1961—2019年吉林省暖冬氣候特征分析

劉 寧, 于秀晶*, 黃 晶

(1.吉林省氣候中心，長春 130062；2.安徽省大氣探測技術(shù)保障中心，合肥 230031)

隨著人類工業(yè)革命的開啟以及經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，地球也進(jìn)入了一個(gè)新時(shí)期，大量溫室氣體被釋放到大氣層中，全球氣溫上升，導(dǎo)致極地冰川消融、海平面上升、氣候風(fēng)險(xiǎn)加大，中國主要表現(xiàn)為冬季氣溫升高，極端天氣氣候事件漸強(qiáng)漸多[1-6]。暖冬影響利弊兼?zhèn)洌練鉁剌^高有利于減輕供暖壓力、節(jié)約能源；降雪融化快有利于交通運(yùn)輸；可減少心腦血管疾病的發(fā)病及死亡人數(shù)；對牲畜越冬、蔬菜生長、多年生經(jīng)濟(jì)林木、農(nóng)田水利建設(shè)、道路施工及戶外作業(yè)等也均有有利影響。但暖冬也會導(dǎo)致極端事件發(fā)生、重大工程運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)加大、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件改變、水資源稀缺等不利影響[7-10]。暖冬對人類健康、生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動均有直接或間接的影響，因此暖冬研究逐漸得到了廣泛的關(guān)注。

圖1 吉林省46個(gè)站點(diǎn)分布Fig.1 The 46 meteorological observation stations in Jilin Province

近年來，對暖冬的定義及等級劃分的方法在不斷更新，隨著氣象業(yè)務(wù)及氣候研究的不斷深入，逐漸形成了統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)。2008年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)《暖冬等級》(GB/T 21983—2008)[11]。有諸多學(xué)者依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)對不同地區(qū)暖冬氣候特征進(jìn)行了研究。林昕等[12]、杜軍等[13]、陳倩雯等[14]、李會霞等[15]、徐虹等[16]均利用國家標(biāo)準(zhǔn)《暖冬等級》對近幾十年福建、青藏高原、黃土高原、云南等地區(qū)暖冬事件時(shí)間序列進(jìn)行提取與分析，并取得較為顯著的研究成果。吉林省位于松遼平原中心，是中國著名的大糧倉，土地肥沃，畜牧業(yè)資源也較為豐富，因此吉林省成為很多研究氣候變化及相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注焦點(diǎn)。尹煬等[17]、山珊等[18]的研究顯示，1960年以來吉林冬季氣溫呈現(xiàn)出波動上升的趨勢；高峰等[19]、楊雪等[20]認(rèn)為吉林省平均氣溫在1986年發(fā)生增暖突變，且冬季增暖最為顯著，暖冬年內(nèi)東北地區(qū)因僅受西北風(fēng)影響，冷空氣勢力弱；任景全等[21]的研究顯示吉林省冷持續(xù)日數(shù)、冰凍日數(shù)等極端氣溫指數(shù)在20 世紀(jì) 80 年代發(fā)生突減，而暖持續(xù)日數(shù)、熱夜日數(shù)等發(fā)生突增；沈志超[22]則認(rèn)為東北地區(qū)冬季增暖主要從20世紀(jì)80年代中期開始，暖冬年集中發(fā)生在90年代后，且發(fā)生強(qiáng)度和頻率有顯著增加趨勢。目前已有較多學(xué)者對吉林省氣溫變化進(jìn)行了研究并得出冬季顯著增暖的結(jié)論，但根據(jù)氣溫對吉林省暖冬進(jìn)行等級劃分并對其進(jìn)行氣候變化特征的分析，尚未見相關(guān)的研究成果?，F(xiàn)在國家標(biāo)準(zhǔn)《暖冬等級》基礎(chǔ)上，提取1961—2019年暖冬事件時(shí)間序列，并分析吉林省冬季氣溫變化特點(diǎn)及暖冬事件的氣候變化特征，為吉林省農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境保護(hù)及防災(zāi)減災(zāi)工作提供理論依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

吉林省位于中國東北地區(qū)中部，經(jīng)緯度范圍為 122°E～131°E、 41°N～46°N。圖1所示為選取的46個(gè)站點(diǎn)分布。吉林省按區(qū)域劃分為西、中、東3個(gè)區(qū)域。西部包括白城和松原；長春、四平和遼源為中部；東部地區(qū)包括吉林、通化、白山、長白山保護(hù)區(qū)(東崗、二道)和延邊。

1.2 資料來源

選取吉林省氣候中心從長Z文件提取的國家基準(zhǔn)站地面逐日氣溫觀測資料，資料經(jīng)過均一化處理。為確保資料長度的一致性，剔除1961年之后缺測較多的站點(diǎn)，選取了資料完整性較好的46個(gè)站點(diǎn)1961—2019年冬季逐日氣溫觀測資料，包括日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫資料。以當(dāng)年12月至翌年2月為翌年冬季 (如2018年12月—2019年2月為2019年冬季)，計(jì)算1961—2000年冬季氣溫距平采用1961—1990年30 a氣候平均值，計(jì)算2001—2010年冬季氣溫距平采用1971—2000年30 a氣候平均值，計(jì)算2011—2019年冬季氣溫距平采用1981—2010年30 a氣候平均值。

1.3 氣候傾向率

采用氣候傾向率估計(jì)方法對吉林省冬季平均氣溫變化趨勢進(jìn)行分析，設(shè)t為年份(1961—2019年)，y為擬合值(對應(yīng)年份的冬季平均氣溫)，a為氣候傾向率，b為常數(shù)，得到y(tǒng)和t之間的線性方程

y=at+b

(1)

式(1)中：a的正負(fù)代表趨勢，a>0，說明隨著時(shí)間t的增加，氣溫y呈上升趨勢，反之說明呈下降趨勢。|a|表示速率，值越大，表示氣溫上升或下降的趨勢越大，反之則氣溫上升或下降的趨勢越小。

1.4 暖冬指標(biāo)和暖冬等級劃分

參考國家標(biāo)準(zhǔn)《暖冬等級》，對吉林省暖冬進(jìn)行定義和劃分。在空間上可分為單站暖冬和區(qū)域暖冬(本文中區(qū)域暖冬即為吉林全省暖冬)，且兩者均有強(qiáng)弱兩個(gè)等級。該標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)氣溫來定義單站暖冬強(qiáng)度，并在此基礎(chǔ)上以單站暖冬站數(shù)與總站數(shù)的百分比來界定區(qū)域暖冬。

1.4.1 單站暖冬和暖冬等級劃分

(2)

(3)

將單站冬季平均氣溫距平ΔT與暖冬閾值0.43σ之差定義為單站暖冬指數(shù)IWs，單位為℃。當(dāng)ΔT≥0.43σ時(shí)，即認(rèn)為發(fā)生了單站暖冬。標(biāo)準(zhǔn)中將單站強(qiáng)暖冬閾值界定為1.29σ。因此，單站暖冬界定標(biāo)準(zhǔn)為0.43σ≤ΔT<1.29σ；強(qiáng)暖冬標(biāo)準(zhǔn)為ΔT≥1.29σ[23]。

1.4.2 區(qū)域暖冬和暖冬等級劃分

將某一區(qū)域內(nèi)暖冬站數(shù)與總站數(shù)的百分比定義為區(qū)域暖冬指數(shù)IWa，當(dāng)IWa≥50%時(shí)即認(rèn)為發(fā)生了區(qū)域暖冬，發(fā)生的年份即為暖冬年。若區(qū)域內(nèi)發(fā)生強(qiáng)暖冬的站數(shù)占暖冬站數(shù)的50%以上，即認(rèn)為發(fā)生了區(qū)域強(qiáng)暖冬。具體等級劃分如表1所示。

表1 單站暖冬及區(qū)域暖冬劃分Table 1 The grade’s division of single station warm winter and regional warm winter

2 吉林省冬季氣溫變化

2.1 冬季平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫變化

如圖2所示，1961—2019年吉林省冬季平均氣溫為-13.3 ℃，近59 a升溫速率為0.41 ℃/10 a，遠(yuǎn)高于全國增暖趨勢( 0.16 ℃/10 a)[24]，并通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。80年代末期氣溫發(fā)生突變，增暖顯著，至2019年近30 a氣溫均處于高位，但變化趨勢不明顯，其中90年代末期至2019年近20 a氣溫波動幅度加大。

圖2 吉林省冬季各氣溫變化趨勢Fig.2 The trends of winter temperature in Jilin Province

吉林省冬季平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫均呈現(xiàn)升高趨勢，平均最高氣溫的線性增溫率為0. 27 ℃/10 a，在三者中最小，平均氣溫的升溫趨勢次之，增溫率達(dá)到0. 41 ℃/10 a，平均最低氣溫的升溫趨勢最大為0.53 ℃/10 a，并通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。因此得知，冬季平均最低氣溫的升高是吉林省冬季變暖的主要因素。

從表2可知，冬季3個(gè)月平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫均為升溫趨勢，而2月各氣溫的升溫趨勢均大于12月和1月，由此可見2月氣溫上升對冬季變暖的影響最大。

表2 吉林省冬季逐月各氣溫的氣候傾向率Table 2 The climate tendency rate of temperature in winter in Jilin Province

注：黑體表示2月各氣溫升溫趨勢均大于12月和1月。

2.2 冬季平均氣溫變化趨勢的空間分布

圖3 1961—2019年吉林省冬季平均氣溫變化趨勢分布Fig.3 The distribution of mean winter temperature trends in Jilin Province during 1961—2019

從圖3可知，本文中研究的46個(gè)站點(diǎn)冬季平均氣溫均呈上升趨勢，東部大部分站點(diǎn)氣溫變化率較大，全省大部均有較為明顯的變暖趨勢。各站點(diǎn)氣溫變化率范圍為0.05～0.77 ℃/10 a，其中農(nóng)安變化率最小，每10 a氣溫僅上升0.05 ℃；有22個(gè)臺站氣溫變化率為0.25～0.4 ℃/10 a；松原大部、長春東南部、四平大部、吉林大部、通化、白山西部及洮南等23個(gè)臺站氣溫變化率大于0.4 ℃/10 a，其中吉林市區(qū)最大為0.77 ℃/10 a。

3 吉林省暖冬事件的變化

3.1 單站暖冬事件變化

由圖4可知，1961—2019年吉林省單站暖冬發(fā)生5～59次，頻次范圍較大。暖冬頻次呈現(xiàn)西南部和東南部大、北部小的空間分布。其中四平大部、通化南部、延邊東南部10縣市暖冬頻次≥40，集安、和龍、龍井和琿春4縣市暖冬頻次>50，琿春最多達(dá)59次，即1961—2019年每年均出現(xiàn)暖冬。扶余、蛟河、二道及長白暖冬頻次在10次以下，二道最少僅出現(xiàn)5次。

圖4 單站暖冬發(fā)生頻次Fig.4 Occurrence frquencies for single station warm winter

與單站暖冬發(fā)生頻次的空間分布相同，單站強(qiáng)暖冬發(fā)生頻次仍呈現(xiàn)西南部和東南部大、北部小的空間分布(圖5)。四平市區(qū)、梨樹、集安、和龍、龍井、延吉、琿春強(qiáng)暖冬發(fā)生頻次為33～57次，其中琿春最多達(dá)57次，僅1977年和2013年未發(fā)生強(qiáng)暖冬。白城北部、吉林中東部及扶余、榆樹、靖宇、二道和長白為1～4次，其中扶余、蛟河、靖宇、二道和長白僅出現(xiàn)一次強(qiáng)暖冬。

從單站暖冬指數(shù)變化趨勢可以看出(圖6)，1961—2019年吉林省大部分縣市的暖冬指數(shù)IWs呈上升趨勢，共42縣市暖冬指數(shù)線性趨勢為正，與冬季平均氣溫變化趨勢分布大致匹配，其中通化南部、吉林西北部、白山西部及寧江區(qū)(松原市區(qū))、長春市區(qū)、敦化和二道10縣市IWs線性趨勢超過0.2 ℃/10 a，其中吉林市區(qū)最大為0.49 ℃/10 a，該站冬季平均氣溫變化趨勢也為全省最大；農(nóng)安、德惠、長白和汪清4縣市IWs線性趨勢為負(fù)，其中農(nóng)安最小為-0.23 ℃/10 a，由圖3可知農(nóng)安冬季平均氣溫變化趨勢也為全省最小，兩者相匹配。

3.2 區(qū)域暖冬事件變化

近59年來吉林省區(qū)域暖冬指數(shù)呈升高趨勢，變化率約為4.3%/10a，說明吉林省冬季氣溫確實(shí)存在變暖的趨勢，達(dá)到暖冬標(biāo)準(zhǔn)的站點(diǎn)數(shù)呈增長趨勢。

59年間共出現(xiàn)25個(gè)暖冬，其中60年代出現(xiàn)1個(gè)，70年代出現(xiàn)3個(gè)，80年代出現(xiàn)4個(gè)，90年代最多出現(xiàn)9個(gè)暖冬，1990—2019年共出現(xiàn)17個(gè)暖冬，占總數(shù)的68%，21世紀(jì)以來出現(xiàn)8個(gè)。1998、2007年吉林省區(qū)域暖冬指數(shù)均為100%，即46個(gè)站點(diǎn)均發(fā)生暖冬。如表3所示，在25個(gè)暖冬年中，共有18個(gè)年份為強(qiáng)暖冬年，其中70年代出現(xiàn)1個(gè)，80年代出現(xiàn)3個(gè)，90年代的9個(gè)暖冬年均為強(qiáng)暖冬年，21世紀(jì)以來出現(xiàn)5個(gè)。2007年是自1961年以來暖冬范圍最大、強(qiáng)度最強(qiáng)的一年，全省有44站發(fā)生了單站強(qiáng)暖冬，其余兩站僅發(fā)生單站暖冬。

余下的34個(gè)非暖冬年均有單站暖冬發(fā)生，60年代非暖冬年最多為9個(gè)。全省暖冬指數(shù)在4%～46%，即發(fā)生了局地暖冬。

表3 1961—2019年吉林省區(qū)域(強(qiáng))暖冬事件年份Table 3 Years of regional (strong) warm winter events in Jilin Province during 1961—2019

注：黑體為強(qiáng)暖冬發(fā)生年份。

4 結(jié)論

(1)1961—2019年吉林省冬季平均氣溫為-13.3 ℃，增溫趨勢明顯，近59 a升溫速率為0.41 ℃/10 a。冬季平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫均呈現(xiàn)升高趨勢，其中平均最低氣溫的升溫趨勢最大為0.53 ℃/10 a，并通過0.001的顯著性檢驗(yàn)。因此可知，冬季平均最低氣溫的升高是吉林省冬季變暖的主要因素。2月平均最高氣溫、平均氣溫、平均最低氣溫的升溫趨勢均大于12月和1月，由此可見2月氣溫上升對冬季變暖的影響最大。

(2)各站點(diǎn)冬季平均氣溫均呈上升趨勢，東部大部氣溫變化率較大。各站點(diǎn)氣溫變化率范圍為0.05～0.77 ℃/10 a，農(nóng)安最小為0.05 ℃/10 a；有22個(gè)臺站氣溫變化率為0.25～0.4 ℃/10 a；23個(gè)臺站氣溫變化率大于0.4 ℃/10 a，其中吉林市區(qū)最大為0.77 ℃/10 a。

(3)1961—2019年吉林省各站單站暖冬發(fā)生頻次為5～59次，單站強(qiáng)暖冬發(fā)生1～57次，均呈現(xiàn)西南部和東南部大、北部小的空間分布。共42臺站IWs線性趨勢為正，與冬季平均氣溫變化趨勢分布大致匹配。共10臺站IWs線性趨勢超過0.2 ℃/10 a，其中吉林市區(qū)最大為0.49 ℃/10 a；4縣市IWs線性趨勢為負(fù)，其中農(nóng)安最小為-0.23 ℃/10 a。

(4)近59年吉林省區(qū)域暖冬指數(shù)呈升高趨勢，變化率約為4.3%/10 a，說明吉林省冬季氣溫確實(shí)存在變暖的趨勢，達(dá)到暖冬標(biāo)準(zhǔn)的站點(diǎn)數(shù)呈增長趨勢。59年間共出現(xiàn)25個(gè)暖冬，1990—2019年共出現(xiàn)17個(gè)暖冬，占總數(shù)的近70%。在25個(gè)暖冬年中出現(xiàn)18個(gè)強(qiáng)暖冬年，2007年是自1961年以來暖冬強(qiáng)度及范圍最大的一年，全省有44站發(fā)生了單站強(qiáng)暖冬，其余兩站僅發(fā)生單站暖冬。

溫室氣體使地球能夠保持適宜的溫度，適于人類和動植物生存。但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類活動增多導(dǎo)致溫室氣體的含量迅速升高，全球顯著升溫。而厄爾尼諾事件、西太平洋副熱帶高壓、東亞季風(fēng)等自然因素也會使暖冬氣候發(fā)生[25-27]。中國在全球氣候系統(tǒng)變暖的大背景下，極端天氣事件發(fā)生頻繁，未來相關(guān)部門應(yīng)在以往天氣氣候事件應(yīng)對基礎(chǔ)上，合理利用氣候資源，減少或消除因暖冬氣候帶來的損失。