全球變暖背景下皖南氣象要素時(shí)序分析

石小芳，徐光來

(安徽師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，蕪湖 241000，安徽)

0 引言

氣候變化與人們生產(chǎn)生活緊密聯(lián)系著，近百年以來，受人為活動(dòng)及自然規(guī)律變化的共同影響，極端氣候事件的發(fā)生次數(shù)越來越多，對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了較大的影響，因而引起了社會(huì)有關(guān)領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者們的廣泛關(guān)注與研究[1-2]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告表明：從1880年到2012年，全球平均氣溫大約升高了0.85 ℃，這種變暖的趨勢(shì)在中國表現(xiàn)得更加明顯，中國1913年以來地表平均氣溫升高了0.91 ℃[3]。當(dāng)前氣候變暖問題是全球氣候變化給人類帶來的諸多問題中最具有挑戰(zhàn)性的一個(gè)，并且影響最為廣泛，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球氣候變化及其并發(fā)災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失在過去40年里升高了近10倍，其中氣象災(zāi)害造成的生命和財(cái)產(chǎn)損失占比71%[4-5]。氣溫和降水作為極端氣候事件的兩個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)其變化及變化規(guī)律的探究則成為研究重點(diǎn)。

皖南地區(qū)位于長江中下游地區(qū)的安徽省南部，主要由皖南沿江平原和皖南山區(qū)組成，以山地丘陵地形為主，在山地之間分布許多山間盆地，如屯溪和寧國盆地。氣候類型屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨，天氣變化多端。皖南地區(qū)在全國11個(gè)一級(jí)氣象地理區(qū)域中地跨江南地區(qū)和江淮地區(qū)[6]。該區(qū)氣候條件變化明顯，氣象災(zāi)害頻發(fā)，尤其是沿江地區(qū)[7]。以皖南地區(qū)代表站點(diǎn)的觀測(cè)氣象數(shù)據(jù)為對(duì)象，研究近62年氣候變化趨勢(shì)和突變特征，可為應(yīng)對(duì)氣候變化措施和區(qū)域可持續(xù)發(fā)展提供理論參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

所使用的氣候要素觀測(cè)數(shù)據(jù)資料均來源于氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://data.cma.cn)。選取皖南4個(gè)代表站點(diǎn)1957—2018年各月的平均氣溫，平均降水量，平均氣壓，平均相對(duì)濕度和日照時(shí)數(shù)等氣象資料，分別是蕪湖氣象站(118.37 E，31.33 N)，海拔14.8 m，寧國氣象站(118.98 E，30.62 N)，海拔89.4 m，黃山(118.15 E，30.13 N)，海拔1 840.4 m，屯溪(118.28 E，29.72 N)，海拔142.7 m。由于所研究的站點(diǎn)少數(shù)月份數(shù)據(jù)資料的缺失，為了使資料完整，數(shù)據(jù)連續(xù)，主要采用線性內(nèi)插法對(duì)缺測(cè)資料進(jìn)行填補(bǔ)。原始數(shù)據(jù)通過預(yù)處理方法統(tǒng)計(jì)得出年均氣溫(1—12月)，季節(jié)分析的時(shí)間跨度劃分是春季 (3—5月)、夏季(6—8月)、秋季 (9—11月)、冬季 (12月至次年2月)，2018年冬季的數(shù)據(jù)資料是到2019年2月[8]。

1.2 線性回歸趨勢(shì)分析

(1)

(2)

1.3 Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法

Mann-Kendall (M-K)是一種檢驗(yàn)氣溫突變情況的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)的突變檢驗(yàn)法[10]。其原理如下：

構(gòu)造一個(gè)含有n個(gè)時(shí)間序列的樣本量秩序列：

(3)

(4)

秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值時(shí)，累加數(shù)值的個(gè)數(shù)。定義統(tǒng)計(jì)量UFk和UBk：

(5)

UFk是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，通常顯著性水平α定為0.05，則臨界值U0.05=±1.96。若UFk和UBk曲線在臨界值線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，則其所對(duì)應(yīng)的時(shí)間或年份就是突變開始的時(shí)間。

2 結(jié)果分析

2.1 氣溫變化特征

皖南地區(qū)4個(gè)代表站點(diǎn)年平均氣溫有顯著增溫趨勢(shì)。由圖1可知，蕪湖、黃山、寧國和屯溪的多年平均氣溫傾向率分別為0.25、0.24、0.21和0.22 ℃·10 a-1。從圖1中曲線變化的趨勢(shì)看，該地區(qū)氣溫增溫主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代末期和21世紀(jì)初。對(duì)比分析4個(gè)代表站點(diǎn)的季節(jié)線性傾向率(表1)，不同站點(diǎn)的變化特征差異明顯，蕪湖、寧國和屯溪的季節(jié)氣溫變化相似，春季增溫最快，夏季升溫較小，尤其是蕪湖春季增溫率達(dá)0.4 ℃·10 a-1，明顯高于皖南地區(qū)平均氣溫增速，除了蕪湖和寧國夏季氣溫變化不顯著外，春、秋、冬季都通過α=0.01顯著性水平檢驗(yàn)，對(duì)黃山增溫貢獻(xiàn)率最大的季節(jié)是冬季。

皖南代表站點(diǎn)的年際和季節(jié)突變檢驗(yàn)(表1)中可知，4個(gè)代表站點(diǎn)的多年平均氣溫以及春、秋、冬季都有發(fā)生突變，寧國、屯溪和皖南地區(qū)的夏季氣溫沒有明顯的突變時(shí)間，說明該地區(qū)近62年夏季氣溫沒有突變性升溫。分析4個(gè)季節(jié)發(fā)生突變的時(shí)間順序由早到晚依次是冬季、秋季、春季和夏季(蕪湖和黃山)，并且冬季比春季突變?cè)?0年發(fā)生，即冬季突變對(duì)增溫的貢獻(xiàn)率更大。

注：(e)～(h)中實(shí)線為UF曲線，長虛線為UB曲線，下同。圖 1 皖南代表站點(diǎn)氣溫年際變化趨勢(shì)及Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線Figure 1 Inter-annual variation tendency and Mann-Kendall test curve of temperature at representative stations in southern Anhui

區(qū)域春季傾向率突變時(shí)間夏季傾向率突變時(shí)間秋季傾向率突變時(shí)間冬季傾向率突變時(shí)間蕪湖0.40??1990年??0.112001年?0.24??1989年??0.24??1986年??黃山0.24??2001年?? 0.14??1996年??0.28??1995年??0.32??1988年??寧國0.30??1997年??0.07不明顯 0.24??1998年??0.24??1991年??屯溪0.27??2003年??0.12?不明顯0.27??1999年??0.24??1991年??

注：**、*分別表示0.01、0.05顯著性水平檢驗(yàn)，下同。

2.2 降水量變化特征

皖南代表站點(diǎn)中屯溪年降水量呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，傾向率為52.08 mm·10 a-1，且達(dá)到0.05顯著性水平(圖2d)，屯溪降水明顯增加的原因可能與盆地地形、氣溫上升、對(duì)流增強(qiáng)和降水增加明顯有關(guān)。蕪湖、黃山和寧國年降水量均沒有達(dá)到顯著的增加趨勢(shì)，年際之間的降水量差異大，最大值與最小值之間相差1 500 mm，易形成旱澇災(zāi)害。表2對(duì)降水量按季節(jié)分析，春秋季降水量除屯溪春季(1.13 mm·10 a-1)呈微弱的升高趨勢(shì)外，都表現(xiàn)為不同幅度的減少趨勢(shì)，春秋季均沒有通過α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)，說明皖南春季和秋季降水減少的趨勢(shì)不明顯；夏季和冬季降水量都呈增加趨勢(shì)，其中寧國、屯溪、皖南地區(qū)和蕪湖冬季都通過了顯著性水平檢驗(yàn)，即夏冬季降水量增加明顯。

代表站點(diǎn)各自突變特征不同，年際突變中只有屯溪在2004年發(fā)生突變，直到2015年達(dá)到顯著性水平(圖2h)。季節(jié)突變主要出現(xiàn)在夏季和冬季，蕪湖只有冬季出現(xiàn)突變情況，突變發(fā)生在1989年，黃山和屯溪僅在夏季發(fā)生突變，寧國的夏季和冬季降水量都發(fā)生突變，分別在2007年和1995年。

圖 2 皖南代表站點(diǎn)降水量年際變化趨勢(shì)及Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線Figure 2 Inter-annual variation tendency and Mann-Kendall test curve of precipitation at representative stations in southern Anhui

區(qū)域春季傾向率突變時(shí)間夏季傾向率突變時(shí)間秋季傾向率突變時(shí)間冬季傾向率突變時(shí)間蕪湖-8.78不明顯34.62不明顯-3.44不明顯13.44??1989年??黃山-12.72不明顯42.722007年?-10.86不明顯9.70不明顯寧國-11.02不明顯34.62?2007年?-5.86不明顯12.53??1995年?屯溪1.13不明顯44.35?1969年??-3.25不明顯13.52?不明顯

2.3 氣壓變化特征

皖南不同站點(diǎn)的氣壓變化趨勢(shì)差異較大。圖3中蕪湖和黃山的多年平均氣壓有顯著上升趨勢(shì)，傾向率分別為0.14 hPa·10 a-1和0.18 hPa·10 a-1；寧國和屯溪的氣壓呈顯著下降趨勢(shì)，下降幅度比蕪湖和黃山略小，線性傾向率分別為-0.12 hPa·10 a-1和-0.09 hPa·10 a-1，4個(gè)代表站點(diǎn)均達(dá)到0.05顯著性水平。

分析表3發(fā)現(xiàn)，影響各地氣壓變化的主導(dǎo)季節(jié)不同，蕪湖和黃山氣壓上升幅度最高的是冬季，其次是夏季，黃山四季氣壓都有明顯的增加趨勢(shì)，均通過顯著性檢驗(yàn)；寧國和屯溪的氣壓下降主要受春季和秋季氣壓變化影響。蕪湖和黃山的多年平均氣壓分別在2005年和2012年出現(xiàn)了突變(圖3 e～f)；根據(jù)表3得到，對(duì)蕪湖和黃山氣壓變化貢獻(xiàn)主要在夏季和秋季。圖3 g～h中UF曲線值波動(dòng)變化，但始終沒有超過1.96，說明寧國和屯溪年平均氣壓沒有突變性上升趨勢(shì)。

2.4 日照時(shí)數(shù)變化特征

從皖南地區(qū)及代表站點(diǎn)的日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)來看，年際變化有顯著地減少趨勢(shì)(P<0.01)。皖南地區(qū)日照時(shí)數(shù)的線性傾向率為-61.6 h·10 a-1，多年平均日照減少幅度最大的站點(diǎn)是寧國(-79.49 h·10 a-1)，減小幅度最小的站點(diǎn)是黃山(-39.14 h·10 a-1)。根據(jù)表4發(fā)現(xiàn)，蕪湖、寧國和屯溪的夏秋冬季日照都有明顯的減少趨勢(shì)，尤其在夏季日照減少最多，春季日照除了屯溪有微弱的下降(-0.52 h·10 a-1)，其他站點(diǎn)都有不同程度增加趨勢(shì)，但都未達(dá)到0.05顯著性水平，即春季日照增加并不明顯。

圖 3 皖南代表站點(diǎn)平均氣壓年際變化趨勢(shì)及Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線Figure 3 Inter-annual variation tendency and Mann-Kendall test curve of average pressure at representative stations in southern Anhui

區(qū)域春季傾向率突變時(shí)間夏季傾向率突變時(shí)間秋季傾向率突變時(shí)間冬季傾向率突變時(shí)間蕪湖0.07不明顯0.19?? 1972年??0.09不明顯0.24??不明顯黃山0.19??不明顯0.16??不明顯0.12? 1965年?0.17??不明顯寧國-0.17??不明顯-0.06不明顯-0.2??不明顯-0.06不明顯屯溪-0.14??不明顯-0.03不明顯-0.15??不明顯-0.002不明顯

從圖4和表4的M-K檢驗(yàn)可知，近62年皖南地區(qū)日照時(shí)數(shù)有明顯的突變時(shí)間，突變發(fā)生在1982年，到1989年達(dá)到顯著性水平。4個(gè)代表站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)均出現(xiàn)了突變，屯溪日照的年際突變最早，出現(xiàn)在1973年，黃山和蕪湖的日照突變發(fā)生相對(duì)較晚，出現(xiàn)在1990s。分析季節(jié)突變檢驗(yàn)，春季沒有明顯突變發(fā)生，除黃山的秋冬季日照沒有發(fā)生突變外，蕪湖、寧國和屯溪的夏秋冬3個(gè)季節(jié)均發(fā)生了突變，并且夏季突變?cè)缬谇锒?，說明夏季日照的突變對(duì)皖南日照變化的貢獻(xiàn)率更大。

2.5 相對(duì)濕度變化特征

近62年以來蕪湖、寧國和屯溪平均相對(duì)濕度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，線性傾向率分別為-0.71%·10 a-1、-0.56%·10 a-1和-0.37%·10 a-1(P<0.05)，從圖5平均相對(duì)濕度的變化曲線看，21世紀(jì)以前平均相對(duì)濕度波動(dòng)下降的幅度較小，整體上相對(duì)穩(wěn)定，21世紀(jì)以來平均相對(duì)濕度波動(dòng)變化幅度急劇增大，明顯呈下降趨勢(shì)；黃山平均相對(duì)濕度有明顯的上升變化，增加幅度為0.33%·10 a-1(R2=0.067 5，P=0.041)。

表 4 皖南代表站點(diǎn)季節(jié)日照時(shí)數(shù)變化傾向率(h·10 a-1)及突變時(shí)間Table 4 Change tendency and catastrophe of seasonal sunshine duration at representative stations in southern Anhui

通過對(duì)比表5皖南季節(jié)平均相對(duì)濕度線性傾向率發(fā)現(xiàn)，皖南春季平均相對(duì)濕度都表現(xiàn)出下降趨勢(shì)(P<0.05)，夏季、秋季、冬季平均相對(duì)濕度僅蕪湖夏季、寧國秋季和黃山的夏冬季節(jié)變化明顯，黃山冬季平均相對(duì)濕度增加幅度比春季濕度下降幅度大，說明冬季相對(duì)濕度變化對(duì)黃山濕度變化的貢獻(xiàn)率最大。

蕪湖多年平均相對(duì)濕度在1996年發(fā)生突變，M-K檢驗(yàn)圖中UF曲線值到2012年超過臨界值達(dá)到顯著性水平(圖5e)。季節(jié)突變檢驗(yàn)除黃山突變出現(xiàn)在夏季(1975年)和冬季(2003年)外，其他站點(diǎn)季節(jié)突變只發(fā)生在春季，表明春季相對(duì)濕度有顯著的突變性降低趨勢(shì)。

圖 5 皖南代表站點(diǎn)相對(duì)濕度年際變化趨勢(shì)及Mann-Kendall檢驗(yàn)曲線Table 5 Inter-annual variation tendency and Mann-Kendall test curve of relative humidity at representative stations in southern Anhui

區(qū)域春季傾向率突變時(shí)間夏季傾向率突變時(shí)間秋季傾向率突變時(shí)間冬季傾向率突變時(shí)間蕪湖-1.52??1987年??-0.45?不明顯-0.44不明顯-0.26不明顯黃山-0.60?不明顯0.60?? 1975年??0.43不明顯1.12? 2003年?寧國-1.22??1999年??-0.35不明顯-0.58??不明顯0.05不明顯屯溪-0.92??1989年??-0.26不明顯-0.37不明顯0.16不明顯

3 結(jié)果與討論

表 6 皖南地區(qū)及周邊地區(qū)氣溫和降水量的變化幅度Table 6 Changes of temperature and precipitation in southern Anhui and its adjacent regions

地區(qū)時(shí)間段增溫幅度/(℃·10 a-1)降水量傾向率/(mm·10 a-1)河南省1961—2014年0.18-7.62[14]山東省1961—2012年0.25-16.00[15]江蘇省1960—2012年0.275.36[16]浙江省1957—2012年0.158.98[17]湖北省1970—2013年0.30-16.16[18]江西省1961—2012年0.169.98[19]安徽省1961—2015年0.2016.70[20]皖南地區(qū)1957—2018年0.2332.24(本文)長江中下游地區(qū)1951—2016年0.11-33.87[21]

通過對(duì)1957—2018年皖南地區(qū)氣象要素變化趨勢(shì)分析可得，皖南氣溫、降水量和氣壓變化呈上升趨勢(shì)，但降水量和氣壓上升趨勢(shì)不顯著，與周邊省份和地區(qū)的研究相比(表6)，皖南平均氣溫低于山東省、江蘇省和湖北省，高于河南省、浙江省、江西省和長江中下游地區(qū)；年降水量各省份差異較大，皖南地區(qū)降水變化幅度明顯高于周邊地區(qū)，與皖南地形以山地丘陵為主，地形較復(fù)雜的影響有關(guān)。

近62年以來，影響氣溫升高的因素包括自然和人類活動(dòng)兩方面，皖南地區(qū)平均氣溫在20世紀(jì)90年代后增溫尤為明顯，人類工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫室氣體排放，固體顆粒物和大量氣溶膠增加以及熱島效應(yīng)的影響[11-12]。土地利用變化城鎮(zhèn)建設(shè)范圍擴(kuò)大，城市熱島和溫室氣體排放引起氣溫增溫，日照時(shí)數(shù)減少，由于飽和比濕上升，水汽壓增大，使相對(duì)濕度表現(xiàn)為降低趨勢(shì)。葛全勝等[13]研究顯示中國東部降水變化區(qū)域差異可能受自然環(huán)境變化更多些，20世紀(jì)暖期降水變化主要受大氣靜力穩(wěn)定機(jī)制作用，降水變化增加趨勢(shì)較小。皖南代表站點(diǎn)之間氣象要素變化差異與各自所處的地形、海拔不同。

利用皖南代表4個(gè)氣象站點(diǎn)(蕪湖、黃山、寧國、屯溪)1957—2018年氣候統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)主要?dú)庀笠匾剡M(jìn)行趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)近62年以來皖南代表氣象站點(diǎn)年平均氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，1990s以來氣溫升高尤為顯著。四季的氣溫變化趨勢(shì)中春季氣溫增溫最顯著，增溫率達(dá)0.30 ℃·10 a-1，夏季氣溫變化趨勢(shì)最小，增溫率為0.11 ℃·10 a-1。年平均氣溫在1998年發(fā)生，冬季突變時(shí)間比春季早近10年發(fā)生。

2)降水量的年際和季節(jié)變化總體上表現(xiàn)不明顯，呈微弱的增加趨勢(shì)，僅屯溪年降水量達(dá)到顯著的上升變化趨勢(shì)。突變特征上，只有屯溪年降水量在2004年發(fā)生突變，夏季和冬季部分站點(diǎn)出現(xiàn)突變點(diǎn)。

3)各站點(diǎn)平均氣壓變化的差異較大，皖南地區(qū)整體有不明顯的上升趨勢(shì)，蕪湖與黃山年平均氣壓上升趨勢(shì)明顯，分別在2005年和2012年存在突變，主要受冬季和夏季氣壓變化的影響；寧國與屯溪的平均氣壓變化趨勢(shì)剛好相反，年平均氣壓呈顯著下降趨勢(shì)，且春季和秋季的氣壓變化貢獻(xiàn)率最大。

4)日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)明顯，年際和季節(jié)日照時(shí)數(shù)都有突變時(shí)間，皖南地區(qū)在1982年發(fā)生突變，夏秋冬季日照時(shí)數(shù)有突變性的下降趨勢(shì)。

5)年際和春季平均相對(duì)濕度均表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，在2000s以后相對(duì)濕度波動(dòng)減小趨勢(shì)尤為明顯。年際突變檢驗(yàn)并不明顯，僅蕪湖于1996年出現(xiàn)突變，春季相對(duì)濕度突變較顯著。