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发表于 2018-12-10 10:43:48
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1970-2015年秦岭南北气温时空变化及其气候分界意义
李双双1,2,[url=mailto: lss40609010@126.com] [/url], 芦佳玉1,2, 延军平1,2,[url=mailto: yanjp@snnu.edu.cn][/url], 刘宪锋1,2, 孔锋3, 王娟4
摘要
关键词: 气温; 极点对称模态分解; 中国南北过渡带; 秦岭山地;
1 引言1951-2012年全球地表温度升温速率为0.12 ℃/10 a,中国地表升温速率为0.23 ℃/10 a,气候变暖导致中国温度带明显北移[1,2,3,4]。其中,亚热带北界在112°E以东地区变动明显（淮河沿线）,112°E以西地区受到地形的影响（秦岭南北）,并没有发生明显北移[5]。由于秦岭特殊的地理位置和生态意义,许多学者对变暖背景下秦岭南北热量资源、生态适应、极端降水、气温变化、水文特征等做了细致的研究[6,7,8,9,10,11]。在已有研究中,多数学者选择分水岭作为秦岭南北地理要素差异性的分界依据,以秦岭南麓1000 m等高线作为生态—气候分界的研究相对较少[12]。刘胤汉先生主张以“略阳—黑河坝—马道—金水河—宁陕—柴家坪—山阳—竹林关—商南”连线,划分陕西省内北亚热带和暖温带的自然地带分界,既符合秦岭地区自然地域分异,也不会阻断秦岭南坡垂直自然规律[13]。从气候分析角度看,选取秦岭南麓或分水岭作为分界方案,导致秦岭南北相差数十个气象站点,势必会影响区域气候特征的认知[14]。
近年来,全球气候变化和秦岭南北社会经济发展呈现4个新特征：① 全球气温长期变暖毋容置疑[15]。2016年,大气CO2浓度、北极海冰面积、全球气温和海平面高度均突破历史记录,并且2017年将持续或多发热浪、暴雨等极端天气灾害[16];② 全球增暖存在“停滞”现象。随着气候观测资料的延长,更加明确地证实增速减缓的实事,增温停滞机制成为气候变化研究的前沿问题[17];③ 南水北调工程实施。2014年南水北调中线工程正式运行,以长江最大支流汉江中上游的丹江口水库为源,解决唐白河平原和黄淮海平原的水资源问题。秦岭南部生态环境保护问题,势必会提到新的高度;④ 区域经济快速发展。2014年国务院正式批复建立西咸新区,成为第7个国家级新区。随着城市化进程不断加快,大规模的人口聚集和快速经济发展叠加,使得秦岭南北城市带的气候风险日益增加。由于前期秦岭地区气温变化研究时段多集中于1960-2010年。因此,有必要结合最新气候资料,再认识秦岭南北气候变化特征,回答“秦岭南北是否出现变暖停滞”、“秦岭南北气温变化是否维持同步”、“北亚热带北界是否突破秦岭山脉”等科学问题。基于此,利用1970-2015年秦岭南北70个站点气温数据,辅以极点对称模态分解方法、空间统计分析等方法,对秦岭南北气温时空变化特征进行分析,探讨秦岭山地气候分界意义,以期为认识自然生态、农业生产与气候变暖的响应关系提供理论依据。
2 资料来源与方法2.1 资料来源秦岭西起甘肃东南,东至河南伏牛山,是中国南北地理的主要分界线,也是生态脆弱区和气候敏感区[12]。秦岭北坡陡峻,南坡平缓,南北跨越近200 km。本文以秦岭山脉、秦岭南麓1000 m等高线作为分界,将秦岭南北过渡带划分为3个子区域：秦岭以北、秦岭南坡和汉江谷地。其中,秦岭以北包括26个气象站,秦岭南坡有17个气象站,汉江谷地有27个气象站点（图1）。
| | | 图1 秦岭南北研究范围及气象站点分布Fig. 1 Geographic environment and meteorological stations in the south and north of Qinling Mountains |
本文气象数据来源于中国气候数据共享网和陕西省气象局,为了保证数据完整性和连续性,将研究时段确定为1970-2015年。依据陕西省基层台站简史,宝鸡县气象站建立于1972年12月,2003年撤县建区后为陈仓区,宝鸡县气象站名留用,本文宝鸡县数据时段为：1973年10月-2015年12月;城固气象站1957年5月建站,1971年迁址城固县谢家井村南,由于迁站导致资料散失,其数据时段为：1971年1月-2015年12月。同理,湖北十堰和山西永济两个气象站点起始时间分别为：1971年1月和1972年1月。
2.2 研究方法2.2.1 极点对称模态分解方法 集合经验模态分解（EEMD）方法,在目标数据序列中加入白噪音序列,构建“增噪信号”时间序列集合,将其分解为：不同尺度的窄谱波动和长期变化趋势[18]。与传统数据分析方法相比,EEMD从数据自身出发,有良好的自适性,可用于非线性和非平稳的气候要素趋势分析。然而引入白噪音存在副作用,会影响分解信息的物理意义解读。极点对称模态分解方法（ESMD）,是经验模态分解方法（EMD）的最新发展,可解决EEMD分解中的“模态叠加”问题,已被应用于大气科学、海洋科学、信息科学等领域[19]。在此,本文对秦岭南北气温变化序列进行ESMD信息分解,以分析气温序列的长期趋势和年代际特征。
2.2.2 趋势项分量方差贡献率 计算趋势项分量对原气温序列的方差贡献率,可识别长期变暖趋势和多年代际震荡信息在气温变化过程中主导作用。具体方法为：① 计算原始序列Ti均方差,记为S;② 原始序列Ti 减去趋势项Ri,并计算不含气候趋势的温度序列yi均方差,记为S1;③ 趋势项（Ri）对原序列的方差贡献率为：SSr = （S-S1）/S×100%。
2.2.3 基于DEM的1月气温空间插值 秦岭山区地形复杂,气温受垂直地带性影响明显。不考虑海拔因素,会导致秦岭南北气温空间插值的不确定性[20]。参考已有研究[9],利用海拔高度辅助空间插值,提高北亚热带和暖温带空间分析的准确性。具体方法为：① 气候海拔订正。利用秦岭南北气温垂直递减率,将区域站点气温数据订正到海平面高度。其中,秦岭1月份南坡气温垂直递减率为0.432 ℃/100 m,北坡为0.349 ℃/100 m;② 气温空间插值。利用ArcGIS空间插值模块中S-Kriging进行插值,然后将矢量插值结果转为格网数据,栅格分辨率为30 m×30 m;利用DEM数据,分别对秦岭南北气温进行栅格计算,形成4个不同年代气温分布栅格数据;③ 提取0 ℃等温线。对插值结果进行精度检验,提取秦岭南北1月0 ℃等温线;进而以秦岭南坡1000 m等高线为参照,对比不同年代等温线变化特征。
2.2.4 秦岭南北温度带指标 在中国东部季风区,秦岭具有划分暖温带和北亚热带的地理意义[7]。参考郑景云等《中国气候区域新方案》的区划原则[21],采用日平均气温稳定 ≥ 10 ℃的天数（积温日数）作为主要指标,以1月平均气温作为辅助指标,探讨全球变暖背景下,北亚热带北界是否突破秦岭山脉,以及1月份0 ℃等温线时空响应特征（表1）。
 | 表1 秦岭南北温度带指标体系及其标准Tab. 1 Criteria of temperature zones in the north and south of Qinling Mountains |
3 结果分析3.1 秦岭南北气温时间变化特征通过ESMD方法,滤除气温序列年际波动变化后,秦岭南北气温变化具有同步性,呈现出典型的“非线性、非平稳、阶梯状”的增温过程（图2）。具体变化过程可分为三个阶段：① 1970-1993年为第一阶梯,以1984年为转折点,前期波动下降,后期小幅波动上升,整体呈现低位平稳波动;② 1994-2002年为第一阶梯与第二阶梯的过渡时段,气温呈现快速上升;③ 2003-2015年为第二阶梯,气温维持高位波动,且在2005-2012年呈现6年波动下降,增幅速率有所减缓,与全球变暖“停滞”趋势相符合。从长期趋势变化对气温变化贡献率看,ESMD趋势项在秦岭南北气温变化贡献率整体不高,三个分区贡献率分别为：汉江谷地（27.5%）< 秦岭南坡（30.5%）< 秦岭以北（36.5%）,说明秦岭南北气温变化以年际波动为主导,并未呈现明显的线性增暖趋势。
| | | 图2 1970-2015年秦岭南北气温变化特征Fig. 2 Variations of temperature in the north and south of Qinling Mountains during 1970-2015 |
利用11年滑动相关方法,对秦岭南北三个分区气温变化同步性进行分析（图2d）。结果表明：① 秦岭南坡与秦岭以北气温相关系数变化范围为0.91~0.98,与汉江谷地气温相关系数变化范围为0.92~0.99,进一步说明秦岭南北地区气温变化具有同步性,三个分区在宏观趋势上差异性较小;② 秦岭南北三个分区气温相关性具有阶段性。其中,1970-1983年秦岭南坡与秦岭以北相关性高于汉江谷地;1984-2003年整个区域气温变化相关程度发生转折,相关系数呈现上升趋势且在1993年达到峰值,随后波动下降直到2002年跌至谷值,此阶段秦岭南坡与汉江谷地气温变化相关性高于秦岭以北地区;2004-2015年秦岭南北地区气温变化相关呈现增加趋势,秦岭南坡与秦岭以北地区相关性再次高于汉江谷地。可以看出,在快速增温期,秦岭南坡与汉江谷地气温变化更为相似;在低位波动期和增温停滞期则与之相反,秦岭南坡与秦岭以北气温变化更为相似。
3.2 秦岭南北气温空间变化特征1970-2015年秦岭南北气温变化趋势具有明显的空间分异（图3）。主要特征表现为：整个研究区域气温整体呈现上升趋势,秦岭以北增温明显高于秦岭以南;东段以秦岭分水岭为分界,西段以秦岭南麓1000 m等高线为分界,气温趋势变化呈现“同步增温,南北分异”的响应特征;分界线以北地区气温变幅具有一致性,增温速率中值与均值相同,均为0.58 ℃/10 a;分界线以南地区气温增幅具有差异性,秦岭南坡增温速率中值为：0.43 ℃/10 a,均值为0.40 ℃/10 a,汉江谷地增温速率中值为0.36 ℃/10 a,均值为0.32 ℃/10 a,并且增温空间格局呈现出两个低值中心：“西乡—安康盆地交界”低值中心、“商丹盆地”低值中心,两者相对其他区域,气温增速相对较慢。
| | | 图3 1970-2015年秦岭南北气温空间变化趋势Fig. 3 Spatial change of temperature tendency in the north and south of Qinling Mountains during 1970-2015 |
1970-2015年秦岭南北增温空间分异,可能与东亚夏季对流层温度年代转折有关[22]。20世纪90年代初,东亚夏季对流层南北向温差发生年代际减弱,表现为1992年之后中国35°N以南地区对流层温度年代际变冷,中心位置位于长江流域;35°N以北地区对流层温度年代际变暖,中心位于中国西北—蒙古地区。关中地区位于35°N过渡区,陕南地区位于35°N以南地区。东亚夏季对流层平均温度年代际转折,对陕南地区快速增温具有削弱作用,对关中地区快速增温则具有放大作用。
3.3 秦岭山地气候分界线意义3.3.1 秦岭南北1月0 ℃等温线变化 秦岭南北近期1月份0 ℃等温线空间变化呈现出明显的南北响应差异（图4）。主要特征表现如下：
| | | 图4 秦岭1月份> 0 ℃区域空间变化特征Fig. 4 Spatial change of January average temperature above 0 ℃ in the north and south of Qinling Mountains |
① 20世纪70年代,1月份0 ℃等温线位于秦岭南麓。以分水岭为界,秦岭以南低于0 ℃区域面积比重为47.0%,秦岭以北低于0 ℃区域面积比重为100%。
② 20世纪80年代,1月份0 ℃等温线较70年代出现北移,但是北移幅度不明显。秦岭以南低于0 ℃区域面积比重下降为45.7%,秦岭以北地区则减少到97.3%,“周至—户县”一带出现0 ℃等温线的“飞地”。
③ 20世纪90年代,1月份0 ℃等温线位置持续北偏,秦岭以北和秦岭以南低于0 ℃区域面积所占比重分别为94.0%和43.5%,“周至—户县”一带0 ℃等温线范围不断扩大。
④ 2001-2015年,秦岭以北低于0 ℃区域面积比重减少至84.3%,并且西安地区0 ℃等温线范围不断扩大,且与宝鸡地区相连形成一个更大的“飞地”。与此同时,秦岭以南地区低于0 ℃区域比重也持续下降为40.1%。
依据气温海拔递减规律,以秦岭南麓1000 m等高线位置为参照,对比20世纪70年代和2001-2015年秦岭南坡1月份0 ℃等温线位置变化（图略）。结果表明,① 20世纪70年代和2001-2015年秦岭南坡1月份0 ℃等温线位置相对一致,均分布于秦岭南麓1000 m等高线附近,佐证了康慕谊等依据植物垂直带谱,判断秦岭南坡大部分应属于暖温带,北亚热带北界位于秦岭南麓海拔1000 m附近的结论[12];② 以107°E和109°E两条经线,将秦岭南坡1月0 ℃等温线划分为东、中、西三段,对比等温线位置相对变化。20世纪70年代,秦岭南坡1月0 ℃等温线东段位置在秦岭南坡1000 m之下,西段和中段则略低于1000 m等高线,其规律与1970-1993年秦岭南北气温维持低位波动规律相符,也符合刘胤汉先生实地考察“北亚热带北界位于秦岭南坡”的结论;2001-2015年,秦岭南北气温增温有所减缓,但是整体维持高位波动。秦岭南坡1月0 ℃等温线西段和中段位置超过1000 m等高线,东段位置逐渐接近1000 m等高线。
由于空间插值存在不确定性,以站点尺度为视角,再次确认秦岭南北地区1月温度变化规律的可信性（图5）。结果表明：① 秦岭以北地区1月份气温整体位于0 ℃以下,秦岭南坡属于过渡地带,并存在明显的年代转折,汉江谷地1月份气温整体位于0 ℃以上;② 在年代变化上,1993-2002年秦岭南北1月份气温呈现明显的上升趋势,2003-2015年气温呈现出波动下降趋势,年代性转折在秦岭南坡1月份气温变化曲线体现的尤为突出;③ 在空间变化上,对比1970-1998年和1999-2015年秦岭南北各站点1月气温变化,以“秦岭以北—秦岭南坡—汉江谷地”顺序排列站点。可以清楚看到,相比于1970-1998年,1999-2015年秦岭南北1月气温明显上升。1998年之前,秦岭以北多数站点,包括秦岭南坡的洛南、卢氏、成县、康县、徽县、两当和凤县等7个站点,1月气温低于0 ℃以下;1998年之后,秦岭南坡的徽县、两当、凤县,包括秦岭以北的西安、宝鸡地区,1月气温明显超过0 ℃,其他区域1月份气温仍处于0 ℃以下。
| | | 图5 1970-2015年秦岭南北1月气温变化特征Fig. 5 Changes of January temperature in the north and south of Qinling Mountains during 1970-2015 |
| | | 图6 1970-2015年秦岭南北≥ 10 ℃积温天数变化特征Fig. 6 Changes of the cumulative departure of the number of days above 10 ℃ in the north and south of Qinling Mountains during 1970-2015 |
可以看出,全球变暖背景下,秦岭南北地区1月份0 ℃等温线呈现不同的响应规律。秦岭南坡1月份0 ℃等温线沿山地上升,秦岭以北1月份0 ℃等温线将出现“飞地式”的延展,形成汉江谷地冷月气温逐渐升高;处于过渡带性质的秦岭南坡则由“偏冷”格局转为21世纪初的“偏暖”主导;秦岭以北虽有部分城市,部分年份冷月气温突破0 ℃,但是冷月气温整体偏低的格局并未改变。从冷月气温角度看,秦岭气候分界意义依然明显。
3.3.2 秦岭南北≥ 10 ℃积温日数变化 日平均气温≥ 10 ℃的日数是划分温度带的主导指标,不但可以反映气候水平地带性,也可有效表现气候的垂直地带性[21]。在此,绘制秦岭南北各站点1970-2015年日平均气温≥ 10 ℃积温日数热图,图中绿色表示积温天数 ≤ 220 d,指示暖温带变化特征;白色表示积温天数范围在220~240 d,指示北亚热带变化特征;红色表示积温天数>240 d,指示亚热带变化特征。由于气候是一种平均态的反映,结合秦岭南北≥ 10 ℃积温天数年代变化规律,对比1970-1984年、1985-1997年、1998-2015年三个时期各站点积温趋势变化特征（图6）。
结果表明：① 1970-1997年,秦岭以北和秦岭南坡≥ 10 ℃积温天数多在220 d以下,汉江谷地西北部积温天数在220~240 d之间,汉江谷地东南积温天数则在240 d之上,说明秦岭以北和秦岭南坡处于暖温带,汉江谷地大分部区域为北亚热带,这与秦岭南坡作为北亚热带北界结论具有一致性;② 对比1970-1984年和1985-1997年两个时期,发现秦岭南北积温天数变化并不明显,说明秦岭南坡作为北亚热带北界的作用,稳定且持续到20世纪90年代末;③ 1998-2015年,秦岭南北3个区域≥ 10 ℃积温天数均发生明显的变化。其中,秦岭以北积温天数在220 d以上,但是低于240 d;秦岭南坡积温天数也超过220 d,并且这些站点主要分布于秦岭南坡的中段;对于汉江谷地而言,积温天数则整体超过240 d,已纳入亚热带范围。
郑景云等对比1970-2000年和1981-2010年中国东部温度带变化,发现亚热带北界中段已经从洞庭湖平原北移至汉江平原的南部[21]。通过本文分析发现,近年来亚热带北界中段仍在北移,汉江谷地已包含在亚热带范围之内;结合秦岭南北地区1月份0 ℃等温线响应规律,以≥ 10 ℃积温天数作为判断标准,近期秦岭南坡作为北亚热带北界作用逐渐减弱,但是并未完全消失;由于秦岭山地阻断效应,秦岭以北地区以“跨越式”进入北亚热带范围;以1月份0 ℃等温线作为判断标准,北亚热北界在秦岭南坡高度逐渐抬升,并维持在1000 m等高线附近,其分界作用依然明显。秦岭以北除城市地区气温相对较高外,大部分区域1月份气温仍维持在0 ℃以下,说明仍处于暖温带的范围。
4 结论与讨论4.1 结论基于秦岭南北70个气象站点气温数据,利用ESMD方法、空间分析法等统计分析方法,对1970-2015年秦岭南北气温时空变化特征进行分析,探讨全球变暖背景下秦岭山地的气候分界意义。得到结论如下：
（1）在年代变化上,1970-2015年秦岭南北气温变化趋势具有同步性,共同呈现出“非平稳、非线性、阶梯状”的增暖过程,年代变化可分为3个阶段：1970-1993年为平稳波动期,1994-2002年为快速上升期,2003-2015年为增速减缓期。ESMD信息分解结果表明,秦岭南北气温变化以年际波动为主导,并未呈现出明显的线性增暖趋势。
（2）在空间变化上,秦岭南北气温变化趋势呈现“同步增温,南北分异”。东段以分水岭为分界,西段以秦岭南麓1000 m等高线为分界,界线以北气温空间变化具有一致性,界线以南地区则呈现两个增温低值中心,即“西乡—安康盆地交界”低值中心、“商丹盆地”低值中心。秦岭南北增温“北强南弱”的空间分异,可能与20世纪90年代初东亚夏季对流层温度、中部型ENSO事件活跃、青藏高原冬季积雪年代转折有密切的关系。
（3）在分界变化上,20世纪70年代,北亚热带北界维持在秦岭南麓1000 m附近,与前期研究“秦岭南北分界线应在秦岭南麓1000 m附近”的结论一致;同时,在气候变暖背景下,秦岭山地作为气候分界线的作用依然明显,但是南北响应方式存在差异。其中,秦岭以南,北亚热带北界沿山地“垂直上升”,汉江谷地热量资源增加明显;秦岭以北,尽管以城市带为中心,增温区域呈现“飞地式”延展,但是冷月气温偏低的格局并未改变。
4.2 讨论关于秦岭南北气温时空变化的驱动机制,以及深入认识中国南北过渡带自然地理系统对全球变化动态响应,未来还有许多工作需要探索。
（1）在自然因素影响方面,全球气温变化驱动因素主要有4个方面,即人类活动、太阳辐射、大气溶胶及ENSO[23]。相关研究表明：20世纪90年代初,ENSO周期发生年代际转折,逐渐由1979-1992年5~6年周期占主导,转变为1993-2004年的2~3年周期占主导[22]。受全球环流影响,1992年后ENSO衰减年发生在夏季频次逐渐减少,ENSO发展年对气温变化影响增加,可能是20世纪90年代初秦岭南北气温变化年代际转折的原因之一。
与此同时,20世纪90年代初,青藏高原冬季积雪也发生明显的年代际转变,与中部型ENSO存在显著的负相关[24]。当青藏高原冬季积雪偏多时,中部型ENSO多为冷相位;反之,冬季积雪为偏少时,中部型ENSO多为暖相位。1993-2012年,青藏高原冬季积雪异常偏多年为1998年、1999年、2000年、2002年和2008年,异常偏少年为1994年、2001年、2006年、2009年和2012年[24]。对比青藏高原积雪异常年,秦岭南北呈次年气温响应特征。结果表明：当青藏高原冬季积雪偏少时,无论秦岭以北、秦岭南坡,还是汉江谷地,次年气温明显偏高（表2）。也就是说,青藏高原冬季积雪年代际跃变,导致春夏季热源异常,加之与ENSO事件配合,引起区域环流变化,可能也是20世纪90年代初秦岭南北气温变化年代际转折的原因之一。因此,在未来研究中,需要结合ENSO和青藏高原积雪变化,深入分析两者对秦岭南北气温时空变化的影响机制。
| 表2 1993-2015年青藏高原积雪异常与秦岭南北次年气温响应关系Tab. 2 The relationship between Tibetan Plateau winter snow cover and next year temperature in the north and south of Qinling Mountains during 1993-2015 |
（2）在人类活动影响方面,城市热岛效应是城市气候的一个显著特征,会直接或间接地对区域小气候造成影响[25]。通过秦岭南北1月份0 ℃等温线空间格局分析发现,20世纪80年代秦岭以北出现以城市为中心呈现增温“飞地”,证明了城市化在小尺度上对气候变化的作用。但是本文并未探讨城市化对秦岭南北气候变化影响,在今后研究中应该更加重视气候变化与人类活动相互作用,关注城市热岛效应对极端高温事件的放大作用。
（3）秦岭南北分界线问题,需要结合植被生态、气候水文和山地遥感观测,进行持续跟进研究。全球变暖背景下,秦岭南坡1月份0 ℃等温线沿山地上升,秦岭以北等温线出现“飞地式”变化,这与白红英等考虑地形因素,得出1959-2009年秦岭地区1月份0 ℃等温线平均上升高度为143.7 m结论一致[9]。由于前期研究资料限制,秦岭南北长期变暖,短期增温“停滞”现象并不突出。随着观测资料时间延长,2005-2012年秦岭南北地区气温呈现连续6年波动下降,2013-2015年气温有所回升,但是幅度不大。也就是说,2000年起秦岭南北地区增温停滞维持16年,北亚热带北界附近地区,生态、水文特征对气候变化如何响应,未来变化趋势又是怎样?需要收集最新的气候、土壤、植被、水文调查数据,给出定性和定量评价。
The authors have declared that no competing interests exist.
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发表于 2018-11-27 08:31:54
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