1985－2013年南極長城站氣溫變化研究

周笑遷 何南騰 鄒嘉南

1985－2013年南極長城站氣溫變化研究

周笑遷 何南騰 鄒嘉南

（南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044）

為研究南極長城站的氣溫變化特征和南極半島西北部氣溫的長期演變，文章采用小波變換的方法對長城站1985年建站以來28年的氣溫季均值進(jìn)行分析。通過研究其實(shí)部和方差變化來研究其周期震蕩的時(shí)間尺度。發(fā)現(xiàn)不同的季節(jié)，周期性差別較大。有的季節(jié)其較短的周期較其他季節(jié)顯著；有的季節(jié)其較長周期更為明顯；有的周期甚至可以影響其他相鄰的季節(jié)。并通過CORREL相關(guān)關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)長城站氣溫多年月平均值與氣壓、濕度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

南極；長城站；氣溫；小波變換；時(shí)間尺度；相關(guān)

引言

南極由于其特殊的冰雪屬性和地理位置，在全球氣候系統(tǒng)中占有重要地位[1]。但是人類對于這塊苦寒的大陸知之甚少，直到1957—1958年國際地球物理年對南極進(jìn)行大規(guī)模的考察之后，才有了關(guān)于南極地區(qū)連續(xù)觀測的氣象資料，人們才逐漸認(rèn)識了這片神秘的冰雪天地[2]。對于南極的氣象數(shù)據(jù)，氣象學(xué)家不斷地對其進(jìn)行解讀。以氣溫?cái)?shù)據(jù)為例，卞林根等[2]統(tǒng)計(jì)了月最高最低溫度；林祥等[3]計(jì)算了其年代際變化趨勢；劉志剛等[4]計(jì)算了長城站近十年來的平均氣溫；孫啟振等[1]探尋了冬季氣溫與海冰外緣線的相關(guān)關(guān)系。但是目前關(guān)于南極氣溫周期性和與其他氣象要素的相關(guān)性的研究仍較為匱乏。

1 數(shù)據(jù)

本文所用的數(shù)據(jù)來自位于西南極喬治王島上的長城站氣象站（WMO No.89058，62.2 S，59.0 W，10 m），該氣象站于1985年建立，其地面氣象觀測儀器和觀測方法按照WMO和中國氣象局地面氣象觀測規(guī)范建設(shè)和運(yùn)行。其數(shù)據(jù)對于南極半島的氣候特征和變化趨勢具有代表性[1]。本文所采用的月平均值和季平均值均由以上資料的日平均值計(jì)算所得。自第四次國際極地年（2007—2008年）之后，長城站的常規(guī)地面氣象觀測系統(tǒng)已經(jīng)更換為CAWS600-B自動(dòng)氣象監(jiān)測站[5]，只有少數(shù)缺測值由人工補(bǔ)錄[6]，減少了數(shù)據(jù)的人為誤差。

雖然資料的時(shí)間序列較短，但分析的長城站站溫度的短期氣候變化特征，對于認(rèn)識南極在全球氣候變化中的作用仍具有重要的參考意義[2]。

2 數(shù)據(jù)處理方法

為了得出南極氣象數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域性質(zhì)，采用Morlet小波變換的方法[7]對于長城站的氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。Morlet小波變換能清晰地揭示出隱藏在時(shí)間序列中的多種變化周期，充分反映系統(tǒng)在不同時(shí)間尺度中的變化趨勢，是一種具有時(shí)-頻多分辨率功能的小波分析。

3 氣候特征

3.1 氣溫季節(jié)性周期震蕩

將南極地區(qū)的春季定為9月至11月，夏季為12月至次年2月，秋季為3月至5月，冬季為6月至8月[1]。

對比28年來的月平均氣溫和季平均氣溫，長城站的溫度有明顯的周期性。經(jīng)過小波變換，繪制氣溫的實(shí)部等值線圖。小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能反映所研究對象在各時(shí)間尺度上的周期變化規(guī)律[8]。當(dāng)氣溫偏冷時(shí)，實(shí)部值為負(fù)數(shù)；當(dāng)氣溫偏暖時(shí)，實(shí)部值為正數(shù)。逐月對長城站的氣溫進(jìn)行分析，可以得出以下規(guī)律。

3.1.1 長城站春季（9月至11月）氣溫周期特征

對長城站9月至11月的氣溫取季平均，進(jìn)行小波變換?？梢钥闯觯L城站春季氣溫方差（圖1）存在三個(gè)峰值，分別為2年尺度、12年尺度和29年尺度。由于29年尺度已達(dá)數(shù)據(jù)上限，此處不做討論。

在實(shí)部圖（圖2）中可以看出，2年周期的震蕩一直存在，但并不是很明顯。12年尺度的周期震蕩較為顯著，其周期變化的年份為1985—1996年和1997—2008年。2009年—2013年可以看出有一個(gè)負(fù)相位的變化，其時(shí)間長度大約為半個(gè)周期，可以認(rèn)為其也是一個(gè)明顯的周期震蕩，只不過由于數(shù)據(jù)長度問題而沒有得以展現(xiàn)。

此外，從圖3可以看出，還有一個(gè)21年尺度～22年尺度的周期震蕩，在方差圖上雖沒有對應(yīng)的峰值，但是折線的斜率在21年尺度處可以看出有減小的趨勢。

圖1 長城站春季氣溫小波變化方差圖

圖2 長城站春季氣溫小波變換實(shí)部圖

3.1.2 長城站夏季（12月至次年2月）氣溫周期特征

長城站夏季的溫度周期較多，從方差圖（圖3）中可以看出，存在5個(gè)峰值，分別為4年、18年、20年、24年、28年。

在實(shí)部圖（圖4）中，周期變化特征也較為復(fù)雜，在2005年之前，存在4年的周期，但是在這之后，4年的周期逐漸分裂為3年和5年的兩個(gè)周期。在2000年之前，10年尺度的周期和20年尺度的周期較為分明，但是在這之后，兩個(gè)周期逐漸趨近，變成了一個(gè)13～15年尺度的震蕩周期，其最大值為0.3966。此外，在圖5上部，1988—2008年之間存在大片紅色區(qū)域，兩側(cè)也有較為明顯的藍(lán)色區(qū)域，說明還有一個(gè)大約為40年尺度的周期震蕩，但是由于數(shù)據(jù)長度所限，未能繪出。

3.1.3 長城站秋季（3月至5月）氣溫周期特征

長城站秋季的氣溫周期震蕩在實(shí)部圖（圖5）可以看出，在2004年之前，有以8年為時(shí)間尺度的周期性變化，在2004年之后，周期性減弱，并且分裂為4年和9年兩個(gè)周期，但這兩個(gè)周期的實(shí)部值（絕對值）并不大，周期性不強(qiáng)。8年尺度在方差圖（圖6）中為峰值，與實(shí)部圖的結(jié)論相符合。

此外，在圖6中還存在一個(gè)顯著的周期，為20年。其實(shí)部的最大絕對值達(dá)到1.969，但是并沒有在方差圖上得以體現(xiàn)。

圖5 長城站秋季氣溫小波變換實(shí)部圖

圖6 長城站秋季氣溫小波變化方差圖

3.1.4 長城站冬季（6月至8月）氣溫周期特征

從實(shí)部圖（圖7）可以看出，長城冬季氣溫周期存在一個(gè)顯著的20年周期。此外，在5～10年的時(shí)間尺度上，存在1～2個(gè)不斷變化的較短周期。這個(gè)較短周期在方差圖（圖8）中體現(xiàn)為2年尺度的峰值。

在圖9中除了2年尺度的峰值，還存在一個(gè)16年尺度的峰值，但是在實(shí)部圖（圖7）中可以看作是20年尺度延伸出來的一部分。可能是受20年尺度的影響，在圖上沒有顯著體現(xiàn)。

圖7 長城站冬季氣溫小波變換實(shí)部圖

圖8 長城站冬季氣溫小波變化方差圖

3.1.5 長城站氣溫周期特征的一些假設(shè)

在上文中，有一個(gè)較長周期（20年尺度）出現(xiàn)了實(shí)部圖和方差圖不符的情況。除夏季以外，在其余時(shí)間的方差圖上都沒有顯示，但是在實(shí)部圖上可以看出該周期幾乎貫穿全年。對此，筆者提出兩種猜想。

（1）該周期是夏季獨(dú)有的震蕩周期，但是由于周期較長，受某種或多種因素的影響，可以有較長的滯后效果，故在全年得以體現(xiàn)。

（2）在對氣溫做月小波方差圖（圖9），可以看出在某些月份，方差存在20年尺度～22年尺度的峰值或斜率減小的變化?？赡苁怯捎谒惴ǖ脑?，抹去了方差圖中的一些周期變換的特征，但是在實(shí)部圖中還保留了其原來的特點(diǎn)，出現(xiàn)了實(shí)部圖和方差圖的震蕩周期的時(shí)間特征不一致的情況。

圖9 春秋冬部分月份小波變換方差圖

3.2 氣溫與氣壓、濕度的相關(guān)性分析

3.2.1 氣溫、氣壓、濕度的月距平值

南極長城站氣溫、氣壓、濕度的月距平值數(shù)據(jù)情況如表1所示。

表1 南極長城站氣溫、氣壓、濕度的月距平值

CORREL相關(guān)關(guān)系公式為：

氣溫距平與氣壓距平的相關(guān)系數(shù)為-0.607691867。

氣溫距平與氣壓距平的相關(guān)系數(shù)為-0.620139632。

3.2.2 運(yùn)用t檢驗(yàn)方法考察置信度

氣溫距平與氣壓距平的t檢驗(yàn)數(shù)值為-2.41974，其絕對值大于1.96，說明在0.05的顯著性水平上可以得出結(jié)論，二者相關(guān)關(guān)系成立，為負(fù)相關(guān)。

氣溫距平與氣壓距平的t檢驗(yàn)數(shù)值為-2.49978，其絕對值大于1.96，說明在0.05的顯著性水平上可以得出結(jié)論，二者相關(guān)關(guān)系成立，為負(fù)相關(guān)。

3.3 引起振蕩的因素分析

3.3.1 或與南極濤動(dòng)有關(guān)

林祥等[9]認(rèn)為，長城站氣壓與南極濤動(dòng)有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而地面溫度與其有顯著的正相關(guān)關(guān)系。這說明，南半球中高緯度大氣環(huán)流對于長城站的氣候特征有顯著的影響。

3.3.2 或與南極海冰及中緯度急流有關(guān)

Turner John等[10]發(fā)現(xiàn)，由于威德爾海的海冰向南極半島移動(dòng)并且增加，會擴(kuò)大降溫范圍。而這種海冰的變化是較強(qiáng)的中緯度急流所導(dǎo)致的，因此南半球中緯度急流的強(qiáng)弱變化可能是引起南極半島的氣溫變化的因素。

吳仁廣等[11]發(fā)現(xiàn)，在海冰范圍擴(kuò)大時(shí)，南極地區(qū)的海平面氣壓會偏低，極地高壓會偏弱，繞極低壓帶減弱。但吳仁廣只發(fā)現(xiàn)了海冰與氣壓的相關(guān)關(guān)系，并沒有進(jìn)一步探討二者的因果關(guān)系。筆者認(rèn)為有可能是海冰范圍擴(kuò)大，引發(fā)南極地區(qū)溫度的變化，從而引發(fā)氣壓的變動(dòng)。

4 結(jié)論

本文采用了小波Morle變換的方法對長城站1985年建站以來27年的氣溫季均值進(jìn)行分析。主要通過研究其實(shí)部和方差變化來研究其周期震蕩的時(shí)間尺度。發(fā)現(xiàn)每季均有2～3個(gè)較為明顯的周期震蕩。并通過CORREL相關(guān)關(guān)系的研究，發(fā)現(xiàn)長城站氣溫多年月平均值與氣壓、濕度之間存在顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。長城站及南極半島的氣候狀況或與南極濤動(dòng)、中緯度急流、海冰有關(guān)。

5 致謝

本文數(shù)據(jù)來源于國家極地科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www. chinare.org.cn），感謝此網(wǎng)站提供的長城站氣象觀測數(shù)據(jù)。

感謝“共享杯”科技資源共享服務(wù)創(chuàng)新大賽提供了相關(guān)的競賽平臺。

[1]孫啟振，孟上，馬強(qiáng)，等. 南極長城站近二十九年氣候特征[J]. 海洋預(yù)報(bào)，2016，33(5): 48-60.

[2]卞林根，馬永鋒，逯昌貴，等. 南極長城站(1985—2008)和中山站(1989—2008)風(fēng)和降水等要素的氣候特征[J]. 極地研究，2010，22(4): 321-333.

[3]林祥，卞林根. 南極長城站和中山站的近期氣候變化及其對南極濤動(dòng)的響應(yīng)[J]. 極地研究，2017，29(3): 357-367.

[4]劉志剛，吳麗俠，許淙. 南極長城站近10年來天氣變化特征[J]. 旅游縱覽(下半月)，2014(10): 123-124.

[5]陸龍驊，卞林根，逯昌貴，等. 國際極地年南極大氣科學(xué)考察[J]. 中國氣象科學(xué)研究院年報(bào)，2007(1): 48-50.

[6]林祥，卞林根. 南極長城站和中山站的近期氣候變化及其對南極濤動(dòng)的響應(yīng)[J]. 極地研究，2017，29(3): 357-367.

[7]張可可，胡冬梅，閆雨龍，等. 基于小波變換的山西省PM2.5污染特征及影響因素[J]. 環(huán)境科學(xué)，2022(3): 1226-1234.

[8]周育琳，穆振俠. 天山西部山區(qū)融雪年徑流水文特性分析[J]. 水電能源科學(xué)，2017，35(6): 10-13，34.

[9]林祥，卞林根. 南極長城站和中山站的近期氣候變化及其對南極濤動(dòng)的響應(yīng)[J]. 極地研究，2017，29(3): 357-367.

[10] Turner John, Lu Hua, White Ian, et al. Absence of 21st century warming on Antarctic Peninsula consistent with natural variability[J]. Nature, 2016, 535(7612).

[11] 吳仁廣，陳烈庭. 南極海冰與南半球大氣環(huán)流關(guān)系的初步探討[J]. 大氣科學(xué)，1994(S1): 792-800.

Study on the Temperature Changes at the Great Wall Station in Antarctica from 1985 to 2013

In order to study the characteristics of temperature changes at the Great Wall Station in Antarctica and the long-term evolution of temperature in the northwest of the Antarctic peninsula, the paper uses the wavelet transform method to analyze the seasonal mean temperature of the Great Wall Station in 28 years since its establishment in 1985. The time scale of periodic oscillation is studied by studying the changes of real part and variance. It is found that the periodicity varies greatly in different seasons. Some seasons have shorter cycles than others; in some seasons, the longer cycle is more obvious; some cycles can even affect other adjacent seasons. Through the study of CORREL correlation, it is found that there is a significant negative correlation between the multi-year monthly average temperature and atmospheric pressure and humidity at the Great Wall Station.

Antarctica; the Great Wall Station; temperature; wavelet transform; time scale; correlation

P46

A

1008-1151(2022)12-0018-04

2022-09-23

周笑遷（2000－），女，南京信息工程大學(xué)學(xué)生，研究方向?yàn)榇髿饪茖W(xué)（氣象學(xué)方向）。

鄒嘉南（1990－），男，南京信息工程大學(xué)講師，博士，研究方向?yàn)榇髿馕锢韺W(xué)。