温度是全球气候变化研究中非常重要的基础要素，气温的变化不仅影响气候系统，同时影响农业、水资源、生态系统、人们的日常生活等。百年尺度上，中国的升温趋势与全球基本一致，1951～2009年，中国陆地表面平均温度上升1.38 °C，变暖速率为0.23 °C(10 a)⁻¹(《第二次气候变化国家评估报告》编写委员会，2011)。和全球平均气温变化一致，近100年来中国的增温也主要发生在冬季和春季，而夏季却有微弱变凉的趋势(唐国利和任国玉，2005)。科学家对近50年我国不同地域气温时空分布与变化特征等取得很多研究成果，如不同地域气温的时空分布及变化特征(王凯等，2010；元慧慧等，2012)、中国大陆极端气温事件的变化(胡宜昌等，2007；周雅清和任国玉，2010)和气温与大气环流的关系(龚道溢和王绍武，1999；范可和刘辉，2013)。

黄河是中国第二大河，发源于青海巴彦柯拉山，流经青海、四川、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南、山东等省份。黄河流域横贯中国东西，幅员辽阔，地形地貌差别很大。流域内气候大致可分为干旱、半干旱和半湿润气候，西部干旱，东部湿润。在气候变化和人类活动的双重影响下，黄河流域的气候特点也发生了明显改变。在以往的研究中(祝青林等，2005；徐宗学和张楠，2006；邵晓梅等， 2006，2007；王春学和李栋梁，2012；张善强，2012)，对黄河流域水资源的研究较多，而有关黄河流域气温的气候变化特征研究较少，气温的变化对黄河流域径流、蒸发等水资源变化以及植被、生态系统都存在直接或间接的影响(刘晓东等，2002；杨胜天等，2002；史忠海等，2006；殷贺等，2009；唐芳芳等，2012；马雪宁等，2012a)，冬季气温是影响黄河凌汛，开、封河的一个重要因子(王文东等，2006)，所以了解气温的变化有助于认识黄河流域多变的气候特征，并对黄河流域民众的生产生活提供科学指导。本文以气象站观测资料为基础，综合分析近50年来黄河流域气温的特征，为黄河流域气候变化影响研究提供科学依据。

本文所用资料为1961～2010年黄河流域142个气象站点经质量控制后的逐日气温资料，由黄河流域各省份提供。考虑到地表气温观测中存在的非均一性问题(Li and Yan， 2009)，在选取站点时对涉及资料非均一性问题的站点进行了剔除。黄河流域142个气象站点中，上游气象观测站52个、中游78个、下游12个。黄河流域的边界数据来自水利部水电规划总院。

文中四季的划分：冬季12月至次年2月，春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月。

利用趋势系数(魏凤英，2007)计算和判断年、季平均气温的长期变化和显著性。

为了解气象要素的长期趋势变化，计算气象要素的时间序列与自然数数列之间的相关系数(称为趋势系数)，趋势系数R的计算公式为

其中，x为平均气温(年或季)，t为时间(年份或序号)，i为样本的序列号(取值为1，2，…，50)，样本数n＝50，x表示气温的平均值，t为时间的平均值。R值的符号反映气温增高或降低的变化趋势，R＞0，表示在计算时段内气温呈增温趋势，R＜0，表示呈降温趋势。其变化趋势的显著程度用相关系数检验法，确定趋势是显著的，还是随机振动。

黄河流域四季平均气温的空间分布大致相似(如图 1所示)，呈现西部低、东部高、北部低、南部高的分布特点。因黄河流域地域宽广，不同地域在同季节中气温差别较大。四个季节中，夏季气温差距最大，最高值与最低值间相差19.5 °C，冬季差距为17.1 °C。春、夏季，沿黄河流经方向，气温呈上升趋势：在黄河源区和青海一带气温略低，黄河上游的河套平原和中游的大部分地区气温升高，黄河中、下游一带气温最高。秋、冬季节，黄河中游的南北向气温梯度较大。冬季，河套北部地区是除黄河源区外气温最低的区域。

图 1

Fig. 1

图 1 黄河流域四季平均气温的气候态分布Fig. 1 Seasonal mean temperature in the Yellow River valley

为了考察黄河流域气温的空间变化模态，对冬季气温进行经验正交函数(Empirical Orthogonal Function，EOF)分解(图 2)，发现第一模态的空间型呈现全流域一致的气温增加趋势，时间系数在80年代中后期由负变正，具有很强的增暖趋势，与东亚冬季风在20世纪80年代中后期的年代际变化时间是一致的。这一模态的解释方差达78.7%，且趋势值从北往南递减。第二模态的空间型表现为以河套中西部为界东西反相的变化特征，说明在年际尺度上，如果上、中游的气温为正距平，则中、下游的气温多为负距平，反之亦然，第二模态解释方差为7.6%。第三模态的空间型主要表现为南北反相的分布特征，即黄河源区和河套以北的大部与河套以南区域变化相反。这种分布存在明显的年际变化特征，且在20世纪80年代初以后，该模态的年际变率较之前有所减小。第三模态的解释方差为3.6%，说明这种南北反相的年际变化也是冬季平均气温变化的一部分。对年平均的气温进行EOF分解，结果与冬季气温类似(图略)。

图 2

Fig. 2

图 2 黄河流域冬季平均气温的EOF模态Fig. 2 Empirical Orthogonal Function(EOF)modes of winter temperature in the Yellow River valley

1961～2010年黄河流域年平均气温为9.0 °C(如图 3所示)，随时间变化呈现上升趋势，升温速率为0.30 °C(10 a)^-1(达到99%信度)，高于全国年平均气温的增温趋势(唐国利等，2009)。近50年黄河流域升温1.5 °C左右，高于近百年全国平均的升温幅度0.78±0.27 °C。

图 3

Fig. 3

图 3 黄河流域1961～2010年年平均气温的时间序列变化趋势Fig. 3 Annual mean temperature in the Yellow River valley during 1961−2010

近50年黄河流域最暖的年份为2006年(年平均气温为10.3 °C)，次暖年为1998年(年平均气温为10.2 °C)；最冷的年份为1984年(年平均气温为7.9 °C)，次冷年为1967年和1976年(年平均气温为8.0 °C)。平均气温序列标准差为0.6，说明在这50年中黄河流域年平均气温的波动幅度较大，气温最高年和最低年相差2.4 °C。

黄河流域近50年气温的变化大致分两个阶段：1)20世纪60年代至80年代中期，黄河流域平均气温处于相对低值期(气温在8～9 °C之间)，气温的年际变化明显，年平均气温变化幅度在1 °C之间。60、70、80年代的平均气温分别为8.5 °C、8.7 °C、8.7 °C(表 1)，气温的年代际变化不明显。2)20世纪80年代中后期至2010年，气温出现大幅上升(气温最大值出现在2006年，年平均气温达10.3 °C)，且在20世纪90年代以后上升明显，20世纪后期黄河流域变暖可能是全球变暖的一部分(《第二次气候变化国家评估报告》编写委员会，2011)。90年代平均气温为9.3 °C，较80年代增加0.6 °C；21世纪前10年仍保持升温趋势，平均气温为9.7 °C，较70和80年代增温1 °C。马雪宁等(2012b)的研究也发现了一致的年代际变化信号。

表 1(Table 1)

表 1 黄河流域1961～2010年各年代平均气温 Table 1 Decadal mean temperature in the Yellow River valley during 1961−2010 °C 年代 流域 上游 中游 下游 1961～1970 8.5 5.0 10.2 13.3 1971～1980 8.7 5.3 10.3 13.2 1981～1990 8.7 5.4 10.2 13.3 1991～2000 9.3 6.0 10.8 13.9 2001～2010 9.7 6.6 11.1 14.1

表 1 黄河流域1961～2010年各年代平均气温 Table 1 Decadal mean temperature in the Yellow River valley during 1961−2010 °C

1961～2010年上、中、下游的年平均气温分别为5.7 °C、10.5 °C、13.6 °C，因所处纬度、地形及气候带的不同，中、下游气温较上游高。上、中、下游平均气温随时间均呈上升趋势，其中上游升温最快，升温速率达0.40 °C(10 a)⁻¹，为黄河流域升温最大的区域；下游则相对略小，升温速率为0.23 °C(10 a)⁻¹；中游为0.25 °C(10 a)⁻¹。从表 2可以看到，上、中、下游1961～2010年平均气温的趋势系数分别为0.81、0.64、0.6，均达到99%信度标准。

表 2(Table 2)

表 2 黄河流域1961～2010年平均气温、趋势系数及其变化趋势 Table 2 Temperature，trend coefficient， and warming rate in the Yellow River valley during 1961−2010 流域 上游 中游 下游 平均值/°C 9.0 5.7 10.5 13.6 趋势系数 0.73 0.81 0.64 0.6 变化速率/°C(10 a)−1 0.30 0.40 0.25 0.23

表 2 黄河流域1961～2010年平均气温、趋势系数及其变化趋势 Table 2 Temperature，trend coefficient， and warming rate in the Yellow River valley during 1961−2010

上、中、下游近50年气温的年际、年代际变化与流域总体相似但略有差异(图 3)：年平均气温均呈现增温的趋势，且在20世纪90年代后升温更明显，这与康丽华等(2006)研究相似。但在20世纪60～80年代不同流域气温的总体变化略有差异，上游气温在该时段呈略增加趋势，而中、下游气温随时间则呈略下降趋势，但该时段的趋势都没有通过信度检验。

在黄河流域50年气温的空间趋势变化分布中(图 4)，整个流域气温均随时间显著升高，增温趋势具有十分明显的空间一致性，且稳定通过99%信度检验。黄河上游、河套地区升温速率明显高于黄河中、下游：上游的大部分地区增温速率为0.4～0.7 °C(10 a)⁻¹，其中青海大通站、内蒙古五原站增温速率均在0.6 °C(10 a)⁻¹以上，增温速率最大的为青海同德站，达0.71 °C(10 a)⁻¹，均通过99%的信度检验。中、下游地区增温速率为0.01～0.4 °C(10 a)⁻¹，陕西、山西、河南交界的山区一带气温的增温速率略小，在0.2 °C(10 a)⁻¹以内，个别地市未通过95%的信度检验；中、下游的其它地区增温速率一般在0.2～0.4 °C(10 a)⁻¹，均通过95%的信度检验，其中大部分地区通过99%的信度检验。

图 4

Fig. 4

图 4 黄河流域1961～2010年平均气温气候趋势显著性检验及气候趋势值(阴影区通过95％信度检验)Fig. 4 Significance test of the temperature trend and trend values during 1961−2010 in the Yellow River valley(shadings are above 95％ confidence level)

1961～2010年黄河流域春、夏、秋、冬四季的平均气温均呈现上升趋势，与年平均气温的变化趋势相似，四季气温在20世纪90年代中后期上升明显，但不同季节的升温速率存在差异(图 5)。春、秋、冬季增温显著(达到99%信度标准)，其中以冬季增温幅度最大，升温速率为0.52 °C(10 a)⁻¹，这表明在年平均气温的增加中，冬季增温的贡献最大；春、秋季次之，夏季最小(表 3)，这与近50年中国气候变化特征中对全国四季气温的研究结果是一致的(王遵娅等，2004；虞海燕等，2011)。在春季，2010年又出现了过去十几年来的最低气温(9.7 °C)，低于1971～2000年多年平均值，说明在全球变暖的背景下，气温的年际变率可能增强(王遵娅等，2004)。

图 5

Fig. 5

图 5 黄河流域1961～2010年四季平均气温的时间序列Fig. 5 Time series of the seasonal mean temperature in the Yellow River valley during 1961−2010

表 3(Table 3)

表 3 黄河流域1961～2010年四季平均气温增加幅度 Table 3 The warming rate of seasonal temperature during 1961−2010 in the Yellow River valley °C(10 a)−1 流域 上游 中游 下游 春季 0.30** 0.32** 0.30** 0.26** 夏季 0.14 0.30** 0.06 －0.01 秋季 0.26** 0.36** 0.21** 0.19** 冬季 0.52** 0.63** 0.45** 0.60** *达到95%信度标准，**达到99%信度标准。

表 3 黄河流域1961～2010年四季平均气温增加幅度 Table 3 The warming rate of seasonal temperature during 1961−2010 in the Yellow River valley °C(10 a)−1

四季平均气温的空间趋势分布图没有给出，我们就其主要特点进行简要的描述。春季，整个流域均呈现显著增温趋势。夏季气温的空间变化与春季差异明显，黄河上、中游气温呈增温趋势，而下游气温增加不明显。上游仅青海、甘肃和内蒙古的部分地区通过95%的信度检验；中游气温增幅略小，下游无明显增温或略有降温，均未通过信度检验。秋季，黄河源区和河套一带的升温趋势均通过99%的信度检验；黄河中、下游增温幅度较上游小，大部分地区通过95%的信度检验，局部未通过信度检验。冬季全流域呈现一致性的显著增温趋势，上游大部分地区增温速率超过0.5 °C(10 a)⁻¹，青海、甘肃和内蒙古的局部升温速率超过0.8 °C(10 a)⁻¹；中游和下游大部分地区增温速率约为0.4 °C(10 a)⁻¹，均通过99%信度检验。

另外，为了去除季节循环和年循环对趋势的可能贡献(Zhao et al., 2011)，计算趋势时(图 3和图 5)，我们先将逐月数据进行距平处理，而后对其年和季节的序列进行气候趋势计算，与直接用气候平均值所得到的气候趋势是一致的(图略)。

黄河流域近50年来的增暖，与全球变暖的信号是一致的。从图 5可以看到，在80年代中期和90年代末期，黄河流域气温存在两次明显的增暖。深入分析可知，80年代中期后的增暖主要是冬季增暖的贡献，90年代末以来的增暖主要是春、夏季增暖的贡献。图 6a和6b分别是1986～1995年与1961～1980年冬季、1999～2010年与1986～1995年夏季的850 hPa温度差值场，可以看出，黄河流域的这两次年代际尺度增暖并不是区域现象，而是在大范围年代际增暖的背景下发生的。这两次增暖的中心都发生在贝加尔湖上空。已有的研究揭示，80年代中期，东亚冬季风发生显著减弱，导致东亚冬季显著变暖(Wang et al., 2009)，而90年代末期，东亚夏季气候发生显著变化，贝加尔上空及其南侧显著增温(Zhu et al., 2011)。东亚季风的这两次年代际变化与黄河流域气温的年代际增暖有明显的联系。

图 6

Fig. 6

图 6(a)1986～1995年与1961～1980年冬季、(b)1999～2010年与1986～1995年夏季的850 hPa温度差值场(单位：ºC，阴影区通过90％信度检验)Fig. 6 The differences of 850-hPa temperature(ºC)between(a)1986−1995 and 1961−1980 in winter and (b)1999−2010 and 1986−1995 in summer(shadings are above 90% confidence level)

本文对1961～2010年黄河流域年平均气温的时空分布及其变化特征进行分析。黄河流域年平均气温呈西部低、东部高，北部低、南部高，上游低，中、下游高的分布特征。对冬季气温进行EOF分析的结果显示：第一模态为全流域一致的增温，可以解释78.7%的方差；第二模态为东、西部气温反相变化的分布特征，解释7.6%的方差，时间系数以年际－年代际尺度变率为主；第三模态为南、北部反相变化的分布特征，解释3.6%的方差，20世纪80年代初以后该模态的变化幅度有所减小。年平均气温的EOF分析结果与冬季相似。

1961～2010年整个流域的气温均随时间是显著(达到99%信度标准)升高的，升温趋势具有十分明显的空间一致性。流域年平均气温随时间变化呈现上升趋势，升温速率为0.30 °C(10 a)⁻¹(达到99%信度标准)，高于全国年平均气温的增加速率。四季气温均呈增加趋势，升温速率冬季＞春季＞秋季＞夏季，均通过95%的信度检验。冬季是黄河流域气温升幅最大的季节，对年平均增温的贡献最大。在20世纪60年代至80年代中期，黄河流域平均气温相对稳定，20世纪80年代中后期至2010年，气温出现大幅上升，尤其20世纪90年代以后，气温增加明显。

近几十年来黄河流域的增温趋势，除了全球变暖的原因，可能还主要是来自80年代中期和90年代末期东亚季风的两次年代际跃变的贡献。前一次变暖与80年代中后期东亚冬季风的年代际减弱导致的东亚地区冬季温度升高密切联系(Wang et al., 2009)，而后一次变暖可能与东亚夏季气候在90年代末期的年代际变化有关(Zhu et al., 2011)。有关东亚季风年代际变化的深层物理机制目前还没有明确的定论，有待将来更深入的研究揭示。

HadCM2模式模拟结果显示，中国区域在21世纪地面气温增量北方大于南方，内陆大于沿海，气温增量在秋、冬季较大，春、夏季较小(许吟隆等，2003)。在不同排放情景下，未来黄河流域气温仍以升高为主(刘绿柳等，2008；刘吉峰等，2011)，增温幅度由东南向西北逐渐增大，黄河流域上游地区和河套地区增温幅度较大，下游地区增温幅度略小。气温升高将造成黄河流域冰川面积减少或消失，同时影响流域内水资源的收支平衡、农业生产与人民生活。为此，应采取积极的适应对策，从而更好的适应气候变暖。