基于1980~2014年NCEP/NCAR的对流层顶温度再分析数据，采用线性趋势法、Mann-Kendall非参数检验法和相关分析法，分析了中国西北干旱区对流层顶温度的时空变化特征，进一步探讨了对流层顶温度年际变化率与地表温度年际变化率、海拔之间的相关性。结果表明：1) 西北干旱区对流层顶温度在近35a呈现下降趋势，全年、夏季、秋季和冬季下降趋势较为显著，而春季下降趋势未通过显著性检验，下降趋势不明显；2) 对流层顶温度年际变化率在全年和四季表现出不同的空间分布，总体上山区下降速率高于其周围盆地的速率。3) 近35a西北干旱区地表温度有明显的上升趋势，其年际变化率与对流层顶温度年际变化率呈显著的负相关；4) 从对流层顶温度的年际变化率与海拔之间关系来看，随着海拔的上升，对流层顶温度的下降速率越快，全年、春季、秋季和冬季的下降速率与海拔相关性显著，而夏季变化率与海拔之间的关系不显著。 On the basis of monthly average tropopause temperature data of NCEP/NCAR reanalysis data dur-ing 1980-2014, the spatial and temporal evolution of tropopause temperature over the arid region of Northwest China (ARNC) is studied by linear trend method, Mann-Kendall nonparametric test and correlation analysis. The correlation between the variation of tropopause temperature and surface temperature, and the correlation between the change rate of tropopause temperature and altitude were also investigated. The results are as followed: 1) Tropopause temperature over the ARNC exhibited downward trends in the last 35a. And the annual and seasonal trends decreased significantly expect for the tendency of spring. The change rate of annual, spring, summer, autumn and winter was 0.51˚C/10a, 0.28˚C/10a, 0.88˚C/10a, 0.53˚C/10a, 0.35˚C/10a, respectively. Ob-viously, the rate of summer was the highest. 2) There were abrupt changes in annual and seasonal tropopause temperature variation. To be specific, the abrupt changes of annual and autumn tro-popause temperature occurred around 1992, and the abrupt changes of summer tropopause temperature occurred around 1994. All the three of them declined after abrupt changes. The spring tropopause temperature had three mutation sites, 1983, 1992 and 1994. The tropopause temperature rose after the abrupt change that occurred in 1983, then declined after 1992 and rose again after 1994. But the average temperature after the abrupt change that occurred in 1994 was still lower than the average temperature before 1983. The abrupt changes of winter tipopause temperature occurred around 1986 and 1988. The tropopause temperature rose after 1986, and declined after 1988. And the average temperature after the abrupt changes that occurred 1988 was still lower than the average temperature before the changes that occurred 1986. 3) There were regional differences in the annual variation and seasonal variation of tropopause temperature. Overall, the variation rate of mountains is higher than that of the basins around the mountains. The spatial variation of annual and summer were similar, and had a banding distribution along northeast-southwest direction. The change rate of tropopause temperature was higher in the region between North Slope of Aljin Mountains and the southeast of Tianshan Mountains than that of the area on both sides. The distribution of autumn and winter was more or less alike. Both of them presented high rate in the Tianshan Mountains and the south in its middle part. But there were few differences. The variation rate of Kunlun Mountains was higher than that of Tianshan Mountains in autumn, which were totally in contrast in winter. In spring, variation rate had a different distribution from before. There were a high value area in Kunlun Mountains and a low value area in south slope of Tianshan Mountains. 4) The surface temperature over ARNC presented an obvious upward trend in the period from 1980 to 2014. There was a negative correlation between the rate of the surface temperature trend and the tropopause trend, and the correlation is significant. 5) The variation rate of tropopause temperature increases as the altitude increases. The correlation between variation rate and altitude is significant at annual and seasonal variations except for summer.
徐艺文1，徐建华1，陈忠升2，张影1，柏玲1
1华东师范大学地理信息科学教育部重点实验室，上海
2中国科学院新疆生态与地理研究所荒漠与绿洲生态国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐
Email: xuyw09@126.com, jhxu@geo.ecnu.edu.cn
收稿日期：2015年7月25日；录用日期：2015年8月7日；发布日期：2015年8月13日
基于1980~2014年NCEP/NCAR的对流层顶温度再分析数据，采用线性趋势法、Mann-Kendall非参数检验法和相关分析法，分析了中国西北干旱区对流层顶温度的时空变化特征，进一步探讨了对流层顶温度年际变化率与地表温度年际变化率、海拔之间的相关性。结果表明：1) 西北干旱区对流层顶温度在近35a呈现下降趋势，全年、夏季、秋季和冬季下降趋势较为显著，而春季下降趋势未通过显著性检验，下降趋势不明显；2) 对流层顶温度年际变化率在全年和四季表现出不同的空间分布，总体上山区下降速率高于其周围盆地的速率。3) 近35a西北干旱区地表温度有明显的上升趋势，其年际变化率与对流层顶温度年际变化率呈显著的负相关；4) 从对流层顶温度的年际变化率与海拔之间关系来看，随着海拔的上升，对流层顶温度的下降速率越快，全年、春季、秋季和冬季的下降速率与海拔相关性显著，而夏季变化率与海拔之间的关系不显著。
关键词 :气候变化，对流层顶温度，变化特征，西北干旱区
随着全球气候的变暖和各地极端气候事件的频发，气候变化已经成为当今公众关心的焦点问题。中国西北干旱区作为对全球气候变化的敏感区域，在过去半个多世纪，区域气温迅速升高，降水变率增大，针对这种变化，有学者认为是西北干旱区气候向暖湿气候的一种转型，也有学者认为这只反映了长时间尺度上气候波动变化[
1957年世界气象组织WMO将对流层顶正式定义为：500 hPa等压面之上温度递减率小于2℃/km或以下的最低高度，而且在此高度与其上2 km气层内的温度平均递减率不超过2℃/km [
近年来，随着高空资料的不断丰富，国内外学者采用不同的资料对对流层顶做了很多研究。Seidel等采用无线探空资料通过对温度、气压、高度等指标进行对比，分析了全球热带对流层顶在三种不同模式定义下(传统温度梯度对流层顶、零度点对流层顶和100 hpa等压面)的时空特征 [
利用1980~2014年西北干旱区对流层顶温度和地表温度的NCEP/NCAR再分析数据，采用线性趋势法、Mann-Kendall非参数检验法对对流层顶温度时间序列的变化趋势、突变时间及其显著性进行分析；基于Arcgis空间分析功能，对对流层顶年、季节变化速率的空间变化进行分析；在此基础上，采用相关分析法进一步探讨对流层顶温度变化率与地表温度变化率和海拔之间的相关关系，以全面分析该区域对流层顶温度变化特征，为西北干旱区气候研究提供参考，从而加深对西北干旱区气候自然变率的认识。
西北干旱区位于34˚54'N~49˚19'N，73˚44'E~106˚16'E，包括新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区中西部和宁夏回族自治区贺兰山西坡以及甘肃的河西走廊，土地面积约占全国总面积的22%。西北干旱区位于欧亚大陆中心，南北跨度和东西宽度大。北部为阿尔泰山，中间天山，南部为昆仑山和祁连山，东部有贺兰山，在阿尔泰山天山之间有准噶尔盆地，天山和昆仑山之间为塔里木盆地，各地海拔相差大，地理环境复杂。由于距离海洋较远，再加上周围大地貌单元阻挡，导致海洋水汽难以到达，形成了干旱少雨的大陆性气候。冬季，受蒙古–西伯利亚高压控制，气温下降剧烈，导致天气寒冷；夏季，由于地表以荒漠为主，所以地表增温强烈；春、秋季，处于气候特征的过渡期，地表增温较快，天气多变，沙尘暴多发。西北干旱区日照时间长、辐射强度大，热量资源非常丰富。但该区水资源极端缺乏，年平均降水量不足150 mm，冰川融水是陆地淡水的主要来源；由于特殊的地貌格局，形成许多局部小气候，又造成水资源分布不均 [
NCEP/NCAR再分析数据是由美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作的一套综合观测资料集，包含要素多，范围广，而且延伸时段长。由于NCEP/NCAR再分析资料中1979年之后的数据更正了“已知”的人为误差，而且在地表温度等方面有明显改善 [
本文采用线性趋势法研究1980~2014年西北干旱区对流层顶温度的变化速率大小。线性趋势法就是把气候要素表示为时间t的线性函数
图1. 研究区位置
通过Mann-Kendall非参数方法分析1980~2014年西北干旱区对流层顶温度的变化趋势，并且判断是否存在突变，以及具体的突变年份。Mann-Kendall方法是一种非参数统计检验方法，其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，适用性强，计算方便。该方法不但可以检验时间序列的变化趋势，还可以检验时间序列是否发生突变，及具体突变点。
1) Mann-Kendall趋势检验
对于时间序列
当
标准正态分布的统计量Z计算公式如下：
式中，Z为标准正态分布的统计量，
衡量趋势大小的指标
式中，
Mann-Kendall趋势检验的具体方法：零假设H0为时间序列随机分布，即
2) Mann-Kendall突变检验
对于上述时间序列，构造秩序列
定义统计量：
其中，
式中
构造时间序列
取置信水平
从时间趋势上来看，我国西北干旱区对流层顶温度年、季节变化比较明显，其全年平均温在−58.5℃~−61℃，春季平均温最高为−59℃，夏季平均温最低为−61.3℃；最高温发生在春季达到−56.3℃，最低温出现在夏季为−63.5℃。
在过去的35年，西北干旱区对流层顶温度的年际、四季变化均呈现下降趋势(图2)。对流层顶温度变化的Mann-Kendall非参数检验结果(表1)表明：我国西北干旱区对流层顶春季的下降趋势不显著，下降速率只有0.28℃/10a；而全年、夏季、秋季和冬季的下降趋势显著，均通过0.05显著性水平的检验，其中夏季的下降速率最快，为0.88℃/10a；秋季(0.53℃/10a)、全年(0.51℃/10a)、冬季(0.35℃/10a)的下降速率依次减缓。对流层顶温度变化的季节差异可能与不同季节对流层顶接受的各种大气辐射的强弱有关。西北干旱区对流层顶温度在80~90年代之间发生突变，主要表现为80年代突变后温度升高，90年代突变后温度降低，存在单突变点和多突变点。全年(1992)、夏季(1994)和秋季(1992)只有一个突变点，突变后温度下降1℃~2℃，突变前后平均温度相差较大。全年突变前平均温为−59℃，突变后为−60.5℃，夏季突变前平均温为−60℃，突变后为−62℃，秋季突变前平均温为−59.5℃，突变后为−61℃。冬季存在两个突变年份，即1986、1988年，在1986年突变后平均温升高至−58.5℃，1988年突变后平均温降低到−60℃。春季的变化更为复杂，在过去35年共有3个突变年份，在1983年突变后平均温升高，在1992年突变后平均温降低，而后在1994年突变后平均温又再次升高。不难发现，在90年代温度突变后，对流层顶平均温降低，可能与年代际的气候变化有关。
从空间分布来看，近35年西北干旱区对流层顶温度的年际变化率在年、季节变化方面表现出不同的空间差异(图3)。对流层顶温度全年变化速率在−0.75℃/10a~−0.27℃/10a范围内，在空间呈现东北–西南向分布，中间区域的变化率高于两边。昆仑山、阿尔金山以北，天山以南之间的区域对流层顶温度下降速率较快，两侧逐渐递减，阿尔泰山以及准噶尔盆地下降速率最慢。
春季西北干旱区对流层顶温度整体变化速率不大，在−0.62℃/10a~−0.10℃/10a内。在研究区范围内山区下降速率高于其周围盆地的下降速率。其中昆仑山、天山的下降速率最为明显，而塔里木盆地以及其往东的40˚N地区温度下降速率最为缓慢。
夏季对流层顶温度下降趋势最为显著，全区下降速率跨度最大。其空间分布与全年的较为相似，呈现东北–西南向条带分布。昆仑山与祁连山相接的地方下降速率最大达到−1.48℃/10a，而阿尔泰山、准噶尔盆地和天山的西北部温度下降速率最低，只有−0.0988℃/10a。
秋季西北干旱区对流层顶温度的下降速率南北差异大，同一纬度区域的变化速率相差较小。南部昆仑山的下降速率最快为0.93℃/10a，阿尔泰山下降速率最慢为0.22℃/10a。而中部的天山地区下降速率高
图2. 1980~2014年西北干旱区对流层顶温度年际变化趋势
| 时间 | 趋势检验 | 突变年份 | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 趋势项 | 趋势值 |
|
显著性H0a | ||
| 全年 | −0.0514t + 102.65 | −4.4877 | 1.96 | 显著R | 1992b |
| 春季 | −0.0281t + 56.036 | −1.3917 | 1.96 | 不显著A | 1983, 1992, 1994b |
| 夏季 | −0.088t + 175.67 | −4.1752 | 1.96 | 显著R | 1994b) |
| 秋季 | −0.0527t + 105.29 | −3.4367 | 1.96 | 显著R | 1992b) |
| 冬季 | −0.0345t + 68.866 | −2.045 | 1.96 | 显著R | 1986, 1988b) |
表1. 西北干旱区对流层顶温度变化趋势及突变检验结果
aH0，即原假设，指对流层顶气温变化趋势不明显；显著性检验水平a = 0.05；A代表接受原假设；R代表拒绝原假设。b表示突变年份通过0.05的显著性检验水平。
图3. 西北干旱区对流层顶温度年际变化空间分布图
于其两侧的盆地(塔里木盆地、准噶尔盆地)和祁连山北部的区域。
冬季对流层顶温度变化速率与秋季有些相同之处，天山及其中部向南的部分区域下降速率在秋季的基础上有所加强，而不同于秋季的是昆仑山地区的下降速率则低于天山其中部向南的区域。冬季对流层顶温度的变化速率整体空间分布呈现出由天山及其中部向南的区域组成的“T型”区域向其周围的区域扩散的分布，下降速率由“T型”区域向外逐渐减慢的。天山西部及昆仑山东北部的部分区域温度下降速率最快为−0.50℃/10a，甘肃河西走廊地区下降速率最慢为−0.12℃/10a。
西北干旱区对流层顶的年际变化率在全年和四季表现出不同的空间分布，这可能与大气环流、季节性的天气尺度系统活动和下垫面的性质等有关。
对流层顶是一个很强的大气阻挡层，在其下方，地表和大气之间不断地进行着热量交换和水汽交换。近年来随着温室气体的大量排放和人类活动的显著增长，导致地表温度升高，全球变暖，高空大气和地表之间的联系越来越密切。在2003年Sausen and Santer就曾对对流层顶高度升高和温度下降的原因时进行解释，发现自然因素并不能全部解释这一现象，而造成这一现象的主要原因是人类活动导致的地表增温 [
西北干旱区地表年平均气温在近35年呈上升趋势，增温速率达到0.289℃/10a。地表温度与对流层顶温度年际变化趋势相反，从散点图可以看出，各个点分布规律，说明两者具有一定的关联性。对西北干旱区对流层顶年平均温度和地表年平均温度的35年进行相关的显著性检验，其线性拟合的方程：
对流层顶的温度在一定程度上受下垫面作用，不同高程位置的对流层顶温度变化率也不同，而西北干旱区地形复杂，有高海拔的大型山脉，也有低于海平面值的盆地，因此探讨西北干旱区的海拔高度与对流层顶温度变化速率之间的关系，有助于理解海拔对对流层顶温度变化的理解。用统计拟合方法建立回归方程，并进行相关关系的显著性检验和回归模型的显著性检验。方程中x为西北干旱区对流层顶温度的变化速率，y为对应的海拔高度，R为对流层顶温度的变化速率和海拔高度的相关系数，F为回归模型F检验的统计量，N为格点数即样本数。
从海拔高度与对流层顶温度年际变化速率相关分析的结果(表2)可以看出，夏季西北干旱区对流层顶温度变化率与海拔高度没有相关性，而全年和其他季节的对流层顶温度变化率与海拔高度呈正相关，即海拔越高，对流层顶温度的下降速率越快。其中与秋季的相关性最高，相关系数R = −0.355，通过了0.01的显著性水平；利用F检验对秋季对流层顶温度变化率和海拔的回归方程
根据1980~2014年对流层顶温度NCEP/NCAR月平均再分析资料，分析了西北干旱区对流层顶温度变化的时间趋势和空间分布，并在此基础上探讨了对流层顶温度变化率与地表温度变化率、海拔之间的相关性，揭示了该地区对流层顶温度的时空演变特征，以及对流层顶变化率和地表温度变率、海拔之间的关系。主要结论如下：
1) 在过去的35a，西北干旱区对流层顶温度在全年和四季均表现出下降的变化趋势。春季虽然温度也在下降，但未通过
2) 西北干旱区对流层顶温度年际变化率的空间分布在全年和季节上表现出不同的变化趋势。全年和
| 时间 | 拟合方程 | R | F | N |
|---|---|---|---|---|
| 全年 |
|
−0.307* | 5.313* | 53 |
| 春季 |
|
−0.313* | 5.556* | 53 |
| 夏季 |
|
−0.136 | 0.965 | 53 |
| 秋季 |
|
−0.355** | 7.339** | 53 |
| 冬季 |
|
−0.318* | 5.734* | 53 |
表2. 海拔高度与对流层顶温度变化率的相关性分析
**在0.01水平(双侧)上显著相关，*在0.05水平(双侧)上显著相关。
夏季的空间分布较为相似，呈现东北–西南条带状分布，中间区域即昆仑山东北部和天山西南部之间的区域下降速率最快，两侧逐渐减慢，其中阿尔泰山下降速率最慢。秋季和冬季对流层顶温度变化率的空间分布大体相似，在天山及其中部以南的区域下降速率最快，不同之处在于秋季昆仑山地区的下降速率为全区最快，而在在冬季比中间区域缓慢。春季对流层顶变化速率不同于其他，在昆仑山地区下降速率最快，40˚N区域下降速率最慢。
3) 西北干旱区地表温度与对流层顶温度的年际变化特征存在显著的负相关关系。海拔与对流层顶夏季温度变化率没有相关性，与全年及春、秋、冬季均有显著的正相关关系。
徐艺文,徐建华,陈忠升,张 影,柏 玲. 近35年以来中国西北干旱区对流层顶温度变化特征Characteristics of the Temporal and Spatial Variations of the Tropopause Temperature in the Arid Region of Northwest China in Recent 35 Years[J]. 地理科学研究, 2015, 04(03): 116-126. http://dx.doi.org/10.12677/GSER.2015.43013
http://dx.doi.org/10.1007/s00704-014-1166-3
http://dx.doi.org/10.1155/2013/894851
http://dx.doi.org/10.1029/2000JD900837
http://dx.doi.org/10.1126/science.1084123