青島市嶗山區(qū)51年來(lái)氣候變化特征分析

劉春濤，朱俊翰，郭麗娜

(1.山東省青島市嶗山區(qū)氣象局,山東 嶗山 266102；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003)

近百年以來(lái)，全球氣候正經(jīng)歷一次變暖為主要特征的顯著變化，IPCC第3次評(píng)估報(bào)告指出[1]:自1861年以來(lái)，全球地面氣溫一直呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)全球增溫(0.6±0.2) ℃，且以20世紀(jì)90年代增溫最為明顯?！稓夂蜃兓瘒?guó)家評(píng)估報(bào)告》[2]指出，近100 a來(lái)中國(guó)年平均地表氣溫明顯增加，升溫幅度為0.5～0.8 ℃，比同期全球升溫幅度平均值略高。中國(guó)近100 a的增溫主要發(fā)生在冬季和春季，夏季氣溫變化不明顯。近50 a來(lái),中國(guó)增溫尤其明顯且主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代中后期，全國(guó)年平均地表氣溫增加1.1 ℃,增溫速率達(dá)0.22 ℃/10 a,高于全球或北半球同期平均增幅分別為0.74、0.13 ℃/10 a。近100 a和50 a，中國(guó)年降水量變化趨勢(shì)不顯著，但是年際波動(dòng)較大，中國(guó)的年降水量存在明顯的區(qū)域差異，近50 a以來(lái)，華北、山東半島等降雨日數(shù)、降雨量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。近50 a，中國(guó)的日照時(shí)數(shù)、總云量均呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，中國(guó)的東部和華北表現(xiàn)最為明顯。

嶗山區(qū)位于山東半島南部的黃海之濱，地處北緯36°05′～36°19′、東經(jīng)120°24′～120°42′,屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，同時(shí)兼有海洋性氣候特點(diǎn)，嶗山區(qū)南東二面瀕臨膠州灣與黃海，西部與青島市區(qū)接壤，北部與城陽(yáng)區(qū)、即墨區(qū)相鄰。嶗山是我國(guó)東部海岸線(xiàn)上第一高峰，嶗山頂峰海拔1132.7 m，嶗山區(qū)海岸線(xiàn)全長(zhǎng)87.3 km，在全球氣候變暖的大背景下，嶗山區(qū)的氣候也在發(fā)生著明顯變化，呈現(xiàn)什么特點(diǎn)是人們關(guān)注的問(wèn)題。本研究通過(guò)對(duì)嶗山區(qū)歷史氣象資料的分析，揭示其氣候演變的特征，為嶗山區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、旅游服務(wù)提供理論參考。

1 氣象資料的來(lái)源與研究方法

采用的氣象資料為青島市嶗山區(qū)李村國(guó)家一般氣象站1965～2015年各年度、季節(jié)平均氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度等氣象因子，其中缺少的1994～1998年的日照資料，用距離最近的青島站資料代替。分別統(tǒng)計(jì)歷年冬、春、夏、秋季的氣象資料。按照習(xí)慣劃分方法，歷年12月到下年2月為冬季、3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季。

運(yùn)用Excel 2003、SPSS 22.0軟件進(jìn)行線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)[3]、累積距平等方法[4]、Mann-Kendall檢驗(yàn)法[1](簡(jiǎn)稱(chēng)M-K檢驗(yàn))等現(xiàn)代氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)分析方法[5-16]對(duì)嶗山區(qū)的氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度時(shí)間序列進(jìn)行分析，以期找出其演變的特征與規(guī)律。

2 嶗山區(qū)氣溫、降水、日照、相對(duì)濕度統(tǒng)計(jì)特征

51年來(lái)嶗山區(qū)多年平均氣溫為12.9 ℃。最暖的年份為2014年，平均氣溫為14.7 ℃；最冷的年份為1977年，平均氣溫為11.3 ℃，一年四季中夏季氣溫最高，多年平均氣溫為24.2 ℃；冬季最低多年平均氣溫為0.3 ℃；春季、秋季多年平均氣溫分別為11.9、12.9 ℃(表1)。

表1 1965～2015年嶗山區(qū)季、年平均氣溫℃

51年來(lái)嶗山區(qū)降雨量多年平均值為665.9 mm。年際差異較大，其中1975年最多，為1425.2 mm,1981年最低，僅273.2 mm,四季中夏季降雨量最多平均為389.6 mm,占全年的58.5%；冬季最少平均為29.9 mm,僅占全年的4.9%；春季和秋季多年平均分別為104.3和138.3 mm,分別占全年的15.7%和20.9%(表2)。

表2 1965～2015年嶗山區(qū)季、年降雨量mm

51年來(lái)嶗山區(qū)日照時(shí)數(shù)多年平均值為2291.8 h，最大值1997年為2615.6 h,最小值2003年為1668.3 h，四季中多年平均春季最多，為689.2 h，占全年的30.1%；冬季最少，平均為409.2 h，占全年的17.8%；夏季和秋季日照比較接近分別為600.2和594.7 h，分別占全年的26.2%和25.9%(表3)。

表3 1965～2015年嶗山區(qū)季、年日照時(shí)數(shù)h

51年來(lái)嶗山區(qū)相對(duì)濕度多年平均值為67.8%。1979年最大值為73.2%，2011年最小值為55.9%；四季中夏季最高多年平均為79.2%，冬季最低為61.9%，春季和秋季分別為62.1%和67.9%(表4)。

表4 1965～2015年嶗山區(qū)季、年相對(duì)濕度%

上述分析結(jié)果表明，嶗山區(qū)氣候呈現(xiàn)四季分明、雨熱同步的特征。

3 嶗山區(qū)氣溫、降雨、日照、相對(duì)濕度的年度變化趨勢(shì)

嶗山區(qū)51年溫度、降水、相對(duì)濕度、日照氣象要素的年度變化趨勢(shì)參見(jiàn)圖1。

由圖1可知，嶗山區(qū)1965～2015年間，年平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢(shì)，年日照時(shí)數(shù)、年相對(duì)濕度均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢(shì)，而年降雨量呈下降趨勢(shì)，線(xiàn)性趨勢(shì)不顯著，降雨、日照、相對(duì)濕度的年際差異較大，波動(dòng)較大。

為了定量分析嶗山區(qū)溫度、降雨、日照與相對(duì)濕度時(shí)間序列的變化趨勢(shì)，運(yùn)用線(xiàn)性?xún)A向估計(jì)，建立年及春、夏、秋、冬四季平均氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)、平均相對(duì)濕度隨時(shí)間變化的一元回歸方程：

y(t)=a+b(t)

上式中，y為氣象要素，t為時(shí)間(單位：a)，a為常數(shù)項(xiàng)，b為線(xiàn)性趨勢(shì)項(xiàng)，10b表征每10年各氣象要素隨時(shí)間變化的傾向率，如果b>0,表示呈上升趨勢(shì)，b<0，則表示氣象要素呈下降趨勢(shì)。由上式計(jì)算得到的嶗山區(qū)年、季平均氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度變化傾向率匯總表列于表5。

由表5結(jié)果表明：自1965年以來(lái)，嶗山區(qū)春、夏、秋、冬四季以及年度平均氣溫都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)并且都通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，秋季變化最大為0.063，夏季最小為0.034，變化率絕對(duì)值由大到小依次為秋季>冬季>春季>全年>夏季；嶗山區(qū)年降雨量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，各季降雨量出現(xiàn)分化，其中夏季和秋季呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而冬季和春季表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。年、季降雨量都沒(méi)有通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，年度和各季降雨量的上升和下降趨勢(shì)都不顯著。夏季下降最多為-1.629 mm/10 a，春季降雨量偏多為0.243 mm/10 a；年日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)，年變化率為-7.944 h/10 a，各季日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中夏季下降趨勢(shì)明顯變化率為-3.137 h/10 a，年、春、夏、秋季變化趨勢(shì)都通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，冬季日照下降不顯著。日照時(shí)數(shù)變化率的絕對(duì)值有大到小依次為全年>夏季>秋季>春季>冬季；年、季平均相對(duì)濕度均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，秋季下降最大變化率為-0.236%/10 a，冬季下降最小為-0.095%/10 a，冬季下降不顯著，年、春、夏、秋季相對(duì)濕度都通過(guò)了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，相對(duì)濕度變化率絕對(duì)值由大到小依次為秋季>夏季>全年>春季>冬季。

圖1 嶗山區(qū)氣溫、降雨、日照、相對(duì)濕度的年度變化趨勢(shì)表5 1965～2015年嶗山區(qū)各氣象要素季、年氣候變化傾向率

氣象要素冬季春季夏季秋季全年平均氣溫0.060*0.055*0.034*0.063*0.054*降雨量0.7800.243-1.629-0.364-1.480日照時(shí)數(shù)-1.070-1.373*-3.137*-2.330*-7.944*相對(duì)濕度-0.095-0.150*-0.183*-0.236*-0.164*

注：*表示通過(guò)了α=0.05的信度檢驗(yàn)。

4 各氣象要素的階段性變化

累計(jì)距平曲線(xiàn)反映了氣象要素隨時(shí)間變化增加與降低，長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)反映了氣象要素的長(zhǎng)期演變趨勢(shì)，曲線(xiàn)上的微小變化反映了氣象要素的短期波動(dòng)(圖2)。利用累計(jì)距平分析法進(jìn)行分析，嶗山區(qū)1965～2015年氣溫序列分析表明：1965～1988年前后平均氣溫偏低，氣溫波動(dòng)上升，但是都為負(fù)距平。1989～1996年前后，氣溫在距平值上下波動(dòng)，1997～2015年平均氣溫為正距平，氣溫波動(dòng)升高，氣候變暖。年降雨量序列分析表明，1975、1970、2007和1985年為多雨期，1981年降雨量最低，降雨量年際波動(dòng)較大，其中32年降雨量為負(fù)距平，占比為62.7%。年日照時(shí)數(shù)序列分析表明，1965～1970年日照偏多，1974～2001年日照時(shí)數(shù)在距平值附近上下波動(dòng)，自2002～2015年日照呈現(xiàn)下降趨勢(shì)且2002～2008年日照時(shí)數(shù)最低，這可能與冬春季的霧霾天氣日數(shù)明顯增多有一定的關(guān)聯(lián)。年相對(duì)濕度序列分析表明，1965～1979年相對(duì)濕度偏高，1980～2000年前后相對(duì)濕度在距平值上下波動(dòng)，總體變化較為平穩(wěn)，2001～2015年相對(duì)濕度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中2011年為最低值，查閱氣象資料表明：2011年嶗山區(qū)從冬季到春季發(fā)生了嚴(yán)重干旱，長(zhǎng)達(dá)153 d沒(méi)有降雨。

5 各氣象要素的突變分析

Mann-Kendall方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)法。此方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常數(shù)值的干擾，更適合于順序變量和類(lèi)型變量，計(jì)算比較簡(jiǎn)便，并可以確定突變開(kāi)始的時(shí)間和突變的區(qū)域，是一種常見(jiàn)的突變檢驗(yàn)方法。

用Mann-Kendall方法分別對(duì)嶗山區(qū)氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度時(shí)間序列做突變檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)各季和全年的降雨量、冬季的日照時(shí)數(shù)、冬季的相對(duì)濕度不存在突變現(xiàn)象，溫度、濕度和日照時(shí)數(shù)都存在明顯的突變現(xiàn)象。

圖2 嶗山區(qū)1965～2015年氣溫、降雨量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度累計(jì)距平曲線(xiàn)

由氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)的年UF、UB曲線(xiàn)可見(jiàn)，1965～1972年嶗山區(qū)的年平均氣溫持續(xù)下降，從1973年開(kāi)始?xì)鉁刂饾u上升，且增溫明顯，1991年以來(lái)增溫尤為顯著，1988年前后出現(xiàn)了突變，年平均氣溫突然上升，20世紀(jì)90年代以后升溫更加明顯，經(jīng)歷了由偏冷向偏暖趨勢(shì)轉(zhuǎn)變，進(jìn)入了一個(gè)相對(duì)變暖的氣候狀態(tài)，各季節(jié)的氣溫突變發(fā)生的時(shí)間分別為：冬為1990年前后、春季1993年前后、夏季1997年前后、秋季為1989年前后(圖3)。

由日照時(shí)數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)的年UF、UB曲線(xiàn)可見(jiàn)，嶗山區(qū)1966～1968年、1985～1997年日照時(shí)數(shù)呈增加的趨勢(shì)，1969～1997年、1998～2015年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，2003年以來(lái)顯著減少，說(shuō)明嶗山區(qū)的日照時(shí)數(shù)減少的趨勢(shì)及其顯著。UF曲線(xiàn)和UB曲線(xiàn)的交點(diǎn)在1972年前后，日照時(shí)數(shù)開(kāi)始突變減少，各季的突變時(shí)間分別為春季1973年前后、夏季1993年前后、秋季為1998年前后(圖4)。

根據(jù)相對(duì)濕度Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)的年UF、UB曲線(xiàn)可知，1965～1967年、1969～1977年，嶗山區(qū)年相對(duì)濕度呈上升趨勢(shì)，自1979年以來(lái)，相對(duì)濕度下降趨勢(shì)十分顯著，自20世紀(jì)90年代以來(lái)由于氣溫上升，飽和水氣壓增大，使得相對(duì)濕度迅速下降，UF曲線(xiàn)與UB曲線(xiàn)在1992年前后相交，說(shuō)明年相對(duì)濕度下降是一種突變，1996年下降趨勢(shì)更加顯著，各季節(jié)相對(duì)濕度突變發(fā)生的時(shí)間各有差異，春季在2001年前后、夏季在1991年前后、秋季在1985年前后(圖5)。

以上氣溫、日照時(shí)數(shù)和相對(duì)濕度發(fā)生突變的情況與表5回歸分析得出的結(jié)論是一致的。氣候變化趨勢(shì)一般可以分為4種基本類(lèi)型：暖干型、暖濕型、冷干型和冷濕型[12]。綜上所述，1965～1979年前后，氣溫波動(dòng)上升但是為負(fù)距平，降雨量偏多、濕度較大表現(xiàn)為冷濕型氣候；1980年以來(lái)尤其是1990年以后，平均氣溫顯著升高，降雨量偏少、相對(duì)濕度偏少，嶗山區(qū)全年及夏季、秋季為表現(xiàn)為暖干型氣候，冬季和春季為暖濕型氣候，青島市嶗山區(qū)的這種氣候特點(diǎn)比較適合在夏秋季節(jié)旅游度假。

6 小結(jié)

通過(guò)以上線(xiàn)性?xún)A向分析、累計(jì)距平和突變檢驗(yàn)分析可知，在全球氣候變暖的大背景下，嶗山區(qū)的氣候也再發(fā)生明顯的變化。其主要變化特征如下：

(1)51年來(lái)，青島市嶗山區(qū)的年和春夏秋冬四季平均氣溫都表現(xiàn)為顯著性上升趨勢(shì)，1988年前后年平均氣溫發(fā)生突變，氣溫明顯升高，春、夏、秋、冬四季在20世紀(jì)90年代以后升溫趨勢(shì)更加顯著，但是年平均增溫速率為0.054 ℃/10 a，低于我國(guó)和北半球同期平均速率(0.22/10 a、0.13/10 a)，也與我國(guó)近100年的增溫主要發(fā)生在冬季和春季，夏季變化不明顯存在差異[1]。

(2)51年來(lái)，嶗山區(qū)年降雨量表現(xiàn)為下降的趨勢(shì)，其中夏季和秋季呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而冬季和春季表現(xiàn)為上升趨勢(shì)。而年度和各季降水量變化趨勢(shì)都不顯著，無(wú)明顯線(xiàn)性變化趨勢(shì)，但是年際波動(dòng)較大，這與我國(guó)近50年來(lái)華北、山東半島等降雨日數(shù)、降雨量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)的結(jié)論是一致的[1]。

粗虛線(xiàn)為α=0.05顯著性水平臨界值。下同。圖3 嶗山區(qū)氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)

圖4 嶗山區(qū)日照時(shí)數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)

圖5 嶗山區(qū)相對(duì)濕度Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)量曲線(xiàn)

(3)51年來(lái)，嶗山區(qū)年日照時(shí)數(shù)在波動(dòng)中明顯下降，年線(xiàn)性?xún)A向率為-7.944 h/10 a,冬季下降趨勢(shì)不顯著，春季、夏季和秋季的日照時(shí)數(shù)顯著下降。年日照時(shí)數(shù)在1972年前后發(fā)生了突變，日照時(shí)數(shù)顯著減少，20世紀(jì)90年代后期減少幅度更加明顯。

(4)嶗山區(qū)年和春、夏、秋季平均相對(duì)濕度呈顯著下降趨勢(shì)，1993年前后年相對(duì)濕度發(fā)生了突變現(xiàn)象，下降趨勢(shì)尤其明顯，與同期平均氣溫升高顯著相關(guān)。

綜上所述，51年來(lái)，嶗山區(qū)的氣候由于受大陸性季風(fēng)氣候和海洋性氣候的共同影響，表現(xiàn)為四季分明，雨熱同步。嶗山區(qū)平均氣溫顯著升高，但降溫幅度較低，降水量下降不顯著，年際差別較大，日照時(shí)數(shù)顯著減少，平均相對(duì)濕度顯著降低，總體來(lái)看在1965～1979年前后，嶗山區(qū)氣候主要表現(xiàn)為冷濕型氣候；1980年以來(lái)尤其是1990年以后，嶗山區(qū)全年及夏季、秋季表現(xiàn)為暖干型氣候，冬季和春季表現(xiàn)為暖濕型氣候。