1961-2013年黑龙江省气温变化特征(其他)

                    于成龙¹，  刘丹¹，  马秋斯²，  宫丽娟¹

    （1．黑龙江省气象科学研究所，黑龙江哈尔滨150030;2．黑龙江省气象台，黑龙江哈尔滨150030）

摘要：利用黑龙江省1961-2013年80个气象台站日气温资料，采用线性倾向率法、Mann-Kendall法、滑动T检验和小波分析等方法，对黑龙江省气温的时空变化特征进行研究。结果表明：(1)近52年来，黑龙江省年平均气温2.57℃，增温幅度为0.35℃／(10 a)；(2)各

个季节的平均气温、最高气温和最低气温均呈波动上升趋势，其中升温最明显的是最低气温，而冬季的最低气温又是四季中升温幅度最大的，气候倾向率达到0.59℃／(10 a)；(3)从空间尺度上，大小兴安岭的增温幅度较大；(4)平均气温和最高气温的突变年份相同，为1988

年，最低气温的突变先于平均气温和最高气温7 a；(5)年平均气温存在8 a尺度的变化周期。研究结果将有助于较全面地掌握黑龙江省区域气温变化规律，提高该省应对气候变化的适应能力。

关键词：气候变化；  气温；  黑龙江省；  突变检测

中图分类号：X16；P467  doi: 10.3969/j.issn。1003-6504.2016.05.032    文章编号：1003-6504(2016)05-0169-07

  气候变化及其带来的影响引起了全球的广泛关注，IPCC第五次评估报告指出，气候变化比以前认识的更为严重，全球从20世纪50年代以来的气候变化是千年以来所未见的，2003 -2012年平均温度比1850-1900年平均温度上升了0.78℃，而降水在地区和季节上的差异也有所增加，未来极端性天气气候事件的发生概率可能将进一步增加。中国的气候变化与全球的变化趋势是一致的，平均增温速度高于全球或北半球同期，而北方和青藏高原尤为明显。黑龙江省位于中国最北部，是我国最大的商品粮生产基地，也是我国的重点林区之一，该省属温带大陆性季风气候，夏季气温高，降水多，是受气候变化影响最为敏感的区域之一，许多学者针对黑龙江省气温的时空变化做了大量研究，结果均显示黑龙江省近几十年的年平均气温均呈现显著上升趋势。这些研究对认识黑龙江省气候变化规律具有重要意义，但随着气温资料时间序列的延长，研究结论也可能会出现变化，因此有必要对黑龙江省的气温时空分布特征进行再分析。另外，由于传统的地表气温资料来源于距地面1.25～2.0 m处百叶箱或防辐射罩内测量的数据，只能提供代表观测点周围一定范围内的离散的气温状况，Pri-hodko等㈣通过设置高密度的气象站点进行气温观测试验表明，气温在水平距离6 km范围内变化通常小于0.6℃，而超出这个距离则变化剧烈。黑龙江省气象观测站布点稀疏，地形复杂的林区尤为明显，而地形对气温有显著影响，简单的地理插值很难反映当地真实气温分布情况，因此需要考虑地形因素重新构建插值模型进行气温插值。

    本文基于黑龙江省80个气象台站1961-2012年的日平均气温、最高气温和最低气温资料，采用线性倾向率法、累计距平法、Mann-Kendall法、滑动T检验和小波分析等方法，分季节、年和年代际对黑龙江省平均气温、最高气温和最低气温等指标的时空变化进行研究。此研究将有助于较全面地掌握黑龙江省气温的时空变化规律，提高该省应对气候变化的适应能力，进而对该省生态建设和环境保护，乃至对社会、经济的可持续和协调发展具有一定的现实意义。

1  研究区概况

    黑龙江省位于中国的东北部，是中国位置最北、纬度最高的省份，介于东经，北纬之间。全省土地面积约46万km²，占全国总面积的4.7%。该省属中温带到寒温带的大陆性季风气候，年平均气温在1℃左右，气温由东南向西北逐渐降低，南北相差近10℃；年平均降水量500 mm左右，西南部降水量较低；年日照时数一般在2 600 h左右。

    黑龙江省地势大致是西北部、北部和东南部高，东北部和西南部低，主要由山地、台地、平原和水面构成。西北部为东北一西南走向的大兴安岭山地，北部为西北一东南走向的小兴安岭山地，东南部为东北一西南走向的张广才岭、老爷岭和完达山脉（本文简称东部山地），土地约占全省总面积的24.7%；海拔高度在300 m以上的丘陵地带约占全省的35.8%；东北部的三江平原、西部的松嫩平原，是中国最大的东北平原的一部分，平原占全省总面积的37.0%，海拔高度为50～200 m(引自搜狗百科)。

2  数据来源及研究方法

2.1  数据来源

    气温资料来源于黑龙江省气象局的1961-2013年80个气象台站逐日气温整编资料，包括日平均气温、日最高气温和日最低气温，其中有29个站数据的时间长度是53 a，46个站是43 a，2个站是42 a，2个站是40 a，1个站是47 a，站点的地理位置、海拔高度和数据时间长度如图1。

2.2  研究方法

    本研究分季节、年和年代际对黑龙江省日平均气温、日最高气温和日最低气温等指标的时空变化进行分析。季节划分方法为：春季3-5月、夏季6-8月、秋季9-11月，冬季12月一次年2月。

    采用Mann-Kendall、滑动丁检验和累计距平的方法对气温序列进行气候突变检测，分析变化趋势和识别突变年份；采用Morlet小波分析法提取气温序列的周期。

3  结果与分析

3.1  气温的时间变化分析

3.1.1  年际变化特征

    图2、图3显示了1961-2013年黑龙江省季节和年度的平均气温、最高气温和最低气温的变化趋势，图中曲线右侧数字为对应的气候变化倾向率，单位为℃／( 10 a)。图3可见，年平均气温2.57℃，增温幅度为0.35℃/(10 a);年平均最高气温8.75℃，增温幅度为0.21℃/(10 a);年平均最低气温-3 .12℃，增温幅度为0.51℃/(10 a)。

    分别年度和季节看，年度和各个季节的平均气温、最高气温和最低气温均呈波动上升趋势。平均气温和最高气温的变化倾向率由大到小的顺序均分别是冬季、秋季、全年、夏季、春季；最低气温的气候变化倾向率由大到小的顺序是冬季、春季、年度和秋季、夏季。可见升温最明显的是最低气温，而冬季的最低气温又是四季中升温幅度最大的。

3.1.2  年代际变化特征

  分别各个季节计算平均气温、最高气温和最低气温1961-2013年的平均值，由此得到表1中的距平数据，结果显示黑龙江省气温年代际变化呈明显的增温趋势，20世纪60年代和70年代气温偏低，但其间气温已经表现出上升趋势，20世纪80年代开始接近气温平均值，20世纪90年代和21世纪初气温普遍偏高。

  分别季节来看，春季气温的平均气温和最高气温在20世纪90年代最高，最低气温在21世纪初最高；夏季和秋季的平均气温、最高气温和最低气温均是21世纪初最高；冬季和全年的平均气温、最高气温和最低气温均是20世纪90年代最高。

3.2  气温空间变化分析

    以经度、纬度和海拔高度为自变量，分别以80个气象观测站平均气温、平均最高气温和平均最低气温为因变量，做多元线性回归，回归方程分别为：平均气温=58.974-0.820 latitude-0.128 longitude-0.007 alti-tude,最高气温=63.118-0.735 latitude -0.150 longi-tude-0.003 altitude，最低气温=55.979-0.913 latitude-0.110 longitude -0.010 altitude，回归系数R2分别为

0.711、0.614、0.690，各系数显著性检验sig.<0.001。然后分别计算每l km像元内的年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温，得到图4。

    1961-2013年黑龙江平均气温(图4(a))的变化范围在-4.17～5.07℃，其中大兴安岭和小兴安岭北部的平均气温<0℃，小兴安岭南部和东部山地的平均气温在0～2.00℃之间，三江平原和松嫩平原在2.01～5.70℃之间；最高气温(图4(b))的变化范围在4.43~12.14℃，其中大兴安岭和小兴安岭北部的平均气温在4.43～6.99℃之间，小兴安岭南部和东部山地的平均气温在7.00～8.50℃之间，三江平原和松嫩平原在8.51～12.14℃之间；最低气温(图4(c))的变化范围在-11.69～0.35℃，其中大兴安岭和小兴安岭北部的平均气温在-11.69～-5.00℃之间，小兴安岭南部和东部山地的平均气温在-5.00～-3.01℃之间，三江平原和松嫩平原在-3.00～0.35℃之间。由此可见，1961-2013年黑龙江平均气温、平均最高气温和平均最低气温的分布形式基本一致，在各自温度变化范围内，大兴安岭温度相对较低，小兴安岭和东部山地次之，松嫩平原和三江平原相对较高。

    平均气温增温幅度最大的是大兴安岭南部和小兴安岭北部(图4(d))，增温幅度为0.4～0.61℃1(10a);大兴安岭东北部、三江平原中部、松嫩平原南部和东部山地东南部的增温幅度在0.15 ~0.30℃／(10 a)，其它大部分地区的增温幅度在0.30～0.40C/( 10 a)。最高气温增温幅度最大的是大兴安岭西北部(图4(e))，为0.40～0.45℃/(10 a);其次是大兴安岭大部、小兴安岭北部和三江平原东部，增温幅度为0.20～0.40C/(10 a);松嫩平原、三江平原和东部山地极少数地区无明显的增温趋势；全省其它地区的增温幅度为0.10～0.20之间。大兴安岭北部及其他极少区域的最低气温增温在0～0.40℃/(10 a)之间(图4(f))，小兴安岭西北部和松嫩平原北部少量区域增温在0.60～1.04之间，其它大部分地区的最低气温增温幅度在0.40~0.60℃/(10 a)之间。由此可见，全省绝大多数地区的平均气温、最高气温和最低气温均有增加趋势最低气温对平均气温增加的贡献要大于最高气温，另一个明显的规律是大兴安岭地区在全省最北部，也是气温最低的区域，其最高气温增温幅度相对较高，最低气温增温幅度相对较低。

3.3  气温突变检测

    采用Mann-kendall法和滑动T检验相结合，对黑龙江省1961-2013年平均气温、最高气温和最低气温序列进行突变检验，2种方法均采用a=0.05显著性检验（图5）。

  平均气温MK统计值UF从1970年开始大于0，之后逐渐增加，到1990年增加趋势超过了a=0.05显著性水平，表明从1990年开始平均气温开始显著增加。UF和UB在1984年处交叉，表明1984年平均气温可能发生突变，而滑动丁检验结果显示平均气温可能在1988年和1989年发生突变，再通过计算平均气温序列的累积距平，其峰值出现在1988年，因此确定1988年为平均气温的突变年份。

  最高气温MK统计值UF从1989年开始均大于0，之后逐渐增加，到1997年增加趋势超过了a=0.05显著性水平，表明从1997年开始平均气温开始显著增加。UF和UB在1987-1988年处交叉，表明1987-1988能平均气温可能发生突变，而滑动丁检验结果却未出现突变年份，再通过计算最高气温序列的累积距平，其峰值出现在1988年，因此确定1988年为平均

气温的突变年。

  最低气温MK统计值UF从1979年开始均大于0，之后逐渐增加，到1984年增加趋势超过了a=0.05显著性水平，表明从1984年开始平均气温开始显著增加。UF和UB在1981-1982年处交叉，表明1981-1982年最低气温可能发生突变，滑动T检验结果显示最低气温可能在1981年发生突变，因此确定1981年为最低气温的突变年份。

    由此可见，黑龙江省1961-2013年平均气温和最高气温的突变年份相同，最低气温的突变先于平均气温和最高气温7a，表明最高气温的突变对平均气温突变的贡献较大。

3.4  气温周期变化分析

    图6显示了黑龙江省1961-2013年平均气温、最高气温和最低气温Morlet小波变换系数，图中可见，平均气温和最高气温小波系数等值线均在7～10 a尺度上较为密集，且发生了小波系数高、低值中心的变化，结合各自的小波方差计算结果，推断平均气温和最高气温均存在8a的周期变化；最低气温小波系数等值线在7—8 a尺度上较为密集，且发生了小波系数高、低值中心的变化，结合各自的小波方差计算结果，推断平均气温和最高气温均存在7a左右的周期变化。

4  结论与讨论

4.1  结论

    通过对黑龙江省1961-2013年气温时空变化特征分析表明，该时段内气温呈明显的上升趋势，但存在季节和区域上的差异。    

( 1)1961-2013年黑龙江省平均气温2.57℃，增温幅度为0.35℃/(10 a)；年度和各个季节的平均气温、最高气温和最低气温均呈波动上升趋势，升温最明显的是最低气温，而冬季的最低气温又是四季中升温幅度最大的，气候倾向率达到0.59℃／(10 a)。

    (2 )1961-2013年黑龙江平均气温、平均最高气温和平均最低气温的分布形式基本一致，在各自温度变化范围内，大兴安岭温度相对较低，小兴安岭和东部山地次之，松嫩平原和三江平原相对较高。

    (3)全省绝大多数地区的平均气温、最高气温和最低气温均有增加趋势，最低气温对平均气温增加的贡献要大于最高气温。其中平均气温增温幅度最大的是大兴安岭南部和小兴安岭北部，最高气温增温幅度最大的是大兴安岭西北部，最低气温增温幅度最大的是小兴安岭西北部和松嫩平原北部。

    (4)综合Mann-kendall法、滑动丁检验和累积距平结果，对气温进行突变检测，黑龙江省1961-2013年平均气温和最高气温的突变年份相同，为1988年，最低气温的突变先于平均气温和最高气温7a，表明最高气温的突变对平均气温突变的贡献较大。Morlet小波分析结果表明，黑龙江省年平均气温存在8a尺度的变化周期。

4.2  讨论

    本研究得出的黑龙江省1961-2013年平均气温的增温幅度为0.35℃／(10 a)的结论，与李彩霞等的研究结果一致略低于周秀杰等的0.37℃／(10 a)的结果，其原因主要与研究的空间范围和时间序列的起止时间等方面存在差异有关。冬季增温在全年中最显著的结论与东北地区和全国是一致的，气温突变的时间也与东北地区一致，为1988年。

    气温的显著增加对黑龙江省的生态环境和农业生产有利有弊。气温升高增加了黑龙江省的热量资源，可能会使因受热量资源制约动植物资的分布接线北移，使黑龙江境内的物种更加丰富，农作物的生育期延长，增产能力提高。但增温也会使本就降水资源不足的地区更为干旱，气候波动加剧，极端天气事件频发，病虫害的越冬和传播能力提升，农业生产的不确定性增多，森林火险增大。人类可采取适当的适应措施，通过调整物种类型或农业生产措施等手段趋利避害。