基于聚类分析的中国大陆冬季温度变化区域差异研究

基于聚类分析的中国大陆冬季温度变化区域差异研究

国内关于区域分异成因机制的研究全球变化区域的特征是当前全球变化研究的重要组成部分，也是地理地质学的基础学科。20世纪后半叶,中国经历了与全球一致的变暖过程,全国各地普遍以冬季升温最为明显,北方升温率明显大于南方,已成为基本共识,但变暖存在显著的季节差异和区域差异。在中国温度变化区域分异的问题上,已有许多学者进行了研究。就研究方法而言,经验正交函数(EOF)或者旋转经验正交函数(REOF)是比较常用的方法,如,吴洪宝等和朱艳峰等采用EOF方法分别对1951～1990和1951～2005年的冬季温度变化进行了分析,屠其璞等和张晶晶等采用REOF分别探讨了1951～1996年冬季温度和1961～1990年年平均温度变化的区域分异。另外,亦有学者采用聚类分析方法探讨温度变化的区域分异,如屠其璞分析了全国35个气象站1951～1976年1月份温度变化的空间差异。相比较而言,EOF和REOF的应用较多,聚类分析的应用较少。从研究结果来看,目前对温度变化区域差异的空间结构(包括分区的数量和区域边界)的认识尚未达成一致。比如,屠其璞将1951～1976年1月温度波动形式概括为11种区域类型,张兰生等依据1951～1985年的年均温波动形式将全国分为东、中、西三大区域,张晶晶等依据年均温变化将全国分为8个区域,屠其璞等依据冬季温度变化形式将全国分为5大区域,卢爱刚等指出升温速率与纬度呈显著正相关,纬度越高升温率越大。导致对区域分异认识不一致的原因是多方面的,但研究方法和资料年限的不同是不可忽视的因素。此外,在对区域分异成因机制的解释上,目前大多数研究仅强调了大气环流形式的作用,比如,朱艳峰等和李勇等均强调西伯利亚高压、ENSO、AO等大气环流因子对中国温度变化区域分异的影响,曲金华等指出冬季北大西洋海表温度通过激发欧亚EU型环流影响中国气温。相对而言,很少研究涉及在形成温度变化区域分异特征的过程中大气环流因子如何与中国特定的下垫面条件相互关联。本文将从温度变化过程的相似性出发,以中国大陆1951～2005年冬季温度变化为研究对象,采用聚类分析和相关分析的方法,探讨中国大陆冬季温度变化过程的区域分异及其形成过程中环流因子与中国特定下垫面条件的相互关联,以期增进对中国气候变化及其成因机制的认识。1基本气候变化区域单元本文所用资料包括中国大陆160站1951～2006年月平均温度(截止到2006年1～2月),来自中国国家气象局(/);寒潮关键区。数据处理过程如下:1)从上述169个站点月平均温度数据集中抽取1、2和12月的温度,合成1951～2005年冬季(当年12月至次年2月)平均温度。2)对中国大陆160个气象站冬季均温序列分别进行标准化(式1)处理,生成标准化序列,然后采用系统聚类方法,对160个标准化序列进行聚类分析。以年份作为变量,以站点作为统计样本,选择欧氏距离平方(SquaredEuclideanDistance,式1)度量不同站点之间温度变化的相似程度,以组间平均距离(Between-GroupsLinkage,式2)刻画不同组(类)之间的距离。聚类计算基于SPSS软件完成,由此生成聚类树(图略)。dij2=∑y=155(tyi−tyj)2(1)Drs=1nr×ns∑i=1nr∑j=1nsdij2(2)dij2=∑y=155(tyi-tyj)2(1)Drs=1nr×ns∑i=1nr∑j=1nsdij2(2)式中,tyj表示标准化温度,y=1,2,…,55表示年份1951～2005,j=1,2,…,160表示站点编号;dij2为第i和第j站点之间的欧氏距离平方,nr和ns分别表示生成的第r和第s类中的样本个数,Drs表示生成的第r和第s类之间的距离。3)依据聚类树的结构,采用二叉树思想(一分为二,即每个类别都可分为两个亚类),依据聚类距离,自远及近对站点逐级进行分类(分区),即首先将中国大陆分为两个区域,然后每个区域再进一步分为两个区域,以此类推。不过,在分类过程中会出现很少站点组成一类(即一个区域)的情况,本文将此视为噪声站点,为此规定站点数少于某一阈值的聚类区域不能独立成为一个区域,考虑到西部(西藏、青海和新疆)的气象站点比东部稀疏,因此规定站点数量的阈值在东部为7个,西部为4个。如果在计算过程中出现这样的“噪声站点”,本文暂时将其忽略,待完成所有站点的分类(分区)后,再依据这些站点的空间位置,将其归属于所在的地区(共计7个站点)。另外,为保证区域的空间连续性,对“飞离”其聚类区域的站点,依据其空间位置,将其调整到其所在空间上的区域(共计3个站点,分别是石家庄站由IV-3区调为IV-1区;安阳站由III-2区调为IV-1区,西宁站由II-1区调往IV-2区)。最终将中国大陆划分为11个基本气候变化区域单元(以后简称基本区域单元,图1),各区域间的相似(异)性程度如图1所示。4)对于上述11个基本区域单元,将各区内所有站点的原始冬季均温序列进行算术平均,由此得到11个区域温度序列(图1),然后对各区域温度序列进行Mann-Kendall检验,本文取置信度为95%。如果UF值超过置信域的界限,表示区域温度序列自始至此(即UF值超过置信域的这一年)的增温(或者降温)趋势达到了显著性水平;在此情况下,如果UF曲线与UB曲线相交,并且交点位于置信域中,这一点就是增温(或降温)趋势突然出现的时刻。需要说明的是,UF和UB曲线在置信域之间有可能多次相交,本文取第一个交点作为突变点;然后计算1951年至该点前一年与该点至2005年两个时段的平均温度之差,以此表示突变点前后的温差(突变后-突变前)(图1)。5)计算寒潮关键区内9个站点冬季温度序列的算术平均值,以此构建该区域1951～2005年的冬季平均温度变化序列,然后计算该序列与中国大陆160个站点冬季温度序列的相关系数,并且按步骤(4)对该序列进行Mann-Kendall检验(图1)。2结果分析2.1温度场区域分异从聚类结果来看(图1),中国大陆冬季温度变化过程的区域差异具有鲜明的“层次性”。第一层次为海拔高度差异,表现为平均海拔2000m以上的滇藏高原地区(包括青藏高原和云南高原)与其它区域的差异,分界线与青藏高原和云南高原这一地貌单元的边界线大致吻合。第二层次为东西差异,表现为新疆地区与中、东部地区的差异,分界线与西北内陆盆地(塔里木盆地和准噶尔盆地)的东缘大致吻合。第三层次表现为东北部地区(包括黑吉辽、内蒙古东部和华北北部)与中、南部地区的差异,分界线大至沿青岛-天津-北京-张家口一线。第四层次则为南北差异,表现为中部地区(包括黄河中下游、甘肃和华中)与南部地区(包括川黔桂和浙闽粤)的差异,分界线从大巴山经巫山向南到南岭北缘,再沿浙闽丘陵北缘折转向东北延伸。每一大区内部的温度变化具有共性同时也存在次一级的区域分异。①滇藏高原地区的两个亚区分别以云南高原和青藏高原为主体,大致以海拔4000m等值线为分界线,其在1951～2005年间均有显著的升温趋势,升温率分别为0.3℃/10a和0.15℃/10a,升温突变分别出现在1996年(前后两段温差为1.43℃,下同)和2003年(1.5℃)。②新疆地区以天山为界被分为北疆和南疆两个亚区,其在1951～2005年间均有显著的增温趋势,升温突变均出现在1977年(温差分别为1.81℃、1.24℃),但北疆升温率为0.53℃/10a,明显高于南疆的0.37℃/10a。③东北部地区的内部主要表现为北部(包括黑龙江、吉林和内蒙古东部)和南部(辽宁、内蒙古东南部和冀北至鲁东)的南北差异,两亚区的分界线与松辽分水岭大体一致,其在1951～2005年间均有显著的升温趋势,升温率分别为0.51和0.46℃/10a,其升温突变分别出现在年1981和1978(其温差分别为1.81℃和1.38℃)。④中部地区包括三个亚区,它们首先表现为东西差异(河西走廊与其以东区域的差异),其次表现为秦岭-淮河一线南北的差异,以南主要包括长江中游平原和江南丘陵,以北主要包括内蒙古高原中部、黄土高原和华北平原,西、北、南三亚区在1951～2005年间冬季温度均显著上升,其升温率分别为0.43、0.54和0.29℃/10a,其升温突变分别出现在1988、1986和1988年(温差分别为1.39、1.91、1.06℃)。⑤南部地区的内部主要表现以浙闽粤为主体的东部和以川黔桂为主体的西部之间的东西差异,1951～2005年间,升温幅度均较小,东部有显著的升温趋势,升温率为0.24℃/10a,升温突变出现在1990年(温差为1.02℃);西部没有显著的升温趋势。从升温过程的区域分异来看,自北向南,升温突变开始的越来越迟,升温过程逐渐变缓,升温幅度逐渐减小。以新疆地区和东北部地区为代表的北方地区,升温突变出现在1970s,升温率平均为0.47℃/10a,升温幅度平均为1.56℃;中部地区温突变出现在1980s,升温率平均为0.42℃/10a,升温幅度平均为1.45℃;南方地区,升温突变出现在1990s,升温率平均为0.17℃/10a;滇藏高原地区,升温突变也出现在1990s,升温率与南方相当。2.2中国北方温度变化过程中区域差异的原因分析1区域分布的特征关键区的冬季温度在1951～2005年间表现出显著的升温趋势,升温率为0.59℃/10a,升温突变出现在1978年,前后两段温差为1.85℃。与此对应,CRU资料显示西伯利亚高压中心强度自1960s末以后迅速降低。图1表明,中国大陆绝大部分地区的冷暖变化与关键区的冷暖变化都有显著的正相关关系,但是相关系数的大小具有鲜明的区域差异。在中国大陆160个气象站点中,155个为正相关,其中146个通过了99%显著性检验;没有显著负相关的站点。相关系数≥0.8的32个站点主要分布于黄淮海平原-江汉平原,其次是内蒙古高原东南部;相关系数介于0.7～0.8之间的47个站点分布在相关系数≥0.8的区域的外围,主要包括松辽分水岭以南至海河流域、河西走廊-黄土高原、汉中地区以及江汉平原、鄱阳湖平原的南缘,另外在北疆地区也有分布;相关系数介于0.6～0.7之间的27个站点主要分布于武夷山-南岭地区和昆仑山-祁连山北麓,另外在辽东半岛-山东半岛也有分布;相关系数介于0.5～0.6的22站点分布于天山南侧、四川盆地、东南沿海和东北平原的北部。相关性不显著的站点主要分布于青藏高原及其东南边缘地区。2年生长量分布对比上述温度变化过程的区域差异与相关系数的空间分布(图1),可发现二者有很好的一致性。具体表现为无论是各大区之间,还是大区内部的各亚区间,它们与关键区的相关程度均具有一定的差异。区域内网点的相关系数中部地区站点的相关系数普遍较大,区域内的51个站点中相关系数≥0.8的站点有27个,0.7～0.8之间有18个;其次是东北部地区,区域内的33个站点中,相关系数≥0.8和0.7～0.8之间的分别为5个和13个;再次为新疆地区,区域内13个站点中,最大相关系数为0.8,0.7～0.8和0.6～0.7之间均有4个;再次为南方地区,共计为48个站点,最大相关系数为0.79,其中0.7～0.8和0.6～0.7之间分别有12和13个;最后,滇藏高原地区所有站点与关键区均没有显著的相关关系。各区的改革开放总体情况在中部地区,南部亚区和北部亚区分别有77%和45%的站点的相关系数≥0.8,而西部亚区站点的相关系数则主要介于0.6～0.8之间;这三个亚区与关键区的相关系数依次为0.89、0.86和0.74。在东北部地区,南部亚区站点的相关系数介于0.61～0.86,其中82%的站点的相关系数≥0.7;而北部亚区站点的相关系数介于0.38～0.76之间,6%的站点的相关系数介于0.4～0.6之间,相关系数大于0.7的站点仅占25%。这两个亚区与关键区的相关系数分别为0.86和0.64,二区的分界线与相关系数0.7的等值线大体一致。在新疆地区,南疆和北疆与关键区的相关系数分别为0.79和0.64。3不同区域的寒潮影响的程度不同蒙古高压南下形成的冷空气过程对中国大部分地区冬季气候具有支配作用,寒潮是其中的典型代表。寒潮关键区是这些冷空气南下的必经之地,该区域的温度对南下冷空气的变性作用在一定程度上决定了南下冷空气的强度,正因为如此,关键区与中国大部分地区温度变化具有显著正相关关系(图1)。相关系数所呈现出的鲜明的区域差异与寒潮频次的区域差异基本一致,体现了南下冷空气对中国各地的影响程度的差异。比如,由图1可以看出,在寒潮比较频繁(≥1次/a)的区域,大多数站点的相关系数≥0.7;在该区域的边缘,比如南岭以南、四川盆地、塔里木盆地和东北北部地区,寒潮的频次相对比较低,相关系数也略有降低,但仍然是通过显著性检验的;而在青藏和云南地区,寒潮频次几乎为零,相关系数也不显著。由此可知,中国大陆各地受北方冷空气影响的程度不同是造成相关系数区域差异的根本原因。各区域(大区之间,及大区内的亚区之间)与关键区的相关程度差异明显,这意味着各区域受北方冷空气影响的程度不同。换言之,各地受北方冷空气影响程度不同是造成中国大陆冬季温度变化区域差异的主导因素。而各地受北方冷空气影响的程度不仅取决于大的环流形式,而且还深受大地形格局的影响。就大气环流而言。冬季,低空的冷气流源自亚洲内陆,一支经东北直奔西北太平洋上的阿留申低压,因此中国东北和内蒙呼盟等地区冬季多偏西风。另一支也是主要的一支,南下中国东部大陆,使中国大部分地区冬季盛行偏北气流,由此造成中部地区受冷气流的影响比新疆和东北地区严重;就东北地区来说,南部亚区受的影响比北部亚区严重。就地形的影响而言,青藏高原的存在一方面加强了东亚冬季风,使得入侵中国的冷空气加强,另一方面青藏高原和云南高原高海拔的地形使得这一区域免受冬季风的影响,这也就形成了滇藏地区与其余低海拔地区温度变化的差异;另外,在东部地区,秦岭-大巴山、武夷山-南岭对南下冷空气的阻挡极大的减弱了冷空气的强度,使得其以南地区受冷空气影响的程度比较弱,这也就形成了川黔区、东南区与北方-中部地区的差异;同样,在新疆地区,天山山脉对冷空