貴州1960-2016年氣溫時(shí)空變化特征

朱大運(yùn), 熊康寧, 董曉超

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院, 貴陽(yáng) 550001; 2.國(guó)家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心, 貴陽(yáng) 550001)

全球氣候系統(tǒng)變暖的事實(shí)是毋容置疑的。自1950年以來(lái)全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過(guò)程，1880—2012年全球平均溫度已升高0.85℃；過(guò)去30年，每10 a地表溫度的增暖幅度高于1850年以來(lái)的任何時(shí)期[1]。以氣候變暖和降雨格局轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕卣鞯娜蜃兓淖冎懙厣鷳B(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能[2]。在全球氣候變化大背景下，中國(guó)氣溫近幾十年也經(jīng)歷了快速增溫過(guò)程，升溫速率達(dá)0.25℃/10 a，高于全球平均水平，并且呈現(xiàn)顯著的地域差異性和時(shí)段差異性[3-6]。因此，基于季節(jié)及年氣溫變化的差異，從長(zhǎng)時(shí)間尺度監(jiān)測(cè)研究區(qū)域氣候變化特征及其成因具有一定科學(xué)意義。

貴州地處云貴高原，境內(nèi)以喀斯特為主的地形地貌非常復(fù)雜，水熱條件垂直變化特征顯著，且受西南季風(fēng)和東亞季風(fēng)的雙重影響[7]，對(duì)氣候變化的響應(yīng)十分敏感。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者分別從不同的空間區(qū)域和時(shí)間尺度對(duì)貴州地區(qū)氣候變化開(kāi)展了相關(guān)研究。任國(guó)玉等[8]通過(guò)對(duì)中國(guó)氣溫變化趨勢(shì)系數(shù)研究，指出云貴高原北部年平均氣溫呈下降趨勢(shì)，這與班軍梅等[9]對(duì)西南地區(qū)氣溫變化的研究結(jié)果相似；劉曉冉等[10]對(duì)西南地區(qū)1961—2000年月值氣溫?cái)?shù)據(jù)分析表明，涵蓋貴州在內(nèi)的整個(gè)西南地區(qū)年均溫呈現(xiàn)由暖變冷，再到單調(diào)上升的波動(dòng)變化趨勢(shì)；唐紅忠等[11]詳細(xì)分析了貴州南部12個(gè)氣象站51 a觀測(cè)資料得出，該地冬季氣溫、極端最低氣溫均呈上升趨勢(shì)，并且體現(xiàn)了年際振蕩和年代振蕩特征。由于受季風(fēng)和復(fù)雜地形等多種因素的影響，貴州氣候變化有其自身獨(dú)特的特點(diǎn)，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫變化更加復(fù)雜，然而當(dāng)前對(duì)貴州近幾十年地表氣溫時(shí)空變化系統(tǒng)研究工作還相對(duì)缺乏，伴隨時(shí)間尺度的推移和數(shù)據(jù)的更新開(kāi)展跟進(jìn)研究工作十分必要。

本文選取貴州省1960—2016年的氣溫逐月數(shù)據(jù)和年均值數(shù)據(jù)，采用線性回歸分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)以及小波分析等方法對(duì)貴州近57 a年與季節(jié)氣溫時(shí)空變化特征做詳細(xì)探討,為該區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化和氣象災(zāi)害防治提供科學(xué)參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與處理

本文使用的氣象數(shù)據(jù)資料均來(lái)自中國(guó)氣象局科技數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，時(shí)間分辨率以年值數(shù)據(jù)集為主，月值數(shù)據(jù)集作為重要補(bǔ)充。雖然該數(shù)據(jù)集經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和檢查，但是各個(gè)站點(diǎn)觀測(cè)起始時(shí)間差異較大，為了保證氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和一致性，篩選了貴州境內(nèi)19個(gè)氣象站數(shù)據(jù)資料作為本研究的主要數(shù)據(jù)源，海拔跨度274～2 316 m，時(shí)間跨度為1960年1月1日—2016年2月29日(2015年冬季截止日期)(附圖1)。

所有氣象站的氣溫資料依據(jù)月份和年份進(jìn)行歸類整理，對(duì)個(gè)別站點(diǎn)變更和個(gè)別缺失數(shù)據(jù)采用相鄰站點(diǎn)線性回歸方法進(jìn)行插補(bǔ)，經(jīng)過(guò)處理修正后的氣象資料具有比較好的連續(xù)性。參考有關(guān)文獻(xiàn)資料[12]，按照3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季，分季度進(jìn)行歸類統(tǒng)計(jì)，用于貴州氣溫變化特征分析。

1.2 研究方法

線性回歸是一種非常實(shí)用有效的表征序列變化趨勢(shì)和變化傾向性的分析方法，在氣候變化研究中運(yùn)用廣泛。本文采用線性回歸法來(lái)檢測(cè)貴州省內(nèi)各氣象站1960—2016年氣溫年代際、年際和季度時(shí)間序列變化趨勢(shì)，并基于ArcGIS平臺(tái)克里格插值方法研究貴州省氣溫時(shí)空變化規(guī)律。

突變檢測(cè)采用Mann-Kendall方法，M-K法是世界氣象組織推薦的一種非參數(shù)的突變檢驗(yàn)法，具有人為干擾性少、校驗(yàn)范圍寬的優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)時(shí)間序列變化趨勢(shì)的顯著性和突變性進(jìn)行檢驗(yàn)，通過(guò)正序列和反序列曲線交叉點(diǎn)來(lái)確定突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)[6,13]。本文的氣溫周期性分析運(yùn)用Morlet小波函數(shù)，小波分析在時(shí)頻兩域都具有局部特征表征能力，可以較好地反映氣候周期變化動(dòng)態(tài)的時(shí)間格局[14-15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫時(shí)間變化特征

2.1.1 氣溫年代際變化 貴州省20世紀(jì)60年代—80年代年均氣溫相對(duì)穩(wěn)定，90年代以后持續(xù)上升，特別是進(jìn)入21世紀(jì)升溫迅速，較60年代升高了0.6℃。與年均氣溫變化趨勢(shì)不同，貴州四季均溫年代際變化表現(xiàn)出明顯的季節(jié)差異性。春季均溫呈“U”型變化曲線，60年代后春季均溫逐漸下降，到80年代降至最低點(diǎn)，隨后快速上升，最高升幅達(dá)0.9℃；夏季均溫整體穩(wěn)定，變幅較小，60年代—21世紀(jì)初夏季均溫在波動(dòng)中緩慢抬升，僅在最近6 a表現(xiàn)出強(qiáng)烈升溫態(tài)勢(shì)；與春季均溫類似，秋季均溫在70年代以后穩(wěn)步增加，而升溫節(jié)點(diǎn)較春季均溫卻提前了10 a，更為顯著的是年代際最高與最低溫差在該季節(jié)達(dá)到了最高值1.1℃，反映出秋季均溫劇烈的動(dòng)蕩變化狀況；冬季均溫變異性較大，尤其是21世紀(jì)以后與其他季節(jié)普遍升溫態(tài)勢(shì)相反，平均溫度卻表現(xiàn)出下降態(tài)勢(shì)，2010—2016年時(shí)段冬季均溫6.4℃甚至比多年平均值還低0.2℃。從上述分析可知，除了個(gè)別時(shí)段溫度呈現(xiàn)下降現(xiàn)象，貴州年代際溫度上升趨勢(shì)在過(guò)去57 a的時(shí)間內(nèi)占據(jù)了主導(dǎo)地位，但是季節(jié)性差異較大，反映出高原山區(qū)氣候變化的復(fù)雜性(表1)。

表1 貴州年、季氣溫年代際變化 ℃

2.1.2 氣溫傾向率變化 近57 a貴州氣溫呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，年均氣溫、春季均溫、夏季均溫、秋季均溫、冬季均溫的傾向率分別為0.13℃/10 a，0.11℃/10 a，0.09℃/10 a，0.18℃/10 a，0.17℃/10 a，但是在升溫速率上存在一定差異，秋冬季節(jié)升溫速率最快，高于春、夏季和全年平均水平，春、夏季節(jié)則相對(duì)緩和。從季節(jié)溫度變化曲線來(lái)看(圖1)，四季氣溫均體現(xiàn)出一定規(guī)律性，秋季與冬季雖然波動(dòng)變化劇烈程度不同，但是在溫度波動(dòng)曲線趨勢(shì)走向上呈現(xiàn)出較好的同步性，除了80年代前期氣溫呈反向變化外，變化方向基本一致。趨勢(shì)走向一致性在升溫速率相對(duì)緩慢的春、夏季節(jié)最為突出，從圖1中可以看出二者溫度變化趨勢(shì)表現(xiàn)出很好的一致性。年均溫在數(shù)值上由于綜合了四季均溫的動(dòng)蕩變化，升溫速率與季節(jié)相比居于中等水平，但是變化曲線走勢(shì)變異性更大，與季節(jié)溫度曲線在走向上基本觀測(cè)不到較長(zhǎng)時(shí)間尺度的一致性。整體而言，2000年以來(lái)貴州氣溫升溫速率明顯加快，與全球和中國(guó)進(jìn)入21世紀(jì)后表現(xiàn)出的氣溫主要變化特征相一致，只是秋冬季節(jié)傾向率偏高，與其他研究者得出的全球變化背景下春冬季節(jié)升溫最明顯的結(jié)論不一致[16]，這可能來(lái)自兩方面的原因，一方面是南、北極濤動(dòng)的影響，前人研究表明[17]南極和北極濤動(dòng)是我國(guó)西南區(qū)域主要影響系統(tǒng)，南北極濤動(dòng)的持續(xù)增強(qiáng)是導(dǎo)致包括貴州在內(nèi)的整個(gè)西南地區(qū)冬季氣溫偏高的重要原因之一；另一方面是季風(fēng)與地理區(qū)位的共同作用，近幾十年由于孟加拉灣季風(fēng)結(jié)束偏早，我國(guó)西南及周邊地區(qū)秋季降水呈偏少趨勢(shì)，干旱增多，土壤濕度降低，從而通過(guò)能量與物質(zhì)(水汽)交換過(guò)程，導(dǎo)致地表在接收太陽(yáng)輻射后升溫加快[18-19]。

2.2 氣溫空間變化特征

采用徑向基函數(shù)插值法對(duì)貴州年均溫與四季均溫傾向率做了空間插值(附圖2—3)，結(jié)果表明貴州氣溫空間變化特征比時(shí)間變化特征更加復(fù)雜，氣溫不再是時(shí)間變化特征所表現(xiàn)出來(lái)的單純升溫趨勢(shì)，在空間上氣溫升溫區(qū)域與降溫區(qū)域呈現(xiàn)交替共存現(xiàn)象。然而，從分布范圍來(lái)看，升溫區(qū)域仍然占據(jù)主導(dǎo)態(tài)勢(shì)，覆蓋貴州省大部分范圍。年均溫與四季均溫升幅最強(qiáng)烈的區(qū)域都發(fā)生在黔西南地區(qū)，秋季最大升溫速率高達(dá)0.30℃/10 a；其次是畢節(jié)地區(qū)，以黔西和威寧最為典型，二者在秋季均溫和年均溫變化上表現(xiàn)出一致的高升幅態(tài)勢(shì)，冬、春季節(jié)黔西升溫幅度高于威寧，而秋季則恰好相反。除了銅仁東部一小部分區(qū)域，包括銅仁和黔東南在的整個(gè)貴州東部地區(qū)年與季節(jié)溫度空間變異性較小，保持著相對(duì)穩(wěn)定的升溫速率，而且春冬季節(jié)高于其他時(shí)期。與貴州升溫區(qū)域空間復(fù)雜的變異性相比較，溫度呈下降態(tài)勢(shì)的區(qū)域無(wú)論是在空間分布還是在四季升幅趨勢(shì)差異都要簡(jiǎn)單的多，以黔中貴陽(yáng)和黔西盤縣為中心向外圍逐漸擴(kuò)散，且年與季節(jié)降溫區(qū)域均表現(xiàn)出空間一致性，中心降溫傾向率分別在春季、夏季達(dá)到最高水平-0.17℃/10 a，-0.19℃/10 a，上述兩地溫度呈降低態(tài)勢(shì)很可能是受局部地形和植被變化的影響，楊毅等[20]就曾指出生態(tài)環(huán)境改善，植被覆蓋率增加，是致使貴陽(yáng)降水增加，氣溫降低的主要因素；并且喀斯特地區(qū)地形地貌復(fù)雜，小氣候效應(yīng)顯著，“一山有四季，十里不同天”現(xiàn)象非常普遍，這進(jìn)一步說(shuō)明了高原地區(qū)氣溫變化的復(fù)雜性和特殊性。

圖1貴州省氣溫年際變化趨勢(shì)

2.3 氣溫突變分析

利用Mann-Kendall方法對(duì)貴州省年均溫進(jìn)行了突變檢驗(yàn)(圖2)，結(jié)果表明貴州氣溫突變發(fā)生在世紀(jì)之交的2001年，突變前后年均氣溫分別為15.35℃和15.86℃，相差0.51℃，進(jìn)入21世紀(jì)之后升溫趨勢(shì)非常顯著，IPCC報(bào)告指出的北半球21世紀(jì)的第一個(gè)10 a是最暖的10 a在貴州得到了明顯的體現(xiàn)。

四季氣溫突變性差異大，僅秋季氣溫UF統(tǒng)計(jì)量與UB統(tǒng)計(jì)量曲線于2001年在臨界線內(nèi)相交，檢測(cè)到突變現(xiàn)象，且與年均氣溫突變時(shí)間節(jié)點(diǎn)一致，2001年突變后快速增溫，在2006年后這種趨勢(shì)達(dá)到顯著性水平。春季、夏季和冬季正反序列曲線在臨界線內(nèi)有多個(gè)交叉點(diǎn)，這很可能是突變點(diǎn)受到干擾點(diǎn)的影響而產(chǎn)生的虛假突變現(xiàn)象，為了排除虛假突變點(diǎn)，進(jìn)一步采用滑動(dòng)T檢驗(yàn)和Yamamoto指數(shù)對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行交互驗(yàn)證，得出春季氣溫2005年、冬季氣溫1987年為可信突變點(diǎn)，且都通過(guò)95%顯著性檢驗(yàn)，其余交叉點(diǎn)為虛假突變點(diǎn)。夏季氣溫未檢測(cè)到達(dá)到可信度水平的突變點(diǎn)，因此認(rèn)為1960—2016年貴州夏季氣溫?zé)o突變性增溫或者降溫趨勢(shì)。

2.4 氣溫變化周期分析

圖3為1960—2016年貴州年均溫和四季均溫的Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部等值線與模平方時(shí)頻分布圖，通過(guò)兩者結(jié)合來(lái)進(jìn)行周期分析。從圖中可以看出貴州溫度震蕩周期特征變化較為復(fù)雜，時(shí)間尺度與季節(jié)差異在氣溫變化結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)出截然不同的周期性特征。年均溫的周期性變化特征不顯著，小波分析并未體現(xiàn)出短時(shí)間尺度的震蕩信號(hào)，僅在15～20 a呈現(xiàn)出輕微的震蕩，然而由于整個(gè)數(shù)據(jù)序列只有57 a且信號(hào)微弱，還不能確定15～20 a周期。為此進(jìn)一步做了小波系數(shù)的模平方時(shí)頻分布圖，模平方相當(dāng)于小波能量譜，它可以分析出不同周期的震蕩能量，從圖3A中可以看出15～20 a時(shí)間尺度的能量最強(qiáng)，但它的周期變化表現(xiàn)出明顯的局部性和邊界效應(yīng)，確系虛假震蕩周期現(xiàn)象。從大尺度來(lái)看，四季均溫同樣存在著25～30 a的虛假震蕩周期，但是在小尺度上與年均溫存在著顯著差異。春季和夏季溫度表現(xiàn)出準(zhǔn)11 a的振蕩周期，只是高值中心與低值中心信號(hào)表現(xiàn)較弱，1990年以后在15～20 a振蕩周期內(nèi)春季氣溫出現(xiàn)了3個(gè)明顯的高值中心，反映出較強(qiáng)的周期性。秋季溫度在5 a周期發(fā)生幾次較為顯著的震蕩現(xiàn)象。冬季溫度的周期變化最為復(fù)雜，存在著多個(gè)短時(shí)間尺度周期，10～15 a特征尺度信號(hào)震蕩最劇烈，周期性顯著；5～7 a尺度周期信號(hào)值則表現(xiàn)較弱。綜合來(lái)看，春季、夏季、秋季、冬季氣溫均體現(xiàn)出5 a尺度的震蕩周期，盡管各季節(jié)周期信號(hào)強(qiáng)度存在著差異，但是高低值交替變化相對(duì)清晰，波動(dòng)極值點(diǎn)的分布規(guī)律比較明顯，且影響范圍大，貫穿了大部分研究時(shí)間序列，并在模平方時(shí)頻分布圖中得到進(jìn)一步的證實(shí)。

圖2貴州省氣溫Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖3 貴州溫度Morlet小波系數(shù)實(shí)部等值線與模平方時(shí)頻分布

從模平方分布形態(tài)來(lái)看，年均溫與季節(jié)均溫存在著顯著差異，這可能是受季風(fēng)、地形等因素的影響，過(guò)去幾十年冬季均溫的周期性變化較其他季節(jié)更為顯著，從而在小波能量譜曲線上表現(xiàn)的過(guò)渡更加均勻，覆蓋范圍更加廣泛，具體原因還有待后續(xù)進(jìn)一步深入研究。總體而言，貴州氣溫周期變化較為復(fù)雜，多個(gè)季節(jié)表現(xiàn)出與太陽(yáng)黑子相吻合的11 a振蕩周期，只是周期帶有明顯的時(shí)域性特征，缺乏較為一致、能量較大、信號(hào)穩(wěn)定的全時(shí)域周期振蕩。

3 討 論

由于區(qū)域特征和氣候變化的人為驅(qū)動(dòng)力等因素差異，氣候變化幅度、變化尺度以及對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)敏感性帶有鮮明的地域特征[6]，并且在研究中不斷得到證實(shí)[21-23]。貴州省年均氣溫表現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)意義上的上升，這一趨勢(shì)在進(jìn)入21世紀(jì)之后更加明顯，與全球氣候變化的大趨勢(shì)相吻合[1]，但在年均溫升高速率上(0.13℃/10 a)高于全球和中國(guó)平均水平，后兩者的平均升溫速率分別是0.07，0.22℃/10 a[17]。

從區(qū)域范圍來(lái)看，貴州近幾十年升溫速率并不突出，與整個(gè)西南地區(qū)0.12℃/10 a的平均升溫速率基本相當(dāng)。在區(qū)域內(nèi)部，受青藏高原東側(cè)山脈走向的影響，西南地區(qū)東西部年均溫變化呈非對(duì)稱狀態(tài)，西部升溫速率高，東部升溫速率低，貴州年均升溫速率明顯小于西部的青藏高原邊緣地區(qū)[10]。1960年以來(lái)貴州各季節(jié)溫度均在波動(dòng)中上升，且春、夏、秋季節(jié)升溫速率都高于西南地區(qū)整體平均水平，僅有冬季升溫速率0.17℃/10 a低于西南地區(qū)的0.21℃/10 a，據(jù)前人研究成果這可能是自然因子和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果[24]。但是，對(duì)西南地區(qū)和貴州而言，由于地處低緯高原，受東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)的共同影響，是兩支季風(fēng)的交匯區(qū)和敏感區(qū)，自然因素的影響可能更大些[25]。蔣興文等[26]研究指出西南地區(qū)氣溫變化主要受西伯利亞高壓和東亞冬季風(fēng)的影響，在年際變化上，西伯利亞高壓對(duì)西南地區(qū)氣溫的影響更為顯著，而冬季氣溫的變化則與東亞冬季風(fēng)關(guān)系密切。

4 結(jié) 論

(1) 近57 a貴州省年均溫和季節(jié)均溫均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，年平均升溫速率為0.13℃/10 a。四季溫度變化差異顯著，秋、冬季節(jié)氣溫變化傾向率明顯高于春、夏季節(jié)。

(2) 空間分布上氣溫升溫區(qū)域與降溫區(qū)域交替共存，升溫最強(qiáng)烈的區(qū)域分別是黔西南和畢節(jié)；降溫范圍以黔中貴陽(yáng)和黔西盤縣為中心向外圍延展，且在分布范圍上年時(shí)間尺度與季節(jié)時(shí)間尺度表現(xiàn)出高度一致性。

(3) 突變檢驗(yàn)表明貴州年均溫和秋季均溫氣溫序列在2001年，春季氣溫序列在2005年，冬季氣溫序列在1987年發(fā)生了突變，突變后升溫加速。夏季氣溫序列未檢測(cè)到突變點(diǎn)，說(shuō)明其升溫趨勢(shì)相對(duì)穩(wěn)定。

(4) 小波變換分析結(jié)果表明，貴州氣溫變化并不存在年與季節(jié)相一致、震蕩明顯的主周期，季節(jié)溫度周期性變化特征復(fù)雜，尤其是冬季表現(xiàn)出多種時(shí)間尺度的周期振蕩特征。

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