中亚湖泊地区气温变化特征

陈起川,夏自强,郭利丹,王景才

(1.河海大学国际河流研究所,江苏南京 210098;2.河海大学水文水资源学院,江苏南京 210098)

气候变暖问题是全世界所关注的重大问题之一[1].政府间气候变化问题小组IPCC(2007)的报告指出:全球平均气温在19世纪末以来升高了0.4～0.8℃[2].增暖主要发生在1910年到1940年及1970年到现在这2个阶段[3].全球变暖具有普遍性,但是不同的地区也具有一定的差异[4-6],全球气温变化的区域性特征明显.中亚地区深居内陆,远离海洋,属于干旱半干旱地区,它的气温变化情况,却少有人知.本文在全球变暖的大背景下,分析中亚地区不同纬度地区的气温变化差异,旨在探究干旱半干旱地区湖泊的气温变化情况,也为研究不同纬度地区的气候变化提供依据[7].

1 研究对象和研究方法

1.1 研究区域概况

选取中亚地区的里海、咸海、巴尔喀什湖、阿拉湖、斋桑泊5个湖泊(图1)作为研究对象,分析并研究20世纪中后期及21世纪初的气温变化特征及其变化趋势.

图1 研究区域Fig.1 Diagram of study area

里海,是世界最大的湖,并且是咸水湖,位于亚欧大陆腹地,亚洲与欧洲之间.里海北部位于温带大陆性气候带,而里海中部以及南部大部分区域则位于温热带,西南部受副热带气候影响,东海岸以沙漠气候为主,从而气候多变.咸海,是位于中亚地区的一内流咸水湖,坐落于哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦两国交界处,为世界第4大水体,属于沙漠大陆型气候.巴尔喀什湖,位于哈萨克斯坦东部,是哈萨克斯坦境内第3大水体,由于深居亚欧大陆腹地,海洋上的气流很难流入,呈现出典型的温带大陆型气候.阿拉湖,是哈萨克斯坦境内的盐湖,在巴尔喀什湖东180km处,接近中国新疆维吾尔自治区边界,属于典型的干旱半干旱地区.斋桑泊,是哈萨克斯坦境内东北部的一淡水湖,位于阿尔泰山西麓,额尔齐斯河流经此湖.

1.2 研究资料

本文采用里海站、咸海站、巴尔喀什湖站、阿拉湖站、斋桑泊站这5个气象站20世纪中后期及21世纪初的逐日平均气温、逐日最高气温、逐日最低气温等资料对研究区域进行分析.所选择的5个气象站的地理坐标分别为 :里海 ,43.0°N,47.6°E;咸海,46.8°N,61.7°E;巴尔喀什湖 ,46.8°N,75.1°E;阿拉湖 ,46.2°N,80.9°E;斋桑泊 ,47.5°N,84.9°E.

1.3 研究方法

本文主要采用距平分析法[8]、5年滑动平均法[9-11]对各站的年平均气温、年最高最低气温的四季变化和年最高气温、最低气温的变化特征进行分析;采用Spearman秩相关系数法[12]、Mann-Kendall秩次相关分析检验法[13-14]对气温变化趋势的显著性进行检验.

2 气温的变化特征分析

2.1 气温的年际和年代际变化

各站年均气温统计特征值列于表1.由表1可以看出,中亚地区的年平均气温的变化特征,从空间上说,呈现出从南到北、从西到东逐渐降低的特点,由西南部里海的12.01℃降低到处于东北部的斋桑泊的4.41℃.最高年均气温与最低年均气温的极值比和极值差以及变差系数Cv都呈现出从南到北增大的特点,这说明年平均气温的年际变化程度具有从南到北逐渐增大的特点.

在统计系列中,斋桑泊的气温上升增幅最大,1936—2005年间多年平均气温为4.41℃,年均气温上升了2.43℃,年均上升率为7%,平均每年上升0.04℃;里海的多年平均气温变化最不明显,1882—2006年间里海的年均气温上升了0.12℃,年均上升率为0.29%,平均每年上升0.00096℃.对各站气温变化趋势采用Spearman秩相关系数法和Mann-Kendall秩次相关分析检验法进行的趋势显著性检验结果(表2)表明,纬度越高,年平均气温上升越显著.气温较高且排在前10位的年份,在1980—2005年这一时段内所占比例分别为里海4年、咸海10年、巴尔喀什湖8年、阿拉湖8年、斋桑泊9年.这表明,咸、巴、乌、斋4站20世纪80年代以后气温升高趋势是非常明显的.

表1 各站年均气温统计特征值Table1 Statistical characteristics of annual average temperatures at five stations

表2 各站年平均气温变化的趋势性检验Table2 Trend tests of changes of annual average temperatures at fivestations

采用距平分析法分析不同年代年均气温的变化.由表3可见,20世纪70年代后,各站年代均温距平为正,而70年代以前基本为负值,说明70年代后较70年代前年代均温呈上升趋势,即中亚地区的气温是从70年代开始升高的,并且各站在70年代以后偏离均值的情况越来越严重,说明气温还存在进一步升高的趋势.

对年均温采用差积曲线 秩检验联合识别法[15]进行变异点检验,得出秩统计量U(表4),U服从正态分布.若|U|＜U 0.05/2=1.96,表明变异点不显著;否则,表明变异点显著.由表4可以看出,各站气温均在20世纪70年代发生突变.这说明该研究区域的气温由低转高的突变点在20世纪70年代.

表3 各站20世纪30年代后平均气温距平结果Table3 Anomaly of average temperatures at five stations during different decades after 1930s ℃

表4 变异点分析结果Table 4 Analysis results of change points

2.2 20世纪70年代前后年内月平均气温变化

以20世纪70年代为界,对70年代前后逐月平均气温进行比较,结果见图2.

由图2可知,5个站70年代前后逐月平均气温变化量基本均为正值,只有个别月份的平均气温为负值.这说明,70年代后各月的平均气温较70年代前均存在不同程度的升高现象.其中:咸海、阿拉湖、斋桑泊的各月平均气温均有升高;里海的5月、6月、7月、8月和10月的变化量为负值,巴尔喀什湖只有3月和7月的气温有所降低,但降幅不大.

图2 各站70年代前后逐月平均气温变化量对比Fig.2 Variation of monthly average temperatures at five stations before and after 1970s

2.3 年内四季变化

通过分析可知,在所研究的5个站中,四季的平均气温均存在上升下降现象,其中,春、夏、秋三季的平均气温变化相对微弱,没有明显的上升下降趋势,而冬季的升温现象比较显著,见图3.

图3 各站逐年冬季气温5年滑动平均过程及其趋势线Fig.3 Five-year moving average processes of annual temperatures in winter and their trends at five stations

从均温变化曲线来看,各站冬季气温呈上升趋势,变化基本上一致.

各站冬季5年滑动平均气温趋势线斜率均大于0,说明5个站冬季均呈升温趋势.阿拉湖冬季气温上升最快,其次是斋桑泊、咸海、巴尔喀什湖,而里海升温趋势缓慢得多,线形趋势线斜率是最小的,仅为0.0136,是阿拉湖的1/5左右.对巴尔喀什湖逐年冬季均温的趋势显著性检验结果表明,Spearman检验和Kendall检验统计量分别为|T|=3.57和|U|=3.30,分别大于显著水平为α=0.05时的临界值2.01和1.96,说明冬季气温上升趋势显著.

由表5可知:春季,各站气温均呈上升趋势,其中咸海和阿拉湖显著升温;夏季,咸海、巴尔喀什湖、阿拉湖、斋桑泊4站表现为升温,咸海和阿拉湖显著升温,而里海呈降温趋势,但是不显著;秋季,各站气温均呈上升趋势,其中里海和斋桑泊的升温不显著.

表5 各站四季均温变化趋势及显著性Table 5 Change trends of seasonal average temperatures and their significances at five stations

2.4 年最高温最低温月份平均气温变化

年最高平均气温发生在夏季(6—8月),年最低平均气温发生在冬季(12月—次年2月),对各站年最高温最低温月份5年滑动平均气温变化趋势进行分析,并利用Spearman和Kendall秩次相关检验法检验趋势的显著性,结果列于表6.

表6 各站年最高温最低温月份平均气温变化趋势及显著性Table6 Change trends of average temperatures in months with maximum and minimum temperatures and their significances at five stations

由表6可见:里海19世纪末到21世纪1月和7月的气温升降显著,其他研究月份均温的上升下降趋势均不显著;咸海所研究月份均有升温现象,但2月和8月升温趋势不显著;巴尔喀什湖只有12月升温显著;阿拉湖12月和1月升温显著,其他月份升温但不显著;斋桑泊6月和7月升温不显著,其他月份均表现为显著升温.

2.5 极端年最高最低气温变化

对5个站的极端年最高、极端年最低气温进行5年滑动平均分析,结果见图4和图5.

图4 各站极端年最高气温5年滑动过程及其趋势线Fig.4 Five-year moving processes of annual maximum temperatures and their trends at five stations

图5 各站极端年最低气温5年滑动过程及其趋势线Fig.5 Five-year moving processes of annual minimum temperatures and their trends at five stations

由图4和图5可见:巴尔喀什湖的极端年最高气温呈下降趋势,但是降幅很小,极端年最低气温呈上升趋势;其他各站的极端年最高气温和极端年最低气温均呈上升趋势.用Spearman和Kendall秩次相关检验法检验了趋势显著性,结果见表7.

由表7可知:咸海和阿拉湖的极端年最高最低气温上升趋势显著;里海的极端年最高最低气温上升均不显著;巴尔喀什湖的极端年最高气温呈下降趋势,但不显著,极端年最低气温持升高态势,但不显著;斋桑泊的极端年最高气温上升不显著,但是其极端年最低气温的升高趋势显著.

由表8可见:20世纪70年代后平均极端年最高气温较70年代前,除里海降低了0.1℃外,其他4站均存在不同程度的升高现象,总体来讲,极端年最高气温呈升高趋势;极端年最低气温一致升高,变化区间为(1.11℃,3.74℃);极端年最高气温差值在0～2.7℃之间变化,巴尔喀什湖呈持平状态;极端年最低气温,5个站表现为一致性升高,变化区间为(1.2℃,3.9℃).

表7 各站极端年最高气温最低气温非参数相关检验结果Table7 Non-parameter tests of annual maximum and minimum temperatures at five stations

表8 各站20世纪70年代前后极端年最高最低气温统计结果Table8 Statistical results of annual maximum and minimum temperatures at five stations before and af

总体来讲,20世纪70年代后的极端年最高气温和极端年最低气温较70年代前都表现为升高趋势,并且极端年最高气温比极端年最低气温的升高趋势更加明显.

3 结 论

5个站年均气温的年际变化均随着纬度的升高而变大,平均气温多年来呈上升趋势,而且纬度高的站点气温升高趋势较为明显,斋桑泊的升温趋势最为显著.纬度最高的斋桑泊在1936—2005年间年均气温上升了2.43℃,年均上升率达7%,而纬度较低的阿拉湖、巴尔喀什湖、咸海的年均上升率只有2%,纬度最低的里海表现为降温,但降幅很小.春、夏、秋三季呈增温趋势,增幅比较小;冬季,各站均温均呈上升趋势.年最高气温方面,只有咸海和阿拉湖的年最高气温呈显著升高趋势,其他站的年最高气温升降不显著,其中巴尔喀什湖的年最高气温呈下降趋势,但是降幅不大;年最低气温基本呈升高趋势,其中,里海和巴尔喀什湖升高趋势不显著.各站的年均气温由低转高的转折点均在20世纪70年代.

中亚地区主要湖泊的年均气温整体呈上升趋势.主要表现为年最低气温的升高,年最高气温并无很明显的升高现象,升温过程主要发生在冬季,其他季节的气温增幅不大,且纬度越高,升温越显著.

[1]王邵武.近百年我国及全球气温变化趋势[J].气象,1990,16(2):11-15.(WANG Shao-wu.Variations of temperature in China for the 100 year period in comparison with global temperatures[J].Meteorological Monthly,1990,16(2):11-15.(in Chinese))

[2]Intergovernmental Panel on Climate Change.Climate change 2007[R].Paris:IPCC,2007.

[3]辛渝,张广兴,俞剑蔚,等.新疆博州地区气温的长期变化特征[J].气象科学,2007,27(6):610-617.(XIN Yu,ZHANG Guangxing,YU Jian-wei,et al.Secular variation feature of air temperature over Bole Region in Xinjiang[J].Scientia Meteorologica Sinica,2007,27(6):610-617.(in Chinese))

[4]NICHOLSON SE.Climatic and environmental change in Africa during the last two centuries[J].Climate Res,2001,17:123-144.

[5]BARLOW M,CULLEN H,LYON B.Drought in central and south-west Asia:La Nina,thewarm pool,and Indian Ocean precipitation[J].JClimate,2002,15:697-700.

[6]NICHOLSON N.The changing nature of Australian drought[J].Climate Change,2004,63:323-336.

[7]唐志坚,夏自强,郭利丹,等.中北亚地区气候纬向变化特征[J].河海大学学报:自然科学版,2009,37(3):271-275.(TANG Zhi-jian,XIA Zi-qiang,GUO Li-dan,et al.Characteristics of latitudinal climate change in Central-North Asia[J].Journal of Hohai University:Natural Sciences,2009,37(3):271-275.(in Chinese))

[8]谭徐明.近500年我国特大旱灾的研究[J].防灾减灾工程学报,2003,23(2):77-83.(TAN Xu-ming.Study of major drought catastrophesin China in recent 500 years[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2003,23(2):77-83.(in Chinese))

[9]裴益轩,郭民.滑动平均法的基本原理及应用[J].火炮发射与控制学报,2001(1):21-23.(PEI Yi-xuan,GUO Min.The fundamental principle and application of sliding averagemethod[J].Gun Launch&Control Journal,2001(1):21-23.(in Chinese))

[10]丁晶,刘权授.随机水文学[M].北京:中国水利水电出版社,1997.

[11]王文圣,丁晶,金菊良.随机水文学[M].北京:中国水利水电出版社,2008.

[12]王开军,黄添强.基于趋势秩的Spearman相关方法[J].福建师范大学学报:自然科学版,2010,26(1),38-41.(WANG Kai-jun,HUANG Tian-qiang.Spearman rank correlation method based on trend rank[J].Journal of Fujian Normal University:Natural Science Edition,2010,26(1):38-41.(in Chinese))

[13]MANN H B.Norr parametric tests against trend[J].Econometrica,1945,13(3):245-259.

[14]LIBISELLER C,GRIMVALL A.Performance of partial Mann-Kendall test for trend detection in the presence of covariates[J].Environmetrics,2002,13(1):71-84.

[15]邹悦,张勃,戴声佩,等.黑河流域莺落峡站水文过程变异点的识别与分析[J].资源科学,2011,33(7):1264-1271.(ZOU Yue,ZHANG Bo,DAISheng-pei,et al.Identification and analysis ofmutation of hydrological processesat the Yingluoxia Stationinthe Heihe River Basin[J].Resources Science,2011,33(7):1264-1271.(in Chinese))