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近百年来，全球气候变暖并日趋加剧已是公认的事实，但在总的变暖趋势中并不是一直在增温，而是有起有伏，有渐变和突变，且气候变化的区域性和季节性差异显著。我国各区域变暖的速率和时空分布有很大差异。总的说来具有北方变暖比南方明显，冬季变暖比其他季节明显的特点。东北是我国纬度最高的地区，其气候变化既受到全球气候变暖的影响，又具有本地区的地域性特点。对本区域气候变化基本特征及其与全球变暖的关系进行专门研究具有重要理论和实际意义。利用尽可能长的仪器观测记录，对东北区域气温的年和季节变化规律、区域性特点、变化周期及气候突变等进行较为系统的分析，以便于更清楚地了解东北地区近百年来的气候变化事实，检测区域性气候变化的信号。分析表明：东北地区的气候变化有其本身特点，例如近百年的增温趋势明显，但增温过程在不同阶段表现得有强有弱，各季增温幅度也不相同，冬季增温较为明显；夏季基本持平，若不考虑近几年较强的增温，总体还有下降的趋势。
以6站1905—2001年的年平均气温的平均值代表本区的气温气候变化序列，类似的，以春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至翌年2月）的6站平均值建立该区域的各季气候变化序列（图3.1.1）。
图3.1.1 东北近百年夏季、冬季和年平均气温的变化
从年平均序列来看，东北地区百年升温趋势十分明显，进入20世纪80年代以后升温最为剧烈。就20世纪而言，升温为起伏式上升：世纪初为最冷期，一直到40年代为持续升温期，且达到并超过了平均水平，50年代左右为次高峰期。相对高温期持续到50年代中期，此后气温开始逐渐下降，且降到平均线以下。70年代中期再次开始升温。50年代中期至70年代中期为相对冷期，气温处于平均线以下。近20a来东北地区升温剧烈，80年代气温达到平均线，80年代中期就已超过30—40年代的峰值，目前已远远高出过去任何时期。在近百年内，东北地区年平均温度升高幅度达到1.43℃左右。
冬季也呈明显的升温趋势，但基本为持续性升温，没出现相对冷期和相对暖期。冬季气温近20a升温趋势十分明显，与年变化较为一致。近100a冬季平均温度增高幅度较大，达到2.35℃。夏季气温变化与年和冬季气温变化截然不同，后半世纪与前半世纪相比，不仅没有升温，反而表现为降温趋势。20年代初到60年代初为夏季高温期，气温均在多年平均值以上；60年代初至90年代中期为夏季低温期，气温均在平均值以下。但在90年代中期以来，也表现为剧烈升温趋势。春季和秋季气温变化趋势与冬季气温变化趋势较为相似，但升温幅度要小得多。从季节上看，近百年东北冬季增温非常强烈，平均每10a增温0.235℃；夏季温度趋势不明显，平均每10a增温0.036℃。
表3.1.1为每隔10a分段的平均气温和气温距平值（最后7a为一个时间段），可以从数值上看出与以上分析一致的结果，即温度序列随年代呈明显的两波两谷分布。可以定量看出百年气温的变化规律：在70年代中期以前基本为负距平，以后至今为正距平，且逐步升高，升幅越来越大。最冷期为世纪初的10a，平均气温为5.90℃，低于多年平均值0.65℃；次冷期为1945—1975年，平均气温6.39℃左右。最暖期为世纪末，平均气温7.76℃，比多年平均值高出1.21℃；次暖期在1935—1944年间，平均气温6.47℃，但变暖幅度很小，没有达到多年平均水平，是一个小的相对暖期。随着时间的推移，暖期和冷期的气温都大幅度上升。因此，东北地区的平均气温是起伏式上升的。最暖的世纪末比最冷的世纪初升高了1.86℃。
表3.1.1 东北近百年气温和气温距平年代际分布℃
气候变化包含多种时间尺度且具有局地特征。在大的时间尺度上的某一冷期或暖期中，分别包含中等时间尺度的冷暖期。同样，中等尺度的冷期或暖期中又分别包含更小尺度的冷暖期。为能进一步认识东北地区的这种气候变化，利用Morlet小波变换法分析东北地区1905—2001年共97a的年平均气温、冬季平均气温、夏季平均气温的多层次时间尺度结构。为减少Morlet小波变换在资料的开始点和结尾点附近的边界效应的影响，在序列两端分别外延增加了97个资料，总序列长度变为291。采用该资料进行Morlet小波变换，变换结束后将两端194个小波变换系数去掉，保留中间原来时段的97个系数。增加资料的原则是分别以开始点和结束点为对称点，对称外伸。
传统的气候分析方法一般采用傅立叶分析和滤波分析找出气候序列中所包含的周期，但实际上气候周期在不同时段是有变化的，且在同一时段又包含多种时间尺度的周期变化，而传统方法不能识别这种变化。
采用复数形式的Morlet小波分析。复数形式的小波，因其实部和虚部的位相差为π/2，用复小波变换系数的模来作为判别气候资料中包含的各尺度周期性的大小及这些周期在时域中分布的判据，能够消除用实型小波变换系数作为判据而产生的虚假振荡，使分析结果更准确。所以，本书中采用连续Morlet小波作为基函数进行小波变换，它能够很好地对资料序列连续进行时频局部化分析。
图3.1.2、图3.1.3分别为1905—2001年冬季（12月至翌年2月）、夏季（6—8月）气温变化小波分析结果。小波系数模、小波系数实部是Morlet小波变换得到的最重要的变量。小波系数模的大小表示特征时间尺度信号的强弱，其模值越大，表明其所对应的时段和尺度的周期性越明显。Morlet小波系数的实部包含给定时间和尺度信号相对于其他时间和尺度信号的强度和位相两方面的信息，也可以用来判别气候资料序列中所包含的不同时间尺度下的各要素冷暖、干湿等结构。
图3.1.2 东北近百年冬季气温变化Morlet小波分析的模（a）和实部（b）
图3.1.3 东北近百年夏季气温变化Morlet小波分析的模（a）和实部（b）
冬季，从Morlet小波变换模值分布可以看出，1～10a的年际尺度范围内在以下几个阶段小波变换系数较大，信号较强：1906—1922年、1930—1937年、1944—1951年的2a的周期信号，1946—1963年、1974—1985年的3～4a的周期信号，1932—1971年、1976至现在8～10a的周期信号。因此，东北地区冬季气温存在明显的年际尺度变化，但在不同时期，年际尺度周期不同，2～10a尺度的周期几乎在整个研究时段都有较强的信号；而年代际（10a以上）变化主要表现在几乎贯穿整个时期的20～40a的周期信号，尤其在60年代后期到目前表现较为明显且仍在继续。小波系数的实部包含给定时间尺度信号相对于其他时间和尺度信号的强度和位相两方面的信息，从图3.1.2b小波变换实部分布也可以看出东北地区近百年来气温在不同时段有不同的周期变化。从图3.1.2的底部可以清楚地看到- + - +间隔的2负2正准周期振荡，对于20～40a时间尺度温度主要有2个偏低时期和2个偏高时期。用Morlet小波变换系数的实部可以判断出某一尺度下的冷暖结构，如对于32a尺度，东北地区近百年冬季气温变化可分为2个冷期和2个暖期：2个冷期分别为1930年以前和1960—1980年；2个暖期分别为1931—1960年和1981年至现在。目前处于32a尺度的暖期内。在这一时间尺度本地区冬季气温变化表现出明显的突变特征，突变点发生在30年代初、60年代初和80年代初。
夏季，小波变换的模值和实部分布其年际尺度周期变化不如冬季明显，只在两个阶段有较强周期信号。它们分别是1913—1919年的2a的周期信号和1989年至现在的2～4a的周期信号，其他时段年际尺度周期性较差。夏季年代际周期信号与冬季类似存在没有局部变化的、全域性的30～50a的周期，同样为冷→暖→冷→暖的2波2谷准周期振荡，尤其是在1950—1992年的35～45a尺度的周期变化表现最明显。为便于比较，同样取32a尺度，从图3.1.3b底部对应32a尺度位置可以清楚地看出2个负值区和2个正值区组成的准2次周期振荡，位置与冬季的相应尺度基本相符。具体时段：1928年以前的冷期、1929—1957年的暖期、1958—1982年的冷期、1983年至现在的暖期，目前处于这一周期的暖期阶段。
年际尺度的变化主要是由于ENSO和QBO等引起。年代际尺度变化主要由太阳活动、火山活动、CO 2 等温室气体含量增加引起。从以上分析，东北气温没有完全随外强迫的变化而变化，除在整个时域中有较强的20～40a尺度周期变化外，其他尺度周期信号强弱的分布具有明显的局部特征。这是由于气候系统本身内在的非线性作用而引起的。
利用功率谱分析方法分析了东北百年温度序列的周期性变化特征。序列是一个明显的红噪声过程。取 N =97，最大落后步长 m =18，得出主周期有2个：2.3a（QBO）和4.2a。两者以准2a周期振荡更为明显，超过了95%的显著水平。
利用Mann-Kendall和Yamamoto方法对所建立的百年气候序列进行初步分析。为保证序列的平稳性，对1905—2001年的年和各季节的温度序列做5a滑动平均处理建立。
图3.1.4给出了检测结果。Mann-Kendall方法在置信区内C1与C2没有交点，即未检测出气温变化的突变点。
图3.1.4 东北地区近百年气温序列突变的Mann-Kendall（a）和Yamamoto（b）检测
在研究百年气候变化中，人们更关心的是年代际的气候突变。所以在做Yamamoto检测时，可取 n =10，以便了解低频变化中的突变位置。在 S / N ＞1时达到95%的信度水平，确定为突变； S / N ＞2时，确定为强突变。由此可见，气温在20世纪有4次突变过程，其中2次为强突变，20年代初为强突变， S / N 值达到2.13，80年代后期为最强突变， S / N 值达到2.22。另外还有两次突变过程，发生在70年代初和80年代初， S / N 值分别为1.39和1.05。近20a来，突变的频率及强度均有明显增强。Yamamoto检测比Mann-Kendall方法敏感。
与同区域多站平均温度序列比较，所选6站的年平均温度值较高，但两者变化趋势非常吻合，因此可以用以代表东北地区的温度趋势变化，进一步做变化规律的分析。由本章的分析得出以下结论：
（1）东北近百年表现为明显的增温趋势，但气温为起伏式上升，序列为两波两谷型。随时间推移，晚近时期的谷值和峰值都远高于早期。
（2）各季节的气候变化有很大的差异。冬季增温非常强烈。夏季在1995年以前不仅没有升温，反而有明显降温趋势；1995年以后，夏季气温急剧升高。春秋季的升温趋势与冬季类似，但幅度小得多。
（3）东北平均气温变化与全国比较，既有相同处，也有差异。相同处是两者的升温期、最冷期和最暖期相同，不同处是东北地区增暖更为强烈，特别是近20a来的变暖更比全国平均明显。在本区域内，增温强度没有表现出随纬度升高而增强的趋势。各代表站中，纬度较低的沈阳增温强度大于更靠北的长春和哈尔滨。另外，内地增温强度明显大于沿海地区。
（4）小波分析结果表明，东北百年气温序列存在多层次尺度周期，除在整个时域中有较强的20～40a尺度周期变化外，其他尺度周期信号强弱的分布具有明显的局部特征。冬季年际尺度信号较强，夏季年际尺度信号较弱。
（5）气候突变检测分析20世纪东北平均气温发生4次突变，其中的2次强突变分别出现在20年代初和80年代后期。
由于资料的限制，以及可能的城市热岛效应影响问题，这里的结果还是初步的，有待今后更深入的研究工作予以检验。现有研究结果已表明，变暖趋势的季节变化与热岛强度的季节变化基本一致，都是冬季最强。气候变暖是否有城市热岛的贡献，贡献有多大等问题都有必要做进一步的探讨。