扎龍濕地近50年溫度和降水年際變化分析

沃曉棠，黃智超，孫彥坤*，玄明君，王鼎震

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150030；2.哈爾濱學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150086）

20世紀(jì)以來的全球變暖已經(jīng)是人們公認(rèn)的事實(shí)，且這種變暖幅度存在很大的地域性、突變性、周期性，變暖強(qiáng)度以北半球中高緯度內(nèi)陸地區(qū)表現(xiàn)的最為明顯[1]。本研究區(qū)域扎龍自然保護(hù)區(qū)地處我國緯度最高地區(qū)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)、牧、漁、葦業(yè)的重要基地，也是氣候變暖最顯著的區(qū)域之一[2]，近年來，一些學(xué)者對(duì)扎龍濕地的氣候變化進(jìn)行了初步分析[3-5]，取得了一些有益的研究成果。為了進(jìn)一步揭示近幾十年來扎龍濕地氣候變化規(guī)律，研究運(yùn)用氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)分析方法對(duì)扎龍濕地近50年的氣候變化特征進(jìn)行分析，為扎龍濕地可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)劃與決策提供氣候上的依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域地處松嫩洪泛平原，嫩江支流烏裕爾河、雙陽河下游湖沼葦草地帶，地理坐標(biāo)北緯46°52′～47°32′，東經(jīng) 123°47′～124°37′，總面積近2 100 km2，本區(qū)屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候。扎龍自然保護(hù)區(qū)是我國北方同緯度地區(qū)中保留最完整、最原始、最開闊的濕地生態(tài)系統(tǒng)。扎龍自然保護(hù)區(qū)蘆葦沼澤廣袤遼遠(yuǎn)，湖泊星羅棋布，葦草肥美，魚蝦豐盛，環(huán)境幽靜，保護(hù)區(qū)棲居鳥類150多種，其中鶴的種類多，數(shù)量大，素有“鶴的故鄉(xiāng)”之稱[5]。

2 材料與方法

2.1 氣候資料選取及處理

扎龍濕地具有較小的地形地貌差異，其周邊設(shè)有齊齊哈爾、富裕、杜蒙、泰來、林甸5個(gè)基準(zhǔn)氣象觀測站。根據(jù)Karl等的研究結(jié)果，中國50萬人口以下的城市所產(chǎn)生的熱島效應(yīng)在氣候變化中的影響可以忽略[6]。因而，根據(jù)黑龍江省統(tǒng)計(jì)年鑒（2004）數(shù)據(jù)，將熱島效應(yīng)影響較大的城市齊齊哈爾觀測站去掉，同時(shí)由于富裕測站氣象資料出現(xiàn)缺測現(xiàn)象，所以本研究利用研究時(shí)段內(nèi)資料完整性較好的杜蒙、泰來、林甸3個(gè)基準(zhǔn)氣象觀測站的氣象數(shù)據(jù)平均值，作為濕地范圍內(nèi)氣候要素值，氣象資料時(shí)間跨度為1955～2004年。季節(jié)劃分以3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季、12月至翌年2月為冬季。

2.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

①趨勢(shì)分析采用線性傾向率；②獲得研究區(qū)年及各季各要素的歷史曲線及5年滑動(dòng)平均；③運(yùn)用Mann-Kendall和Yamamoto檢測法進(jìn)行氣候序列的突變特征分析；④利用小波分析方法進(jìn)行多時(shí)間尺度周期分析[7-9]。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣候序列的線性趨勢(shì)分析

3.1.1 年、季氣溫變化線性趨勢(shì)分析

近50年來扎龍濕地平均氣溫線性趨勢(shì)上升明顯（見圖1），年、季氣候傾向率分別為：年0.44℃·10年-1、春 0.58℃·10年-1、夏0.27℃·10年-1、秋0.30℃·10年-1、冬0.59℃·10年-1。以上數(shù)據(jù)顯示年及四季平均氣溫均呈上升的趨勢(shì)，四季中以春季增溫最明顯，夏季增溫最弱，就氣候傾向率而言，前者約是后者的2.6倍，其中冬、春季氣溫上升速率均大于年速率，夏、秋季氣溫上升速率均小于年速率，表明扎龍濕地研究時(shí)段內(nèi)（1955～2004年）的氣候增暖貢獻(xiàn)最大的是冬季和春季。扎龍濕地年及各季一致的增溫趨勢(shì)與東北20世紀(jì)50年代末以來的持續(xù)升溫趨勢(shì)大背景同步[10]。

圖1 扎龍濕地年、季平均氣溫變化趨勢(shì)Fig.1 Trend of annunal and seasonal changes of mean temperature in Zhalong wetland

近50年來扎龍濕地年平均氣溫階段變化特征表現(xiàn)為：20世紀(jì)60年代初～80年代中期處于50年來的低溫期，自80年代中期以來進(jìn)入持續(xù)增溫階段，90年代中期出現(xiàn)了一次跳躍性增溫，且扎龍濕地90年代以來的增溫非常顯著，是50年以來的最高溫期（見圖1）。就季節(jié)而言，近50年扎龍濕地春季、秋季和冬季階段性變化趨勢(shì)與年氣溫基本一致，表現(xiàn)為相對(duì)冷期和相對(duì)暖期交替出現(xiàn)，相對(duì)冷期為20世紀(jì)60年代～80年代中期，相對(duì)暖期為50年代～60年代和80年代中期～90年代；夏季基本為持續(xù)性升溫，無明顯的相對(duì)冷期和相對(duì)暖期。

3.1.2 年、季降水量變化線性趨勢(shì)分析

從圖2可以看出，近50年來扎龍濕地降水量呈減少趨勢(shì)，年降水量以7 mm·10年-1的速率減少，同時(shí)各季節(jié)氣候傾向率分別為：春0.28、夏-2.23、秋-5.09、冬-0.23，說明扎龍濕地年及夏、秋、冬三季降水量的氣候傾向率均呈下降的趨勢(shì)，春季降水量線性趨勢(shì)變化總體呈弱的正趨勢(shì)，每10年增加0.28 mm，而夏、秋季負(fù)傾向率的絕對(duì)值比較大，尤其以秋季降水減少最為明顯，進(jìn)而導(dǎo)致年變化為負(fù)趨勢(shì)。

圖2 扎龍濕地年、季降水量變化趨勢(shì)Fig.2 Trend of annunal and seasonal changes of precipitation in Zhalong wetland

從5年滑動(dòng)平均線可以看出，20世紀(jì)50～60年代和90年代初為少雨階段，其中少雨期持續(xù)時(shí)間較長，20世紀(jì)50年代末、80年代和90年代中期以來為多雨階段，且多雨期一直維持到90年代末，在1998年扎龍濕地年降水量值達(dá)到最高。扎龍濕地四季降水量的變化顯示（見圖2），近50年來春季降水量降水異常程度不大，波動(dòng)振幅較小，由于受夏季風(fēng)影響，作為年降水量主要貢獻(xiàn)者的夏季和秋季降水量變化趨勢(shì)與年降水量十分相似，表現(xiàn)為大幅減少，冬季降水量階段變化波動(dòng)較大，總的趨勢(shì)為略有減少。

3.2 氣候序列的突變特征分析

3.2.1 年平均氣溫的突變分析

結(jié)果見圖3。

圖3 扎龍濕地氣溫序列的Mann-Kendall和Yamamoto檢測Fig.3 Mann-Kendall test and Yamamoto test of temperature in Zhalong wetland

在Mann-Kendall突變檢測圖中，在臨界值±1.96之間如果UF（虛線）與UB（實(shí)線）有一個(gè)顯著的交點(diǎn)，且UF上升超過+1.96或下降低于-1.96，即認(rèn)為序列產(chǎn)生了突變，該交點(diǎn)為突變的開端。扎龍濕地年平均氣溫序列的M-K檢測圖顯示（見圖3a），年平均氣溫表現(xiàn)出明顯的顯性增溫趨勢(shì)，且一次明顯的氣溫突變發(fā)生在1988年，其后氣溫達(dá)到一個(gè)更顯著的增暖時(shí)期。從扎龍濕地年平均氣溫序列的Yamamoto檢測圖（見圖3b）可以看出，氣溫在研究時(shí)段內(nèi)無強(qiáng)突變事件發(fā)生，只在20世紀(jì)90年代末有一次突變過程，發(fā)生在1988年。

3.2.2 年降水量的突變分析

1955～2004年扎龍濕地年降水量序列的Mann-Kendall檢測圖顯示，在1964年有一次減少突變過程（見圖4a），但并不顯著。降水量序列Yamamoto檢測未發(fā)現(xiàn)突變過程（見圖4b）?？梢娤鄬?duì)氣溫而言，扎龍濕地降水突變趨勢(shì)較弱，且頻率較低，近50年來無明顯的突變過程發(fā)生。

圖4 扎龍濕地降水量序列的Mann-Kendall和Yamamoto檢測Fig.4 Mann-Kendall test and Yamamoto test of precipitation in Zhalong wetland

3.3 氣候序列的周期變化分析

3.3.1 年平均氣溫的周期變化

圖5a為扎龍濕地年平均氣溫的小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖，從小波變換實(shí)部分布可以看出，近50年來扎龍濕地在不同時(shí)段有不同的周期變化。由圖5a可知，1955～2004年周期振動(dòng)在時(shí)間域中對(duì)應(yīng)的突變點(diǎn)比較多，對(duì)于10年尺度，最強(qiáng)的暖中心位于20世紀(jì)60年代初，同時(shí)可以看出在5～15年左右的年際尺度上氣溫變化表現(xiàn)為信號(hào)相對(duì)較強(qiáng)的1個(gè)暖期和2個(gè)冷期，即60年代中期以前的偏暖期、90年代初期和90年代末期以來的偏冷期。對(duì)于10年以上各種時(shí)間尺度的周期振動(dòng)在整個(gè)時(shí)間域中表現(xiàn)為由偏冷向偏暖階段的轉(zhuǎn)變，冷暖轉(zhuǎn)折突變點(diǎn)位于1989年前后。

3.3.2 年降水量的周期變化

圖5b為扎龍濕地年降水量的小波變換系數(shù)實(shí)部等值線圖，由圖5b可知，扎龍濕地年降水量序列存在著明顯的年代際尺度和年際尺度的周期性變化。就10～30年左右的年際尺度而言，降水變化表現(xiàn)為4個(gè)干濕交替階段，即60年代末期以前和80年代初期到90年代末的偏濕期，60年代末期到80年代初期和90年代末期以來的偏干期，干濕交替突變點(diǎn)分別在1967年附近、1982年附近和1998年附近。由圖5b可以看出，在時(shí)間域中3～10年的年際尺度的周期振動(dòng)對(duì)應(yīng)的干濕突變點(diǎn)比較多，其中10年左右尺度的周期振蕩信號(hào)最明顯，且最強(qiáng)少雨期中心出現(xiàn)在90年代末期。

圖5 扎龍濕地氣溫及降水量小波分析Fig.5 Wavelet analysis of temperature and precipitation in Zhalong wetland

4 討論與結(jié)論

受大氣候變化的影響，扎龍濕地近50年來的氣候變化與大區(qū)域變化相似，以顯著變暖為總趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為：扎龍濕地年及各季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，且一次明顯的氣溫突變發(fā)生在1988年，其后氣溫達(dá)到一個(gè)更顯著的增暖時(shí)期。90年代以來的增溫趨勢(shì)尤為顯著，是50年以來的最高溫期。扎龍濕地氣溫變化具有十分顯著的季節(jié)性特點(diǎn)，四季中以春季增溫最明顯，夏季增溫最弱，未來幾年將繼續(xù)處于暖期內(nèi)。年降水及夏、秋、冬季降水均為減少趨勢(shì)，尤其以秋季降水減少最為明顯，未來幾年扎龍將持續(xù)少雨期。相對(duì)氣溫而言，扎龍濕地降水突變趨勢(shì)較弱，近50年來沒有明顯的突變過程發(fā)生。

持續(xù)的氣候變暖可能直接或間接影響天氣氣候極端事件的產(chǎn)生，使得近年冷害、高溫、干旱、洪澇、暴風(fēng)雪等極端氣候事件出現(xiàn)頻次增多。四季氣溫普遍上升，尤其是冬、春季節(jié)，大大增加了土壤的蒸發(fā)量，春、夏旱期，農(nóng)作物無法適時(shí)播種。冬季偏暖，對(duì)危害農(nóng)作物和森林牧草的害蟲及病菌越冬有利，給農(nóng)、牧、林業(yè)生產(chǎn)造成一些不利影響[11]?？偟膩砜?，目前對(duì)于區(qū)域氣候變化趨勢(shì)需要更進(jìn)一步研究，以便更好地認(rèn)識(shí)和利用區(qū)域氣候資源。

[1]張晶晶,陳爽,趙聽奕.近50年中國氣溫變化的區(qū)域差異及其與全球氣候變化的聯(lián)系[J].干早區(qū)資源與環(huán)境,2006,20(4):1-6.

[2]王昊,許士國,孫石.40年氣候變化對(duì)扎龍濕地蒸散影響分析[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2007,47(2):119-121.

[3]孫石,王昊.扎龍濕地周邊區(qū)域極端氣溫不對(duì)稱變化分析[J].氣象,2006,32(5):22-28.

[4]吳長申.扎龍國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)自然資源研究與管理[M].哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社,1999.

[5]孫石.氣候變化對(duì)扎龍濕地生態(tài)環(huán)境的影響[J].黑龍江氣象,2001(1):32-34.

[6]Karl T R,Knight R W.Indices of climate change for the United States[J].Bull Amer Meteor Soc,1996,77(5):279-292.

[7]翟盤茂,潘曉華.中國北方近50年溫度和降水極端事件變化[J].地理學(xué)報(bào),2003,58(增):1-10.

[8]林振山,鄧自旺.子波氣候診斷技術(shù)的研究[M].北京:氣象出版社,1999:1-20.

[9]鄧自旺,林振山,周曉蘭.西安市近50年來氣候變化多時(shí)間尺度分析[J].高原氣象,1997,16(1):81-93.

[10]孫鳳華,楊素英.東北氣候變化與極端氣象事件[M].北京:氣象出版社,2008:34-37.

[11]商兆堂,王肖成,楊力,等.氣候變暖對(duì)鹽城市小麥生產(chǎn)的影響及其對(duì)策[J].氣象科學(xué),1999,19(1):92-98.