盛 任，萬魯河,張羽威

(哈爾濱師范大學(xué);黑龍江省普通高等學(xué)校地理環(huán)境遙感監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引言

聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)發(fā)布的第五次評估報(bào)告指出，近百年全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了地表增暖[1].北極冰量已減少，海水侵蝕海岸帶，溫室氣體濃度已迅速增加等[2,3]，近期這些極端氣候事件的影響表明了某些生態(tài)系統(tǒng)[4,5]和許多人類系統(tǒng)對當(dāng)前氣候變率具有明顯脆弱性和暴露度[6～8].與全球變化相對應(yīng)，在《第二次氣候變化國家評估報(bào)告》指出，自19世紀(jì)以來，中國升溫的趨勢與全球基本一致，不同地區(qū)其氣溫上升傾向?yàn)?.19～0.72℃/100a；尤其在近年來的增暖顯著，在1951～2005年間,我國氣溫變暖趨勢約為0.64～0.92℃/50 a[9-10].

在全球變暖背景下，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者對不同地域進(jìn)行了長時(shí)序氣候數(shù)據(jù)的時(shí)空變化研究.史培軍等[11]對中國地區(qū)1961～2010年氣候演化趨勢分析，并將珠江三角洲地區(qū)劃分為華東-華中濕暖趨勢帶.延軍平等[12]分析了近50年我國東南沿海地區(qū)旱澇災(zāi)害的時(shí)空變化特征.郭晶等[13]研究了廣東省內(nèi)氣候的干濕狀況及其變化特征.但由于上述研究缺乏對珠三角地區(qū)氣溫變化趨勢特征的進(jìn)一步分析，并且對其趨勢發(fā)展及突變特征的研究還有待于深入.因此該文主要針對珠江三角洲地區(qū)長時(shí)序氣象觀測數(shù)據(jù)，分析其地區(qū)的氣溫的時(shí)空變化趨勢與演變規(guī)律，有利于對區(qū)域氣候突變與農(nóng)業(yè)災(zāi)害進(jìn)行有效的預(yù)防措施.同時(shí)從近年來極端氣候變化的角度，分析珠三角地區(qū)部分生態(tài)系統(tǒng)退化與減少的現(xiàn)狀具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

1 資料來源與分析方法

1.1 研究區(qū)概況

珠江三角洲地區(qū)位于廣東省中南部，地處范圍在北緯21.76°～24.48°，東經(jīng)111.26°～115.45°.珠江下游，毗鄰港澳，與東南亞地區(qū)隔海相望，面積大約一萬多平方公里.其間廣泛分布的濕地及國家級內(nèi)伶仃福田自然保護(hù)區(qū)，是我國雁鴨類的重要越冬地和遷徙鷸的重要驛站和越冬地.地屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，主要植被類型為亞熱帶常綠闊葉林；夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，終年溫暖濕潤.6～10月常伴有臺(tái)風(fēng)影響，降雨較為集中.

1.2 資料來源及處理

該文所選的1953～2016年長時(shí)間序列逐日等氣象數(shù)據(jù)均嚴(yán)格取自于國家氣象局氣象數(shù)據(jù)中心提供的氣象觀測數(shù)據(jù).然后，對選取分布在珠三角地區(qū)內(nèi)近60年的34個(gè)氣象站點(diǎn)(如圖1所示),根據(jù)海陸間位置、濕地分布情況、緯度因素等劃分了Ⅰ(中部)、Ⅱ(東部)、Ⅲ(西南部)三個(gè)研究區(qū)，研究珠三角區(qū)域內(nèi)氣溫時(shí)空變化趨勢.對遷站的站點(diǎn)進(jìn)行特定時(shí)段內(nèi)的質(zhì)量控制與臨站均一性檢驗(yàn)，對缺省時(shí)段站點(diǎn)進(jìn)行站間與站內(nèi)線性回歸插補(bǔ).并以此為依據(jù)選取3個(gè)相對氣溫序列完整，且具有地區(qū)代表性的氣象站點(diǎn)(廣州、陽江、汕尾)，并且各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行spearman相關(guān)系數(shù)分析，其結(jié)果均在0.85以上，都達(dá)到了99.9%的信度水平.證明所建立的珠三角地區(qū)氣溫變化序列具有良好的代表性.

圖1 珠江三角洲地區(qū)氣象站點(diǎn)位置

1.3 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法

1.3.1 累積距平分析

累積距平法可以直觀的由累積距平曲線來表示大尺度時(shí)間范圍內(nèi)天氣系統(tǒng)變化的波動(dòng)與變化趨勢.由公式可以表示為：

(1)

其中xi代表第i年的平均氣溫或降水量，yi代表第i年的氣溫或降水量累積距平值.

1.3.2 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

曼-肯德爾法是在處理氣象數(shù)據(jù)過程中，不需要樣本數(shù)據(jù)服從特定的某種規(guī)律與少數(shù)異常值的干擾，可以明確突變的發(fā)生時(shí)期以及突變范圍[14].其統(tǒng)計(jì)量定義公式:

(2)

得到秩序列Sk是第i時(shí)刻大于第j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)樣本數(shù)[18].而在時(shí)間序列隨機(jī)且獨(dú)立下條件，定義統(tǒng)計(jì)量UFk：

(3)

UFk是按照時(shí)間序列X順序X1,X2,…,XN計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)序列；同理,按照時(shí)間序列X逆序XN,Xn-1,…，X1重復(fù)上述過程計(jì)算，得到UBk.

1.3.3 小波分析

小波分析(Wavelet Analysis)方法是建立在傅立葉變換分析法基礎(chǔ)上的對信號波頻的研究.建立年均溫變化序列函數(shù)Ψ(t)滿足下列條件，其小波變換函數(shù)：

(4)

1.3.5 反距離加權(quán)插值法(IDW)

定義反距離插值公式:

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫年際變化特征與趨勢

分析1954～2016年珠江三角洲中、東、西南部地區(qū)平均氣溫累積距平與距平曲線(如圖2所示)，珠江三角洲地區(qū)整體上年際平均氣溫呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢.結(jié)合珠三角地區(qū)氣溫變化線性趨勢參數(shù)分析可知，珠三角地區(qū)整體氣溫傾向率約為0.131～0.141℃/10a.由相關(guān)系數(shù)與P值指出，其過去60年間年際均溫的增溫趨勢波動(dòng)性強(qiáng)，但在珠三角地區(qū)不同區(qū)域內(nèi)氣溫?cái)?shù)值上會(huì)圍繞著這個(gè)速率區(qū)間進(jìn)行不同的波動(dòng)變化.其不同地區(qū)氣溫的增溫傾向率：中部地區(qū)>東部地區(qū)>西南部地區(qū).中部地區(qū)，自1985年開始逐漸上升并且升溫的速率逐步增大.年均氣溫傾向率三地最高，以0.141 ℃/10a的速率變暖.東部地區(qū)，在1986～1996年間氣溫明顯開始上下起伏波動(dòng)，直到1997年年均氣溫整體逐步增大.其年均氣溫上升傾向率為0.140℃/10a.西南部地區(qū)，自1986年年均氣溫整體上升并且升溫的速率增大，其年均氣溫上升的傾向率為0.131℃/10a.分析可知，不同指標(biāo)下三地的增溫幅度皆為：年均最低氣溫>年均最高氣溫>年均氣溫.

圖2 1953～2016年珠江三角洲地區(qū)年平均氣溫累積距平與距平變化

2.2 氣溫變化的突變趨勢檢驗(yàn)與周期性分析

在對1953～2016年珠江三角洲中部地區(qū)年均氣溫突變Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)中，UF曲線在開始一段時(shí)間的波動(dòng)后在絕大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)大于0，UF曲線與UB曲線交點(diǎn)在1985年附近，且UF曲線在1994年以后大大超過α顯著性水平臨界線.因此，1953起，珠江三角洲中部地區(qū)經(jīng)過一小段時(shí)間波動(dòng)后，有增溫上升的趨勢，直到1985年附近開始有增暖突變趨勢，從20世紀(jì)90年代初期以后氣溫開始顯著性突變升溫(如圖3所示).

在對1953～2016年珠江三角洲東部地區(qū)年均氣溫突變Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)中，UF曲線在開始波動(dòng)后在絕大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)大于0， 兩曲線交點(diǎn)在1998年附近，且UF曲線在2001年以后大大超過α顯著性水平臨界線.因此，1953年起，珠江三角洲東部地區(qū)經(jīng)過一小段時(shí)間波動(dòng)后，有增溫上升的趨勢，直到1985年附近開始有增暖突變趨勢，20世紀(jì)末21世紀(jì)初以后氣溫開始顯著性突變升溫(如圖4所示).

圖3 1953～2016年珠江三角洲地區(qū)中部年均氣溫突變的Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

圖4 1953～2016年珠江三角洲地區(qū)東部年均氣溫突變的Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

在對1953～2016年珠江三角洲西南部地區(qū)年均氣溫突變Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)中，UF曲線在開始波動(dòng)后在絕大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)大于0， 兩曲線交點(diǎn)在1990年，且UF曲線在1999年以后大大超過α顯著性水平臨界線.因此，1953年起，珠江三角洲西南部地區(qū)經(jīng)過一小段時(shí)間波動(dòng)后，有增溫上升的趨勢，直到1990年附近開始有增暖突變趨勢，20世紀(jì)90年代后期以后氣溫開始顯著性突變升溫(如圖5所示).以上在珠江三角洲內(nèi)三個(gè)地區(qū)經(jīng)過兩兩檢驗(yàn)相互驗(yàn)證，其氣溫趨勢符合突變性檢驗(yàn)規(guī)律與變化序列的特征判定.

圖5 1953～2016年珠江三角洲地區(qū)西南部年均氣溫突變的Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)

對1953～2016年珠江三角洲地區(qū)中部、東部、西南部年均氣溫Morlet小波變換圖(如圖6如所示)分析其周期性振蕩變化.整體上三地的氣溫振蕩周期規(guī)律均以“負(fù)序→正序”不斷進(jìn)行循環(huán)交替.中部地區(qū)，整體存在以5～10年、15～20年的振蕩周期，2016年周期等值線仍未閉合且保持正序演變，表明2016年后以15年為周期氣溫將繼續(xù)維持上升的趨勢.東部地區(qū)，整體存在以5～10年以及20年的振蕩周期；2016年周期等值線仍未閉合且其保持正序演變的趨勢剛剛開始，表明在2016年后以10年為周期氣溫將繼續(xù)維持上升的趨勢.西南部地區(qū)，整體存在以5～10年以及25年的振蕩周期，到2016年周期等值線仍未閉合且保持其正序演變的趨勢，表明在2016年后以20年為周期氣溫也將繼續(xù)維持上升的趨勢.

2.3 氣溫變化趨勢的空間分布

分析1953～2016年珠江三角洲地區(qū)年均氣溫變化趨勢的空間分布規(guī)律(如圖7所示)，整體上年際平均氣溫的變化主要表現(xiàn)為由西南到東部逐漸增溫的變化特征.西南部地區(qū)，從西到東氣溫的升溫速率逐漸增大，年平均氣溫變化率由0.131～0.139℃/10a的速率開始在不同的地區(qū)依次增溫.中部地區(qū)，其年際平均氣溫變化的增溫速率主要呈現(xiàn)以由廣州、增城、南海等中心為最高而向四周輻散下降，其年平均氣溫變化率以0.137～0.146℃/10a的速率增溫.東部地區(qū)，整體符合從西到東升溫速率逐漸增大的趨勢，其年平均氣溫變化率以0.133～0.146℃/10a的速率增溫；但年均氣溫變化率最高的地區(qū)在河源、龍門等地為中心，年均氣溫變化率最低在惠陽、博羅等地為中心.這可能是由于海陸條件差異以及城市熱島效應(yīng)等因素的影響.

圖6 1953～2016年珠江三角洲地區(qū)中部、東部、西南部年均氣溫Morlet小波變換圖

圖7 1953～2016年珠江三角洲地區(qū)年均氣溫變化趨勢的空間分布

3 結(jié)論與討論

通過對珠江三角洲地區(qū)近60年來34個(gè)氣象站的長系列逐日氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,采用累積距平分析、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)(M-K法)、小波分析以及反距離加權(quán)空間插值分析(IDW),得到結(jié)果如下:

(1)研究區(qū)整體年際平均氣溫呈現(xiàn)先下降而后顯著上升的變化趨勢.并在總體上會(huì)由于不同的具體區(qū)域以0.131～0.146℃/10a的年均氣溫變化率進(jìn)行增溫.比較不同地區(qū)年際平均氣溫的增溫傾向率：中部地區(qū)>東部地區(qū)>西南部地區(qū).比較不同指標(biāo)下三地的增溫幅度皆為：年均最低氣溫>年均最高氣溫>年均氣溫.

(2)對于珠三角地區(qū)氣溫突變性趨勢檢驗(yàn)過程中，中部與西南部有四處，東部有五處年際區(qū)間發(fā)生突變，其呈現(xiàn)“下降→上升→下降”的突變波動(dòng)趨勢.中部與東部，在1985年發(fā)生增暖突變，20世紀(jì)90年代初期后進(jìn)行顯著性突變升溫與20世紀(jì)末21世紀(jì)初后進(jìn)行顯著性突變升溫. 西南，1990年發(fā)生增暖突變，從20世紀(jì)90年代后期后進(jìn)行顯著性突變升溫.

(3)研究區(qū)周期性分析中，三個(gè)地區(qū)的氣溫振蕩周期規(guī)律均以“負(fù)序→正序”不斷進(jìn)行循環(huán)交替，年際均溫5～10年的短周期振蕩為主.而在2016年后，中部、東部、西南部地區(qū)將會(huì)分別以15年、10年、20年左右為周期維持其氣溫上升的趨勢.

(4)分析近60年來珠三角地區(qū)年均氣溫變化趨勢的空間分布規(guī)律，空間上年平均氣溫的變化主要表現(xiàn)為由西南到東部逐漸增溫的特征.由于不同地區(qū)其年均溫變化率不盡相同，但圍繞著0.131～0.146℃/10a的變溫區(qū)間進(jìn)行增溫.在國內(nèi)相關(guān)研究中，華南地區(qū)氣溫變化以0.13/10a的速率進(jìn)行變暖[17].而東南沿海地區(qū)氣候升溫趨勢明顯，氣溫變化的增溫速率從南向北逐漸的進(jìn)行遞增現(xiàn)象[12].經(jīng)對比分析，珠江三角洲地區(qū)氣溫年際時(shí)空變化的研究也呈現(xiàn)了與上述研究相同的規(guī)律.尤其在20世紀(jì)90年代氣溫開始顯著變暖，這與近百年來全球性氣候增溫突變有著密不可分的影響與聯(lián)系.

對近60年來珠江三角洲地區(qū)年際均溫的整體上升，其年均最低氣溫的貢獻(xiàn)最為顯著，而這種低溫在夜間異常增溫的現(xiàn)象可能與珠三角地區(qū)的大氣逆輻射有關(guān)，應(yīng)當(dāng)及時(shí)預(yù)防其對當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所造成負(fù)面影響.統(tǒng)計(jì)珠江三角洲地區(qū)的氣象站點(diǎn)多分布在城市內(nèi)或緊鄰城市的郊區(qū)，因此城市熱島效應(yīng)、大型城市集群現(xiàn)象所產(chǎn)生的局地城市氣候勢必對氣溫變化趨勢的研究產(chǎn)生一定的影響[18-19].因此，不僅僅單獨(dú)分析現(xiàn)今全球變暖趨勢下珠三角地區(qū)部分生態(tài)系統(tǒng)退化的成因，更要研究其局地城市氣候與人類生產(chǎn)生活所共同耦合作用產(chǎn)生的影響.這將是我們下一步研究的重要方向.

參 考 文 獻(xiàn)

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