高海拔区,即山地和高原区域,是全球陆地系统的重要组成部分,与世界上超过14%的人口的生活息息相关。高海拔区地形复杂,海拔范围大,气候类型多样,生物多样性高,在水文循环上具有重要作用,对区域甚至全球气候具有一定影响,因而其气候变化研究受到科学家的高度关注,其海拔依赖性升温(Elevation-dependent warming, EDW)问题更成为一个研究聚焦点。然而,尽管近20多年来人们就此进行了大量研究工作,但是对(1)高海拔区的升温速度是否高于低海拔区和(2)高海拔区内是否存在EDW仍十分不确定。换言之,即针对高海拔区的升温增强(Warming amplification)问题,对是否存在(a)区域升温增强(Regional amplification)和(b)海拔升温增强(Altitudinal amplification)仍有很大争议。本研究通过收集和整理全球地面气象站1961-2010年的气温数据,借助方法创新与引入,对这两个关键科学问题进行了研究。本论文在方法上的创新之处和主要结论如下：(一)方法创新与引入(1)创建了“海拔升温分量提取法”。由于对一个具有一定海拔和面积的高海拔区而言,其气温变化不仅与海拔效应有关,而且可能与纬度效应或纬度和经度效应相关。所以采用简单线性回归法对高海拔区的EDW趋势进行检测具有很大局限性。因此,本研究创建了海拔、纬度和经度升温分量提取模型,使用“海拔升温分量提取法”对高海拔区的EDW趋势进行检测。应用该方法对一个高海拔区的EDW趋势进行检测的4个步骤如下：(a)对各个站点的海拔、纬度和经度单位进行统一变换,使其均以千米(km)来表示。(b)对该高海拔区的海拔、纬度和经度效应系数(ECALT, ECLAT和ECLONG)进行估算。(c)采用海拔升温分量提取模型(AWCE模型)对各站点的海拔升温分量(QALT)进行提取。(d)对该高海拔区各站点的海拔升温分量(QAIT)与站点海拔的线性关系进行检验,判断是否存在海拔升温增强趋势。(2)建立了“配对区域比较法”和“配对气象站组比较法”。在判断一个高海拔区的气温升幅是否较大时,之前人们并没有统一的参比对象,大多数研究是与全球或北(南)半球的趋势相比较,所以可比性较差。为了提高可比性,本研究设计了“配对区域比较法”。首先将与高海拔区进行比较的对象界定为相邻同一纬度、面积相同的低海拔区,然后对2者的气温趋势进行计算和比较。与建立“配对区域比较法”类似,在对全球高海拔站点(>500m)的整体气温趋势进行研究时,首先将参比对象定为同一纬度的所有低海拔站点,然后对2者的气温趋势进行计算和比较。(3)引入了“逐步回归法”。之前已有人注意到阿尔卑斯山的气温变化格局主要与海拔和纬度相关,但是却从来没有人对这种关系进行过统计学分析。尽管这种关系在区域尺度上一般并不显著,在全球尺度上对这种关系进行统计学检验则值得尝试。因此本研究将逐步回归法引入了对全球高海拔站点升温趋势与海拔和纬度关系的检验。(二)主要结论(1)根据近50年(1961-2010)年均气温序列,采用海拔升温分量提取法对青藏高原、黄土高原、云贵高原、阿尔卑斯山、美国落基山脉、阿帕拉契山脉、南美安第斯山脉和蒙古高原这8个高海拔区的海拔升温增强趋势进行了检测。结果表明这些高海拔区均存在显著的海拔升温增强趋势,在1961-2010年,这些高海拔区的平均海拔升温增强速率为0.19(+0.09)℃km-150-yr1。采用配对区域比较法对4对高、低海拔区气温变化趋势的分析表明,4个高海拔区(青藏高原北部,黄土高原东部,美国落基山东南部和阿尔卑斯山)的升温幅度均高于相应低海拔区。这些结果说明,在全球气候变暖背景下,高海拔区普遍存在区域升温增强现象和海拔升温增强趋势。(2)以近50年(1961-2010)的年均最低和年均最高气温序列为基础,采用海拔升温分量提取法对青藏高原、黄土高原、云贵高原、阿尔卑斯山、美国落基山脉和阿帕拉契山脉这6个高海拔区的海拔升温增强趋势进行了检测。结果表明,6(4)个高海拔区的年均最低温度(年均最高温度)具有显著的海拔升温增强趋势。1961～2010年,这6个高海拔区的年均最低温度(年均最高温度)的平均海拔升温增强速率为0.306±0.086℃ km-150-yr-1 (0.154±0.213℃ km-1 50-yr-1)(海拔升温增强趋势不显著时,其海拔升温增强速率以“0”来计算)；大于(小于)这些高海拔区年均温度的平均海拔升温增强速率(0.230×0.073℃ km-1 50-yr-1)。采用配对区域比较法对5对高、低海拔区的气温变化趋势分析表明,4个高海拔区的升温幅度大于对应的低海拔区。从定性的角度来看,由年均最低温度(年均最高温度)得到的结果与年均温度的高度(大致)一致。除此之外,本研究同时采用2因子(海拔和纬度因子)海拔升温分量提取法,从年均气温、年均最低气温和年均最高气温3方面,对青藏高原、黄土高原、云贵高原、阿尔卑斯山、美国落基山和阿帕拉契山这6个高海拔区的升温增强趋势进行了分析。结果表明各高海拔区的升温增强趋势与由3因子(海拔、纬度和经度因子)海拔升温分量提取法得到的非常一致。这说明同样可以采用2因子海拔升温分量提取法对高海拔区的海拔升温增强趋势进行估计。这也从另一个侧面说明各高海拔区的气温变化主要与海拔和纬度相关。(3)将全球高海拔站点(>500m)和相应低海拔站点分别视为一个整体,对2者的年均气温线性趋势进行比较,发现1961-2010年高海拔区的升温幅度是低海拔区的1.24倍。采用海拔分带法对高海拔站点的气温升幅与海拔的关系进行分析,发现在1961-2010年和1976-2010年期间,高海拔区均存在显著的海拔升温增强趋势,近35年的海拔升温增强速率是近50年的1.39倍。采用逐步回归法发现高海拔站点的气温升幅不仅与海拔显著相关,而且与纬度显著相关。这说明高海拔区的升温增强(Warming amplification)同时包含海拔升温增强(Altitudinal amplification)趋势和纬度升温增强(Latitudinal amplification)趋势。进一步分析表明,高海拔区的升温趋势与海拔和纬度两个方向上的温度递减率呈正比。根据Stefan-Boltzmann定律,这意味着高海拔区的升温增强主要与海拔和纬度两个维度上的能量平衡状态密切相关。相比较而言,在1961-2010年期间,北半球高纬区(北极区)低海拔站点(≤500m)的升温趋势是低纬度区低海拔站点的1.24倍。尽管北极区不存在纬度升温增强趋势,北半球低海拔站点的纬度升温增强趋势却非常显著。分析同时表明,北半球低海拔站点的升温趋势与纬度方向上的温度递减率呈正比。根据Stefan-Boltzmann定律,这意味着北极升温增强主要与纬度方向上的能量平衡状态密切相关。(4)将全球高、低海拔站点分别视为一个整体,对其1961-2010年各季节的平均气温线性趋势进行比较,发现近50年高、低海拔站点各季的平均气温均呈显著上升趋势。除春季外,其它三个季节均为高海拔站点的气温升幅高于低海拔站点。海拔分带法分析表明,高海拔站点各季的海拔升温增强趋势均很显著,且秋、冬季的海拔升温增强速率(0.2790℃km-1 150-yr-1,0.2756℃ km-1 50-yr-1)明显高于春、夏季(0.1023℃ km-1 50-yr-1,0.135℃ km-1 50-yr-1)。采用逐步回归法发现,高海拔区各季的升温增强现象同样既包含海拔升温增强趋势又包含纬度升温增强趋势。总之,本研究通过对EDW检测方法的创新与引入,极大地推动了EDW在区域和全球尺度上的研究。研究发现高海拔区普遍存在区域升温增强现象和海拔升温增强趋势。研究同时发现高海拔区不仅具有海拔升温增强趋势,而且具有纬度升温增强趋势。这些成果对高海拔区的气候变化归因、预估、影响和适应对策研究等具有重要参考价值。