廣東汕尾近40年以來氣溫的變化特征

黃金霞, 肖天貴, 陳楷榮, 吳 俞

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

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

文獻[11-13]表明,我國各地對氣候變暖的響應并不相同,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,區(qū)域氣候變化差異顯著,已有不少學者[14、15]做了研究。廣東省內不同區(qū)域亦存在對全球氣候變化的響應是不同的,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區(qū)域溫度變化的響應存在著差異。汕尾地處廣東東部沿海,屬南亞熱帶季風氣候區(qū),海洋性氣候明顯,光、熱、水資源豐富,獨特的地理位置使汕尾氣候變化具有自身的特點。利用汕尾地區(qū)40a的氣溫資料,對汕尾地區(qū)的氣溫變化特征的分析研究,將為該地區(qū)的氣溫預報和短期氣候預測提供一定的參考,為趨利避害指導汕尾的經(jīng)濟發(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 計算方法

1.2.1 線性趨勢

把氣候要素的變化寫成時間t的線性函數(shù)x=at+b,其中a,b為經(jīng)驗常數(shù),用最小二乘法通過實際資料計算得出,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,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的方法[17]。對于序列 x,其某一時刻 t的累積距平表示為 ：

將n個時刻的累積距平值全部算出,即可繪出累積距平曲線進行趨勢分析。累積距平曲線呈上升趨勢,表示距平值增加,定為偏暖階段,呈下降趨勢則表示距平值減小,定為偏冷階段。

在冷、暖階段中,暖年(季)、正常年(季)、冷年(季)的劃分標準為：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為標準差,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,被認為是傅里葉分析方法的突破性進展。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貢獻,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間位置。小波變換理論及其優(yōu)越性已在文獻[18,19]中介紹,這里就不再贅述。

1.2.4 Mann-Kendall突變檢驗

Mann-Kendall法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,能檢驗突變發(fā)生的時間,其優(yōu)點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。其原理詳見文獻[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℃。下面以汕尾站進行詳細分析。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世紀初,氣溫總體上呈顯著上升趨勢,這同中國的變化一致[22]。1960-1966年為第一暖期,持續(xù)7年,除1962年為負距平-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年均為負距平,40年中距平最小值出現(xiàn)在1976年達到-1.0℃即年平均氣溫最小值21.2℃;次小值出現(xiàn)在1970年達到-0.7℃即21.5℃;1985-1999年為第二暖期,持續(xù)15年,時間長于第一暖期,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℃,年平均氣溫達到23.4℃。這一結論與許多結論是基本一致的,即“近20-30年來中國的氣溫上升明顯,與東亞的趨勢一致,1998年是有觀測記錄以來最暖的一年,20世紀90年代是最暖的10年,這與全球平均氣溫的變化趨勢一致。”[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應后,之后呈波動式振蕩上升的趨勢,其中冷期滯后較為明顯,約持續(xù)到1990年代初期。整體趨勢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。其中冬季增幅最顯著,氣溫傾向率達到0.025682℃/a,遠大于年平均氣溫的升溫率0.01℃/a?？梢姸驹雠瘜δ昶骄鶜鉁氐纳仙加兄饕呢暙I,也最能體現(xiàn)近年來氣候變暖的事實。

海豐和陸豐站40年的氣溫變化(圖略)也呈現(xiàn)了暖-冷-暖3個階段的趨勢變化特征。時間段與汕尾站基本對應。年平均氣溫最小值海豐與陸豐也都出現(xiàn)在1970年,分別達到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,分別達到23.7℃和23.5℃;兩站四季氣溫皆呈上升趨勢,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比分析

圖2表明,40年來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。升溫率分別為0.011℃/a,0.017℃/a,后者是前者的1.5倍左右。可見最低氣溫的升溫幅度明顯大于最高氣溫,這與文獻[26]中得到的“中國平均最低氣溫的增幅明顯大于平均最高氣溫的增幅”的結論一致。經(jīng)計算：年平均氣溫日較差傾向率為-0.00557℃/a呈減小的趨勢,這種非對稱性變化趨勢說明夜間升溫率大于白天。

從季節(jié)變化趨勢看,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,對年平均最高氣溫的上升有正貢獻,秋、冬季占主要貢獻。而季最小氣溫各季均呈上升趨勢,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,年際趨勢基本和汕尾站類似。從表1可見,海、陸豐年最高最低氣溫同樣呈上升趨勢,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是不一致的,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)陸豐縣自20世紀90年代以來城市發(fā)展較快,受城市化進程影響,陸豐站周圍的觀測環(huán)境受到一定的破壞,其觀測數(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年極值氣溫的升高的貢獻最大。

表1 汕尾地區(qū)3站1960-1999年各類氣溫統(tǒng)計量

3 氣溫冷暖階段分析

分別統(tǒng)計年及冬、夏平均氣溫冷、暖階段的有關情況,結果見表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個暖年、4個正常年和1個冷年;夏季出現(xiàn)1個暖季、4個正常季、2個冷季;冬季出現(xiàn)2個暖季、3個正常季和 2個冷季,年、夏季均為正距平,冬季氣溫為負距平。冷期(1967-1984年),出現(xiàn)11個冷年、3個正常年和4個暖年;夏季6個冷季、10個正常季和2個暖季;冬季出現(xiàn)8個冷季、5個正常季和5個暖季,年、夏、冬季均為負距平。在第二暖期(1985-1999年),出現(xiàn)7個暖年、5個正常年和3個冷年;夏季出現(xiàn)6個暖季、6個正常季,另有3個季表現(xiàn)為冷季;而冬季暖季增多達到8個,正常季依然為6個,冷季減少達到1個。年、夏、冬季氣溫均為正距平,夏到冬季增加明顯,并在冬季達到0.448889℃的正距平。表明20世紀80年代中期以來氣溫呈現(xiàn)顯著的增暖趨勢,這與全球氣候變暖的大背景相呼應。

海豐、陸豐(圖略)的規(guī)律特征：海豐在第一暖期無暖年,其它相當;在冷期兩站表現(xiàn)有一定差異,其中海豐冷年達到13年,比陸豐多4個,夏、冬季相當;在第二暖期,陸豐比海豐多2個暖年,夏季多3個暖季,其他相當。從距平值看兩站變化差距不大,但趨勢與汕尾站有一定差異：第一暖期距平均為負值,冷期也同為負值,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%。可見受海洋性氣候影響最大的汕尾站比內陸兩站在氣溫升高方面有提前的趨勢。

表2 汕尾站年、夏季、冬季平均氣溫冷暖階段統(tǒng)計情況

4 異常冷暖年(季)

世界氣象組織對氣候異常提出了兩種判別標準[27],其一是距平超過標準差的兩倍以上,其二是它出現(xiàn)的幾率為25年以上一遇。由于標準差是描寫氣象要素相對其平均值離散程度的統(tǒng)計量,因此取距平超過標準差達一定程度為異常是適當和方便的。考慮到異常氣候出現(xiàn)機遇較少,王紹武等[28]把大于標準差的1.3倍的氣候災害定為嚴重氣候災害。由于汕尾地處沿海,受海洋性氣候影響偏大,選取一個中間值即采用距平的絕對值大于標準差的1.5倍作為異常標準,來分析汕尾地區(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準差的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到19.77℃,距平值達到-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年以來無異常冷冬季,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準差的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(氣溫達到 28.63℃)、海豐 1998年秋季(氣溫達到25.43℃)、海豐1998年冬季(氣溫達到17.5℃,距平達到2.3℃)。

5 小波分析與M-K突變檢驗

5.1 小波實部分析

研究[29]表明,小波系數(shù)的變化趨勢與氣候信號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的振動強度,小波系數(shù)的零點可能對應于氣候突變點。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,同時也存在一個準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12a年代際周期振蕩從1980年代中期開始逐漸加強,并在1990年代末到2000年初為最強階段(由等值線趨于閉合推斷),小波變換系數(shù)值達到+9左右。另外,從氣溫的冷暖結構來看,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)計算年平均氣溫的小波方差,得到圖3(b)。可知1個小波方差峰值對應12a的時間尺度,說明在1960-2000年整個時間域中,汕尾站以12a的周期振蕩最強,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,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

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

圖4 汕尾站Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線圖

由兩站M-K突變檢驗(圖略)分析得出：突變時間均提前到1997年。從前述表1中計算的數(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行比對可以看出：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)說明了海豐、陸豐2站比汕尾站提前響應了全球氣象變暖背景的大趨勢,可能是此兩站突變時間偏早1年的原因之一。

6 結論

通過常規(guī)氣候診斷方法,對汕尾地區(qū)1960-1999年40年的氣溫進行分析,得出以下結論。

(1)40年來汕尾地區(qū)存在暖-冷-暖的3個階段的氣候波動變化。總體上年季平均氣溫均呈上升趨勢。尤其在20世紀80年代中期以后的升溫趨勢較為明顯。四季的升溫率以冬季最為顯著。各個年代平均氣溫的年季變化總體上呈逐漸上升的趨勢,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。其中海豐年平均最低氣溫升溫率遠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,同時也存在一個準12a的年代際尺度的低頻振蕩周期。海豐站存在準7a與14-16a的振蕩周期,陸豐站有準1.5a、準2.5a、5-7a、準16a的振蕩周期。

(5)年平均氣溫M-K突變檢驗結果顯示：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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