广东汕尾近40年以来气温的变化特征

黄金霞, 肖天贵, 陈楷荣, 吴 俞

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.汕尾市气象局,广东汕尾516600)

近年来,全球变暖已是毋庸置疑的客观事实,文献[1]表明,从19世纪末期到20世纪90年代,全球平均温度有显著的上升变化趋势。在全球变暖的大气候背景下,我国气候也在发生变化。研究表明,近百年来,我国气候变化趋势与全球变化总趋势基本一致,气温上升了0.4℃-0.8℃,近50年增暖尤其明显,主要在20世纪80年代中期以后,气温增加了1.1℃,贡献最大的是秋、冬季[2-6],中国最低气温增暖趋势比平均气温显著[7-8],特别是冬季增暖更明显,自1986年以来经历了17个暖冬[9-10]。

文献[11-13]表明,我国各地对气候变暖的响应并不相同,气温变化具有明显的季节性和区域性差异。广东地跨中亚热带、南亚热带和北热带,且濒临海洋,山脉交错,区域气候变化差异显著,已有不少学者[14、15]做了研究。广东省内不同区域亦存在对全球气候变化的响应是不同的,如黄珍珠[16]研究得出：广东不同区域的气温变化有差异,增温速率南部沿海高于内陆,东南部为 0.026℃/年,西南部 0.023℃/年,中部 0.021℃/年,北部0.012℃/年,各区域冬季增温最明显。显然,这表明了不同的下垫面对区域温度变化的响应存在着差异。汕尾地处广东东部沿海,属南亚热带季风气候区,海洋性气候明显,光、热、水资源丰富,独特的地理位置使汕尾气候变化具有自身的特点。利用汕尾地区40a的气温资料,对汕尾地区的气温变化特征的分析研究,将为该地区的气温预报和短期气候预测提供一定的参考,为趋利避害指导汕尾的经济发展、合理利用本地气候资源提供理论依据。

1 资料与方法

1.1 资料

气温资料为1960-1999年汕尾地区3个站(汕尾、海丰、陆丰)40年的逐月平均、最高(最低)气温资料,以及利用该资料得到的40a年平均气温序列和春(3-5月)、夏(6-8月)、秋(9-11月)、冬(12-翌年2月)四季的平均气温序列、最高(最低)气温序列,其中取3-5月平均值为春季气温平均值,6-8月平均值为夏季气温平均值,9-11月平均值和12-2月平均值分别代表秋季气温和冬季气温平均值。

1.2 计算方法

1.2.1 线性趋势

把气候要素的变化写成时间t的线性函数x=at+b,其中a,b为经验常数,用最小二乘法通过实际资料计算得出,其中a表示线性函数的斜率,也就是气候要素的线性趋势,称为气候倾向率[17],文中指的是气温倾向率,单位为℃/a。

图1 汕尾站年、季温度距平序列(实线)、累积距平曲线(虚线)图

1.2.2 累积距平

累积距平也是一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法[17]。对于序列 x,其某一时刻 t的累积距平表示为 ：

将n个时刻的累积距平值全部算出,即可绘出累积距平曲线进行趋势分析。累积距平曲线呈上升趋势,表示距平值增加,定为偏暖阶段,呈下降趋势则表示距平值减小,定为偏冷阶段。

在冷、暖阶段中,暖年(季)、正常年(季)、冷年(季)的划分标准为：暖年(季)正常年(季)¯T+冷年(季)其中 ¯T代表气温序列多年平均值,S为标准差,T为某一年(季)的气温。

1.2.3 小波分析

小波分析亦称多分辨率分析,被认为是傅里叶分析方法的突破性进展。在气候诊断中,广泛使用的傅里叶变换可以显示出气候序列不同尺度的相对贡献,而小波变换不仅可以给出气候序列变化的尺度,还可以显示出变化的时间位置。小波变换理论及其优越性已在文献[18,19]中介绍,这里就不再赘述。

1.2.4 Mann-Kendall突变检验

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法,能检验突变发生的时间,其优点是不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,更适用于类型变量或顺序变量。其原理详见文献[20,21]。

2 汕尾地区40年气温变化特征

2.1 气温的年、季变化

3站年平均气温分别为：汕尾22.2℃、海丰22.1℃、陆丰22℃。下面以汕尾站进行详细分析。由图1a年气温距平曲线图可以看出：40年汕尾地区年平均气温经历了一冷两暖期。尤其在1980年代中期以后到21世纪初,气温总体上呈显著上升趋势,这同中国的变化一致[22]。1960-1966年为第一暖期,持续7年,除1962年为负距平-0.3℃,其它6年均为正距平;1967-1984年为冷期,持续 18年,除了 1972年(+0.2℃)、1974年(+0.1℃)外,其它16年均为负距平,40年中距平最小值出现在1976年达到-1.0℃即年平均气温最小值21.2℃;次小值出现在1970年达到-0.7℃即21.5℃;1985-1999年为第二暖期,持续15年,时间长于第一暖期,温度变化振幅明显大于第一暖期。其气温倾向率为0.04753℃/a,远大于第一暖期的气温倾向率0.016071℃/a,1998是40年中最暖的一年,距平为1.2℃,年平均气温达到23.4℃。这一结论与许多结论是基本一致的,即“近20-30年来中国的气温上升明显,与东亚的趋势一致,1998年是有观测记录以来最暖的一年,20世纪90年代是最暖的10年,这与全球平均气温的变化趋势一致。”[23-25]

从季变化看,夏季、秋季、冬季(图1c、d、e)的变化基本同年均变化一致,但春季(图1b)与年、夏、秋、冬季的变化有所不同。除在1967年前与第一暖期有一定的对应后,之后呈波动式振荡上升的趋势,其中冷期滞后较为明显,约持续到1990年代初期。整体趋势变化四季也有一定的差异,春季气温有微弱的下降其倾向率为-0.0012℃/a,其他3季均有明显的上升走势。其中冬季增幅最显著,气温倾向率达到0.025682℃/a,远大于年平均气温的升温率0.01℃/a。可见冬季增暖对年平均气温的上升占有主要的贡献,也最能体现近年来气候变暖的事实。

海丰和陆丰站40年的气温变化(图略)也呈现了暖-冷-暖3个阶段的趋势变化特征。时间段与汕尾站基本对应。年平均气温最小值海丰与陆丰也都出现在1970年,分别达到21.0℃和20.9℃;年平均气温最大值海丰与陆丰也同样都出现在1998年,分别达到23.7℃和23.5℃;两站四季气温皆呈上升趋势,且升温率以冬季最为显著。

图2 汕尾站年平均最高与最低气温的距平与累积距平曲线图(实线为距平曲线、虚线为累积距平曲线)

2.2 最高与最低气温的对比分析

图2表明,40年来汕尾站年平均最高气温与最低气温同年平均气温一样均呈升高趋势。升温率分别为0.011℃/a,0.017℃/a,后者是前者的1.5倍左右。可见最低气温的升温幅度明显大于最高气温,这与文献[26]中得到的“中国平均最低气温的增幅明显大于平均最高气温的增幅”的结论一致。经计算：年平均气温日较差倾向率为-0.00557℃/a呈减小的趋势,这种非对称性变化趋势说明夜间升温率大于白天。

从季节变化趋势看,季节最高气温除了春季呈小幅下降外,其他3季均呈上升趋势,对年平均最高气温的上升有正贡献,秋、冬季占主要贡献。而季最小气温各季均呈上升趋势,春、夏季略有增加,秋、冬季升温显著,分别是夏季的3～5.5倍。

海丰、陆丰的变化特征分析(图略)表明,年际趋势基本和汕尾站类似。从表1可见,海、陆丰年最高最低气温同样呈上升趋势,海丰站升温率Tmin＞＞Tmax,接近2倍,而陆丰的年最低气温升温率却小于最高温度升温率,这与全球的变化趋势是不一致的,经过分析发现陆丰县自20世纪90年代以来城市发展较快,受城市化进程影响,陆丰站周围的观测环境受到一定的破坏,其观测数据与地区或气候平均值有了一定的偏差,这可能是有别于其他两站的主要原因。但从季节看两站各季基本均为冬季对年极值气温的升高的贡献最大。

表1 汕尾地区3站1960-1999年各类气温统计量

3 气温冷暖阶段分析

分别统计年及冬、夏平均气温冷、暖阶段的有关情况,结果见表2。近40年汕尾地区在不同冷、暖阶段,冷、暖年(季)出现的年数差异很大。在第一暖期(1960-1966年),出现2个暖年、4个正常年和1个冷年;夏季出现1个暖季、4个正常季、2个冷季;冬季出现2个暖季、3个正常季和 2个冷季,年、夏季均为正距平,冬季气温为负距平。冷期(1967-1984年),出现11个冷年、3个正常年和4个暖年;夏季6个冷季、10个正常季和2个暖季;冬季出现8个冷季、5个正常季和5个暖季,年、夏、冬季均为负距平。在第二暖期(1985-1999年),出现7个暖年、5个正常年和3个冷年;夏季出现6个暖季、6个正常季,另有3个季表现为冷季;而冬季暖季增多达到8个,正常季依然为6个,冷季减少达到1个。年、夏、冬季气温均为正距平,夏到冬季增加明显,并在冬季达到0.448889℃的正距平。表明20世纪80年代中期以来气温呈现显著的增暖趋势,这与全球气候变暖的大背景相呼应。

海丰、陆丰(图略)的规律特征：海丰在第一暖期无暖年,其它相当;在冷期两站表现有一定差异,其中海丰冷年达到13年,比陆丰多4个,夏、冬季相当;在第二暖期,陆丰比海丰多2个暖年,夏季多3个暖季,其他相当。从距平值看两站变化差距不大,但趋势与汕尾站有一定差异：第一暖期距平均为负值,冷期也同为负值,第二暖期同为正值且距平值增幅较大,其中海丰0.633333℃、陆丰0.553333℃,比汕尾站增加约25%～50%。可见受海洋性气候影响最大的汕尾站比内陆两站在气温升高方面有提前的趋势。

表2 汕尾站年、夏季、冬季平均气温冷暖阶段统计情况

4 异常冷暖年(季)

世界气象组织对气候异常提出了两种判别标准[27],其一是距平超过标准差的两倍以上,其二是它出现的几率为25年以上一遇。由于标准差是描写气象要素相对其平均值离散程度的统计量,因此取距平超过标准差达一定程度为异常是适当和方便的。考虑到异常气候出现机遇较少,王绍武等[28]把大于标准差的1.3倍的气候灾害定为严重气候灾害。由于汕尾地处沿海,受海洋性气候影响偏大,选取一个中间值即采用距平的绝对值大于标准差的1.5倍作为异常标准,来分析汕尾地区的异常冷、暖年情况,如表3所示。

表3 1960-1999年汕尾地区3站异常冷暖年(季)统计表

从年际看,异常冷年均出现在1980年以前。3站异常冷年均出现在1970年、1976年、1979年,其中陆丰1976年为汕尾地区40年中最冷的一年,年平均气温为20.85℃,距平为-1.15℃,其低于年平均气温标准差的2倍。异常冷春季3站也均在1970年,陆丰站同样也是最冷的春季达到19.77℃,距平值达到-1.66℃。异常冷夏季分别在1976年、1979年,异常冷冬季均在1980年代中期以前,1984年之后16年以来无异常冷冬季,其中3站为1976年均冷冬季,最冷冬季出现在陆丰站的1967年,气温12.47℃,距平-2.59℃。

同样,异常暖年也均出现在1990年代后期。异常暖年仅有2年,其中海丰1998年为40年中最暖一年,其年平均气温为23.71℃,距平为1.608℃,约等于年平均气温标准差的3.4倍。最暖的四季分别是海丰1998年春季(气温23.27℃、距平 1.747℃)、海丰与陆丰 1998年夏季(气温达到 28.63℃)、海丰 1998年秋季(气温达到25.43℃)、海丰1998年冬季(气温达到17.5℃,距平达到2.3℃)。

5 小波分析与M-K突变检验

5.1 小波实部分析

研究[29]表明,小波系数的变化趋势与气候信号的起伏是基本一致的。等值线中心为冷暖中心,中心值的大小可以反映出波动的振动强度,小波系数的零点可能对应于气候突变点。采用墨西哥帽小波变换,分析了汕尾地区40a年平均气温的多时间尺度特征(为更清晰地体现年平均气温的变化规律,图3使用了插值算出的2000年数据)。由图3a可知：汕尾站存在2-3a、6-7a的高频振荡周期,同时也存在一个准12a的年代际尺度的低频振荡周期。其中2-3a的振荡周期主要在1980-1990年代之间,6-7a的振荡周期主要在1960年代中期以前,准12a年代际周期振荡从1980年代中期开始逐渐加强,并在1990年代末到2000年初为最强阶段(由等值线趋于闭合推断),小波变换系数值达到+9左右。另外,从气温的冷暖结构来看,1960年代中期以前是偏暖阶段,之后到1980年代中期主要是偏冷阶段,1980年代中期以后至今为显著的变暖阶段。

5.2 方差分析

由公式(略)计算年平均气温的小波方差,得到图3(b)。可知1个小波方差峰值对应12a的时间尺度,说明在1960-2000年整个时间域中,汕尾站以12a的周期振荡最强,是第1主周期。

图3 汕尾站年平均气温

5.3 M-K突变分析

由图4可见,UF和UB曲线相交于±1.96信度线之间,确定汕尾站年平均气温在1998年发生了突变。

5.4 海、陆丰站变化特点

由两站小波变换(图略)分析得出：海丰小波图上存在准7a与14-16a的振荡周期,方差图上有1峰值较好地对应了14-16a的时间尺度。陆丰有准1.5a、准2.5a、5-7a、准16a的振荡周期,方差图上也有1峰值能较好地反映出准16a的时间尺度。

图4 汕尾站Mann-Kendall统计量曲线图

由两站M-K突变检验(图略)分析得出：突变时间均提前到1997年。从前述表1中计算的数据可以看出：40年汕尾站年平均与最高、最低气温的气温倾向率值分别为0.01、0.011、0.017,而海丰、陆丰两站分别为0.022、0.017、0.031和0.023、0.029、0.024,从3站年平均气温倾向率看海丰、陆丰2站明显高于地处沿海的汕尾站近2倍,再以年平均最高、最低气温的倾向率进行比对可以看出：与年平均气温倾向率同比类似,但幅度稍小。综上：3种数据说明了海丰、陆丰2站比汕尾站提前响应了全球气象变暖背景的大趋势,可能是此两站突变时间偏早1年的原因之一。

6 结论

通过常规气候诊断方法,对汕尾地区1960-1999年40年的气温进行分析,得出以下结论。

(1)40年来汕尾地区存在暖-冷-暖的3个阶段的气候波动变化。总体上年季平均气温均呈上升趋势。尤其在20世纪80年代中期以后的升温趋势较为明显。四季的升温率以冬季最为显著。各个年代平均气温的年季变化总体上呈逐渐上升的趋势,其中1990年代的增暖最为显著。

(2)年平均最高气温与最低气温同年平均气温一样均呈升高趋势。其中海丰年平均最低气温升温率远大于最高温度升温率,汕尾站次之,但陆丰站年平均最低气温升温率却小于最高温度升温率。

(3)近40年汕尾地区在不同冷、暖阶段,冷、暖年(季)出现的年数差异很大。其中异常冷年均出现在1980年代以前的1970年、1976年、1979年,其中陆丰1976年为汕尾地区40年中最冷的一年,年平均气温为20.85℃;异常暖年也均出现在1990年代后期。异常暖年仅有2年,其中海丰1998年为40年中最暖一年,其年平均气温为23.71℃。

(4)汕尾站存在2-3a、6-7a的高频振荡周期,同时也存在一个准12a的年代际尺度的低频振荡周期。海丰站存在准7a与14-16a的振荡周期,陆丰站有准1.5a、准2.5a、5-7a、准16a的振荡周期。

(5)年平均气温M-K突变检验结果显示：汕尾站在1998年发生了突变,海丰、陆丰站均在1997年发生了突变。

[1]王绍武.现代气候学研究进展[M].北京：气象出版社,2001.

[2]丁一汇,任国玉,石广玉.气候变化国家评估报告(I)：中国气候变化的历史和未来趋势[J].气候变化研究进展,2006,1(2)：3-8.

[3]王绍武,叶瑾琳,龚道溢.近百年中国气温序列的建立[J].应用气象学报,1998,9(4)：392-401.

[4]丁一汇,戴晓苏.中国近百年来的温度变化[J].气象,1994,20(12)：19-26.

[5]陈隆勋,朱文琴,王文.中国近45年来气候变化的研究[J].气象学报,1998,56(3)：257-271.

[6]任国玉,徐铭志,初子莹.近54年中国地面气温变化[J].气候与环境研究,2005,10(4)：717-727.

[7]翟盘茂,任福民.中国近40年最高最低温度变化[J].气象学报,1997,55(4)：418-429.

[8]任福民,翟盘茂.1951-1990年中国极端气温变化分析[J].大气科学,1998,22(2)：217-227.

[9]孙林海,赵振国.我国暖冬气候及其成因分析[J].气象,2004,30(12)：57-60.

[10]王凌,张强,陈峪.1956-2005年中国暖冬和冬季温度变化[J].气候变化研究进展,2007,3(1)：26-30.

[11]高素华,潘亚茹,郭建平.我国近40年温度的变化及其对农业生产的影响[J].气象,1994,20(5)：36-41.

[12]屠其璞,邓自旺,周晓兰.中国气温异常的区域特征研究[J].气象学报,2000,58(3)：288-296.

[13]陈文海,柳艳香,马柱国.中国1951-1997年气候变化趋势的季节特征[J].高原气象,2002,21(3)：251-257.

[14]汤海燕.广东省近40年来气候变化初探[J].广东气象,2003,(1),37-39.

[15]刘爱君.广东近半个世纪的气温变化趋势[J].广东气象,2003,(4),11-13.

[16]黄珍珠,秦鹏,胡娅敏,曾雅靖.48年来广东省不同区域的温度变化特征[J].广东气象,2008,30(3)：1-3.

[17]魏凤英.现代气候统计诊断预测技术[M].北京：气象出版社,1999：42-76.

[18]崔锦泰,小波分析导论[M].西安：西安交通大学出版社,1995：66-69.

[19]林振山,邓自旺.子波气候诊断技术的研究[M].北京：气象出版社,1999：28.

[20]黄嘉佑.气象统计分析与预报方法[M].北京：气象出版社,2000：19-28,135-139.

[21]魏凤英.现代气候统计诊断预测技术[M].北京：气象出版社,1999：62-72.

[22]徐铭志,任国玉.40年中国气候生长期的变化[J].应用气象学报,2004,15(3)：306-312.

[23]陈隆勋,朱文琴,王文.中国近45年来气候变化的研究[J].气象学报,1998,56(3)：257-271.

[24]王绍武,蔡静宁,朱锦红.中国气候变化的研究[J].气候与环境研究,2002,7(2),137-145.

[25]张晶晶,陈爽,赵晰弈.近50年中国气温变化的区域差异与全球气候变化的联系[J].干旱区资源与环境,2006,20(4)：1-6.

[26]唐红玉,翟盘茂,王振宇.1951-2002年中国平均最高、最低气温及日较差变化[J].气候与环境研究,2005,10(4)：728-735.

[27]蒋淑芳,李小泉.近三十余年我国气候异常的初步分析[J].气象,1985,11(7)：20-24.

[28]王绍武,龚道溢,陈振华.近百年中国的严重气候灾害[J].应用气象学报,1999,10(增刊)：43-53.

[29]尤卫红.气候变化的多尺度诊断分析和预测的多种技术方法研究[M].北京：气象出版社,1998：9-20.