黃金霞, 肖天貴, 陳楷榮, 吳 俞

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.汕尾市氣象局,廣東汕尾516600)

近年來(lái),全球變暖已是毋庸置疑的客觀事實(shí),文獻(xiàn)[1]表明,從19世紀(jì)末期到20世紀(jì)90年代,全球平均溫度有顯著的上升變化趨勢(shì)。在全球變暖的大氣候背景下,我國(guó)氣候也在發(fā)生變化。研究表明,近百年來(lái),我國(guó)氣候變化趨勢(shì)與全球變化總趨勢(shì)基本一致,氣溫上升了0.4℃-0.8℃,近50年增暖尤其明顯,主要在20世紀(jì)80年代中期以后,氣溫增加了1.1℃,貢獻(xiàn)最大的是秋、冬季[2-6],中國(guó)最低氣溫增暖趨勢(shì)比平均氣溫顯著[7-8],特別是冬季增暖更明顯,自1986年以來(lái)經(jīng)歷了17個(gè)暖冬[9-10]。

文獻(xiàn)[11-13]表明,我國(guó)各地對(duì)氣候變暖的響應(yīng)并不相同,氣溫變化具有明顯的季節(jié)性和區(qū)域性差異。廣東地跨中亞熱帶、南亞熱帶和北熱帶,且瀕臨海洋,山脈交錯(cuò),區(qū)域氣候變化差異顯著,已有不少學(xué)者[14、15]做了研究。廣東省內(nèi)不同區(qū)域亦存在對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)是不同的,如黃珍珠[16]研究得出：廣東不同區(qū)域的氣溫變化有差異,增溫速率南部沿海高于內(nèi)陸,東南部為 0.026℃/年,西南部 0.023℃/年,中部 0.021℃/年,北部0.012℃/年,各區(qū)域冬季增溫最明顯。顯然,這表明了不同的下墊面對(duì)區(qū)域溫度變化的響應(yīng)存在著差異。汕尾地處廣東東部沿海,屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),海洋性氣候明顯,光、熱、水資源豐富,獨(dú)特的地理位置使汕尾氣候變化具有自身的特點(diǎn)。利用汕尾地區(qū)40a的氣溫資料,對(duì)汕尾地區(qū)的氣溫變化特征的分析研究,將為該地區(qū)的氣溫預(yù)報(bào)和短期氣候預(yù)測(cè)提供一定的參考,為趨利避害指導(dǎo)汕尾的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、合理利用本地氣候資源提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

氣溫資料為1960-1999年汕尾地區(qū)3個(gè)站(汕尾、海豐、陸豐)40年的逐月平均、最高(最低)氣溫資料,以及利用該資料得到的40a年平均氣溫序列和春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-翌年2月)四季的平均氣溫序列、最高(最低)氣溫序列,其中取3-5月平均值為春季氣溫平均值,6-8月平均值為夏季氣溫平均值,9-11月平均值和12-2月平均值分別代表秋季氣溫和冬季氣溫平均值。

1.2 計(jì)算方法

1.2.1 線性趨勢(shì)

把氣候要素的變化寫(xiě)成時(shí)間t的線性函數(shù)x=at+b,其中a,b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),用最小二乘法通過(guò)實(shí)際資料計(jì)算得出,其中a表示線性函數(shù)的斜率,也就是氣候要素的線性趨勢(shì),稱為氣候傾向率[17],文中指的是氣溫傾向率,單位為℃/a。

圖1 汕尾站年、季溫度距平序列(實(shí)線)、累積距平曲線(虛線)圖

1.2.2 累積距平

累積距平也是一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法[17]。對(duì)于序列 x,其某一時(shí)刻 t的累積距平表示為 ：

將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出,即可繪出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析。累積距平曲線呈上升趨勢(shì),表示距平值增加,定為偏暖階段,呈下降趨勢(shì)則表示距平值減小,定為偏冷階段。

在冷、暖階段中,暖年(季)、正常年(季)、冷年(季)的劃分標(biāo)準(zhǔn)為：暖年(季)正常年(季)ˉT+冷年(季)其中 ˉT代表氣溫序列多年平均值,S為標(biāo)準(zhǔn)差,T為某一年(季)的氣溫。

1.2.3 小波分析

小波分析亦稱多分辨率分析,被認(rèn)為是傅里葉分析方法的突破性進(jìn)展。在氣候診斷中,廣泛使用的傅里葉變換可以顯示出氣候序列不同尺度的相對(duì)貢獻(xiàn),而小波變換不僅可以給出氣候序列變化的尺度,還可以顯示出變化的時(shí)間位置。小波變換理論及其優(yōu)越性已在文獻(xiàn)[18,19]中介紹,這里就不再贅述。

1.2.4 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,能檢驗(yàn)突變發(fā)生的時(shí)間,其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,更適用于類型變量或順序變量。其原理詳見(jiàn)文獻(xiàn)[20,21]。

2 汕尾地區(qū)40年氣溫變化特征

2.1 氣溫的年、季變化

3站年平均氣溫分別為：汕尾22.2℃、海豐22.1℃、陸豐22℃。下面以汕尾站進(jìn)行詳細(xì)分析。由圖1a年氣溫距平曲線圖可以看出：40年汕尾地區(qū)年平均氣溫經(jīng)歷了一冷兩暖期。尤其在1980年代中期以后到21世紀(jì)初,氣溫總體上呈顯著上升趨勢(shì),這同中國(guó)的變化一致[22]。1960-1966年為第一暖期,持續(xù)7年,除1962年為負(fù)距平-0.3℃,其它6年均為正距平;1967-1984年為冷期,持續(xù) 18年,除了 1972年(+0.2℃)、1974年(+0.1℃)外,其它16年均為負(fù)距平,40年中距平最小值出現(xiàn)在1976年達(dá)到-1.0℃即年平均氣溫最小值21.2℃;次小值出現(xiàn)在1970年達(dá)到-0.7℃即21.5℃;1985-1999年為第二暖期,持續(xù)15年,時(shí)間長(zhǎng)于第一暖期,溫度變化振幅明顯大于第一暖期。其氣溫傾向率為0.04753℃/a,遠(yuǎn)大于第一暖期的氣溫傾向率0.016071℃/a,1998是40年中最暖的一年,距平為1.2℃,年平均氣溫達(dá)到23.4℃。這一結(jié)論與許多結(jié)論是基本一致的,即“近20-30年來(lái)中國(guó)的氣溫上升明顯,與東亞的趨勢(shì)一致,1998年是有觀測(cè)記錄以來(lái)最暖的一年,20世紀(jì)90年代是最暖的10年,這與全球平均氣溫的變化趨勢(shì)一致。”[23-25]

從季變化看,夏季、秋季、冬季(圖1c、d、e)的變化基本同年均變化一致,但春季(圖1b)與年、夏、秋、冬季的變化有所不同。除在1967年前與第一暖期有一定的對(duì)應(yīng)后,之后呈波動(dòng)式振蕩上升的趨勢(shì),其中冷期滯后較為明顯,約持續(xù)到1990年代初期。整體趨勢(shì)變化四季也有一定的差異,春季氣溫有微弱的下降其傾向率為-0.0012℃/a,其他3季均有明顯的上升走勢(shì)。其中冬季增幅最顯著,氣溫傾向率達(dá)到0.025682℃/a,遠(yuǎn)大于年平均氣溫的升溫率0.01℃/a。可見(jiàn)冬季增暖對(duì)年平均氣溫的上升占有主要的貢獻(xiàn),也最能體現(xiàn)近年來(lái)氣候變暖的事實(shí)。

海豐和陸豐站40年的氣溫變化(圖略)也呈現(xiàn)了暖-冷-暖3個(gè)階段的趨勢(shì)變化特征。時(shí)間段與汕尾站基本對(duì)應(yīng)。年平均氣溫最小值海豐與陸豐也都出現(xiàn)在1970年,分別達(dá)到21.0℃和20.9℃;年平均氣溫最大值海豐與陸豐也同樣都出現(xiàn)在1998年,分別達(dá)到23.7℃和23.5℃;兩站四季氣溫皆呈上升趨勢(shì),且升溫率以冬季最為顯著。

圖2 汕尾站年平均最高與最低氣溫的距平與累積距平曲線圖(實(shí)線為距平曲線、虛線為累積距平曲線)

2.2 最高與最低氣溫的對(duì)比分析

圖2表明,40年來(lái)汕尾站年平均最高氣溫與最低氣溫同年平均氣溫一樣均呈升高趨勢(shì)。升溫率分別為0.011℃/a,0.017℃/a,后者是前者的1.5倍左右?？梢?jiàn)最低氣溫的升溫幅度明顯大于最高氣溫,這與文獻(xiàn)[26]中得到的“中國(guó)平均最低氣溫的增幅明顯大于平均最高氣溫的增幅”的結(jié)論一致。經(jīng)計(jì)算：年平均氣溫日較差傾向率為-0.00557℃/a呈減小的趨勢(shì),這種非對(duì)稱性變化趨勢(shì)說(shuō)明夜間升溫率大于白天。

從季節(jié)變化趨勢(shì)看,季節(jié)最高氣溫除了春季呈小幅下降外,其他3季均呈上升趨勢(shì),對(duì)年平均最高氣溫的上升有正貢獻(xiàn),秋、冬季占主要貢獻(xiàn)。而季最小氣溫各季均呈上升趨勢(shì),春、夏季略有增加,秋、冬季升溫顯著,分別是夏季的3～5.5倍。

海豐、陸豐的變化特征分析(圖略)表明,年際趨勢(shì)基本和汕尾站類似。從表1可見(jiàn),海、陸豐年最高最低氣溫同樣呈上升趨勢(shì),海豐站升溫率Tmin＞＞Tmax,接近2倍,而陸豐的年最低氣溫升溫率卻小于最高溫度升溫率,這與全球的變化趨勢(shì)是不一致的,經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)陸豐縣自20世紀(jì)90年代以來(lái)城市發(fā)展較快,受城市化進(jìn)程影響,陸豐站周?chē)挠^測(cè)環(huán)境受到一定的破壞,其觀測(cè)數(shù)據(jù)與地區(qū)或氣候平均值有了一定的偏差,這可能是有別于其他兩站的主要原因。但從季節(jié)看兩站各季基本均為冬季對(duì)年極值氣溫的升高的貢獻(xiàn)最大。

表1 汕尾地區(qū)3站1960-1999年各類氣溫統(tǒng)計(jì)量

3 氣溫冷暖階段分析

分別統(tǒng)計(jì)年及冬、夏平均氣溫冷、暖階段的有關(guān)情況,結(jié)果見(jiàn)表2。近40年汕尾地區(qū)在不同冷、暖階段,冷、暖年(季)出現(xiàn)的年數(shù)差異很大。在第一暖期(1960-1966年),出現(xiàn)2個(gè)暖年、4個(gè)正常年和1個(gè)冷年;夏季出現(xiàn)1個(gè)暖季、4個(gè)正常季、2個(gè)冷季;冬季出現(xiàn)2個(gè)暖季、3個(gè)正常季和 2個(gè)冷季,年、夏季均為正距平,冬季氣溫為負(fù)距平。冷期(1967-1984年),出現(xiàn)11個(gè)冷年、3個(gè)正常年和4個(gè)暖年;夏季6個(gè)冷季、10個(gè)正常季和2個(gè)暖季;冬季出現(xiàn)8個(gè)冷季、5個(gè)正常季和5個(gè)暖季,年、夏、冬季均為負(fù)距平。在第二暖期(1985-1999年),出現(xiàn)7個(gè)暖年、5個(gè)正常年和3個(gè)冷年;夏季出現(xiàn)6個(gè)暖季、6個(gè)正常季,另有3個(gè)季表現(xiàn)為冷季;而冬季暖季增多達(dá)到8個(gè),正常季依然為6個(gè),冷季減少達(dá)到1個(gè)。年、夏、冬季氣溫均為正距平,夏到冬季增加明顯,并在冬季達(dá)到0.448889℃的正距平。表明20世紀(jì)80年代中期以來(lái)氣溫呈現(xiàn)顯著的增暖趨勢(shì),這與全球氣候變暖的大背景相呼應(yīng)。

海豐、陸豐(圖略)的規(guī)律特征：海豐在第一暖期無(wú)暖年,其它相當(dāng);在冷期兩站表現(xiàn)有一定差異,其中海豐冷年達(dá)到13年,比陸豐多4個(gè),夏、冬季相當(dāng);在第二暖期,陸豐比海豐多2個(gè)暖年,夏季多3個(gè)暖季,其他相當(dāng)。從距平值看兩站變化差距不大,但趨勢(shì)與汕尾站有一定差異：第一暖期距平均為負(fù)值,冷期也同為負(fù)值,第二暖期同為正值且距平值增幅較大,其中海豐0.633333℃、陸豐0.553333℃,比汕尾站增加約25%～50%。可見(jiàn)受海洋性氣候影響最大的汕尾站比內(nèi)陸兩站在氣溫升高方面有提前的趨勢(shì)。

表2 汕尾站年、夏季、冬季平均氣溫冷暖階段統(tǒng)計(jì)情況

4 異常冷暖年(季)

世界氣象組織對(duì)氣候異常提出了兩種判別標(biāo)準(zhǔn)[27],其一是距平超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差的兩倍以上,其二是它出現(xiàn)的幾率為25年以上一遇。由于標(biāo)準(zhǔn)差是描寫(xiě)氣象要素相對(duì)其平均值離散程度的統(tǒng)計(jì)量,因此取距平超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)一定程度為異常是適當(dāng)和方便的?？紤]到異常氣候出現(xiàn)機(jī)遇較少,王紹武等[28]把大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.3倍的氣候?yàn)?zāi)害定為嚴(yán)重氣候?yàn)?zāi)害。由于汕尾地處沿海,受海洋性氣候影響偏大,選取一個(gè)中間值即采用距平的絕對(duì)值大于標(biāo)準(zhǔn)差的1.5倍作為異常標(biāo)準(zhǔn),來(lái)分析汕尾地區(qū)的異常冷、暖年情況,如表3所示。

表3 1960-1999年汕尾地區(qū)3站異常冷暖年(季)統(tǒng)計(jì)表

從年際看,異常冷年均出現(xiàn)在1980年以前。3站異常冷年均出現(xiàn)在1970年、1976年、1979年,其中陸豐1976年為汕尾地區(qū)40年中最冷的一年,年平均氣溫為20.85℃,距平為-1.15℃,其低于年平均氣溫標(biāo)準(zhǔn)差的2倍。異常冷春季3站也均在1970年,陸豐站同樣也是最冷的春季達(dá)到19.77℃,距平值達(dá)到-1.66℃。異常冷夏季分別在1976年、1979年,異常冷冬季均在1980年代中期以前,1984年之后16年以來(lái)無(wú)異常冷冬季,其中3站為1976年均冷冬季,最冷冬季出現(xiàn)在陸豐站的1967年,氣溫12.47℃,距平-2.59℃。

同樣,異常暖年也均出現(xiàn)在1990年代后期。異常暖年僅有2年,其中海豐1998年為40年中最暖一年,其年平均氣溫為23.71℃,距平為1.608℃,約等于年平均氣溫標(biāo)準(zhǔn)差的3.4倍。最暖的四季分別是海豐1998年春季(氣溫23.27℃、距平 1.747℃)、海豐與陸豐 1998年夏季(氣溫達(dá)到 28.63℃)、海豐 1998年秋季(氣溫達(dá)到25.43℃)、海豐1998年冬季(氣溫達(dá)到17.5℃,距平達(dá)到2.3℃)。

5 小波分析與M-K突變檢驗(yàn)

5.1 小波實(shí)部分析

研究[29]表明,小波系數(shù)的變化趨勢(shì)與氣候信號(hào)的起伏是基本一致的。等值線中心為冷暖中心,中心值的大小可以反映出波動(dòng)的振動(dòng)強(qiáng)度,小波系數(shù)的零點(diǎn)可能對(duì)應(yīng)于氣候突變點(diǎn)。采用墨西哥帽小波變換,分析了汕尾地區(qū)40a年平均氣溫的多時(shí)間尺度特征(為更清晰地體現(xiàn)年平均氣溫的變化規(guī)律,圖3使用了插值算出的2000年數(shù)據(jù))。由圖3a可知：汕尾站存在2-3a、6-7a的高頻振蕩周期,同時(shí)也存在一個(gè)準(zhǔn)12a的年代際尺度的低頻振蕩周期。其中2-3a的振蕩周期主要在1980-1990年代之間,6-7a的振蕩周期主要在1960年代中期以前,準(zhǔn)12a年代際周期振蕩從1980年代中期開(kāi)始逐漸加強(qiáng),并在1990年代末到2000年初為最強(qiáng)階段(由等值線趨于閉合推斷),小波變換系數(shù)值達(dá)到+9左右。另外,從氣溫的冷暖結(jié)構(gòu)來(lái)看,1960年代中期以前是偏暖階段,之后到1980年代中期主要是偏冷階段,1980年代中期以后至今為顯著的變暖階段。

5.2 方差分析

由公式(略)計(jì)算年平均氣溫的小波方差,得到圖3(b)?？芍?個(gè)小波方差峰值對(duì)應(yīng)12a的時(shí)間尺度,說(shuō)明在1960-2000年整個(gè)時(shí)間域中,汕尾站以12a的周期振蕩最強(qiáng),是第1主周期。

圖3 汕尾站年平均氣溫

5.3 M-K突變分析

由圖4可見(jiàn),UF和UB曲線相交于±1.96信度線之間,確定汕尾站年平均氣溫在1998年發(fā)生了突變。

5.4 海、陸豐站變化特點(diǎn)

由兩站小波變換(圖略)分析得出：海豐小波圖上存在準(zhǔn)7a與14-16a的振蕩周期,方差圖上有1峰值較好地對(duì)應(yīng)了14-16a的時(shí)間尺度。陸豐有準(zhǔn)1.5a、準(zhǔn)2.5a、5-7a、準(zhǔn)16a的振蕩周期,方差圖上也有1峰值能較好地反映出準(zhǔn)16a的時(shí)間尺度。

圖4 汕尾站Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線圖

由兩站M-K突變檢驗(yàn)(圖略)分析得出：突變時(shí)間均提前到1997年。從前述表1中計(jì)算的數(shù)據(jù)可以看出：40年汕尾站年平均與最高、最低氣溫的氣溫傾向率值分別為0.01、0.011、0.017,而海豐、陸豐兩站分別為0.022、0.017、0.031和0.023、0.029、0.024,從3站年平均氣溫傾向率看海豐、陸豐2站明顯高于地處沿海的汕尾站近2倍,再以年平均最高、最低氣溫的傾向率進(jìn)行比對(duì)可以看出：與年平均氣溫傾向率同比類似,但幅度稍小。綜上：3種數(shù)據(jù)說(shuō)明了海豐、陸豐2站比汕尾站提前響應(yīng)了全球氣象變暖背景的大趨勢(shì),可能是此兩站突變時(shí)間偏早1年的原因之一。

6 結(jié)論

通過(guò)常規(guī)氣候診斷方法,對(duì)汕尾地區(qū)1960-1999年40年的氣溫進(jìn)行分析,得出以下結(jié)論。

(1)40年來(lái)汕尾地區(qū)存在暖-冷-暖的3個(gè)階段的氣候波動(dòng)變化?？傮w上年季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)。尤其在20世紀(jì)80年代中期以后的升溫趨勢(shì)較為明顯。四季的升溫率以冬季最為顯著。各個(gè)年代平均氣溫的年季變化總體上呈逐漸上升的趨勢(shì),其中1990年代的增暖最為顯著。

(2)年平均最高氣溫與最低氣溫同年平均氣溫一樣均呈升高趨勢(shì)。其中海豐年平均最低氣溫升溫率遠(yuǎn)大于最高溫度升溫率,汕尾站次之,但陸豐站年平均最低氣溫升溫率卻小于最高溫度升溫率。

(3)近40年汕尾地區(qū)在不同冷、暖階段,冷、暖年(季)出現(xiàn)的年數(shù)差異很大。其中異常冷年均出現(xiàn)在1980年代以前的1970年、1976年、1979年,其中陸豐1976年為汕尾地區(qū)40年中最冷的一年,年平均氣溫為20.85℃;異常暖年也均出現(xiàn)在1990年代后期。異常暖年僅有2年,其中海豐1998年為40年中最暖一年,其年平均氣溫為23.71℃。

(4)汕尾站存在2-3a、6-7a的高頻振蕩周期,同時(shí)也存在一個(gè)準(zhǔn)12a的年代際尺度的低頻振蕩周期。海豐站存在準(zhǔn)7a與14-16a的振蕩周期,陸豐站有準(zhǔn)1.5a、準(zhǔn)2.5a、5-7a、準(zhǔn)16a的振蕩周期。

(5)年平均氣溫M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示：汕尾站在1998年發(fā)生了突變,海豐、陸豐站均在1997年發(fā)生了突變。

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