1、东北地区近百年气候变化及突变检测第 11 卷第 1 期2006 年 1 月气候与环境研究ClimaticandEnvironmentalResearchVo1.11No.1Jan.2006东北地区近百年气候变化及突变检测孙凤华袁健路爽1 中国气象局沈阳大气环境研究所,沈阳 1100162 沈阳市气象局,沈阳 110016摘要利用沈阳,大连,营口,长春,哈尔滨,黑河 6 个代表站 19052001 年的月平均气温和月降水观测数据,建立了东北地区近百年来季,年的气温和降水序列.对所建温度和降水序列分别与同一区域内 26 个代表站的温度序列和 51 个代表站的降水序列近 4O 年同期资料做了相关分析
2、,检验了序列的代表性.在所建序列的基础上,分析了东北地区百年气温的年代,年和季节等不同时间尺度的变化特点和地域分布特征,以及百年降水量的变化规律,采用谱分析方法探讨了序列的周期性变化特征,并采用Mann-Kendall 和 Yamamoto 方法对经过滑动平均的气温和降水序列进行了突变分析.关键词东北地区气候特征周期变化突变检测文章编号 1006-9585(2006)01-0101-08 中图分类号 P468 文献标识码 ATheChangeandTestofClimateinNortheastChinaovertheLast100YearsSUNFengHua,YUANJJan,andLUS
3、huangz1InstituteofAtmosphericEnvironment,ChinaMeteorologicalAdministration,Shenyang1100162ShenyangMeteorologicalBureau,Shenyang110016AbstractTheairtemperatureandprecipitationdatausedbythispapercomefromsixweatherstationsinNortheastChinafrom1905to2001.Thesestationsallhavetemperatureandprecipitationobs
4、ervationabout100years,theyareShenyang,Dalian,Yingkou,Changchun,HarbinandHeihe.Thetemperaturetimeseriesintheareaarerepresentedbytheaveragetemperatureofthesixstationduring19052001.Forcheckingupitsrepresentation,correlativitybetweentheaverageofsixstationsandtheaverageoftwentysixstationswasmadeinthisare
5、a.Thecorrelativecodficientisveryhigh.Thetemperatureandprecipitationtimeserieswereappliedtoarialysetheyearlyandseasonallyclimatechangeinthearea.usingthemethodofspectrumanalyse,thecharacteristicofseasonalchangeofthisserieswasdiscussed.TheconnectionbetweenthetemperaturechangeinNortheastChinaandthetempe
6、ratureincreaseoftheotherareawasstudied.TheclimatejumpsofannualtemperatureandprecipitationseriesweretestedusingMannKendallandYamamotomethodsduringthelast100yearsinNortheastChina.KeywoldsNortheastChina,climatecharacteristic,periodicitychange,jumptest1 引言近百年来,全球气候变暖并日趋加剧已成为公认的事实,但在总的变暖趋势中却有起有伏,有渐变和突变,且
7、气候变化的区域性和季节性差异显着.气候变暖将对植被的生长和分布产生收稿日期 20040212 收到,20050218 收到修定稿资助项目科技部公益类专项“气候变暖对东北极端气候事件影响“ 项目作者简介孙风华,女,1963 年出生,学士,副研究员,主要从事区域气候变化研究.E-mail;sfb391O839sina.tom102气候与环境研究elimaticandEnvironmentalResearch11 卷Vo1.11直接影响;反之,植被也影响气候变化,两者相互作用,关系密切.全球气候变暖将对区域性气候格局产生重大影响.各区域变暖的速率和时空分布虽有很大差异,但总的说来,变暖趋势具有北方较
8、南方明显,冬季较其他季节明显的特点.东北地区处于北半球的中高纬度,也是我国纬度最高的地区,冬季气候寒冷漫长,是我国气候变化最明显的区域.东北地区气候变化即受到全球气候变暖的影响,又具有地域性特点,因此对该区域气候变化进行研究,其结果具有很强的代表性.由于气候变化与人类活动和生产密切相关,因此对其变化及可预报性的研究是全球关注的热点.近百年来的气候变化更是人们关注的焦点,其主要原因有两个:一是近百年来人类活动对环境造成了严重的破坏,使得气候变暖的趋势更为严峻,由此给人类带来了极端的气象灾害;二是20 世纪初陆续有了一些仪器观测记录,其定量研究结果更为可信,使得人们能正确的认识气候变化规律,探索更
9、好的预测预报方法.本文利用尽可能多的仪器观测记录,对东北区域的气候变化进行较为全面的分析,以便更清楚地了解东北地区近百年来的气候变化事实.主要内容包括气温,降水的年和季节百年变化规律,区域性变化特点分析,变化周期及气候突变检测等.本文以东北地区 6 个代表站 19052001 年近百年的月,年平均气温和降水量资料为基础,建立了季,年气候变化序列,采用一元回归分析方法分析了东北地区近百年的气候变化趋势,以及气候变化的季,年际,年代际的变化特点.结果表明:东北地区的气温变化有其本身特点,百年增温趋势明显,但增温过程有强有弱,各季增温幅度也不相同,冬季增温较为明显,夏季基本持平,若不考虑近几年较强的
10、增温,总体还有下降的趋势.2 资料选取及插补订正东北地区具有较为密集的气象观测网,但大多数观测站是建国以后建立的,有近百年气象观测记录的站点为数不多.本文所用数据为本区域具有近百年观测历史且具代表性的 6 个气象站的气温和降水观测记录,其分别为沈阳,大连,营口,长春,哈尔滨和黑河(均在 20 世纪初开始有气象观测).据调查,6 个站均有迁站记录,但位置变化不大,因此只对资料序列做了海拔高度订正,以观测资料最长段观测场所处位置的海拔高度为准,订正值取 0.6?(100m) .对于 40 年代普遍缺测数据采用自回归方法重建.应用订正后的 6 站月平均气温和降水数据,对东北地区近百年的基本气候变化事
11、实和演变规律进行分析.3 年代,年和季节的变化规律3.1 序列的建立和代表性检验分别以其上 6 个气象站 19052001 年的年平均气温和降水量代表本区的气候变化序列.类似的,分别以春季(35 月),夏季(68 月),秋季(9 l1 月) 和冬季(12 2 月) 的 6 站平均值建立该区域的各季气候变化序列.由于站点较少,首先对其代表性做检验:选取时段长达40 年均匀分布在东北区域内的 26 个代表测站的年平均温度序列,与 6 站相应时段的温度序列进行了相关分析.图 la 为两个年平均温度序列的变化曲线,可以看出,两者的 40 年平均温度值相差较大,26 站平均值为 3.87,6 站平均值为
12、 5.92,相差 2.05.两者平均温度的差值虽然很大,但只是有一个固定的差值,并不影响增温趋势变化的一致性,两者距平变化曲线基本吻合(图略 ),两温度序列相关系数达 0.985,证明有很好的代表性.基于降水的空间不均匀性要比温度大很多,增加了降水的对比站点数.在区域内选择均匀分布的 51 个站点的平均降水序列进行对比,同一时段 40 年的 6 站和 5l 站降水序列变化见图 lb.两序列的差异要比温度的大,但相关系数也达到了 0.892,代表性也较好.据以上分析,6 站温度和降水变化代表性都很好,以其为代表研究该区域气温和降水变化的总体特征和趋势是完全可行的.3.2 气温变化图 2ac 分别
13、为东北地区 19052001 年夏季,冬季和年的平均气温变化.从年序列曲线来看,东北地区百年升温趋势十分明显,进入 20 世纪 80 年代以后升温最为剧烈.就 20 世纪而言,1 期孙凤华等:东北地区近百年气候变化及突变检测 1SUNFe 哼Hua,eta1.TheChangeandTestofClimateinNortheastChinaovertheLast100:!:!芝羔基墨赠露E.殳童言嘲逝年份 Year年份 Year图 126 站和 6 站平均温度(a),51 站和 6 站降水(b)序列的对比Fig.1Thecontrastoftemperature(a)andprecipitat
14、ion(b)between6stationsand26stations升温为起伏式上升:世纪初为最冷期,随后一直到 40 年代为持续升温期,且达到并超过了平均水平;50 年代左右为次高峰期,相对高温持续到 50年代中期;以后气温开始逐渐下降,50 年代中期至 70 年代中期为一相对冷期,气温处于平均线以下;70 年代中期开始升温,近 20 年来东北地区升温剧烈,80 年代气温达到平均线,80 年代中期就已超过第一峰值,目前已远远高出第一峰值.冬季也呈明显的升温趋势,但基本为持续性升温,没出现相对冷期和相对暖期.冬季气温近20 年升温趋势十分明显,与年变化较为一致.夏季气温变化与年和冬季气温变化
15、截然不同,后半世纪与前半世纪相比,不仅没有升温,反而表现为降温趋势.20 世纪 20 年代初到 60 年代初为夏季高温期,气温均在平均线以上;60 年代初至 90年代中期为夏季低温期,气温均在平均线以下;但 90 年代中期以来,也表现为剧烈升温趋势.春季和秋季气温变化趋势(图略)与冬季气温变化趋势较为相似,但升温幅度要小得多.表 1 为每隔 10 年分段的平均气温距平(最后7 年为一时间段),可以定量看出百年气温的变化规律:在 70 年代中期以前基本为负距平,以后至今为正距平,且逐步升高,升幅越来越大,19952001 年距平已达到+1.09.温度序列随年代呈明显的 2 波 2 谷分布:最冷期
16、为世纪初 10 年,次冷期为 19451975 年间;最暖期为世纪末,次暖期在 19351944 年间.随着时间推移,暖期和冷期的气温都大幅度上升.因此,气温是起伏式上升的.利用功率谱分析方法分析了东北百年温度序列的周期性变化特征.序列是一明显的红噪声过程.取样本长度 N 一 97,最大落后步长 m 一 18,得出主周期有两个:2.3 年(准两年振荡)和 4.2年.两者以准 2 年周期振荡更为明显,超过了95 的显着水平.3.3 降水变化对各季节和年的百年降水序列分析表明:伴随百年明显的增温趋势,降水有相应的减少趋势.但各季节降水的变化并不与温度的增减一一对应.春,秋,冬季降水均减少,但以秋季
17、降水减少最为明显;四季中只有夏季降水略有增加,斜率为正值.比较而言,基本符合气温增加,降水减少,气候与环境研究ClimaticandEnvironmentalResearch11 卷V01.11:.人以一-人人五=,V 九f一,1lUU 一一 L,? 一 L-J1rI 一,一,-,丌lIIyVIVYYyVVyyVy.(c).八人.人1I/年份 Year图 2 东北地区百年气温的夏季(a),冬季(b)和年(c) 变化(细实线为平均气温序列,粗实线为低通滤波值,横线为序列的平均值)Fig.2Thetemperaturechangesinsummer(a),winter(b),andannual(c
18、)inNortheastChinaduringthelast100years(thinsolidlinaveragetemperaturethicksolidlinelowpassfilterlevellinetheaverageofseries)表 1 东北近百年气温距平(TA)年代际分布Table1Thedecadetemperatureanomalies(TA)forthelast100yearsinNortheastChina反之降水增加的规律.但增温最明显的冬季,降水量减少不是最显着.图 3 为降水量减少最明显的秋季,降水量略有增加的夏季及年降水量的百年变化及趋势.由年降水量的滑动平
19、均曲线(粗实线)可以看出降水的年变化:2O 世纪 5070 年代是降水较丰富时期,19201930 年,19741983 年是 2 段降水较少期,8O 年代中期至今有增加的趋势.总之降水量阶段性起伏较大,而不象年平均气温那样基本保持持续性增加.4 东北地区气候变化的区域性特点在全球增温的大环境下,东北地区气候具有本身独特的变化规律和不同的分布特征.经对比p 三露Eo 露 o赠 p 三芒Eo 露 o赠 p 三露 oAEo露o赠1 期孙风华等:东北地区近百年气候变化及突变检测N0.1SUNFeng-Hua,eta1.TheChangeandTestofClimateinNortheastChina
20、overtheLast100Years105暑.宝耍号岂棚*世:vVWvv一 VVyVV,/VVVV.f八人.入/I. 广/人人,JV._vVy,一,.VY.VV 一_,矩 Annual夏季 Summer秋季 Autumn图 3 东北百年降水的秋季,夏季和年变化Fig.3T_heprecipitationchangeSinautumn(1ower),surnrner(middle),andannual(upper)inNortheastChinaduringthelast100years分析,可更清楚地认清该地区的气候变化特点.4.1 与全球及全国气候变暖规律的对比国内外已有许多专家学者对全球
21、平均气温序列变化趋势做过详尽的分析,得出明确的结论2.东北地区百年气温序列与全球年平均气温序列相比,它们在 2O 世纪 2O 年代和 7O 年代都为气温上升期,世纪初为最冷期,近 2O 年为最暖期.但全球变化在 5O 年代左右没有表现出明显的相对暖期,6O 年代左右也没有表现出相对冷期,而是在升温之后保持一定水平,然后又开始升温.研究表明,包括城市和农村站的全球气温序列百年增温趋势是 0.70?(100a),东北为 1.43?(100a),大约是全球增温率的 2 倍.2O 世纪全球陆地平均降水有微弱的上升趋势_6,而东北区域的降水呈相反分布,略有减少.与近百年全国气温和降水的气候变化比较,东北地区气温变化与全国百年气温变化的冷暖期基本一致,不同的是全国近 2O 年的增温幅度与 4O年代的增温幅度基本持平,而东北地区近 2O 年来
