黔西南州極端氣溫時空演變規(guī)律研究

段 榮，楊春艷，李 婧，范 倩，孟慶怡，李 陽

(1.貴州省黔西南布依族苗族自治州氣象局，貴州 興義 562400；2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002)

0 引 言

黔西南布依族苗族自治州(104°35′～106°32′E，24°38′～26°11′N)位于云南、廣西、貴州三省(區(qū))結(jié)合部，海拔500 m以下地區(qū)為南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，1 400 m以上為北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，界于其間的大部分地區(qū)屬于中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)[1-3]。青藏高原作為全球氣候變化的敏感區(qū)域，一直是人們研究氣候變化的熱點地區(qū)[4]，而處于青藏高原斜坡地帶的黔西南州有3個氣候區(qū)氣候，極端氣候特征比較復(fù)雜且特殊，全球氣候變化以及本地的生態(tài)環(huán)境狀況息息相關(guān)，氣溫作為最基本的氣候要素，對生態(tài)環(huán)境的變遷起著決定性作用[5]，其變化已經(jīng)影響到世界上許多地方的各種自然和生物系統(tǒng)[6]，因此有必要進一步理清地處青藏高原斜坡帶的黔西南州特殊的地理環(huán)境及其組成單元極端氣溫的最新特點。本文的研究結(jié)論進一步揭示黔西南州明顯不同的兩個氣候區(qū)(北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)和南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū))近60 a時空演變特征，分析了氣候變化與極端氣候的時空格局，為黔西南州氣候系統(tǒng)和生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性研究及發(fā)展農(nóng)牧業(yè)和旅游產(chǎn)業(yè)提供了科學(xué)依據(jù)，同時也對全球變暖的響應(yīng)研究提供了對比案例[7-11]。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用黔西南州8個氣象觀測站1961—2020年的極端氣溫資料，夏季(6—8月)平均最高氣溫及夏季逐月極端最高氣溫資料；冬季(12月—次年2月)平均最低氣溫及冬季逐月極端最低氣溫資料。

1.2 研究方法

①研究方法為合成分析、多項式趨勢分析。用xi來表示樣本量為n的某一氣候變量；用xi表示yi所對應(yīng)的時間點，這樣就建立了xi和yi之間的一元二次回歸方程：

yi2=axi2+bxi+ci=1，2，3，…，n

(1)

②分析R2值的大小，R平方值是取值范圍在0～1之間的數(shù)值，當趨勢線的R平方值等于1或接近1時，其可靠性最高，反之則可靠性較低。R平方值也稱為決定系數(shù)。在統(tǒng)計學(xué)中，R平方值的計算方法如下：R平方值=回歸平方和/總平方和，其中回歸平方和=總平方和-殘差平方和?？偲椒胶停篊onst參數(shù)為True的情況下，總平方和等于y的實際值與平均值的平方差之和；Const參數(shù)為False的情況下，總平方和等于y的實際值的平方和。殘差平方和：殘差平方和等于y的估計值與y的實際值的平方差之和[9]。在分析極端氣溫近60 a的變化趨勢時，如果R2值很大，接近1時，說明極端最高氣溫分析曲線和一元二次回歸分析的趨勢線的擬合高，未來氣候變化預(yù)估就可根據(jù)二次回歸分析的趨勢線來判斷，為未來極端氣溫變化預(yù)估提供科學(xué)依據(jù)。

2 黔西南州極端氣溫分布特征

2.1 日極端最高、極端最低氣溫的時空分布特征

黔西南州日極端最高氣溫出現(xiàn)在2010年5月1日的冊亨41.2 ℃；日極端最低氣溫出現(xiàn)在1968年2月14日的安龍-8.9 ℃。日極端最高氣溫，東南部高，西南部次高；日極端最低氣溫，北部、中部比東南部、西南部低，如圖1所示。

圖1 1961—2020年黔西南州極端最高(a)、極端最低(b)氣溫空間分布Fig.1 Spatial distribution of extreme maximum (a) and extreme minimum (b) temperatures in Southwest Guizhou from 1961 to 2020

夏季，日極端最高氣溫分布在東南部，次高分布在西南部，位于東南部的冊亨站比位于北部的晴隆站日極端最高氣溫偏高6.1 ℃，38.6 ℃為最高出現(xiàn)在冊亨(1990年8月29日)，如圖2a所示。6月日極端最高氣溫37.8 ℃(1976年6月17日出現(xiàn)在望謨)，7月日極端最高氣溫37.7 ℃出現(xiàn)在冊亨(1986年7月1日)，8月日極端最高氣溫38.60 ℃出現(xiàn)在冊亨(1990年8月29日)。

冬季，日極端最低氣溫-6 ℃以下的分布在海拔1 200 km以上的氣候區(qū)，-8.9 ℃為最低(1968年2月14日出現(xiàn)在安龍)，州的東南部及西南部在-2.3～-4.8 ℃之間，其余地區(qū)在-6.2～-8.9 ℃之間,如圖2b所示。12月日極端最低氣溫-5.90 ℃(1975年12月14日出現(xiàn)在普安)，1月日極端最低氣溫-6.2 ℃(1977年7月31日出現(xiàn)在晴隆)，2月日極端最低氣溫-8.9 ℃(1968年2月14日出現(xiàn)在安龍)。

圖2 1961—2020年黔西南州夏季極端最高(a)、冬季極端最低(b)氣溫空間分布Fig.2 Spatial distribution of extreme maximum (a) and extreme minimum (b) temperature in Qianxinan Prefecture from 1961 to 2020

2.2 夏季平均最高氣溫、極端最高氣溫年代變化趨勢分析

選取黔西南州夏季平均氣溫最低的普安站(屬北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū))的平均最高氣溫、極端最高氣溫資料，以及夏季平均氣溫最高的望謨站(屬南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū))的平均最高氣溫、極端最高氣溫資料進行分析。

2.2.1 北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)夏季平均最高、極端最高年代變化趨勢分析 普安站夏季(6—8月)平均最高氣溫為24.60 ℃。平均最高氣溫20世紀60—80年代處于持續(xù)上升區(qū)，其中60年代比平均值偏低0.35 ℃，70年代比平均值偏低0.09 ℃，80年代比平均值偏高0.12 ℃，90年代下滑，比平均值偏低0.32 ℃；進入21世紀持續(xù)緩慢上升，2001—2010年比平均值偏高0.05 ℃；2010—2020年比平均值偏高0.60 ℃。近60 a平均最高氣溫升高0.96 ℃。R2=0.617，說明普安站夏季平均最高氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率中等，如圖3a所示。

圖3 1961—2020年普安(a)夏季平均最高氣溫、(b)夏季平均極端最高氣溫年代變化趨勢分析Fig.3 Analysis of decadal variation trend of (a) summer average maximum temperature and (b) summer extreme average maximum temperature in Pu'an from 1961 to 2020

普安站夏季平均極端最高氣溫為29.02 ℃。平均極端最高氣溫60—80年代處于持續(xù)上升區(qū)，其中60年代比平均值偏低0.16 ℃，70年代比平均值偏低0.28 ℃，80年代比平均值偏高0.76 ℃，90年代下滑，比平均值偏低0.24 ℃；進入21世紀持續(xù)緩慢上升，2001—2010年比平均值偏高0.12 ℃；2011—2020年比平均值偏高0.28 ℃。近60 a平均極端最高氣溫升高0.44 ℃。R2=0.129，說明普安站夏季平均極端最高氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線不擬合，說明極端最高氣溫年代變化趨勢，隨機性很大，如圖3b及表1所示。

表1 1961—2020年普安站夏季平均極端最高氣溫年代變化分析表Tab.1 Annual variation analysis of mean extreme maximum temperature in summer at Pu'an station from 1961 to 2020

2.2.2 南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)夏季平均最高、極端最高氣溫年代變化趨勢分析 南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)的望謨站夏季(6—8月)平均最高氣溫為31.37 ℃比北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)的普安站(24.60 ℃)高6.77 ℃。平均最高氣溫60年代、70年代均比平均值偏低，其中60年代比平均值偏低0.20 ℃，70年代比平均值偏低0.33 ℃；80年代上升，比平均值偏高0.02 ℃；90年代下滑，比平均值偏低0.22 ℃；進入21世紀是持續(xù)上升，2001—2010年比平均值偏高0.21 ℃；2011—2020年比平均值偏高0.53 ℃。近60 a平均最高氣溫升高0.73 ℃。R2=0.840，說明望謨站夏季平均最高氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率很高，如圖4a所示。

望謨站夏季平均極端最高氣溫為34.90 ℃。平均極端最高氣溫60年代、70年代均比平均值偏低0.25 ℃；80年代比平均值偏高0.01 ℃，90年代下滑，比平均值偏低0.13 ℃；進入21世紀是持續(xù)緩慢上升，2001—2010年比平均值偏高0.26 ℃；2011—2020年比平均值偏高0.37 ℃。近60 a平均極端最高氣溫升高0.62 ℃。R2=0.870，說明望謨站夏季平均極端最高氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率很高，如圖4b及表2所示。

圖4 1961—2020年望謨站(a)夏季平均最高氣溫、(b)夏季平均極端最高氣溫年代變化趨勢分析Fig.4 Analysis of annual variation trend of (a) summer average maximum temperature and (b) summer extreme average maximum temperature at Wangmo station from 1961 to 2020

表2 1961—2020年望謨站夏季平均極端最高氣溫年代變化分析表Tab.2 Annual variation analysis of average extreme maximum temperature from June to August at Wangmo station from 1961 to 2020

2.3 冬季平均最低、極端最低氣溫年代變化趨勢分析

選取黔西南州冬季平均氣溫最低的普安站(屬北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū))及冬季平均氣溫最高的望謨站(屬南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū))的平均最低氣溫、極端最低氣溫資料進行分析。

2.3.1 北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)冬季平均最低、極端最低氣溫年代變化趨勢分析 北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)的普安站冬季(12—次年2月)平均最低氣溫為3.24 ℃。平均最低氣溫近60 a都處于持續(xù)緩慢上升，60—90年代均比平均值偏低，其中60年代比平均值偏低0.56 ℃，70年代比平均值偏低0.21 ℃，80年代比平均值偏低0.23 ℃，2001—2010年比平均值明顯偏高0.72 ℃，2011—2020年比2001—2010年略下滑0.37 ℃，但比平均值偏高0.35 ℃。近60 a平均最低氣溫升高0.92 ℃。R2=0.767，說明普安站冬季平均最低氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率中等，如圖5a所示。

圖5 1961—2020年普安站(a)冬季平均最低氣溫、(b)冬季平均極端最低氣溫年代變化趨勢分析圖Fig.5 Analysis of decadal variation trend of (a) average minimum temperature in winter and (b) extreme average minimum temperature in winter at Pu'an station from 1961 to 2020

普安站冬季平均極端最低氣溫為-2.06 ℃。平均最低氣溫近60 a都處于持續(xù)緩慢上升，其中60年代比平均值偏低-1.31 ℃；70年代比平均值偏低0.85 ℃；80年代比平均值偏低0.14 ℃；90年代下滑，比平均值偏低0.27 ℃；進入21世紀持續(xù)緩慢上升，2001—2010年比平均值偏高0.57 ℃；2011—2020年比平均值偏高0.32 ℃。近60 a，平均極端最低氣溫升高1.63 ℃。R2=0.909，說明普安站冬季平均極端最低氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線曲線擬合率很高，圖5b及表3所示。

表3 1961—2020年普安站12—次年2月平均極端最低氣溫年代變化分析表Tab.3 Analysis of decadal variation of average extreme minimum temperature from December to February at Pu'an station from 1961 to 2020

2.3.2 南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)冬季平均最低、極端最低年代變化趨勢分析 南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)的望謨站冬季(12月、1月、2月)平均最低氣溫為8.06 ℃。平均最低氣溫近60 a都處于持續(xù)上升，60—80年代均比平均值偏低，其中60年代比平均值偏低1.02 ℃；70年代比平均值偏低0.79 ℃；80年代比平均值偏低0.49 ℃；90年代比平均值偏高0.08 ℃；2001—2010年比平均值明顯偏高0.88 ℃，2001—2010年比平均值偏高1.33 ℃。近60 a平均最低氣溫升高2.35 ℃。R2=0.989，說明望謨站冬季平均最低氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率高，如圖6a所示。

望謨站冬季平均極端最低氣溫為2.25 ℃。平均最低氣溫近60 a都處于持續(xù)上升，其中60年代比平均值偏低-1.51 ℃；70年代比平均值偏低1.09 ℃；80年代比平均值偏低0.16 ℃；90年代比平均值偏高0.36 ℃；2001—2010年比平均值偏高1.48 ℃；2011—2020年比平均值偏高1.81 ℃。近60 a平均極端最低氣溫升高3.32 ℃。R2=0.984，說明望謨站冬季平均極端最低氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率高，如圖6b及表4所示。

表4 1961—2020年望謨站12—次年2月極端最低氣溫年代變化分析表Tab.4 Analysis on the decadal variation of extreme minimum temperature from December to February at Wangmo station from 1961 to 2020

圖6 1961—2020年望謨站(a)冬季平均最低氣溫、(b)冬季平均極端最低氣溫年代變化趨勢分析圖Fig.6 Analysis of annual variation trend of (a) average minimum temperature in winter and (b) extreme average minimum temperature in winter at Wangmo station from 1961 to 2020

3 結(jié)論

①黔西南州日極端最高氣溫及平均極端最高氣溫不是出現(xiàn)在夏季，均出現(xiàn)在春季的5月；日極端最低氣溫、平均極端最低氣溫均出現(xiàn)在2月。日極端最高氣溫、日極端最低氣溫均呈現(xiàn)出東南部高，西南部次高，中部、北部比東南部、西南部低的分布特點。

②夏季，北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)及南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，平均最高氣溫及極端最高氣溫均是20世紀60—80年代處于持續(xù)上升趨勢，90年代略下滑，進入21世紀又持續(xù)上升。北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，近60 a平均最高氣溫升高0.96 ℃，平均極端最高氣溫升高0.43 ℃；南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)近60 a平均最高氣溫升高0.73 ℃，平均極端最高氣溫升高0.62 ℃。

③冬季，北亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)平均最低氣溫及極端最低氣溫，70年代、80年代處于持續(xù)上升區(qū)，90年代略下滑，進入21世紀后上升，近60 a平均最低氣溫升高0.92 ℃，平均極端最低氣溫升高1.64 ℃；南亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，冬季平均最低氣溫及極端最低氣溫近60 a呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢，近60 a平均最低氣溫升高2.35 ℃，平均極端最低氣溫升高3.32 ℃。

④夏季，普安站平均最高氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率中等(R2=0.617)；普安站平均極端最高氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線不擬合(R2=0.129)，說明普安站極端最高氣溫年代變化趨勢，隨機性很大。望謨站平均最高氣溫及平均極端最高氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率高(R2分別為0.840和0.870)。冬季，普安站冬季平均最低氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率中等(R2=0.767)；普安站冬季平均極端最低氣溫、望謨站冬季平均最低氣溫及冬季平均極端最低氣溫年代變化趨勢分析曲線與多項式回歸分析曲線擬合率很高(R2分別為0.909、0.989、0.984)，說明冬季未來最低氣溫氣候變化預(yù)估就可根據(jù)二次回歸分析的趨勢線來判斷，為氣候變化預(yù)估提供科學(xué)依據(jù)。