来年平均最低气温和平均气温都呈 上升趋势 , 但前者的增温率明显高于后者; 最高气温 青岛呈上升趋势, 而济南却呈下降趋势。这种最高 和最低气温的趋向性变化趋势在国内外均有很多的 - 5] 表现[ 2 。 另外 , 在中高纬度地区冬季气候也显示出了值 得关注的趋向性变化趋势, 即冬季早期的气候趋势
表2 T able 2
后冬的代表序列: 序列 ( 1) 用前冬 3 个月和后冬 3 个 月的气温标准化距平的平均序列为代表, 序列( 2) 用 前冬 10, 11 月和后冬 2, 3 月气温标准化距平的平均 序列为代表; 序列 ( 3) 用前冬 12 月份和后冬 2 月份 气温标准化距平的序列为代表。然后分别计算前冬 和后冬序列的年际变化线性趋势 ( 即以时间为自变 量的一元回归方程的变量系数值, 单位: e / a) 。表 2 给出它们在 1980 年前后两个时段的趋势比较。
1 主分量逐年变化曲线( 图 1) 看出, 气温变化总趋势 是上升的, 反映气温的世纪变暖趋势 , 但是变暖的趋 势有一个转折, 在 1980 年以前上升趋势很弱 , 但是 在 1980 年以后, 上升趋势加剧。而从河源冬半年气 温第 2 主分量逐年变化曲线 ( 图 2) 看出, 其变化趋 势是下降的 , 反映第 2 个变化特征的表现呈下降趋 势 , 而且趋势变化仍然存在年代际的差 异, 即 1980 年前后变化趋势有明显差异。第 3 主分量与第 2 主 分量变化类似( 图略) 。从 3 个气候变化特征所对应 的主分量变化情况看出 , 它们的变化存在年代际变 化的差异, 其转折点大致出现在 1980 年。
Fig . 2 Same as Fig. 1 but for the second
对通化冬半年气温变化主分量分析的结果与河 源的分析类似( 图略 ) , 也存在以 1980 年为分界点的 趋势变化不同的特征。因此, 我们把 1951 ) 2003 年 分为 1951 ) 1979 年 和 1980 ) 2003 年两个时段 , 研 究中国前冬和后冬两个时段气温变化的差异和趋向 性。 为了反映前冬与后冬气温变化趋势的差异, 我 们根据主分量的 3 个变化特征分别定义不同前冬和
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初稿时间 : 2005 年 10 月 21 日 ; 修改稿时间 : 2006 年 1 月 5 日。 资助课题 : 国家自然科学基金面上项目/ 使用全球气候模式研究冬季早期和晚期相反气候趋向0 ( 40575031) 和国家自然科学基金重点 项 目 / 北极平流层异常对亚洲及北太平洋地区的天气气候影响研究0 ( 40533016) 。 作者简介 : 黄嘉佑 , 教授 , 研究方向 : 气候与气候变化影响。 E -mail: jy@ pku. edu. cn
性, 即前冬暖 ( 冷 ) , 后冬也暖 ( 冷 ) 。但是各月荷载 值的变化趋势有不同 , 冬半年的前 3 个月趋势是下 降的 , 后 3 个月同样也是下降的 , 可以以 3 个月为 分界。 第 2 个主要特征是前 2 个月与后 2 个月变化
相反 , 即前冬 ( 2 个月 ) 暖 ( 冷 ) , 后冬 ( 2 个月 ) 则冷 ( 暖 ) 。第 3 特征表现单月变化特征, 河源前冬以 12 月为代表 , 后冬以 2 月为代表 , 仍然表现为前冬与 后冬变化不同的特征。通化站也有类似变化特点。
表 1 河源和通化站 前 3 个主 分量在 6 个月的荷载 T able 1 Loadings of the first three principle components of winter six mont h temperatures for Heyuan and T onghua station
第 64 卷第 5 期 2006 年10 月
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ACT A M ET EOROL OGICA SIN ICA
Vol. 64, No. 5 O ctober 2006
中国冬季气温变化的趋向性研究
黄嘉佑 胡永云
北京大学物理学院大气科学系 , 北京 , 100871
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摘
要
使用 160 个测站冬半年月 平均气温资料 , 对中国最近几 十年 ( 1951/ 1952 ) 2003/ 2004) 的冬季气温变化趋 向的 气候特征进行分析。分析方法包括趋势分析、 主分 量分析。结 果表明 , 中 国冬季 的前冬 和后冬气 温的变 化存在 明 显的年际、 年代际趋向性差异。 趋向性差异在年际的变化方面的表现 , 中国南方地区 冬季气温变化 , 最主要的 特征是变化 趋向的一 致性 , 即 前 冬有变暖的趋向 , 后冬也有变暖的趋向 , 但是前冬变暖趋向不明显。而北方地区与 南方地区有 不同 , 表现在冬季 气 温变化 , 虽然也存在变暖趋向 , 但是前冬变暖的趋向比 南方趋 向明显。第 2 个气 候变化 特征 , 南方 地区是前 、 后冬 相反的变化趋向 , 即前冬暖 ( 冷 ) , 后冬则冷 ( 暖 ) 。而北方地区这种特征表现不明显。 趋向性差异在年代际的趋向性变化方面的表 现更加明 显。南方 地区在 1980 年 以前 , 前后冬 的气温 变化趋 向 都是下降的 , 但是后冬下降速度较前冬缓和 , 在 1980 年以后 , 前后冬的气温变化趋 向都是上升 的 , 但 是后冬上升 速 度也较前冬缓和。而北方地区在 1980 年以前 , 前后冬的气温变化趋向同样都是下 降的 , 但 是后冬下 降速度较前 冬 加快 , 而在 1980 年以后 , 前后冬的气温变化趋向都是上升的 , 但是后冬上升速度也较前冬加快。 不同的前冬和后冬气温序列不同时段标准化距平的平均值也存在差 异。南方地区 1980 年以 前 , 大 部分地区 , 气温均比常年偏低。但是后冬偏低程度较前冬缓和 , 而在 1980 年以后 , 气温 均比常 年偏高 , 后冬 偏高的 程度也 较 前冬 缓和。而 北方地区在 1980 年以前 , 冬 半年气温 均比常 年偏低 , 后 冬气温偏 低的程 度较前 冬大。而 在 1980 年 以后 , 冬半年气温均比常年偏高 , 而且后冬偏高的程度较前冬大。 关键词 : 气温变化 , 冷趋向 , 暖趋向。
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冬季气温的变化的趋向性表现
取当年 10 月至次年 3 月作为冬半年逐月气温
来反映冬半年气温的变化情况。经过对中国 160 个 测站的气温变化趋势计算 , 发现中国气温趋向变化 的差异分布可以分为北方区和南方区, 选取其中变 化最大的测站, 北方代表站为吉林省通化 , 南方代表 站为广东省河源。详细考察它们冬季气温逐年变化 情况。为了消除月气温存在的年变化差异 , 使得各 月的气温变化在相同的基础中比较, 对原始各月气 温序列作标准化处理。 对两个测站冬半年 6 个月的变化序列进行主分 量分析。计算得到两个站前 3 个主分量的累积方差 贡献 , 河 源 是 0. 35, 0. 55 和 0. 70; 通 化是 0. 35, 0. 53, 0. 69, 它们均可以解释 全部变化方差的 70% 左右。说明可以用它们前 3 个主分量, 分别反映南 方与北方地区的冬半年气 温变化主要特 征。从河 源、 通化站前 3 个主分量在 6 个月的荷载 ( 表 1) 看 出 , 河源站的冬半年气温变化第 1 个主要特征是一致
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引
言
与晚期的趋势几乎相反 , 这种相反的气候变化趋势 可以从近 25 a ( 1979 ) 2003 年 ) 地表气温的趋势中 看到 , 冬季早期( 11 和 12 月平均 ) 和晚期 ( 2 和 3 月 平均 ) 的地表气温有相反的趋势变化 , 在冬季早期, 欧亚大陆高纬度地区的地表在变冷, 最大降温位于 西伯利亚。与此同时, 极地地表在变暖, 最大升温位 于加拿大北部地区。在冬季晚期, 地表气温的变化 趋势与冬季早期基本相反, 欧亚大陆上的变暖, 最大 升温区位于西伯利亚 , 与此相应的降温地区位于加 拿大北部 , 这种差异性十分明显。冬季早期极地和 加拿大北部的升温的显著性、 冬季晚期气温趋势的