近50 a魯中地區(qū)最高最低氣溫非對稱性變化特征

環(huán)海軍，司建波，劉 巖，夏福華

(山東省淄博市氣象局，山東 淄博 255048)

1 引言

1880—2012年全球平均地表氣溫上升了0.85 ℃，中國陸地區(qū)域平均增溫0.9～1.5 ℃[1-4]。IPCC第五次評估報告指出[5]，未來氣候變暖將持續(xù)，將給經(jīng)濟社會發(fā)展帶來越來越顯著的影響，并成為人類經(jīng)濟社會發(fā)展的風(fēng)險。近年來不少研究表明，氣候變暖在夜間升溫更快，最高氣溫、最低氣溫的變化具有非對稱性。趙靜等[6]對1960—2010年四川最高、最低氣溫的非對稱性變化特征研究表明，四川年均日最低氣溫的增溫幅度是日最高氣溫的1.4倍，空間分布也呈非對稱現(xiàn)象。覃軍等[7]對湖北省最高、最低氣溫的非對稱性變化特征研究表明，湖北省大部分地區(qū)年均日最高氣溫有弱降溫趨勢，日最低氣溫有明顯增加的趨勢，氣溫日較差有顯著減少的趨勢。常軍等[8]對近50 a河南最高最低氣溫的非對稱性變化特征進行了研究，結(jié)果得出河南區(qū)域年均日最低氣溫的增溫速率是日最高氣溫的4.5倍，空間上存在不對稱現(xiàn)象，日最低氣溫和氣溫日較差突變年份不一致。王紅梅等[9]對科爾沁沙地翁牛特旗氣溫的非對稱變化進行了分析，結(jié)果表明日最低氣溫的增溫速度是最高氣溫的11倍，氣溫日較差呈減少趨勢。馬曉波[10]對中國西北地區(qū)最高、最低氣溫的非對稱變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)中國西北地區(qū)普遍存在最高氣溫和最低氣溫增溫的不對稱性。侯依玲等[11]對華東及周圍地區(qū)最高與最低氣溫時空演變的氣候特征進行了研究，結(jié)果表明最高氣溫的空間分布具有較好的空間一致性，而最低氣溫更多表現(xiàn)出局地變化特征，2000年后極端最低氣溫以升溫趨勢為主。王菱等[12]研究表明，我國北方地區(qū)近50 a來最低氣溫升溫速率大于最高氣溫的升溫速率，冬季大于夏季，高緯度地區(qū)大于低緯度地區(qū)。研究表明蘋果和桃的停止生長和誘導(dǎo)冬眠始終受低于12 ℃低溫影響[13]。水稻可通過日較差減少增加產(chǎn)量[14]。研究區(qū)域最高氣溫和最低氣溫的非對稱變化特征對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和區(qū)劃有重要意義。

魯中地區(qū)地形主要包括平原和山區(qū)，主要種植冬小麥和夏玉米等作物和蘋果、獼猴桃等果樹。目前尚未有針對該地區(qū)最高氣溫、最低氣溫非對稱變化規(guī)律的研究，本文基于魯中地區(qū)近50 a氣象資料研究分析最高氣溫、最低氣溫和氣溫日較差的時空變化特征，探討在全球氣候變暖背景下該地區(qū)氣溫的非對稱變化特征，以期得到該地區(qū)對全球變暖的響應(yīng)結(jié)果，為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)對氣候變化提供參考。

2 資料與方法

本文氣象資料來源于魯中地區(qū)自南而北的8個氣象站的1966—2015年近50 a逐日氣象觀測資料，站點分布見圖1，地形包括平原和山區(qū)，數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)缺失2 d內(nèi)的運用前后資料進行插補。基于原始氣象數(shù)據(jù)進行氣候傾向率、M-K突變檢驗，使用標(biāo)準(zhǔn)化氣象數(shù)據(jù)進行Morlet小波分析，基于氣象數(shù)據(jù)距平資料利用經(jīng)驗正交分解法(EOF)分析空間變化特征。

圖1 研究范圍和站點分布Fig.1 Location of the research area and the meteorological stations

3 結(jié)果與分析

3.1 年平均日最低氣溫的時空變化特征

年平均日最低氣溫時間變化規(guī)律見圖2。由圖可知，日最低氣溫隨時間呈顯著增加趨勢，氣候傾向率為0.36 ℃/10 a，10 a滑動平均值逐步上升。根據(jù)Uf和Ub曲線交點位置和上升趨勢，1998年為突變增溫開始年份， 2003年后呈顯著增溫趨勢。由圖3可知，年平均日最低氣溫存在2～4 a的顯著性周期，主要出現(xiàn)在1974年、1984年、1990年和2005年，其次存在8 a的周期，主要出在1980年和1997年，但未通過能量譜的顯著性檢驗。

年平均日最低氣溫EOF分解的第一特征向量、第二特征向量及其主成分變化趨勢分析見圖4。由圖可知，年平均日最低氣溫主要空間變化強度中心在中西部平原，隨時間變化呈顯著增加趨勢。第二特征向量呈現(xiàn)中部、北部平原與其他地區(qū)的相反變化特征，隨時間變化呈減少趨勢，趨勢不顯著，第一特征向量和第二特征向量的貢獻率分別為66%、9%。

圖2 平均日最低氣溫時間變化規(guī)律Fig.2 Temporal change characters of annual average daily minimum temperature

圖3 年平均日最低氣溫小波分析圖Fig.3 Wavelet analysis graph of annual average daily minimum temperature

圖4 年平均日最低氣溫EOF分解第一特征向量(a、b)和第二特征向量(c、d)Fig.4 The first (a,b) and second (c,d) feature vectors of annual average daily minimum temperature expanded by EOF

3.2 年平均日最高氣溫的時空變化特征

年平均日最高氣溫時間變化規(guī)律見圖5。由圖可知，日最高氣溫隨時間呈非顯著增加趨勢，無明顯突變年份，21世紀(jì)以來主要呈增加趨勢。由圖3可知，年平均日最高氣溫存在2～4 a的顯著性周期，主要出現(xiàn)在1970年、1976年、1983年、1990年、1995年和2006年，其次有6 a的變化周期，主要出現(xiàn)在1975年、1991年和2005年，但未通過能量譜的顯著性檢驗。

圖5 年平均日最高氣溫時間變化規(guī)律Fig.5 Temporal change characters of annual average daily maximum temperature

圖6 年平均日最高氣溫小波分析圖Fig.6 Wavelet analysis graph of annual average daily maximum temperature

年平均日最高氣溫EOF分解的第一特征向量、第二特征向量及其主成分變化趨勢分析見圖7。由圖可知，年平均日最高氣溫主要空間變化強度中心在中西部平原，呈增加趨勢。第二特征向量呈現(xiàn)南部山區(qū)與中北部的相反變化特征，隨時間變化呈減少趨勢，第一特征向量和第二特征向量的貢獻率分別為85%、5%。

3.3 年平均氣溫日較差的時空變化特征

年平均氣溫日較差的時間變化特征見圖8。由圖8可知，魯中地區(qū)氣溫日較差隨時間變化呈顯著降低趨勢，氣候傾向率為-0.62 ℃·10 a-1(P<0.01)，自20世紀(jì)80年代開始，氣溫日較差隨時間變化呈顯著下降趨勢，90年代后呈極顯著(Uf超過0.001顯著水平)下降趨勢，20世紀(jì)80年代氣溫日較差顯著減少為一突變現(xiàn)象。由圖9可知，氣溫日較差存在2～4 a的顯著性周期，主要出現(xiàn)在1970年、1975年、1980年、1985年、1991年、2000年和2005年，其次有6 a的變化周期，主要出現(xiàn)在1990年、1995年和2006年，但未通過能量譜的顯著性檢驗。

圖7 年平均日最高氣溫EOF分解第一特征向量(a、b)和第二特征向量(c、d)Fig.7 The first (a,b) and second (c,d) feature vectors of annual average daily maximum temperature expanded by EOF

圖8 年平均氣溫日較差時間變化規(guī)律Fig.8 Temporal change characters of annual average daily diurnal temperature

年平均氣溫日較差EOF分解的第一特征向量、第二特征向量及其主成分變化趨勢分析圖略。年平均氣溫日較差主要空間變化規(guī)律一致，變化強度中心在中西部平原，隨時間呈顯著減少趨勢。南部山區(qū)及中部部分地區(qū)與其他地區(qū)在第二特征向量上呈現(xiàn)相反變化特征，隨時間變化呈顯著減少趨勢，第一特征向量和第二特征向量的貢獻率分別為57%、11%。

圖9 年平均氣溫日較差小波分析圖Fig.9 Wavelet analysis graph of annual average daily diurnal temperature

4 小結(jié)

①魯中地區(qū)年平均日最低氣溫隨時間變化呈顯著增加趨勢，氣候傾向率為0.36 ℃·10 a-1(P<0.01)，自1998年開始突變增溫，存在2～4 a的顯著性周期，主要空間變化強度中心在中西部平原地區(qū)，地域差異體現(xiàn)在第二特征向量上。

②魯中地區(qū)年平均日最高氣溫隨時間變化呈非顯著性增加趨勢，無突變現(xiàn)象發(fā)生，存在2～4 a顯著變化周期，主要空間變化規(guī)律與日最低氣溫一致，第二特征向量表明山區(qū)和平原的變化存在差異。

③魯中地區(qū)氣溫日較差隨時間變化呈顯著降低趨勢，氣候傾向率為-0.62 ℃·10 a-1(P<0.01)，90 a代后呈極顯著下降趨勢，存在2～4 a的顯著性周期?？臻g變化規(guī)律與最低氣溫一致。

④近50 a來魯中地區(qū)年均日最高和最低氣溫均呈增加趨勢，與魯中地區(qū)平均氣溫隨時間呈增加趨勢研究結(jié)論一致[15]，年平均日最低氣溫的增溫幅度是日最高氣溫的2.8倍，主要空間變化呈現(xiàn)一致性，南部山區(qū)較平原顯著。最高最低氣溫的非對稱性變化將對魯中地區(qū)土壤蒸散、作物生長和果品生長等產(chǎn)生影響，但這種非對稱現(xiàn)象的成因有待進一步分析研究。

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