劉佳齊，魯同所，2*，王紅賓，楊 興，衛(wèi) 東

(1.西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏拉薩 850000；2.中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所，上海嘉定 201800；3.拉薩市氣象局，西藏拉薩 850000)

0 引言

在許多有關(guān)氣候變化特征的研究中，對(duì)氣溫、降水、日照時(shí)數(shù)等氣象要素的分析較多，并且得到了大量的研究成果，然而，在大量的研究成果中對(duì)大氣壓變化特征的研究少之又少.大氣壓即大氣壓強(qiáng)，簡(jiǎn)稱氣壓.大氣壓強(qiáng)是地球周圍大氣單位面積所受壓力的物理量，其大小隨海拔高度、溫度、濕度的變化而變化.根據(jù)相關(guān)研究表明[1-3]，氣壓的變化與人體健康密切相關(guān)，還與人們的生活息息相關(guān)，其主要影響人體內(nèi)氧氣的供應(yīng).一個(gè)成年人大約每天需要750mg的氧氣來維持生命體征，其中有五分之一的氧氣為大腦所耗用.當(dāng)周圍環(huán)境中的氣壓值下降時(shí)，大氣中的氧分壓、肺泡分壓、動(dòng)脈血氧飽和度都會(huì)隨之下降，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致人體出現(xiàn)呼吸急促，心率加快等一系列不良生理反應(yīng)，這些反應(yīng)對(duì)患有心臟病、高血壓等疾病的人類群體的影響是致命的[4].其次，由于人體缺氧，還會(huì)出現(xiàn)頭暈、頭痛、惡心、嘔吐和無力等癥狀，甚至?xí)l(fā)生肺水腫和昏迷.

拉薩市作為西藏自治區(qū)的首府城市，位于青藏高原的中部、喜馬拉雅山脈北側(cè)，受下沉氣流的影響，全年多晴朗天氣，冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，屬于高原季風(fēng)半干旱氣候[5-8].拉薩市地理環(huán)境獨(dú)特，其北面、南面和西面被海拔較高的那曲地區(qū)、山南市和日喀則分別包圍著，東與林芝相連.拉薩市還是我國(guó)首批歷史文化名城，它歷史悠久、風(fēng)俗民情獨(dú)特、風(fēng)光秀麗，每年都會(huì)有大量慕名而來的進(jìn)藏游客.拉薩市平均海拔高達(dá)3650m，平均氣壓較低，致使大氣中的氧分壓低，氧分壓低會(huì)導(dǎo)致人的心率顯著增加，呼吸急促，情緒狀態(tài)表現(xiàn)為工作積極性降低，疲勞程度和緊張性增加[9],使得大量旅游愛好者、援藏職工、科研工作者均出現(xiàn)不同程度的高原反應(yīng)，嚴(yán)重者甚至威脅到生命健康安全，因此，本文基于拉薩市1978-2018年檢測(cè)到的日平均氣壓數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行處理分析，得出拉薩市近50年來的氣壓的時(shí)間分布特征，由此，我們希望這項(xiàng)工作能為當(dāng)?shù)鼐用瘛⑦M(jìn)藏工作者很好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境提供一定的幫助，也希望能為研究青藏高原氣候變化做出積極貢獻(xiàn).

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域與數(shù)據(jù)來源

本文針對(duì)拉薩市近50年來氣壓變化特征進(jìn)行了相關(guān)分析，采用拉薩市氣象局提供的拉薩氣象站1970-2018年的逐日平均氣壓數(shù)據(jù)資料，該數(shù)據(jù)經(jīng)過拉薩市氣象局?jǐn)?shù)傳工作組人員的專業(yè)分析與處理，剔除了少量異常值，提高了研究成果的可信度.采用氣象學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行季節(jié)劃分：3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月至次年2月為冬季[10-12].

1.2 研究方法

1.2.1 回歸系數(shù)法 回歸系數(shù)法用來研究氣象要素在長(zhǎng)時(shí)間變化過程中的變化趨勢(shì)，選取線性方程對(duì)序列變量進(jìn)行擬合得出相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)表示變量與時(shí)間序列的相關(guān)程度，消除了氣壓的均方差對(duì)線性回歸系數(shù)大小的影響[13-16].

1.2.2 M-K突變檢驗(yàn) M-K突變檢驗(yàn)法是用于提取序列變化趨勢(shì)的有效工具.M-K檢驗(yàn)法不受個(gè)別異常值的干擾，能夠客觀反映時(shí)間序列趨勢(shì).它可以根據(jù)輸出的兩個(gè)序列(UFK和UBK)明確突變的時(shí)段和區(qū)域[17].UFK為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，UBK為逆序列.若UFK值大于零，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于零則表明呈下降趨勢(shì)，當(dāng)UFK和UBK超過臨界置信水平直線時(shí)(檢驗(yàn)置信水平α=0.05時(shí)，置信水平線為±1.96)表明上升或下降趨勢(shì)明顯，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域.若UFK和UBK兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻是突變開始的時(shí)間[18-20].

1.2.3 時(shí)間序列小波分析 Morlet小波分析是一種具有時(shí)-頻多分辨功能的方法，能清晰揭示出氣象要素在隨時(shí)間序列變化中的多種周期，可以充分反映系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)，并能對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行定性估計(jì)[21-23].小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能夠反映不同時(shí)間尺度的周期變化及在時(shí)間域中的分布，進(jìn)而判斷在不同時(shí)間尺度上氣壓未來變化趨勢(shì)[24-26]；小波系數(shù)模等值線圖中的模值反映其所對(duì)應(yīng)時(shí)段的周期性的強(qiáng)烈程度，模值越大，所對(duì)應(yīng)的周期性越強(qiáng)；小波系數(shù)模方相當(dāng)于小波能量譜，因此小波系數(shù)模方等值線圖可以分析得出不同周期的震蕩能量[27]；小波方差圖是用來確定氣壓變化過程的主周期.

2 結(jié)果分析

2.1 年氣壓變化特征

為了研究拉薩市近50年平均氣壓的變化趨勢(shì)，我們對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行回歸分析，一元線性方程如下：

y=0.013x+626.35

氣壓變化速率為0.013hPa/a.由拉薩市年平均氣壓變化趨勢(shì)圖(圖1a)可知，拉薩市近50年平均氣壓整體呈上升趨勢(shì)，多年平均值為652.5hPa；平均氣壓最高值為653.81hPa，出現(xiàn)在1987年，平均氣壓最低值為650.97hPa，出現(xiàn)在2012年，兩者相差2.84hPa.

圖1 1970-2018年拉薩市年平均氣壓變化趨勢(shì)圖(a)及M-K檢測(cè)(b)

從M-K檢測(cè)圖(圖1b)可以看出，拉薩市1970-2018年的M-K檢測(cè)曲線分別在1978年、1985年出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)均在顯著性水平α=0.05的兩條臨界線之內(nèi)，即交點(diǎn)為突變點(diǎn)[28，29]，在1978年、1985年兩個(gè)突變點(diǎn)之間，UFK曲線呈n形分布，說明1978-1985年內(nèi)的平均氣壓呈先上升后下降的分布趨勢(shì)，而1974年和1985年的平均氣壓值又基本相同，這也間接反映出平均氣壓在這一時(shí)期內(nèi)受到了較大干擾.而氣壓與溫度、降水等氣象要素是密切相關(guān)的[30-31].查閱文獻(xiàn)[32-33]得知，1970-1979年這段時(shí)間內(nèi)，西藏自治區(qū)氣溫呈下降趨勢(shì)，1980年以后，氣溫又呈現(xiàn)出波動(dòng)上升趨勢(shì)[34]，而同時(shí)期降水也發(fā)生變化，20世紀(jì)70年代后，西藏自治區(qū)降水總體呈負(fù)距平，在80年代以后降水又呈現(xiàn)出正距平.受高原大氣環(huán)流的影響，拉薩市的氣溫和降水在這一時(shí)期內(nèi)也發(fā)生了變化，從而間接影響了大氣壓的變化.

2.2 季節(jié)性氣壓變化特征

由拉薩市近50年四季平均氣壓變化趨勢(shì)圖(圖2)可知，拉薩市近50年四季平均氣壓變化均呈上升趨勢(shì)，其中春、夏兩季平均氣壓變化趨勢(shì)明顯，春季平均氣壓最低值為650.05hPa，出現(xiàn)在1989年，最高值為652.49hPa，出現(xiàn)在2015年，極差為2.44hPa，夏季平均氣壓最低值為651.47hPa，出現(xiàn)在1974年，最高值為654.49hPa，出現(xiàn)在2016年，極差為3.02hPa，春、夏兩季的平均氣壓趨勢(shì)變化率分別為0.15hPa/10a、0.17hPa/10a.

圖2 拉薩市各季平均氣壓變化趨勢(shì)圖

而秋、冬兩季平均氣壓變化趨勢(shì)較為平緩，秋、冬兩季平均氣壓最低值分別為653.2hPa、647.85hPa，分別出現(xiàn)在1975、1984年，最高值分別為656.3hPa、654.69hPa，分別出現(xiàn)在2004、1987年，兩者極差分別為3.1hPa、6.84hPa，趨勢(shì)變化率分別為0.05hPa/10a、0.15hPa/10a.

上述各季節(jié)氣壓線性變化各異，為了找到四季氣壓變化特征的規(guī)律及造成此規(guī)律的原因，我們繪制了四季大氣壓變化Mann-Kendall檢測(cè)曲線圖見圖3.

從拉薩市近50年四季平均氣壓突變檢測(cè)分析可知(圖3)，春季平均氣壓在顯著性水平α=0.05的兩條臨界線內(nèi)有四個(gè)交點(diǎn)，其中兩個(gè)交點(diǎn)接近同一年，所以突變時(shí)間分別是1998年、2001年和2008年，且從1997年開始，春季平均氣壓UFK值一直大于零，說明春季平均氣壓在1997年后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中2007年和2015年以后UFK值超過水平線+1.96，氣壓上升趨勢(shì)尤其顯著；夏季平均氣壓M-K檢測(cè)曲線在1975-1985年出現(xiàn)三個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)均在顯著性水平α=0.05的兩條臨界線之內(nèi)，即交點(diǎn)為突變點(diǎn)[29，35]，突變的具體時(shí)間分別是1979年、1981年和1982年，自1978年夏季UFK值大于零開始，之后呈上升趨勢(shì)，尤其是自1989年后上升趨勢(shì)更加明顯；秋季平均氣壓M-K檢測(cè)曲線顯示1971年、1974年和1977年秋季平均氣壓發(fā)生突變，秋季平均氣壓1977-1978年和1982-1983年氣壓變化趨勢(shì)幾乎為零，自1985年后(不包括1985年)UFK值大于零開始，以后呈上升趨勢(shì)，尤其在1997-1999年和2001-2008年上升趨勢(shì)更加明顯；冬季平均氣壓M-K檢測(cè)圖分別在1978年、2010年和2014年出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)均在顯著性水平α=0.05的兩條臨界線之內(nèi)，即這三個(gè)交點(diǎn)為突變開始的時(shí)刻，拉薩市近50年冬季平均氣壓自1979年UFK值大于零開始，之后均呈上升趨勢(shì)，但上升趨勢(shì)不明顯，只有2006年冬季平均氣壓上升顯著[36].

圖3 不同季節(jié)的大氣壓變化Mann-Kendall突變檢測(cè)曲線

綜上所述，拉薩市1970-2018年四季平均氣壓變化特征和同時(shí)間段年平均氣壓變化特征相似，其中拉薩市近50年夏季平均氣壓變化特征與年平均氣壓變化特征最相似，兩者有兩個(gè)突變點(diǎn)接近，且在同一時(shí)間段氣壓受到了干擾都呈先上升后下降的變化趨勢(shì)，春季氣壓突變多發(fā)生在2000年后，秋、冬季平均氣壓整體趨勢(shì)變化較為平緩，但冬季氣壓每年變化波動(dòng)較其他三個(gè)季節(jié)而言要大一些.造成此特點(diǎn)的原因，查閱文獻(xiàn)知，赤曲[32]研究表明1998年西藏地區(qū)比較旱，降水量少造成春、秋季平均氣壓在1998年及其附近發(fā)生突變，70年代夏季被稱為冷夏(異常平均氣溫年)，80年代氣溫以變暖為主要趨勢(shì)，因而在80年代左右夏季平均氣壓發(fā)生多次突變，秋季90年代平均氣溫距平基本為正，所以秋季平均氣壓90年代左右上升趨勢(shì)顯著，夏、秋季為主要降水季節(jié)，冬季基本沒有降水除了個(gè)別年降雪，所以冬季平均氣壓變化趨勢(shì)不明顯.

2.3 時(shí)間序列的氣壓小波分析

表1給出了拉薩市1970-2018年平均大氣壓數(shù)據(jù).運(yùn)用小波分析的理論，對(duì)拉薩市1970-2018年的平均氣壓完成小波系數(shù)的計(jì)算、繪制小波系數(shù)圖(實(shí)部、模和模方)和小波方差圖，并分別說明1970-2018年平均氣壓在時(shí)間尺度上的變化特征[37].

表1 拉薩市1970-2018年平均大氣壓數(shù)據(jù)(hPa) 單位：Pa

圖4 拉薩市近50年年平均氣壓小波實(shí)部等值線圖(a)及小波方差圖(b)

年氣壓變化小波系數(shù)實(shí)部等值線圖(圖4a)橫坐標(biāo)為時(shí)間(年份)，縱坐標(biāo)為時(shí)間尺度，等值曲線為小波系數(shù)實(shí)部值[38]，數(shù)值越大，氣壓越高.由4a知，10年及以下的時(shí)間尺度年氣壓變化周期較簡(jiǎn)單，突變點(diǎn)少，波動(dòng)值點(diǎn)分布單一；10～20年時(shí)間尺度信號(hào)交替單一，震蕩強(qiáng)度較弱，表明氣壓在這一時(shí)間尺度多變但變化平緩；20～25年尺度信號(hào)交替相比于前20年較為頻繁，震蕩強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，氣壓在這一時(shí)間尺度上變化較為活躍，初步預(yù)測(cè)氣壓變化周期可能于20～25年；25～32年尺度信號(hào)交替頻繁且震蕩強(qiáng)烈，表明氣壓在此周期上出現(xiàn)明顯的變化，故此推測(cè)氣壓變化也可能存在25～32年的周期.1970-2018年氣壓變化出現(xiàn)了5次周期震蕩，在32a時(shí)間尺度上出現(xiàn)了3次周期震蕩.拉薩市近50年平均氣壓變化的小波方差如圖4b所示，從中可以看到存在一個(gè)較明顯的峰值，它對(duì)應(yīng)28年的時(shí)間尺度，對(duì)應(yīng)22年時(shí)間尺度的還有一個(gè)不明顯的峰值， 其中對(duì)應(yīng)28年的時(shí)間尺度峰值最大，說明28年左右的周期震蕩最強(qiáng)，為氣壓年變化的第一主周期；22年對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度是第二主周期[39].因此22、28年是拉薩市氣壓變化的2個(gè)主周期，這2個(gè)周期的波動(dòng)控制著氣壓變化在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征[40].從震蕩周期上看，拉薩市年平均氣壓變化在未來時(shí)間段內(nèi)，是氣壓處于升高的階段.

圖5 小波系數(shù)模等值線圖及小波方差圖

如圖5a所示，給出的是拉薩市近50年氣壓變化小波系數(shù)模等值線圖，其中Morlet小波系數(shù)的模值是不同時(shí)間尺度變化周期所對(duì)應(yīng)的能量密度在時(shí)間域中分布的反映，模值越大，表明氣壓變化所對(duì)應(yīng)尺度的周期性就越強(qiáng)[41].從圖中可以看出，拉薩市近50年氣壓變化在25～32年時(shí)間尺度的模值最大，說明該時(shí)間尺度周期性變化最明顯[39]，20～25年次之，10～20年時(shí)間尺度周期性變化更小，其他時(shí)間尺度周期性變化不明顯.再結(jié)合圖5b小波方差圖，第一主周期對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度是28年，由此確定，在28年時(shí)間尺度上氣壓變化最明顯.

小波系數(shù)模方等值線圖是周期的震蕩能量的反映，由小波系數(shù)模方等值線圖(圖6)可以看出，25～32年時(shí)間尺度上模方值最大，即震蕩能量最強(qiáng)，說明該時(shí)間尺度周期最顯著；10年及以下時(shí)間尺度模方值最小[42]，即震蕩能量最弱，說明該時(shí)間尺度周期變化不明顯，但周期分布明顯，占據(jù)整個(gè)研究時(shí)域.

圖6 拉薩近50年年平均氣壓小波系數(shù)模方等值線圖

3 氣壓與健康的關(guān)系

氣壓對(duì)人體的影響分為生理和心理兩個(gè)方面.生理方面，低氣壓主要是影響人體內(nèi)氧氣的供應(yīng).對(duì)于人體特別是腦缺氧，會(huì)出現(xiàn)頭暈、頭痛、惡心、嘔吐和無力等癥狀，神經(jīng)系統(tǒng)也會(huì)發(fā)生障礙，甚至?xí)l(fā)生肺水腫和昏迷，這就是通常所說的“高原反應(yīng)”[43].低氣壓還會(huì)導(dǎo)致血壓下降，血流減少形成血栓，在寒冷的刺激下會(huì)使人的去甲腎上腺素升高，引起心跳加快，耗氧量增加，從而導(dǎo)致全身及心腦冠狀動(dòng)脈痙攣，進(jìn)而使管腔狹窄血流量減少以至堵塞，突發(fā)心血管病.因此，低氣壓是心腦血管疾病死亡增加的誘因之一.

心理方面，主要是讓人產(chǎn)生抑郁、焦躁不安的情緒，例如低氣壓的陰雨天、高溫悶熱的夏季，人們總是感覺到壓抑，一旦壓抑情緒產(chǎn)生，人們就會(huì)有胸悶氣短、呼吸加快、血壓升高等癥狀，這是人們自律神經(jīng)緊張，釋放腎上腺素導(dǎo)致的，同時(shí)，人們的皮質(zhì)醇會(huì)被釋放出，引起胃酸分泌旺盛、血糖升高和易造成血管堵塞等[3].

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié)論

本文基于拉薩市氣象站1970-2018年逐日平均氣壓數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸系數(shù)法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、Morlet小波分析的方法，分析了拉薩市近50年氣壓在時(shí)間尺度上的年際變化特征、各季氣壓變化特征、突變節(jié)點(diǎn)和周期等，并得出以下結(jié)論：

(1)從拉薩市近50年氣壓變化趨勢(shì)圖分析得出，其年平均氣壓變化特征和季節(jié)性氣壓變化特征基本相似，都呈上升趨勢(shì)，其中夏季氣壓變化特征與年平均氣壓變化特征最相似，且其上升趨勢(shì)尤為顯著，春季次之，秋、冬季氣壓上升趨勢(shì)平緩.

(2)由M-K檢測(cè)曲線分析得知，拉薩市年平均氣壓1970—2018年共發(fā)生了兩次突變，季節(jié)性氣壓發(fā)生突變的時(shí)間均為三次，且春季平均氣壓發(fā)生突變集中在21世紀(jì)，秋季平均氣壓突變發(fā)生在20世紀(jì)70年代.

(3)由小波分析得知，拉薩市近50年平均氣壓變化共出現(xiàn)兩次峰值，即氣壓變化的兩個(gè)主周期，故拉薩市氣壓變化的周期是22年、28年，其中28年時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)的峰值最高，故28年左右周期震蕩最強(qiáng)，氣壓變化最明顯，10年及以下時(shí)間尺度氣壓變化周期較簡(jiǎn)單，突變點(diǎn)少，波動(dòng)值點(diǎn)分布單一，模值及模方值都相對(duì)較小，周期性變化不明顯.預(yù)測(cè)未來幾年氣壓會(huì)一直呈上升趨勢(shì).

4.2 討論

首先，本文利用拉薩市氣象局提供的逐日平均氣壓數(shù)據(jù)，利用回歸系數(shù)、M-K非參數(shù)檢驗(yàn)和小波分析等方法分析了拉薩市近50年氣壓在時(shí)間尺度上的變化趨勢(shì)、突變節(jié)點(diǎn)、周期演變，研究結(jié)果表明拉薩市近50年平均氣壓(年平均、四季平均)整體呈上升趨勢(shì)，且兩者變化特征和變化趨勢(shì)基本趨于一致.

其次，低壓缺氧對(duì)人體的健康狀況有很大的影響，會(huì)讓人產(chǎn)生血壓升高、呼吸急促、頭暈乏力、惡心嘔吐等癥狀，對(duì)于剛到高原環(huán)境生活的人來說，這些癥狀會(huì)隨著居住時(shí)間而逐漸減輕，但也有極少數(shù)人由于過度勞累、傷寒、呼吸道感染等引起的疾病的癥狀可能會(huì)逐漸加重，并且發(fā)展成為高原肺水腫或高原腦水腫，而高原肺水腫和腦水腫發(fā)病迅速并導(dǎo)致高死亡率.

再次，人類污染物(粉塵、汽車尾氣、溫室氣體等)的排放對(duì)氣壓的變化也有著重要的影響，隨著各種污染物的排放，大氣的混合密度發(fā)生變化，大氣壓也隨之變化，然而，影響氣壓變化的因素(海拔高度、空氣密度、空氣濕度等)還有很多，希望將來監(jiān)測(cè)累積更多的氣象要素?cái)?shù)據(jù)，加以運(yùn)用科學(xué)系統(tǒng)的分析方法，更好地探究氣壓的變化趨勢(shì)及其影響因素.同時(shí)也希望這項(xiàng)研究能夠?yàn)楫?dāng)?shù)鼐用瘛⒃芈毠さ雀玫剡m應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境提供一定的幫助.