南岳衡山1975—2015年的气候变化特征

马丰丰， 邓 楠， 宋庆安， 彭 湃， 田育新，李锡泉， 杨 蕊

1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004；2.湖南慈利森林生态系统国家定位观测研究站， 湖南 慈利 427200 )

目前全球气候变暖已经成为非常明确的事实，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)在2013年的报告中指出，从1950年开始的气候变化是千年以来前所未见的，全球2003—2012年比1850—1900年的平均气温上升了0.85℃[1]。过去几十年里的气候变化已经对许多物种的分布和物种多样性产生了非常大的影响[2-4]。极端气候引发的自然灾害越来越频繁，而频繁的自然灾害极大地影响了经济社会的长期稳定发展和未来的物种多样性保护，这些已经成为国际社会公认的问题[5-6]。中国的气候与全球的气候一样发生着显著变化，在近百年内气温增加了0.5～0.8℃，其中近50a内温度增加了1.25℃。与此同时，全国的降水呈现减少的趋势，尤其是西北部地区[7-8]。由于我国地域广阔，地势差异巨大，导致气候变化存在时空不同步的现象[9]。我国气候变化研究起步较晚，缺少长期的观测数据，局部区域的气候变化研究相对缺乏。因此，作者对衡山地区气候变化特征开展研究，以探讨其变化规律，对其短期气候预测具有重要的实际意义。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

数据来源于国家气象观测站衡山站点所采集的气象数据，由中国气象科学数据共享网(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)提供。南岳高山气象站(WMO ID57776)位于衡山第二高峰喜阳峰望日台，属国家二类艰苦台站，始建于1937年，其前身为南岳测候所；1952年，南岳测候所改建为南岳气象站；1998年成立南岳区气象局，与南岳高山气象站为两块牌子一套人马开展各项气象业务工作；2013年更名为国家基准气候站。

1.2 研究方法

收集衡山地区1975—2015年的累年月气象数据，包括月平均气温、月最高气温、月最低气温、月降水量、日照时数、相对湿度、平均风速、大气压等8个指标的数据，计算其逐年、季平均值，采用5a滑动平均距平分析法[10]、气候倾向率分析法分析其气候变化特征，结果的显著性采用F检验和Mann-Kendall非参数检验法检验其置信度[11]。

气候突变特征分析则先采用Mann-Kendall法检验，再利用滑动T方法对序列突变点和可能突变点进行检验，这样可验证突变点的真伪，增强突变分析结果的可信度[12-13]。此外，基于R语言和Matlab自编程序，采用Morlet小波分析法[13]，分析衡山地区40a气候变化的周期性。

2 结果与分析

2.1 气候基本特征

衡山地区的气候具有纬度地带性和垂直地带性相结合的特点，具有山地气候效应。从衡山地区的多年气候变化趋势图(图1)可以看出：衡山地区7—9月水热不同期，存在着明显的干湿季节，其中7—8月是一年中的高温季节，降水量却明显减少，占全年总降水量的23.0%；4—7月的降水量大，占全年总降水量的52.5%。

图1 衡山地区1975—2015年月平均气温和月平均降水量Fig.1 Monthly average temperature and precipitation of Hengshan Mountain area from 1975 to 2015

2.2 气候变化趋势

2.2.1 气温 近百年全球平均气温上升了0.6℃，我国平均气温上升了0.4～0.5℃，呈明显变暖趋势[14]。1975—2015年，衡山地区平均气温为17.9℃，从多年变化趋势(见图2)来看，年均气温基本呈现逐年升高的趋势。图3显示：40a年均气温最高的年份为2013年(19.3℃)，最低的为1984年(16.8℃)；年均气温的线性平均增温率为0.38℃·10-1·a-1。通过F显著性检验和Mann-Kendall非参数检验，年均气温增温趋势通过了P=0.01显著性水平检验，呈显著增温趋势。40a来年际平均气温一直表现为逐年上升趋势，40a 共上升了1.2℃(见表1)。

图2 1975—2015年衡山地区年均气温距平值逐年变化Fig.2 Annual average temperature change of Hengshan Mountain area from 1975 to 2015

图3 衡山地区40 a气温及降水量的线性趋势Fig.3 Trend of average temperature and precipitation in Hengshan Mountain area during 40 years

由图3还可以看出，衡山地区在40a中最低气温的线性增温率达0.46℃·10-1·a-1，远高于年最高气温和年均气温的增幅，呈现出显著的非对称性特征，表明衡山地区40a来气候变暖主要表现为最低气温的升高。在40a中，衡山地区冬季、夏季均温具有相同的变化规律(见图4)。通过F显著性检验和Mann-Kendall非参数检验，1975—2015年衡山地区年均气温增温趋势达到P=0.01显著性水平，呈显著增温趋势。

2.2.2 降水量 衡山地区1975—2015年平均年降水量为1399.5mm，年降水量最高出现在1997年(1898.7mm)，最低出现在2011年(871.0mm)(见图3)。衡山地区年降水量多年变化趋势结果(图5)显示，年降水量呈现先增加后下降的趋势。通过F检验和Mann-Kendall非参数检验，年降水量增减趋势未通过P=0.1显著性水平检验，说明该地区年降水量差异不显著。各年际降水量波动剧烈，20世纪70年代中期至2004年，年降水量呈现增加趋势，总体上升72.7mm；2005—2014年，年降水量呈现小幅下降趋势，总体下降134.1mm(见表1)。

表1 衡山地区各气象因子的年际变化Tab.1 Interannual change of meteorological factors in Hengshan Mountain area from 1975 to 2015年份年均气温/℃年均降水量/mm年均月日照时数/h年均相对湿度/%年均风速/(m·s-1)1975—198417.41 398.5132.680.32.81985—199417.51 383.9131.280.12.51995—200418.21 471.2119.579.71.72005—201418.61 337.1117.173.51.9

图4 衡山地区40 a夏季、冬季均温及降水量的线性趋势Fig.4 Trend of average temperature and precipitation in Hengshan Mountain area during 40 years (in summer and winter)

40a来衡山地区夏季和冬季的降水量变化结果(图4)显示：夏季、冬季降水量虽具有明显的波动，但均呈现小幅增加趋势，经F检验显示夏季和冬季降水量都属于小幅不显著变化；夏季、冬季增加倾向率分别为1.74、5.01mm·10-1·a-1，冬季降水量增加的幅度明显高于夏季的，说明40a来，该地区年降水量小幅增加是由冬季降水量增加所致。

2.2.3 其他气象因子的变化趋势 1975—2015年衡山地区的年均月日照时数、年均相对湿度、年均风速、年均大气压多年变化趋势结果(图略)显示：衡山地区的年均月日照时数、年均相对湿度、年均风速、年均大气压等气候因子的下降趋势均明显，并通过了P=0.01显著性水平检验，下降趋势显著。

图5 1975—2015年衡山地区年降水量距平值逐年变化Fig.5 Annual average precipitation in Hengshan Mountain area from 1975 to 2015

从表1可以看出：衡山地区的年均月日照时数下降趋势十分明显，其线性下降倾向率为6.5h·10-1·a-1，1995年以后比之前下降了14.1h。年均相对湿度平均线性下降率达到了2%·10-1·a-1，从2005年开始呈现显著下降趋势；年均风速从1984年以后呈现显著下降趋势，其线性下降率为0.30m·s-1·10-1·a-1；年均大气压的线性下降率为0.38Pa·10-1·a-1。

2.3 气候突变特征

2.3.1 气温 分析衡山地区1975—2015年年均气温的Mann-Kendall突变检验结果(图6)，发现其正序列曲线UF很大部分超过0.05显著性水平的置信度线，表明年均气温突变趋势显著，正序列曲线UF和反序列曲线UB有一个交叉点，在0.05显著性水平界线范围内，从突变检验得出衡山地区年均气温的可能突变点为1997年；可能突变的时间区间为1999—2015年，对可能的突变点和时间区间做滑动T检验，结果显示，年均气温在1997年突变显著性水平达到0.05，突变显著，说明1997年是衡山地区年均气温的突变点，是年均气温逐渐升高的开始。

图6 衡山地区年均气温突变的Mann-Kendall检验Fig.6 Mann-Kendall test of annual mean temperature mutation in Hengshan Mountain area

2.3.2 降水量 1975—2015年衡山地区年降水量未通过Mann-Kendall突变检验(见图7)，虽然其在2000—2001年时间区间内的突变超过了0.05显著性水平的置信度线，但对该时间区间做滑动T检验，结果显示突变不显著。

图7 衡山地区年均降水量突变的Mann-Kendall检验Fig.7 Mann-Kendall test for the abrupt change of annual average precipitation in Hengshan Mountain area

2.3.3 其他气象因子 对1975—2015年衡山地区的年均月日照时数、年均相对湿度、年均风速、年均大气压等气象因子进行Mann-Kendall突变检验，结果(图略)表明：上述气象因子下降趋势显著，都通过了99%的突变显著性检验。其中，年均月日照时数存在可能的突变点为1995年，可能突变的时间区间为1976—1987年、1998—2015年，对可能的突变点和时间区间做滑动T检验，结果显示，1986年突变显著性水平达到0.05，突变显著，为年均月日照时数逐渐减少的开始。

年均相对湿度存在可能的突变点为2010年，可能突变的时间区间为2007—2015年，滑动T检验结果显示，1992年、2007年突变显著(P=0.05)，为年均相对湿度逐渐下降的开始。

年均风速存在可能的突变点为1988年，可能突变的时间区间为1977—1978、1982—1989年。滑动T检验结果显示，1978年、1977年突变显著(P=0.05)，为年均风速逐渐下降的开始。

年均大气压可能突变的时间区间为1975—1976年、1977—1995年、2004—2015年。滑动T检验结果显示，1990年、1987年突变显著(P=0.05)，为年均大气压逐渐下降的开始。

2.3.4 气候变化的周期性 以年均气温、年降水量为例，分析衡山地区40 a来气候变化在不同时间尺度上的周期性(见图8、图9)，图中信号的强弱通过小波系数的大小来表示，实线表示正位相(实部大于等于0)，虚线表示负位相(实部小于0)。

图8、图9清晰地显示了小波变换系数实部的波动特征，表明衡山地区在年均气温上呈现偏高和偏低交替变化的特征。从图8可以看出，衡山地区的年均气温在28a左右的时间尺度波动十分明显，正负位相交替出现，在整个时间尺度上出现了2个偏高中心和3个偏低中心，分别为1986、2004年和1977、1995、2014年，在25～31 a尺度上出现了准2次震荡。

从图9可以看出，1975—2015年衡山地区的年降水量在17～26 a尺度上出现了3次震荡；1975—1991在7～14 a尺度上出现了准2次震荡。

图8 衡山地区年均气温的Morlet小波分析图Fig.8 Morlet wavelet analysis of temperature in Hengshan Mountain area

图9 衡山地区年降水量的Morlet小波分析图Fig.9 Morlet wavelet analysis of precipitation in Hengshan Mountain area

3 结论与讨论

衡山地区1975—2015年气候基本特征表现为具有山地气候效应，且存在明显的干湿季节。全球的气温变化程度和规律各异，衡山地区在1975—2015年年均气温呈现逐年升高的趋势，40 a上升了1.2℃,其中2013年的年均气温最高，该趋势与我国部分地区的一致[9-10]。衡山地区年均气温的线性平均增温率为0.38℃·10-1·a-1，明显高于全球(0.13℃·10-1·a-1)及全国(0.22℃·10-1·a-1)同期的增温率，其增温趋势通过P=0.01显著性水平检验，该地区是我国变暖较明显的区域之一；同时，其变暖的趋势主要从20世纪80年代中期开始，与我国整体增温趋势一致[14]。突变检验分析表明，1997年是衡山地区年均气温的突变点，是年均气温逐渐升高的开始。此外，衡山地区最低气温的线性增温率达0.46℃·10-1·a-1，远高于年最高气温和年均气温的增幅，呈现出显著的非对称性特征，说明衡山地区40 a来气候变暖主要表现为最低气温的升高。

衡山地区1975—2015年年均降水量为1399.5mm，呈现先增加后下降的趋势，F检验和Mann-Kendall非参数检验表明该地区年降水量差异不显著，总体趋势与全国同期相似[14]。衡山地区冬季降水量增加的幅度明显高于夏季的，说明该地区年降水量小幅增加是由冬季降水量增加所致，与我国其他地区的降水量变化趋势一致[15-17]，但突变检验表明衡山地区的年降水量在2000—2001年时间区间突变不显著。

此外，衡山地区其他气象因子如年均月日照时数、年均相对湿度、年均风速、年均大气压等均呈现下降趋势明显的特征，且通过P=0.01显著性水平检验，下降趋势显著，同时突变检验表明上述气候因子存在显著突变年份。小波分析表明衡山地区在年均气温上呈现偏高和偏低交替变化的特征，在整个时间尺度上有2个偏高中心和3个偏低中心；年降水量在17～26a尺度上出现了3次震荡。

自然原因和人类活动、土地利用变化、热岛效应等是近几十年来气候变化的主要原因[18]，对于区域气候变化来说，地形地貌、海拔等是导致区域气候变化规律不一致的因素。衡山地区地貌与人类活动情况复杂，缺乏土地利用变化等数据的积累，因此，关于该地区气候变化的主要影响因素仍有待研究。