近51a漳州市極端最低氣溫變化特征分析

蘇曉玲，龔松柏，郭偉斌，陳雅麗

(福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350117)

1 引言

在全球氣候變暖背景下，1901—2012年的100多年間，全球地表溫度升高了0.89℃，升溫幅度約為0.5～0.8℃，比同期全球升溫幅度平均值略高，在20世紀(jì)80年代中后期增暖尤其明顯，增溫速率為0.22℃/10 a，明顯高于全球或北半球同期平均增溫速率;過去30 a的氣溫比1850年以來任何時(shí)期都要高，本世紀(jì)的頭10 a是有史以來最熱的10 a，人類活動(dòng)是導(dǎo)致全球變暖主要原因［1］，并且變暖趨勢短期內(nèi)難以逆轉(zhuǎn)［2］。這是由于該時(shí)期中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，人類活動(dòng)加劇、城市化和工業(yè)化的快速發(fā)展大大改變了氣象站點(diǎn)觀測環(huán)境，使觀測數(shù)據(jù)隨著城市化進(jìn)程發(fā)生了改變。

極端溫度作為極端氣候事件的一種，國內(nèi)外氣象學(xué)者對(duì)極端最低氣溫事件進(jìn)行了許多研究，Karl等研究結(jié)果表明，過去幾十年里，極端最低氣溫事件發(fā)生的頻率和霜凍日數(shù)都呈減少的趨勢［3］;Gruze等研究結(jié)果表明，極端最低氣溫天數(shù)減少的速率大于極端高溫天數(shù)的增加速率［4］;我國年平均日最低氣溫在20世紀(jì)70年代初期和80年代中期之后發(fā)生了兩次變暖突變，90年代起日最低氣溫開始進(jìn)入不同程度的迅速升溫階段［5］;1986年以來中國南方冬季整體偏暖，低溫次數(shù)呈減少趨勢，但仍有強(qiáng)烈的異常低溫事件出現(xiàn)，如2008年1月的極端最低氣溫雨雪天氣［6］;近50 a福建省冬季氣溫呈上升趨勢，其增暖速度大于年平均氣溫，冬季氣溫變化存在暖月平均氣溫持續(xù)上升和冷月平均氣溫下降的兩極分化趨勢［7］。

漳州市位于福建省東南部，東臨臺(tái)灣海峽，氣候溫和，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，干濕季分明;東南濱海，西部低溫寒(凍)害較頻繁。又處于閩南經(jīng)濟(jì)發(fā)展區(qū)，是海峽西岸城市群中的重要組成部分。近年來漳州市城市化速率加快，改變了下墊面的性質(zhì)和局地大氣成分，使局地氣候發(fā)生了改變，漳州市年均溫線性趨勢增加顯著，尤其在20世紀(jì)90年代以來增加明顯高于全球變暖趨勢，并且漳州市薌市區(qū)又明顯高于其他縣(市)［8］。本文根據(jù)漳州1962—2012年冬季(1、2、12月)日最低氣溫的變化，分析漳州市極端最低氣溫的變化特征，以期為本地氣候變化預(yù)報(bào)、評(píng)估、影響和服務(wù)提供參考，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制定合理規(guī)劃布局和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)資料

本文采用資料為漳州市10個(gè)氣象站點(diǎn)1962—2012年1、2、12月逐日最低氣溫，其中選用漳州站氣溫觀測數(shù)值代表中心市區(qū)氣溫，其余9個(gè)站點(diǎn)距離中心市區(qū)較遠(yuǎn)，作為受城市化影響小的郊區(qū)站，9個(gè)站點(diǎn)的平均值作為郊區(qū)站的數(shù)值。氣象觀測站點(diǎn)信息見表1。

表1 漳州氣象觀測站基本信息(2012年)

2.2 研究方法

本文利用漳州市10個(gè)氣象站點(diǎn)1962—2012冬季日最低氣溫、低溫(＜5℃)日數(shù)、中心市區(qū)站點(diǎn)與郊區(qū)站點(diǎn)多年平均極端最低溫，建立各區(qū)域樣本值時(shí)間序列，采用線性趨勢分析、變異系數(shù)分析、距平等統(tǒng)計(jì)分析方法，分析近51 a內(nèi)漳州極端最低氣溫、低溫日數(shù)距平和線性傾向率，并對(duì)該時(shí)段內(nèi)市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫、低溫日數(shù)變化特征及差異進(jìn)行研究。

2.2.1 氣候趨勢分析 氣候傾向率是采用一元線性回歸方程來表示氣象要素趨勢變化，其算法為:設(shè)某站某氣象要素時(shí)間序列為 y1、y2、y3…yn，可用多項(xiàng)式Y(jié)n(t)=a0+a1t1+a2t2…+antn表示，Yn(t)為時(shí)刻t的要素值Y(t)的趨勢方程估計(jì)量，t為時(shí)間序號(hào)。氣溫的氣候趨勢用一次直線方程即可滿足［9］，故采用 y(t)=a0+a1t表示，把 a1乘以10稱為氣候變化傾向率，正數(shù)表示上升趨勢，負(fù)數(shù)反之，a1采用最小二乘法確定，見公式(1)，其單位為 ℃/10a。以年度極端最低氣溫超過多年極端最低氣溫平均值1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份作為偏暖年，少于多年極端最低氣溫平均值1.5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的年份為偏冷年，兩者之間為正常年份［9］。

2.2.2 變異系數(shù)分析 變異系數(shù)Cv是表示標(biāo)準(zhǔn)差S相對(duì)于平均數(shù)大小的相對(duì)量，可描述氣象要素不同年代的相對(duì)變化，通過對(duì)比不同年代變異系數(shù)，可分析不同要素變化幅度及其變化的穩(wěn)定性，Cv越小，表示該要素在統(tǒng)計(jì)時(shí)段變化差異越小、越穩(wěn)定，見公式(2)。

2.2.3 距平 距平指一組觀測數(shù)據(jù)中某個(gè)數(shù)據(jù)xi相對(duì)于的差值，常用于其變量偏離正常情況的量，距平值能夠確定某個(gè)時(shí)段或時(shí)次的氣象觀測數(shù)據(jù)，分正距平和負(fù)距平。距平值高說明某個(gè)觀測數(shù)值與平均值的差值大，即相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)觀測數(shù)值相對(duì)于平均值出現(xiàn)了異常。

3 結(jié)果分析

3.1 極端最低氣溫時(shí)間變化規(guī)律分析

3.1.1 極端最低氣溫趨勢分析 據(jù)圖1，1962—2012年間，2012年全市平均極端最低氣溫最高值為6.72 ℃，最低值出現(xiàn)在1963年，為 -0.62 ℃，1967 年-0.59℃次之，1999年12月下旬有強(qiáng)冷空氣入侵，當(dāng)年極端最低氣溫也較低。采用一元線性方程對(duì)全市歷年來平均極端最低氣溫進(jìn)行擬合，擬合方程為 y=0.039 7 t+1.472 6，即近 51 a 來漳州市冬季平均極端最低氣溫以0.397℃/10 a(通過0.05信度檢驗(yàn))線性傾向率增加。

圖1 漳州多年極端最低氣溫變化曲線

3.1.2 極端最低氣溫的年代際變化趨勢分析 根據(jù)2.2.1小節(jié)氣候趨勢分析，得知偏冷年為1963、1967、1999 年，共 3 a，偏暖年為 1964、1968、1972、1980、1983、1987—1990、1996—1998、2001—2003、2006—2008、2012年，共 19 a?？梢娖淠曛饕?0世紀(jì)60年代，偏暖年主要出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代后。據(jù)表2，年平均極端最低氣溫在20世紀(jì)60年代最低。而后由于改革開放以來漳州城市化的發(fā)展，年平均極端最低氣溫有所上升。各個(gè)年代際氣候傾向率差異明顯，20世紀(jì)氣候傾向率均較大，20世紀(jì)80年代漳州城市發(fā)展迅速，對(duì)應(yīng)的氣候傾向率最大，即該時(shí)段年極端最低氣溫增加最快，為2.715℃/10 a;20世紀(jì)90年代有所減緩，21世紀(jì)以來氣候傾向率最小為0.006℃/10 a，氣候變化趨勢不明顯，基本屬于偏暖期。從變異系數(shù)來看，5個(gè)時(shí)間段內(nèi)的變異系數(shù)相差不大，并且數(shù)值都較大，其中20世紀(jì)70年代變異系數(shù)最小，即大部分時(shí)間段內(nèi)極端最低氣溫變化都比較穩(wěn)定;20世紀(jì)90年代變異系數(shù)最大，因?yàn)樵摃r(shí)段內(nèi)氣溫起伏變化劇烈，尤其是1999年12月下旬強(qiáng)冷空氣對(duì)當(dāng)年冬季氣溫影響甚大;21世紀(jì)以來，雖氣候傾向率最小，但氣溫變異系數(shù)較大，說明有個(gè)別極端最低氣溫變化劇烈，如2008年1月極端氣溫變化劇烈。

表2 漳州市極端最低氣溫平均值、氣候傾向率與變異系數(shù)

3.1.3 極端最低氣溫日數(shù)趨勢分析 漳州市屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬季平均溫度≥0℃，雖西北部低溫災(zāi)害頻發(fā)，但漳州市冬季極端最低氣溫＜0℃的日數(shù)并不多，對(duì)漳州地區(qū)種植熱帶、亞熱帶作物而言，＜5℃的低溫天氣足以使其遭受不同程度的寒害影響。1962—2012年間極端最低氣溫(＜5℃)日數(shù)以-1.6 d/10 a(通過0.05信度檢驗(yàn))的氣候傾向率減少，1963年低溫日數(shù)最多(30 d)，2012年最少(0 d)見圖2，多年低溫日數(shù)平均值為7.5 d。低溫日數(shù)在1978年以前多為正距平，在1978年以后負(fù)距平較多，只有個(gè)別年份出現(xiàn)正距平，1997年以來都為負(fù)距平。

圖2 1962—2012年漳州低溫日數(shù)距平

3.2 極端最低氣溫對(duì)城市化的響應(yīng)過程

3.2.1 市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫 1962—2012年，漳州市區(qū)和郊區(qū)兩地最低氣溫曲線走勢基本一致，市區(qū)極端最低氣溫以0.546℃/10 a(通過0.05信度檢驗(yàn))氣候傾向率增加，郊區(qū)以0.381℃/10 a氣候傾向率增加，市區(qū)最低氣溫增加速率略高于郊區(qū)增加速率。市區(qū)極端最低氣溫在該時(shí)期以2012年最高(6.9 ℃)，1998年次之(6.5 ℃)，1967 年最低(-1.7 ℃);郊區(qū)則以 2012年最高(6.7 ℃)，1963年最低(-0.73℃)。從20世紀(jì)70年代起郊區(qū)最低氣溫略低于市區(qū)最低氣溫，本世紀(jì)來市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫增加趨勢相似，整體上郊區(qū)最低氣溫小于市區(qū)最低氣溫，但差別不大。

圖3 漳州市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫分布

3.2.2 市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫差值變化1962—2012年，漳州市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫差值呈增加趨勢，以0.165℃/10 a線性傾向率增加，市區(qū)與郊區(qū)多年平均極端最低氣溫差值為0.23℃。市區(qū)年平均極端最低氣溫21世紀(jì)以來最高，為3.72℃;郊區(qū)年平均極端最低氣溫除20世紀(jì)60年代外均比市區(qū)低，21世紀(jì)以來最高，為3.17℃，市區(qū)與郊區(qū)年平均極端最低氣溫表明20世紀(jì)80年代與21世紀(jì)以來都處于偏暖期。從氣候傾向率來看，市區(qū)與郊區(qū)在20世紀(jì)80年代極端最低氣溫變化最快，20世紀(jì)90年代次之，21世紀(jì)以來增長速度最小。變異系數(shù)反應(yīng)了極端最低氣溫變化程度劇烈與否，市區(qū)與郊區(qū)變異系數(shù)20世紀(jì)60年代與21世紀(jì)都比較大，且21世紀(jì)以來的氣候傾向率是最小的，說明在兩個(gè)時(shí)段內(nèi)極端氣候出現(xiàn)使氣溫變化都較劇烈。

表3 漳州市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫平均值、氣候傾向率與變異系數(shù)

圖4 漳州市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫差值

3.2.3 市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫日數(shù)變化1962—2012年，漳州市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫(＜5℃)日數(shù)均呈降低趨勢(圖5)，市區(qū)極端最低氣溫日數(shù)減少較多，郊區(qū)減少較少，市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫日數(shù)平均差值為5 d;20世紀(jì)60—70年代初市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫日數(shù)相差不大，走勢基本一致，郊區(qū)低溫日數(shù)自1972年以來都比市區(qū)低溫日數(shù)多，且1981年以來尤為明顯。1981年以來市區(qū)極端最低氣溫日數(shù)大部分均小于平均值(6.20 d)，部分出現(xiàn)極端低溫(1984、1993、1995年)＞1℃，市區(qū)極端最低氣溫日數(shù)距平以-2.427 d/10 a的氣候傾向率減小;郊區(qū)極端最低氣溫日數(shù)自1986年以來，大部分均小于平均值(7.64 d)，個(gè)別年份(1993、1995年)＞1℃，郊區(qū)極端最低氣溫日數(shù)距平以-1.509 d/10 a的氣候傾向率減小，市區(qū)極端最低氣溫日數(shù)距平減小幅度明顯比郊區(qū)大。該時(shí)段市區(qū)極端最低氣溫日數(shù)1963年最多(28 d)，1998年和2012年郊區(qū)低溫日數(shù)最少(0 d);郊區(qū)與市區(qū)極端最低氣溫日數(shù)分布相似，1963年最多(平均30.33 d)，2012年郊區(qū)低溫日數(shù)最少(平均為0.11 d)，1998年次之(平均0.89 d)。

圖5 漳州市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫日數(shù)分布

4 結(jié)論與討論

①近51 a來，漳州市多年冬季平均極端最低氣溫為2.5℃，每10 a約增加0.397℃;20世紀(jì)80年代年極端最低氣溫上升最快，90年代極端最低氣溫變化幅度大，21世紀(jì)以來趨于穩(wěn)定，但有個(gè)別極端最低氣溫變化劇烈，表明現(xiàn)階段處于偏暖期;80年代極端最低氣溫以0.440 7℃/10 a增長，漳州市極端最低氣溫變化趨勢與華南地區(qū)變化特征較一致［10］。

②1962—2012年，漳州市區(qū)、郊區(qū)極端最低氣溫顯著增加，具有明顯的階段性，二者變化趨勢與全球變暖是一致的，但增加幅度較小，低于全球和全國平均變暖趨勢。近51 a來，市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫變化趨勢整體相似，但市區(qū)極端最低氣溫變化更明顯，這與其他城市的城區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫的研究結(jié)果相似［11-13］。漳州市在20世紀(jì)80年代來發(fā)展較快，但與全國、福建省部分地區(qū)發(fā)展速度相比稍弱，其原因可能是漳州市城市化發(fā)展進(jìn)程的影響。而影響地區(qū)極端氣候變化的因素十分復(fù)雜，其中人類活動(dòng)可能是首要因素。

③漳州市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫(＜5℃)日數(shù)平均差值為5 d，郊區(qū)低溫日數(shù)自1972年以來均比市區(qū)低溫日數(shù)多。市區(qū)與郊區(qū)極端最低氣溫日數(shù)年際分布相似，漳州市區(qū)低溫日數(shù)減少趨勢比郊區(qū)明顯，20世紀(jì)80年代以來尤為明顯。這種差異可能與漳州城市化進(jìn)程有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系，但漳州市極端最低氣溫不同時(shí)間尺度內(nèi)的不均勻變化特征是否與太平洋、印度洋海溫、ENSO事件、太陽黑子活動(dòng)等氣候影響因子有關(guān)尚未有明確結(jié)論，這有待今后深入研究與分析。

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