近1000 a中，20世纪以来气候变暖最为显著，尤其近50 a的变暖趋势更为明显^[1]。研究发现，中国百年气温的暖期分别出现在20世纪30—40年代和80—90年代，但存在明显的区域性差异^[2]，早期增暖过程中气候系统内部过程影响较大，而近几十年的增温则更多受外强迫的影响^[3]。其中，中国西北、东北、华北地区增暖最显著，而西南地区增温趋势最弱^[4]。由于资料来源、观测时段不同，中国近百年增温速率仍存在争议^[5⇓-7]，总体上百年增温范围在0.90~1.52 ℃之间^[8]。完整的百年气温长序列是气候变化分析的基础，鉴于1951年前全国气象观测台站稀少，气温序列缺测较多，最初有学者利用气温等级对气温序列进行延长插补^[9]，或利用史料、树木年轮等代用资料来完善，而近年来利用重建的再分析资料研究气温的百年变化成为新态势^[5-6,10]，但这些代用资料、再分析资料普遍存在变化幅度小、极值不显著的特征，无法准确反映极端年份的气温变化，因此利用百年以上尺度的实测气温数据进行气候变化分析至关重要。研究结果显示，不同地区局地百年气温变化既有一定的共性，也存在一定的差异。如，广州在20世纪40年代开始增温，80年代至20世纪末进入快速增温时期^[11]；大连在1930年和1982年存在2个增暖突变点，20世纪90年代之后增暖趋势最显著^[12]；上海在20世纪30—40年代、90年代至21世纪初升温明显^[13]；浙江20世纪30—40年代增温不显著，但在20世纪70年代之后增温迅速^[14]。可见，广州、大连、上海等城市的暖期与全国基本一致，而浙江与全国存在一定差异。

长江中下游地区仅有南京、武汉、芜湖、上海4个WMO（世界气象组织）百年气象站，但这些站的百年气温变化研究时间偏早，且在气温序列重建中对观测时次导致的误差、台站搬迁、数据均一性检验等考虑较少^[15-16]，无法得到真实反映。芜湖站作为我国14个世界级百年气象站之一，同时也是安徽省唯一的世界级百年气象站，其意义对于安徽省乃至中国非常重大。然而，目前芜湖站近140 a的气温数据仍未数字化整理和质量控制。为此，本文参考前人研究方法，对芜湖站2个时段（1880—1937年、1952—2020年）月平均气温进行数字化整理及质量控制，并结合英国东英吉利大学气候研究中心（Climatic Research Unit，CRU）格点气温资料，采用逐步回归分析方法，对观测气温进行拟合并对缺测值（1938—1951年）插补，进而构建1880—2020年百年月平均气温序列，在此基础上探讨气温的年代际变化特征。

1880年3月1日起，芜湖海关气象观测站正式开始观测，1937年11月芜湖沦陷，气象观测被迫中止，建国后1952年1月11日开始恢复观测。除1938—1951年、1952年1月部分数据缺测外，其他时段数据完整、可用性高。其中，1880—1937年日平均气温来源于手抄的“海关气象观测月总薄”，1952—2020年气温资料来源于安徽省气象信息中心。另外，还使用了英国东英吉利大学气候研究中心（CRU）发布的1901—2020年TS（time series）4.04格点气温逐月资料，空间分辨率为0.5°×0.5°，该数据在中国长江流域适用性强^[17]。另外，安徽省行政边界是基于安徽省自然资源厅审核批准的审图号为皖S（2021）3号的标准地图制作，底图无修改。

首先，对芜湖站气温资料进行质量控制，即设定各月日平均气温3倍标准差为阈值，对1880—1937年、1952—2020年日平均气温进行质量检验，若日平均气温超出阈值则记为缺测，气温缺测5 d以上的月份记为月平均气温缺测。总体来看，芜湖站月平均气温质量较高，仅1923年10、11月和1937年12月、1952年1月平均气温缺测。将缺测的月平均气温暂用距离最近的CRU格点气温代替。

1880—1937年气温观测时次与建国后不同，由于观测时次、计算方法不同，平均气温往往存在细微差别，需要将其订正到统一标准上^[14,18]。根据《地面气象观测规范》要求^[19]，芜湖站1952—2020年平均气温计算采用02：00、08：00、14：00、20：00（北京时，下同）4次定时观测值，本文称之标准时次。然而，1880—1937年芜湖站气温观测时次并非如此（表1），1880—1885年、1904—1937年每日8次观测，观测时次依次为03：00、06：00、09：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00，平均气温为8个时次的均值；1886—1903年每日4次观测，观测时次依次为03：00、09：00、15：00、21：00，平均气温为4个时次的均值。可见，观测时次、计算方法不同，必然导致误差产生。因此，需利用差值订正法将1880—1937年两种不同观测时次的气温月值统一订正到标准时次。

为了使订正数据更加准确，考虑到芜湖站自2007年起开始逐小时气温观测，故利用2007—2020年数据计算各月不同观测时次与标准时次平均气温差值进行订正。具体方法是：对2007—2020年各月8个观测时次（03：00、06：00、09：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00）和4个标准时次的气温求平均后相减，用该差值订正1880—1885年及1904—1937年的月平均气温，即非标准时次平均气温减去对应差值，从而实现气温订正。同样，计算2007—2020年各月4个观测时次（03：00、09：00、15：00、21：00）与4个标准时次的月平均气温差值，用该差值订正1886—1903年的月平均气温。

图1是2007—2020年芜湖站不同观测时次与标准时次气温平均误差的月际变化。可以看出，除9月外，8次和4次观测的月平均气温均较标准时次偏高，误差为0.0~0.2 ℃，但4次观测的误差更大，说明观测时次越密越有利于误差减小。因此，1880—1885年和1904—1937年月平均气温数据质量优于1886—1903年。利用各月平均误差进行相应的气温订正，可进一步消除因观测时次不同而导致的误差。

伴随气候变暖的加快，全球气温日较差呈现不同程度的下降^[20]。那么，仅利用全球变暖背景下2007—2020年数据对1880—1937年月平均气温进行差值订正是否可靠?为验证这一问题，对2007—2020年全年及不同季节8次和4次平均气温误差的线性倾向率进行统计（表2），发现8次和4次平均气温的误差在2007—2020年变化趋势非常缓慢，线性倾向率均未通过α=0.05的显著性检验，其中春、夏季呈现缓慢增大趋势，秋、冬季则呈现缓慢减小趋势，而年平均气温误差的变化基本可以忽略不计。虽然2007—2020年芜湖站总体处于增温阶段，且日较差有所减小，但其变化趋势对8次和4次平均气温误差影响较小，故推测气温的年代际变化对不同观测时次平均气温误差影响有限，利用2007—2020年小时气温数据进行不同观测时次的差值订正是有效的。

采用标准正态均一性检验（standard normal homogeneity test，SNHT）方法^[21-22]，对1952—2020年芜湖站月平均气温资料进行均一性检验。在均一性检验过程中，建立数据质量较高的参考序列非常必要。因此，选取芜湖站周边200 km内溧阳、长丰、黟县3站作为参考站（图2），这3站自建站以来未迁过站、探测环境较稳定，序列资料完整性好且质量高。长丰站建站较晚，资料始于1967年，故选取1967—2020年3站月平均气温作为参考。

经计算，3个参考站月平均气温与芜湖站的相关系数高达0.99以上。SNHT均一性检验（0.01的显著性水平）发现，建国后1988年11月、1990年7月、1992年10月、1994年7月的平均气温出现非均一性突变点（表3）。经核查芜湖台站沿革资料，发现1988年突变是因观测场海拔整体升高所致，1992—1994年突变则是因观测场北部建设办公楼所致，而1990年突变原因不明。另外，自建站以来，芜湖站分别在1955年4月1日（118°23′E，31°20′N；海拔15.2 m）、2006年1月1日（118°22′E，31°23′N；9.5 m）、2016年1月1日（118°21′E，31°20′N；海拔12.8 m）经历3次迁站（表略），迁站前后地理条件相似，并未造成气温的非均一性突变。

1901—1937年芜湖站周边无观测资料连续且质量较好的参考站，故选取该站周边相邻且相关性最高的6个CRU格点（图2）资料作为参考气温。统计显示（表4），与距离芜湖站最近的CRU格点气温相比，6个格点月平均气温与芜湖站的均方根误差明显偏小，偏差也相对较小，相关系数更高，更接近观测值。因此，用6个CRU格点的月平均气温作为参考气温更为合理。同样，采用SNHT方法对1901—1937年芜湖站实测月平均气温进行均一性检验，发现有6个数据出现突变（表3），且数值偏大。由于建国前无芜湖台站沿革信息，故无法推断出现非均一性的原因。1880—1900年没有CRU数据作为参考，故该时段内芜湖站月平均气温采用距平累积法和极值检查，未发现明显的突变点。

由于1952—2020年、1901—1937年芜湖站月平均气温与参考气温存在极显著正相关关系，故分别建立这2个时段两者的线性回归方程，并利用回归方程拟合数据对非均一性突变点进行插补。

鉴于1952—2020年突变点较少，插补后的序列和原始序列差异不大（图略）。1880—1937年芜湖站经差值、均一化订正及插补后的气温序列略低于原始序列，特别在1891—1911年订正效果明显（图3）。可见，通过上述订正及插补，可以消除观测时次不同及非均一性导致的误差，明显提高了1880—1937年数据的可用性。

1938—1951年芜湖站观测中断，需利用CRU格点气温数据进行构建。由于CRU格点气温与芜湖站观测气温存在一定偏差，直接代替势必造成数据的非均一性。经统计，芜湖站邻近的CRU格点气温比观测值偏低，1901—1937年、1953—2020年（考虑到1952年1月气温缺测，故从1953年开始计算）分别偏低0.9、0.4 ℃。故基于这2个时段芜湖站月观测气温与上述周边相邻的6个CRU格点气温，采用多元逐步回归分析方法，分别建立芜湖站月平均气温的最优拟合方程，对1938—1951年气温进行拟合，取平均值进行插补。多元逐步回归计算公式^[23]如下：

式中：y^（℃）为站点拟合气温；yj（℃）为站点周边相邻的第j个格点气温；β0是站点气温拟合常数；βj是站点周边第j个格点的气温拟合系数；ε（℃）是站点气温残差；n为格点数，本文取6。

以构建1901—1937年1月最优拟合方程为例，首先计算该时段内芜湖站观测气温与周边多个CRU格点气温的相关系数，选出6个相关系数最高的格点气温作为自变量，芜湖站观测气温作为因变量，建立多元逐步回归方程；然后，基于1901—2020年上述CRU格点气温，利用多元逐步回归拟合方程，拟合同期芜湖站气温。同样，基于1953—2020年芜湖站观测气温和CRU格点气温建立拟合方程，并拟合1901—2020年芜湖站气温。以此类推，建立两套芜湖站月拟合气温序列。

从图4看出，芜湖站观测气温与基于1901—1937年、1953—2020年数据的拟合气温存在一定偏差，总体上前者较观测平均偏高0.25 ℃，后者平均偏低0.19 ℃，但两套拟合气温与观测气温的变化趋势基本一致，且2个偏差序列的标准差接近，说明2个时段数据拟合的气温偏差变化稳定。1938年以前，两套拟合气温绝大部分年份低于观测气温，但基于1901—1937年数据拟合的气温更接近观测；1953年以后，基于1901—1937年数据拟合的气温明显高于观测，而基于1953—2020年数据拟合的气温更接近观测，其中20世纪90年代以前拟合气温略偏高，之后拟合气温略偏低。可见，1938—1951年月平均气温用两套拟合气温序列的平均值进行插补，比CRU格点序列或单一的拟合气温序列更加准确。

图5是1880—2020年芜湖站全年及各季平均气温的变化曲线。可以看出，近140 a芜湖站年平均气温整体呈显著上升趋势（通过α=0.01的显著性检验），气候倾向率为0.06 ℃·（10 a）^-1，低于中国百年气温增速^{[5⇓⇓⇓-9]}，且重建的1938—1951年序列没有明显突变[图5（a）]。与周边上海站对比发现，芜湖、上海年平均气温在20世纪40年代均略有上升^[16]，这间接表明了重构的1938—1951年数据能够较好地反映缺测时段芜湖站气温的年际变化。另外，芜湖气温变化存在明显的阶段性，19世纪末为显著偏冷时段，累积距平始终为负值；20世纪初至20年代为偏暖时段，随后30年代偏冷，40年代偏暖，50—80年代又转为明显偏冷时段，90年代之后气温快速回升，累积距平持续为正值，增温持续时间最长。其中，21世纪以来平均气温较19世纪末明显偏高1.3 ℃。

与年平均气温变化趋势一致，近140 a芜湖站四季气温也呈现增加趋势，春季增温最显著，气候倾向率为0.12 ℃·（10 a）^-1，远超出其他季节，对年平均气温增温的贡献最大。春季气温在19世纪末至20世纪20年代为持续稳定增温阶段，之后与年平均气温的变化基本一致[图5（b）]。研究表明，1885年以来长江中下游地区四季气温百年增加0.59~0.92 ℃，春季增温最大^[24]。在同时段内，芜湖春季增温趋势略高于长江中下游区域平均。夏、冬季气温的气候倾向率与年平均气温接近，分别为0.06、0.07 ℃·（10 a）^-1（通过α=0.01的显著性检验）。夏季，除19世纪末气温异常偏低外，20世纪初至60年代气温的年代际差异较小，冷暖交替变化没有春季显著，而70—80年代为偏冷期，90年代之后转为偏暖期，长期维持正距平[图5（c）]，这一点与年平均气温变化一致；冬季气温也呈现冷暖交替的年代际变化特征，19世纪末异常偏冷，20世纪初至20年代偏暖，30—80年代持续偏冷，90年代以后增暖趋势显著[图5（e）]。秋季增温最弱，气候倾向率仅为0.02 ℃·（10 a）^-1[图5（d）]，未通过α=0.01的显著性检验，与年平均气温变化类似，在20世纪初至20年代、90年代之后存在2个暖期。综上所述，近140 a芜湖站年及季节（秋季除外）气温整体显著上升，且存在冷暖交替的年代际变化特征，但不同季节冷暖变化时期略有不同。

鉴于四季气温的气候倾向率与所选时段有很大关系，故计算四季气温在不同时段的气候倾向率（图6）。可以看出，春季气温在各时段的增温率均最大，远高于其他季节；冬季增温率次之，与前面分析一致。虽然1880—2020年芜湖增温趋势弱于全国平均^[5-6]，但随着时间的推移和统计时段的缩短，各季节增温趋势逐渐增大，1980—2020年四季增温趋势最强，增温率在0.33 ℃·（10 a）^-1以上，其中春季增温率高达0.65 ℃·（10 a）^-1。然而，进入21世纪以来，四季增温率明显减弱，夏、秋季气温甚至出现下降趋势，这一特征与东亚增温停滞^[25-26]相吻合，说明近20 a来芜湖增温减缓。KNIGHT等^[25]研究指出，1998年全球气温达到最高点后，增温率不再继续上升，这主要是CRU资料的问题。事实上，芜湖站气温观测资料显示21世纪以来增温停滞现象客观存在。尽管增温有所放缓，但气候变化是一个长期过程，需要从几十年甚至上百年的尺度进行研究。

对近140 a芜湖站年和四季平均气温进行小波分析（图7）。可以看出，芜湖年及四季平均气温存在64 a以上时间尺度的周期振荡，但该周期多处于边缘效应影响区域，故真实性有待商榷。另外，年及秋季（图略）、冬季平均气温均存在40~50 a的周期振荡，对应该时段冷暖交替频繁。此外，年、四季平均气温在不同时段还存在20~30 a的周期振荡，其中春、冬季该周期贯穿整个时域，而年及夏、秋季该周期仅集中出现在19世纪末至20世纪60年代。

本文利用芜湖站百年气温观测数据和周边CRU格点再分析资料，在差值和均一化订正基础上，采用多元逐步回归分析方法，构建1880—2020年芜湖月平均气温序列，并对年及四季平均气温的年代际变化特征进行分析。总体上，芜湖站气温原始序列个别存在非均一性突变，且1880—1937年月平均气温偏高，经差值和均一化订正后数据质量得到明显改善，年及季节平均气温均呈现冷暖交替的年代际变化，不同季节变化特征略有差异。具体结论如下：

（1）不同观测时次计算的月平均气温有所差异。与目前标准时次（02：00、08：00、14：00、20：00）相比，建国前8次（03：00、06：00、09：00、12：00、15：00、18：00、21：00、24：00）和4次（03：00、09：00、15：00、21：00）观测的平均气温均存在误差，且4次观测的气温误差更大。均一性检验发现，局部环境改变会引起气温突变。经差值和均一化订正后，芜湖1880—1937年月平均气温数据的可用性明显提高。

（2）基于芜湖站1901—1937年、1953—2020年月观测气温和1901—2020年CRU格点气温，得到的2个拟合气温序列的均值比CRU格点气温序列或单一拟合气温序列更接近观测值，故利用2个拟合气温的均值对1938—1951年数据进行插补。

（3）1880—2020年芜湖年、季节平均气温均呈现冷暖交替的年代际变化，其中20世纪80年代末由冷到暖的交替最显著。近140 a芜湖四季一致升温，春季升温最明显，夏季、冬季次之，秋季增温趋势不显著。2000年之前芜湖增温速率不断加快，但之后四季增温有所减缓，特别是夏、秋季甚至出现弱的降温趋势。

（4）近140 a芜湖年和四季平均气温在不同时段存在20~30 a的周期振荡，且年及秋、冬季平均气温还存在40~50 a的周期变化。