中亞湖泊地區(qū)氣溫變化特征

陳起川,夏自強(qiáng),郭利丹,王景才

(1.河海大學(xué)國際河流研究所,江蘇南京 210098;2.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098)

氣候變暖問題是全世界所關(guān)注的重大問題之一[1].政府間氣候變化問題小組IPCC(2007)的報告指出:全球平均氣溫在19世紀(jì)末以來升高了0.4～0.8℃[2].增暖主要發(fā)生在1910年到1940年及1970年到現(xiàn)在這2個階段[3].全球變暖具有普遍性,但是不同的地區(qū)也具有一定的差異[4-6],全球氣溫變化的區(qū)域性特征明顯.中亞地區(qū)深居內(nèi)陸,遠(yuǎn)離海洋,屬于干旱半干旱地區(qū),它的氣溫變化情況,卻少有人知.本文在全球變暖的大背景下,分析中亞地區(qū)不同緯度地區(qū)的氣溫變化差異,旨在探究干旱半干旱地區(qū)湖泊的氣溫變化情況,也為研究不同緯度地區(qū)的氣候變化提供依據(jù)[7].

1 研究對象和研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

選取中亞地區(qū)的里海、咸海、巴爾喀什湖、阿拉湖、齋桑泊5個湖泊(圖1)作為研究對象,分析并研究20世紀(jì)中后期及21世紀(jì)初的氣溫變化特征及其變化趨勢.

圖1 研究區(qū)域Fig.1 Diagram of study area

里海,是世界最大的湖,并且是咸水湖,位于亞歐大陸腹地,亞洲與歐洲之間.里海北部位于溫帶大陸性氣候帶,而里海中部以及南部大部分區(qū)域則位于溫?zé)釒?西南部受副熱帶氣候影響,東海岸以沙漠氣候為主,從而氣候多變.咸海,是位于中亞地區(qū)的一內(nèi)流咸水湖,坐落于哈薩克斯坦和烏茲別克斯坦兩國交界處,為世界第4大水體,屬于沙漠大陸型氣候.巴爾喀什湖,位于哈薩克斯坦東部,是哈薩克斯坦境內(nèi)第3大水體,由于深居亞歐大陸腹地,海洋上的氣流很難流入,呈現(xiàn)出典型的溫帶大陸型氣候.阿拉湖,是哈薩克斯坦境內(nèi)的鹽湖,在巴爾喀什湖東180km處,接近中國新疆維吾爾自治區(qū)邊界,屬于典型的干旱半干旱地區(qū).齋桑泊,是哈薩克斯坦境內(nèi)東北部的一淡水湖,位于阿爾泰山西麓,額爾齊斯河流經(jīng)此湖.

1.2 研究資料

本文采用里海站、咸海站、巴爾喀什湖站、阿拉湖站、齋桑泊站這5個氣象站20世紀(jì)中后期及21世紀(jì)初的逐日平均氣溫、逐日最高氣溫、逐日最低氣溫等資料對研究區(qū)域進(jìn)行分析.所選擇的5個氣象站的地理坐標(biāo)分別為 :里海 ,43.0°N,47.6°E;咸海,46.8°N,61.7°E;巴爾喀什湖 ,46.8°N,75.1°E;阿拉湖 ,46.2°N,80.9°E;齋桑泊 ,47.5°N,84.9°E.

1.3 研究方法

本文主要采用距平分析法[8]、5年滑動平均法[9-11]對各站的年平均氣溫、年最高最低氣溫的四季變化和年最高氣溫、最低氣溫的變化特征進(jìn)行分析;采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法[12]、Mann-Kendall秩次相關(guān)分析檢驗法[13-14]對氣溫變化趨勢的顯著性進(jìn)行檢驗.

2 氣溫的變化特征分析

2.1 氣溫的年際和年代際變化

各站年均氣溫統(tǒng)計特征值列于表1.由表1可以看出,中亞地區(qū)的年平均氣溫的變化特征,從空間上說,呈現(xiàn)出從南到北、從西到東逐漸降低的特點,由西南部里海的12.01℃降低到處于東北部的齋桑泊的4.41℃.最高年均氣溫與最低年均氣溫的極值比和極值差以及變差系數(shù)Cv都呈現(xiàn)出從南到北增大的特點,這說明年平均氣溫的年際變化程度具有從南到北逐漸增大的特點.

在統(tǒng)計系列中,齋桑泊的氣溫上升增幅最大,1936—2005年間多年平均氣溫為4.41℃,年均氣溫上升了2.43℃,年均上升率為7%,平均每年上升0.04℃;里海的多年平均氣溫變化最不明顯,1882—2006年間里海的年均氣溫上升了0.12℃,年均上升率為0.29%,平均每年上升0.00096℃.對各站氣溫變化趨勢采用Spearman秩相關(guān)系數(shù)法和Mann-Kendall秩次相關(guān)分析檢驗法進(jìn)行的趨勢顯著性檢驗結(jié)果(表2)表明,緯度越高,年平均氣溫上升越顯著.氣溫較高且排在前10位的年份,在1980—2005年這一時段內(nèi)所占比例分別為里海4年、咸海10年、巴爾喀什湖8年、阿拉湖8年、齋桑泊9年.這表明,咸、巴、烏、齋4站20世紀(jì)80年代以后氣溫升高趨勢是非常明顯的.

表1 各站年均氣溫統(tǒng)計特征值Table1 Statistical characteristics of annual average temperatures at five stations

表2 各站年平均氣溫變化的趨勢性檢驗Table2 Trend tests of changes of annual average temperatures at fivestations

采用距平分析法分析不同年代年均氣溫的變化.由表3可見,20世紀(jì)70年代后,各站年代均溫距平為正,而70年代以前基本為負(fù)值,說明70年代后較70年代前年代均溫呈上升趨勢,即中亞地區(qū)的氣溫是從70年代開始升高的,并且各站在70年代以后偏離均值的情況越來越嚴(yán)重,說明氣溫還存在進(jìn)一步升高的趨勢.

對年均溫采用差積曲線 秩檢驗聯(lián)合識別法[15]進(jìn)行變異點檢驗,得出秩統(tǒng)計量U(表4),U服從正態(tài)分布.若|U|＜U 0.05/2=1.96,表明變異點不顯著;否則,表明變異點顯著.由表4可以看出,各站氣溫均在20世紀(jì)70年代發(fā)生突變.這說明該研究區(qū)域的氣溫由低轉(zhuǎn)高的突變點在20世紀(jì)70年代.

表3 各站20世紀(jì)30年代后平均氣溫距平結(jié)果Table3 Anomaly of average temperatures at five stations during different decades after 1930s ℃

表4 變異點分析結(jié)果Table 4 Analysis results of change points

2.2 20世紀(jì)70年代前后年內(nèi)月平均氣溫變化

以20世紀(jì)70年代為界,對70年代前后逐月平均氣溫進(jìn)行比較,結(jié)果見圖2.

由圖2可知,5個站70年代前后逐月平均氣溫變化量基本均為正值,只有個別月份的平均氣溫為負(fù)值.這說明,70年代后各月的平均氣溫較70年代前均存在不同程度的升高現(xiàn)象.其中:咸海、阿拉湖、齋桑泊的各月平均氣溫均有升高;里海的5月、6月、7月、8月和10月的變化量為負(fù)值,巴爾喀什湖只有3月和7月的氣溫有所降低,但降幅不大.

圖2 各站70年代前后逐月平均氣溫變化量對比Fig.2 Variation of monthly average temperatures at five stations before and after 1970s

2.3 年內(nèi)四季變化

通過分析可知,在所研究的5個站中,四季的平均氣溫均存在上升下降現(xiàn)象,其中,春、夏、秋三季的平均氣溫變化相對微弱,沒有明顯的上升下降趨勢,而冬季的升溫現(xiàn)象比較顯著,見圖3.

圖3 各站逐年冬季氣溫5年滑動平均過程及其趨勢線Fig.3 Five-year moving average processes of annual temperatures in winter and their trends at five stations

從均溫變化曲線來看,各站冬季氣溫呈上升趨勢,變化基本上一致.

各站冬季5年滑動平均氣溫趨勢線斜率均大于0,說明5個站冬季均呈升溫趨勢.阿拉湖冬季氣溫上升最快,其次是齋桑泊、咸海、巴爾喀什湖,而里海升溫趨勢緩慢得多,線形趨勢線斜率是最小的,僅為0.0136,是阿拉湖的1/5左右.對巴爾喀什湖逐年冬季均溫的趨勢顯著性檢驗結(jié)果表明,Spearman檢驗和Kendall檢驗統(tǒng)計量分別為|T|=3.57和|U|=3.30,分別大于顯著水平為α=0.05時的臨界值2.01和1.96,說明冬季氣溫上升趨勢顯著.

由表5可知:春季,各站氣溫均呈上升趨勢,其中咸海和阿拉湖顯著升溫;夏季,咸海、巴爾喀什湖、阿拉湖、齋桑泊4站表現(xiàn)為升溫,咸海和阿拉湖顯著升溫,而里海呈降溫趨勢,但是不顯著;秋季,各站氣溫均呈上升趨勢,其中里海和齋桑泊的升溫不顯著.

表5 各站四季均溫變化趨勢及顯著性Table 5 Change trends of seasonal average temperatures and their significances at five stations

2.4 年最高溫最低溫月份平均氣溫變化

年最高平均氣溫發(fā)生在夏季(6—8月),年最低平均氣溫發(fā)生在冬季(12月—次年2月),對各站年最高溫最低溫月份5年滑動平均氣溫變化趨勢進(jìn)行分析,并利用Spearman和Kendall秩次相關(guān)檢驗法檢驗趨勢的顯著性,結(jié)果列于表6.

表6 各站年最高溫最低溫月份平均氣溫變化趨勢及顯著性Table6 Change trends of average temperatures in months with maximum and minimum temperatures and their significances at five stations

由表6可見:里海19世紀(jì)末到21世紀(jì)1月和7月的氣溫升降顯著,其他研究月份均溫的上升下降趨勢均不顯著;咸海所研究月份均有升溫現(xiàn)象,但2月和8月升溫趨勢不顯著;巴爾喀什湖只有12月升溫顯著;阿拉湖12月和1月升溫顯著,其他月份升溫但不顯著;齋桑泊6月和7月升溫不顯著,其他月份均表現(xiàn)為顯著升溫.

2.5 極端年最高最低氣溫變化

對5個站的極端年最高、極端年最低氣溫進(jìn)行5年滑動平均分析,結(jié)果見圖4和圖5.

圖4 各站極端年最高氣溫5年滑動過程及其趨勢線Fig.4 Five-year moving processes of annual maximum temperatures and their trends at five stations

圖5 各站極端年最低氣溫5年滑動過程及其趨勢線Fig.5 Five-year moving processes of annual minimum temperatures and their trends at five stations

由圖4和圖5可見:巴爾喀什湖的極端年最高氣溫呈下降趨勢,但是降幅很小,極端年最低氣溫呈上升趨勢;其他各站的極端年最高氣溫和極端年最低氣溫均呈上升趨勢.用Spearman和Kendall秩次相關(guān)檢驗法檢驗了趨勢顯著性,結(jié)果見表7.

由表7可知:咸海和阿拉湖的極端年最高最低氣溫上升趨勢顯著;里海的極端年最高最低氣溫上升均不顯著;巴爾喀什湖的極端年最高氣溫呈下降趨勢,但不顯著,極端年最低氣溫持升高態(tài)勢,但不顯著;齋桑泊的極端年最高氣溫上升不顯著,但是其極端年最低氣溫的升高趨勢顯著.

由表8可見:20世紀(jì)70年代后平均極端年最高氣溫較70年代前,除里海降低了0.1℃外,其他4站均存在不同程度的升高現(xiàn)象,總體來講,極端年最高氣溫呈升高趨勢;極端年最低氣溫一致升高,變化區(qū)間為(1.11℃,3.74℃);極端年最高氣溫差值在0～2.7℃之間變化,巴爾喀什湖呈持平狀態(tài);極端年最低氣溫,5個站表現(xiàn)為一致性升高,變化區(qū)間為(1.2℃,3.9℃).

表7 各站極端年最高氣溫最低氣溫非參數(shù)相關(guān)檢驗結(jié)果Table7 Non-parameter tests of annual maximum and minimum temperatures at five stations

表8 各站20世紀(jì)70年代前后極端年最高最低氣溫統(tǒng)計結(jié)果Table8 Statistical results of annual maximum and minimum temperatures at five stations before and af

總體來講,20世紀(jì)70年代后的極端年最高氣溫和極端年最低氣溫較70年代前都表現(xiàn)為升高趨勢,并且極端年最高氣溫比極端年最低氣溫的升高趨勢更加明顯.

3 結(jié) 論

5個站年均氣溫的年際變化均隨著緯度的升高而變大,平均氣溫多年來呈上升趨勢,而且緯度高的站點氣溫升高趨勢較為明顯,齋桑泊的升溫趨勢最為顯著.緯度最高的齋桑泊在1936—2005年間年均氣溫上升了2.43℃,年均上升率達(dá)7%,而緯度較低的阿拉湖、巴爾喀什湖、咸海的年均上升率只有2%,緯度最低的里海表現(xiàn)為降溫,但降幅很小.春、夏、秋三季呈增溫趨勢,增幅比較小;冬季,各站均溫均呈上升趨勢.年最高氣溫方面,只有咸海和阿拉湖的年最高氣溫呈顯著升高趨勢,其他站的年最高氣溫升降不顯著,其中巴爾喀什湖的年最高氣溫呈下降趨勢,但是降幅不大;年最低氣溫基本呈升高趨勢,其中,里海和巴爾喀什湖升高趨勢不顯著.各站的年均氣溫由低轉(zhuǎn)高的轉(zhuǎn)折點均在20世紀(jì)70年代.

中亞地區(qū)主要湖泊的年均氣溫整體呈上升趨勢.主要表現(xiàn)為年最低氣溫的升高,年最高氣溫并無很明顯的升高現(xiàn)象,升溫過程主要發(fā)生在冬季,其他季節(jié)的氣溫增幅不大,且緯度越高,升溫越顯著.

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