南城县气候变化与极端天气研究

2021-04-06廖超伦

气象水文海洋仪器 2021年1期

石涛，廖超伦，谭睿，廖恒

(南城县气象局，抚州 344700)

0 引言

气候变化与人类的生存息息相关，国内外对气候变化一直高度重视，而气候变化多表现为显著的气温变化。目前，全球气温变暖已成事实，中国出现增温的现象也被大量研究证实[1-3]。2001年IPCC发表的第3次评估报告指出：20世纪的气候变暖导致百年气温上升了0.6 ℃±0.2 ℃。20世纪90年代以来，极端天气事件格外引人关注。极端天气事件是小概率事件，但其制约着社会和经济的发展，甚至直接威胁到人类赖以生存的生态环境[4，5]。研究结果表明，中国近50 a，年最高温度略有升高，年最低温度则显著升高，日较差显著变小。近40-50 a，极端最低温度和平均最低温度逐渐增高，中国北方极端最低气温普遍上升了5～10 ℃，同时冬季寒潮频率逐渐降低，强度减弱，低温日数逐渐减少。因此，极端天气事件与气候变暖之间可能存在一定的因果关系[6，7]。

南城县位于江西省东部，抚州市东南部，包括丘陵、山地和河谷平原3种地貌类型，属于中亚热带季风性温润气候。境内气候温和、四季分明、雨量充沛、光照充足，年平均气温为17.8 ℃，年降水量约1650 mm，年光照时数约为1700 h，年平均无霜期为265 d。农业对气候条件的依赖性很强，气候变化对农作物种植制度、布局和结构影响很大，特别是频繁的极端天气事件使农业生产可持续发展的负面影响逐渐显露。所以对南城县气温和极端天气的研究具有现实意义。

文章在南城站建站以来保存的各种气象资料的基础上，分析了南城县1961-2010年气温变化的规律及其与各种极端天气事件之间的联系。研究结果对南城县应对气温变化、制定区域发展政策和进行生态建设起到重要的指导作用。

1 资料与方法

1.1 资料

南城气象站始建于1952年7月，称江西抚州军分区南城气象站。地址为南城县金斗巢城区，位于27°33′00″N、116°36′00″E，观测场海拔高度为85.0 m，并于1958-08-01由原址迁至南城县建昌镇交通路23号。位于27°35′00″N、116°39′00″E，观测场海拔高度80.8 m。迁站以来，气象资料至今均保存完整。南城站历年业务质量排在全省前列，为国家基准站及全球资料交换站之一，探测环境符合规范要求，未曾受到破坏，全省观测环境评分为88.9分，故所获得的气象数据真实可靠。

文章选取南城县气象站1961-2010年逐年平均温度和极端天气时间的资料。选择的几种极端天气分别为低温、闷热、高温、雷暴、雾、降雪、霜冻和暴雨天气。文章将日最低气温低于0 ℃定义为低温日；将日平均气温大于30 ℃且相对湿度大于90%定义为闷热日；将日最高气温大于35 ℃定义为高温日；出现闪电或雷声的天气现象定义为雷暴；能见度小于1000 m定义为雾。

1.2 研究方法

1)文章采用一元线性回归估计方法对平均气温的变化程度进行度量。

2)相关系数：

(1)

其中，x和y为研究其相关性的两个变量，当两个变量的线性关系增强时，相关系数趋于1或-1，正相关是趋于1，负相关是趋于-1。

3)Mann-Kendall(M-K)检验：

对序列Xt=(x1，x2，…，xn)，首先确定全部值(xi，xj)(j>i)中xi与xj的大小关系。趋势检验的MK统计量为：

(2)

其中，

当n>10时，UMK收敛于标准正态分布。原假设该序列无趋势，在给定的显著性水平α下，从正态分布表中得到临界值Uα/2，当UMKUα/2时，拒绝原假设，即认为趋势明显。把时间序列的趋势性检验所得到的MK统计量记为UFK，把此时间序列Xt做逆序xn，xn-1，…，x1，重复上述步骤，同时UBK=-UFK(K=n，n-1，…，1)，UB1=0。如果UFK和UBK都大于0，表明该序列趋势为上升，小于0则趋势为下降。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。如果两条曲线在临界线之间出现交点，那么突变开始的时间就是交点对应的时刻。

2 年平均温度的时间分布特征

从近50 a南城县年平均温度特征变化曲线(图1)可以看出，近50 a南城县年平均温度呈明显的上升趋势，其中1961-1970年全县年平均温度呈现下降趋势，最低点为1970年的17.2 ℃，1970年以后温度逐渐上升，1970-1978年年平均温度呈现微弱的上升趋势。1985年以后，平均温度呈明显的上升趋势，最高点为2007年的19 ℃。近50 a年平均温度上升了1.8 ℃，气候倾向率为0.15 ℃/10 a。南城县50 a的平均温度为17.9 ℃。

图1 1961-2010年南城县年平均温度特征变化曲线

3 各种极端天气的时间分布特征

利用最小二乘法计算出各种极端天气与年份之间的回归系数，通过统计分析南城县近50 a的各类极端天气时间变化情况可以得出，极端天气时间随年份增加呈明显下降趋势的有低温、雷暴、降雪和霜冻天气，其中与气温密切相关的极端天气有低温、降雪和霜冻，可以初步看出极端天气事件与年平均气温之间存在一定的相关性，随着年平均气温的逐步升高，这几种天气发生的时间与年平均气温之间存在反相关性，气候倾向率分别为-0.63 d/10 a、-1.48 d/10 a和-1.80 d/10 a，以年平均气温与霜冻时间的反相关性最为显著；而随着年份增加呈上升趋势的极端天气现象有闷热、高温、雾和暴雨天气，上升幅度最大的为闷热时间，气候倾向率达1.77 d/10 a。

4 各种极端天气时间与年平均气温之间的相关性及显著性检验

在最小二乘法算出的线性系数的基础上，计算出年平均温度和其他各种极端天气现象之间的Pearson相关性和双侧显著性，同时，以年平均气温为固定因子，计算出各极端天气之间的偏相关系数。

闷热、高温、雾和暴雨与年平均气温呈正相关，低温、雷暴、降雪和霜冻与年平均气温呈负相关，这与最小二乘法算得的结果相吻合。其中与年平均气温相关性最为显著的极端天气为闷热、高温和降雪，分别为0.466、0.451和-0.467；低温与年平均气温的相关性次之，相关系数为-0.353，双侧显著性的计算结果也验证了该结果的合理性。

得出各极端天气时间与年平均气温之间的相关性之后，由于简单的线性关系不能够真实地反映出各极端天气之间的相关性，它们可能受到不止一个变量的影响，因此偏相关系数则是很好的验证方法。以年平均气温作为固定因子，计算各极端天气之间的偏相关性。计算结果显示，降雪时间与低温时间、高温时间与闷热时间之间的相关性极高，分别达到了0.668和0.720。其他相关性较高的极端天气包括闷热时间和霜冻时间、暴雨时间和霜冻时间、雷暴时间和降雪时间、高温时间和霜冻时间，其相关性分别达到0.322、-0.328、0.404和0.378。

5 M-K法对各极端天气及年均气温突变性检验

取置信系数α=0.05，则临界值为±1.96，M-K法突变型结果显示：年平均气温与各种极端天气事件在1961-2010年都存在突变点。从UF、UB趋势线来看，年平均气温总体呈先下降后上升的趋势，并从2002年开始，年平均气温上升趋势非常显著；高温时间呈现上升的趋势，其中1968-1986年和1989-1999年上升趋势显著；低温日数呈现下降趋势并在1980年之前下降趋势异常显著；闷热时间呈上升趋势，在1963-1974年和1992-2006年上升趋势显著；雷暴时间于1987年之前呈现下降趋势，且1979年之前下降趋势显著，1998年以后有缓慢的增长趋势；大雾时间一直在缓慢增长并有两个短暂的显著增长期；降雪时间在1997年之前处于下降趋势，其中1985年之前下降趋势明显；霜冻时间除了两个短暂且不明显的上升期，其他时间均呈现下降的趋势；暴雨时间呈现上升的趋势，并且1981年之后上升趋势显著。