1954—2016年西寧市區(qū)氣溫變化特征

朱寶文，張令振，謝啟玉，張 崇

(1.青海省氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，西寧810001；2.青海省氣象學(xué)會(huì)秘書處，西寧 810001；3.青海省西寧市氣象局，西寧 810003；4.陸軍部裝備部駐沈陽地區(qū)軍事代表局駐長(zhǎng)春地區(qū)第一軍事代表室，長(zhǎng)春 130022)

0 引言

研究表明，全球氣候變化已經(jīng)對(duì)地球系統(tǒng)大氣圈、生物圈、冰雪圈產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響[1]。中國位于地球環(huán)境變化速率最大的東亞季風(fēng)區(qū)，其環(huán)境具有空間上的復(fù)雜性、時(shí)間上的易變性，對(duì)外界變化的響應(yīng)和承受力具有敏感和脆弱的特點(diǎn)[2]。隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，越來越多的人口集中居住于城市，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大和人口迅速膨脹使城市熱島效應(yīng)進(jìn)一步加劇。近年來，中國學(xué)者對(duì)北京、上海、南京、天津、武漢、西安等城市熱島效應(yīng)及形成原因等開展了大量的研究，并取得了一定的成果[3-5]。

西寧市地處青藏高原東北部，是高原唯一人口超過百萬的城市。在氣候變暖和城市熱島效應(yīng)的雙重影響下，西寧市氣溫也在不斷升高。張建新[6]等利用城區(qū)1957—1992年氣象觀測(cè)資料，分析發(fā)現(xiàn)西寧平均氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，且城市化推進(jìn)對(duì)氣溫上升有明顯影響。于斌[7]等分析1961—2004年西寧市氣溫變化與熱島效應(yīng)后發(fā)現(xiàn)，西寧市的熱島效應(yīng)總體呈減弱趨勢(shì)。文章利用1954—2016年西寧站氣溫資料，運(yùn)用氣候統(tǒng)計(jì)分析方法，分析西寧市區(qū)不同時(shí)間尺度氣溫變化特征、氣候突變和異常特性，以揭示氣候變化和城市熱島效應(yīng)影響下西寧市區(qū)氣溫變化的客觀規(guī)律，為城市氣象服務(wù)和防災(zāi)減災(zāi)提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

西寧站原址位于城西區(qū)五四大街18號(hào)(101°46′E、36°37′N，以下簡(jiǎn)稱市區(qū)站)，1980年以前，觀測(cè)站周邊以居民為主，建筑較少，觀測(cè)環(huán)境很好。隨著城市化進(jìn)程的進(jìn)一步擴(kuò)張，觀測(cè)站附近建筑物逐漸增多，目前觀測(cè)場(chǎng)周圍高樓林立，成為一個(gè)典型的城市觀測(cè)站。1995年西寧站遷至城北區(qū)廿里鋪鄉(xiāng)(101°45′E、36°44′N，以下簡(jiǎn)稱廿里鋪站)，海拔高度由2，261.2 m上升至2，295.2 m，升高34 m，由于海拔高度與周邊環(huán)境不同，廿里鋪站平均氣溫較市區(qū)低2.0 ℃左右，并且近年來該差值有增大趨勢(shì)[8]。

選取1954—2016年西寧市區(qū)站氣溫資料，其中1954—1994年資料為該站作為國家基本氣象觀測(cè)站獲取的數(shù)據(jù)，經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)據(jù)審核和質(zhì)量控制。1995—2008年，市區(qū)站作為輔助觀測(cè)站(一般站)觀測(cè)獲取氣象資料，數(shù)據(jù)經(jīng)青海省氣候中心審核和質(zhì)量控制。2009年以后，該站利用CAWS600自動(dòng)氣象觀測(cè)站獲取氣象數(shù)據(jù)，未進(jìn)行審核與質(zhì)量控制。為保證2009—2016年自動(dòng)觀測(cè)氣溫資料的可靠性，對(duì)自動(dòng)觀測(cè)獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制和均一性檢驗(yàn)。質(zhì)量控制按以下步驟操作：1)最高氣溫減去最低氣溫為負(fù)值，標(biāo)識(shí)為錯(cuò)誤值，利用廿里鋪站觀測(cè)數(shù)據(jù)建立線性關(guān)系訂正；2)超出研究時(shí)段平均值4倍標(biāo)準(zhǔn)差的記錄[9]，標(biāo)識(shí)為可疑值，經(jīng)分析未出現(xiàn)可疑值；3)最高氣溫和最低氣溫的平均值與平均氣溫的差值大于5時(shí)，根據(jù)降水量及降水時(shí)段以及廿里鋪站數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)合理性；4)部分缺測(cè)數(shù)據(jù)，利用廿里鋪站觀測(cè)資料建立線性方程訂正。

1.2 研究方法

利用逐日平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫，根據(jù)不同時(shí)間尺度計(jì)算生成平均氣溫?cái)?shù)據(jù)，按12月至次年2月為冬季、3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季生成四季平均氣溫序列。計(jì)算1954—2016年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫平均值作為研究時(shí)段平均值。利用某季氣溫傾向率占四季氣溫傾向率之和的百分率，分析該季氣溫上升對(duì)年平均氣溫上升的貢獻(xiàn)率。將氣溫距平大于2倍標(biāo)準(zhǔn)差作為異常偏冷或偏暖[10，11]，分析氣溫的異常特征。氣候突變是氣象要素變化過程中存在的某種不連續(xù)現(xiàn)象，因此常用累積距平曲線來確定，即：

(1)

(2)

2 結(jié)果分析

2.1 年變化

圖1為1954—2016年西寧市區(qū)平均、最高和最低氣溫的年際變化?？梢钥闯鑫鲗幨袇^(qū)平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均呈上升趨勢(shì)，且氣候變化傾向率均通過α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，其中平均氣溫每10 a上升0.52 ℃，最高氣溫上升幅度最緩慢，每10 a上升0.41 ℃，最低氣溫上升幅度最快，每10 a上升0.65 ℃。由此可見，西寧市區(qū)氣溫上升主要由最低氣溫上升造成，這與已有研究結(jié)論一致，同時(shí)可以看出西寧市區(qū)最高和最低氣溫存在明顯的非對(duì)稱變化。西寧市年平均氣溫線性趨勢(shì)高于北半球[0.064 ℃/10 a]和全國[0.076 ℃/10 a]的線性趨勢(shì)[12，13]，表明西寧市區(qū)的增暖趨勢(shì)與全球增暖一致，但增暖幅度更為明顯。

圖1 1954—2016年西寧市區(qū)平均、最高和最低氣溫的年際變化

由1954—2016年西寧市區(qū)平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫距平的年際變化可以看出，1954—1986年，西寧市區(qū)年平均、最高和最低氣溫距平基本都為負(fù)值，明顯表現(xiàn)為冷期。1987—1997年氣溫明顯升高，平均、最低和最高氣溫分別升高1.0 ℃、0.8 ℃和1.4 ℃，1998—2016年氣溫較前期繼續(xù)升高，表現(xiàn)為暖期，平均、最低和最高氣溫較1987—1997年分別升高1.2 ℃、1.1 ℃和1.1 ℃，較1954—1997年分別升高1.9 ℃、1.7 ℃和2.2 ℃。氣溫距平的階段性變化同樣可以看出最低氣溫增幅大于最高氣溫，呈非對(duì)稱性變化。

2.2 季節(jié)變化

由1954—2016年西寧市區(qū)四季平均、最高和最低氣溫的年際變化可以看出，西寧市區(qū)四季平均、最高和最低氣溫均呈極顯著上升趨勢(shì)，且最低氣溫氣候變化傾向率最大，平均氣溫次之，最高氣溫最小，即最低氣溫上升最明顯，最高氣溫上升最緩慢。春季、夏季和秋季最高氣溫每10 a上升幅度分別為0.36 ℃、0.38 ℃、0.36 ℃，冬季略高，每10 a上升0.44 ℃；春季、夏季和秋季平均氣溫每10 a上升幅度分別為0.45 ℃、0.40 ℃、0.46 ℃，遠(yuǎn)小于冬季0.72 ℃；最低氣溫冬季增幅最大，為1.04 ℃/10 a，秋季次之，每10 a上升0.58 ℃，春季和夏季增幅緩慢，分別為0.54 ℃、0.53 ℃。綜上所述，西寧市區(qū)氣溫的升高主要由夜晚最低氣溫升高所致，這與近年來研究表明的氣候變暖主要發(fā)生在夜間，即最低氣溫增加幅度大于最高氣溫結(jié)論一致[14，15]。在四季平均、最高和最低氣溫中，冬季增溫最明顯，其中平均氣溫氣候傾向率比年趨勢(shì)增加0.21 ℃/10 a，最低氣溫氣候傾向率比年趨勢(shì)增加0.39 ℃/10 a，說明西寧市區(qū)出現(xiàn)暖冬的趨勢(shì)越來越明顯。不同季節(jié)氣溫上升對(duì)年平均氣溫上升的貢獻(xiàn)率不同，夏季貢獻(xiàn)率最小，為20.0%；春季和秋季氣溫上升對(duì)年平均氣溫的貢獻(xiàn)率略高于夏季且兩季貢獻(xiàn)率相當(dāng)，冬季氣溫上升對(duì)年平均氣溫上升的貢獻(xiàn)率最大，為35.0%。

2.3 月變化

由1954—2016年各月平均、最高和最低氣溫的氣候傾向率可以看出，近63 a除3月最高氣溫外，西寧市區(qū)各月平均、最高和最低氣溫上升趨勢(shì)均通過α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)，且上升幅度基本都是最低氣溫最大，平均氣溫次之，最高氣溫最小。冬半年氣溫上升幅度大于夏半年，尤以冬季12月至次年2月上升明顯，其中2月氣溫上升幅度最大，平均、最高和最低氣溫每10 a分別上升0.78 ℃、0.51 ℃和1.07 ℃。7月和9月平均氣溫上升幅度最小，為0.37 ℃/10 a，3月最高氣溫上升幅度最小，為0.28 ℃/10 a，7月最低氣溫上升幅度最小，為0.47 ℃/10 a。

2.4 年代際變化

由1954—2016年西寧市區(qū)氣溫10 a滑動(dòng)平均可以得出，西寧市區(qū)2011—2016年最高氣溫較前一時(shí)段略有下降，其他時(shí)段平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫年際值均呈上升趨勢(shì)。平均氣溫由1960—1969年的5.6 ℃上升至2001—2010年的7.9 ℃，上升了2.3 ℃，2011—2016年平均氣溫值較1954—1960年高2.6 ℃；1960—1969年的最高氣溫平均值為13.4 ℃，比多年平均值低0.7 ℃，到2001—2010年升至15.4 ℃，比多年平均值偏高1.3 ℃；最低氣溫上升幅度更明顯，1961—1970年平均值為-0.5 ℃，比多年平均值偏低1.4 ℃，1971—1980年上升至0.3 ℃，上升了0.8 ℃，2011—2016年平均值為2.8 ℃，較多年平均值偏高1.9℃，較1954—1960年偏高3.4 ℃，上升幅度遠(yuǎn)大于平均氣溫和最高氣溫。

2.5 氣溫異常分析

由1954—2016年西寧市區(qū)平均、最高和最低氣溫的異常年份統(tǒng)計(jì)可以看出，西寧市區(qū)年平均氣溫未出現(xiàn)異常偏冷年份，暖年為2016年；最高氣溫在1967年出現(xiàn)冷年，2010和2016年出現(xiàn)暖年；最低氣溫未出現(xiàn)冷年，2016年出現(xiàn)暖年。春季，平均、最高和最低氣溫均未出現(xiàn)異常偏冷現(xiàn)象，平均氣溫和最高氣溫在2009年、2013年出現(xiàn)異常偏暖，最低氣溫在2016年出現(xiàn)異常偏暖；夏季未出現(xiàn)異常偏冷現(xiàn)象，平均氣溫和最高氣溫在2010年、最低氣溫在2013年出現(xiàn)異常偏暖；秋季，平均氣溫在2006年、2013年、2016年出現(xiàn)異常偏暖現(xiàn)象，最高氣溫1981年出現(xiàn)異常偏冷，2002年、2006年、2010年出現(xiàn)異常偏暖，最低氣溫1956年出現(xiàn)異常偏冷，2013年、2016年出現(xiàn)異常偏暖現(xiàn)象；冬季平均氣溫在1954年和1967年出現(xiàn)異常偏冷，2015年出現(xiàn)異常偏暖；最高氣溫在1954年、1967年出現(xiàn)異常偏冷，2010年出現(xiàn)異常偏暖；最低氣溫2015年、2016年連續(xù)2 a出現(xiàn)異常偏暖現(xiàn)象。1954年以來，西寧市區(qū)最冷的5 a依次為1967年、1954年、1955年、1956年和1970年，最暖的5 a是2016年、2015年、2013年、2010年和2006年。1954—2016年，2000年以來發(fā)生氣候異常的頻次最高，達(dá)24次，占總氣候異常次數(shù)的77.4%(含年異常)；其次是1960-1969年，為3次；1980—1989年只出現(xiàn)1次最高氣溫秋季氣候異常偏冷；1970—1979年未出現(xiàn)氣候異常年份。2000年以后發(fā)生的24次均為異常偏暖，這可能是氣候變暖和城市熱島效應(yīng)共同造成的影響。

2.6 氣溫突變檢驗(yàn)

利用累積距平曲線方法和信噪比檢驗(yàn)方法，分析西寧市區(qū)氣溫序列長(zhǎng)期變化的突變現(xiàn)象。年平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫均在1987年出現(xiàn)突變，即1987年之前，氣溫處于較低時(shí)段，1987年之后，氣溫上升較快，躍變至較溫暖時(shí)段。四季氣候突變年份不盡相同：春季平均氣溫和最高氣溫在1996年發(fā)生突變，最低氣溫在1987年發(fā)生突變；夏季，平均氣溫在1996年發(fā)生突變，最高氣溫在1993年發(fā)生突變，最低氣溫1987年；秋季平均氣溫在1996年發(fā)生突變，最高氣溫在1995年發(fā)生突變，最低氣溫在1987年發(fā)生突變；冬季平均氣溫在1985年發(fā)生突變，最高氣溫和最低氣溫在1987年發(fā)生突變。這與中國華北、西南、西北等地區(qū)年、季平均溫度突變時(shí)間基本相同。

3 結(jié)束語

文章利用1954—2016年西寧市區(qū)氣溫觀測(cè)資料分析了西寧市區(qū)氣溫變化特征，運(yùn)用氣候統(tǒng)計(jì)分析方法，揭示了西寧市區(qū)氣溫變化的客觀規(guī)律，為氣象服務(wù)工作提供一定參考。