近50年中国气温日较差的变化趋势分析_陈铁喜

文章编号:1000-0534(2007)01-0150-08

收稿日期:2005-10-25;改回日期:2006-07-03

基金项目:国家自然科学基金项目(40475035);国家重点基础研究发展计划项目(2006CB400500)共同资助 作者简介:陈铁喜(1983—),男,黑龙江人,主要从事气候变化研究.E -mail :xchen @https://www.360docs.net/doc/fd13148500.html,

近50年中国气温日较差的变化趋势分析

陈铁喜,　陈

星

(南京大学大气科学系,江苏南京

210093)

摘　要:利用近50年的气温观测资料,对中国地区的气温日较差的空间分布和时间序列变化特征进行了分析。同时分析了与日最高气温、最低气温以及平均气温时空分布之间的关系。结果发现,近50年来气温日较差呈下降趋势,其平均减小幅度为高纬度地区大于低纬度地区;不同地区及同一地区的DT R 季节变化特征也不相同,我国北方多为冬季DT R 下降最大,其次是春季和秋季,夏季最小。在黄淮和长江流域,以夏季和春季D T R 下降最为显著。华南地区仍以冬季下降最大。气温日较差整体呈现下降趋势,中高纬度下降比低纬度明显。在相同纬度带上,由于地理状况的不同,变化趋势有所不同。同时,气温日较差的变化有明显的区域和季节性差异,特别在西部的青藏高原和新疆地区的D T R 变化与东部地区的差异明显。

关键词:中国;气温日较差;全球气候变暖;青藏高原中图分类号:P423

文献标识码:A

1　引言

随着全球气候变暖,气温日较差(Diurnal Temperature Range ,简称DTR )变化的研究已受到广泛的重视。与平均温度的变化不同的是,DTR 可以反映全球和区域性的温度变化幅度特征,有着重要的生态学意义,对于人类生存环境的变化、气

候异常的影响和可持续发展研究具有特殊的参考价值。自20世纪90年代以来,国际上对全球气候变暖背景下的DT R 变化及其原因开始了研究,试图通过DT R 的基本变化事实和气候模式的模拟试验结果来认识其变化特征和机制,以及对全球环境可能带来的影响。因此,科学家们已经将DT R 作为表征气候变化的一个新的重要指标[1～3]。中国西北及青藏高原地区的温度变化特征已有较多的深入研究,并指出了温度变化的可能影响机制

[4～10]

,也涉及到区域最高最低温度的变化和分布特征

[11]

,但

和国外研究相比,中国的DTR 研究工作尚待深入。中国东部季风气候区、西北气候干旱和半干旱区及西南部青藏高原的不同气候背景,形成了中国区域气候特征及对全球气候变暖区域响应的复杂性和特殊性,研究DTR 的变化具有重要意义。本文利用

过去50年中国地区地面观测资料,对DTR 变化的总体特征、区域差异和季节变化做了分析比较,给出了全球气候变暖背景下中国区域DT R 的响应趋势。

2资料和方法

本文所用地面气候资料为中国气象局国家气候

中心编制的31个省市资料,除青藏高原、新疆地区外,其它地区选择1952—2001年50年实测资料,青藏高原地区选取1956—2001年46年实测资料,新疆地区选取1957—2001年45年实测资料。年平均DT R 的值为年平均最高温度减去年平均最低温度,季节平均DTR 的计算方法类似。为了比较中国地区DTR 的区域差异,本文按以下六个特征区计算分析DTR :东部季风区、新疆地区、青藏高原区、四川盆地、云贵高原地区和河套地区。其中东部季风地区按纬度带进行DT R 的计算,以分析其纬度变化特征。

3DT R 的区域特征

3.1　东部季风区

中国东部地区主要受东亚季风控制,以湿润和

第26卷　第1期

2007年2月

高　原　气　象

PLATEA U M ETEORO LOG Y

V ol.26　N o.1

February ,2007

半湿润气候为主要特征。该区域共选取76个测站

的1951—2001年实测资料。这些测站覆盖了黑龙江、吉林、辽宁、北京、天津、河北、河南、山东、江苏、湖北、湖南、江苏、上海、安徽、江西、浙江、福建、广东、广西等省区。该区域为从南至北向东倾斜,包括了100°E 以东地区的季风气候区。全球气候变暖的观测事实和模拟结果均显示全球的平均温度在升高,但变暖的区域性十分明显,特别是纬度差异较大。因此,本文在研究DTR 的变化时,将东部区域按5°纬度间隔划分成6个纬度带,从北到南分别是纬度带A (45°～50°N )、B (40°～45°N )、C (35°～40°N )、D (30°～35°N )、E (25°～30°N )和F (20°～25°N ),然后计算各纬度带的平均DT R ,分别分析其变化趋势和幅度。

图1是各纬度带年平均DTR 和冬季DTR 的变化趋势图。从图中可以看出,纬度带A (图1a )(该纬度带包括了东北北部地区)DT R 的年际变化有明显下降趋势,其变率为-0.29℃/10a ,在所有纬度带中是最大的。各季节DT R 都明显下降,其中以冬季下降最为明显,为-0.41℃/10a 。纬度带B (图1b )的DT R 年际变化仍呈-0.19℃/10a 的下降趋势,除夏季变化不明显外,其他季节都显著下降,以冬季下降速率最大,为-0.33℃/10a 。纬度带C (图1c )以华北地区为主,DTR 年际变化下降趋势为-0.20℃/10a 。各季节DTR 也明显下降,春季最为明显,变率为-0.25℃/10a 。但年平均日最高气温并无明显变化,各季节中只有冬季有明显的上升,为0.23℃/10a 。而日最低气温在年平均和

各个季节中都有明显的上升,冬季为0.50℃/10a 。纬度带D (图1d )位于淮河流域,该区域DT R 年际变化虽呈下降趋势,但变率减小为-0.16℃/10a ;各季节DTR 略有下降,但只有夏季下降明显,为-0.21℃/10a 。通过分析夏季其他要素变化发现,日最高气温有明显的下降,为-0.17℃/10a ,达到95%信度。而日最低气温略有上升,为0.03℃/10a ,不具显著性,因而造成了DT R 在夏季的明显下降,这与其他地区有明显的不同。纬度带E (图1e )为长江以南地区,DT R 年际变化呈下降趋势,为-0.14℃/10a ;各季节DTR 略有下降,以夏季最为明显,达-0.17℃/10a 。该区域与纬度带D 类似,日最高气温有明显的下降。纬度带F (图1f )包括了整个华南地区,DTR 年际变化的下降趋势最小,为-0.12℃±/10a ,各季节中冬季DT R 下降最快,为-0.14℃/10a 。

从上述分析DT R 的变化趋势可以看出,DT R 在整体上都呈下降趋势,随着纬度的增加,下降趋势越明显。高纬度地区的下降幅度明显大于低纬度地区,年平均DTR 的变率从A 区的-0.29℃/10a 减小到F 区的-0.12℃/10a 。高纬度地区DTR 以冬季减小最为显著,主要原因是最低温度显著上升。3.2　四川盆地与长江中下游地区的比较 选取四川盆地地区位于28°～32°N 之间的14个测站(含重庆)和同纬度带的长江中下游地区18个测站作为参照,比较同一纬度上DTR 的地区差异(图2)。从年平均变化趋势看,四川地区DT R 略有下降,为-0.09℃/10a 。在冬季DTR

下降明

图1　东部地区DT R 的年际变化

(a )45°～50°N ,(b )40°～45°N ,(c )35°～40°N ,(d )30°～35°N ,(e )25°～30°N ,(f )20°～25°N

Fig.1　Interannual variatin of D T R in Easte rn region of China

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　1期

陈铁喜等:近50年中国气温日较差的变化趋势分析

图2　四川(a )和长江中下游地区(b )DT R 年际变化的对比

Fig.2　I nte rannual v aria tion of D T R in Sichuan (a )and mid -and lowe r -reaches o f Ya ng tze River (b )

显,达-0.19℃/10a ,夏季为-0.10℃/10a 。与此相对应的长江中下游地区年平均DTR 也有明显的下降,趋势为-0.12℃/10a 。在各季节DTR 变化中以冬季、夏季下降最为明显,二者都约为-0.16℃/10a ,但夏季略高。

某个气候要素不但存在着区域差异,还存在着季节差异,对于DT R 这种差异主要表现在冬夏两季节。将两种差别综合考虑,设冬季四川盆地与长江中下游两地的DT R 分别为A 1,B1,而夏季相应取作A2,B2,那么(A1-B1)-(A 2-B2)则综合地表示DTR 的地域及不同季节存在的差异,若为零,则说明这种地域上的差别是不随着季节变化的。同时,(A1-B1)-(A2-B2)=(A1-A2)-(B1-B2),季节差异也不在随着地域的不同而有所不同。对DTR ,最高气温,最低气温和平均气温作同样的

处理,得到差的时间序列(图3)。

从图3中可以看出,平均温度(图3b )、日最高

温度(图3c )、日最低温度(图3d )这种差异都有了显著下降,分别为-0.33℃/10a ,-0.23℃/10a ,-0.26℃/10a 。其中最高温度的这种差异已经接近零,而DT R (图3a )无明显的变化。3.3河套地区

以山西、陕西、宁夏、甘肃东部、内蒙古中部的20个基本站为代表,经度跨度为103°～113°E 的区域计算河套地区的DT R 。从图4中可以清楚地看到,该地区DT R 总体呈下降趋势,年平均趋势达到-0.13℃/10a ,各季中以冬季下降最为明显,达到-0.24℃/10a ,秋季基本不变。通过对比DTR 和最低、最高温度的变化趋势可以发现,DTR

下降主要是由于最低温度比最高温度明显增

图3　四川盆地与长江中下游地区D T R 比较

(a )DT R ,(b )平均温度,(c )日最高温度,(d )日最低温度

F ig.3　Co mpa riso ns of D T R (a ),mean tempe rature (b ),daily maximum tempera tur e (c ),

daily minimum temperature (d )betw een Sichuan basin and mid -and

low er -reaches of Y ang tze Rive r

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26卷　

图4　河套地区DT R (a )、平均温度(b )、最高(c )和最低(d )气温以及年际变化趋势F ig.4　Inte rannual v ariation and D T R (a ),mean tempe rature (b ),maximum temper ature (c ),

and minimum tempera ture (d )in He tao

area

图5　青藏地区D T R (a )、平均温度(b )、最高(c )和最低(d )温度的年际变化Fig.5　I nter annual va ria tion of D T R (a ),mean temper ature (b ),maxmum temper ature (c ),and minimum temperature (d )in Qing hai -Xizang region

加造成的。3.4　青藏地区

以青海与西藏地区的16个测站的资料计算了DT R 。由于青藏地区海拔高,气候寒冷,DTR 年

平均值变化很大,达到-0.32℃/10a (图5),各季节中下降最快的是冬季,达到-0.46℃/10a ,其次是春季达到-0.39℃/10a 。造成这种明显变化的原因是不同的,冬季最低气温呈现了高达0.72℃/10a 的变率,而春季则是由于最高气温的略微下降造成的。

3.5云贵地区

以云南与贵州两省的25个测站的资料分析该地区DTR 的变化。DT R 年际变化有显著下降,为-0.18(图6),各季节都有所下降,最大下降速率出现在春季,-0.26℃/10a 。分析造成这种变化的原因,发现日最高气温有所下降,这种特殊变化起到了很大作用。在年平均变化中,日最低气温变率仅为0.11℃/10a ,而最高气温变率为-0.07℃/10a 。同时在春季,最高气温下降最为明显,达到

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陈铁喜等:近50年中国气温日较差的变化趋势分析

图6　云贵高原地区D T R (a )、平均温度(b ),最高(c )和最低温度(d )的年际变化Fig.6　Interannual v ariatio n of D T R (a ),mean temperature (b ),max mum tem pera tur e (c ),

and minimum tempe rature (d )in Yung ui

Plateau

图7　新疆地区D T R (a )、平均温度(b ),最高(c )和最低温度(d )的年际变化

Fig.7　Interannual v ariatio n of D T R (a ),mean temperature (b ),max mum tem pera tur e (c ),

and minimum temperature (d )in Xinjiang area

-0.15℃/10a ,从而使得DTR 在春季出现了最为明显的下降。3.6　新疆地区

除去海拔过高的山地测站,新疆地区选择27个测站的资料,计算得出DTR 年际变化呈下降趋

势,为-0.16℃/10a (图7)。所幸在作物及牧草的主要生长季节夏秋季节变化不明显,下降速率绝对值<0.1℃/10a ,春、冬季有明显下降,冬季最明显,变率达-0.34℃/10a ,其主要原因是冬季最低温度上升速率大,达0.71℃/10a 。

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26卷　

3.7　东西部差异分析

由于中国地形条件差异大,同样本文将划分南北两条纬度带来研究DT R 东西部差异。通过上面分析,得到了中国DT R 的基本区域特征。东部季风区D ,E ,F ,四川、云贵、西藏等地,DT R 下降趋势是由最低温度略微升高同时最高温度基本不变甚至下降等综合造成的,而其他地区DT R 下降原因是最低温度升高大于最高温度升高。这与文献[12]的相关结果基本一致。以35°N 为界,该纬度以北划分为五个经度区,分别为N1(75°～87°E ),N2(87°～100°E ),N3(100°～110°E ),N4(110°～120°E ),N5(120°～130°E );35°N 以南也划分为五个经度区,即S1(88°～100°E ),S2(100°～105°E ),S3(105°～110°E ),S4(110°～115°E ),S5(115°～120°E )。结果表明(图略),35°N 以北的五个区域DTR 年际变率自西向东依次为-0.16℃/10a ,-0.29℃/10a ,

-0.12℃/10a ,-0.18℃/10a ,

-0.23℃/10a ,冬季变率自西向东依次为-0.35℃/10a ,-0.52℃/10a ,-0.21℃/10a ,-0.23℃/10a ,-0.36℃/10a 。可以发现二者在数值上有很好的一致性,最大值出现在N2和N5区。在季节上均以冬季DT R 下降速率最大,是由于冬季各个区域最低气温显著升高。35°N 以南五个区域DTR 年际变率自西向东依次为-0.23℃/10a ,-0.17℃/10a ,

-0.12℃/10a ,-0.17℃/10a ,

-0.12℃/10a ,最大值出现在最西的S1区域。季节变化自西向东有显著差异。S1区域各季节中冬季最低气温上升速率最大,但DT R 最大下降速率出现在春季,为-0.33℃/10a ,其原因是最高气温在春季呈现下降趋势。在S2区域,DT R 最大下降

速率出现在冬季,为-0.26℃/10a ,春季最高温度仍然呈现下降趋势,但是S3,S4和S5区DTR 最大下降速率都是出现在夏季,这是因为夏季最高温度有所下降,春冬两季最低温度基本不变或者上升。因此,虽然DT R 年际变化在东西部没有很大的差异,但是在季节分布上,由于自西向东最高温度下降速率最大季节由春季转向了夏季,导致了东部夏季DTR 下降最为迅速。由此可见,中国DT R 东西向的差异,北部地区主要决定于冬季最低温度的升高,而南部地区则主要决定于夏季最高温度的降低。这一特征与全球气候变暖的区域特征是吻合的。

4DT R 变化的可能原因分析

通过上述区域DT R 变化趋势分析可以看出,中国各地区的DTR 平均为下降趋势。在东部季风区,DTR 下降趋势随纬度升高而增大,在低纬度华南地区,DT R 的减小比较微弱。由此可以估计,DTR 的减小与全球性气候增暖的总体趋势和区域性有关。分析表明,引起DTR 变化的直接因子与温度有关,如最低、最高温度的变化趋势不同是决定DT R 大小的直接原因。而影响DT R 变化的间接因素则相当复杂。如前所述,有关研究认为云量、气溶胶和地表湿度状况可以引起DT R 的变化。地表湿度通过影响地面的感热和潜热的变化来影响DTR ,目前相对研究较多的是云量和气溶胶污染。 人类活动和自然过程会排放大量的气溶胶,人为造成的气溶胶污染已经越来越受到关注,主要体现在区域气候变化上。气溶胶变化引起大气浑浊度改变,从而影响到辐射,进而引起DT R 变化。

文

图8　不同区域DT R 值与总云量关系的线性拟合

(a )全国,(b )东部季风区,(c )其他地区

Fig.8　Linea r fitting s of D T R and to tal clo udness in different reg io ns.(a )whole China ,

(b )mo nso on area of Eastern China ,(c )other regions

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陈铁喜等:近50年中国气温日较差的变化趋势分析

献[13]指出,DT R存在着周末效应,而这种周末效应与人们的生产活动规律有关。另外一些研究表明,相关影响因子空气污染和溶胶沉降同样存在7天左右的短周期[14]。人类活动引起的气溶胶变化等与DT R有反相关,即大气中气溶胶的增加可能减小DT R。气溶胶的长期变化趋势也可影响DT R的长期变化。可见,气溶胶与DT R变化是密切相关的。除气溶胶以外,在大部分地区云量是影响DTR长期变化的另一主要因子。例如有关研究发现,四川地区总云量与温度日较差有密切的反相关关系[15]。

考虑到资料的完整性,这里我们仅就云量与DT R的关系做一初步分析。以各地区年平均DTR 和年平均云量的比较可以看出(图8),全国、东部季风区和其他地区的年平均DT R与云量的关系呈相反的变化,即随着云量的增加DTR会减小;若云量减少则DT R增大。虽然各区域的云量分布不同,但这种关系是普遍存在的,这在东部季风区最显著。该区域年平均云量随纬度增高而减小,相应的DTR则随纬度增高而增大。其他季节的DTR 和云量也有类似的关系。因此可以认为,云量的空间和时间分布在一定程度上影响DT R的大小。这里只是单因子分析比较,事实上在全球变暖背景下,全球温度和云量都会发生变化并存在着复杂的反馈关系,这种关系可以通过气候模式进行敏感性试验。

5结论

根据上述初步分析,得到以下主要结论:

(1)　在全球气候变暖背景下,中国绝大部分地区的年和季节的DT R均呈显著下降趋势,表明过去50年来,各地日温度的最高最低值的差异在变小。

(2)　DTR的变化有较大的地区差异,主要表现在东部季风区和西北地区及青藏高原的差异:东部地区DTR随纬度变化趋势明显,而西部地区的DT R变化与海拔高度有关。

(3)　青藏高原和云贵高原DT R变化较大,即高原和高寒地区DT R变化幅度大,较为敏感。

(4)　DTR变化的东西部差异与纬度有关,即35°N以北地区冬季最低温度升高是主要因子,而以南地区夏季最高温度的降低起主要作用。

(5)　DTR的季节变化中,黄淮以北地区以冬季变化最大,DT R下降最显著,其主要原因是冬季最低温度上升幅度最大。黄淮以南地区夏季DT R 下降最显著,主要原因是夏季最高温度没有明显上升。其他季节DTR呈减小的趋势,大多数直接影响是最低温度上升所造成的。

(6)　DT R变化的间接主要气候因子之一是总云量,而DTR的变化趋势与总云量的多少呈反相关。

致谢:在此对论文评阅人和编审人员提出的宝贵修改意见和建议表示诚挚的感谢。

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高 原 气 象 26卷　

Variation of Diurnal Temperature Range in China

in the Past 50Years

CH EN Tie -x i ,　CH EN Xing

(Dep artment o f Atmosp her ic S ciences ,Nanj ing Univer sity ,Nanjing 210093,China )

Abstract :The spatial distributio n and tim e series o f diurnal temperature range (DT R )in China are an -aly zed using the daily temperature data from 1950to 2001.The relations among the m aximum and mini -m um temperature and the mean temperature are discussed fo r their possible influence o n DTR.The ana -ly zed results show that DTR w as decreased in China in the last 50y ears.The averag e decrease o f DT R in the high latitude is larg er than that of in low latitude.The DT R in the same regio n o r different regio ns

have the diffe rent features in seasonal chang es.In the no rthern China the m aximum decrease of DTR is in winter ,and then spring and autumn ,the minimum ,is in summ er.In H uang -huai and Yang tze River rea -ches the m aximum decreases o f DTR are in summer and spring.In South China the maxim um of DT R is in winter.On the average ,the DTR is decreasing ,and this decreasing is mo re significant in hig h and middle latitude regio ns than in low latitude.Fo r the regions that are in the sam e latitudinal zone the trends of DT R changes are different because of different geog raphical backg rounds.The DTR has obvious seasonal chang e and show s a fast decrease in w inter and slow decrease in summer in m ost regio ns of China ,especial -ly in Qinghai -Xizang Plateau and Xinjiang the features o f DT R change are quite different from tho se in the eastern China.

Key words :China ;Diurnal temperature range ;Global climatic w arming ;Qinghai -Xizang Plateau

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