1951—2020 年貴州均一化氣溫序列構建及初步分析

吳興洋，陳怡璇，支亞京，廖留峰，郭 茜

（1.貴州省氣象信息中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省生態遙感中心，貴州 貴陽 550002）

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第六次氣候評估報告指出，2010—2019 年全球平均表面氣溫相對于1850—1900 年，升高了0.9～1.2 ℃，估計為1.1 ℃。自IPCC 第一次氣候評估報告發布后，國內外關于全球及區域溫度變化事實的研究從未停止。Rowntree[1]1998 年對全球平均氣候強迫與溫度響應研究表明，1750 年來大部分時期，地球氣候處于增暖狀態；沈偉峰等[2]對中亞地區1880—2011年氣溫變化分析得出，其溫度變化趨勢率為0.073 ℃/10 a；丁一匯等[3]2007 年在總結國家“十五”重點科技攻關課題“全球與中國氣候變化的檢測和預測”中指出，1905—2011 年中國增暖的幅度為0.5～0.8 ℃；唐國利等[4]2009 年綜合分析了當時取得的多條中國近百年溫度曲線，結果顯示1906—2005 年中國的年平均氣溫上升了（0.78 ±0.27）℃；嚴中偉等[5]基于均一化的氣溫觀測序列集對近百年中國氣候變暖趨勢進行了再評估，結果發現，1900 年以來中國氣溫升溫速率為0.13～0.17 ℃/10 a。

王遵婭等[6]、任國玉等[7]2004—2005 年用我國國家基準基本氣象站1951—2001 年氣溫資料分析得出，我國西南1951 年至20 世紀70 年代后期，氣溫下降，之后緩慢升溫，90 年代以后大幅升溫，云貴高原北部年平均氣溫呈不顯著下降趨勢。張宇發[8]1998 年應用貴州46 個國家氣象站資料，分析得出1951—1997 年貴州氣溫變化平緩。吉廷艷等[9]、嚴小冬等[10]、馬士彬等[11]、朱大運等[12]應用貴州國家基本、基準氣象站原始觀測資料分析了貴州2016 年以前不同階段50 a 氣溫變化特征。這些研究選取站點少，氣溫序列未包括近10 年全球氣候變暖加劇以來時段，氣溫觀測儀器更換導致氣溫觀測數據的系統性差異未訂正，馬和朱對臺站遷移引起氣溫序列的非均一性未處理，其研究成果沒能完全反映建國至今貴州氣溫隨氣候變化的情況。有關溫度序列非均一性對氣候變化影響的相關研究參見王秋香等[13]、嚴中偉等[14-15]、左璇等[16]相關研究成果。

建國以來，我國地面氣象觀測時次[17]經歷多次變化，氣溫觀測儀器由水銀溫度表到鉑電阻溫度傳感器，觀測方法由人工到自動，不同時期的日、月、年氣溫是根據不同觀測時次氣溫觀測值統計，這些數據是否兼容于同一序列？用其進行氣候變化分析會帶來多大誤差？劉小寧等[18]曾指出“使用我國平均氣溫資料進行氣候分析要充分重視國家氣候站02 時氣溫賦值（用前一日20 時觀測值和當日最低氣溫或08 時氣溫觀測值計算的平均值）帶來的誤差”。李亞麗[20]2012 年對陜西19 個國家基準基本站1961—2011 年02 時賦值與觀測值進行對比分析發現，兩者差異達到0.77 ℃。貴州現有84 個氣象站，建站初期有68 個氣候站，1951—2020 年有74 站發生過遷址，這些臺站的氣溫序列多數存在非均一性。因此，如何構建貴州區域1951—2020 年具有代表性的氣溫序列是分析區域氣溫變化的關鍵。為盡量減少氣溫序列非均一性帶來誤差，本研究在區域內選取空間分布均勻，1951—2020 年的歷史沿革[20-21]和氣溫資料完整，僅在1960 年以前或2000年后遷站一次的44 站，構建區域年平均氣溫序列。用現代氣候診斷技術分析氣溫變化傾向率、升降趨勢轉折時間、穩定性和突變時間，討論區域內氣溫變化空間差異及原因，為貴州生態環境建設、實現可持續發展和應對氣候變化提供科學依據，為國家氣候變化評估提供貴州區域氣溫變化的精細化成果。

1 資料與方法

資料源于1951—2020 年貴州國家地面氣象觀測站經嚴格質量控制的小時氣溫資料。1951—1953、1954—1960、1961—2020 年分別是00、06、12、18時；01、07、13、19 時；02、08、14、20 時4 次正點觀測值。氣溫觀測從人工到自動，儀器換型誤差用對比觀測評估誤差進行修正[22-23]。氣候站人工觀測期間02時氣溫賦值用本站10 a 自動觀測值與對應賦值平均誤差訂正。臺站位置變動前后引起的氣溫非均一性[24]，用對比觀測差值[25]或參考站[26]進行均一化訂正，方案如下：

（1）有對比觀測的11 個站，遷移后T原址=T新+△t，△t 為新舊站址氣溫對比觀測差值。

（2）無對比觀測的5 個站，在訂正站0～200 km范圍內，站址未變動過的站中選取年氣溫及逐年氣溫差值相關系數均最高且達到0.95 以上的站作為參考站，定義Td、Tc分別是訂正站、參考站年平均氣溫，第K 年訂正站站址遷移，計算（K-30）年到（K-1）年訂正站與參考站逐年差值比系數平均值C，則：Tdk=Td(k-1)+C×（Tck-Tc(k-1)），后面序列依次遞推。該方法比選用多個參考站[27-28]線性回歸訂正，少了計算量和多站噪音影響。

用線性趨勢法分析序列氣溫傾向率，逐累年平均值判斷氣溫升降趨勢轉折時間，用T 檢驗分析氣溫變化的穩定性，用Yamamoto 法、Mann-kendall 法檢測氣溫變化的突變時間，計算公式見文獻[29-30]相關內容。

2 資料預處理

2.1 不同觀測時次統計年氣溫的相關性、準確性和代表性

我國氣象站氣溫觀測在時間上是正點觀測，1951—1953 年是始于00 時，間隔3 h 觀測一次，日觀測8 次，部分站是逐小時正點觀測，1954—1960年是始于01 時，間隔6 h 正點觀測，日觀測4 次，1961 年至自動觀測啟用期間是02、08、14、20 時4次觀測，氣候站02 時不觀測。1987 年[31]后，國家基準站采用逐時觀測，自動觀測采用逐分、逐時觀測[32]。因此，必須對上述不同觀測時次統計的年氣溫與逐時次觀測統計的年氣溫進行差異性、相關性分析，以確定序列作為氣候變化分析的代表性和準確性。表1 是貴州5 個國家基準站人工與自動觀測3種觀測4 時次與24 時次觀測統計的年氣溫差值，差值為-0.1～0.1 ℃，相關系數0.999 以上，說明三種觀測時次統計的年平均氣溫序列兼容也具代表性。

表1 氣溫4 時次與逐時次觀測統計年氣溫的差異和相關系數

2.2 1951—1953 年和1961 年后氣候站人工觀測02 時氣溫賦值訂正

本序列中1951—1953 年，年平均氣溫用00、06、12、18 時4 次氣溫觀測數據平均值代替常用的06、14、21 時3 次觀測數據平均值，3 次觀測比4 次觀測統計的年氣溫偏低0.3～0.5 ℃。根據國家基準、基本站人工與自動觀測02 時賦值和觀測值統計結果，兩種觀測系統差值一致，因此參與序列構建的28 個氣候站，1961 年后人工觀測期間02 時賦值，用本站自動觀測系統02 時賦值與觀測值差值10 a 平均值訂正。經統計28 站02 時賦值比觀測值平均偏高0.52 ℃，對應統計的年氣溫偏高0.13 ℃。

2.3 站址遷移、人工觀測02 時氣溫賦值、儀器換型對氣溫序列的影響

由于觀測技術進步、臺站遷移、儀器換型、計算方法[33]等原因，構建一個氣象要素完全均一化長序列資料是很困難的，以貴陽國家基準站和道真氣候站為例分析氣象站站址遷移和02 時氣溫賦值及儀器換型對氣溫長序列的影響。貴陽站2000 年遷站，遷移距離2 500 m，前后海拔高差為-153 m，遷站引起氣溫序列非均一，2000 年序列出現斷點。圖1a 為均一化處理前后氣溫的變化情況，1951—2020 年，原序列氣溫傾向率為-0.08 ℃/10 a，均一化處理后，序列氣溫傾向率為0.19 ℃/10 a。道真氣候站建站至2020 年未遷站，氣溫序列均一，1961—2004 年人工觀測期間，日月年氣溫統計中02 時氣溫是賦值，2005 年后氣溫觀測儀器由人工改為自動。圖1b 為道真站1961—2020 年02 時氣溫賦值訂正和人工到自動觀測儀器換型誤差修正前后的年平均氣溫變化情況，訂正前后氣溫傾向率相差-0.02 ℃/10 a，02 時氣溫賦值減緩了升溫速率，自動觀測升溫出現加快現象。

圖1 均一化訂正前后貴陽（a）和道真（b）的年平均氣溫序列變化

3 結果與分析

3.1 貴州1951—2020 年氣溫變化趨勢

圖2 是貴州1951—2020 年氣溫4 次觀測值訂正和均一化處理前后年平均氣溫序列變化。訂正處理前后氣溫傾向率差值為-0.1 ℃/10 a。1951—1953年3 次觀測統計氣溫加快了升溫速率，1961 年后02時氣溫賦值減小了升溫速率，2000 年后，站址遷移后的原氣溫序列明顯減小了升溫速率。

圖2 1951—2020 年貴州年平均氣溫均一化處理前后變化

3.2 貴州1951—2020 年氣溫升降趨勢變化時間

1951 年以來貴州區域氣溫升降趨勢變化的準確時間未見定論，本研究用完全均一化氣溫序列的累年平均氣溫判定，不難理解累年平均氣溫最高、最低值對應氣溫升降變化轉折年。圖3a 為貴州區域逐累年平均氣溫變化，1951—1986 年累年平均氣溫波動減小，1986 年最低為14.98 ℃，1987—2020 年，累年平均氣溫逐漸增大。圖3b 為1951—1986 年和1986—2020 年氣溫變化，1987 年后氣溫基本上位于前期氣溫下降趨勢線之上。說明貴州區域氣溫1987年由降轉升，回答了李慶祥[33]關于“西南地區氣溫轉折變化年份不確定，在1986—1987 年或1996—1997 年左右”，貴州區域的氣溫轉折變化時間問題。圖3a 反映出1987—1996 年氣溫低位震蕩，1997 年起，升溫趨勢明顯，21 世紀以來，升溫加速，近10 年和近6 年平均氣溫分別為15.8、16.1 ℃，是70 a 間年代和階段性最高值。

圖3 1951—2020 年貴州年平均氣溫升降趨勢變化

3.3 貴州區域1951—2020 年氣溫變化穩定性與升溫突變時間

1951—2020 年，貴州年平均氣溫高、低差值為1.9 ℃，T 統計檢驗結果顯示，1984、2015、2016 年氣溫在70 a 中與其他年份氣溫有顯著差異，1976年差異較顯著，1952、1976、1984 年氣溫在對應的30 a 氣候周期中，與其他年份氣溫存在顯著差異。Yamamoto 和M-K 統計檢驗結果均顯示貴州區域氣溫升溫在2012 年后發生突變（圖4a、4b），圖3b 中2013 年后氣溫皆位于升溫趨勢線之上也可以佐證這一結果。該結論與IPCC 第六次評估報告[34]的結果“自2012 年以來，GSAT 急劇升溫”一致。圖4b 顯示2015 年后，UF 曲線超過界限值，貴州氣溫出現了顯著的變暖趨勢，與全球“2016—2020 年是自1850 年有器測記錄以來最熱的5 a”一致。

圖4 1951—2020 年貴州年平均氣溫變化突變時間統計檢驗

4 討論

一個地區地理區位、環境和影響氣候的人為、自然驅動力等因素不同，其氣候變化程度對全球氣候變化的適應性會有差異，了解差異原因可以幫助人們改造環境，增強氣候變化的適應性。貴州地處青藏高原東南部，位于副熱帶東亞季風區，地勢西高東低，自中部向北、東、南三面傾斜，以喀斯特地貌為主，天氣氣候變化具有特殊性。張宇發[8]、吉廷艷等[9]、嚴小冬等[10]對貴州1951 年至21 世紀初的研究結果表明該時期貴州氣溫變化平緩，與全國及全球氣溫變化不同步，沒有發生突變。馬士彬等[11]、朱大運等[12]分別應用相同的19 個氣象站1959—2009、1960—2016 年的氣溫資料分析得出50 多年間貴州氣溫變化先降后升，突變發生在2001 年左右。在氣溫升降時間及變化傾向率空間分布方面，兩組結論存在較大差異。馬士彬等[11]認為貴州氣溫從20 世紀80 年代末期開始上升，1997 年是氣溫變化的轉折點，中部氣溫變化傾向率大于東部和西部。朱大運等[12]認為貴州氣溫20 世紀60—80 年代氣溫相對穩定，90年代以后開始上升，升溫與降溫區域交替共存，升溫最強烈的區域分別是黔西南和畢節，降溫范圍以黔中貴陽和黔西、盤縣為中心向外圍延展，西部升溫速率高，東部升溫速率低，57 a 氣溫變化傾向率為0.13 ℃/10 a。

本研究在貴州區域選取44 個空間分布均勻的國家氣象觀測站，對質控的1951—2020 年原始氣溫觀測小時資料，經過多層次訂正及均一化處理后，構建了貴州區域均一化的年平均氣溫序列。線性趨勢法分析結果表明，近70 年貴州區域氣溫為升溫趨勢，44 站近60 年、70 年氣溫變化傾向率平均值分別為0.17、0.13 ℃/10 a，略高于全球升溫速率（1.1 ℃/100 a），顯著低于中國區域氣溫升溫速率（0.26 ℃/10 a）[35-36]，這與貴州所處地理區位、生態環境較好、工業起步晚和欠發達有關。近60、70 年氣溫變化傾向率分別介于0.09～0.26、0.06～0.19 ℃/10 a。貴州氣溫傾向率總體上是中西部大于東部，北部大于南部，該結果與區域生態環境、地理區位具有較好的一致性，貴州東部生態環境好于西部，成片森林資源具有碳匯功能，對氣候變暖的適應性好于以石漠化為主的西部，從近年來貴州石漠化區域演變也得到驗證[37]。隨著城市規模擴大，增溫效應增加，縣城到市州行政中心遵義、銅仁等、貴陽的氣溫變化傾向率逐級增大，平均值為0.3～0.8 ℃/100 a。處于南部的縣級氣象站望謨、羅甸的氣溫變化傾向率差異很大，望謨為0.26 ℃/10 a，羅甸為0.09 ℃/10 a。圖5是羅甸、望謨1960—2020 年相對濕度變化，羅甸相對濕度是微增趨勢，望謨相對濕度呈現明顯減小趨勢，兩站水汽的反向變化可能是氣溫變化差異的主要原因。大氣中水汽的多少和相變對大氣溫度有重要調節作用[38]，大氣中水汽增加會吸收較多的太陽輻射，減少到達近地面太陽輻射，降低地表氣溫。該序列逐累年平均氣溫揭示了1951—2020 年貴州區域氣溫升降趨勢轉折變化的準確時間。在貴州區域升溫突變時間上，兩種統計檢驗得到了相同的結果。

圖5 1960—2020 年羅甸、望謨年平均相對濕度變化

本研究與前人研究成果的差異主要來源于氣溫資料的多層次訂正，非均一性氣溫資料的均一化處理，序列延長及區域分析站點的增加也是導致差異的原因之一。

通過1951—2020 年貴州區域年平均最低氣溫、最高氣溫及兩者差值變化可知，最低氣溫升溫明顯，1971 年起震蕩上升，最高氣溫無明顯的變化趨勢，最低氣溫與最高氣溫差值變化傾向率為0.13 ℃/10 a，與貴州氣溫變化傾向率相當，說明近70 年貴州區域升溫基本上是最低氣溫升高所致，與居麗麗等[40]對“1961—2015 年華東地區極端氣溫變化研究結果華東區域平均最低氣溫極小值的線性趨勢顯著增加，最高氣溫極大值的變化趨勢不顯著”結論一致。

5 結論

基于貴州區域44 個國家氣象站質控的小時氣溫資料，對儀器換型、3 次觀測值和02 時賦值訂正及站址遷移氣溫均一化處理后，構建其1951—2020年平均氣溫序列，得到如下結論：

（1）1951—2020 年貴州區域氣溫總體為升溫趨勢，近60、70 年貴州氣溫變化傾向率分別為0.17、0.13 ℃/10 a。1951—2020 年中1984、2015、2016 年氣溫與其他年份存在顯著差異，1976 年差異較顯著。

（2）1951—1986 年貴州區域處于降溫時期，1987 年開始升溫，1987—1997 年貴州氣溫低位震蕩上升，1997 年后，呈現明顯升溫趨勢，21 世紀以后，升溫加速，2012 年貴州升溫發生突變。這與IPCC 第六次評估報告“自2012 年以來，GSAT 急劇升溫”一致，說明近10 年來貴州與全球氣溫變化同步。

（3）貴州區域1951—2020 年年平均最高、氣溫呈微弱的升溫趨勢，最低氣溫升溫趨勢顯著，貴州區域年平均最低、最高氣溫差值變化速率與氣溫升溫速率相當，說明貴州區域升溫基本上是最低氣溫升高所致。根據最低氣溫絕大多數出現時間是在深夜至凌晨，少了太陽輻射驅動力、人為驅動是氣溫升溫的主要動力之一。

（4）貴州氣溫變化傾向率自東向西逐漸增大，自北向南逐漸減小。地理區位、生態環境、城市人口和大氣中水汽含量等都會影響區域氣候。貴州區域石漠化分布與氣溫升溫速率呈現出較好的對應關系，石漠化地區升溫快于非石漠化地區，因此，可以通過改善區域生態環境來增強區域對氣候變化的適應性。

21 世紀以來貴州區域氣溫與全球氣溫處于同步加速變暖趨勢之中，人類活動已經成為影響氣候變化的重要因素之一。由于地球氣候系統及區域氣候受多因子影響，文中一些結論尚需未來較長時間的觀測數據進一步驗證。