APP下载

1962年以来大同市气温和降水变化及其突变特征研究

2016-02-24吴宇婧梁爱民马义娟钞锦龙苏志珠

关键词:厄尔尼诺大同市平均气温

吴宇婧,梁爱民,马义娟,钞锦龙,苏志珠

(1.太原师范学院地理科学学院,山西晋中030619;2.山西大学历史文化学院,山西太原030006)

1962年以来大同市气温和降水变化及其突变特征研究

吴宇婧1,梁爱民1,马义娟1,钞锦龙1,苏志珠2

(1.太原师范学院地理科学学院,山西晋中030619;2.山西大学历史文化学院,山西太原030006)

基于大同国际气象观测站点1962-2015年逐月的气温和降水数据资料,采用线性趋势分析法、距平分析法和Mann-Kendall非参数检验法,对山西省大同市气温和降水的变化趋势及其突变特征进行分析.结果表明:近54a来年均温呈现明显升高趋势,平均增温率约为0.31℃/10 a;气温在1988年发生了突变,20世纪90年代之前为偏冷期,之后进入偏暖期;四季均呈现增温趋势,尤以冬季、春季增温最明显;近54a来降水量变化不稳定,20世纪60至80年代年降水量偏少,1995-2011年降水量显著减少,1990-1995年和2010-2015年两个时段降水量呈增加趋势;降水量偏少年份恰好为厄尔尼诺发生年,降水量季节变化表现为夏季减少幅度较明显,其余季节均有所增加,且秋季降水增幅最大.

气候变化;趋势;突变分析;大同市

气候变化及其影响是当今社会广泛关注的研究内容之一.2007年IPCC第四次评估报告指出,近100a(1906-2005年)地球表面平均温度升高了0.74(0.56~0.92)℃,近50年人类活动导致全球升温的可能性在90%以上[1].2013年IPCC第五次评估报告又指出,未来全球变暖仍将持续,21世纪末全球平均地表温度将在1986-2005年的基础上增暖0.3℃~4.8℃[2].在未来全球变暖的背景下,我国年平均气温以0.22℃/10a的倾向率上升,中国的北方和青藏高原地区增温最明显[3],但降水变化及其区域差异有很大的不确定性[4],北方有些地区会持续干旱[5],而有些地区降水会增多[6],尤其是我国的东北、华北、西北东部地区降水量趋于减少,长江流域和西北西部降水则趋于增多[7].由于我国疆土辽阔,各地对气候变化的响应程度不尽一致,温度和降水的响应会存在明显差异.因此,基于气象观测资料开展不同地区的气候变化过程及其趋势研究具有重要的科学意义.

大同市作为山西省第二大城市,地处半湿润森林草原向半干旱干草原过渡的生物气候带,对全球气候变化响应敏感,气候变化研究受到学者们的重视.近年来,有关大同市气温、降水变化以及旱涝、寒潮等极端天气的研究已有报道[8-14],但多集中于对单一气象要素的分析以及气温、降水资料的时间序列较短.本文从气温、降水变化及其突变特征方面对大同市1962年以来的气候变化进行初步分析,以期丰富晋北地区气候变化的研究内容,并为气候变化预测提供科学依据和数据支撑.

1 研究区概况

大同市位于山西省最北部,地理位置大体上介于39°30′~40°44′N、112°34′~114°33′E之间,地处黄土高原东北缘,北与内蒙古高原交界,东与太行山脉交接,地势高亢,平均海拔在1 000~1 500m之间[15].按地貌类型及其组合特征可划分为三个单元,即西北部覆沙黄土丘陵区、中部河川盆地区和东南部土石山地区[16].气候上属于温带大陆性季风气候,四季分明.气候特征表现为:春季气温回升快,干燥多风沙天气,夏季雨热同期,秋季凉爽短促,降水主要集中在夏秋季节,占全年降水量的70%以上,冬季寒冷漫长;多年平均气温为5.1℃~7.5℃,年平均降水量为370~460mm.

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源

本文选取大同国际气象站点(40°06′N,113°02′E)1962-2015年逐月气温和降水量数据.数据来源于中国气象数据共享网站(http://www.data.cma.cn).国际气象站点设置于大同市的河川盆地区,可以代表大同盆地区的气候变化情况.

2.2 研究方法

按通常的季节划分方法:春季(3~5月),夏季(6~8月),秋季(9~11月),冬季(12月~次年2月).采用线性趋势分析法[17]和距平分析法对气温和降水的变化进行趋势分析,并采用Mann-Kendall非参数检验法[18]对突变现象进行分析.

3 结果与分析

3.1 气温变化分析

3.1.1 气温年际变化

1962-2015年间,大同市年平均气温变化在5.63℃~8.81℃之间,多年平均气温为7.05℃,气温变化总体呈现显著上升的趋势(图1a),年平均气温线性变化倾向率为0.31℃/10a,增长速率高于山西省增长速率0.15℃/10a[19]和全国的平均增长速率0.22℃/10a[3].从图1a中可以看出,20世纪60年代、70年代、80年代,其年平均气温值低于多年平均值(7.05℃);进入1990年后,升温趋势明显,年平均气温均高于多年平均值,其中1998年、1999年的气温达到历史上最高值,分别为8.79℃和8.80℃.已有的研究[20]结果显示,1998年全球有三个增暖中心,即北美大陆中高纬地区、亚洲东部地区和赤道东太平洋地区.显然,大同市1998年、1999年出现最高气温并不是偶然现象,可能与全球性大尺度气候变暖和90年以来我国持续性升温有直接的关系.21世纪初,年平均气温仍持续升高,在2010-2015年间平均气温有小幅度下降,但仍高于多年平均值.

图1 大同市1962-2015年平均气温及距平变化曲线

从图1b可以看出,20世纪90年代之前,年平均气温距平大多低于零之后基本高于零,说明90年代气温升温中期开始.

3.1.2 气温的季节变化

大同市近54a来不同季节的平均气温呈现出波动式升高的趋势(图2),尤其以冬季增温速率最大,为0.363℃/10a,其次为春季、夏季,分别为0.357℃/10a和0.29℃/10a,秋季增温速率最小,为0.22℃/10a.冬、春季气温的明显升高对大同市气候变暖的贡献较为突出.我国一年四季中年平均气温增暖速率分别为:冬季0.36℃/10a、春季0.23℃/10a、夏季0.12℃/10a、秋季0.19℃/10a[3],大同市四季平均气温的变化趋势与全国相一致,但增温速率均高于全国的平均水平.春季最高气温出现在1998年和1999年,为10.3℃;夏季最高气温出现在1999年,为23.37℃;秋季最高气温出现在1998年,为9.97℃;冬季最高气温出现在2002年,为-5.6℃.不难看出,20世纪末到21世纪初是大同市最暖的时期.

3.2 降水变化分析

3.2.1 降水年际变化

1962-2015年间,大同市年降水量变化在212.80~578.60mm之间(图3),多年平均降水量为374.29 mm,降水量最大值出现在1967年,达578.61mm,降水量最小值出现在1965年,为212.83mm.从图3a中可以看出,大同市年降水量变化较不稳定,年降水量线性变化倾向率为3.35mm/10a.20世纪60年代,年降水量变化波动性较大,降水量偏多和偏少的年份出现机率较多,呈现旱、涝交替变化;20世纪70年代早期年降水量由少变多;70年代中后期到80年代中后期,年降水量波动式减少;80年代中后期到90年代初,年降水量又呈现增加的趋势;1990年到2011年,年降水量又呈现出波动式减少;直到2012和2013年降水量大幅增加,之后又呈现递减的趋势.从大同市近54a来的降水量变化情况来看,1995-2011年间为降水量显著减少的时期;1990-1995年和2010-2015年这两个时段降水量呈现增加的趋势.

图2 大同市1962-2015年不同季节平均气温变化曲线

图3 大同市1962-2015年降水量及距平变化曲线

从图3b中可以看出,大同市近54a来年降水量的正负距平出现的机率虽然相近,但仍存在差异,正距平占54%,负距平占46%;降水量偏多的年份有3次,分别为1964年、1967年和1995年,降水量偏少的年份有5次,分别为1965年、1972年、1984年、1993年和2009年,年际波动较大.

与同期山西省其他地区或城市的气候变化相比较,太原市和朔州市年降水量的变化趋势、年代际降水量的变化[21-22]和本文的结果基本上相一致,但大同市年降水量明显低于太原市和朔州市,这可能与大同市所处的纬度位置偏北有关.同时期,我国的年平均降水量在20世纪60到90年代之间呈现显著下降的趋势,90年代之后降水开始增多[4].由此可见,大同市年降水量的变化和周边地区以及全国年平均降水量的变化趋势基本一致,这与此时期夏季风的强弱变化以及大气环流因素有关.

3.2.2 降水季节变化

从大同市近54a来降水量的季节变化(图4)情况来看,夏季平均降水量为228.88mm,夏季降水量占全年降水量的61.15%.近54a来夏季降水量呈现出波动式的减少趋势(线性变化倾向率为-4.27mm/10a),其他三个季节的降水量均呈现出波动式增加趋势,且以秋季降水量增加最为明显.秋季、春季、冬季的年降水量线性变化倾向率分别为6.36mm/10a,2.67mm/10a和0.34mm/10a.本区气候上属较典型的温带大陆性季风气候,降水量的多寡主要受东亚夏季风的影响,夏季雨热同期是本区气候的基本特征,据此说明夏季降水量的减少对研究区年降水量的变化有较大的影响.

图4 大同市1962-2015年不同季节降水量变化曲线

3.3 气温和降水的突变分析

用Mann-Kendall非参数检验法对大同市1962-2015年以来的年均温及年降水量进行突变分析.结果见图5.

图5 大同市年均温和年降水量Mann-Kendall判别曲线

3.3.1 气温突变分析

由图5a可知,UF曲线在1970年后开始逐年升高,1988年UF曲线和UB曲线在置信区间内有一个交点,且在1994年后逐渐超出了显著性水平0.05的置信区间.据此可知,大同市年均温在1988年发生了由低温向高温的突变.这与城市下垫面性质随社会经济快速发展造成的剧烈改变有密切关系.据大同市城市化进程对市区气候变化的研究表明:1990-2008年,城市面积由57km2发展至91km2,大同市人口数量增长到162.5万人,城市化因子对气候变化的贡献率占影响因子的37.99%[23].1990年以来,大同市城市规模发展壮大,城区面积和人口数量不断增加.随着城市化进程的发展,人类排放大量的温室气体,城市热岛效应增强.因此,1990年气温发生突变、增温明显与人类活动密切相关.

3.3.2 降水突变分析

由图5b可知,UF曲线波动幅度较大,在20世纪70至80年代之间和90年代至21世纪前期,呈现出波动式的下降趋势,在置信区间内和UB曲线有多个交点,但未发生较显著的突变现象.大同市降水量呈现不规则的周期性波动.已有的相关研究[24-26]表明,气候变化和太阳活动(厄尔尼诺)现象有一定的相关性.厄尔尼诺通过大气环流以“遥相关”的形式影响东亚季风系统各成员,并由此影响到我国的气候变化.在厄尔尼诺发生年份,降水量明显偏低的概率较高;厄尔尼诺发生年份后的次年,降水量偏多的概率较高,厄尔尼诺事件对年降水量的增加和减少量差异较大,尤其是对我国华北地区的影响最强[24].按照国家气候中心《ENSO监测简报》(18-53期)所划分的20世纪60年代以来的厄尔尼诺事件出现的年份和大同市1962-2015年间降水量距平进行比较(图6),由图6可以看出,大同市降水量偏少的年份恰好为厄尔尼诺事件发生年,降水量偏多的年份与厄尔尼诺结束年相关性较高.据此说明,大同市年降水量多寡受厄尔尼诺影响较大,年降水量不规律的周期性变化与厄尔尼诺现象有一定的相关性,这对大同市多雨年或少雨年的气象预报具有指导意义.

图6 大同市1962-2015年降水量距平和厄尔尼诺发生年比较

4 结论

1)近54a来气温变化有明显的升高趋势,年平均气温线性变化倾向率为0.31℃/10a,高于同时期全国和山西省的平均水平.春季、夏季、秋季、冬季的平均气温也呈现出增高的趋势,特别是冬季、春季升温最显著.

2)气温在1988年发生了突变现象,由之前的低温时期向高温时期转变.这与20世纪90年代以来经济快速发展和城市化快速推进导致城市热岛效应增强有着密切相关.

3)近54a来年降水量的增减变化规律表现不明显,总体上在平均值上下以较大幅度波动、且呈现出明显的不稳定性,年降水量线性变化倾向率为3.35mm/10a;降水量季节变化上表现为夏季减少幅度较大,春季、秋季和冬季则有所增加,且秋季增幅最明显.

4)年降水量变化没有发生明显的突变现象,仅呈现出不规则的波动变化.降水量偏少年份相对应的是厄尔尼诺发生年,降水量偏多的年份与厄尔尼诺结束年相关性较高,厄尔尼诺现象对本区降水变化有明显影响.

[1]戴晓苏.IPCC第一工作组第四次评估报告的基本结论[J].气象软科学,2008(1):150-155

[2]秦大河,Thomas Stocker.IPCC第五次评估报告第一工作组报告的亮点结论[J].气候变化研究进展,2014,10(1):1-6

[3]任国玉,郭 军,徐铭志,等.近50年中国地面气候变化基本特征[J].气象学报,2005,63(6):942-956

[4]王 英,曹明奎,陶 波,等.全球气候变化背景下中国降水量空间格局的变化特征[J].地理研究,2006,25(6):1031-1040,1148

[5]Ma Z G,Fu C B.interannual characteristics of the surface hydrological variables over the arid and semi aridare as of northern China[J].Global and Planetary Change,2003,37(3-4):189-200

[6]施雅风.中国西北气候由暖干向暖湿转型问题评估[M].北京:气象出版社,2003:120-124

[7]翟盘茂,邹旭恺.1951-2003年中国气温和降水变化及其对干旱的影响[J].气候变化研究进展,2005,1(1):16-18

[8]杨淑华,梁进秋,李腊平,等.大同地区近50年来气温突变的诊断分析[J].中国农业气象,2010,31(增1):32-34

[9]何正梅.大同市近40年极端气温的变化特征[J].中国农业气象,2011,32(S1):15-18

[10]李效珍,宋丽英,何正梅,等.大同市近50多年降水演变特征[J].中国农学通报,2011,27(17):250-254

[11]岳 江,胡良温,王小兰,等.大同地区降水变化特征及趋势分析[J].沙漠与绿洲气象,2013,7(3):26-31

[12]王新华,延军平,柴莎莎.近48年大同市旱涝灾害对气候变化的响应[J].干旱地区农业研究,2010,28(5):273-278

[13]梁进秋,任 璞,郭雪梅,等.大同市气象干旱变化趋势分析[J].中国农学通报,2011,27(3):488-492

[14]李效珍,鲁 巨,刘建国.大同地区秋季寒潮天气分型及预报[J].气象与环境科学,2009,S1:149-152

[15]苏志珠,杨宗园,李晋昌.距今220ka以来大同盆地沉积物磁化率反映的气候变化[J].冰川冻土,2015,37(2):401-407

[16]类淑霞,郝晋珉,王丽敏.生态脆弱区宜耕未利用土地开发适宜性评价[J].中国生态农业学报,2011,19(6):1417-1423

[17]Jones P D.Hemispheric surface air temperature variations:recent trends and an updata to 1978.Journal of Climate,1988,1(6):654-660

[18]符淙斌,王 强.气候突变的定义和检测方法[J].大气科学,1992,16(4):482-493

[19]赵桂香,赵彩萍,李新生,等.近47a来山西省气候变化分析[J].干旱区研究,2006,23(3):500-505

[20]龚道溢,王绍武.1998年:中国近一个世纪以来最暖的一年[J].气象,1999,25(8):3-5

[21]马义娟,钱锦霞,苏志珠.山西省太原市1951-2008年气候变化态势分析[J].干旱区资源与环境,2012,26(7):98-102

[22]张小平,周建琨.1960-2010年山西朔州市气候变化及其突变分析[J].南京信息工程大学学报,2015,7(2):168-173

[23]岳 江,杨爱琴,郝智文.大同市城市化进程对市区气候变化的影响[J].安徽农业科学,2013,41(31):12395-12399

[24]张 冲.我国不同地区1950年以来降水量的变化与ENSO事件的关系[D].西安:陕西师范大学,2012

[25]赵振国.厄尔尼诺现象对北半球大气环流和中国降水的影响[J].大气科学,1996,20(4):422-428

[26]李丽平,宋 哲,吴 楠.三类厄尔尼诺事件对东亚大气环流及中国东部次年夏季降水的影响[J].大气科学学报,2015,38(6):753-765

Characteristics of Temperature and Precipitation Changes and Mutation Analysis of Datong since 1962s

WU Yujing1,LIANG Aimin1,MA Yijuan1,CHAO Jinlong1,SU Zhizhu2
(1.College of Geography Science,Taiyuan Normal University,Jinzhong 030619;2.Historical Culture School,ShanxiUniversity,Taiyuan 030006,China)

The characteristics of temperature and precipitation changes and the mutation feature of Datong city was analyzed by the linear trend analysis,anomaly analysis and Mann-Kendall test method based on monthly temperature and precipitation data observed at Datong international meteorological station from 1962to 2015.The results showed that the climate in this region presented a significant warming trend with the annual mean temperature increased by 0.38℃/10aduring the past 54years,which is significantly higher than the national level and other regions in Shanxi.The abrupt change in temperature occurred in 1988,before the 1990sis the cold period,and warm period after 1990s.The temperatures showed increasing trend in four seasons,and with the most severe in winter and spring.The annual precipitation change was not stable,characterized by the low annual precipitation of 60,70sand 80sof the 20th century,the precipitation decreased from 1995to 2011and the low precipitation year matched well with El Nino year.The precipitation increased during 1990-1995and 1995-2010period.The seasonal precipitation changes showed that the precipitation decreased in summer,while increased in the other three seasons and with the largest rise in autumn.

climate change;trend;mutation analysis;Datong city

1672-2027(2016)04-0067-06

P467

A

2016-10-21

科技部重点专项项目“京津冀风沙源沙化土地治理关键技术研究与示范”第5课题(2016YFC0500805);山西省研究生教育创新项目“晋北沙化土地机械组成对土壤肥力的影响研究”(2016SY056)资助;大学生科技创新基金(SYTWKC-1608).

吴宇婧(1992-),女,山西大同人,硕士,主要从事自然资源评价与开发研究.

猜你喜欢

厄尔尼诺大同市平均气温
立春
大同市小地老虎发生趋势预报
大同市一般公共预算收入实现首季“开门红”
厄尔尼诺现象横行中国
大同市新荣区:掀起学习贯彻四中全会精神热潮
大同市云州区峰峪湿地菊花节开幕
从全球气候变暖大背景看莱州市30a气温变化
1981—2010年拐子湖地区气温变化特征及趋势分析
近50年来全球背景下青藏高原气候变化特征分析
厄尔尼诺 | 美气候预测中心宣布“厄尔尼诺”到来