北極Svalbard地區(qū)1901～2014年氣溫變化特征分析

丁 一，徐躍通

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250014)

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北極Svalbard地區(qū)1901～2014年氣溫變化特征分析

丁 一，徐躍通

(山東師范大學(xué) 地理與環(huán)境學(xué)院，山東 濟南 250014)

摘要：利用Svalbard地區(qū)1901～2014年的月平均氣溫資料，對Svalbard地區(qū)的氣候特征及趨勢變化進行了分析。結(jié)果表明：年平均氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，增溫率為0.27 ℃/10年；四季的平均氣溫也呈現(xiàn)上升趨勢，春、冬季節(jié)升溫明顯，四季升溫率(春夏秋冬)分別為0.38 ℃/10年，0.12 ℃/10年，0.25 ℃/10年和0.34 ℃/10年。此氣溫序列在1999年發(fā)生突變，升溫速率明顯加快。64年、27年、17年、8年和2年這5個時間尺度周期的波動控制著該地區(qū)整個時間域內(nèi)氣溫序列的變化特征。

關(guān)鍵詞：氣溫變化；線性傾向率；Mann-Kendall突變檢驗；小波分析

1引言

近年來，隨著全球氣候變化問題逐漸加劇，北極地區(qū)也成為研究的熱點地區(qū)之一。北極地區(qū)對全球變化具有重要的作用，是全球溫室氣體的匯集區(qū)，對氣候變化高度敏感。在過去的30年中，相較于地球的其他地區(qū)，北極的增溫趨勢更加顯著[1，2]。這種“北極放大效應(yīng)”可能是由于北極海冰減少[3]或者大氣、海洋環(huán)流改變所引起[4]。Svalbard地區(qū)位于緯度較高的地區(qū)，其增溫趨勢明顯，在一定程度上反映了全球溫度趨勢[5，6]。在IPCC第三次報告[7]中，Svalbard地區(qū)氣候的高度敏感性開始受到關(guān)注。20世紀(jì)以來，大西洋至北極地區(qū)主要有兩個變暖時期。第一個稱為20世紀(jì)初變暖期，1920年左右開始，持續(xù)到20世紀(jì)中葉；第二個變暖期始于1980年，持續(xù)至今[8～10]。其中20世紀(jì)初變暖主要發(fā)生在大西洋地區(qū)[11]，然而第二個變暖期持續(xù)發(fā)生在整個北極地區(qū)，被認為是人為因素與其他自然因素結(jié)合所引起[12]。Nordli ?[13]對Svalbard機場氣象站的溫度序列，分析了月平均溫度和各季節(jié)平均溫度基本特征，使用不同尺度的高斯低通濾波分析了1911～2010年各季節(jié)平均溫度的變化特征。F?rland E J[14]等對Svalbard地區(qū)多個站點近100年的氣溫和降水序列，使用高斯低通濾波處理后分析其變化特征，并結(jié)合氣候模型預(yù)測21世紀(jì)氣候變化。

選取Svalbard地區(qū)Svalbard機場(lufthavn，99840)氣象站1901～2014年的月平均氣溫資料為基礎(chǔ)資料，通過線性傾向率法，多年移動平均法、移動T檢驗、Mann-Kendall突變檢驗法和小波分析等方法，研究了北極Svalbard地區(qū)氣溫的趨勢變化、突變檢驗和周期性變化。

2資料與方法

2.1研究區(qū)概況

Svalbard位于74°N～81°N，10°E～35°E之間，是位于北冰洋上的一個群島。由于受北大西洋暖流的影響，Svalbard地區(qū)氣溫與北極其他地區(qū)相比是比較溫暖的。Svalbard地區(qū)大約60%的面積被冰川覆蓋。由于受氣候條件影響，冰川運動頻繁。Svalbard機場氣象站位于斯匹次卑爾根島中部的朗伊爾(78°13′N，15°33′E，約2 000居民)西北方向3 km，靠近Isfjorden峽灣的海岸上。

2.2數(shù)據(jù)來源

Svalbard機場氣象站建于1975年，通過鄰近氣象站的觀測資料，其溫度序列恢復(fù)到1912年[15]，但是1898～1911年期間也存在大量不連續(xù)的溫度測量，Nordli等人[16]嘗試重建了此時間段的溫度序列。逐月平均氣溫資料由挪威氣象研究所網(wǎng)站(http://eklima.met.no)獲取，本文主要選取1901～2014年期間的逐月平均氣溫資料進行分析。

2.3研究方法

采用線性回歸、多年滑動平均等方法，分析Svalbard地區(qū)1901～2014年平均氣溫趨勢傾向，運用Mann-Kendall突變檢驗法，結(jié)合移動T檢驗，分析氣溫變化突變的時間點，利用小波分析，確定氣溫序列的周期性變化。首先根據(jù)Svalbard機場站(99840)的月平均氣溫資料，計算相應(yīng)的年平均氣溫和四季平均氣溫，進而用于下一步的研究。在資料的統(tǒng)計中，四季的劃分以3～5月為春季，6～8月為夏季，9～11月為秋季，12月至次年2月為冬季。

3結(jié)果與分析

3.1氣溫年際變化特征

1901～2014年Svalbard地區(qū)年平均氣溫為-6.02 ℃，年平均氣溫變化在-12.36～-1.67 ℃之間，其中年平均氣溫最低低溫出現(xiàn)在1917年，最高溫度出現(xiàn)在2006年。 年份與年平均氣溫的線性相關(guān)系數(shù)R2=0.2315，通過了a=0.05的顯著性檢驗，所以一元線性回歸方程y=0.0273x-59.438有意義。系數(shù)大于0表示Svalbard地區(qū)氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，1901～2014年氣溫增長約3 ℃，線性擬合增長率為0.27 ℃/10年。

圖1　Svalbard地區(qū)年均溫變化

由圖1可以看出，Svalbard地區(qū)年平均氣溫變化趨勢表現(xiàn)出波動性，且存在多個波峰和波谷，在1917年達到最低點。整體來看，可以分為4個階段，呈現(xiàn)下降-上升-下降-上升的變化。其中，第一階段為20世紀(jì)初到20世紀(jì)20年代，呈現(xiàn)波動下降；第二階段是到40年代，呈現(xiàn)波動上升；第三階段為40年代初到60年代，呈現(xiàn)波動下降；第四階段為70年代至今，呈現(xiàn)波動上升趨勢。

3.2氣溫季節(jié)變化特征

Svalbard地區(qū)1901～2014年各個季節(jié)多年平均氣溫分別為-10.4 ℃，4.42 ℃，-3.99 ℃和-12.54 ℃。其中，春、夏季平均最高氣溫出現(xiàn)在2006年，分別為-4.07 ℃和6.43 ℃，秋季平均最高氣溫出現(xiàn)在2000年，為-0.07 ℃，冬季平均最高氣溫出現(xiàn)在2014年，為-5.13 ℃；春、夏、冬季平均最低氣溫出現(xiàn)在1917年，分別為-19.97 ℃、2.37 ℃和-23.8 ℃，秋季平均最低氣溫出現(xiàn)在1910年，為-11.07 ℃。冬季極端氣溫相差最大，春、秋季次之，夏季季相對較小。

圖2Svalbard地區(qū)季節(jié)平均氣溫變化

圖2中，各季節(jié)年份與平均氣溫的線性相關(guān)系數(shù)都通過了a=0.05的顯著性檢驗，其中氣溫線性趨勢擬合春季最好(R2=0.229)，冬季較差(R2=0.0939)。1901～2014年，Svalbard地區(qū)各季節(jié)平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，其中，春、冬季節(jié)升溫明顯，且以春季升溫速度最快，平均氣溫升高4.3 ℃，升溫率為3.8 ℃/100年，冬季升溫速率略小，約增溫3.9 ℃，升溫率為3.4 ℃/100年，均高于年平均氣溫的升溫率，秋季氣溫的升溫率為2.5 ℃/100年，上升了2.9 ℃，夏季升溫速度最慢，其升溫速率為1.2 ℃/100年，上升了1.4 ℃。1901～2014年，Svalbard地區(qū)各季節(jié)的氣溫上升并不同步，其中春、冬季節(jié)增溫大于年增溫，對該地區(qū)整體氣溫的升高具有直接影響。

3.3氣溫突變分析

采用Mann-Kendall法對Svalbard機場氣溫序列進行突變檢驗，結(jié)果見圖3，紅色虛線是給定的顯著性水平0.05，臨界線是±1.96。根據(jù)M-K檢驗結(jié)果，Svalbard機場站在1901～1903年、1912～1922年期間，UF統(tǒng)計值為負值，表示這段時間氣溫呈現(xiàn)下降趨勢，其中1917～1919年期間統(tǒng)計值超過顯著性水平0.05，所以下降趨勢明顯。1903～1912年、1922～2014年期間，UF統(tǒng)計值為正值，表示期間氣溫呈現(xiàn)上升趨勢，其中1932～1970年、1973～1978年和1992～2014年期間統(tǒng)計值超過顯著性水平0.05，所以上升趨勢明顯。此氣溫序列，UF與UB線有2個交點，分別為1939年和1999年，均超過了臨界線，結(jié)合移動T檢驗，1999年發(fā)生了氣溫突變。

3.4氣溫周期分析

利用Morlet小波研究時間序列分析時，小波系數(shù)實部等值線圖能反映氣溫序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布。由圖4可以清楚的看到氣溫序列中存在的多時間尺度特征?？偟膩碚f，在該地區(qū)氣溫序列中存在著54～75年，22～30年以及11～19年的3類尺度的周期變化規(guī)律。其中，在54～73年尺度上出現(xiàn)了冷-暖交替的兩次震蕩；在22-30年時間尺度上存在暖-冷交替的4.5次震蕩，表現(xiàn)為暖-冷-暖-冷-暖-冷-暖-冷-暖交替。同時，還可以看出以上兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，具有全域性；而11～19年尺度的周期變化，在1970s前表現(xiàn)的較為穩(wěn)定。

圖3　1901～2014年年平均氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線

圖4　年平均氣溫的Morlet小波系數(shù)的實部等值線

圖5　年平均氣溫的Morlet小波系數(shù)模的分布

從圖5可以看出， 54～75年時間尺度小波系數(shù)模值最大，說明該時間尺度周期變化最為明顯，22～30年時間尺度的周期變化次之，11～19年時間尺度的周期變化再次之，其余時間尺度的周期性變化較之并不明顯。利用小波方差可以定量分析次時間序列的主周期、次周期。此氣溫序列的小波方差圖中(圖6)存在5個峰值，它們依次對應(yīng)著64年、27年、17年、8年和2年的時間尺度。其中，最大峰值對應(yīng)著64年的時間尺度，說明64年左右的周期震蕩最強，為該地區(qū)氣溫年均溫變化的第一主周期；27年時間尺度對應(yīng)著第二峰值，為徑流變化的第二主周期，第三、第四和第五峰值分別對應(yīng)著17年、8年和2年的時間尺度，它們依次為流域徑流的第三、第四和第五周期。這說明上述5個周期的波動控制著該地區(qū)氣溫序列整個時間域內(nèi)的變化特征。

圖6　小波方差圖

4結(jié)語

(1)北極Svalbard地區(qū)年平均氣溫為-6.02 ℃，呈上升趨勢，氣溫傾向率0.27 ℃/10 年。

(2)各季節(jié)平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢，平均氣溫變化幅度以春季最大，冬、秋季次之，夏季最小。春季氣溫線性擬合趨勢最好R2=0.229，冬季氣溫的溫差最大，達到18.72 ℃。

(3)Svalbard地區(qū)年平均氣溫變化呈現(xiàn)波動性，可以分為四個階段，表現(xiàn)為下降-上升-下降-上升的趨勢變化。

(4)1901～2014年平均氣溫序列在1999年發(fā)生突變，升溫趨勢變大。

(5)Svalbard地區(qū)氣溫序列中存在著54～75年，22～30年以及11～19年的3類尺度的周期變化規(guī)律。結(jié)合小波方差圖，該地區(qū)氣溫序列的第一主周期是64年時間尺度 ，第二主周期是27年時間尺度，第三周期是17年尺度。

參考文獻：

[1]ACIA.Arctic Climate Impact Assessment[M].Cambridge ：Cambridge University Press，2005.

[2]Solomon S,Qin D, Manning M,et al.Climate Change 2007:The Physical Science Basis.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Reportof the Intergovernmental Panel on Climate Change[M].Cambridge:Cambridge University Press,2007:98～101.

[3]Miller G H,Alley R B,Brigham-Grette J,et al.Arctic amplification:can the past constrain the future?[J].Quaternary Science Reviews,2010,29(15):1779～1790.

[4]Langen P L,Alexeev V A.Polar amplification as a preferred response in an idealized aquaplanet GCM[J].Climate Dynamics,2007,29(2～3):305～317.

[5]Lamb H H.Climate:Present,Past and Future[M].London:Methuen & Company Press,1977:254～307.

[6]Rogers J C,Yang L,Li L.The role of Fram Strait winter cyclones on sea ice flux and on Spitsbergen air temperatures[J].Geophysical Research Letters,2005,32(6):1～4.

[7]Houghton J T,Ding Y,Griggs D J,et al.Climate change 2001:the scientific basis,in Proceedings of the Contribution of Working Group I to the 3rd Assessment Report of the Intergovernmenta Panel on Climate Change[M].Cambridge:Cambridge University Press,2001.

[8]Przybylak R.Recent air-temperature changes in the Arctic[J].Annals of Glaciology,2007,46(1):316～324.

[9]Wood K R,Overland J E,Jo′nsson T,et al.Air temperature variations on the Atlantic_Arctic boundary since 1802[J].Geophysical Research Letters,2010,37(17):1～5.

[10]Hanna E,Mernild S H,Cappelen J,et al.Recent warming in Greenland in a long-term instrumental (1881-2012) climatic context:I.Evaluation of surface air temperature records[J].Environmental Research Letters,2012,7(4):1～15.

[11]Overland J E,Spillane M C,Percival D B,et al.Seasonal and regional variation of pan-arctic surface air temperature over the instrumental record[J].Journal of Climate,2004,17(17):3263～3282.

[12]Overland J E,Serreze M C.Advances in Arctic atmospheric research[M].Berlin:Springer Netherlands,2012:11～27.

[13]Nordli ?.The Svalbard airport temperature series[J].Bulletin of Geography.Physical Geography Series,2010,3(1):5～25.

[14]F?rland E J,Benestad R,Hanssen-Bauer I,et al.Temperature and precipitation development at Svalbard 1900～2100[J].Advances in Meteorology,2011(6):1～14.

[15]Hanssen-Bauer I,Solas M K,Steffensen E L.The climate of Spitsbergen[M].Oslo:Norwegian Meteorological Institute,1990:30～31.

[16]Nordli ?,Przybylak R,Ogilvie A E J,et al.Long-term temperature trends and variability on Spitsbergen:the extended Svalbard Airport temperature series,1898～2012[J].Polar Research,2014,33(1):1～23.

Analysis on the Characteristics of Temperature Change From 1901 to 2014 in Svalbard in the Arctic Pole

Ding Yi, Xu Yuetong

(CollegeofGeographyandEnvironment,ShandongNormalUniversity,Jinan250014,China)

Abstract:Based on the average monthly temperature data observed in Svalbard during the period from 1901 to 2014, the article analyzes the climate change in Svalbard.The results indicate that the annual temperature shows an increasing tendency with an growthrate of 0.27℃/10a;the change of seasonal temperature also shows an increasing tendency, in whichthe temperature of spring and winter increases obviouslyThe growth rate of four seasonal temperature is 0.38℃/10a, 0.12℃,0.25℃/10a,and 0.34℃/10a respectively.The temperature series suddenly changed in 1999 and the heating rate speeded up obviously. The change features of temperature series during the whole time domain in Svalbard is dominated by the fluctuation of five time scales of 64 years,27 years,17 years,8 yearsand 2 years.

Key words:temperature change;linear tendency rate;Mann-Kendallmutation test;wavelet analysis

文章編號：1674-9944(2016)02-0015-04

中圖分類號：P463.1

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：丁一(1989—)，男，山東日照人，山東師范大學(xué)地理與環(huán)境學(xué)院碩士研究生。通訊作者：徐躍通(1961—)，男，浙江金華人，教授，博士研究生導(dǎo)師，主要從事北極冰川地理與資源環(huán)境信息系統(tǒng)方面的教學(xué)與研究工作。

收稿日期：2015-12-04