新疆地区对流层中下层及地面温湿变化特征

2011-06-29巩远发蒋贤玲

成都信息工程大学学报 2011年6期

张元, 巩远发, 蒋贤玲

(成都信息工程学院大气科学学院,高原大气与环境四川省重点实验室,四川成都610225)

1 引言

当前全球日益变暖已成为不争的事实[1],而全球变暖驱动复杂的水文变化,可能导致西北大部分地区气候环境发生变化,出现降水与径流增加[2-5],水文与生态环境发生了显著的改变[6-7],大风与沙尘暴日数减少,极端天气气候事件增多等现象[8];同时,气温的升高也可以使地表及水汽蒸散蒸发加强,从而加强了干旱趋势的发展。施雅风等[6,9]研究推断20世纪70年代以来中国西北气候有由暖干转向暖湿的特征,其中新疆北部1987～2000年比1961～1986年气温偏高1.7℃,20世纪80年代和90年代,随着全球中高纬度大部分降水量增加,以1987～2000年平均降水量与1961～1986年相比,新疆北部增加了22%,新疆南部增加了33%。胡汝骥等[10-11]研究表明20世纪80年代中期以来,新疆出现了气候由暖干向暖湿转变的记录。由于新疆地处亚欧大陆腹地,四周距海遥远,水汽输送距离较长,空气干燥,云量较少,是著名的干旱与半干旱地区,在这样的气候背景下研究新疆地区温湿特征对中国西北及当地的生态环境和社会经济等方面都有着重大的现实意义和深远的战略意义。

近年也有许多学者对新疆的气候变化进行研究[12-15],取得了较多的成果,但这些研究和讨论大多数基于对地面温度和降水量的分析,而地面要素只是反应了一部分气候状况,观测受人类活动造成的城市化等影响大,人们希望得到的气候变化趋势能够从高空资料得到进一步证实,因此研究新疆高空温度和湿度变化也是非常必要的。张广兴等[16-18]利用探空资料对新疆地区高空大气温度变化进行研究,得到了新疆高空温度变化的一些总体特征。史玉光分析了新疆大气可降水量的气候特征。这些研究大多针对于高空温度,对高空湿度变化特征的研究很少,大气中水汽的含量不仅与大气环流有着密切的内在联系,而且是水分和能量循环过程的重要因素,因此分析新疆高空湿度与当地降水和干旱研究也密切相关。大气高层水汽含量很少,90%的水汽都在500hPa以下,而中层受到观测环境的影响较小,能够较好的反映区域气候特征,尝试对新疆区域气候的研究,同时考虑地面、中低层大气状况,揭示气候变化的某些事实,进而加深对新疆区域气候变化的深度和广度的了解,使对该区域的气候变化有个较为完整的认识。

基于上述分析,以新疆地区19692009年41年探空资料和降水资料为基础,对地面、850hPa、500 hPa温湿的变化趋势进行分区讨论,作为对新疆气候变化研究的补充,力求为保护和恢复当地脆弱的生态系统、促进区域社会经济以及生态环境协调发展提供有利参考和客观依据。

2 资料与方法

表1 各区域代表站

2.1 资料

高空资料选用国家气象信息中心经过质量控制的新疆区域14个台站的标准等压面的探空观测资料,数据集中,大部分台站资料的时间跨度是从建站到2009年12月,时间分辨率为1日2次(0000UTC和1200UTC);垂直方向上是从地面到10hPa,共有17层。根据新疆的气候特征,将其分为南疆和北疆2个区域,然后在每个区域挑选出时间连续性最好的几个测站(表1)资料的平均值作为该地区的高空资料。湿度参量比较多,比湿能够较直接的反映大气水汽的含量,选用比湿资料研究大气湿度的特征。探空资料包括1969～2009年地面、850hPa、500hPa的温度和比湿资料。

降水资料选用的是常用的国家气候中心提供全国160站中的新疆地区相同7个气象站点同期逐月降水资料,先计算各站点的年降水量,再用每个区域各个站点的平均值作为该区域的年降水资料(表2)。

2.2 方法

主要采用一元线性回归[20-21]对新疆地区的地面、850hPa和500hPa温度、比湿和降水的变化趋势进行分析,变化趋势采用线性趋势法,即把气候要素表示为时间t的线性函数y=a+bt,其中b为斜率,也就是气候要素的线性趋势,b为正(负)表示增加(减小)趋势。并用滑动 t进行气候突变检验[22],显著性水平取0.01。滑动t检验是通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变,是把一气候序列中两段子序列均值有无显著性差异做为两个总体均值有无显著性差异的问题来检验。如果两段子序列的均值差异超过了一定的显著性水平,可以认为均值发生质变,有突变发生。为此,对所分不同区域各个高度层的数据进行了突变检验。

3 高空温度和湿度变化

3.1 北疆地区高空温湿变化

北疆地区850hPa上3个测站1969～2009年平均比湿距平和平均温度距平的时间变化序列如图1所示。从图1(a)知,1986年以前,北疆地区850hPa比湿几乎全为负距平;1987～2005年几乎全为正距平,其中有3年是超过一个标准差的显著正距平,且2002年比湿距平超过了3倍标准差;2006年以后又全为负距平,且2008年和2009年为超过2倍标准差的显著负距平。从长期变化趋势可以看到比湿有微弱增加,但自1989～2009年21年变化趋势线明显下降,每10年比湿平均减少0.21g/kg。

图1 北疆地区850hPa 3个测站1969～2009年平均比湿距平和平均温度距平

从图1(b)知,1989年以前,北疆地区850hPa气温大多都是负距平,其中有6年是超过一个标准差的显著负距平;在1990年以后,气温明显上升,其中有5年是超过一个标准差的显著正距平。从气温长期变化趋势可以看到,1969～2009年41年,北疆地区平均每10年气温升高0.367℃,并通过了信度0.01显著性检验(表3)。

图2 北疆地区500hPa 3个测站1969～2009年平均比湿距平和平均温度距平

北疆地区500hPa上3个测站1969～2009年平均比湿和平均温度距平的时间变化序列如图2所示。从图2(a)知,1988年以前,北疆地区500hPa比湿距平异常很小,且大多为负距平;1989～2005年全为正距平,其中有3年是超过一个标准差的显著正距平;2006年以后又全为负距平,并且有3年超过了2倍标准差。与850hPa比湿不同的是 500hPa比湿的长期变化趋势呈微弱的减少趋势;1989～2009年,平均每10年比湿减少达0.106g/kg,并通过了信度0.01显著性检验(表4)。

从图2(b)知,1989年以前,北疆地区500hPa气温几乎都是负距平,且有5年是超过一个标准差的显著负距平,气温相对较低,其中1984年温度距平超过了2倍标准差;在1989年以后,气温明显上升,其中有5年是超过一个标准差的正距平,且1998年是超过了2倍标准差的显著正距平。从气温长期变化趋势可以看到,在1969～2009年41年,北疆地区500hPa气温平均每10年升高0.258℃,且通过信度0.01的显著性检验(表3)。

3.2 南疆地区高空温湿变化

南疆地区850hPa上4个测站1969至2009年平均比湿距平和平均温度距平的时间变化序列如图3所示。从图3(a)知,1986年以前,南疆地区比湿大部分为负距平,1988年为超过一个标准差的显著负距平;1987～2004年几乎为正距平,其中有6年是超过一个标准差的显著正距平,且2002年比湿距平超过了2倍标准差;2005年以后又全为负距平。从1969～2009年41年长期变化趋势可以看到比湿呈增加趋势,但自1989～2009年,比湿呈明显减少趋势,平均每10年比湿减少达0.296g/kg,通过信度0.05显著性检验(表4)。

图3 南疆地区850hPa 4个测站1969～2009年平均比湿距平和平均温度距平

从图3(b)知,1996年之前南疆地区850hPa气温大部分是负距平,有5年是超过一个标准差的显著负距平,其中1974年超过了3倍标准差的显著负距平;此后,气温明显上升,有4年是超过一个标准差的显著正距平。在1969～2009年41年,南疆地区850hPa气温平均每10年升高 0.302℃,自1989～2009年,平均每10年气温升高0.605℃,均通过了信度0.01显著性检验(表3、4)。

南疆地区500hPa上4个测站平均的1969～2009年平均比湿距平和平均温度距平的时间变化序列如图4所示。从图4(a)知,500hPa比湿总体变化特征与850hPa一致,1986年以前,南疆地区比湿大部分为负距平,有2年超过一个标准差的显著负距平;1987～2004年比湿异常变化几乎为正距平,有4年是超过一个标准差的显著正距平,其中2002年比湿距平超过了3倍标准差;2005年以后又全为负距平。在1969～2009年41年,南疆地区500hPa比湿呈微弱的增加趋势;但自1989～2009年,平均每10年减小达0.07g/kg,与850hPa比湿减小速率相比较小(表4)。

图4 南疆地区500hPa 4个测站1969～2009年平均比湿距平和平均温度距平

从图4(b)知,1989年以前,南疆地区500hPa气温大部分是负距平,其中有6年是超过一个标准差的显著负距平,气温相对较低,其中1974年温度距平超过3倍标准差;在1990年以后,气温明显上升,有4年是超过一个标准差的显著正距平,且1998年为超过2倍标准差的显著正距平。从气温长期变化趋势可以看到,在1969～2009年41年,南疆地区500hPa气温平均每10年升高0.152℃(表3),和850hPa大气增温速率相比,年平均气温增暖速率相对较弱。

综合新疆高空的温湿变化特征,1969～2009年41年变化趋势如表3所示,除了北疆500hPa比湿有微弱的减少外,南疆和北疆高空温湿均呈增加趋势,其中比湿多是在1980年中后期由负距平变为正距平,说明新疆地区对流层中低层大气比湿在1980年中后期增加,但高空比湿的变化趋势都没有通过显著性检验;1989～2009年21年的变化趋势(表4)看,高空温度仍然是增加趋势,但高空比湿则是减小的趋势,其中北疆的500hPa比湿通过0.01的显著性水平,南疆高空比湿均通过了0.05显著性检验,最为突出的特征是2005年后新疆高空比湿有降低的趋势。

4 地面温湿及降水变化

4.1 北疆地面温湿变化

与高空比湿相比,北疆地面比湿41年长期变化趋势呈明显的上升趋势(图5a),1986年以前,比湿几乎为负距平,其中有5年时超过一个标准差的显著负距平;1987年后大多为正距平。地面温度变化趋势与高空相似,也有较明显的上升线性变化趋势(图5b),可以看到1996年前,北疆地面温度大多为负距平,有5年是超过一个标准差的显著负距平,1996年之后,温度明显上升,温度异常变化几乎为正距平,且其中有7年是超过一个标准差的显著正距平。41年间,北疆地面平均每10年温度增加0.454℃,并通过信度0.01显著性检验(表3),增温较850hPa和500hPa最显著。

图5 北疆地区地面3个测站1969～2009年平均比湿距平和平均温度距平

4.2 南疆地面温湿变化

从图6(a)知,南疆地面比湿与高空比湿的变化特征有区别,在1987年由负距平转为正距平,1969～2009年41年长期变化趋势来看,表现出明显的增加趋势,平均每10年增加0.188g/kg(表3)。南疆地面温度仍然是呈显著的增加趋势(图6b),41年平均每10年温度增加0.292℃(表3),1989～2009年21年增温趋势更明显,南疆地区地面温度以0.612℃/10a的速率上升(表4),均通过0.01显著性检验。南疆地面温度最主要特征也是在1990年中后期由负距平转为正距平,与高空温度相比,地面增温最显著,且增温速率随高度增高而减小。

图6 南疆地区地面4个测站1969～2009年平均比湿距平和平均温度距平

图7 北疆3个测站和南疆4个测站1969～2009年总降水量距平

4.3 降水变化

通过对新疆41年降水量变化趋势的分析,希望能够对近年来新疆干湿变化状况有较全面的认识。图7是北疆和南疆地区地面代表测站平均的1969至2009年总降水量距平的时间变化序列。从降水量的长期变化趋势也可以看到两个区域年总降水量呈不同程度的增加趋势,1969～2009年41年,均表现在20世纪80年代中后期有一个由少转多的过程,北疆地区平均每10年降水量增加21.1mm,并通过信度0.01显著性检验(表3),年总降水增加量大于南疆;南疆地区在2005年后降水出现连续的负距平(图7b),这与高空比湿的2005年后的变化特征相似。

表3 为1969～2009年41年温湿和降水变化趋势参数表

经过分析可知,两个区域的温度从地面到500hPa都呈显著上升趋势,地面升温最显著,增温速率随高度增加而减小;但地面比湿与高空比湿的变化特征有差别,地面比湿在41年长期变化趋势为明显的上升趋势,而高空比湿在1980年中后期显著增加,在2005年后又明显减小,南疆地区降水与高空比湿变化特征一致,最明显的特征也是在2005年后降水由正距平转为负距平。2005年后新疆地区高空为由暖湿转为暖干的变化趋势,而地面为持续的暖湿的特征,大气严格受动力和热力定律的约束,通过大气环流调整,地面和高空气候状况相互影响,因此,新疆地区高空大气由暖湿转为暖干的特征可能会影响地面湿度及降水的变化。

表4 为1989～2009年21年温湿和降水变化趋势参数表

5 气候突变检验

为进一步分析新疆地区高空温湿和地面气候的变化特征,用滑动 t检验法分别对两个地区高空和地面温湿以及降水距平的时间序列进行突变分析,突变通常用来描述相邻2个气候阶段平均值之间存在显著差异。滑动t检验是将原序列划分为2个相邻时段 n1和 n2(n1+n2=n(总样本数)),n1依次取5、7、10、12、15,对应 n2为n-n1,计算统计量t值,显著性水平取0.01,在对应 t中取最大值,如果 t通过显著检验,说明序列存在突变,则该年份为突变年。降水突变点不显著,在此不予讨论(图略)。

图8 北疆地面、850hPa和500hPa比湿滑动t检验统计量t值的变化曲线

图8(a)为北疆地区地面、850hPa和500hPa高度层比湿距平滑动t检验统计量t值的变化曲线。取n1=n2=12(n1取其他长度时也有相同的突变点,n1=12时最显著)北疆地面和850hPa比湿的最小值均出现在1986年,500hPa比湿最小值出现在1989年,并且统计量 t值均通过0.01信度检验;图8(b)为取n1=n2=5时北疆500hPa上比湿距平滑动 t检验统计量t值的变化曲线,可以看到比湿最大值出现在2004年。由此可见,北疆比湿存在突变,地面和850hPa比湿分别在1986年发生突变,之后显著上升;500hPa比湿在1989年前后12年可能存在明显突变,之后显著升高,而在2005年前后4年可能存在明显突变,且之后显著下降。

图9为北疆地区地面、850hPa和500hPa温度距平的滑动 t检验统计量t值的变化曲线。取 n1=n2=12,从图中可以看到北疆850hPa和地面温度均在1996年出现最小值,500hPa温度在1985年出现最小值,且统计量t值均通过0.01信度检验。由此可见,北疆850hPa和地面温度在1996年,500hPa在1985年发生突变,并且之后显著变暖。

图9 北疆地面、850hPa和500hPa温度距平的滑动t检验统计量t值的变化曲线

图10 南疆850hPa和500hPa比湿滑动t检验统计量t值的变化曲线

图10(a)为南疆地面、850hPa和500hPa比湿滑动 t检验统计量t值的变化曲线。取 n1=n2=12时,突变最为显著,地面、850hPa和500hPa突变点均为1985年;图10(b)为取 n1=n2=5,850hPa和500hPa两层比湿均在2004年发生突变。由此可见,南疆地区850hPa和500hPa比湿均在1985年前后12年可能存在明显突变,之后显著升高,而在2004年前后5年可能存在明显突变,且之后显著下降;南疆地面比湿在n1取不同长度时均在1985年发生突变,之后显著变湿,均通过0.01信度检验(图略)。

图11为南疆地区地面、850hPa和500hPa温度距平的滑动 t检验统计量t值的变化曲线。取 n1=n2=12,北疆850hPa和地面温度均在1996年出现最小值,500hPa温度在1989年出现最小值,且统计量t值均通过0.01信度检验。因此,分析得出南疆850hPa和地面温度在1996年发生突变,500hPa在1986年发生突变,并且之后显著变暖。

6 结论与讨论

(1)从长期变化趋势看,高空比湿除了北疆500hPa有微弱的减少外,其余呈微弱的增加趋势,其中多是在1980年中后期由负距平变为正距平,说明新疆地区对流层中低层大气1980年中后期由干转为湿,最为突出的特征是2005年后又有变干的趋势;两个区域高空温度均为明显增加趋势,北疆41年来增温速率要高于南疆。

(2)地面比湿与高空比湿变化特征不同,41年长期变化呈明显的增加趋势;自1980年中后期北疆降水有持续增加的趋势;南疆降水在2005年后为连续负距平,这与高空比湿变化特征一致;新疆地面温度在1990年中后期明显增加,与高空相比,地面增温最为显著,且增温速率随高度增加而减小,从长期变化趋势看,北疆地面增温速率仍然大于南疆。

(3)在全球变暖的气候背景下,导致全球水循环过程加剧以及海洋水汽蒸发量增大,使大气环流所携带的水汽含量以及降水增加是新疆地区1980年中期转为暖湿的主要因素;2005年又转干的趋势可能是由于环流和风场的改变使输送到新疆的水汽减少,根本原因还有待在以后的工作中做进一步研究。

(4)经滑动t检验的方法进行突变检验,置信度均取99%。其中北疆地区地面和850hPa比湿均在1986年发生由降转升的显著突变,500hPa在1989年前后12年存在同样的突变,之后在2004年前后5年有由升转降的显著性突变;南疆地区850hPa、500hPa比湿均在1985年前后12年存在由降转升的突变,之后均在2005年前后4年存在由升转降的突变,地面比湿在1986年发生由干转湿的显著突变;北疆和南疆500hPa温度分别在1985年、1986年发生由降转升的显著突变,之后显著变暖,两个区域850hPa和地面温度均在1996年发生相同突变。新疆的水汽减弱,其具体原因还有待下一步工作研究。