吳興洋,陳怡璇,支亞京,廖留峰,郭 茜
(1.貴州省氣象信息中心,貴州 貴陽(yáng) 550002;2.貴州省生態(tài)遙感中心,貴州 貴陽(yáng) 550002)
政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次氣候評(píng)估報(bào)告指出,2010—2019 年全球平均表面氣溫相對(duì)于1850—1900 年,升高了0.9~1.2 ℃,估計(jì)為1.1 ℃。自IPCC 第一次氣候評(píng)估報(bào)告發(fā)布后,國(guó)內(nèi)外關(guān)于全球及區(qū)域溫度變化事實(shí)的研究從未停止。Rowntree[1]1998 年對(duì)全球平均氣候強(qiáng)迫與溫度響應(yīng)研究表明,1750 年來(lái)大部分時(shí)期,地球氣候處于增暖狀態(tài);沈偉峰等[2]對(duì)中亞地區(qū)1880—2011年氣溫變化分析得出,其溫度變化趨勢(shì)率為0.073 ℃/10 a;丁一匯等[3]2007 年在總結(jié)國(guó)家“十五”重點(diǎn)科技攻關(guān)課題“全球與中國(guó)氣候變化的檢測(cè)和預(yù)測(cè)”中指出,1905—2011 年中國(guó)增暖的幅度為0.5~0.8 ℃;唐國(guó)利等[4]2009 年綜合分析了當(dāng)時(shí)取得的多條中國(guó)近百年溫度曲線,結(jié)果顯示1906—2005 年中國(guó)的年平均氣溫上升了(0.78 ±0.27)℃;嚴(yán)中偉等[5]基于均一化的氣溫觀測(cè)序列集對(duì)近百年中國(guó)氣候變暖趨勢(shì)進(jìn)行了再評(píng)估,結(jié)果發(fā)現(xiàn),1900 年以來(lái)中國(guó)氣溫升溫速率為0.13~0.17 ℃/10 a。
王遵婭等[6]、任國(guó)玉等[7]2004—2005 年用我國(guó)國(guó)家基準(zhǔn)基本氣象站1951—2001 年氣溫資料分析得出,我國(guó)西南1951 年至20 世紀(jì)70 年代后期,氣溫下降,之后緩慢升溫,90 年代以后大幅升溫,云貴高原北部年平均氣溫呈不顯著下降趨勢(shì)。張宇發(fā)[8]1998 年應(yīng)用貴州46 個(gè)國(guó)家氣象站資料,分析得出1951—1997 年貴州氣溫變化平緩。吉廷艷等[9]、嚴(yán)小冬等[10]、馬士彬等[11]、朱大運(yùn)等[12]應(yīng)用貴州國(guó)家基本、基準(zhǔn)氣象站原始觀測(cè)資料分析了貴州2016 年以前不同階段50 a 氣溫變化特征。這些研究選取站點(diǎn)少,氣溫序列未包括近10 年全球氣候變暖加劇以來(lái)時(shí)段,氣溫觀測(cè)儀器更換導(dǎo)致氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性差異未訂正,馬和朱對(duì)臺(tái)站遷移引起氣溫序列的非均一性未處理,其研究成果沒能完全反映建國(guó)至今貴州氣溫隨氣候變化的情況。有關(guān)溫度序列非均一性對(duì)氣候變化影響的相關(guān)研究參見王秋香等[13]、嚴(yán)中偉等[14-15]、左璇等[16]相關(guān)研究成果。
建國(guó)以來(lái),我國(guó)地面氣象觀測(cè)時(shí)次[17]經(jīng)歷多次變化,氣溫觀測(cè)儀器由水銀溫度表到鉑電阻溫度傳感器,觀測(cè)方法由人工到自動(dòng),不同時(shí)期的日、月、年氣溫是根據(jù)不同觀測(cè)時(shí)次氣溫觀測(cè)值統(tǒng)計(jì),這些數(shù)據(jù)是否兼容于同一序列?用其進(jìn)行氣候變化分析會(huì)帶來(lái)多大誤差?劉小寧等[18]曾指出“使用我國(guó)平均氣溫資料進(jìn)行氣候分析要充分重視國(guó)家氣候站02 時(shí)氣溫賦值(用前一日20 時(shí)觀測(cè)值和當(dāng)日最低氣溫或08 時(shí)氣溫觀測(cè)值計(jì)算的平均值)帶來(lái)的誤差”。李亞麗[20]2012 年對(duì)陜西19 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)基本站1961—2011 年02 時(shí)賦值與觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),兩者差異達(dá)到0.77 ℃。貴州現(xiàn)有84 個(gè)氣象站,建站初期有68 個(gè)氣候站,1951—2020 年有74 站發(fā)生過遷址,這些臺(tái)站的氣溫序列多數(shù)存在非均一性。因此,如何構(gòu)建貴州區(qū)域1951—2020 年具有代表性的氣溫序列是分析區(qū)域氣溫變化的關(guān)鍵。為盡量減少氣溫序列非均一性帶來(lái)誤差,本研究在區(qū)域內(nèi)選取空間分布均勻,1951—2020 年的歷史沿革[20-21]和氣溫資料完整,僅在1960 年以前或2000年后遷站一次的44 站,構(gòu)建區(qū)域年平均氣溫序列。用現(xiàn)代氣候診斷技術(shù)分析氣溫變化傾向率、升降趨勢(shì)轉(zhuǎn)折時(shí)間、穩(wěn)定性和突變時(shí)間,討論區(qū)域內(nèi)氣溫變化空間差異及原因,為貴州生態(tài)環(huán)境建設(shè)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和應(yīng)對(duì)氣候變化提供科學(xué)依據(jù),為國(guó)家氣候變化評(píng)估提供貴州區(qū)域氣溫變化的精細(xì)化成果。
資料源于1951—2020 年貴州國(guó)家地面氣象觀測(cè)站經(jīng)嚴(yán)格質(zhì)量控制的小時(shí)氣溫資料。1951—1953、1954—1960、1961—2020 年分別是00、06、12、18時(shí);01、07、13、19 時(shí);02、08、14、20 時(shí)4 次正點(diǎn)觀測(cè)值。氣溫觀測(cè)從人工到自動(dòng),儀器換型誤差用對(duì)比觀測(cè)評(píng)估誤差進(jìn)行修正[22-23]。氣候站人工觀測(cè)期間02時(shí)氣溫賦值用本站10 a 自動(dòng)觀測(cè)值與對(duì)應(yīng)賦值平均誤差訂正。臺(tái)站位置變動(dòng)前后引起的氣溫非均一性[24],用對(duì)比觀測(cè)差值[25]或參考站[26]進(jìn)行均一化訂正,方案如下:
(1)有對(duì)比觀測(cè)的11 個(gè)站,遷移后T原址=T新+△t,△t 為新舊站址氣溫對(duì)比觀測(cè)差值。
(2)無(wú)對(duì)比觀測(cè)的5 個(gè)站,在訂正站0~200 km范圍內(nèi),站址未變動(dòng)過的站中選取年氣溫及逐年氣溫差值相關(guān)系數(shù)均最高且達(dá)到0.95 以上的站作為參考站,定義Td、Tc分別是訂正站、參考站年平均氣溫,第K 年訂正站站址遷移,計(jì)算(K-30)年到(K-1)年訂正站與參考站逐年差值比系數(shù)平均值C,則:Tdk=Td(k-1)+C×(Tck-Tc(k-1)),后面序列依次遞推。該方法比選用多個(gè)參考站[27-28]線性回歸訂正,少了計(jì)算量和多站噪音影響。
用線性趨勢(shì)法分析序列氣溫傾向率,逐累年平均值判斷氣溫升降趨勢(shì)轉(zhuǎn)折時(shí)間,用T 檢驗(yàn)分析氣溫變化的穩(wěn)定性,用Yamamoto 法、Mann-kendall 法檢測(cè)氣溫變化的突變時(shí)間,計(jì)算公式見文獻(xiàn)[29-30]相關(guān)內(nèi)容。
我國(guó)氣象站氣溫觀測(cè)在時(shí)間上是正點(diǎn)觀測(cè),1951—1953 年是始于00 時(shí),間隔3 h 觀測(cè)一次,日觀測(cè)8 次,部分站是逐小時(shí)正點(diǎn)觀測(cè),1954—1960年是始于01 時(shí),間隔6 h 正點(diǎn)觀測(cè),日觀測(cè)4 次,1961 年至自動(dòng)觀測(cè)啟用期間是02、08、14、20 時(shí)4次觀測(cè),氣候站02 時(shí)不觀測(cè)。1987 年[31]后,國(guó)家基準(zhǔn)站采用逐時(shí)觀測(cè),自動(dòng)觀測(cè)采用逐分、逐時(shí)觀測(cè)[32]。因此,必須對(duì)上述不同觀測(cè)時(shí)次統(tǒng)計(jì)的年氣溫與逐時(shí)次觀測(cè)統(tǒng)計(jì)的年氣溫進(jìn)行差異性、相關(guān)性分析,以確定序列作為氣候變化分析的代表性和準(zhǔn)確性。表1 是貴州5 個(gè)國(guó)家基準(zhǔn)站人工與自動(dòng)觀測(cè)3種觀測(cè)4 時(shí)次與24 時(shí)次觀測(cè)統(tǒng)計(jì)的年氣溫差值,差值為-0.1~0.1 ℃,相關(guān)系數(shù)0.999 以上,說(shuō)明三種觀測(cè)時(shí)次統(tǒng)計(jì)的年平均氣溫序列兼容也具代表性。
表1 氣溫4 時(shí)次與逐時(shí)次觀測(cè)統(tǒng)計(jì)年氣溫的差異和相關(guān)系數(shù)
本序列中1951—1953 年,年平均氣溫用00、06、12、18 時(shí)4 次氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)平均值代替常用的06、14、21 時(shí)3 次觀測(cè)數(shù)據(jù)平均值,3 次觀測(cè)比4 次觀測(cè)統(tǒng)計(jì)的年氣溫偏低0.3~0.5 ℃。根據(jù)國(guó)家基準(zhǔn)、基本站人工與自動(dòng)觀測(cè)02 時(shí)賦值和觀測(cè)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果,兩種觀測(cè)系統(tǒng)差值一致,因此參與序列構(gòu)建的28 個(gè)氣候站,1961 年后人工觀測(cè)期間02 時(shí)賦值,用本站自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)02 時(shí)賦值與觀測(cè)值差值10 a 平均值訂正。經(jīng)統(tǒng)計(jì)28 站02 時(shí)賦值比觀測(cè)值平均偏高0.52 ℃,對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)的年氣溫偏高0.13 ℃。
由于觀測(cè)技術(shù)進(jìn)步、臺(tái)站遷移、儀器換型、計(jì)算方法[33]等原因,構(gòu)建一個(gè)氣象要素完全均一化長(zhǎng)序列資料是很困難的,以貴陽(yáng)國(guó)家基準(zhǔn)站和道真氣候站為例分析氣象站站址遷移和02 時(shí)氣溫賦值及儀器換型對(duì)氣溫長(zhǎng)序列的影響。貴陽(yáng)站2000 年遷站,遷移距離2 500 m,前后海拔高差為-153 m,遷站引起氣溫序列非均一,2000 年序列出現(xiàn)斷點(diǎn)。圖1a 為均一化處理前后氣溫的變化情況,1951—2020 年,原序列氣溫傾向率為-0.08 ℃/10 a,均一化處理后,序列氣溫傾向率為0.19 ℃/10 a。道真氣候站建站至2020 年未遷站,氣溫序列均一,1961—2004 年人工觀測(cè)期間,日月年氣溫統(tǒng)計(jì)中02 時(shí)氣溫是賦值,2005 年后氣溫觀測(cè)儀器由人工改為自動(dòng)。圖1b 為道真站1961—2020 年02 時(shí)氣溫賦值訂正和人工到自動(dòng)觀測(cè)儀器換型誤差修正前后的年平均氣溫變化情況,訂正前后氣溫傾向率相差-0.02 ℃/10 a,02 時(shí)氣溫賦值減緩了升溫速率,自動(dòng)觀測(cè)升溫出現(xiàn)加快現(xiàn)象。
圖1 均一化訂正前后貴陽(yáng)(a)和道真(b)的年平均氣溫序列變化
圖2 是貴州1951—2020 年氣溫4 次觀測(cè)值訂正和均一化處理前后年平均氣溫序列變化。訂正處理前后氣溫傾向率差值為-0.1 ℃/10 a。1951—1953年3 次觀測(cè)統(tǒng)計(jì)氣溫加快了升溫速率,1961 年后02時(shí)氣溫賦值減小了升溫速率,2000 年后,站址遷移后的原氣溫序列明顯減小了升溫速率。
圖2 1951—2020 年貴州年平均氣溫均一化處理前后變化
1951 年以來(lái)貴州區(qū)域氣溫升降趨勢(shì)變化的準(zhǔn)確時(shí)間未見定論,本研究用完全均一化氣溫序列的累年平均氣溫判定,不難理解累年平均氣溫最高、最低值對(duì)應(yīng)氣溫升降變化轉(zhuǎn)折年。圖3a 為貴州區(qū)域逐累年平均氣溫變化,1951—1986 年累年平均氣溫波動(dòng)減小,1986 年最低為14.98 ℃,1987—2020 年,累年平均氣溫逐漸增大。圖3b 為1951—1986 年和1986—2020 年氣溫變化,1987 年后氣溫基本上位于前期氣溫下降趨勢(shì)線之上。說(shuō)明貴州區(qū)域氣溫1987年由降轉(zhuǎn)升,回答了李慶祥[33]關(guān)于“西南地區(qū)氣溫轉(zhuǎn)折變化年份不確定,在1986—1987 年或1996—1997 年左右”,貴州區(qū)域的氣溫轉(zhuǎn)折變化時(shí)間問題。圖3a 反映出1987—1996 年氣溫低位震蕩,1997 年起,升溫趨勢(shì)明顯,21 世紀(jì)以來(lái),升溫加速,近10 年和近6 年平均氣溫分別為15.8、16.1 ℃,是70 a 間年代和階段性最高值。
圖3 1951—2020 年貴州年平均氣溫升降趨勢(shì)變化
1951—2020 年,貴州年平均氣溫高、低差值為1.9 ℃,T 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果顯示,1984、2015、2016 年氣溫在70 a 中與其他年份氣溫有顯著差異,1976年差異較顯著,1952、1976、1984 年氣溫在對(duì)應(yīng)的30 a 氣候周期中,與其他年份氣溫存在顯著差異。Yamamoto 和M-K 統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果均顯示貴州區(qū)域氣溫升溫在2012 年后發(fā)生突變(圖4a、4b),圖3b 中2013 年后氣溫皆位于升溫趨勢(shì)線之上也可以佐證這一結(jié)果。該結(jié)論與IPCC 第六次評(píng)估報(bào)告[34]的結(jié)果“自2012 年以來(lái),GSAT 急劇升溫”一致。圖4b 顯示2015 年后,UF 曲線超過界限值,貴州氣溫出現(xiàn)了顯著的變暖趨勢(shì),與全球“2016—2020 年是自1850 年有器測(cè)記錄以來(lái)最熱的5 a”一致。
圖4 1951—2020 年貴州年平均氣溫變化突變時(shí)間統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)
一個(gè)地區(qū)地理區(qū)位、環(huán)境和影響氣候的人為、自然驅(qū)動(dòng)力等因素不同,其氣候變化程度對(duì)全球氣候變化的適應(yīng)性會(huì)有差異,了解差異原因可以幫助人們改造環(huán)境,增強(qiáng)氣候變化的適應(yīng)性。貴州地處青藏高原東南部,位于副熱帶東亞季風(fēng)區(qū),地勢(shì)西高東低,自中部向北、東、南三面傾斜,以喀斯特地貌為主,天氣氣候變化具有特殊性。張宇發(fā)[8]、吉廷艷等[9]、嚴(yán)小冬等[10]對(duì)貴州1951 年至21 世紀(jì)初的研究結(jié)果表明該時(shí)期貴州氣溫變化平緩,與全國(guó)及全球氣溫變化不同步,沒有發(fā)生突變。馬士彬等[11]、朱大運(yùn)等[12]分別應(yīng)用相同的19 個(gè)氣象站1959—2009、1960—2016 年的氣溫資料分析得出50 多年間貴州氣溫變化先降后升,突變發(fā)生在2001 年左右。在氣溫升降時(shí)間及變化傾向率空間分布方面,兩組結(jié)論存在較大差異。馬士彬等[11]認(rèn)為貴州氣溫從20 世紀(jì)80 年代末期開始上升,1997 年是氣溫變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn),中部氣溫變化傾向率大于東部和西部。朱大運(yùn)等[12]認(rèn)為貴州氣溫20 世紀(jì)60—80 年代氣溫相對(duì)穩(wěn)定,90年代以后開始上升,升溫與降溫區(qū)域交替共存,升溫最強(qiáng)烈的區(qū)域分別是黔西南和畢節(jié),降溫范圍以黔中貴陽(yáng)和黔西、盤縣為中心向外圍延展,西部升溫速率高,東部升溫速率低,57 a 氣溫變化傾向率為0.13 ℃/10 a。
本研究在貴州區(qū)域選取44 個(gè)空間分布均勻的國(guó)家氣象觀測(cè)站,對(duì)質(zhì)控的1951—2020 年原始?xì)鉁赜^測(cè)小時(shí)資料,經(jīng)過多層次訂正及均一化處理后,構(gòu)建了貴州區(qū)域均一化的年平均氣溫序列。線性趨勢(shì)法分析結(jié)果表明,近70 年貴州區(qū)域氣溫為升溫趨勢(shì),44 站近60 年、70 年氣溫變化傾向率平均值分別為0.17、0.13 ℃/10 a,略高于全球升溫速率(1.1 ℃/100 a),顯著低于中國(guó)區(qū)域氣溫升溫速率(0.26 ℃/10 a)[35-36],這與貴州所處地理區(qū)位、生態(tài)環(huán)境較好、工業(yè)起步晚和欠發(fā)達(dá)有關(guān)。近60、70 年氣溫變化傾向率分別介于0.09~0.26、0.06~0.19 ℃/10 a。貴州氣溫傾向率總體上是中西部大于東部,北部大于南部,該結(jié)果與區(qū)域生態(tài)環(huán)境、地理區(qū)位具有較好的一致性,貴州東部生態(tài)環(huán)境好于西部,成片森林資源具有碳匯功能,對(duì)氣候變暖的適應(yīng)性好于以石漠化為主的西部,從近年來(lái)貴州石漠化區(qū)域演變也得到驗(yàn)證[37]。隨著城市規(guī)模擴(kuò)大,增溫效應(yīng)增加,縣城到市州行政中心遵義、銅仁等、貴陽(yáng)的氣溫變化傾向率逐級(jí)增大,平均值為0.3~0.8 ℃/100 a。處于南部的縣級(jí)氣象站望謨、羅甸的氣溫變化傾向率差異很大,望謨?yōu)?.26 ℃/10 a,羅甸為0.09 ℃/10 a。圖5是羅甸、望謨1960—2020 年相對(duì)濕度變化,羅甸相對(duì)濕度是微增趨勢(shì),望謨相對(duì)濕度呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì),兩站水汽的反向變化可能是氣溫變化差異的主要原因。大氣中水汽的多少和相變對(duì)大氣溫度有重要調(diào)節(jié)作用[38],大氣中水汽增加會(huì)吸收較多的太陽(yáng)輻射,減少到達(dá)近地面太陽(yáng)輻射,降低地表氣溫。該序列逐累年平均氣溫揭示了1951—2020 年貴州區(qū)域氣溫升降趨勢(shì)轉(zhuǎn)折變化的準(zhǔn)確時(shí)間。在貴州區(qū)域升溫突變時(shí)間上,兩種統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)得到了相同的結(jié)果。
圖5 1960—2020 年羅甸、望謨年平均相對(duì)濕度變化
本研究與前人研究成果的差異主要來(lái)源于氣溫資料的多層次訂正,非均一性氣溫資料的均一化處理,序列延長(zhǎng)及區(qū)域分析站點(diǎn)的增加也是導(dǎo)致差異的原因之一。
通過1951—2020 年貴州區(qū)域年平均最低氣溫、最高氣溫及兩者差值變化可知,最低氣溫升溫明顯,1971 年起震蕩上升,最高氣溫?zé)o明顯的變化趨勢(shì),最低氣溫與最高氣溫差值變化傾向率為0.13 ℃/10 a,與貴州氣溫變化傾向率相當(dāng),說(shuō)明近70 年貴州區(qū)域升溫基本上是最低氣溫升高所致,與居麗麗等[40]對(duì)“1961—2015 年華東地區(qū)極端氣溫變化研究結(jié)果華東區(qū)域平均最低氣溫極小值的線性趨勢(shì)顯著增加,最高氣溫極大值的變化趨勢(shì)不顯著”結(jié)論一致。
基于貴州區(qū)域44 個(gè)國(guó)家氣象站質(zhì)控的小時(shí)氣溫資料,對(duì)儀器換型、3 次觀測(cè)值和02 時(shí)賦值訂正及站址遷移氣溫均一化處理后,構(gòu)建其1951—2020年平均氣溫序列,得到如下結(jié)論:
(1)1951—2020 年貴州區(qū)域氣溫總體為升溫趨勢(shì),近60、70 年貴州氣溫變化傾向率分別為0.17、0.13 ℃/10 a。1951—2020 年中1984、2015、2016 年氣溫與其他年份存在顯著差異,1976 年差異較顯著。
(2)1951—1986 年貴州區(qū)域處于降溫時(shí)期,1987 年開始升溫,1987—1997 年貴州氣溫低位震蕩上升,1997 年后,呈現(xiàn)明顯升溫趨勢(shì),21 世紀(jì)以后,升溫加速,2012 年貴州升溫發(fā)生突變。這與IPCC 第六次評(píng)估報(bào)告“自2012 年以來(lái),GSAT 急劇升溫”一致,說(shuō)明近10 年來(lái)貴州與全球氣溫變化同步。
(3)貴州區(qū)域1951—2020 年年平均最高、氣溫呈微弱的升溫趨勢(shì),最低氣溫升溫趨勢(shì)顯著,貴州區(qū)域年平均最低、最高氣溫差值變化速率與氣溫升溫速率相當(dāng),說(shuō)明貴州區(qū)域升溫基本上是最低氣溫升高所致。根據(jù)最低氣溫絕大多數(shù)出現(xiàn)時(shí)間是在深夜至凌晨,少了太陽(yáng)輻射驅(qū)動(dòng)力、人為驅(qū)動(dòng)是氣溫升溫的主要?jiǎng)恿χ弧?/p>
(4)貴州氣溫變化傾向率自東向西逐漸增大,自北向南逐漸減小。地理區(qū)位、生態(tài)環(huán)境、城市人口和大氣中水汽含量等都會(huì)影響區(qū)域氣候。貴州區(qū)域石漠化分布與氣溫升溫速率呈現(xiàn)出較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,石漠化地區(qū)升溫快于非石漠化地區(qū),因此,可以通過改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境來(lái)增強(qiáng)區(qū)域?qū)夂蜃兓倪m應(yīng)性。
21 世紀(jì)以來(lái)貴州區(qū)域氣溫與全球氣溫處于同步加速變暖趨勢(shì)之中,人類活動(dòng)已經(jīng)成為影響氣候變化的重要因素之一。由于地球氣候系統(tǒng)及區(qū)域氣候受多因子影響,文中一些結(jié)論尚需未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。