1960-2013年福州地區(qū)氣候變化和突變分析*

林 凌 李 巖 賴紹鈞

?

1960-2013年福州地區(qū)氣候變化和突變分析*

林 凌 李 巖 賴紹鈞

福州市氣象局

利用1960—2013年福州地區(qū)8個國家氣象觀測站的氣溫和降水資料，采用趨勢系數(shù)法對福州地區(qū)近53年來的氣候變化特征進行定量分析，采用Mann-Kendall法對氣溫和降水序列進行突變分析，同時利用Yamamoto法和滑動t檢驗法對突變點的真?zhèn)巫隽蓑炞C。結(jié)果表明，福州地區(qū)8站平均氣溫、最高和最低氣溫的季節(jié)年際變化均呈上升趨勢，其中平均氣溫（除閩侯外）和最低氣溫都是冬季增暖幅度最大，夏季次之；最高氣溫春季增暖幅度最大，夏季次之。各站氣溫的突變點先后出現(xiàn)在20世紀90年代。8站降水量的年和季節(jié)變化趨勢不明顯，除閩清和永泰的年降水量呈下降趨勢外，其他6站的年降水量均呈上升趨勢。福州、長樂、福清的四季降水量均呈上升趨勢，其余5站的降水量隨季節(jié)有增加也有減少。但是冬季各站降水量均呈上升趨勢。除福清站的年降水量在1996年存在突變外，其余7站均未發(fā)生突變。這些結(jié)果對進一步研究和預(yù)測福州地區(qū)氣候有重要意義，同時也為決策者提供決策依據(jù)。

氣候突變 Mann-Kendall檢驗 Yamamoto法 滑動t檢驗 福州

0 引言

氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)中的一種重要現(xiàn)象，是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢）跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一穩(wěn)定態(tài)（或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢）的現(xiàn)象，它表現(xiàn)為氣候在時空上從一個統(tǒng)計特征到另一種統(tǒng)計特征的急劇變化[1]。顯然，如果能夠把氣候狀態(tài)轉(zhuǎn)變發(fā)生的條件、發(fā)生的原因弄清楚，從而能正確預(yù)測突變發(fā)生的時間和方式，對氣候預(yù)報有重要意義[2]。

許多氣象學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣候突變現(xiàn)象，并運用不同的研究方法對我國不同省份或地區(qū)開展了氣候突變的研究。趙芳芳等[3]對黃河蘭州以上氣候要素突變研究表明，42年來全區(qū)平均變暖0.76℃，氣溫、降水量和日照時數(shù)分別在20世紀80年代的末期、中期和初期發(fā)生了突變，20世紀80年代的突變最為明顯。李珍等[4]對新疆43年來氣候突變分析指出，年平均最低氣溫上升速率明顯高于年平均最高氣溫，年平均日較差呈顯著下降趨勢，年降水量為增加趨勢。閔晶晶等[5]對京津冀地區(qū)近30年冰雹的氣候研究表明，該地區(qū)的冰雹有明顯減少趨勢，北部地區(qū)比南部地區(qū)減少幅度要大，山地區(qū)域比平原地區(qū)減少幅度大；戴洋等[6]對若爾蓋高原濕地的氣候研究表明，該地區(qū)氣候呈現(xiàn)較明顯的暖干化趨勢，總云量持續(xù)減少，日照時數(shù)上升，平均氣溫明顯上升，氣溫日較差逐漸減小。

福州地區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，溫暖濕潤，雨量充沛。福州東臨臺灣海峽，北面和南面都有海拔高度不同的丘陵存在，同時閩江自西向東貫穿城市而過，這些因素構(gòu)成了福州獨特的地理位置和山谷地形地貌。自20世紀80年代以來，由于人類活動的加劇，大量排放的CO2、CH4等溫室氣體的作用，全球氣候變暖越來越明顯[7]。氣候變暖對自然環(huán)境和人類社會環(huán)境及各種經(jīng)濟活動都會產(chǎn)生一系列的影響，改革開放以來，隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展，福州地區(qū)的氣候也發(fā)生了一定的變化。一方面城市粗糙度的改變影響了城市邊界層結(jié)構(gòu)，另一方面城市地表覆蓋的改變造成了地表長波輻射狀況的變化。然而，福州地區(qū)的氣候變化究竟呈現(xiàn)什么特征，氣溫和降水是否存在突變，這是值得深入研究的問題。

1 資料與方法

1.1 資料來源與劃分

本研究采用的資料來源于福州地區(qū)8個國家氣象觀測站的氣溫和降水數(shù)據(jù)（已經(jīng)過質(zhì)量控制），資料時段統(tǒng)一在1960—2013年。設(shè)定研究區(qū)域的四季分別是春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季12月～次年2月。

1.2 研究方法

首先利用Mann-Kendall法對福州地區(qū)8個站點的氣溫和降水進行了檢驗，該方法具有檢驗范圍寬、定量化程度高、人為性小等特點，是目前突變性檢驗方法中應(yīng)用較多且理論意義最為明顯的一種。具體做法是分別計算順序氣候序列的統(tǒng)計量UFk和逆序氣候序列的統(tǒng)計量UBk，給定顯著性水平α=0.05，若UFk>0，則表明序列呈上升趨勢，UFk<0，則表明呈下降趨勢，超過臨界線表明趨勢顯著，兩條線交點為突變點。Yamamoto法通過計算信噪比判斷2個相鄰子序列的均值是否存在差異來檢驗突變。信噪比定義為：，其中、和、分別為轉(zhuǎn)折年份前后兩個階段要素的平均值和標準差。規(guī)定>1時，可認為該要素在這個年份存在氣候突變?；瑒觮檢驗法和Yamamoto法的原理相似，都是用來檢驗兩隨機樣本平均值的顯著性差異，有直觀、簡便的特點。由于子序列長度的選擇帶有人為性，可能使計算結(jié)果產(chǎn)生漂移，帶來某種程度上的困惑，為了避免這種情況的發(fā)生，在應(yīng)用時結(jié)合具體的需要選擇，并不斷變動，以增進檢查結(jié)果的可靠性。經(jīng)Mann-Kendall法檢驗后，如某序列存在突變點，再利用滑動t檢驗法和Yamamoto法對突變點進行信度檢驗，判斷其是否達到氣候突變的標準，從而驗證突變點的真?zhèn)危鰪娡蛔兎治鼋Y(jié)果的可信度。

2 氣候特征分析

2.1 氣溫

2.1.1 氣溫變化趨勢

從1960—2013年福州地區(qū)8個站點春、夏、秋、冬四季及年平均氣溫變化趨勢數(shù)據(jù)(表1)可以看出，除閩侯外，其他站點都是冬季增暖幅度最大，為0.31℃·(10a)-1（閩清）～0.22℃·(10a)-1(閩侯、連江)；夏季次之，為0.28℃·(10a)-1(長樂)～0.16℃·(10a)-1(永泰)；秋季稍弱，為0.22℃·(10a)-1(長樂)～0.12℃·(10a)-1(永泰)，春季稍弱，為0.22℃·(10a)-1(長樂)～0.10℃·(10a)-1(閩清)。

表1 1960-2013年福州地區(qū)8個站點平均氣溫季節(jié)和年際變化趨勢數(shù)據(jù)

注：*、**、***表示線性擬合相關(guān)系數(shù)的信度分別超過0.05、0.01、0.001。

1960—2013年福州地區(qū)8站最低氣溫季節(jié)和年際變化趨勢(表2)同樣反映出冬季增暖幅度最大，為0.43℃·(10a)-1(閩清、福清)～0.25℃·(10a)-1(閩侯)；夏季次之，為0.31℃·(10a)-1(福清)～0.08℃·(10a)-1(閩侯)；秋季稍弱，為0.29℃·(10a)-1(長樂)～0.08℃·(10a)-1(閩侯)，春季稍弱，為0.22℃·(10a)-1(長樂)～0.06℃·(10a)-1(閩清、永泰)。8站點年平均最低氣溫增長率為0.30℃·(10a)-1(福清)～0.13℃·(10a)-1(閩侯)。

1960—2013年福州地區(qū)8站最高氣溫季節(jié)和年際變化趨勢則反映出夏季增暖幅度最大，為0.50℃·(10a)-1(閩侯)～0.11℃·(10a)-1(永泰)；春季次之，為0.41℃·(10a)-1(閩侯)～0.01℃·(10a)-1(永泰)；秋季稍弱，為0.34℃·(10a)-1(閩侯)～0.11℃·(10a)-1(閩清)，冬季稍弱，為0.34℃·(10a)-1(閩侯)～0.04℃·(10a)-1(永泰)。8站點年平均最高氣溫增長率0.40℃·(10a)-1(閩侯)～0.05℃·(10a)-1(永泰)。其中閩侯最高氣溫的季節(jié)和年際增長率都為8站之首。

表2 1960-2013年福州地區(qū)8個站點平均最低和最高氣溫季節(jié)和年際變化趨勢數(shù)據(jù) 單位：℃·（10a）-1

注：*、**、***表示線性擬合相關(guān)系數(shù)的信度分別超過0.05、0.01、0.001。

從1960—2013年福州地區(qū)8站平均氣溫的年際變化趨勢可以看出，近53年來，8站年平均氣溫均呈上升趨勢，并且相關(guān)系數(shù)在α=0.001顯著性水平上是顯著的。其中，長樂和福清的年平均氣溫傾向率分別達到0.25℃·（10a）-1和0.22℃·（10a）-1，略高于福州市區(qū)的0.21℃·（10a）-1；羅源、閩清、閩侯的氣溫傾向率略低于福州市區(qū)，均為0.20℃·（10a）-1；其次是連江，為0.19℃·（10a）-1；增暖幅度最小的是永泰，為0.14℃·（10a）-1。8站年平均最高和最低氣溫傾向率分別為0.34℃·（10a）-1（長樂）～0.04℃·（10a）-1（永泰）和0.30℃·（10a）-1（福清）～0.13℃·（10a）-1（閩侯）。

年份

（a）長樂年平均氣溫變化趨勢

年份

2.1.2 氣溫突變分析

對1960—2013年福州地區(qū)8站年平均氣溫作Mann- Kendall檢驗曲線（圖2）可以看出，福州站從20世紀60年代中期至80年代中前期基本上UFk<0，年平均氣溫呈下降趨勢；之后UFk值由負值轉(zhuǎn)為正值并逐漸增大，年平均氣溫處于上升趨勢，并在90年代中期超過+1.96信度線，增溫趨勢顯著。在±1.96臨界線之間，UFk和UBk相交于1990年，是突變的開始，年平均氣溫向著變暖的方向變化。同理可以得到其它站點年平均氣溫的突變點均為1990年（部分圖略）。

(a)福州

(b)長樂

(c)閩清

(d)永泰

圖2 1960-2013年福州4個站點年平均氣溫Mann-Kendall檢驗曲線圖

同理，對8站年平均最高和最低氣溫做Mann-Kendall檢驗可見，8站年平均最高氣溫的突變點分別是長樂1990年，閩侯1991年，福清、福州、連江1996年，閩清、永泰1998年，羅源1999年；年平均最低氣溫的突變點分別是福州1992年，長樂、永泰1993年，羅源1995年，閩清1995年，福清、閩候1996年，連江2000年。

對福州站年平均氣溫（1990年）、年平均最高氣溫（1996年）和年平均最低氣溫（1992年）突變點前后不同時段作滑動t檢驗和Yamamoto檢驗（表3）表明，對于福州站年平均氣溫序列，當n=n=8，10，17時，t>t分別通過了α=0.05，0.01，0.001的信度水平檢驗，且信噪比>1，表明福州站1990年平均氣溫突然上升，突變點是可信的。同理，福州站年平均最高氣溫（1996年）和年平均最低氣溫（1992年）的突變點也是可信的。另外對其余7站年平均氣溫、年平均最高和最低氣溫各突變點前后不同時段作滑動t檢驗和Yamamoto檢驗（表略）也表明，之前經(jīng)Mann-Kendall檢驗出的突變點是可信的。

表3 福州站年平均氣溫、年平均最高和最低氣溫突變點信度檢驗

注：*、**、***表示線性擬合相關(guān)系數(shù)的信度分別超過0.05、0.01、0.001。

2.2 降水

2.2.1 降水變化趨勢

從1960—2013年福州地區(qū)8站春、夏、秋、冬四季及年降水量的變化趨勢數(shù)據(jù)（表4）可以看出，降水量的季節(jié)和年際變化趨勢都不明顯（僅福清站年降水量趨勢線性擬合相關(guān)系數(shù)的信度超過0.01）。福州、長樂、福清的四季降水量均呈上升趨勢，其余5站的降水量在不同季節(jié)有增加也有減少。冬季各站降水量均呈上升趨勢，降水增加率為1.030mm/a（閩侯）～0.554 mm/a（長樂）。年降水量除閩清和永泰呈下降趨勢外（降水量減少率分別為-1.518mm/a和-1.131mm/a），其余6站均呈上升趨勢，降水量增加率為8.018mm/a（福清）～0.211 mm/a（羅源）。

表4 1960-2013年福州地區(qū)8站點降水量季節(jié)和年際變化趨勢數(shù)據(jù) （mm/a）

注：**表示線性擬合相關(guān)系數(shù)的信度超過0.01。

2.2.2 降水突變分析

對1960—2013年8站年降水量作Mann-Kendall檢驗曲線可以得出，除福清外，其余7站UFk曲線均沒有超過置信區(qū)間，年降水量沒有發(fā)生突變。福清站的UFk和UBk曲線相交于1996年，位于置信區(qū)間內(nèi)，是突變的開始，且UFk曲線在2006年開始超過+1.96信度線，增加趨勢顯著。為進一步驗證該突變點的真?zhèn)?，對福清站年降水量突變點（1996年）前后不同時段作滑動t檢驗，發(fā)現(xiàn)當n=n=14，15，16，17時，t>t均通過了α=0.05的信度水平檢驗，該突變點可信。

3 結(jié)果與討論

經(jīng)過分析1960—2013年福州地區(qū)8站的氣溫和降水資料，得到以下結(jié)論：

（1）8站平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫的年和季節(jié)變化均呈現(xiàn)上升趨勢，其中平均氣溫（除閩侯外）和最低氣溫都是冬季增暖幅度最大，夏季次之；最高氣溫春季增暖幅度最大，夏季次之。各站氣溫的突變點先后出現(xiàn)在20世紀90年代。

（2）8站降水量的年和季節(jié)變化趨勢不明顯，除閩清和永泰的年降水量呈下降趨勢外，其余6站的年降水量均呈上升趨勢。福州、長樂、福清的四季降水量均呈上升趨勢，其余5站的降水量在不同的季節(jié)有增加也有減少。但是冬季各站降水量均呈上升趨勢。除福清站在1996年存在突變外，其余7站的年降水量都沒有發(fā)生突變。

以上結(jié)果對進一步研究和預(yù)測福州地區(qū)氣候有重要意義，但是造成福州地區(qū)氣候突變的原因比較復(fù)雜，既包括全球氣候變化的宏觀效應(yīng)，也有區(qū)域人類活動影響的成分。特別是改革開放以來，福州地區(qū)經(jīng)歷了一個快速的城市化過程，由此帶來的城市氣候和環(huán)境問題也引起人們的廣泛關(guān)注。那么，福州地區(qū)的氣候突變是否與城市化有關(guān)，其程度將會如何進一步變化，這些問題將在下一步研究工作中進行深入探討。

[1] 符淙斌,王強.氣候突變的定義與檢測方法[J].大氣科學(xué),1992,16(4): 482-492.

[2] 符淙斌.氣候突變現(xiàn)象的研究[J].大氣科學(xué),1994,18(3):373-384.

[3] 趙芳芳,徐宗學(xué).黃河蘭州以上氣候要素長期變化趨勢和突變特征分析[J].氣象學(xué)報,2006,64(2):246-255.

[4] 李珍, 姜逢清.1961—2004年新疆氣候突變分析[J].冰川凍土,2007,29(3): 351-359.

[5] 閔晶晶,曹曉鐘,段宇輝,等.近30年“京津冀”地區(qū)冰雹的氣候特征和突變分析[J].氣象,2012,38(2):189-196.

[6] 戴洋, 羅勇,王長科,等.1961—2008年若爾蓋高原濕地的氣候變化和突變分析[J].冰川凍土,2010,32(1):35-42.

[7] 王紹武.近百年氣候變化與變率的診斷研究[J].氣象學(xué)報,1994,52(3): 261-274.

福州市科技局社會發(fā)展項目（2013-S-114）。