支星 談建國 孫蘭東

(1.上海市氣象局科技處，上海200030；2.上海市氣候中心，上海200030；3.中國氣象局上海城市氣候變化應對重點開放實驗室，上海200030)

引言

當前，全球氣候系統(tǒng)受人類活動影響日益加劇，得到各國政府部門和廣大公眾的關注，氣候變化研究已成為熱點問題。已有研究表明，全球地表氣溫升高是不爭的事實[1－4]。IPCC于2014年發(fā)布的第五次評估報告指出，近百年氣候變暖是毋庸置疑的[5]。鑒于氣候系統(tǒng)內部的相互關聯，氣候學家的關注焦點逐漸從地面擴展至高空，使得高空溫度變化的研究也逐漸成為熱點問題。目前，高空溫度資料主要包括探空觀測資料、衛(wèi)星遙感資料和再分析資料三大類，探空溫度資料盡管存在一定的人為誤差，但其觀測歷史悠久、垂直層次多，空間分辨率高，在高空氣候變化研究中具有不可替代性[6]，尤其在20世紀70年代以前，是高空大氣相關信息的唯一來源[7]。

國外專家學者對于探空溫度資料的研究起步較早。如Angell[8]利用1958—1998年全球63個探空站的觀測資料，發(fā)現全球范圍地面和對流層(850—300 hPa)普遍為增溫趨勢，北半球地面增暖趨勢比對流層大，而南半球對流層增暖趨勢比地面大。Branislava等[9]利用22個探空站對澳大利亞1958—2011年的高空溫度進行分析，發(fā)現850 hPa、700 hPa的增溫趨勢大于地面，平流層下層100 hPa降溫趨勢非常顯著。Brocard等[10]利用53個探空站對瑞士1959—2011年高空溫度進行分析，發(fā)現1980年以來對流層增溫明顯，增溫趨勢向上逐漸減弱并在平流層變成降溫趨勢，對流層增溫趨勢在夏季最為顯著，平流層降溫趨勢在冬季最為顯著。RavindraBabu等[11]利用印度南部熱帶探空站Gadanki的2006—2018年探空數據，對印度本地的高空溫度進行分析，發(fā)現在平流層低層有較明顯的降溫趨勢，最大降溫趨勢為(1.3±0.86)K/10 a，在對流層整層均為升溫趨勢，最大升溫趨勢為(0.44±0.55)K/10 a。

中國探空觀測始于20世紀50年代，觀測站點由少到多，逐步遍布全國，探空資料的均一化研究始于20世紀90年代。相比于其他再分析資料，探空資料在中國區(qū)域的研究中可信度較高[6－7，12]，很多專家學者圍繞全國范圍或國內某特定區(qū)域進行研究，獲得了有價值的研究成果。在中國全國范圍來看，薛德強等[13]利用全國28個探空站研究發(fā)現，1961—2000年對流層中下層大部分地區(qū)呈現升溫趨勢，對流層上層和平流層大部分地區(qū)呈現降溫趨勢。王穎和任國玉[14]利用全國1961—2004年134個臺站的探空溫度資料，發(fā)現對流層中下層緯度越高增溫趨勢越明顯，對流層上層緯度越高降溫趨勢越明顯，平流層底層緯度越低降溫趨勢越明顯。郭艷君和王國復[15]根據1958—2017年均一化的探空氣溫序列，發(fā)現對流層升溫其中300 hPa升溫最為明顯，平流層下層降溫，1979年后對流層升溫趨勢趨于顯著。陳哲等[16]利用3種方法對1951—2008年中國123個探空站溫度資料進行均一性檢驗和訂正，發(fā)現對流層為增溫趨勢，增溫趨勢隨高度的增加逐漸減弱，至對流層頂100 hPa轉為弱的降溫趨勢。

在中國國內某特定區(qū)域范圍來看，王榮英等[17]利用1979—2008年華北地區(qū)12個探空站資料，發(fā)現華北近地面到250 hPa的年平均溫度和季節(jié)平均溫度均呈現增溫趨勢，且離地面越近增溫趨勢越明顯，對流層中下層在秋、冬季增溫最為明顯。謝瀟等[18]利用中國地區(qū)137個探空站及地面160站資料，發(fā)現中國東部850—300 hPa于20世紀80年代末開始變暖，300—200 hPa為過渡層，氣溫由上升趨勢過渡為下降趨勢。柏玲等[19]利用新疆地區(qū)8個探空站逐日觀測資料，發(fā)現1980—2013年新疆對流層上層的降溫幅度大于中下層的增溫幅度。

綜上，目前研究大多集中在高空溫度的時間變化特征方面[20]，對于空間分布特征研究的較少，專門針對中國華東區(qū)域的分析較少。中國華東區(qū)域作為中國綜合技術水平最高的經濟區(qū)，擁有全國30%的人口和38.7%的GDP生產總值。同時，中國華東區(qū)域為副熱帶季風氣候，在全球氣候變暖背景下，城市化和工業(yè)化帶來的城市熱島效應也十分明顯，近年來氣溫增暖顯著[21－22]，但高空氣溫變化是否和地面增暖趨勢一致尚有待驗證。因此，本文利用1961—2017年的中國華東區(qū)域的探空資料分析該區(qū)域高空溫度的時間和空間變化特征，為中國華東區(qū)域高空溫度的年、季節(jié)變化趨勢特征及對全球氣候變化的響應提供參考。

1 資料與方法

所用的探空資料為國家氣象信息中心整編的中國高空規(guī)定等壓面月平均溫度均一性訂正數據集(V1.1)。數據為月平均資料，涵蓋中國地區(qū)121個探空臺站，等壓面共8層，包括:100 hPa、150 hPa，200 hPa、300 hPa、400 hPa、500 hPa、700 hPa、850 hPa，每天進行兩次探空觀測，分別為世界時的00時和12時，資料的時間長度為1951年4月至2017年12月。

本文在進行資料處理時，對于每個站點，當08時和20時兩個時次中有一個時次的值缺失時，該站點該月數據即認定為缺測。一旦某站點某年缺測超過2次，即剔除該站點。嚴格的資料缺測處理方法可充分保證資料的連續(xù)性，最大限度避免引入誤差。在研究時間變化特征時，對于整個中國華東區(qū)域的年平均溫度，以所有探空站年平均溫度的算術平均來計算。

中國華東區(qū)域六省一市本身探空站點不多，在綜合考慮站點時間序列長度及數據缺測率的基礎上，共選取13個探空站進行分析，站點空間分布如圖1所示，具體信息見表1。13個站點中，山東省1個(青島)、安徽省1個(阜陽)、江蘇省3個(射陽、徐州、南京)、上海市1個(寶山)、浙江省2個(杭州、衢州)、江西省2個(南昌、贛州)、福建省3個(福州、邵武、廈門)，實現中國華東區(qū)域六省一市全覆蓋，且站點分布相對均勻，空間性良好。

圖1 中國華東區(qū)域13個探空站空間分布Fig.1 Locations of 13 radiosonde stations in East China

表1 中國華東區(qū)域13個探空站的地理信息Table 1 Detailed information of 13 radiosonde stations in East China

本文選取的研究時段為1961—2017年，選取850 hPa、500 hPa、200 hPa三個數據質量較好的層次，分別代表對流層中下層、對流層中層和對流層頂。季節(jié)劃分方法為冬季(12—2月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)和秋季(9—11月)。

2 結果分析

2.1 高空溫度的時間變化

2.1.1 年際變化

圖2 1961—2017年中國華東區(qū)域探空站850 hPa(a)、500 hPa(b)和200 hPa(c)高空溫度的年際變化Fig.2 Interannual variation of radiosonde upper-level air temperature at 850 hPa(a)，500 hPa(b)，and 200 hPa(c)in East China from 1961 to 2017

由圖2可知，1961—2017年中國華東區(qū)域探空站的850 hPa年平均溫度以0.17℃/10 a的線性趨勢顯著增加(通過了置信度α＝0.1的顯著性檢驗)，最高溫度出現在1998年的11.5℃，最低溫度出現在1984年的9.6℃。500 hPa的年平均溫度增加趨勢較850 hPa弱，為0.10℃/10 a(通過了置信度α＝0.1的顯著性檢驗)，200 hPa的年平均溫度也呈現升溫趨勢，增溫幅度比500 hPa大，達0.14℃/10 a(通過了置信度α＝0.1的顯著性檢驗)。

綜合地面同時期的氣溫變化(0.20℃/10 a增溫趨勢，圖略)來看，1961—2017年中國華東區(qū)域地面和對流層中下層增溫趨勢明顯，向上增溫趨勢減弱，對流層頂增溫趨勢有所增強。這與陳哲和楊溯[23]研究結論類似，即研究1979—2012年中國探空溫度資料中非均一性問題發(fā)現，探空資料在進行均一化訂正后，100 hPa以下為升溫趨勢。這也與郭艷君和王國復[15]發(fā)現1958—2017年均一化的探空氣溫序列中300 hPa升溫最為明顯的研究結論類似。

對流層的增溫趨勢，主要和對流層的熱量來源有關。對流層的熱量主要來自地表的長波輻射，近60 a地表氣溫顯著上升，通過對流活動向對流層高空輸送的熱量持續(xù)增加。同時，對流層的溫室氣體增加吸收了大量的長波輻射，造成對流層大氣溫度的升高[13，19，24]。

值得一提的是，在選取的13個站點中，上海寶山站經歷了遷站的問題。上海中心氣象臺于1954年12月20日開始施放P3—049型探空儀(梳齒式電碼型探空儀)，探測高空氣壓、溫度、濕度資料[25]，但當時的觀測是在上海徐家匯。1991年1月，高空氣象探測站遷至寶山區(qū)寶楊路280號。因此，寶山站的資料其實分為兩段，一段是在1961—1990年，觀測資料用的是上海徐家匯站的觀測資料，另一段是在1991—2017年，觀測資料用的是上海寶山站的觀測資料。為確保資料的可用性，本文分析了遷站對寶山站850 hPa高空溫度變化的影響，見圖3。由圖3可知，寶山站在1991年前后的850 hPa溫度數據是連續(xù)的，1991年前溫度趨勢變化幾乎是一條直線，1991年之后溫度呈現較明顯的升溫趨勢，并沒有出現類似儀器設備更換、輻射訂正方法改變等帶來的系統(tǒng)性偏低的誤差[7，23]，同時寶山站整體1961—2017年850 hPa的增溫趨勢在0.14℃/10 a左右，與圖2a較為接近，因此寶山站雖然經歷了遷站，但資料可用。這也與吳慧等[26]的研究結論類似，該研究應用E-P檢驗方法監(jiān)測中國東部4個站的非均一性，發(fā)現這些站的序列在遷站年前后沒有出現間斷點。

圖3 1961—2017年850 hPa上海寶山站高空溫度變化Fig.3 Variation of air temperature at 850 hPa observed at the Baoshan station in Shanghai from 1961 to 2017

2.1.2 年代際變化

由中國華東區(qū)域探空站的年代際變化特征可知(表2)，850 hPa平均溫度先降后升，20世紀70年代達到最低的10.09℃后開始逐漸升高，并在21世紀前10 a達到最大，同時增溫趨勢在2011—2017年達到最大的1.89℃/10 a(通過置信度α＝0.1的顯著性檢驗)。500 hPa平均溫度則和850 hPa呈現出類似的特點，同樣是在20世紀70年代達到最低后開始逐漸升高，在2011—2017年平均值達到最大，最大增溫趨勢也出現在這7 a。200 hPa平均溫度的年代際變化特征則總體呈現持續(xù)的升溫趨勢，最低值在1961—1970年，最高值在2011—2017年。

綜上，1961—2017年中國華東區(qū)域850 hPa、500 hPa平均溫度的年代際變化均呈現出先降低后升高的趨勢，而200 hPa平均溫度變化的年代際變化則呈現持續(xù)升高的趨勢。這與對吉林省高空溫度的分析結論類似，即850—300 hPa，各年代平均溫度在20世紀60—70年代溫度降低，70—90年代溫度升高[27]。

表2 1961—2017年中國華東區(qū)域探空站高空溫度年代際變化Table 2 Interdecadal variation of radiosonde upper-level air temperature in East China from 1961 to 2017

2.1.3 季節(jié)變化

從不同層次不同季節(jié)的溫度變化趨勢來看(圖4至圖6)，850 hPa(圖4)各季節(jié)均呈現出增溫趨勢，其中冬季的增溫趨勢最大，達到0.28℃/10 a(通過了置信度α＝0.1的顯著性檢驗)，春、秋季增溫趨勢雖不及冬季，也均達到了0.16℃/10 a以上(通過了置信度α＝0.1的顯著性檢驗)，夏季則增溫趨勢非常微弱。500hPa(圖5)，不同季節(jié)的增降溫

圖4 1961—2017年中國華東區(qū)域探空站850 hPa春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均溫度變化Fig.4 Annual variation of seasonal mean air temperature at 850 hPa in spring(a)，summer(b)，autumn(c)，and winter(d)in East China from 1961 to 2017

圖5 1961—2017年中國華東區(qū)域探空站500 hPa春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均溫度變化Fig.5 Annual variation of seasonal mean air temperature at 500 hPa in spring(a)，summer(b)，autumn(c)，and winter(d)in East China from 1961 to 2017

圖6 1961—2017年中國華東區(qū)域探空站200 hPa春季(a)、夏季(b)、秋季(c)、冬季(d)平均溫度變化Fig.6 Annual variation of seasonal mean air temperature at 200 hPa in spring(a)，summer(b)，autumn(c)，and winter(d)in East China from 1961 to 2017

趨勢不一，春季為微弱的降溫(－0.027℃/10 a)， 夏、秋、冬季為增溫，其中冬季的增溫趨勢則最為明顯(0.24℃/10 a)，夏季增溫趨勢微弱(0.025℃/10 a)。200 hPa(圖6)，夏季為微弱的降溫趨勢(－0.03℃/10 a)，春、秋、冬季則為顯著的升溫趨勢，尤其在冬季達到0.26℃/10 a。

總體而言，秋、冬季在各個層次上均呈現顯著的增溫趨勢，冬季的增溫趨勢明顯大于其他季節(jié)，500 hPa春季和200 hPa夏季有微弱的降溫趨勢。這與Chen等[24]在中國西北地區(qū)的研究較為類似，Chen等利用中國西北地區(qū)14個探空站的溫度資料，對1960—2009年850—50 hPa的8個標準層進行研究發(fā)現，中國西北地區(qū)對流層中下層的增溫趨勢在秋、冬季更為明顯。

2.2 高空溫度的空間分布

2.2.1 年平均溫度的空間分布

圖7 1961—2017年中國華東區(qū)域探空站850 hPa(a)、500 hPa(b)和200 hPa(c)年平均溫度空間分布Fig.7 Spatial distribution of annual mean air temperature at 850 hPa(a)，500 hPa(b)，and 200 hPa(c)in East China from 1961 to 2017

1961—2017年中國華東區(qū)域高空溫度的空間分布見圖7，由圖7可知，各層次均呈現出明顯的南高北低的特征。850 hPa，北部(山東、安徽、江蘇、上海等省市)溫度為6.2—9.4℃，南部(江西、浙江、福建等省)溫度則多為10.0—14.4℃，南北平均溫差在4.0℃左右。500 hPa，北部溫度多為－15.6～－11.4℃，南部溫度多為－10.2～－6.4℃，南北平均溫差接近5.0℃。200 hPa，北部溫度多為－52.8～－51.7℃，南部溫度多為－52.2～－51.7℃，南北平均溫差不到0.2℃。因此，中國華東區(qū)域各層次年平均溫度分布均呈現出明顯的南北差異，且隨著高度的增加，南北平均溫差先增大后減小。

2.2.2 年平均溫度變化趨勢的空間分布

圖8 1961—2017年中國華東區(qū)域探空站850 hPa(a)、500 hPa(b)和200 hPa(c)年平均溫度變化趨勢的空間分布Fig.8 Spatial distribution of variation trend of annual mean air temperature at 850 hPa(a)，500 hPa(b)，and 200 hPa(c)in East China from 1961 to 2017

1961—2017年中國華東區(qū)域探空站年平均溫度變化趨勢的空間分布見圖8，圖8進一步表明2.1.1節(jié)中提到的對流層中下層增溫趨勢明顯，向上增溫趨勢減弱，對流層頂增溫趨勢又有所增強的特征。不同層次來看，850 hPa各站均呈現出顯著增溫趨勢，趨勢均在0.09℃/10 a以上，其中華東沿海的青島、射陽等站的增溫趨勢更是達到了0.26℃/10 a以上。500 hPa所有站點也普遍呈現出增溫趨勢，但 是增溫趨勢不如850 hPa明顯，一些華東內陸站點(徐州、阜陽、衢州、邵武)增溫趨勢不足0.07℃/10 a(未通過置信度α＝0.10的顯著性檢驗)，華東沿海站點尤其是東南沿海站點增溫趨勢較為顯著，在0.13℃/10 a以上。200 hPa華東北部有三個站點(徐州、射陽、寶山)出現了降溫趨勢，而南部則增溫趨勢非常顯著，大多在0.17℃/10 a以上。200 hPa的溫度變化情況與吳慧等[26]的研究結論相似，吳慧等研究表明，1958—2005年的中國東部對流層上層溫度在江蘇、上海等地為降溫趨勢，在安徽、浙江北部、山東東部等地為增溫趨勢。

2.2.3 季節(jié)平均溫度變化趨勢的空間分布

由1961—2017年中國華東區(qū)域各季節(jié)高空溫度變化趨勢的空間分布可知(圖4)，850 hPa春、秋、冬季各站點普遍為增溫趨勢，且呈現出華東沿海地區(qū)增溫趨勢大于內陸地區(qū)的態(tài)勢，夏季則華東沿海地區(qū)增溫、內陸地區(qū)降溫(圖9)。500 hPa(圖略)秋季、冬季普遍呈現增溫趨勢，華東南部地區(qū)和沿海地區(qū)增溫趨勢較大，春季、夏季一半左右的站點呈現出降溫趨勢，春季呈現降溫趨勢的站點主要在華東的北部地區(qū)，夏季呈現降溫趨勢的站點主要在華東的內陸地區(qū)，這與謝瀟等[18]的結論相似，謝瀟等認為中國東部500 hPa冬季為一致的增溫趨勢，500 hPa夏季35°N以南地區(qū)為降溫趨勢。200 hPa(圖略)冬季所有站點均為增溫趨勢，春季除徐州站外其余站點均為增溫趨勢，夏季和秋季則一定程度上呈現華東南部地區(qū)增溫、北部地區(qū)降溫的態(tài)勢。

圖9 1961—2017年中國華東區(qū)域探空站850 hPa夏季溫度變化趨勢的空間分布Fig.9 Spatial distribution of variation trend of annual mean air temperature at 850 hPa in East China during summer from 1961 to 2017

3 結論與討論

(1)從年際變化特征來看，1961—2017年中國華東區(qū)域對流層中下層增溫趨勢明顯，向上增溫趨勢減弱，對流層頂增溫趨勢有所增強。上海寶山站1991年的遷站并不影響其高空溫度資料質量。

(2)從年代際變化特征來看，850 hPa、500 hPa平均溫度的年代際變化均呈現出先降低后升高的趨勢，而200 hPa平均溫度的年代際變化則呈現持續(xù)升高的趨勢。

(3)從季節(jié)變化特征來看，秋、冬季在各個層次上均呈現顯著的增溫趨勢，冬季的增溫趨勢明顯大于其他季節(jié)，500 hPa春季和200 hPa夏季有微弱的降溫趨勢。

(4)從空間分布特征來看，各層次年平均溫度分布均呈現出明顯的南北差異，且隨著高度的增加，南北平均溫差先增大后減小。

(5)溫度變化趨勢的空間分布特征表明，850 hPa、500 hPa年平均溫度變化趨勢一定程度上呈現出華東沿海地區(qū)增溫趨勢大于內陸的特征，200 hPa則為華東南部的增溫趨勢大于北部的特征。850 hPa各季節(jié)為中國華東沿海地區(qū)增溫、內陸增溫趨勢小于沿海地區(qū)或內陸呈現降溫趨勢，500 hPa的春季和200 hPa的夏、秋季則為中國華東南部地區(qū)增溫、北部地區(qū)降溫。

(6)由于中國華東區(qū)域的探空站點數目相對較少，可能對分析中國華東區(qū)域高空溫度變化的時空分布特征存在一定影響。此外，本文主要基于探空資料進行觀測事實的分析，其中得到的一些結論，尤其是年平均溫度和季節(jié)平均溫度變化趨勢的空間分布特征的原因還有待進一步研究。