賈艷青, 張 勃,張耀宗,唐 敏,馬 彬,王國強(qiáng)

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070 2 忻州師范學(xué)院地理系,忻州 034000

長江三角洲地區(qū)極端氣溫事件變化特征及其與ENSO的關(guān)系

賈艷青1,2, 張 勃1,*,張耀宗1,唐 敏1,馬 彬1,王國強(qiáng)1

1 西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070 2 忻州師范學(xué)院地理系,忻州 034000

基于1960—2014年65個氣象站點(diǎn)逐日最高、最低氣溫和平均氣溫資料,分析了長江三角洲地區(qū)極端氣溫事件的變化規(guī)律和ENSO事件強(qiáng)度對極端氣溫指數(shù)變化趨勢的影響。結(jié)果表明：近55年長江三角洲地區(qū)夏季日數(shù)(SU)、熱夜日數(shù)(TR)、暖晝?nèi)諗?shù)(TX90)、暖夜日數(shù)(TN90)、異常暖晝持續(xù)指數(shù)(WSDI)、生長期(GSL)均呈增加趨勢,其中暖夜日數(shù)(TN90)增加幅度最大,增幅為8.55d/10a；極值指數(shù)也呈上升趨勢,其中月最低氣溫極小值(TNn)上升幅度最大為(0.53℃/10a)；冰凍日數(shù)(ID)、霜凍日數(shù)(FD)、冷晝?nèi)諗?shù)(TX10)、冷夜日數(shù)(TN10)、異常冷晝持續(xù)指數(shù)(CSDI)均呈減少趨勢,其中冷夜日數(shù)(TN10)減少幅度最大(-6.06d/10a)；月平均日較差(DTR)以0.11℃/10a的速率呈下降趨勢?？臻g上,所有站點(diǎn)SU、TXn、TNx呈增加趨勢；TR、TX90、TN90、TNn、TXx、WSDI、GSL分別有97%、85%、98%、95%、78%、92%、94%的站點(diǎn)呈增加趨勢；所有站點(diǎn)ID、FD、TX10、TN10呈減少趨勢；CSDI、DTR分別有87%、77%的站點(diǎn)呈減少趨勢。多數(shù)極端氣溫指數(shù)與緯度、經(jīng)度、海拔顯著相關(guān)。氣候變暖突變后,極端暖指數(shù)明顯增加,極端冷指數(shù)明顯減少?？傮w上,厄爾尼諾對極端氣溫指數(shù)的影響大于拉尼娜的影響。

極端氣溫指數(shù)；空間分布；氣候變化；ENSO

近100年,全球地表溫度升高了0.85℃[1],近50年中國年平均地面溫度以0.22℃/10a的速率上升了1.1℃,增幅比同期全球或北半球高很多[2]。全球氣溫升高不僅導(dǎo)致極端氣溫發(fā)生變化,而且引起極端氣候事件頻率和強(qiáng)度的變化。近年來,中國群發(fā)性或區(qū)域性的極端氣候事件頻次和范圍不斷增大[3]。長江三角洲地區(qū)地處中國東部,由于地勢低洼,是中國自然災(zāi)害高風(fēng)險地區(qū),尤其臺風(fēng)、洪澇、熱浪等極端氣候災(zāi)害頻繁,對當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活造成不利影響。近年來不同學(xué)者從極端高溫、低溫事件發(fā)生頻率、強(qiáng)度[4],極端高、低溫災(zāi)害特征[5],極端氣溫事件發(fā)生原因[6]等不同角度對長江三角洲地區(qū)極端氣溫事件開展了研究,但這些研究僅關(guān)注氣溫極值態(tài)下的某一類極端氣溫事件,綜合應(yīng)用多指標(biāo)對長江三角洲地區(qū)極端氣溫事件的研究較少且研究時間序列截止年份也較早。本研究采用更長時間序列資料和最新的極端氣溫指數(shù)研究極端氣溫變化特征,以期進(jìn)一步認(rèn)識長江三角洲地區(qū)極端天氣氣候事件變化規(guī)律,為構(gòu)建自然災(zāi)害防御應(yīng)急機(jī)制和氣候安全體系提供基礎(chǔ)資料。

圖1 長江三角洲地區(qū)氣象站點(diǎn)分布圖 Fig.1 Distribution of meteorological stations in the Yangtze River Delta

研究表明,厄爾尼諾/南方濤動(ENSO)是海洋與大氣環(huán)流耦合過程中的強(qiáng)烈信號,常引起大氣環(huán)流的改變并對全球范圍的氣候異常都有明顯的影響[7- 9],同時許多觀測也證實了赤道中東太平洋海表溫度異常與長江中下游地區(qū)氣溫升高有很好的對應(yīng)關(guān)系。近年來,在ENSO對我國冬季氣溫變化的影響方面取得了大量的研究成果[10-14],但長江三角洲地區(qū)極端氣溫與ENSO之間關(guān)系的研究未見報道。因此,本文分析ENSO對長江三角洲地區(qū)極端氣溫變化趨勢的影響,為深入認(rèn)識長江三角洲地區(qū)極端天氣事件的變化特征和成因提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象局國家氣象信息中心,本文所指的長江三角洲地區(qū)在行政區(qū)劃上包括安徽省、江蘇省、浙江省和上海市。選取了該區(qū)70個氣象站1960—2014年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫資料,依據(jù)每月累計缺測不超過10%,每年累計缺測不超過5%的標(biāo)準(zhǔn)剔除了不符合要求的數(shù)據(jù),共選取了65個氣象站(圖1)。記錄顯示,自1960年以來,碭山、阜寧、南通、義烏、銅陵、射陽、如皋、金華8站均發(fā)生過遷站。由于臺站遷移和觀測方式發(fā)生改變等因素,使得這些站點(diǎn)的氣候序列不可避免地存在不均一性現(xiàn)象,因此研究中使用RHtest方法對上述8個臺站的數(shù)據(jù)進(jìn)行了均一化檢驗。ENSO數(shù)據(jù)來源于美國海洋大氣局(NOAA)氣候預(yù)測中心(CPC),時間段為1960—2014年,選用赤道中、東太平洋El Nio 3.4區(qū)(5°N—5°S,120°—160°W)的海洋表面溫度距平SSTA數(shù)據(jù)來表征ENSO事件。本文根據(jù)研究區(qū)氣候特點(diǎn)將長江三角洲地區(qū)劃分為3個子區(qū)域,Ⅰ區(qū)為南溫帶亞濕潤區(qū),包括安徽和江蘇北部,共分布12個氣象站點(diǎn)；Ⅱ區(qū)為北亞熱帶濕潤區(qū),包括上海、安徽和江蘇中南部及浙江北中部,共分布40個氣象站點(diǎn)；Ⅲ區(qū)為中亞熱帶濕潤區(qū),包括浙江中南部,共分布13個氣象站點(diǎn)。

1.2 研究方法

極端氣溫指數(shù)采用的是WMO氣候委員會與CLIVAR計劃聯(lián)合設(shè)立的氣候變化檢測、監(jiān)測和指標(biāo)專家組(ETCCDMI)確定的極端氣溫變化指標(biāo)(表1),使用Rclimdex軟件計算了長江三角洲地區(qū)65個氣象站點(diǎn)的16個極端氣溫指數(shù)。采用一元線性趨勢法分析極端氣溫指數(shù)的時間變化趨勢[15],并使用 Mann-Kendall(M-K)方法進(jìn)行變化趨勢的顯著性檢驗[16],空間插值采用反距離加權(quán)插值法,突變檢驗采用Mann-Kendall (M-K)法。運(yùn)用Morlet 連續(xù)小波分析方法[17],分析研究區(qū)近55a極端氣溫指數(shù)的周期變化特征。選用El Nio 3.4區(qū)海表溫度距平SSAT來表征ENSO事件,當(dāng)SSAT連續(xù)6個月高于0.5℃時為1次El Nio事件或ENSO暖事件,當(dāng)連續(xù)6個月低于-0.5℃時為1次La Nina事件或ENSO冷事件。根據(jù)李曉燕等[18]對ENSO暖(冷)事件劃分標(biāo)準(zhǔn)的研究,對ENSO事件強(qiáng)度等級進(jìn)行量化,將El Nio事件年強(qiáng)弱程度按照極強(qiáng)(5)、強(qiáng)(4)、中等(3)、弱(2)、極弱(1),La Nina事件年強(qiáng)弱程度按照極強(qiáng)(-5)、強(qiáng)(-4)、中等(-3)、弱(-2)、極弱(-1)的標(biāo)準(zhǔn)分別劃分為5類強(qiáng)度年,未受ENSO事件影響的年份定義為0。

表1 極端氣溫指標(biāo)的定義

2 結(jié)果分析

2.1 長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)時空變化

2.1.1 年際變化趨勢

長江三角洲地區(qū)16種極端氣溫指數(shù)的年際變化趨勢表明(表2),絕對指數(shù)ID與FD以-0.40d/10a和-4.03d/10a的速率顯著下降,SU和TR以3.29d/10a和3.14d/10a的速率顯著上升。相對指數(shù)TX10和TN10呈顯著減少趨勢,年際傾向率分別為-2.56d/10a和-6.06d/10a；TX90和TN90呈顯著增加趨勢,年際傾向率分別為4.27d/10a和8.55d/10a。TXn、TNn、TXx和TXn均表現(xiàn)為上升趨勢,其年際傾向率分別為0.35、0.53、0.17、0.27℃/10a。其它指數(shù)中CSDI和DTR呈減少趨勢,年際傾向率分別為-0.33 d/10a和-0.11℃/10a；WSDI和GSL呈增加趨勢,年際傾向率分別為1.34d/10a和3.11d/10a。以上極端氣溫指數(shù)的變化趨勢中,除TXx和CSDI僅通過0.05的顯著性檢驗外,其它指數(shù)均通過0.01或0.001的顯著性水平檢驗。

3個氣候區(qū)的極端氣溫指數(shù)與全區(qū)變化趨勢一致,冷指日數(shù)呈上升趨勢,暖指日數(shù)呈下降趨勢,極值指數(shù)微弱上升。絕對指數(shù)ID和FD在Ⅰ區(qū)減少趨勢最明顯,年際傾向率分別為-0.84d/10a和-6.20 d/10a；SU在Ⅲ區(qū)增加趨勢最明顯(4.30 d/10a),TR在Ⅰ區(qū)增加趨勢最明顯(3.90 d/10a)。相對指數(shù)TX10在Ⅲ區(qū)減少趨勢最大(-3.52d/10a),在Ⅰ區(qū)減少趨勢最小。

表2長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)年際變化趨勢、顯著性檢驗及與其它區(qū)域?qū)Ρ?/p>

Table2Comparisonbetweentheinter-annualvariationtrends,significancetestoftemperatureextremesoverYangtzeRiverDeltaandotherdifferentclimaticregions

指數(shù)Indices長江三角洲地區(qū)YangtzeRiverDelta(1960—2014)全區(qū)WholeregionⅠ區(qū)ⅠregionⅡ區(qū)ⅡregionⅢ區(qū)ⅢregionKPKPKPKP中國China(1961—2008)K長江流域YangtzeRiverBasin(1962—2011)KID-0.400.010-0.840.016-0.360.013-0.090.033-2.32-0.48FD-4.03<0.0001-6.20<0.0001-3.85<0.0001-2.58<0.0001-3.48-3.29SU3.29<0.00011.550.051*3.48<0.00014.30<0.00011.182.93TR3.14<0.00013.90<0.00013.02<0.00012.82<0.00012.001.80TX10-2.560.003-1.870.055*-2.450.008-3.52<0.0001-0.47-0.84TN10-6.06<0.0001-7.31<0.0001-5.86<0.0001-5.50<0.0001-2.06-2.78TX904.27<0.001-0.220.832*4.910.00016.43<0.00010.622.24TN908.55<0.000111.15<0.00017.81<0.00018.41<0.00011.752.86TXn0.350.0050.340.0190.59<0.00010.360.0030.350.33TNn0.53<0.00010.750.00020.520.00010.360.00030.630.47TXx0.170.0320.000.968*0.200.0240.260.0030.070.16TNx0.27<0.00010.28<0.00010.26<0.00010.27<0.00010.210.19WSDI1.340.0040.400.333*1.520.0041.660.0003/0.83CSDI-0.330.015-0.300.072*-0.300.038-0.470.009/-0.67GSL3.110.0054.850.00022.880.0302.210.017/0.23DTR-0.110.0006-0.33<0.0001-0.080.0160.000.914*-0.18-0.07

K表示年際傾向率,P表示顯著性水平,*未通過0.05顯著性檢驗

TN10在Ⅰ區(qū)減少趨勢最大(-7.31d/10a)；TX90在Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)均為增加趨勢,其中Ⅲ區(qū)增加趨勢最明顯(6.43 d/10a)；TN90在Ⅰ區(qū)增加趨勢最大(11.15 d/10a)。極值指數(shù)除TXx在Ⅰ區(qū)沒有明顯變化外,其它指數(shù)在3個分區(qū)均為微弱增加趨勢。TXn在Ⅱ區(qū)上升趨勢最顯著(0.59℃/10a),在Ⅲ區(qū)次之；TNn在Ⅰ區(qū)上升趨勢最大(0.75℃/10a)；TXx在Ⅲ區(qū)上升趨勢最大(0.26℃/10a)；TNx在3個分區(qū)上升趨勢差異不大。其它指數(shù)中除DTR在Ⅲ區(qū)變化趨勢不明顯且未通過顯著性檢驗外,在各氣候區(qū)中,CSDI和DTR呈減少趨勢,WSDI和GSL呈增加趨勢。CSDI在Ⅲ區(qū)減少趨勢最顯著(-0.47 d/10a)；DTR在Ⅰ區(qū)減少趨勢最顯著(-0.33℃/10a)；WSDI和GSL分別在Ⅲ區(qū)和Ⅰ區(qū)增加趨勢顯著,年際傾向率分別為1.66和4.85 d/10a。

對比分析長江三角洲地區(qū)與全國、長江流域大致相同時段極端氣溫指數(shù)的變化趨勢值發(fā)現(xiàn)(表2),長江三角洲地區(qū)暖指日數(shù)(SU、TR、TX90、TN90、WSDI、GSL)增加趨勢、冷指日數(shù)(ID、FD、TX10、TN10、CSDI)減少趨勢和多數(shù)極值指數(shù)的上升趨勢均比全國和長江流域明顯,表明長江三角洲地區(qū)氣溫上升趨勢要比全國和長江流域顯著,這與崔林麗、謝志清[4,19]等的研究結(jié)論一致,原因可能是長江三角洲地區(qū)人為熱排放量隨著城市化的快速發(fā)展不斷增加造成的。

2.1.2 空間變化

圖2是長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化趨勢的空間分布。可以看出,除瑞安站不存在冰凍日數(shù)外,所有站點(diǎn)ID均處于減少趨勢,但變幅較小,多數(shù)站點(diǎn)的傾向率在-1.2—0.1d/10a之間,其中Ⅰ區(qū)減少趨勢比較明顯,平均為-0.82d/10a,贛榆減少速率達(dá)-1.2d/10a。所有站點(diǎn)FD均呈減少趨勢,Ⅰ區(qū)減少幅度較大,平均為-5.94 d/10a。所有站點(diǎn)SU均為增加趨勢,Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)站點(diǎn)增加趨勢顯著,尤其義烏、仙居、鄞縣站,平均增加幅度為6.22 d/10a。97%的站點(diǎn)TR為增加趨勢,長江三角洲北部和中部多數(shù)站點(diǎn)增加趨勢較明顯,平均為5.65 d/10a。

圖2 長江三角洲地區(qū)各項極端氣溫指數(shù)變化趨勢空間分布Fig.2 Spatial distribution of inter-annual variation of temperature extremes in the Yangtze River Delta

所有站點(diǎn)TX10均呈減少趨勢,長江三角洲東部部分站點(diǎn)減少趨勢比較明顯,平均為-3.94 d/10a。所有站點(diǎn)TN10均處于減少趨勢,減幅為-11.8—-0.66 d/10a,Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)中東部減少趨勢明顯,平均為7.62 d/10a。TX90有85%的站點(diǎn)呈增加趨勢,增加幅度為0.3—11.95 d/10a；Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)多數(shù)站點(diǎn)增加趨勢較明顯,平均為6.79 d/10a,其余15%的站點(diǎn)處于減少趨勢。TN90除義烏站(1.88 d/10a)趨于減少外,其余站點(diǎn)以0.20—23.62 d/10a的速率呈增加趨勢；Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)大部分站點(diǎn)增加趨勢顯著,平均為10.15 d/10a。

所有站點(diǎn)TXn均呈上升趨勢,平均為0.38℃/10a。Ⅰ區(qū)西部和Ⅱ區(qū)東部上升趨勢微弱,平均為0.22℃/10a。TNn除瑞安、定海和如皋3個站點(diǎn)外,均表現(xiàn)為上升趨勢,平均為0.59℃/10a；TXx有78%的站點(diǎn)呈上升趨勢,主要集中在Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)東部,其余地區(qū)上升趨勢比較微弱,Ⅰ區(qū)西北部部分站點(diǎn)還表現(xiàn)為下降趨勢。全區(qū)TNx呈上升趨勢,其中Ⅱ區(qū)東南部部分地區(qū)上升速率較大,上升速率較小的地區(qū)零散分布在各區(qū)?？傮w來看,TNx變化趨勢的空間差異表現(xiàn)不明顯。

92%的站點(diǎn)WSDI處于增加趨勢,主要分布在Ⅲ區(qū)和Ⅱ區(qū)除西南部之外的大部分地區(qū),平均增加趨勢2.61 d/10a。87%的站點(diǎn)CSDI呈減少趨勢。GSL總體分布為增加趨勢,大約占到總站點(diǎn)數(shù)的94%,增加趨勢較明顯的區(qū)域是Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)東北部,平均增幅為4.90 d/10a。DTR的空間分布下降趨勢的站點(diǎn)數(shù)多于上升的站點(diǎn)數(shù),占總站點(diǎn)數(shù)的77%,Ⅰ區(qū)北部下降趨勢比較明顯,碭山站下降趨勢達(dá)-0.56℃/10a。

2.2 極端氣溫指數(shù)的突變分析

M-K突變檢驗結(jié)果表明(表3),近55a長江三角洲地區(qū)16個極端氣溫指數(shù)均有突變發(fā)生。極端冷指數(shù)(ID、FD、TX10、TN10、CSDI)在突變時間點(diǎn)前后均呈現(xiàn)由增加到減少的轉(zhuǎn)變；極端暖指數(shù)除SU在突變點(diǎn)后微弱減少外, TR、TX90、TN90、WSDI、GSL在突變點(diǎn)前后均表現(xiàn)出由減少到增加的轉(zhuǎn)變；極值指數(shù)中,除TXx在突變點(diǎn)后呈下降趨勢外,其它極值指數(shù)在突變點(diǎn)前后都經(jīng)歷了由低到高的轉(zhuǎn)變；DTR在突變點(diǎn)前后呈由上升到下降的轉(zhuǎn)變。多數(shù)極端氣溫指數(shù)在突變點(diǎn)前后的變化特征表明長江三角洲地區(qū)對全球變暖有較好的響應(yīng)。對比長江三角洲地區(qū)與長江流域、珠江流域及全國極端氣溫的突變情況[21-22],發(fā)現(xiàn)多數(shù)突變均發(fā)生在20世紀(jì)80年代至2000年初,并且只發(fā)生過一次突變。

表3 長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)突變分析

2.3 極端氣溫指數(shù)周期變化分析

圖3為長江三角洲地區(qū)ID和FD小波方差圖。ID在1968—1978年以4a尺度為中心存在明顯的高低震蕩。1960—1983年在5—10a的時間尺度上存在明顯的高低震蕩,1960—1990年以17a為中心存在明顯高低震蕩。由小波方差圖可知,ID存在4a、6a、11a、17a的震蕩周期,其中17a為主周期。FD在1960—2014年有4—6a的高低震蕩變化,1960—1990年以21a為中心存在兩次明顯的高低震蕩變化。從小波方差圖得知,FD存在2a、5a、11a、21a的震蕩周期,其中21a為主周期。其它極端氣溫指數(shù)小波分析特征見表4。

圖3 長江三角洲地區(qū)ID和FD小波方差圖Fig.3 The wavelet variances of ID and FD in the Yangtze River Delta

2.4 極端氣溫指數(shù)與海拔、經(jīng)緯度的關(guān)系

表5是16項極端氣溫指數(shù)與地理位置的相關(guān)系數(shù)。多數(shù)極端氣溫指數(shù)與緯度、經(jīng)度和海拔顯著相關(guān)。ID、FD 、SU、TX90、DTR、TN10、TXx、WSDI與緯度顯著負(fù)相關(guān),與經(jīng)度顯著正相關(guān)。ID 與緯度的相關(guān)系數(shù)為-0.86,TX90與經(jīng)度的相關(guān)系數(shù)為0.61。TX10、TNn與緯度顯著正相關(guān),與經(jīng)度顯著正相關(guān)。TR、TN90、TNx、GSL與緯度顯著正相關(guān),TNx與經(jīng)度顯著正相關(guān)。TR、TN90、TXx、TNx、WSDI、GSL與海拔負(fù)相關(guān),ID、FD、TN10與海拔正相關(guān)。

表4 長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)周期分析

表5長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)與地理位置的相關(guān)系數(shù)

Table5ComparisonofcorrelationcoefficientbetweenthelineartrendsinextremetemperatureindicesandgeographicalparametersintheYangtzeRiverDelta

IDFDSUTRTX10TN10TX90TN90緯度Latitude-0.86***-0.72***-0.66***0.29*0.33**-0.33**-0.59***0.29*經(jīng)度Longitude0.55***0.28*0.50***0.06-0.71***0.050.61***0.12海拔Altitude0.30*0.38**0.01-0.30*0.150.25*-0.15-0.34**TXnTNnTXxTNxWSDICSDIGSLDTR緯度Latitude-0.180.54***-0.40**0.04**-0.27*0.190.65***-0.67***經(jīng)度Longitude-0.19-0.53***0.56***0.13**0.42***-0.090.090.40***海拔Altitude0.15-0.17-0.32**-0.28**-0.41***-0.19-0.43***0.22

***、**、*表示通過0.001、0.01和0.05水平的顯著性檢驗

從不同緯度帶極端氣溫指數(shù)的變化趨勢來看(表6),大多數(shù)極端氣溫指數(shù)在高緯度帶變幅大,在低緯度帶變幅小。ID、FD、TN10、TX90隨緯度的增加而減少,即緯度每增加1°,ID、FD、TN10、TX90的變化幅度分別減少0.15d/10a、0.68d/10a、0.47 d/10a、-0.99 d/10a。SU和TR的增加幅度在29°N分別是最大值和最小值。TX10、TN90的變幅在29°N最大,在29°N—35°N之間隨著緯度的增加而增加。TNx和GSL的變幅隨著緯度的增加而增加,TNx在28°N—32°N變幅呈增加趨勢,GSL在31°N—35°N變幅呈增加趨勢。WSDI和DTR的變幅隨著緯度的增加而減少,其變幅分別在31°N—35°N、30°N—35°N隨緯度增加呈減少趨勢,TXn變幅在28°N—32°N之間變化平穩(wěn),30°N以南變幅增加。TXx和CSDI隨緯度的變化并未表現(xiàn)出明顯的增減趨勢。

2.5 長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)與區(qū)域氣候變化的相關(guān)分析

為了解長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化與區(qū)域氣溫增暖的關(guān)系,計算了1960—2014年年平均氣溫與各極端氣溫指數(shù)的相關(guān)系數(shù)(表7),可以看出12項極端氣溫指數(shù)與平均氣溫的相關(guān)性較好,其中ID、FD、SU、GSL、DTR與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)在0.6以上,表明長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化對全球氣候變暖有較好的響應(yīng)。

表6 長江三角洲地區(qū)不同緯度帶極端氣溫指數(shù)的平均變化趨勢

表7 長江三角洲地區(qū)極端氣溫指數(shù)變化趨勢與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

***、**、*分別表示通過0.001、0.01和0.05的顯著性檢驗

為進(jìn)一步探討區(qū)域氣候變暖對極端氣溫指數(shù)的影響,通過M-K方法對長江三角洲地區(qū)年平均氣溫做突變檢驗發(fā)現(xiàn)1996年是明顯突變點(diǎn),依此為節(jié)點(diǎn)分別統(tǒng)計突變點(diǎn)后平均氣溫和各極端氣溫指數(shù)的變化趨勢(表8)。可看出,在1996年突變后,平均氣溫、各項暖指數(shù)SU、TR、TX90、TN90、WSDI、GSL和極值指數(shù)均表現(xiàn)為上升趨勢,冷指數(shù)ID、FD、TX10、TN10、CSDI和DTR均呈下降趨勢?？梢娙蜃兣尘跋?長江三角洲地區(qū)變暖趨勢明顯。

表8 長江三角洲地區(qū)平均氣溫突變后平均氣溫和極端氣溫指數(shù)變化

2.6 極端氣溫指數(shù)與ENSO的相關(guān)分析

圖4 1960—2014年厄爾尼諾/拉尼娜事件的發(fā)生強(qiáng)度 Fig.4 The occurrence intensity of El Nio /La Nina events from 1960 to 2014

統(tǒng)計1960—2014年的ENSO事件,共發(fā)生35次ENSO事件,其中13個年份發(fā)生暖事件,22個年份發(fā)生冷事件。ENSO事件的發(fā)生具有周期性特點(diǎn)(圖4),El Nio 事件有3個高峰期,分別為1982—1983年、1991—1992年、1997—1998年。La Nina事件有3個高峰期,分別是1973—1976年、1988—1989年、1999—2000年。

圖5為長江三角洲地區(qū)ENSO事件與極端氣溫指數(shù)ID和WSDI距平關(guān)系圖。由圖可知,多數(shù)厄爾尼諾年ID在減少,負(fù)距平幾率是85%,69%的厄爾尼諾年下一年ID距平小于0,54%的厄爾尼諾年下一年ID距平大于厄爾尼諾年。68%的拉尼娜年ID距平小于0,32%的拉尼娜年下一年ID距平大于0,50%的拉尼娜年下一年ID距平大于拉尼娜年。半數(shù)厄爾尼諾年WSDI在增加,正距平的幾率是54%,54%的厄爾尼諾年下一年WSDI距平大于0,46%的厄爾尼諾年下一年WSDI距平大于厄爾尼諾年。55%的拉尼娜年WSDI距平大于0,59%的拉尼娜年下一年WSDI距平小于0,59%的拉尼娜年下一年WSDI距平小于拉尼娜年。

圖5 ENSO事件與長江三角洲地區(qū)冰凍日數(shù)、異常暖晝持續(xù)指數(shù)距平關(guān)系圖Fig.5 The relationship between ENSO events and ice days, warm spell duration days anomaly

表9是厄爾尼諾年、拉尼娜年及各自滯后一年16個極端氣溫指數(shù)的統(tǒng)計值。分析可知,暖指日數(shù)SU、TR、TN90、WSDI、DSL和極值指數(shù)TXn、TXx、TNx在厄爾尼諾年或厄爾尼諾滯后一年大于正常年。在厄爾尼諾年或厄爾尼諾滯后一年,多數(shù)暖指日數(shù)和極值指數(shù)的值在5類年份中最大,表明厄爾尼諾現(xiàn)象加劇了長江三角洲地區(qū)暖指日數(shù)增加和極值指數(shù)上升。在拉尼娜滯后一年,冷指數(shù)ID、FD、TX10、TN10多年平均值大于厄爾尼諾年(厄爾尼諾滯后一年)和正常年,表明拉尼娜現(xiàn)象使得冷指日數(shù)增加。冷持續(xù)日數(shù)(CSDI)和月平均日較差(DTR)的值在厄爾尼諾年大于正常年和拉尼娜年,表明厄爾尼諾現(xiàn)象對這兩個指數(shù)的影響較大。總體上,厄爾尼諾對極端暖指數(shù)和極值指數(shù)的變化影響較大,對極端冷指數(shù)的影響較小。厄爾尼諾對極端氣溫指數(shù)的影響發(fā)生在當(dāng)年或次年,拉尼娜對極端氣溫指數(shù)的影響發(fā)生在拉尼娜滯后一年,厄爾尼諾對極端氣溫的影響大于拉尼娜對極端氣溫的影響。

表9長江三角洲地區(qū)ENSO事件發(fā)生前后極端氣溫指數(shù)統(tǒng)計

Table9ComparisonsofaverageextremetemperatureindicesinENSOyears(and lag 1 years)andnormalyearsoverYangtzeRiverDelta

指數(shù)類型Indicestype指數(shù)Indices暖事件年Warmeventsyears暖事件年+1Warmeventsoneyearlag正常年Normalyears冷事件年Coldeventsyears冷事件年+1Coldeventsoneyearlag絕對指數(shù)ID(d)1.281.632.061.662.08AbsoluteindicesFD(d)40.5043.2443.1246.0046.48SU(d)142.52136.07141.67135.77138.96TR(d)96.1897.4998.0098.1495.95相對指數(shù)TX10(d)33.8335.0932.3534.6734.83RelativeindicesTN10(d)31.5227.9529.1329.8433.49TX90(d)44.9345.4646.4742.5539.87TN90(d)53.7350.6751.0646.2944.48極值指數(shù)TXn(℃)0.190.11-0.50-0.02-0.42RelativeindicesTNn(℃)-7.30-7.45-7.47-7.23-7.65TXx(℃)36.9137.3837.3537.0136.78TNx(℃)27.7228.7228.1327.6827.64其它指數(shù)WSDI(d)6.438.056.265.473.39OtherindicesCSDI(d)1.921.561.261.311.48GSL(d)324.22319.76321.23319.36319.72DTR(℃)8.418.308.368.318.35

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

(1)近55年長江三角洲地區(qū)極端暖指日數(shù)(SU、TR、TX90、TN90、WSDI、GSL)和極值指數(shù)(TXn、TNn、TXx、TNx)呈顯著上升趨勢,冷指日數(shù)(ID、FD、TX10、TN10、CSDI)和月平均日較差(DTR)呈顯著下降趨勢?？傮w上,暖指數(shù)的上升趨勢大于冷指數(shù)的下降趨勢,全區(qū)范圍所有指數(shù)的變化趨勢均通過了0.05 的顯著性檢驗。

(2)空間分布上,3個氣候區(qū)極端氣溫指數(shù)變化趨勢有所差異,多數(shù)極端氣溫指數(shù)在長江三角洲地區(qū)北部和南部變化較明顯。92%以上的站點(diǎn)暖指日數(shù)SU、TR、TX90、TN90、WSDI、GSL呈增加趨勢,85%的站點(diǎn)TX90呈增加趨勢；所有站點(diǎn)冷指日數(shù)ID、FD、TX10、TN10呈減少趨勢,87%的站點(diǎn)CSDI呈減少趨勢；除TXx外,95%以上的站點(diǎn)其它極值指數(shù)為上升趨勢。

(3)多數(shù)極端氣溫指數(shù)突變發(fā)生在20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初。冷指日數(shù)突變前后經(jīng)歷了由增加到減少的轉(zhuǎn)變,多數(shù)暖指日數(shù)在突變點(diǎn)前后呈現(xiàn)由減少到增加的轉(zhuǎn)變。周期分析表明,多數(shù)極端氣溫指數(shù)呈現(xiàn)3—5個周期震蕩,主周期均在10a以上。

(4)多數(shù)極端氣溫指數(shù)與海拔、緯度、經(jīng)度顯著相關(guān),不同指數(shù)與地理位置的相關(guān)系數(shù)大小有差異。極端氣溫指數(shù)變化與區(qū)域氣候變暖密切相關(guān),平均氣溫突變后,ID、FD、TX10、TN10等冷指日數(shù)明顯減少,SU、TR、TX90、TN90等暖指日數(shù)明顯增加,表明極端氣溫指數(shù)對氣候變暖有較好的響應(yīng)。

(5)厄爾尼諾對極端氣溫的影響發(fā)生在當(dāng)年或次年,拉尼娜對極端氣溫的影響發(fā)生在拉尼娜滯后1年,總體上,厄爾尼諾對極端氣溫的影響大于拉尼娜的影響。

3.2 討論

采用16個極端氣溫指數(shù),分析了長江三角洲地區(qū)1960—2014年極端氣溫指數(shù)的年際變化趨勢和空間分布差異,結(jié)果表明該區(qū)最低氣溫與最高氣溫相關(guān)的極端氣溫指數(shù)變化趨勢與總體變暖一致,這與全球升溫背景下很多區(qū)域的研究結(jié)論基本一致[20- 25]。聶安祺[26]研究中國三大城市帶城市化氣候效應(yīng),得出長江三角洲地區(qū)的氣候效應(yīng)最強(qiáng)。本文得出的結(jié)論也印證了這一點(diǎn),表明快速城市化背景下長江三角洲地區(qū)氣溫上升明顯。有研究[27-29]發(fā)現(xiàn),地面氣溫的上升是不對稱的,即最低氣溫上升明顯,而最高氣溫上升趨勢較弱,氣溫日較差明顯變小。本研究得出長江三角洲地區(qū)多數(shù)基于最低氣溫的極端氣溫指數(shù)變化幅度大于基于最高氣溫的極端氣溫指數(shù)變化幅度,氣溫日較差明顯下降,進(jìn)一步驗證了地面氣溫上升中的“非對稱性”現(xiàn)象。周雅清和張雷等人[20,29]的研究表明,國內(nèi)外大量研究證實的“氣溫非對稱性變化”現(xiàn)象,主要與城市化對地面最低氣溫的明顯增加效應(yīng)有關(guān)。由于臺站變遷、觀測儀器變更及城市化的影響,導(dǎo)致不同規(guī)模城市站地面氣溫記錄序列中存在偏差。有研究[19-20,26,29]表明,城市熱島效應(yīng)對區(qū)域平均氣溫有明顯影響,今后計算區(qū)域極端氣溫時,需要對臺站氣溫資料進(jìn)行訂正以獲取消除了城市化效應(yīng)的氣溫數(shù)據(jù),這樣才能更好地分析區(qū)域極端氣溫的變化趨勢。

長江三角洲地處氣候系統(tǒng)復(fù)雜的亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),ENSO通過影響東亞季風(fēng)的強(qiáng)度和太平洋副熱帶高壓的位置,進(jìn)一步影響季風(fēng)的強(qiáng)度和長江三角洲地區(qū)的氣候。在強(qiáng)El Nio年,長江三角洲極端氣溫暖事件增加,意味著熱浪的發(fā)生頻率增加。在強(qiáng)La Nina年,極端氣溫冷事件增加,寒潮的發(fā)生頻率增加。李崇銀等[30]研究表明,ENSO主要是由東亞季風(fēng)異常造成的赤道西太平洋異常緯向風(fēng)所驅(qū)動的熱帶太平洋次表層海溫距平的循環(huán)。在厄爾尼諾年冬季,長江三角洲為異常偏南風(fēng),東亞冬季風(fēng)偏弱,導(dǎo)致降水偏多氣溫冷濕；拉尼娜年冬季,長江三角洲為異常偏北風(fēng),冬季風(fēng)偏強(qiáng),導(dǎo)致降水偏少氣溫暖干。此外,長江三角洲地區(qū)的極端氣溫事件與ENSO的持續(xù)時間有關(guān),ENSO持續(xù)時間的長短又與大氣環(huán)流的持續(xù)時間密切相關(guān)。ENSO對長江三角洲地區(qū)氣溫影響機(jī)理復(fù)雜,未來要全面了解ENSO對極端氣溫的影響,有必要研究ENSO與低緯和中、高緯度環(huán)流的關(guān)系及其變化的物理過程。雖然ENSO不同位相長江三角洲地區(qū)極端氣溫差異明顯,但顯然ENSO不是影響區(qū)域極端氣溫變化的唯一原因,除了全球變暖與地理位置因素外,氣候系統(tǒng)內(nèi)部變率、城市溫室氣體和大氣成分變化在內(nèi)的外部強(qiáng)迫都與極端氣溫事件變化密切相關(guān),這些要素對極端氣溫的影響有待于做進(jìn)一步研究。

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CorrelationanalysisofvariationofextremetemperatureeventsandElNioSouthernOscillation(ENSO)inYangtzeRiverDeltaregionduring1960—2014

JIA Yanqing1,2, ZHANG Bo1,*, ZHANG Yaozong1, TANG Min1, MA Bin1, WANG Guoqiang1

1CollegeofGeographyandEnvironmentalScience,NorthwestNormalUniversity,Lanzhou730070,China2DepartmentofGeography,XinzhouNormalUniversity,Xinzhou034000,China

Based on daily temperature (maximum, minimum, and average) data of 65 stations, spatial and temporal changes of extreme temperature events and the El Nio Southern Oscillation (ENSO) influence on the extreme temperature threshold over Yangtze River Delta were analyzed for the period 1960—2014. The results showed that in the last 55 years, the extreme temperature indices, i.e. summer days (SU), tropical nights (TR), warm days (TX90), warm nights (TN90), warm spell duration days (WSDI), and growing season length (GSL) have all increased significantly, and TN90 showed an increasing rate of 8.55d per decade. The extremal indices (TXn, TNn, TXx, and TNx) had increasing trends in the Yangtze River Delta region, and TNn showed an increasing rate of 0.53℃ per decade. The ice days (ID), frost days (FD), cold days (TX10), cold nights (TN10), and cold spell duration days (CSDI) have decreased significantly by 0.40 d, 4.03 d, 2.56 d, 6.06 d and 0.33 d per decade, respectively, and TN10 showed a decreasing rate of 6.06 d per decade. DTR has decreased by 0.11℃ per decade. For the spatial distribution of SU, TXn and TNx, all meteorological stations showed increasing trends during 1960—2014. TR, TX90, TN90, TNn, TXx, WSDI, and GSL showed increasing trends at 97%, 85%, 98%, 95%, 78%, 92%, and 94% of meteorological stations, respectively. ID, FD, TX10, and TN10 showed decreasing trends for all stations. For CSDI and DTR, 87% and 77% stations showed decreasing trend. Most extreme temperature indices show good correlation with latitude, longitude, and altitude. After the detected abrupt climate changes, extreme warm indices increased, and extreme cold indices decreased significantly. Overall, the effect of El Nio on extreme temperature indices was greater than the effect of La Nina.

extreme temperature indices; spatial distribution; climate change; ENSO

國家自然科學(xué)基金項目(41561024)；高校博士學(xué)科點(diǎn)專項科研基金項目(20136203110002)；山西省高等學(xué)校哲學(xué)社會科學(xué)研究項目(2015265)

2016- 07- 09; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 05- 27

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zhangbo@nwnu.edu.cn

10.5846/stxb201607091409

賈艷青, 張勃,張耀宗,唐敏,馬彬,王國強(qiáng).長江三角洲地區(qū)極端氣溫事件變化特征及其與ENSO的關(guān)系.生態(tài)學(xué)報,2017,37(19):6402- 6414.

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