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全球平均温度序列的比较

文章编号： 16 73 -17 19 (2 011 ) 02-008 5-05 全球平均温度序列的比较唐国利 1 ，王绍武 2 ，闻新宇 2 ，黄建斌 3 （1 中国气象局国家气候中心，北京 100081 ；2 北京大学物理学院大气与海洋科学系，北京心，北京 100084） 100871 ；3 清华大学地球系统科学研究中引言称为现代。 1 早期研究建立一个能代表全球平均温度变化的时间序列是气候变化研究的基本任务，只有建立了这样的序列才能更准确地判断全球气候变暖。同时，确定全球气候变暖的程度、空间分布特征以及随时间的变化特征又是气候变化归因研究的基础。因此，对全球平均温度序列及其资料和方法进行分析具有重要意义。全球平均温度的研究始于 19 世纪后期，随着观测资料的不断积累和研究的展开，陆续有不少学者建立了全球平均温度序列，并不断进行改进和完善 [1-3] 。大体可将全球平均温度序列的研究划分为 3 个阶段：1970 年代之前、1980 1990 年代以及 2000 年代。前两个阶段可以称为早期，第三个阶段第一个阶段的研究可以认为是开创性的。出于了解全球气候是否存在变暖或变冷趋势的需要，从 19 世纪后期开始就有人研究全球平均温度。到20 世纪中期，先后有30 多位作者建立了自己的全球平均温度序列 [1-3] ，其中Mitchell [4] 的工作最具有代表性。由于当时所能使用的资料仅有100～200 个测站，只能按纬度带求平均，例如每30 个纬度计算一个平均值，将每5年平均与18801884年的平均进行比较。由于只有陆地及少数岛屿测站，因此只能反映陆面气温的变化。尽管如此，Mitchell [4] 在1960年代初就确认了1940年代的变暖。从观测事实分析的角度看，收稿日期： 2010-07-16；修回日期：2010-09-03 资助项目：国家重点基础研究发展规划项目(973)课题 (2010CB428401)；国家十一五科技支撑计划项目气候变化的检测和预估技术研究（2007BAC03A01）；中国气象局气候变化专项（540000G010C01）第一作者：唐国利（1960 ），男，正研级高工，主要从事气候和气候变化研究。 E-mail: tanggl@ 摘要：着重评述了目前国际上常用的 3 个全球平均温度序列： HadCRUT3 、 NCDC 及 GISS。后两个序列 1982 年之后引入了卫星观测资料。 NCDC 对资料作了插补，建立了 1880 2009 年覆盖面完整的序列。 HadCRUT3 序列所显示的近10 年变暖的停滞可能主要是缺少极区资料造成的。 NCDC 与 GISS 两个序列依然保持约 0.1 ℃/10a 的增温。3 个序列 1910 2009 年的变暖趋势十分接近，在 0.70 ～0.75 ℃/100a 之间。关键词：全球平均；温度； Ha dCRUT3 ； NC DC ； G IS S 中图分类号： P467 文献标识码： A

这应该是全球变暖研究的一个良好开端。 19801990年代应用的测站数大为增加，Jones 等 [5-6] 、Hansen等 [7] 及Vinnikov等 [8] 先后建立了全球温

度序列。他们应用的测站数见表 1。 2.1 HadCRUT3 序列 CRU（Climatic Research Unit）指英国东英吉利大学气候研究部，该研究部整理了全球陆地气温序列 [11] 。应用 5159 个测站，其中 4167 个站有 1961 1990 年的记录。剔除距平5 的数据，按网格面积加权计算 5 5（经度纬度）格点平均，得到表 1 1980 年代全球温度序列应用的测站数 Table 1 Numbers of meteorological stations used for the reconstruction of global mean

temperature series in 1980s 北半球和南半球的序列，然后再合成为全球平均。这个陆地序列与哈德莱中心（Hadley Centre）的SST 结合形成 HadCRUT2。后来 CRU 的资料又有所改进，并进行了不确定性分析、讨论了误差范围，再与改进的哈德莱中心的SST序列合并形成目前政府间气候变化专门委员会（IPCC）引用的HadCRUT3 [12] 。陆地测站为4500 个，其空间分辨率不再限于固定的 5 5（经度纬度）格点，更便于与模式结果比较。陆面气温变化的不确定性主要来源于3个方面： 1) 测站温度误差，包括观测误差、均一性误差、标准值误差及计算误差；2) 资料覆盖误差；3) 偏差误当时的月平均温度资料主要是世界天气记录（ Wo r l d We a t h e r R e c o r d s ）和每月世界气候资料（Monthly Climatic Data for the World）。3 个序列的分析方法各不相同，Jones 等 [ 5 -6] 首先建立 510 （纬度经度）格点温度序列，再按纬度面积加权求半球及全球平均，60S 以南无记录。Hansen 等 [7] 则把全球分为面积相等的80 个区，先建立每个区的序列，再合成为半球及全球序列。Vinnikov 等 [ 8 ] 应用的测站相对较少，先计算每 30 个纬度带的平均，再建立半球及全球平均，南半球仅到 60S。尽管这 3 个序列应用的测站数差异较大，分析方法也不相同，但是得到的全球平均温度序列相关系数很高，在

0.94～0.95 之间 [5, 8] 。这一时期的特点是建立了对陆地面积有较好代表性的温度序列，但是尚未引进海面温度观测资料。差，如城市热岛效应。值得一提的是资料覆盖误差，利用 50 年模拟给出的具有完全覆盖面的再分析资料，可以计算与实际覆盖面相同的面积所得平均温度与完全覆盖面平均温度的差，由此估计资料覆盖不全的影响。关于城市化问题，强调主要考虑城市/ 农村的对比，但是城市与农村的分类会影响对比结果。在建立序列过程中，剔除了部分城市测站，另有部分测站的序列通过质量控制和均一化处理过程订正。在总不确定性估计中，城市热岛效应导致的误差从1900 年开始1 的标准值为0.055 ℃/100a。这 3 个不确定性加在一起大约造成温度的低频变化有 0.1 ℃的振幅，形成一个宽约0.2 ℃的范围，即95% 误差区间，20 世纪中期以来这个范围缩小到0.10 ～0.15 ℃宽。海温的改进见文献[13]。 2 现代全球温度序列仅有陆地上的观测资料显然不具有全球代表性。第三个阶段的特点就是在序列中引入海洋资料。最初曾试图应用甲板上观测的气温，继而发现这样的观测受甲板反射影响较大，以后又试验用夜间甲板上观测的气温，但最后证明还是海温有较好的代表性 [9-10] 。现在的全球温度序列都采用陆面气温观测与海面温度（SST）观测结合得到全球平均温度，也称为地球表面温度（earth surface temperature）。下面分别概述目前比较常用的 3 个全球平均温度序列。 2.2 NCDC 序列 NCDC （National Climatic Data Center）指美国国家气候资料中心。NCDC 序列是一个覆盖面完整的序列 [14] ，全球平均按55网格面积加权平均得到。其 SST 的处理很有代表性 [ 15 - 16 ] ，不仅考虑了观测技术的变化，而且引入了卫星资料。对 1941 年之作者北半球南半球全球 Jones 等 [ 5 -6] 2666 610 3276 Hansen等 [7] 1902 738 2640 Vinnikov等 [8] 301 265 566

图 1 1880 2009 年全球平均温度距平序列（相对于1961 1990 年）[ 19 ] Fig. 1 Global mean temperature anomalies for 1880 - 2009 (relative to 1961-1990) [19] 2 期唐国利，等：全球平均温度序列的比较 8 7 3 序列比较前的海温去掉约 0 . 3 ℃的负偏差，因为那时多采用吊桶打水的方式测量温度，而第二次世界大战之后则改用抽水方式测量温