中国近50年来气温变化准3年波动的小波分析及未来20年的变化预测外文翻译资料

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中国近50年来气温变化准3年波动的小波分析及未来20年的变化预测

ChengHai Wang , Jian Li, XiaoGuang Xu

甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室 大气科学学院，兰州大学，兰州，甘肃730000，中国

通讯方式：汕头市澄海区王博士，大气科学系，兰州大学，甘肃兰州 ，730000，中国。

联系电话： 86-931-8914115; 电子信箱：wch@lzu.edu.cn

收稿日期：2012年8月10日 接受：2013年6月21日

摘要：用小波分析方法来分析中国八个气候区，98个观测站过去50年（1961年至2009年）每年冬季温度数据。对温度变化的周期性进行了研究，并预测了未来20年（2012年至2029年）中国可能的温度变化趋势。我们的研究结果显示，气温在年际变化中有3-4年的准周期，这些周期变化相对稳定。中国南方全年温度变化的周期性特点和北部之间的明显不同

，我们的周期叠加外推法表明，在未来20年里，较之于南方地区（除西南），中国北部和青藏高原（青藏高原）年度和冬季温度将继续增加，除此之外，如果气温遵循历史的线性增加趋势，整体气温预计将在2010年和2029年之间增加1°C 。

关键词：中国气候地区;温度变化期;小波分析;温度预报

1引言

全球变暖及其对人类生活的影响环境是一个重要的科学问题。丁和任两位通过分析全球地表温度数据，发现全球平均表面温度上升0.3〜0.6℃，在过去的100年中，这导致海平面上升10-25厘米，过去十年的气温上升在过去100年中属于最高。 IPCC第四次AS-报告（AR4（2007）报告的全球平均值表面温度从1906年到2005年上升了0.74℃，而最近10年一直保持有记录以来的最热气温。在过去的50年，北半球平均温度是过去1300年最高的。在

中国，在过去100年的温度变化已经类似于北半球的变化。北半球有两次增暖期，分别在20世纪40年代和20世纪80年代，但北半球平均温度在20世纪80年代的比20世纪40年代高（林等人，1995）。据IPCC估计，全球温度将在未来继续增加。到21世纪末，在较低的温室气体排放水平下，温度预计上升1.8 ℃（可能值为1.1-2.9℃），在较高的温室气体排放水平下，可能升高4.0°（可能值为2.4-6.4°C）。根据IPCC（2007年）的报告，在中高纬度的新罕布什尔州和中国，温度将在未来100年显著上升，北半球可能上升3.5-7℃，中国则为4-9℃。

中国的气候变化有着显著的区域特征（石等，1995）。在过去的100多年，中国的表面温度上升0.79°C，以约0.08℃/ 10a的平均增长率（任等人，2003）。冬季增温最为明显。（左等，2004）中国温度上升自20世纪70年代比全球平均水平更快。（高等，2010）模拟了中国未来的气候并表明冬季气温，夏季气温以及年平均会显著增加。 （李等人，2010）进一步提出，在过去的一个世纪，变暖速度已经出现一个显著的上升趋势;最明显的东北，西北，和中国北方，而在中国西南部和南部增长已经不太大。从仿真结果气候系统模式BCC_CSM1.0d也显示该情景下，中国的气温将增加1.2℃（辛等，2009年）。

在中国北方，气候变暖比南部和沿海地区更明显（辛等，2009）。高（2009年）的一项地区温度变化趋势研究表明，在1961年至1990年，2021年至2050年，和2071年至2097年的年平均气温变化在中国西部仅略有变化，但显著变化地在东部地区。赵等 （2008）使用来自40多个气候模型BLE结果，评级人类活动产生的温室气体的增加，预计2006-2025温度将上升约0.55℃。 陈等人（1991）分析了中国温度在39年间的变化（1951年至1989年），结果表明，中国北部，东北，西北等地区温度在增加，，但在江淮和四川则下降。 徐等人（2003）的大气 - 海洋耦合模式结果显示，较之整个中国，青海西藏的空气温度上升更明显。所有上述调查显示，虽然存在一些区域差异，但是未来气候整体趋向于变暖。

造成温度上升的原因还没有明确的定义。因此，研究温度变化规律可以推动对未来温度变化的认识。举例来说，涂（1984年）确定的年度周期和季节性温度变化周期在18.4-28.9年，2.9-3.0年，2.2-2.3年。魏等人（2003）分析青藏高原72气象站1962年至1999年记录的温度和降水的变化，得出的结论是温度具有准3年，准5至8年，和准11年环状振荡。他们发现，青藏高原降水周期振荡主要有3 - 5年，8-11年，准19年来。王，崔（2006）认为，沉淀在西北区域具有准3年的周期，但该周期台站相容性在不同地区有差异。

在多时空尺度下的温度变化的特点是不稳定的，尤其是当外力叠加时。因此，为了确定中国各地区域范围在过去50年气温的准周期变化是否有普遍特征，我们分析了八个不同气候区的98个观测站从1961年到2009年每月的温度数据，进行小波变换。

我们应用小波分析以及显著性检验来分析不同的时空变化尺度特征，并评估的恒温振荡在中国准周期的稳定性。基于上述情况，我们用叠加稳定周期外延方法预测在未来20年（2010年至2029年）每年冬季气温及平均气温的发展趋势及可能发生的变化。

2方法与数据

小波分析在时间和频率域上都有良好的适应性，并且也能分解信号并转换成不同的时间尺度。因此，一个研究对象微小的细节也可以被分析，使之成为一种种分析奇异信号的合适方法。

如文献中所定义（例如，哈拉尔和Krogstad，2001;彭，2002年），本次选用Marr基函数。这是第二个高斯函数的导数，并且它可以表示为如下（Liu和张，2002年）：

傅里叶变化是：

Marr小波具有良好的局部性的时间频域。每个周期的小波变化通过波动性水平检验，根据时间坐标和循环坐标能够得到局部特征。该分析方法的具体原则是Mallat（1989），Mallat和黄（1992），Mallat和钟（1992年）所讨论的。

由于中国复杂的地形和显著气候特征差异，我们用张和林提出的气候分区（1985年）全面具体地研究中国年度和冬季气温的变化的年际和时空分布（图1）。

选择观测站时，我们认为受城市热岛的影响。赵（1991年），通过研究在中国160站的数据，

发现城市热岛效应将增加，人口也不断增加。因此，我们在每个气候带选择5至16个观测站代表区域特征。这些站的数据的时间周期相对较长（从1961年至2009年）且空间分布相对均匀，无迁移，以保证良好的代表性。为排除人类活动的影响，近特大城市（人口ge;1万美元）和特大城市站（人口ge;500,000）被省略，以便消除热岛效应影响（仁和斋，1998年）。

我们以某一地区的网点观察的平均值代表区域的特点。

在这项研究中，12月，1月和2月为冬季，各个区域的冬季和年气温趋势通过小波分析和线性趋势计算转化。

图1 在此研究中使用的观测站

3不同气候区域的温度不同时间尺度下年际变化的趋势和特点

气候系统受不同时间尺度的外部周期及非周期性的影响，它也有内部系统的动量和能量交换与生物、化学周期，其具有不同时间尺度的线性和非线性效应。 因此，所得到的结果是受制于有这些进程的。一方面，困难在于如何区分周期性成分; 另一方面，当地气候变化的周期性成分是不一样的，即使周期性分量显著，气候变化的周期长度也是不一样。这项研究的重点是时间尺度的特点，是中国的各个气候区温度变化在1961年至2009年的准周期振荡。如果温度周期振荡在一个周期内一定长度是持久性的，即认为周期是稳定的。

由于极端温度在中国每一个区域的出现均不在特定月份，在此研究中十二月，一月，二月定义为冬季。由于温室气体的持续性，小波分析温度的自然和内部系统变更时，年度和季节温度的线性趋势被删除。

图2和3展示了在1961年至2009年年度和冬季气温的小波幅度变化。通过截取每年垂直小波幅度，正小波幅度表示在每一年的高温，负小波表示每年的低温。这些附图示出了在所有的研究区域温度变化周期的主要特征。

图2 在1961年至2009年年均温度的小波振幅：（a）中国东北; （b）东部干旱地区; （c）西部干旱（半干旱地区）地区; （d）中国北方; （e）中国中部地区; （f）中国南方; （g）中国西南地区; （H）青藏高原

图3 小波冬季气温在1961年至2009年的幅度：（a）中国东北; （b）东部干旱地区; （c）西部干旱（半干旱地区）地区; （d）中国北方; （e）中国中部地区; （f）中国南方; （g）中国西南地区; （H）青藏高原

1. 在60年代末，70年代中期，80年代初期，而90年代末，一般情况下中国东北年平均气温的周期振荡是准3年;然而，在20世纪80年代的有一个4至6年的周期振荡; 2000 - 2009年期间，准4年的周期振荡出现;而在80年代中期有一个微弱的准6年的周期振荡。在60年代中期和20世纪80年代，冬季气温变化的波动主要是准4年。在20世纪60年代后期，中后期20世纪70年代到80年代初，及90年代中期，有准3年周期振荡; 2000 - 2009年期间，准4年的周期振荡突出。总体而言，在东北地区3〜4年的周期在年均温度范围内占主导地位。不管在年际时间尺度还是在迅速升温的冬天，温度变化的周期在东北地区相对稳定; 3年周期占主导地位。

(2)东部干旱地区，年平均气温在70年代中期，主要是准3年周期振荡，并有在80年代和90年代末的前半有准4年的周期振荡。冬季温度循环变化的特点是十年尺度的不同：在20世纪60年代早期，准4年的周期振荡占主导地位;在70年代中期，该周期振荡不显著;从上世纪70年代末到80年代中期，有一个准3年周期振荡，周期变化并不显著。2000-2009期间，准3年的周期振荡显著。在1961年至2009年，周期振荡不突出且温度变化的周期是不稳定的。

1. 西部干旱（半干旱地区）地区，在过去50年中的温度变化有一个弱准周期振荡，它类似于由许和董（1982）描述的本区域中的沉淀周期。上世纪80年代，有温度的暖冷热的变化，这稍有不同于赵等人的研究结果（2006年），这可能由所使用的不同的站的数据周期引起，反过来，反映出温度在不同的时间尺度有不同的相对变化。在季节尺度，冬季气温的小波幅度表现出3至5年（准3年）的周期振荡，特别是从20世纪60年代末到80年代中期，并在2004 - 2009年的时候有一个显著准3年周期振荡;在70年代初期，周期性振荡是4-6年。显然，在这个区域中的3年温度变化的周期是占主导地位，而且稳定。

（4）中国北方， 70年代中期之前，该地区的年平均气温变化的周期振荡不明显。从70年代中期到80年代中期和90年代中期，有一个准4年的周期振荡;在60年代中期到70年代初，70年代末和90年代中期，冬季气温有准3年周期振荡，在80年代中期，有一个准4年的周期振荡; 2000 - 2009年期间，出现显著准4年的周期振荡。在该气候区，3〜4年的周期振荡为主导，而周期相对稳定。

1. 中国中部，在这一地区，除了在70年代末和90年代中期到后期，有一个微弱的准4年的周期振荡突出，其他时间段没有年平均气温变化的周期振荡，这表明，在这一区域中的气温变化的周期不突出。这可能是因为该地区地处季风气候区的腹地，并在南北气流的交汇点。从60年代中期到70年代初，冬季气温有准3年周期振荡，但直到20世纪70年代初这个周期只是稍微突出。在70年代末期，有一个准3年周期振荡; 3到5年的周期振荡出现在80年代中期;和2000 - 2009年期间，准3年周期振荡再次出现。该地区的年际尺度的温度变化的周期振荡不明显，这可能与温度的小年际变化有关。在季节尺度，冬季由冬季季风为主，并具有准3年的周期性的变化，这是相对稳定的。
2. 中国南方。在这一地区，常年气温变化周期振荡并不突出。在60年代中期，有一个准3年的周期振荡;中期到20世纪70年代后期，周期振荡是3 - 5年，在80年代中期是4-8年。 90年代中期和2005 - 2009年有一个相对稳定的准3年周期，这类似中国中部气温变化的特点，也反映了夏季风在这两个地区的影响。
3. 中国西南地区。在这一地区，常年气温变化周期振荡并不突出。从60年代中期到90年代中期，冬季气温保持准3年周期振荡，除了在上世纪80年代时，有一个4至8年的周期振荡。此外，从上世纪90年代中后期到2006年，振荡周期的变化并不突出;也即，3年的周期在该区域占主导地位。
4. 青藏高原（青藏高原）。在这一地区的年平均气温周期变化在60年代末和90年代中期到后期有准3年的振荡，但这种现象是从20世纪70年代初期至90年代中期中断。图4H表明了年度变化小于其他区域。温度相对较低的时期是20世纪60年代末和90年代末，与蔡等人的研究结果不同（2003）;这可以归因于数据分析的不同时期。在20世纪60年代初和60年代末，冬季气温有较弱的准3年周期振荡，但是从上世纪90年代初至90年代中期，准3年周期振荡（3-5年）明显。综合来看，3年的主要周期是稳定的。一些研究者认为冬季气温在20世纪80年代中后期异常（李等，2003;马和李，2003;吕等，2010）。

表1展示了在所有的研究地区每年冬季气温的平均准周期振荡。上述分析表明，3年为周期的温度变化，在中国冬季盛行。在图4中，温度变化的3年周期在非趋势年度间的变化更为明显。在四个北部地区最明显的3年周期振荡可能与事实不符，这些地区都是在夏季风的北界，同时也处于强烈冬季季候风影响的区域。长江以南地区和青藏高原，一般不存在显著的周期变化。影响中国南方四大区域的主要冬季气候系统是冬天的风。冬季气温在这一地区有一个显著的准3年周期振荡，但中国冬季季候风是否有3年的周期振荡，或者冬

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