Analysis of the Temporal and Spatial Variation in Land Surface Temperature Over the Qinghai-Tibet Plateau from 1981 to 2015

Yi ZHU; Guang-zhou FAN; Wei HUA; Qian-ru WANG

doi:10.13718/j.cnki.xdzk.2018.11.018

2018 Volume 40 Issue 11

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Yi ZHU, Guang-zhou FAN, Wei HUA, et al. Analysis of the Temporal and Spatial Variation in Land Surface Temperature Over the Qinghai-Tibet Plateau from 1981 to 2015[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(11): 127-140. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.11.018

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Yi ZHU, Guang-zhou FAN, Wei HUA, et al. Analysis of the Temporal and Spatial Variation in Land Surface Temperature Over the Qinghai-Tibet Plateau from 1981 to 2015[J]. Journal of Southwest University Natural Science Edition, 2018, 40(11): 127-140. doi: 10.13718/j.cnki.xdzk.2018.11.018

Analysis of the Temporal and Spatial Variation in Land Surface Temperature Over the Qinghai-Tibet Plateau from 1981 to 2015

1.
School of Atmospheric Sciences/Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province/Joint Laboratory of Climate and Environment Change, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China
2.
Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China

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Received Date: 31/10/2017
Available Online: 20/11/2018
MSC: P423.3

Abstract

In this paper, using the ERA-Interim monthly reanalysis data of land surface temperature (resolution 0.5*0.5 deg) as well as linear regression analysis, wavelet analysis and empirical orthogonal function (EOF), the spatial and temporal variations of annual mean temperature and surface temperature in the Qinghai-Tibet Plateau during the past 25 years (1981-2015) were studied. The results showed that the overall temperature of the Qinghai-Tibet Plateau was lower than that of the surrounding regions. The temperature distribution was mainly affected by topography and latitude. Temperature decreased with increasing altitude and increasing latitude. The high-value centers were located in Qaidam Basin in the northeast of the plateau and in the Zangnan valleys in the south and southeast of the plateau. The low-value centers were located in the Pamirs and the Kunlun Mountains of the northwest of the plateau. The average annual and seasonal surface temperature in the Qinghai-Tibet Plateau kept increasing year by year, and the fast heating rate was the greatest in spring, followed in order by summer, autumn and winter. The warming trend differed in different seasons and different years. The plateau surface temperature change showed an oscillation period of quasi-4 years. The surface temperature in most areas of the plateau increased at a rate of 0.2℃/10 a, the heating rate being generally greater in higher-altitude areas than in lower-altitude areas. In Ngari Prefecture the heating rate was as high as 0.6℃/10 a. The Pamirs and the Qilian Mountains showed a cooling trend, the maximum being up to 0.6℃/10 a. The warming trend of the four seasons was not consistent. The trend of plateau warming in winter and spring was significantly higher than that of summer and autumn. The average seasonal surface temperature of summer, autumn and winter and the average annual surface temperature of the Qinghai-Tibet Plateau were dominated by the overall change, and the reverse changes in spring were more significant and the summer changes were the second.
- the Qinghai-Tibet Plateau,
- land surface temperature,
- temporal and spatial variation

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

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IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change)的5次评估报告中均表明全球的气温在明显升高，其中第四次报告中指出1906-2005年这100年全球气温升高了0.74 ℃，第五次报告中指出1983-2012年是温度最高的30年，全球变暖现象越来越受到广泛的关注^[1-4].青藏高原作为中国乃至全球气候变化的启动器和放大器，在全球变暖的背景下，在气温、降水等方面均呈现出明显的气候变化^[5-8].

回顾以往对青藏高原气候变化的大量研究可以发现，人们的目光主要集中在气温、降水和能量等方面，对地表温度的分析研究甚少，而实际上地表温度是地—气相互作用过程中的一个重要参数，是地面加热场变化的一个重要因子，它定量化地表征地面热源特征，地面加热场的变化可以通过影响其上空的环流场改变局地以及周边的天气和气候.青藏高原是我国面积最大、海拔最高的高原，高大的地形和复杂的下垫面类型使得其地—气相互作用过程对东亚大气环流甚至全球气候变化都有重要的影响^[3-4].青藏高原在夏季为热源，冬季为冷源，直接作用于对流层中部，影响着高原地—气系统间的能量交换.在全球变暖的背景下，对青藏高原地表温度进行深入研究对进一步了解青藏高原的天气特征及其地—气相互作用过程具有重要的意义^[9-16].

江灏等^[11]在2000年利用ISCCP卫星观测地表温度资料分析了青藏高原地表热状况的时空分布特征，认为春季和秋季地表温度分布形势较为相似，与年平均场的分布相近，温度变化的关键区是高原西部和中部.李栋梁等^[12]在2001年利用青藏高原86个气象观测站建站以来的地面观测0 cm地温资料，分析了高原冬、夏季和年平均地表温度的气候特征并对其地表温度异常变化的空间结构和时间变化的趋势作了诊断分析. Liu等^[14]使用1961-2006年青藏高原东部及周边地区的116个气象站的观测资料研究月平均最低气温的变化特征，认为地表温度的气候特征具有海拔依赖性.彭海等^[15]使用ERA-Interim的2 m温度资料分析了1979-2014年地表温度时间和空间分布特征，认为高原地表温度分布呈东南高、西北低，同时高原地表温度变化存在一个3年的震荡周期，高原升温率比同期世界水平高，但采用的资料为2 m温度资料，是否能够代表地表面的温度还有待考证.何冬燕等^[16]利用EOF方法分析了1979-2004年的青藏高原各季节地表温度的特征，认为青藏高原地表温度变化以整体型为主，秋季的东西部反向型变化最为显著，部分年份的冬季表现为南北反向变化型，同时对各个模态的时间系数做了相关性分析发现高原地表温度的异常变化具有持续性，各季节不同变化型之间存在一定的关联，但由于只选取了代表月份来代表季节进行季节变化分析，这种季节变化分析的准确性还有待检验.

回顾前人对青藏高原地表温度的研究，发现对青藏高原地表温度长期连续和完整的时空变化特征的详细研究不多，近5年内的研究则更少，其次是在地表温度的资料选取和处理方面存在一些不足，本文在此基础上，选取了长期连续且分辨率较高的近35年青藏高原地表温度资料，使用多种分析方法分析其时空变化特征，为研究近期青藏高原的气候变化及其地—气相互作用过程奠定基础.

1. 资料与方法

1.1. 研究资料

青藏高原地理位置特殊，地形复杂，高原气象观测台站分布不均匀，特别是在高原西部台站较少，故本文使用欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim再分析资料对青藏高原地表温度进行分析，资料选取时间为1981-2015年，分辨率为0.5°×0.5°. ERA-Interim是ECMWF目前较为完善的再分析数据集，可以提供自1979年1月1日以来的再分析数据，它沿用了ERA-40的大气模式和同化系统并在此基础上加以改进和提高，所同化的观测资料主要包括来自全球不同地区的、地表和上层大气的常规气象观测资料以及卫星遥感资料等. ERA-Interim在2014年开始提供最高分辨率为0.125°×0.125°的再分析数据. ERA-Interim同化的资料中包括地面台站观测的地表温度数据，同时经较多研究学者验证这套资料在高原的适用性较好^[17-19]，完全能够用于研究青藏高原地表温度的时空变化特征.

1.2. 研究方法

本文中青藏高原范围选取为25°-40°N，70°-105°E，海拔3 000 m以上的区域.主要使用的研究方法有线性倾向估计、小波分析和经验正交分解.

用x_i表示某一气候变量，样本量为n，用t_i代表x_i所对应的时间，建立x_i与t_i之间的一元线性回归方程^[20-21].通过最小二乘法估计出气候变量的回归系数b，回归系数的符号表示气候变量x的趋势倾向，回归系数为正(b＞0)表示气候变量呈上升趋势，反之回归系数为负(b＜0)表示气候变量呈下降趋势，回归系数b通常又被称为倾向值，这种分析气候变量的方法叫做线性倾向估计.

小波分析方法是一种源于傅里叶变换的分析时间序列变化的数学方法，在气候诊断和预测中小波分析被广泛地应用，它不仅可以给出气候序列变化的尺度，还可以显示出变化的时间位置.本文中使用的Morlet小波定义为ψ(t)=(1-t²)$\frac{1}{{\sqrt {2\pi } }}e - \frac{{{t^2}}}{2}$，-∞＜t＜∞，由此看出小波变换实际上是将一个一维信号在时间和频率两个方向上展开，这样就可以对气候系统的时间和频率结构做进一步的分析.从不同长度的周期随时间的演变特征判断序列存在的周期，分辨奇异点来确定突变信号，利用小波方差准确地判断周期振荡的强度.

经验正交函数分解方法即EOF方法，在数理统计学的多变量分析中称为主分量分析，可用于气象场的分解^[20-21].在气象观测过程中有m个空间观测点，观测了n个时次，将所有的变量统计起来即X_m×n=V_m×nT_m×n，构成时间系数和空间特征向量的线性组合，T是时间系数，V是空间特征向量.经过这种处理将气候特征分解，特征值的大小表示与其对应的特征向量即典型场的权重，时间系数表示该典型场随时间的变化.

5. 结论

地表温度能够定量化地表征地表热状况，地表温度的高低对陆气收支平衡以及水分平衡都有着重要影响.全球变暖的背景下，青藏高原作为气候变化的敏感区，研究其地表温度的气候和时空变化特征，对于预测未来全球和区域气候变化具有指示意义.由于高原台站分布不均匀，观测资料的长期性和连续性较差，本文使用经验证在高原地区适应性较好的ERA-Interim地表温度逐月再分析资料分析了1981-2015年的地表温度时空变化特征，结论如下：

1) 青藏高原地表温度的空间分布受地形和纬度的影响，高值中心位于高原东北部的柴达木盆地和高原南部以及东南部的藏南谷地地区，低值中心位于高原西北部的帕米尔高原和昆仑山一带.

2) 青藏高原不同地区的增温趋势是不同的，高海拔地区升温速率普遍高于低海拔地区，冬、春两季的高原增温趋势明显高于夏、秋两季.

3) 1981-2015年青藏高原年平均地表温度和四季的地表温度都呈上升趋势，但升温速率不同，春季最快，夏、秋季次之，冬季最缓.年平均地表温度在各个年代的增温趋势是不同的，20世纪90年代的增温趋势较80年代有所减缓，在21世纪初又有所回升，近5年的年平均地表温度增温幅度较大.不同季节的不同年代的增温趋势更不相同，甚至在有些年代高原地表温度呈降温趋势.

4) 青藏高原地表温度普遍存在一个准4年的变化周期，年平均和夏、秋两季该周期较为稳定，冬、春两季的周期存在微弱的减小趋势. 10年左右的年代际周期除冬季外，在年平均以及其他3个季节都有很好的体现，年平均和秋季此年代际周期在20世纪90年代后有减小趋势.

5) 采用EOF方法进一步研究了青藏高原地表温度的时空分布特征，结果表明，青藏高原夏、秋、冬以及年平均地表温度都以整体型变化为主，春季的东西反向变化更为显著，夏季次之.不同季节的变化各不相同，同时还存在高原中部与东西两侧的反向变化型和南北反向型.

本文系统地研究了1981-2015年青藏高原的地表温度时间变化和空间分布以及空间趋势分布特征并对研究结果进行了一定的解释和说明，但高原地表温度变化的影响因子有哪些，地表温度又是如何通过影响上层大气环流和热量平衡从而影响局地及下游天气等机制问题仍需进行深入的探究.

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