李 瑞,郭 渠,高慧君,周春珍
(1.濟(jì)南市氣象局,濟(jì)南 250002;2.重慶市氣候中心,重慶 401147;3.山東省氣象臺(tái),濟(jì)南 250002)
全球氣候變暖已成為當(dāng)今氣象學(xué)家和廣大民眾普遍關(guān)注的熱門話題。IPCC第4次評(píng)估報(bào)告指出,自1861年以來,全球表面溫度不斷上升,近100年來的上升幅度為(0.74±0.18℃)[1]。在全球氣候變暖的大背景下,我國(guó)各地區(qū)對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)并不完全相同,在時(shí)間和空間的分布上是極不均勻的[2]。泰安市位于山東省中部,處于我國(guó)典型的溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū),其氣候變化特征在半濕潤(rùn)季風(fēng)區(qū)城市氣候資源的研究中具有代表性。然而,目前關(guān)于泰安市氣候變化特征的文章還很少見到,因此有必要在全球氣候變暖的大背景下詳細(xì)分析泰安市的氣候變化特征,這為本地區(qū)氣候變化的診斷和預(yù)測(cè)以及合理利用氣候資源提供理論依據(jù)。
選取國(guó)家氣候中心整編的泰安市1951~2008年逐日氣溫和降水資料,計(jì)算出春(3~5月)、夏(6~8月)、秋(9~11月)、冬(12月~次年2月)及年平均氣溫和降水量。
2.2.1 傾向分析方法 采用線性擬合方法進(jìn)行傾向分析。把氣候要素寫成時(shí)間t的線性函數(shù)y=at+b,a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。通過實(shí)際資料,利用最小二乘法計(jì)算出a和b,其中a為線性函數(shù)的斜率,也就是氣候要素的線性趨勢(shì)。a為正(負(fù))表示增加(減少)趨勢(shì),0表示無變化趨勢(shì)。
2.2.2 突變分析方法 利用Mann-Kendall法進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)。對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x,構(gòu)造一秩序列
ri表示第i個(gè)樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計(jì)值。
在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假設(shè)下,定義統(tǒng)計(jì)量
給定顯著性水平α=0.05,即U0.05=(1.96,當(dāng)(UFk(>Uα?xí)r,表明序列存在明顯的上升或下降趨勢(shì)。將所有UFk組成一條曲線UF。把同樣的方法引用到反序列中,得到另一條曲線UB。將統(tǒng)計(jì)量曲線UF、UB和(1.96兩條直線均繪在一張圖上,如果UF大于0,則表明序列呈上升趨勢(shì),小于0則表明呈下降趨勢(shì)。當(dāng)它們超過臨界直線時(shí),表明上升或下降趨勢(shì)顯著。超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn),且交點(diǎn)在臨界線之間,那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。
2.2.3 周期分析方法 利用小波分析進(jìn)行周期分析。目前關(guān)于小波分析的文獻(xiàn)有很多[3-9],這里只將本文中用到的Morlet小波及有關(guān)計(jì)算公式作一說明。
Morlet小波的形式為:
當(dāng)c取較大值時(shí),(5)式中第2項(xiàng)遠(yuǎn)小于第1項(xiàng),省略第2項(xiàng)。本文取c=2π,其子小波為:
對(duì)于時(shí)間序列f(t)[f(t)∈L2(R)]的小波變換為:
Wf(a,b)能同時(shí)反映時(shí)域參數(shù)b和頻域參數(shù)a的特征,它是時(shí)間序列f(t)通過單位脈沖響應(yīng)濾波器的輸出。a為尺度收縮因子,反映小波的周期長(zhǎng)度,b為平移因子,反映相對(duì)于t的時(shí)間平移,在實(shí)際計(jì)算中相當(dāng)于時(shí)間坐標(biāo)。當(dāng)分析檢測(cè)高頻分量時(shí),時(shí)間窗口自動(dòng)變窄,頻率窗口高度增加;分析檢測(cè)低頻特性時(shí),時(shí)間窗口自動(dòng)變寬,頻率窗口高度減小,從而達(dá)到時(shí)頻窗口的和諧變化。
從泰安市近58年各季及年平均氣溫變化曲線(圖1,各季圖略)及傾向率(表1)可見:年及各季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)。四季中,冬季氣溫升高最顯著(傾向率為每10年上升0.366℃),小于中國(guó)近50年來冬季0.39℃/10 a的增溫率[11];其次是春季(傾向率為0.303℃/10 a)和秋季(傾向率為0.100℃/10 a);夏季氣溫上升最不明顯(傾向率為0.007℃/10 a),遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中國(guó)近50年來夏季0.15℃/10 a的變化速率[11]。年平均氣溫變化傾向率為0.196℃/10 a,小于近50年來中國(guó)年平均氣溫變化傾向率(0.25℃/10 a)[11]。說明近58年泰安市冬、春季特別是冬季氣溫的顯著上升對(duì)年平均氣溫上升所做的貢獻(xiàn)最大。這與任國(guó)玉等[10]研究的全國(guó)氣溫變化規(guī)律基本一致。
氣候變化既包括自然變化過程,也有人類活動(dòng)的影響。一地氣溫變化的影響因素既包括大氣環(huán)流、太陽輻射、降水及日照條件,也包括局地地形以及城市化效應(yīng)引起的熱島環(huán)流等。在全球變暖的氣候背景下,環(huán)流異常和人類活動(dòng)的影響是氣溫變化的主要原因。眾所周知,經(jīng)濟(jì)活動(dòng)增加使城市的能源使用增加,加暖了城市大氣而形成城市熱島效應(yīng)。改革開放以來,泰安市經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,城市人口增加,至2008年末城鎮(zhèn)常住人口已達(dá)258.2萬人,人類活動(dòng)對(duì)氣候變化的影響日益增加。泰安市氣溫顯著增暖,可能是在全球變暖的氣候背景下,大氣環(huán)流因響應(yīng)而出現(xiàn)的變異與調(diào)整,從而導(dǎo)致區(qū)域氣候的變化;也可能與泰安市所處的發(fā)展階段、經(jīng)濟(jì)類型和發(fā)展速度以及人口的相對(duì)集中度等許多因素有關(guān)??傊瑲夂蜃兓菤夂蛳到y(tǒng)內(nèi)部和外部眾多因子相互影響、相互作用的復(fù)雜過程,泰安市氣溫的變化機(jī)理今后需進(jìn)一步進(jìn)行深入的研究。
圖1 泰安市年平均氣溫變化趨勢(shì)圖Fig.1 Annual mean temperature trend in Taian City
表1 泰安市各季及年平均氣溫、降水量變化傾向率Table 1 Trend slope of seasonal and yearly temperature or precipitation in Taian City
由泰安市近58年各季及年降水量變化曲線(圖2,各季圖略)及傾向率(表1)可以看出:泰安市年降水量呈減少趨勢(shì)。四季中,春季降水量呈增加趨勢(shì)(傾向率為4.371 mm/10 a);夏季和秋季呈減少趨勢(shì),其中夏季減少較快(傾向率為-4.726 mm/10 a);冬季呈微弱增加趨勢(shì)。說明近58年泰安市年降水量減少是由于夏、秋季特別是夏季降水減少所致。這與王紹武等[12]分析的華北地區(qū)降水量變化趨勢(shì)基本一致。
圖2 泰安市年降水變化趨勢(shì)圖Fig.2 Annual precipitation trend in Taian City
對(duì)泰安市近58年年平均氣溫及降水量序列做突變檢驗(yàn),結(jié)果如圖3所示??梢?,在0.05的顯著性水平下,泰安市年平均氣溫從50年代末開始持續(xù)上升,1993年發(fā)生突變,1998年開始顯著上升。泰安市年降水量從50年代中期至60年代中期呈增加趨勢(shì),60年代末期至今呈減少趨勢(shì),但其變化趨勢(shì)不顯著,沒有明顯的突變點(diǎn)。
圖3 泰安市年平均氣溫(a)及降水量(b)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)曲線(實(shí)線為UF,虛線為UB)Fig.3 Mann-Kendall test curve of Annual mean temperature(a)and precipitation(b)in Taian City(solid line indicated UF,broken line indicated UB)
圖4(a)為泰安市近58年年平均氣溫距平序列Morlet小波變換的實(shí)部。圖中正值用實(shí)線表示,反映年均氣溫偏高的時(shí)期;負(fù)值用虛線表示,反映年均氣溫偏低的時(shí)期;零表示氣溫偏高和偏低的轉(zhuǎn)折。小波系數(shù)絕對(duì)值越大,該周期變化越顯著。從圖中可以看出泰安市年均氣溫存在著準(zhǔn)4、6、14、20及準(zhǔn)29年的周期性變化。
從泰安市近58年年均氣溫距平序列Morlet小波變換模平方(圖4(b))可以清楚地看出不同時(shí)段各周期信號(hào)強(qiáng)弱的分布:準(zhǔn)4年周期變化主要發(fā)生在1980~2003年,振蕩中心在1997年;準(zhǔn)6年周期變化主要發(fā)生在1952~1972年,振蕩中心在1962年;準(zhǔn)14年周期變化主要發(fā)生在1957~1981年,振蕩中心在1970年;準(zhǔn)20年周期變化在1961~2008年有所表現(xiàn),但強(qiáng)度較弱;準(zhǔn)29年周期變化主要發(fā)生在1972~2008年,振蕩中心在1997年。
圖4(c)為泰安市近58年年均氣溫距平序列Morlet小波變換的方差。由于小波方差不僅可以揭示序列內(nèi)部的頻率結(jié)構(gòu),而且還可以給出序列中包含不同周期振蕩相對(duì)貢獻(xiàn)的完整描述,所以從圖4(c)可以看出準(zhǔn)6和準(zhǔn)29年周期變化在整個(gè)氣溫變化中的相對(duì)貢獻(xiàn)相當(dāng)并且比準(zhǔn)4、14、20年的相對(duì)貢獻(xiàn)大得多。
圖4 泰安市年平均氣溫距平序列Morlet小波變換的實(shí)部(a)、模平方(b)及方差(c)Fig.4 Real part(a),square module(b)and variance(c)of wavelet analysis of annual mean temperature in Taian City
由泰安市近58年年降水距平序列Morlet小波變換的實(shí)部(圖5(a))可以看出,泰安市年降水存在著準(zhǔn) 3、5、7、10、16 年的周期性變化。
圖5 泰安市年降水距平序列Morlet小波變換的實(shí)部(a)、模平方(b)及方差(c)Fig.5 Real part(a),square module(b)and variance(c)of wavelet analysis of annual precipitation in Taian City
圖5(b)給出了降水距平序列Morlet小波變換的模平方。從圖中可以看出:準(zhǔn)3年周期變化主要發(fā)生在1959~1966年及1985~1994年,振蕩中心分別在1963年與1990年;準(zhǔn)5年周期變化主要發(fā)生在1984~2005年,振蕩中心在1993年;準(zhǔn)7年周期變化主要發(fā)生在1953~1980年,振蕩中心在1965年;準(zhǔn)10、16年周期振蕩則相對(duì)比較弱。
從小波變換的方差(圖5(c))可以看出準(zhǔn)5、7年周期在整個(gè)降水變化中的相對(duì)貢獻(xiàn)比準(zhǔn)3、10、16年周期大得多。
(1)1951-2008年,泰安市年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì),傾向率為每10年上升0.196℃,而降水量相反,呈減少趨勢(shì),年降水量每10年減少2.838 mm。
(2)近58年來,泰安市各季平均氣溫、降水的變化趨勢(shì)存在明顯的差異。就氣溫而言,冬季氣溫升高最顯著,其次是春季和秋季,夏季氣溫上升最不明顯。說明近58年泰安市冬、春季特別是冬季氣溫的顯著上升對(duì)年平均氣溫上升所做的貢獻(xiàn)最大。就降水而言,春季降水量呈增加趨勢(shì);夏季和秋季呈減少趨勢(shì),其中夏季減少較快;冬季呈微弱增加趨勢(shì)。說明泰安市年降水量減少是由于夏、秋季特別是夏季降水減少所致。
(3)對(duì)泰安市近58年年平均氣溫及降水量序列做突變檢驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn):泰安市年平均氣溫從50年代末開始持續(xù)上升,1993年發(fā)生突變,1998年開始顯著上升。泰安市年降水量從50年代中期至60年代中期呈增加趨勢(shì),60年代末期至今呈減少趨勢(shì),但其變化趨勢(shì)不顯著,沒有明顯的突變點(diǎn)。
(4)通過小波分析可以得出,泰安市近58年年平均氣溫存在準(zhǔn)4、6、14、20、29年的周期性變化,其中準(zhǔn)6、29年周期振蕩最為強(qiáng)烈。泰安市年降水存在準(zhǔn)3、5、7、10、16年的周期性變化,其中準(zhǔn)5、7年周期振蕩最為強(qiáng)烈。
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