1970—2019年安吉小鯢棲息地氣溫和降水的變化特征

郎澤東，俞立鵬，楊宇博，夏 諾，李 黎,3，沈家曉,3，王嘉芃,3，張登榮,3

(1. 安吉縣龍王山自然保護區(qū)管理處，浙江 湖州 313301； 2. 杭州師范大學遙感與地球科學研究院，浙江 杭州 311121；3. 浙江省城市濕地與區(qū)域變化研究重點實驗室，浙江 杭州 311121)

安吉小鯢(Hynobiusamjiensis)最早1990年在浙江省安吉縣龍王山被發(fā)現(xiàn)并命名，屬兩棲綱有尾目小鯢科小鯢屬，是我國發(fā)現(xiàn)較晚的特產(chǎn)珍稀兩棲動物[-2]，隨后在安徽省清涼峰也發(fā)現(xiàn)了安吉小鯢的蹤影[3].

兩棲動物對環(huán)境變化十分敏感，被稱為環(huán)境的指示器[4].安吉小鯢生活于沼澤地泥炭蘚下層的腐殖質層中，產(chǎn)卵季節(jié)進入水坑[5].近年來，在氣候環(huán)境日益惡劣、全球氣候變暖以及人類大規(guī)模干擾等影響下，安吉小鯢的生存空間正在逐漸縮小，加上其繁育能力差，種群延續(xù)面臨巨大的壓力，甚至瀕臨滅絕[6-7]，已被中國瀕危動物紅皮書、IUCN中國物種紅色名錄列為極危等級[8-9].因此，研究安吉小鯢棲息地的氣候變化特征，掌握影響安吉小鯢生存的關鍵環(huán)境因子，是當前保護安吉小鯢的重要任務之一.

目前，關于氣溫降水變化規(guī)律的研究方法主要包括線性傾向估計、累積距平、Mann-Kendall突變檢測法及Morlet小波分析等.常周梅等[10]使用線性傾向估計和Morlet小波分析方法研究了西寧市1951—2015年氣溫及降水量的變化特征，孫康慧等[11]在對1970—2014年中國生態(tài)脆弱區(qū)氣候變化特征的分析中使用了累積距平等方法，苗運玲等[12]用Mann-Kendall突變檢測法研究了東天山北坡氣溫與降水的時空變化特征.雖然研究方法已相對成熟，但鮮有學者針對安吉小鯢棲息地歷年的氣候特征變化展開研究.因此，本文對安吉小鯢棲息地——浙江省安吉縣龍王山自然保護區(qū)50年間的氣溫降水情況進行了分析，以探究安吉小鯢棲息地50年間的氣候變化特征，分析氣候對安吉小鯢生存的潛在影響.

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

龍王山自然保護區(qū)(北緯30°22′31″—30°25′12″，東經(jīng)119°23′48″—119°26′38″)位于浙江省湖州市安吉縣西南部，西天目山脈北側，浙皖兩省三縣(安吉縣、臨安縣、寧國)交界處，主峰龍王尖海拔1 587 m.棲息地屬于亞熱帶濕潤季風氣候，夏季高溫多雨，冬季溫和少雨[6].

氣象數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學數(shù)據(jù)中心提供的安吉氣象站1970—2019年逐月均溫及平均降水資料.分析季節(jié)變化時，將3—5月劃為春季、6—8月劃為夏季、9—11月劃為秋季、12月—次年2月劃為冬季[13-14].數(shù)據(jù)分析及繪圖工具為MATLAB、Surfer及Excel.

1.2 研究方法

采用線性傾向估計法[10,15]分析安吉小鯢棲息地氣溫、降水的升降趨勢及其變化的顯著程度.運用累積距平法[11,16]判斷氣候序列的變化趨勢及突變發(fā)生的大致時間，突變發(fā)生的具體時間采用Mann-Kendall突變檢測法[12]計算.Morlet小波分析法用于表示年際變化在各時間尺度上相對擾動的強度和年際變化主要時間尺度峰值所在周期(主周期)[17-18].

2 結果與分析

2.1 氣溫及降水量的時間變化趨勢

2.1.1 氣溫的時間變化特征

安吉小鯢棲息地1970—2019年年均氣溫變化、滑動平均結果和線性擬合曲線見圖1，年均氣溫和四季均溫的相關系數(shù)及其顯著性檢驗結果見表1.結合圖1、表1可以看出： 1970—2019年年均氣溫在15.73～18.44 ℃之間變化，最高年均氣溫出現(xiàn)在2007年，1970年的年均氣溫最低.50年內的年均氣溫整體呈顯著上升趨勢(P<0.01)，共上升了2.3 ℃，這與張青[19]、高依蓮[20]等對浙北區(qū)域氣溫變化的研究結果相近.年均氣溫在某些年份存在較大波動，1972—1975、1980—2007、2012—2018年氣溫升高，1975—1980、2007—2012年氣溫降低.就季節(jié)變化而言，安吉小鯢棲息地季度均溫與年均氣溫變化趨勢一致，整體呈上升趨勢(傾向率均為正)，其中春季均溫上升幅度最大，達0.065 ℃/a，其后依次是秋季、夏季、冬季，溫度上升均顯著(P<0.01).由此可見，安吉小鯢棲息地近50年各季均溫對年均溫的上升趨勢都有不同程度的貢獻，其中春季貢獻最大，秋季次之，夏冬季貢獻最小.

圖1 1970—2019年均氣溫變化趨勢Fig.1 The interannual changing trend of annual atmospheric temperature from 1970 to 2019

表1 安吉小鯢棲息地氣溫、降雨變化傾向率及相關系數(shù)檢驗結果Tab.1 The interannual changing trend of annual precipitation

2.1.2 降水的時間變化特征

依據(jù)圖2所示安吉小鯢棲息地1970—2019年降水量變化趨勢，結合表1，可以看出：安吉小鯢棲息地1970—2019年降水量在949～2 132 mm之間波動，其中2003年降水量最少，2015年最多.50年間，年降水量整體呈增加趨勢，共增加466 mm.年降水量在某些年份存在較明顯的波動，1979—1999、2003—2015年降水量增加，1973—1979、2002—2003、2015—2017年降水量減少.各季降水量與年降水量變化趨勢大體一致，除秋季外，春夏冬季均呈波動式增加趨勢，但各季降水量增加幅度有所不同，表現(xiàn)為夏季>冬季>春季>秋季.以上結果說明，近50年，除秋季外，安吉小鯢棲息地各季降水量對年降水量的增加趨勢均有一定貢獻，夏季主導年降水變化.

圖2 1970—2019年降水量變化趨勢Fig.2 The interannual changing trend of annual precipitation from 1970 to 2019

2.2 年均氣溫和年降水量的突變檢測

圖3所示為安吉小鯢棲息地1970—2019年年均氣溫累積距平結果和Mann- Kendall統(tǒng)計指標UF、UB曲線.Mann-Kendall突變檢測由UF、UB曲線指示.當樣本量為正態(tài)分布時，若UF<0，則原樣本的時間序列呈下降趨勢；若UF>0，則為上升趨勢.當顯著水平為0.05時，正態(tài)分布下的U0.05=1.96.若UF的絕對值大于U0.05，說明樣本的變化趨勢顯著.若在顯著區(qū)間內，UF和UB相交，則交點對應的時間節(jié)點為突變發(fā)生的時間點.

a)累積距平曲線；b)M-K檢驗量.圖3 年均氣溫累積距平曲線和M-K檢驗量Fig.3 Cumulative anomaly and M-K statistic curve of annual average temperature

圖中結果顯示，1970—2019年間年均氣溫累積距平曲線大致呈“V”型，說明此地年均氣溫在50年內經(jīng)歷了先下降后上升的過程，推測其轉折點為20世紀90年代.1970—2019年，氣溫UF值始終大于等于0，且1994—2019年間，曲線逐漸遠超顯著水平臨界線，表明安吉小鯢棲息地的增溫趨勢顯著，這與表1結果一致；UF、UB曲線在20世紀90年代更加接近，綜合累積距平結果，判斷安吉小鯢棲息地年均氣溫在20世紀90年代發(fā)生了由低升高的變化，這與魏春萌[21]對長三角氣溫突變時間節(jié)點的判斷一致.

安吉小鯢棲息地1970—2019年降水量累積距平結果和Mann- Kendall統(tǒng)計指標UF、UB曲線見圖4.可以看出：年降水量累積距平曲線呈波動趨勢，說明安吉小鯢棲息地年降水量在近50年經(jīng)歷了多次增加—減少的變化過程，最大轉折點出現(xiàn)在2006—2014年，當前正處于降水量增加階段.盡管50年間大部分UF值均在0以上，但1970、1978—1981、2005—2010年的UF值小于0，因此，安吉小鯢棲息地年降水量的增加并不顯著，這與表1結果較為一致；UF曲線始終在置信水平臨界線范圍內，但UB曲線自1970年之后逐漸遠離UF，1999—2007年低于臨界值，2008年又開始逐漸靠攏，在2015年出現(xiàn)第一個交點，結合累積距平結果，可判斷此地年降水量大致在2015年發(fā)生了由少到多的突變.

a)累積距平曲線；b)M-K檢驗量.圖4 年降水量累積距平曲線和M-K檢驗量Fig.4 Cumulative anomaly and M-K statistic curve of annual precipitation

2.3 年均氣溫和年降水量的周期變化規(guī)律

為探究安吉小鯢棲息地年均氣溫變化的規(guī)律，繪制了Morlet小波系數(shù)實部等值線圖(圖5a)，其中，實線代表小波系數(shù)實部為正值，表明氣溫增加，虛線為負值，表明氣溫降低.圖中結果表明，以28年為尺度的年均氣溫周期性變化最為明顯，該時間尺度上年均氣溫的增高和降低情況交替出現(xiàn).

a)Morlet小波系數(shù)實部等值線圖；b)小波方差圖.圖5 年均氣溫的周期變化規(guī)律Fig.5 Periodic variation law of annual average temperature

分析圖5b所示年均氣溫小波方差圖，可以發(fā)現(xiàn)存在一個時間尺度為28的明顯峰值，表明安吉小鯢棲息地氣溫存在28年的時間尺度，且周期性震蕩變化十分強烈.為獲得主周期下年均氣溫的波動信息，繪制主周期28年尺度下年均氣溫小波系數(shù)實部過程線.由圖6可看出，在28年時間尺度上，年均氣溫呈現(xiàn)出高—低—高—低—高—低的震蕩周期，近年正處于1970年以來第3次震蕩周期中國氣溫偏低階段的峰值附近，屬經(jīng)歷了低峰期后的上升階段，預測2027年后達到氣溫升高的頂峰.

圖6 年均氣溫主周期尺度下小波系數(shù)實部過程線Fig.6 Varying duration curve of Morlet wavelet coefficient on real part of major cycles scale of annual average temperature

圖7a為安吉小鯢棲息地年降水量的Morlet小波系數(shù)實部等值線圖，可以看出，年降水量具有22、15年兩種時間尺度的周期變化，年降水量在兩種時間尺度上增多—減少交替出現(xiàn)，全域性較好.圖7b顯示年降水量小波方差存在3個較為明顯的峰值，分別為11、15和22.最大峰值對應的時間尺度為22年，這說明以22年為時間尺度的周期性最強烈，為第1主周期；第2、3峰值即第2、3主周期，分別對應15年和11年的時間尺度，但11年的變化周期在圖中并不明顯.

a)Morlet小波系數(shù)實部等值線圖；b)小波方差圖.圖7 年降水量的周期變化規(guī)律Fig.7 Periodic variation law of annual precipitation

同樣，為獲得主周期下的年降水量波動信息，繪制了3個不同主周期尺度下年降水量小波系數(shù)實部過程線(圖8)，結果表明：在22年時間尺度上，年降水量呈現(xiàn)出4個循環(huán)震蕩周期，最近正處于1970年以來第4次降水量減少的震蕩谷，預測下一個降水量高峰期在2028年前后；在15年時間尺度上，年降水量呈現(xiàn)出5個震蕩周期，最近正處于第5次降水量增加的頂峰，年降水量在此周期尺度上即將減少；由于11年的變化周期在小波系數(shù)實部等值線圖中并不明顯，周期尺度年降水量的研究并不能說明問題，本文對此不做推理.

圖8 年降水量主周期尺度下小波系數(shù)實部過程線Fig.8 Varying duration curve of Morlet wavelet coefficient on real part of major cycles scale of annual precipitation

2.4 擴展分析

由上述分析可知，年均溫度在近50年內顯著升高，考慮到有效溫度(生物能夠生長發(fā)育的溫度)范圍往往是影響物種生存的臨界條件[22]，本研究利用當前僅有的1980—2019年最高、最低氣溫數(shù)據(jù)進行了時間變化趨勢的拓展分析.由圖9可看出，40年間最高溫和最低溫的線性傾向率均大于0，高低溫均呈顯著上升趨勢(P<0.01)，且高低溫上升速率相當.這與3.1節(jié)的結論一致.安吉小鯢喜冷濕的泥炭地[8]，而近年來，安吉小鯢棲息地的氣候在向暖濕方向發(fā)展，已威脅到了安吉小鯢的保護.

圖9 1980—2019年最低、最高氣溫變化趨勢Fig.9 The interannual changing trend of highest and lowest temperature from 1980 to 2019

3 結論

本文基于1970—2019年我國龍王山自然保護區(qū)氣象資料，采用線性傾向估計、累積距平、M-K突變檢測和Morlet小波分析方法分析了該地區(qū)年度及季度氣溫、降雨的基本特征，得出以下結論：

1)1970—2019年安吉小鯢棲息地年、季度均溫和年度最高、最低溫都呈震蕩式上升趨勢，且上升顯著，春季和秋季對年均溫升高貢獻最大；年度和季度降水量也呈波動式上升趨勢，但升高趨勢未達顯著水平.

2)1970—2019年，研究區(qū)年均氣溫發(fā)生變化的轉折點為20世紀90年代(由低溫轉為高溫)，年降水量變化的轉折點為2015年(由少轉多).

3)1970—2019年研究區(qū)年均溫和降水量存在多時間尺度的周期變化規(guī)律，年均氣溫的主周期為28年，年降水量的第1、2、3主周期分別為22、15、11年，但11年的變化周期并不明顯.

由此可見，該研究區(qū)氣候發(fā)展方向不利于安吉小鯢的生存，這也為安吉小鯢現(xiàn)存數(shù)量減少現(xiàn)象提供了現(xiàn)實依據(jù).對于華東地區(qū)氣溫逐年上升的原因，林錦秀[23]認為與厄爾尼諾現(xiàn)象密切相關，且厄爾尼諾對降雨也存在季節(jié)性影響.Gao等[24]也強調厄爾尼諾對中國東部降雨的影響.Sang[25]提出城市化進程影響長三角地區(qū)的氣溫，并且該影響會持續(xù)加劇.但龍王山安吉小鯢自然保護區(qū)近幾十年來的氣候變化究竟是受到自然氣象災害還是人類活動的影響，具體受到何種影響，目前尚未有定論.在未來的研究可重點探討安吉小鯢棲息地的氣溫、降水變化原因及與之相關的物理機制，以便為安吉小鯢的保護提供更有意義的參考和新的認識.