吉林省 1953-2013 年氣候變化研究

海建航,陳永金，逯孝強(qiáng)，劉曉迪，王秉芝

（聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院， 山東 聊城 252059）

吉林省 1953-2013 年氣候變化研究

海建航,陳永金，逯孝強(qiáng)，劉曉迪，王秉芝

（聊城大學(xué) 環(huán)境與規(guī)劃學(xué)院， 山東 聊城 252059）

基于吉林省 1953-2013 年的氣候數(shù)據(jù)，利用線性傾向估計(jì)方法分析了氣溫、降水量的變化情況.結(jié)果表明：近六十年來，吉林省氣溫、降水分別呈上升、減少變化特點(diǎn).對(duì)兩種氣候要素更近一步的分析變化特征，可將氣溫分成三個(gè)階段：1953-1968 年為第一階段，1969-1987 年為第二階段，1988-2012 年為第三階段.降水分為三個(gè)階段：1953-1973 年為第一階段，1974-2004 年為第二階段，2005-2012 年為第三階段.兩種要素在不同的階段表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律.并分季度對(duì) 1953-2013 年的氣溫、降水情況進(jìn)行了分析.

氣溫；降水；太陽黑子；厄爾尼諾；拉尼娜

氣候變化近年來已經(jīng)引起各國(guó)的廣泛關(guān)注，尤其是工業(yè)革命以后，人類改造自然的能力增強(qiáng)，全球氣候變化的劇烈程度前所未有.大量研究表明，以變暖為主要標(biāo)志的全球氣候變化已經(jīng)嚴(yán)重威脅到了地球環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展[1].因此，研究氣候變化的成因機(jī)制及應(yīng)對(duì)全球變化帶來的影響已經(jīng)成為全人類重要的課題.

根據(jù)楊冬紅，楊學(xué)祥等人的研究，他們把全球氣候變化的原因歸為以下幾個(gè)方面：太陽活動(dòng)、地球軌道變化、臭氧空洞、地磁、海洋活動(dòng)、火山活動(dòng)、大氣作用等[2].本文研究 吉林省 1953-2013 年來的氣候變化，研究的地域范圍相對(duì)較小，研究的時(shí)間尺度也相對(duì)較短.故本文主要從太陽黑子，厄爾尼諾/拉尼娜現(xiàn)象和拉馬德雷這幾個(gè)方面與吉林省氣候的關(guān)系.通過研究他們之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)旱澇災(zāi)害以及近年來多發(fā)的極端異常氣候的預(yù)警提供幫助，并更好的服務(wù)于人類的生產(chǎn)生活.

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

吉林省，簡(jiǎn)稱吉.地處東經(jīng) 122-131 度，北緯41-46 度之間.面積 18.74 萬平方公里.東西長(zhǎng) 650公里，南北寬 300 公里.吉林省地形主要有東部的長(zhǎng)白山區(qū)和中西部的平原兩大地形區(qū)組成.吉林省屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季.夏季高溫多雨，冬季寒冷漫長(zhǎng).冬季平均氣溫在 -11℃以下.夏季平原平均氣溫在 23℃以上.吉林省氣溫年較差在35～42℃，日較差一般為 10～14℃.全年無霜期一般為 100～160 天. 吉林省多年平均日照時(shí)數(shù)為2259～3016 小時(shí).年平均降水量為 400～600 毫米，但季節(jié)和區(qū)域差異較大，80%集中在夏季，以東部降雨量最為豐沛.

1.2 數(shù)據(jù)來源：

本文所利用的氣候數(shù)據(jù)是由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)（http://cdc.cma.gov.cn）整編的中國(guó) 194個(gè)基本、基準(zhǔn)地面氣象觀測(cè)站及自動(dòng)站的數(shù)據(jù)集中獲得，數(shù)據(jù)來源真實(shí)可靠.包括吉林省的前郭爾羅斯、四平、延吉、長(zhǎng)春、臨江五個(gè)基本基站自 1953 年-2013 年的年度、月度氣溫降水資料，并計(jì)算出春（3-5 月）、夏（6-8 月）、秋（9-11 月）、冬（12 月 - 次年 1、2 月）的氣溫降水資料.它們分別位于吉林省的西北，西南，東部，南部，東南部，且涵蓋了長(zhǎng)白山區(qū)和松嫩平原兩大地形區(qū)，基本上可以代表吉林省的氣候特征.

1.3 分析方法

1.3.1 線性傾向估計(jì)

xi代表樣本量為 n 的某一氣候變量，用 ti表示xi所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立 xi與 ti之間的一元線性回歸方程：

其中 a 為回歸常數(shù)，b 為回歸系數(shù).這是一種最簡(jiǎn)單的、特殊的線性回歸形式.它的含義是用一條合理的直線表示 x與其時(shí)間 t之間的關(guān)系.

回歸系數(shù)b的符號(hào)表示氣候變量 x的趨勢(shì)傾向.當(dāng) b 的符號(hào)為正時(shí)，即當(dāng) b＞0 時(shí)，說明隨時(shí)間 t的增加x呈上升趨勢(shì)；當(dāng) b的符號(hào)為負(fù)時(shí)，即當(dāng)b＜0 時(shí)，說明隨著時(shí)間 t的增加 x 呈下降趨勢(shì).b 值的大小反映了上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度，因此，通常將 b 稱為傾向值，而這種方法叫做線性傾向估計(jì).

3 結(jié)果分析

3.1 氣溫變化分析

3.1.1 年度變化

從 1953 年到 2013 年間，吉林省平均氣溫為5.53℃，年平均氣溫呈波動(dòng)上升變化 （如圖 1）.其中，1953 年至 1968 年吉林省平均氣溫呈快速上升趨勢(shì)，但是氣溫上升速度較快而 1969-1987 這段時(shí)間的平均氣溫中，只有兩年的平均氣溫高于平均線，說明這個(gè)時(shí)期是一段溫度較低時(shí)期；從1988-2012 這年的平均氣溫普遍較高，并且這段時(shí)期氣溫上升速率較快，是氣候最為溫暖的時(shí)期.

圖1 1953-2013 吉林省平均氣溫變化圖

進(jìn)一步分析 60年吉林省氣溫變化可以劃分為三個(gè)階段，從 1953 年到 1968 年為第一階段，此階段氣溫最低，但是上升趨勢(shì)明顯，平均氣溫4.87℃，；第二階段為 1969 年到 1987 年，此階段氣溫相對(duì)較低，平均氣溫 5.17℃，是氣溫變化較為平穩(wěn)的階段；第三階段是 1988 到 2012 年，此階段氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，平均氣溫為 6.22℃，是三個(gè)階段中溫度最高的階段.

“拉馬德雷”現(xiàn)象在氣象和海洋學(xué)上被稱為“太平洋十年濤動(dòng)”（PDO），是一種高空氣壓流，分別以“暖位相”和“冷位相”兩種形式交替在太平洋上空出現(xiàn)，每種現(xiàn)象持續(xù) 20 至 30 年.研究表明，近 100多年來，“拉馬德雷”已出現(xiàn)了兩個(gè)完整的周期.第一周期的“冷位相”發(fā)生于 1889 年至 1924 年，而1925 年至 1945 年為“暖位相”；第二周期的“冷位相”出現(xiàn)于 1946 年至 1977 年，1978 年至上世紀(jì) 90年代后期為“暖位相”.自 2000 年起，“拉馬德雷”又開始進(jìn)入“冷位相”[3].1953-1968 年第一階段氣溫偏低可能是由于“冷位相”導(dǎo)致的.1988 年之后氣溫快速回升時(shí)期，也就是“拉馬德雷”的第二個(gè)“暖位相”時(shí)期.而 2006 年之后氣溫下降又與 2000 年之后的“冷位相”有關(guān)，但是由于在全球變暖的大背景下，氣溫隨略有下降，但是仍然偏高.

3.1.2 季度變化

根據(jù)春（3-5 月）、夏（6-8 月）、秋（9-11 月）、冬（12 月 - 次年 1、2 月）四個(gè)季度來分析氣溫變化可得出：四個(gè)季度的平均溫度都呈上升趨勢(shì)，但上升快慢有所差別，其中冬季上升速度相對(duì)最快、夏季相對(duì)最慢.

如圖 2 所示，春、夏、秋、冬氣溫的線性趨勢(shì)分別遵循以下模型：

圖2 四福圖至上而下依次代表春、夏、秋、冬四個(gè)季度的氣溫變化趨勢(shì)

由以上模型分析可得出：四個(gè)季度氣溫都呈上升趨勢(shì)，但上升幅度各不相同；冬季氣溫的上升幅度最大，夏季氣溫的上升幅度最小.吉林省屬于東北地區(qū)，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，氣候適度變暖有利于人類生產(chǎn)生活和農(nóng)業(yè)發(fā)展[4].

相比較來說，春季氣溫波動(dòng)幅度較大，呈上升趨勢(shì)明顯；夏季氣溫較為平穩(wěn)，波動(dòng)幅度較小，上升幅度也很小.冬季溫度上升幅度最大.對(duì)于春季的氣溫波動(dòng)較大，尤其應(yīng)當(dāng)注意突來的倒春寒現(xiàn)象和由于溫度忽冷忽熱引發(fā)的感冒等疾??；東北地區(qū)河流大多數(shù)都有春汛，春季氣溫升高有可能導(dǎo)致春汛提前，水利部門應(yīng)當(dāng)引起重視.

3.2 降水量

3.2.1 年度變化

從 1953 年到 2013 年吉林省平均年降水量為600.15 mm，年際變化顯著.根據(jù)降水變化情況，可將其分為三個(gè)階段：1953 年到 1973 年為第一階段，此階段降水量呈下降趨勢(shì)，20 年中絕大多數(shù)年份的年均降水量高于 600.15mm；1974 年到 2004年為第二個(gè)階段，這個(gè)階段在三個(gè)階段中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，降水量在平均降水量上下波動(dòng)變化，但是三個(gè)階段中降水量最為稀少的時(shí)期；2005 年到 2012為第三階段，在這個(gè)階段，降水量年際變化最大，且干旱與降水豐富的年份交替，且相鄰年份之間的降水量之差在增大.可見，降水量總的趨勢(shì)是在減少，并且降水量波動(dòng)幅度在增大，年際變化越來越大.因此，對(duì)于吉林省的降水必須要做出科學(xué)的預(yù)警，以便應(yīng)對(duì)近幾年頻發(fā)的旱、澇災(zāi)害.

圖3 1953-2013 吉林省平均降雨量變化圖

3.2.2 季度變化

從降水量的季節(jié)分配來看，1953-2013 年間夏季降水最多，占全年的 60%-80%之間，其次是秋季，約占全年的 20%左右，冬季降水最少占 5%左右.從春夏秋冬四季來看，60 年來，春、夏、秋、冬的線性趨勢(shì)分別遵循以下模型：

由以上模型可以看出：冬、春兩個(gè)季節(jié)降水逐漸增多，而夏、秋兩季降水減少.夏秋兩季是吉林省降水最為集中的季節(jié)，也是農(nóng)作物生長(zhǎng)最為關(guān)鍵的季節(jié).而夏秋兩季的干旱化趨勢(shì)對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是不利的.針對(duì)于冬、春兩季的降水增多的趨勢(shì)，可以采取一定措施，將冬、春兩個(gè)季節(jié)的降水收集，儲(chǔ)存，以便于應(yīng)對(duì)夏秋兩季的旱災(zāi).吉林省冬季嚴(yán)寒，降水主要是以雪的形式存在.冬季降雪增多，對(duì)人們的出行會(huì)帶來不便.尤其是大暴雪，會(huì)帶來嚴(yán)重阻礙出行，嚴(yán)重的雪災(zāi)甚至?xí)斐芍卮筘?cái)產(chǎn)損失.因此，做好吉林省冬季大雪的預(yù)報(bào)也是極其必要的.

圖4 四福圖至上而下依次代表春、夏、秋、冬四個(gè)季度的降水變化趨勢(shì)

4 厄/拉與黑子對(duì)氣溫降水的影響

厄爾尼諾與拉尼娜是發(fā)生在東太平洋表面海水溫度異常的兩種現(xiàn)象.大量的研究表明厄爾尼諾/拉尼娜事件會(huì)對(duì)氣候產(chǎn)生重要的影響.本文重點(diǎn)探究厄爾尼諾/拉尼娜與氣溫和降水之間的相關(guān)關(guān)系.

4.1 厄爾尼諾 /拉尼娜與氣溫

吉林省的氣溫在 1957，1969 年，1982-1988， 2009-2013 年出現(xiàn)氣溫明顯偏低的現(xiàn)象.1989-2008年氣溫一直呈波動(dòng)上升狀態(tài).

1953-2013 年發(fā)生了 10 次厄爾尼諾現(xiàn)象，其中有 6 次處于氣溫偏高的年份.且在 1988-1999 年連續(xù)的升溫年份中，還發(fā)生了 1995，1998 年兩次強(qiáng)厄爾尼諾現(xiàn)象.因此，可初步斷定，厄爾尼諾的發(fā)生會(huì)導(dǎo)致吉林省氣溫偏高.

厄爾尼諾年 1958 1966（弱） 1969 1983 1987 1992 1995（強(qiáng)） 1998（強(qiáng)） 2003（強(qiáng)） 2010氣溫偏高年份 1958-1964 1988-1999 1988-1999 1988-1999 1988-1999 2002-2004

拉尼娜年 1955 1956 1972弱1974弱1975弱1976弱 1985 1989 1996 1999 2000 2008 2009 2011 2012氣溫偏低現(xiàn)象 1957 1970-1972 1974 1983-1988 2000 2009-2013 2009-2013 2009-2013

1953-2013 年，發(fā)生了 16 次拉尼娜現(xiàn)象，其中出現(xiàn)了 8 次氣溫偏低的現(xiàn)象.可以認(rèn)為，拉尼娜現(xiàn)象促使了氣溫的偏低.

4.2 厄爾尼諾 /拉尼娜與降水

通過厄 /拉發(fā)生的年份與降水量的關(guān)系，我們可以看出：在厄爾尼諾發(fā)生的年份，吉林省的降水量相對(duì)較少；拉尼娜出現(xiàn)的年份，降水相對(duì)較多.

圖5 1953-2013 年厄 /拉與降水量的關(guān)系圖

進(jìn)一步分析厄/拉與降水量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)：從 1953-2013 年，六十年發(fā)生了十次 10 厄爾尼諾現(xiàn)象，在這 10 次厄爾尼諾年中，有 8 次降水偏少的年份與厄爾尼諾發(fā)生的時(shí)間大致吻合，可以初步推斷出厄爾尼諾發(fā)生年，使得降水減少.但是并不是完全吻合.降水對(duì)于厄爾尼諾的相應(yīng)可能會(huì)有遲滯，或許會(huì)在發(fā)生的第二年出現(xiàn)對(duì)應(yīng)的異?，F(xiàn)象.這可能是由于厄爾尼諾發(fā)生在相應(yīng)那一年的年末，因此，降水的響應(yīng)發(fā)生在下一年.大量的研究表明，厄爾尼諾會(huì)使我國(guó)北方地區(qū)夏季異常高溫，且使其干旱化[5-8].

厄爾尼諾年 1958 1966 1969 1983 1987 1992 1995 1998 2003 2010降水偏少年份 1958 1970 1973-1985 1988 1991-1994 1999-2004 1999-2004 2011

1953-2013 年中，有 9 次降水偏多的年份與拉尼娜發(fā)生的時(shí)間吻合.則可以說明拉尼娜與降水增多之間存在較強(qiáng)的正相關(guān).

拉尼娜年 1955 1956 1972 1974 1975 1976 1985 1989 1996 1999 2000 2008 2010 2011 2012降水偏多的年份 1956 1956 1972 1986 1989 1996 2008 2011 2012

4.2 太陽黑子

4.2.1 太陽黑子與氣溫

太陽黑子相對(duì)數(shù)與氣溫呈負(fù)相關(guān).通過圖 6 可以看出，太陽黑子在達(dá)到峰值的年份，大多數(shù)都是氣溫偏低的年份，而太陽黑子在呈現(xiàn)谷值的時(shí)候，氣溫絕大大多數(shù)都是偏低的年份；而且，通過兩條曲線的對(duì)比，也可以發(fā)現(xiàn)太陽黑子的變化趨勢(shì)大致與氣溫的變化趨勢(shì)相反[8-10].

圖6 1953-2013 年吉林省太陽黑子數(shù)量與年平均氣溫變化關(guān)系

4.2.2 太陽黑子與降水

太陽黑子相對(duì)數(shù)與年降水量之間存在一定的相關(guān)性.這種相關(guān)性主要表現(xiàn)在當(dāng)太陽黑子呈現(xiàn)峰值或者谷值時(shí)，降水量也是處于極值的年份.有時(shí)候太陽黑子在峰值年前后時(shí)，降水量是最近幾年的極小值，有時(shí)太陽黑子在谷值年前后，降水量確是極大值年份[11-12].但是可以確定的是太陽黑子處于極值時(shí)，降水量同時(shí)也大致會(huì)是極端的狀況.

圖7 1953-2013 年吉林省太陽黑子數(shù)量與年平均氣溫變化關(guān)系

5 結(jié)論

（1）1953-2013 年吉林省氣溫變化可以劃分為三個(gè)階段，從 1953 年到 1968 年為第一階段，此階段氣溫平均值最低，平均氣溫 4.87℃，但是溫度快速上升的階段；第二階段為 1969 年到 1987 年，此階段氣溫變化平緩，平均氣溫 5.17℃，是三個(gè)階段平均氣溫變化幅度最小的階段，但平均氣溫仍保持較低狀態(tài)；第三階段是 1989 到 2013 年，此階段平均氣溫為 6.12℃，是三個(gè)階段中溫度最高的階段.但吉林省氣溫在 60年來總體是上升趨勢(shì).

吉林省的溫暖與寒冷時(shí)期與第二周期的拉馬德雷冷暖位交替有關(guān)，即 1946-1977 冷位相時(shí)期，吉林省氣溫一直較低；1978-90 年代后期暖位相時(shí)期，吉林省氣溫在 1988 年之后迅速回升；2000 年至今的冷位相時(shí)期，吉林省氣溫在 2005 年之后迅速下降.

（2）1953-2013 年吉林省降水的趨勢(shì)是減少，按照降水變化情況可將其分為三個(gè)階段：1953 年到 1973 年為第一階段，此階段降水量呈下降趨勢(shì)；1974 年到 2004 年為第二個(gè)階段，這個(gè)階段在三個(gè)階段中持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，降水量在平均降水量上下波動(dòng)變化，是三個(gè)階段中降水量最為稀少的時(shí)期；2005 年到 2012 為第三階段，第三個(gè)階段降水量的年際變化最大.

按照季節(jié)的降水量分析結(jié)果表明，吉林省冬、春兩季的降水在增多，夏、秋兩個(gè)季節(jié)降水在減少.吉林省應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)做好夏秋兩季旱災(zāi)的預(yù)防和冬季強(qiáng)降雪天氣帶來的不利影響.

（3）在厄爾尼諾發(fā)生的年份，吉林省的降水量相對(duì)較多，年平均氣溫易偏高；拉尼娜出現(xiàn)的年份，降水相對(duì)較少，年氣溫容易偏低.

（4）太陽黑子相對(duì)數(shù)與吉林省氣溫呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，太陽黑子數(shù)量變化與年平均氣溫變化趨勢(shì)有負(fù)相關(guān)到正相關(guān)的轉(zhuǎn)變，在由正相關(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)相關(guān)；但是氣溫的極值總是發(fā)生在太陽黑子峰值或者谷值的年前后.可以通過增強(qiáng)對(duì)太陽黑子的監(jiān)測(cè)來預(yù)測(cè)氣候的變化趨勢(shì).

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2015 年 9 月 10 日

2014 年國(guó)家國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201410447013）