安康氣象站1953-2016年氣溫變化特征研究

王 朋, 張蓓蓓

(寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西省災(zāi)害監(jiān)測(cè)與機(jī)理模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 寶雞 721013)

1 研究背景

氣侯變化是指氣候在過(guò)去百年或千年時(shí)間尺度內(nèi)波動(dòng)變化，氣溫是氣候變化的重要指標(biāo)之一[1-2]。自工業(yè)革命以后，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人口急劇增加，人類對(duì)地球資源開(kāi)發(fā)力度進(jìn)一步加大，氣候系統(tǒng)發(fā)生了前所未有的變化[3]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，1880-2012年全球平均溫度升高了0.85℃，2016-2035年全球平均溫度將會(huì)升高 0.3～0.7℃[4-5]。全球氣溫升高使得局地降水等氣候要素發(fā)生變化，對(duì)人類社會(huì)發(fā)展和生態(tài)系統(tǒng)平衡構(gòu)成潛在威脅。

在全球氣候變暖的背景下，區(qū)域氣溫年代際變化特征及其成因是當(dāng)前學(xué)術(shù)界熱點(diǎn)研究問(wèn)題[6-7]。姚俊強(qiáng)等[8]認(rèn)為過(guò)去的130年里中亞干旱區(qū)各主要河流平均溫度上升趨勢(shì)明顯，而CO2等溫室氣體增溫效應(yīng)是其溫度變化的重要因素。商沙沙等[9]認(rèn)為西北地區(qū)近54年年均氣溫上升趨勢(shì)明顯，四季中冬季增溫幅度最大。李雙雙等[10]認(rèn)為1970-2015年秦嶺南北地區(qū)氣溫具有上升的一致性，在空間變化上，氣溫呈現(xiàn)南北分異的特征。劉永婷等[11]認(rèn)為安徽省近55年氣候呈現(xiàn)暖化趨勢(shì)，春季升溫最顯著，年平均氣溫存在6、11 a變化周期。張宏芳等[12]認(rèn)為過(guò)去112年陜西平均氣溫空間變化具有一致性，存在2～4 a和16 a左右的年際變化周期。

本文依據(jù)安康氣象站1953-2016年逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)，利用滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法、Morlet小波分析法，分析安康地區(qū)年均氣溫、四季氣溫以及年極端氣溫的變化特征，以期為該地合理利用氣候資源發(fā)展農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和氣候分析預(yù)測(cè)等提供參考依據(jù)。

2 材料與方法

安康地處陜西省東南部，秦巴山地東段。位于108°01′～110°01′E與31°42′～33°49′N之間，北依秦嶺，南靠巴山。轄1區(qū)9縣，面積約為24 500 km2。其地貌呈現(xiàn)南北高山夾峙，河谷盆地居中的特點(diǎn)，以漢江為界，分為兩大地域，北為秦嶺，南為大巴山地，境內(nèi)群山疊嶂，河流密布，溝谷縱橫，山間盆地星羅棋布。屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷少雨，無(wú)霜期長(zhǎng)。年平均降水量1 050 mm，降雨集中每年6-9月，多年平均氣溫15～17℃，多山地形分布使得垂直地域性氣候明顯。

文中數(shù)據(jù)資料來(lái)自“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”( http://cdc.cma.gov.cn) 中安康站的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文采用了 1953-2016年近 64 年逐月氣溫作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。季節(jié)時(shí)段按氣象部門標(biāo)準(zhǔn)劃分， 3、4、5 月為春季,6、7、8 月為夏季,9、10、11 月為秋季， 12、1、 2 月為冬季。利用滑動(dòng)平均法、Mann-Kendall突變法檢驗(yàn)法、Morlet小波法等方法對(duì)安康地區(qū)近64年氣溫變化特征進(jìn)行了分析?；瑒?dòng)平均法是以平均方式消除統(tǒng)計(jì)序列中的隨機(jī)波動(dòng)，用平均值來(lái)顯示時(shí)間序列的變化趨勢(shì)[13]；Mann-Kendall突變檢驗(yàn)通過(guò)分析統(tǒng)計(jì)序列UFk和UBk，揭示時(shí)間序列x的趨勢(shì)變化和突變特征，若UFk值大于0并超過(guò)臨界直線時(shí)，則表明序列呈顯著上升趨勢(shì)，反之呈下降趨勢(shì)；在臨界直線之間UFk和UBk出現(xiàn)交點(diǎn)，則認(rèn)為序列發(fā)生突變，交點(diǎn)就是突變的開(kāi)始時(shí)間[14-15]；Morlet小波通過(guò)計(jì)算時(shí)間序列的頻率特征，從而揭示隱藏在時(shí)間序列中的多種變化周期，反映序列在不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)。小波方差隨時(shí)間尺度的變化過(guò)程稱為小波方差圖，可用來(lái)確定序列中不同尺度擾動(dòng)的相對(duì)強(qiáng)度和在時(shí)間尺度上的周期變化[16]。

3 結(jié)果分析

3.1 氣溫年代際變化

由圖1安康地區(qū)近64年年均氣溫和5 a滑動(dòng)平均曲線可知，近64年多年平均氣溫為15.8℃，年均最高氣溫在2016年，為17.1℃，年均最低氣溫在2005年，為14.9℃。年均氣溫在1953-1959年、1968-1977年、1986-1998年、2004-2016年間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1960-1967年、1978-1985年、1999-2003年間呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。由年均氣溫?cái)M合趨勢(shì)線可知，年均氣溫線性趨勢(shì)傾向率為0.089℃/10a，表明安康地區(qū)近64年年均氣溫上升趨勢(shì)顯著。

圖1 安康地區(qū)近64年年均氣溫變化

3.2 不同季節(jié)氣溫年代際變化

由圖2安康地區(qū)近64年不同季節(jié)平均氣溫和5年滑動(dòng)平均曲線可知，春季多年平均氣溫為16.0℃，最高氣溫發(fā)生在2000年，為18.1℃，最低氣溫在1993年，為14.8℃。春季氣溫在1953-1978年、1990-2016年間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，在1979-1989年間呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。夏季多年平均氣溫為26.3℃，最高氣溫發(fā)生在1959年，為28.7℃，最低氣溫在1983年，為24.2℃。夏季氣溫在1953-1966年、1990-1998年、2006-2016年間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，在1967-1989年、1999-2005年間呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。秋季多年平均氣溫為16.0℃，最高氣溫發(fā)生在1998年，為17.9℃，最低氣溫在1981年，為14.3℃。秋季氣溫在1968-1975年、1982-1987年、1993-2016年間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1953-1967年、1976-1981年、1988-1992年間呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。冬季多年平均氣溫為4.8℃，最高氣溫發(fā)生在1979年，為6.5℃，最低氣溫發(fā)生在1969年，為3.1℃。冬季氣溫在1953-1963年、1985-1999年、2006-2016年間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1964-1984年、2000-2005年間呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。由擬合趨勢(shì)線可知，春季氣溫線性趨勢(shì)傾向率為0.156℃/10a，夏季氣溫線性趨勢(shì)傾向率為-0.076℃/10a，秋季氣溫線性趨勢(shì)傾向率為0.105℃/10a，冬季氣溫線性趨勢(shì)傾向率為0.169℃/10a，表明安康地區(qū)近64年春季和冬季平均氣溫上升趨勢(shì)明顯，秋季呈微弱上升趨勢(shì)，夏季呈微弱下降趨勢(shì)。

3.3 極端氣溫年代際變化

由圖3安康地區(qū)近64年年極端氣溫和5a滑動(dòng)平均曲線可知，極端最高氣溫多年平均值為39℃，極大值出現(xiàn)在1966年，為41.7℃，極小值出現(xiàn)在1987年，為35.7℃。極端最高氣溫在1953-1966年、1988-1995年、2009-2016年間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，在1967-1987年、1996-2008年間呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。極端最低氣溫多年平均值為-5.3℃，極大值出現(xiàn)在1996年，為-2.7℃，極小值出現(xiàn)在1991年，為-9.7℃。極端最低氣溫在1953-1968年、1978-1986年、1992-1996年間呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，1969-1977年、1987-1991年、1997-2016年間呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。由擬合趨勢(shì)線可知，年極端最高氣溫線性趨勢(shì)傾向率為-0.064℃/10a, 年極端最低氣溫線性趨勢(shì)傾向率為0.217℃/10a，表明安康地區(qū)近64年極端最高氣溫呈微弱下降趨勢(shì)，極端最低氣溫上升趨勢(shì)明顯。

圖2 安康地區(qū)近64年不同季節(jié)平均氣溫變化

圖3 安康地區(qū)近64年年極端氣溫變化

3.4 氣溫突變分析

3.4.1 年均溫突變分析 由圖4安康地區(qū)近64年年均氣溫Mann-Kendall突變曲線可知，UF曲線自2000年開(kāi)始大于0(α=0.05顯著水平，置信區(qū)間在 ±1.96)，并快速上升超過(guò)臨界曲線+1.96，表明該時(shí)段氣溫上升趨勢(shì)顯著。在置信區(qū)間內(nèi)UF和UB曲線交于2012年，UF值曲線在2015年超過(guò)臨界曲線+1.96，表明安康地區(qū)年均溫在2012開(kāi)始突變上升。

圖4 安康地區(qū)近64年年均氣溫Mann-Kendall突變分析

3.4.2 不同季節(jié)氣溫突變分析 由圖5安康地區(qū)近64年不同季節(jié)氣溫Mann-Kendall突變曲線可知，春季平均氣溫UF值曲線自2000年以后大于0，并快速上升，在2013年超過(guò)臨界曲線+1.96，在置信區(qū)間內(nèi)交于2006年、2008年、2011年，表明安康地區(qū)春季平均氣溫自2006年開(kāi)始突變上升。夏季平均氣溫UF值曲線自1976以后小于0，并且呈波動(dòng)下降，在1986年超過(guò)臨界曲線-1.96，在置信區(qū)間內(nèi)交于1973年，表明安康地區(qū)夏季平均氣溫自1973年開(kāi)始突變下降。秋季平均氣溫UF值曲線自1998年開(kāi)始大于0，并波動(dòng)上升，在2016年超過(guò)臨界曲線+1.96，在置信區(qū)間內(nèi)交于2010年，表明安康地區(qū)秋季平均氣溫自2010年開(kāi)始突變上升。冬季平均氣溫UF值曲線自1958年開(kāi)始大于0，并波動(dòng)上升，在1999年超過(guò)臨界曲線+1.96，在置信區(qū)間內(nèi)交于1992年，表明安康地區(qū)冬季平均氣溫自1992開(kāi)始突變上升。

3.4.3 極端氣溫突變分析 由圖6安康地區(qū)近64年極端氣溫Mann-Kendall突變曲線可知，年極端最高氣溫UF值曲線自1974年后小于0，并波動(dòng)下降，未超過(guò)臨界曲線，在置信區(qū)間內(nèi)交于1971年，表明安康地區(qū)極端最高氣溫自1971年開(kāi)始突變下降。年極端最低氣溫UF值曲線自1960年開(kāi)始大于0，并快速上升，在1989年超過(guò)臨界值曲線+1.96，在置信區(qū)間內(nèi)交于1963年，表明安康地區(qū)極端最低氣溫自1963年開(kāi)始突變上升。

圖5 安康地區(qū)近64年不同季節(jié)氣溫Mann-Kendall突變分析

3.5 氣溫周期分析

小波分析能夠較好地揭示地學(xué)中時(shí)間序列降水和氣溫多種變化周期以及不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)。利用MATlab軟件中的Morlet小波分析模塊，對(duì)安康地區(qū)氣溫變化周期進(jìn)行了分析。由圖7(a)和7(b)年均溫小波實(shí)部等值線圖和小波方差圖可知，安康地區(qū)近64年年均溫存在兩個(gè)振蕩周期，分別是18～25 a和28～32 a。18～25 a對(duì)應(yīng)小波方差峰值是23 a，28～32 a對(duì)應(yīng)小波方差峰值是31 a。表明安康地區(qū)近64年年均氣溫存在23 a和31 a兩個(gè)時(shí)間尺度的變化周期。

由圖7(c)和7(d)年極端最高溫小波實(shí)部等值線圖和小波方差圖可知，安康地區(qū)近64年年極端最高溫存在29～32 a一個(gè)振蕩周期，對(duì)應(yīng)小波方差峰值是31 a，表明安康地區(qū)近64年年極端最高溫存在31 a一個(gè)時(shí)間尺度的變化周期。

由圖7(e)和7(f)年極端最低溫小波實(shí)部等值線圖和小波方差圖可知，安康地區(qū)近64年年極端最低溫存在3個(gè)振蕩周期，分別是5～9、10～15、25～32 a，其中5～9 a對(duì)應(yīng)小波方差峰值是6 a，10～15 a對(duì)應(yīng)小波方差峰值是13 a，25～32 a對(duì)應(yīng)小波方差峰值是30 a，表明安康地區(qū)近64年極端最低氣溫存在6、13、30 a三個(gè)時(shí)間尺度的變化周期。31 a左右的周期是安康地區(qū)近64年年均氣溫、年極端最高氣溫和年極端最低氣溫的共振周期。

圖6 安康地區(qū)近64年年極端氣溫Mann-Kendall突變分析

圖7 安康地區(qū)近64年年均溫和極端氣溫小波分析

4 結(jié) 論

(1)安康地區(qū)近64年年均氣溫、秋季平均氣溫、年極端最低氣溫呈微弱上升趨勢(shì)，變化率分別為0.089 ℃/10 a、0.105 ℃/10 a、0.217℃/10 a，春季和冬季平均氣溫上升趨勢(shì)顯著， 變化率分別為0.156℃/10 a、0.169℃/10 a，夏季平均氣溫和年極端最高氣溫均呈微弱下降趨勢(shì)，變化率分別為-0.076℃/10 a、-0.064℃/10a。

(2)安康地區(qū)近64年年均溫自2012開(kāi)始突變上升，春季氣溫自2006年開(kāi)始突變上升，夏季氣溫自1973年開(kāi)始突變下降，秋季氣溫自2010年開(kāi)始突變上升，冬季氣溫自1992開(kāi)始突變上升，極端最高氣溫自1971年開(kāi)始發(fā)生下降，極端最低氣溫自1963年開(kāi)始突變上升。

(3)安康地區(qū)近64年年均溫存在23、31 a變化周期，極端最高溫存在31 a變化周期，極端最低氣溫存在6、13、30 a變化周期。31 a左右的周期是安康地區(qū)近64年年均氣溫、年極端最高氣溫和年極端最低氣溫的共振周期。