¹东北林业大学生态研究中心，黑龙江 哈尔滨

²黑龙江省森林工程与环境研究所，黑龙江 哈尔滨

收稿日期：2021年4月24日；录用日期：2021年5月21日；发布日期：2021年5月26日

摘要

基于丰林自然保护区近58年(1958~2016)的平均气温、最低气温和最高气温数据资料，运用时间序列趋势分析方法、Mann-Kendall检验法，分析丰林自然保护区年、季的气温变化特征。结果表明：近60年来丰林自然保护区平均、平均最低、平均最高气温均以冬季增温最明显，其中，平均最低气温冬季增温趋势最显著，每10年平均增温0.87℃，表明丰林自然保护区研究时段内(1958~2016年)的气候增暖贡献最大的是冬季；丰林自然保护区平均气温的年、生长季、春季、冬季均温在20世纪90年代中期为显著升温期，平均最低气温的年、春季、冬季均温“降–升”突变均发生在20世纪80年代初，90年代初进入显著升温期，生长季均温突变发生在本世纪初，平均最高气温的年、生长季、春季均温突变均发生在20世纪80年代初，冬季均温突变期为90年代初，均通过0.01显著性水平检验。综上，丰林自然保护区年及各季一致的增温趋势与东北20世纪50年代末以来的持续升温趋势大背景同步。

关键词

丰林自然保护区，气候变化，气温

Variation Characteristics of Temperature in Heilongjiang Fenglin Nature Reserve during 1958~2016

Lidong Han^1,2*, Xiaotang Wo^2#

¹Ecological Research Centre, Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang

²Heilongjiang Forestry Engineering and Environment Institute, Harbin Heilongjiang

Received: Apr. 24^th, 2021; accepted: May 21^st, 2021; published: May 26^th, 2021

ABSTRACT

Based on the mean temperature, the minimum temperature and the maximum temperature of Fenglin Nature Reserve in recent 58 years (1958~2016), the time series trend analysis method and Mann-Kendall method were used to analyze the annual and seasonal temperature variation characteristics of Fenglin Nature Reserve. The results showed that the mean temperature, the minimum mean temperature and the maximum temperature of Fenglin Nature Reserve over the past 60 years have significantly increased in winter, and the minimum temperature in winter showed the most significant trend, with the mean temperature increasing 0.87℃ every 10 years, indicating that winter contributed the most to the climate warming during the research period (1958~2016) in Fenglin Nature Reserve; the annual, growing season, spring and winter mean temperature of the average temperature have increased since the middle of 1990s; The abrupt transition of annual, spring and winter mean temperature “down-rise” occurred in the beginning of 1980s, and entered a significant warming period in the beginning of 1990s. The abrupt transition of growing season mean temperature occurred in the early 2000s. The annual, growing season, and spring mean temperature mutation of the highest temperature all occurred in the beginning of 1980s, while the winter mean temperature mutated in the beginning of 1990s, all of which passed the 0.01 significance level test. To sum up, the consistent annual and quarterly warming trend of Fenglin Nature Reserve is the consistent and synchronous with the continuous warming trend of northeast China since end of 1950s.

Keywords:Fenglin Nature Reserve, Climatechange, Temperature

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1. 引言

20世纪以来，随着人类活动的加剧，全球气候变化问题日益突出。气温作为最基础的气候要素之一，在气候变化研究中有着重要地位 [1]，逐步受到各国学者的关注，并取得了一些研究成果 [2] [3] [4] [5]。IPCC第五次研究报告指出，近百年来全球气温上升已高达0.85~0.89℃，呈现显著的升高趋势 [6]。相关研究表明，虽然全球气温总体上呈明显的上升趋势，但增温幅度在不同区域存在显著的空间差异 [7] [8] [9]。孙娴等 [10] 研究发现，我国的气温变化具有明显的区域差异性，不同区域气温上升幅度和突变点存在差异，且突变后的年平均气温增加程度要大于突变前。丁明军等 [11] 等研究发现，1971~2012年青藏高原及其周边地区年、春夏秋冬四季、最热月和最冷月均温总体上均呈现显著增加趋势，增温幅度呈现出中、东部和东北部高，东南部低的空间格局。REN等 [12] 研究发现，在过去的100 a，中国的年均地表气温变化率从0.03℃∙(10 a)⁻¹增加到0.12℃∙(10 a)⁻¹，这种变暖在中国北方更为明显，在冬季和春季更为显著。针对中国气温变化现状，史雯雨等 [13] 研究发现近60 a来，我国气温呈现明显的上升趋势，全国平均气温变化递增率为0.25℃/10 a，且有明显的区域性差异和季节性差异。丰林自然保护区是黑龙江省第一个自然保护区，是中国东北可持续发展和生态文明建设重点区域之一，对气候变化和人为干扰响应强烈。为了解丰林自然保护区多年来气温变化的趋势和特征，本研究拟采用线性倾向率、滑动平均和 Mann-Kendall (M-K)趋势检验法，通过揭示丰林自然保护区平均气温、最低气温、最高气温的趋势及突变特征，进一步准确地认识和理解丰林自然保护区的气温变化趋势，这对于有效应对气候变化、实现该区域可持续发展具有重要意义。

2. 研究区概况

始建于1958年的丰林国家级自然保护区，位于黑龙江省伊春市小兴安岭中麓地段，是黑龙江省第一个自然保护区。丰林自然保护区1997年被联合国教科文组织纳入世界生物圈保护区网络，是黑龙江省加入世界生物圈网络最早的保护区。丰林国家级自然保护区的主要保护对象是红松(Pinuskoraiensis)为主的北温带针阔叶混交林生态系统和珍稀野生动植物，属森林生态系统类型自然保护区，是我国北方红松林生态系统保存最完整，面积最大的天然集中分布区。保护区总面积18165.4 hm²，其中核心区总面4165 hm²，缓冲区总面积3812 hm²，试验区总面积10188.4 hm²，原始森林覆盖面积占森林面积的92%以上，保护区保存的天然红松林平均蓄积量是黑龙江森工国有林区天然红松林平均蓄积量的1.97倍，且以很小的林地面积保存着黑龙江森工国有林区1/5的天然红松蓄积量。

3. 材料来源与方法

3.1. 材料来源

本文选取距离黑龙江省丰林自然保护区核心区辐射的3个气象站点：五营、伊春、逊克。选用国家气象科学数据共享服务网平台提供的各站点1958~2016年的逐日平均气温、最低气温、最高气温数据作为基本资料。国家气象中心对各气象站的气温数据已进行了质量控制。因此，各站点资料具有比较好的连续性和气温序列的完整性。

丰林自然保护区是中国东北重要的森林生态保护区域。多数研究显示，生长季及春季、冬季气温等气候变化指标是森林植被生长的限制因子 [14]。因此，本文旨在探讨近59年(1958~2016)来丰林自然保护区平均气温、最低气温、最高气温的年、生长季、春季、冬季均温的趋势变化及突变特征。文中Ta1-12、Ta5-9、Ta3-4、Ta12-2分别表示平均气温的年、生长季、春季、冬季均温；Ts1-12、Ts5-9、Ts3-4、Ts12-2分别表示最低气温的年、生长季、春季、冬季均温；Th1-12、Th5-9、Th3-4、Th12-2分别表示最高气温的年、生长季、春季、冬季均温。

3.2. 分析方法

1) 应用线性趋势函数拟合气温的趋势特征，一元线性直线回归方程来描述两个变量在散点图上的线性关系，用回归系数表示线性函数的倾向率，也就是要素的线性趋势，并对时间与要素变量之间的相关系数进行显著性检验 [15]。

2) 应用滑动平均法确定时间序列的平滑值，经过滑动平均后，序列中短于滑动长度的周期大大削弱，更利于显示气温时间序列的变化趋势 [16]。

3) 运用 Mann-Kendall检测法进行气候序列的突变特征分析，Mann-Kendall检验是一种非参数统计检验方法(以下简称M-K检验)。其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，更适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简单 [17]。

4. 结果与分析

4.1. 气温变化趋势分析

近60年来丰林自然保护区平均、最低、最高气温的年、季均温线性趋势上升明显(见图1)，平均气温的年、生长季、春、冬季气候倾向率分别为：0.33℃/10a、0.29℃/10a、0.42℃/10a、0.45℃/10a；最高气温的年、生长季、春、冬季气候倾向率分别为：0.21℃/10a、0.19℃/10a、0.01℃/10a、0.41℃/10a；最低气温的年、生长季、春、冬季气候倾向率分别为：0.70℃/10a、0.40℃/10a、0.24℃/10a、0.87℃/10a。

1958~2016年丰林气温线性趋势分析显示，平均、最低、最高气温均以冬季增温最明显；平均气温的生长季增温趋势最弱，最低、最高气温的春季增温最弱。其中，平均气温冬季上升速率约是生长季的1.55倍；最低、最高气温冬季上升速率分别是春季的41倍与3.6倍。综上，最低气温冬季增温趋势最显著，每10年平均增温0.87℃，表明丰林自然保护区研究时段内(1958~2016年)的气候增暖贡献最大的是冬季。

5 a滑动平均结果显示，丰林平均气温的年、生长季、春季、冬季均温20世纪60年代均呈现小幅下降趋势，至70年代初期达最低值，其后至研究时段末期，生长季均温为波动上升状态，而年均温、春季、冬季均温的波动上升至21世纪初达最高值，之后经历6~8年的波动下降期，研究时段末期有小幅反弹上升；最低气温的年、生长季、春季、冬季均温在20世纪60年代与平均气温相似，均呈小幅下降趋势，其后，生长季均温与冬季均温进入小幅的波动上升期，而年均温与春季均温呈“升–降–升–降”的变化趋势，且波动程度较大；与平均气温、最低气温不同，最高气温的年、生长季、春季、冬季均温年代际变化格局各不相同。其中，年均温的波动幅度较大，20世纪60年代和21世纪初下降趋势显著，其它时段则波动上升。春季均温只在21世纪初下降显著，其它时段波动平稳，生长季均温为“升–降–升–降”波动趋势，冬季均温则始终保持波动上升状态。

4.2. 气温突变特征分析

丰林自然保护区平均气温的均温序列的M K检测图显示(图2)，年、生长季、春季、冬季均温在20世纪60年代有下降趋势但不明显，自70年代初期之后呈现升高趋势，此M K检测结果同上述5 a滑动

图1. 1958~2016年丰林自然保护区气温演变趋势

趋势分析结果相一致。平均气温的年、生长季、春季、冬季均温正曲线UF(k)和反曲线UB(k)在置信区间内有且仅有一个交点，此交点出现的20世纪80年代时段为突变期。年、生长季、春季、冬季均温的正曲线UF(k)分别在1994、1997、1996、1994年与0.05显著水平线相交，表明其后升高显著，20世纪90年代中期为显著升温期。

M K检测图显示，丰林自然保护区最低气温的年、生长季、春季、冬季均温趋势变化特征同平均气温，20世纪70年代初期之后呈升高趋势。最低气温的年、生长季、春季、冬季均温突变特征各不相同，其中，年、春季、冬季均温UF(k)和UB(k)在置信区间内分别有2、1、3个交点，生长季均温UF(k)和UB(k)

图2. 1958~2016年丰林自然保护区气温突变特征

的交点在置信区间外。表明，春季均温的“降–升”突变发生在20世纪80年代初，其UF(k)在1990年与0.05显著水平线相交，可见，90年代初春季均温进入显著升温期。经滑动t检验确定年与冬季均温突变期发生在20世纪80年代初，生长季均温突变期为本世纪初，均通过0.01显著性水平检验。

丰林自然保护区最高气温与平均气温、最低气温变化特征不同，其年、生长季、春季、冬季均温升高趋势不显著，UF(k)均未超过0.05显著性水平(只春季均温在本世纪初短期超过0.05显著性水平，其后转入下降趋势)。最高气温的年、生长季、春季、冬季均温UF(k)和UB(k)在置信区间内均有多个交点，经滑动t检验确定年、生长季、春季均温突变期均发生在20世纪80年代初，冬季均温突变期为90年代初，均通过0.01显著性水平检验。

5. 结论

近60年来丰林自然保护区平均、最低、最高气温均以冬季增温最明显，其中，最低气温冬季增温趋势最显著，每10年平均增温0.87℃；平均气温的生长季均温增温趋势最弱，最低、最高气温的春季增温最弱。表明丰林自然保护区研究时段内(1958~2016年)的气候增暖贡献最大的是冬季。5 a滑动平均结果显示，丰林平均气温与最低气温的年、生长季、春季、冬季均温20世纪60年代均呈小幅下降趋势，与平均气温、最低气温不同，最高气温的年、生长季、春季、冬季均温年代际变化格局各不相同。其中，年均温的波动幅度较大，春季均温只在21世纪初下降显著，其它时段波动平稳，生长季均温为“升–降–升–降”波动趋势，冬季均温则始终保持波动上升状态。

丰林自然保护区平均气温的年、生长季、春季、冬季均温的正曲线UF(k)分别在1994、1997、1996、1994年与0.05显著水平线相交，表明其后升高显著，20世纪90年代中期为显著升温期；最低气温的年、春季、冬季均温“降–升”突变均发生在20世纪80年代初，90年代初进入显著升温期。生长季均温突变期为本世纪初；最高气温的年、生长季、春季均温突变期均发生在20世纪80年代初，冬季均温突变期为90年代初，均通过0.01显著性水平检验。综上，丰林自然保护区年及各季一致的增温趋势与东北20世纪50年代末以来的持续升温趋势大背景同步。

基金项目

黑龙江省森林工业总局科技计划(sgzjQ2015006)；黑龙江省财政自拟课题(2015-02SCZ)。

文章引用

韩丽冬,沃晓棠. 黑龙江丰林自然保护区1958~2016年气温变化特征分析
Variation Characteristics of Temperature in Heilongjiang Fenglin Nature Reserve during 1958~2016[J]. 气候变化研究快报, 2021, 10(03): 246-253. https://doi.org/10.12677/CCRL.2021.103028

参考文献