1981~2021年老挝气温时空变化特征

Characteristics of Spatio-Temporal Variation of Temperature in Laos from 1981 to 2021

摘要: 本文基于1981~2021年的CRU全球气温数据，通过运用ArcGIS10软件，截取1981~2021年老挝气温数据，采用线性回归法、Mann-Kendall趋势性检验和Mann-Kendall突变检验分析方法，分析了老挝年平均气温时空变化特征。结果表明：老挝年平均气温变化速率为0.24℃/10a，增温趋势不显著；春季、夏季、秋季、冬季气温变化速率分别为0.16℃/10a、0.10℃/10a、0.26℃/10a和0.26℃/10a，其中春季和夏季气温无明显上升趋势，秋季和冬季均呈显著上升趋势。老挝年平均气温无明显突变性增长趋势；春季和夏季年平均气温分别在2012年和2013年发生突变，但气温突变性增长趋势不显著，秋季和冬季年平均气温分别在2002年和1985年后呈突变性增长趋势。老挝年平均气温空间分布呈现明显的区域性特征，从北部至南部气温以1℃逐渐升高；空间变化上，除上寮部分地区及下寮东南部局部地区全年增温不显著外，其他地区增温显著。

Abstract: Based on the CRU global temperature data from 1981 to 2021, by using ArcGIS 10 software, the temperature data from 1981 to 2021 in Laos were intercepted, and the temporal and spatial variation characteristics of annual mean temperature in Laos were analyzed by linear regression, Mann-Kendall trend test and Mann-Kendall catastrophe test. The results show that the annual average temperature change rate of Laos is 0.24˚C/10a, and the warming trend is not significant. The temperature change rates in spring, summer, autumn and winter are 0.16˚C/10a, 0.10˚C/10a, and 0.26˚C/10a, respectively, among which there is no obvious upward trend in spring and summer, but a significant upward trend in autumn and winter. The annual mean temperature in Laos had no obvious abrupt growth trend, while the annual mean temperature in spring and summer changed abruptly in 2012 and 2013, respectively, but the abrupt growth trend was not significant. The annual mean temperature in autumn and winter showed a sudden growth trend after 2002 and 1985, respectively. The spatial distribution of annual mean temperature in Laos shows obvious regional characteristics, and the temperature increases gradually at 1˚C from the north to the south. In terms of spatial variation, the annual temperature increase is not significant in some areas of Shangliao and the southeast of Xialiao. The warming in other areas is significant.

1. 引言

气候变化是影响全球生态环境以及人类活动的主要原因 [1]，从1979年开始，世界气象组织在世界气候大会鉴于气候变暖对人类社会的影响呼吁保护气候，随后国际社会各组织为应对气候变化制定了一系列规章议程：《联合国气候变化公约》《京都议定书》《巴厘路线图》《哥本哈根协议》，以及IPCC自1990年至今完成的五次评估报告(Air1~Air5)等。IPCC第五次评估报告(Air5)指出：全球海陆表面平均温度近100年内(1880~2012年)已升温0.85℃ (0.65℃~1.06℃)，1983~2012年可能是北半球近1400年来最暖的30年，全球气候变暖的事实不可置否 [2] [3] [4] [5]。Giang [6]、Watson [7] 等研究显示，东南亚是受气候变化影响最严重的地区之一。东南亚平均气温在过去50年每10年上升0.1℃~0.3℃ [8]。大量研究表明，虽然气候变化是一个全球性问题，但其影响具有明显的区域性特征，因地区和国家而异。Nguyen [9] 采用了在线气象和化学耦合的WRF-CMAQ模型来模拟气候变化对东南亚大陆未来O₃和PM_2.5空气质量的影响，模型结果表明，在柬埔寨、老挝、泰国和越南这四个目标国家中，在RCP4.5 (2006~2015年)情景下未来大气中的O₃ (−0.76 ppb (−2.40%)/a)和PM_2.5 (−0.95 μg/m³ (−4.32%)/a)浓度似乎有所减少，然而，在RCP8.5 (2046~2055年)情景下，气候变化加剧了O₃ (+0.26 ppb (+0.84%))和PM_2.5 (+0.92 μg/m³ (+4.20%))的空气污染。老挝水资源与环境部 [10] 根据境内气象站数据观测得出，上寮(丰沙里省、琅南塔省、华潘省、川圹省、琅勃拉邦省、乌多姆塞省、波乔省、沙耶武里省)、中寮(万象省、波里坎塞省、甘蒙省、沙湾拿吉省、万象市)、下寮(沙拉湾省、塞公省、阿速坡省，占巴塞省)的平均气温分别为23.10℃ (±0.1℃)、26.45℃ (±0.15℃)、27.10℃ (±0.2℃) [6] [7]。Shrestha [11] 利用四种通用环流模型(GCMs)模拟未来温度和降水变化情况，分析老挝的气候变化。结果表明，季节性温度变化最高3.0℃，季节降水变化幅度为27%~41%。Giang [12] 基于水文模拟的SWAT模型，并结合三种IPCC排放情景(B1、B2和A2)下的未来气候，预测气候变化影响下老挝–越南跨国Ca河流域上游沉积物产量的季节变化趋势，结果表明产沙量的变化趋势总体上与气温升高、PET的共同作用以及降水变化引起的河流流量变化趋势一致。孙岩松 [13] 利用老挝1999~2008年国家气象中心的气温、降雨量资料分析老挝的6个代表性省区(丰沙里省、琅勃拉邦省、川圹省、万象市、甘蒙省和占巴色省)，得出高温和降雨量影响老挝沥青路面使用的结论。Lamchin [14] 基于1982~2014 CRU TS气候变量(温度、降雨量和潜在蒸散量)数据分析了气候变量的总体趋势，得出老挝北部气温呈上升趋势。尽管以上学者基于气候变化背景下的研究涉及到老挝地区气温变化趋势，但特别针对20世纪80年代以来老挝气温时空变化特征的系统研究较少。因此，本文基于实测CRU数据，详细分析1981~2021年老挝气温时空变化特征。

2. 研究区概况与数据来源、方法

2.1. 研究区概况

老挝位于东南亚中南半岛北部(13˚54'~22˚30'N，100˚05'~107˚38'E)，南北狭长，东临越南，西接泰国，西北以湄公河为界与缅甸相望，南邻柬埔寨，北至中国，总面积约23.68 × 10⁴ km；地势总体北高南低，东北向西南倾斜，地形以山地和高原为主，由北向南可分为上寮、中寮、下寮。上寮地势最高(图1)；属于热带和亚热带季风气候，大致以北纬18˚18'为界，老挝气候又可分为北方气候和南方气候，北纬18˚18'以北为北方地区，气候主要以北方气候为主即热带季风气候，北纬18˚18'以南则为南方地区，气候主要以南方气候为主即赤道季风气候 [13]。

Figure 1. Elevation map of Laos

图1. 老挝海拔高度图

2.2. 数据来源

数据来自英国东英吉利大学气候研究所(Climatic Research Unit，简称CRU)的再分析数据，起始年份为1901年，空间分辨率为0.5˚ × 0.5˚ [15]。本文下载了1981~2021年全球近地面2 m逐月平均气温数据。将数据运用ArcGIS10软件进行处理，并截取1981~2021年老挝气象数据。

2.3. 研究方法

2.3.1. 线性回归法

回归分析是目前气象统计分析中最为常用的一种方法，表示若干变量之间的关系 [16] [17]。本文采用一元线性回归方法分析1981~2021年老挝气温要素的变化趋势，用y_i表示样本为41的气温变量，用x_i表示y_i所对应的时间，建立y_i与x_i之间的一元线性回归方程：

$y_i=a{x}_i+b$ ( $i=1,2,\cdots ,n$ )(1)

式中a为回归系数，表示气温要素变化速率，b为回归常数。a值可用最小二乘法算得，其正负表示气温随时间变化呈上升或下降趋势，即a为正值表示气温呈上升趋势，a为负值表示气温呈下降趋势.

2.3.2. Mann-Kendall检验

M-K检验法是一种非参数检验方法，由Mann和Kendall提出 [18] [19]，其优点是不用遵循一定的分布，也不受少数异常值干扰 [20]。这种方法已广泛用于气候、水文等方面研究 [21] [22]。

1) Mann-Kendall趋势性检验

具体方法原理详细阐述见文献 [21]，Z_c > 0表示上升趋势，Z_c < 0表示下降趋势；|Z_c| ≥ 1.28、|Z_c| ≥ 1.64、|Z_c| ≥ 2.32分别表示通过了置信度90%、95%和99%的置信度检验。

2) Mann-Kendall突变检验

针对具有N个样本量的时间序列 $\left(x_1,x_2,x_3,\cdots ,x_n\right)$ 构造一秩序列 [18] [21] [23]：

$S_k={\displaystyle {\sum }_{i=1}^k{r}_i}$ ( $k=1,2,\cdots ,n$ ) (2)

S_k表示累计序列，r_i表示 $x_i>x_j\left(1\le j\le i\right)$ 的样本累计数。当r_i = 1时，x_i > x_j；当r_i = 0时，x_i < x_j； $j=1,2,\cdots ,i$。

在时间序列随机独立假设定义下，定义统计量：

$U{F}_k=\frac{\left|S_k-E_{\left(S_k\right)}\right|}{\sqrt{Va{r}_{\left(S_k\right)}}}$ ( $k=1,2,\cdots ,n$ )(3)

$E_{\left(S_k\right)}=\frac{n\left(n+1\right)}{4}$ (4)

$Va{r}_{\left(S_k\right)}=\frac{n\left(n-1\right)\left(2n+5\right)}{72}$ (5)

其中UF₁ = 0， $E_{\left(S_k\right)}$ 、 $Va{r}_{\left(S_k\right)}$ 分别为S_k的均值和方差。

UF是按照时间正序绘制的曲线，UB则是按照时间逆序绘制的曲线，在给定置信水平线α，若两条趋势线UF和UB在−α与α限定区间内存在交点，则说明此交点为曲线变化的突变点；若突变点对应的数值大于或小于0，则表明该数据存在明显的突变上升或突变下降趋势。

3. 结果分析

3.1. 1961~2021年老挝气温时间变化特征

3.1.1. 年平均气温变化特征

如图2(a)，1981~2021年老挝年平均气温平均值为24.14℃，通过线性拟合老挝41年年平均气温，计算得出其趋势方程为y = 0.0238x − 23.496 (R² = 0.4216)，得出老挝年平均气温每年约以0.024℃的增长幅度上升，其线性变化倾向率为0.24℃/10a，呈显著上升趋势(P < 0.05)；年平均气温最高值出现在2019年，为25.09℃，1981年年平均气温最低，为23.48℃。

利用M-K检验法对老挝41年平均气温进行趋势性检验，得出的Z值为4.4815 (Z > 2.32 > 0)，通过了0.01的显著性检验，证明老挝近41年来年平均气温呈显著升高趋势，这与本文回归分析结果一致。

利用M-K检验法对老挝41年平均气温进行突变检验，如图2(b)所示，正序曲线UF与反序曲线UB在置信界限内没有交点，说老挝年平均气温无明显突变性上升趋势。

(a) 年平均气温变化趋势(b) 年平均气温M-K突变检验

Figure 2. Annual mean temperature trend and M-K mutation test in Laos from 1981 to 2021

图2. 1981~2021年老挝年平均气温变化趋势和M-K突变检验

3.1.2. 季节年平均气温变化特征

如图3(a)，1981~2021年老挝春年平均气温平均值为25.62℃，通过线性拟合老挝41年春季年平均气温，计算得出其趋势方程为y = 0.0162x − 6.7353 (R² = 0.089)，得出老挝年平均气温每年约以0.016℃的增长幅度上升，其线性变化倾向率为0.16℃/10a，无明显上升趋势(P > 0.05)；春季年平均气温最高值出现在2016年，为26.95℃，2011年平均气温最低，为24.09℃。

利用M-K检验法对老挝41年春季年平均气温进行趋势性检验，得出的Z值为1.9656 (0 < Z < 1.28)，未通过0.1的显著性检验，证明春季年平均气温无明显增温趋势，这与本文回归分析结果一致。

利用M-K检验法对老挝41年春季年平均气温进行突变检验，如图3(b)所示，正序曲线UF与反序曲线UB在1983年和2012年间有交点，且交点在给定和置信界限内。UF曲线呈波动上升趋势，说明在2012年以后老挝春季年平均气温呈波动上升趋势，但不显著。

(a) 春季年平均气温变化趋势(b) 春季年平均气温M-K突变检验

Figure 3. Annual mean temperature trend and M-K mutation test in spring in Laos from 1981 to 2021

图3. 1981~2021年老挝春季年平均气温变化趋势和M-K突变检验

如图4(a)，1981~2021年老挝夏季年平均气温平均值为26.19℃，通过线性拟合老挝41年夏季年平均气温，计算得出其趋势方程为y = 0.0102x + 5.7313 (R² = 0.0608)，得出老挝年平均气温每年约以0.010℃的增长幅度上升，其线性变化倾向率为0.10℃/10a，无明显上升趋势(P > 0.05)；夏季年平均气温最高值出现在2020年，为26.94℃，1999年平均气温最低，为24.08℃。

利用M-K检验法对老挝41年夏季年平均气温进行趋势性检验，得出的Z值为2.2576 (0 < Z < 2.32)，未通过0.05的显著性检验，证明夏季年平均气温无明显增温趋势，这与本文回归分析结果一致。

利用M-K检验法对老挝41年夏季年平均气温进行突变检验，如图4(b)所示，正序曲线UF与反序曲线UB在1986年和2013年间有交点，且交点在给定和置信界限内。UF曲线呈波动上升趋势，说明在2013年以后老挝夏季气温呈波动上升趋势，但不显著。

(a) 夏季年平均气温变化趋势(b) 夏季年平均气温M-K突变检验

Figure 4. Annual mean temperature trend and M-K mutation test in summer in Laos from 1981 to 2021

图4. 1981~2021年老挝夏季年平均气温变化趋势和M-K突变检验

如图5(a)，1981-2021年老挝秋季年平均气温平均值为24.17℃，通过线性拟合老挝41年秋季年平均气温，计算得出其趋势方程为y = 0.0259x − 27.748 (R² = 0.4279)，得出老挝年平均气温每年约以0.026℃的增长幅度上升，其线性变化倾向率为0.26℃/10a，呈极显著上升趋势(P < 0.01)；秋季年平均气温最高值出现在2015年，为25.05℃，1992年平均气温最低，为23.21℃。

利用M-K检验法对老挝41年秋季年平均气温进行趋势性检验，得出的Z值为4.5265 (Z > 2.32 > 0)，通过了0.01的显著性检验，证明气温显著升高，这与本文回归分析结果一致。

利用M-K检验法对老挝41年秋季年平均气温进行突变检验，如图5(b)所示，正序曲线UF与反序曲线UB在2002年有一个交点，且交点在给定和置信界限内。UF曲线呈波动上升趋势，说明在2002年以后老挝秋季气温呈突变性波动上升趋势。

(a) 秋季年平均气温变化趋势(b) 秋季年平均气温M-K突变检验

Figure 5. Annual mean temperature trend and M-K mutation test in autumn in Laos from 1981 to 2021

图5. 1981~2021年老挝秋季年平均气温变化趋势和M-K突变检验

如图6(a)，1981~2021年老挝冬季年平均气温平均值为20.41℃，通过线性拟合老挝41年冬季年平均气温，计算得出其趋势方程为y = 0.0255x − 30.588 (R² = 0.1591)，得出老挝年平均气温每年约以0.026℃的增长幅度上升，其线性变化倾向率为0.26℃/10a，呈显著上升趋势(P < 0.05)；冬季年平均气温最高值出现在2018年，为21.93℃，1982年平均气温最低，为18.92℃。

利用M-K检验法对老挝41年冬季年平均气温进行趋势性检验，得出的Z值为2.3885 (Z > 2.32 > 0)，通过了0.01的显著性检验，证明气温显著升高，这与本文回归分析结果一致。

利用M-K检验法对老挝41年冬季年平均气温进行突变检验，如图6(b)所示，正序曲线UF与反序曲线UB在1985年有一个交点，且交点在给定和置信界限内。UF曲线呈波动上升趋势，说明在1985年以后老挝冬季气温呈突变性波动上升趋势。

(a) 冬季年平均气温变化趋势(b) 冬季年平均气温M-K突变检验

Figure 6. Annual mean temperature trend and M-K mutation test in winter in Laos from 1981 to 2021

图6. 1981~2021年老挝冬季年平均气温变化趋势和M-K突变检验

3.2. 1961~2021年老挝气温时间变化特征

3.2.1. 年平均气温变化特征

老挝地形北高南抵，东北向西南倾斜，由图7(a)可以明显看出老挝年平均气温主要受地形影响，从北至南气温以1℃逐渐升高，气温的空间分布呈现明显的区域性特征，大致以北纬18˚18'为界，此界限以北的北方地区年平均气温为21℃~24℃，此界限以南的南方地区年平均气温为25℃~27℃，这与老挝水资源与环境部 [10] 根据境内气象站数据观测得出的结果一致。如图7(b)老挝年平均气温倾向率空间分布所示，老挝南部大部地区及北部局部地区增温趋势不明显，而其他大部分地区普遍增温，特别是老挝东南部局部地区，达0.22~0.80℃/10a。

(a) 年平均气温空间分布(b) 年平均气温倾向率空间分布

Figure 7. Spatial distribution of annual mean temperature and tendency rate in Laos from 1981 to 2021

图7. 1981~2021年老挝年平均气温及倾向率空间分布

3.2.2. 季节年平均气温变化特征

如图8~11所示，老挝四季年平均气温均以北纬18˚18'为界限从北至南递增，此界限以北的北方地区春季、夏季、秋季和冬季的年平均气温分别为22℃~25℃、25℃~26℃、22℃~24℃和16℃~21℃；此界限以南的南方地区春季、夏季、秋季和冬季的年平均气温分别为26℃~28℃、26℃~27℃、24℃~26℃和21℃~25℃。

(a) 春季年平均气温空间分布(b) 春季年平均气温倾向率空间分布

Figure 8. Spatial distribution of annual mean temperature and tendency rate in spring in Laos from 1981 to 2021

图8. 1981~2021年老挝春季年平均气温及倾向率空间分布

(a) 夏季年平均气温空间分布(b) 夏季年平均气温倾向率空间分布

Figure 9. Spatial distribution of annual mean temperature and tendency rate in summer in Laos from 1981 to 2021

图9. 1981~2021年老挝夏季年平均气温及倾向率空间分布

(a) 秋季年平均气温空间分布(b) 秋季年平均气温倾向率空间分布

Figure 10. Spatial distribution of annual mean temperature and tendency rate in autumn in Laos from 1981 to 2021

图10. 1981~2021年老挝秋季年平均气温及倾向率空间分布

(a) 冬季年平均气温空间分布(b) 冬季年平均气温倾向率空间分布

Figure 11. Spatial distribution of annual mean temperature and tendency rate in winter in Laos from 1981 to 2021

图11. 1981~2021年老挝冬季年平均气温及倾向率空间分布

其中春季除上寮部分地区、中寮局部地区和下寮小部分地区增温趋势显著外，其他地区增温趋势不明显，气候倾向率范围为0.06~0.94℃/10a；夏季除上寮中部部分地区、下寮局部地区和中寮小部分地区增温趋势显著外，其他地区增温趋势不显著，达0.04~0.43℃/10a；秋季除上寮局部地区和下寮东南部部分地区增温不显著外，其他地区普遍增温，平均每十年增温0.16℃~0.80℃；冬季除上寮小部分地区和下寮东南部大部分地区增温不显著外，其他地区增温显著，达0.23~1.10℃/10a。

4. 结论与讨论

1) 1981~2021年老挝年平均气温变化速率为0.24℃/10a，呈显著上升趋势。四季年平均气温中，秋季和冬季气温呈显著上升趋势外，春季和夏季增温不显著，春季、夏季、秋季、冬季气温变化速率分别为0.16℃/10a、0.10℃/10a、0.26℃/10a和0.26℃/10a。

2) 利用M-K检验法对老挝41年平均气温进行突变检验，老挝年平均气温无明显突变性增长趋势；春季和夏季年平均气温分别在2012年和2013年发生突变，但气温突变性增长趋势不显著，秋季和冬季年平均气温分别在2002年和1985年后呈突变性增长趋势。

3) 老挝年平均气温主要受地形影响，从北至南气温以1℃逐渐升高，气温的空间分布呈现明显的区域性特征，以北纬18˚18'为界，此界限以北的北方地区年平均气温为21℃~24℃，此界限以南的南方地区年平均气温为25℃~27℃。由老挝年平均气温倾向率空间分布图得出，老挝南部大部地区及北部局部地区增温趋势不明显，而其他大部分地区普遍增温，特别是老挝东南部局部地区，达0.22~0.80℃/10a。其中春季除上寮部分地区、中寮局部地区和下寮小部分地区增温趋势显著外，其他地区增温趋势不明显，气候倾向率范围为0.06~0.94℃/10a；夏季除上寮中部部分地区、下寮局部地区和中寮小部分地区增温趋势显著外，其他地区增温趋势不显著，达0.04~0.43℃/10a；秋季除上寮局部地区和下寮东南部部分地区增温不显著外，其他地区普遍增温，平均每十年增温0.16~0.80℃；冬季除上寮小部分地区和下寮东南部大部分地区增温不显著外，其他地区增温显著，达0.23~1.10℃/10a。