近56 a南海區(qū)低溫的變化特征分析

招偉文，梁華玲，吳　瑕

(1.廣東省順德區(qū)氣象局，廣東　佛山　528300；2.廣東省南海區(qū)氣象局，廣東　佛山　528200；3．廣東省韶關(guān)市氣象局，廣東　韶關(guān)　512000)

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近56 a南海區(qū)低溫的變化特征分析

招偉文1，梁華玲2，吳瑕3

(1.廣東省順德區(qū)氣象局，廣東佛山528300；2.廣東省南海區(qū)氣象局，廣東佛山528200；3．廣東省韶關(guān)市氣象局，廣東韶關(guān)512000)

該文采用統(tǒng)計(jì)分析方法、Mann-Kendall方法、Morlet小波函數(shù)等方法，對(duì)南海區(qū)1957—2012年南海區(qū)低溫氣候特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果表明：南海區(qū)低溫呈現(xiàn)終日提前、低溫期縮短、年低溫日數(shù)減少的趨勢(shì)。南海區(qū)低溫日數(shù)存在準(zhǔn)24 a的大周期、準(zhǔn)9 a和準(zhǔn)3 a的周期變化，其中9 a周期是第1主周期;南海區(qū)極端最低氣溫1985年開始突變，1985年后呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。對(duì)低溫日數(shù)異常年冬季500 hPa環(huán)流進(jìn)行合成分析發(fā)現(xiàn)，南海區(qū)年低溫日數(shù)偏多或少年份的亞歐地區(qū)，與冬季的500 hPa高度距平場(chǎng)大多數(shù)都有著反位相分布特征。

低溫;變化特征;南海

1　引言

我國(guó)是氣象災(zāi)害頻發(fā)的國(guó)家，其中低溫凍害是一種常見氣象災(zāi)害，關(guān)系到季節(jié)推遲或提前，甚至是反常氣候的重要標(biāo)志，同時(shí)寒潮及寒冷預(yù)警信號(hào)的發(fā)布也與低溫預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)緊密相關(guān)，低溫冷害更是農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害。在廣東省，受寒潮和強(qiáng)冷空氣影響，或受持續(xù)補(bǔ)充的冷空氣影響，都會(huì)帶來霜凍和較低的溫度，進(jìn)而造成一些熱帶或者副熱帶的植物以及禽畜和水產(chǎn)等遭到凍害，以致減產(chǎn)或死亡[1]。在冷空氣影響下，廣東省最低氣溫出現(xiàn)5 ℃或以下，稱為低溫。低溫屬于高影響災(zāi)害性天氣，因此做好低溫天氣預(yù)報(bào)服務(wù)十分重要。

在全球變暖的背景下，全球變暖會(huì)導(dǎo)致高溫、熱浪等暖事件增多，寒潮等冷事件減少[2]，康志明[3]分析我國(guó)寒潮活動(dòng)特征，結(jié)果表明1951—2006年期間我國(guó)寒潮強(qiáng)冷空氣逐年的活動(dòng)頻次呈明顯下降趨勢(shì)，但也會(huì)出現(xiàn)階段性異常情況，如2008年全國(guó)大范圍低溫雨雪冰凍天氣，給交通、電力、農(nóng)業(yè)及人們的生活帶來了重大影響，直接經(jīng)濟(jì)損失超過1 500億元[4]，冬季氣溫變化應(yīng)給予重視，特別是低溫氣候變化特征研究就顯得非常必要。

國(guó)內(nèi)關(guān)于區(qū)域性低溫變化的研究已有不少工作，陳敏[5]提出海南島存在“相對(duì)的冬季”，海南島異常特冷年主要發(fā)生在東西伯利亞極渦南落的年份里。劉燕等[6]研究表明廣州氣溫在 1980年代中期以來呈顯著上升趨勢(shì), 其中冬季最低氣溫增溫最為顯著，冬季低溫日數(shù)明顯減少，500 hPa 高度場(chǎng)的異常升高、冬季風(fēng)和夏季風(fēng)強(qiáng)度的減弱與廣州氣溫的升高有直接的關(guān)系，李曉娟[7]進(jìn)一步研究表明，廣州年低溫日數(shù)和 ENSO 事件有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，Elnino年當(dāng)年冬季到次年春季廣州氣溫以偏暖為主，Lanina年則大致相反。王翠花等[8]檢測(cè)到我國(guó)日低溫在近 50 a來發(fā)生了兩次突變，其中第二次突變的變化趨勢(shì)更加顯著。周雅清等[9]認(rèn)為最低氣溫變化趨勢(shì)中城市熱島效應(yīng)加強(qiáng)因素的影響明顯，城市化對(duì)最低氣溫增溫的貢獻(xiàn)率達(dá)到52.6%。另外，王希娟[10]、王文[11]等還開展了低溫的預(yù)報(bào)及檢驗(yàn)工作。陳少勇[12]通過M-K檢驗(yàn)指出近49 a中國(guó)西北地區(qū)年極端低溫頻率呈明顯的減少趨勢(shì)，且發(fā)現(xiàn)1985年有明顯的突變現(xiàn)象，韓榮青[13]用Morlet小波分析1951—2007年我國(guó)低溫冷害級(jí)別的周期，表明華南南部低溫存在顯著的2～5 a周期。

廣東省江門、清遠(yuǎn)、開平等市縣從事氣象工作的人員，分別針對(duì)各自地區(qū)的低溫氣候進(jìn)行了研究[14-17]。氣候的地域差異造成了不同的變化狀況，并且從低溫周期、低溫突變等角度進(jìn)行針對(duì)性研究的尚不多見，因此，本文利用1957—2012年低溫日數(shù)資料，初步探討了南海區(qū)低溫的變化特征，為南海低溫的趨勢(shì)預(yù)報(bào)提供參考。

2　資料和方法

本文的研究依據(jù)為：南海區(qū)國(guó)家氣象觀測(cè)站1957—2012年間記錄的氣溫?cái)?shù)據(jù)，500 hPa環(huán)流資料為NCEP第二套月平均再分析格點(diǎn)資料。

本文主要運(yùn)用Excel統(tǒng)計(jì)和合成分析法，對(duì)南海低溫天數(shù)、低溫初日和終日、每年低溫期出現(xiàn)的氣溫變化進(jìn)行分析，利用GRADS軟件繪制低溫天數(shù)表現(xiàn)出異常年份中的環(huán)流特征。

對(duì)南海區(qū)極端最低氣溫進(jìn)行M-K突變檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，更適用于類型變量和順序變量，目前是比較常用的趨勢(shì)診斷方法[18]。。

目前小波分析已經(jīng)在氣候變化、氣候周期分析領(lǐng)域的研究中得到了較為深入的應(yīng)用[18-19]，本文試圖通過Morlet小波函數(shù)對(duì)氣溫的周期變化展開研究。

3　南海區(qū)低溫的變化特征

3.1低溫日的月際分布

南海區(qū)1957—2012年共有274 d出現(xiàn)低溫，年平均低溫天為4.9 d，多在12—2月間發(fā)生，偶爾也會(huì)于11月或3月出現(xiàn)。

由每年月際分布可見，1月最多，共129 d，平均2.3 d，占47%，2月和12月次之，分別為1.37 d和1.12 d，分別占28%和23%，3月平均僅有0.05 d，約占1.1%，11月只出現(xiàn)過2 d，均數(shù)為0.04 d。

3.2初日和終日

南海區(qū)1957—2012年間的平均低溫初日和終日年變化極大，低溫初日于1975年出現(xiàn)得最早，為11月24日，而1968年則直到3月3日才出現(xiàn)初凍日，這些年的年平均低溫初日和終日分別為1月4日和1月29日。

分析1957—2012年間南海每年的低溫初終日線性變化情況如圖1所示，可以看出該地區(qū)低溫終日有提前趨勢(shì)，相關(guān)系數(shù)r=-0.304 7，通過0.05顯著性水平檢驗(yàn);低溫初日有推后趨勢(shì)，但并不十分明顯(未能通過顯著性檢驗(yàn))。

3.3低溫期

低溫期是每一年低溫初日開始，直至終日結(jié)束的天數(shù)，如果當(dāng)年沒有低溫則是0。由圖1分析南海區(qū)1957—2012年間低溫期的變化情況，可以看出南海區(qū)低溫期每年都有變化，其中歷史最久的低溫期是1968年83 d，最短為0 d。60 d以上的有4 a，小于10 d的有27 a。

(縱坐標(biāo)代表低溫初、終日與11月1日之間相差的天數(shù)，中斷位置代表當(dāng)年不曾有低溫)圖1　1957—2012年南海區(qū)低溫初日、終日變化Fig.1　Variation of beginning day and ending day of low temperature in Nanhai district from 1957 to 2012

同時(shí)，低溫期的時(shí)間越來越短，該線性傾向值b=-0.544 8，相關(guān)系數(shù)r=-0.407 6，通過0.01的顯著性檢驗(yàn)。尤其在1980年代后期，低溫期縮短明顯(密集)。

3.4低溫日數(shù)的年際與年代際變化特征

1957—2012年間南海區(qū)的低溫日數(shù)如圖3所示，由圖可見年低溫日數(shù)下降明顯，線性傾向值b=-0.128 5，表現(xiàn)了這56 a以來，南海年低溫日年減少率為0.128 5 d/a，相關(guān)系數(shù)r=-0.449，以0.001顯著性水平檢驗(yàn)(R0.001=0.421)，證明年低溫日數(shù)有著十分明顯朝著減少發(fā)展的趨勢(shì)。

由圖2可以看出，南海于1957—1985年間，前期的多低溫情況明顯，由1985年開始，低溫日開始明顯降低，該結(jié)果吻合全球1985年開始的氣候增暖[20-21]，也與劉燕[6]的研究結(jié)果相一致。

同時(shí)還表現(xiàn)出低溫日較大的年際變化情況，在一些年份中，未曾出現(xiàn)低溫日，而有些年份則可以達(dá)到17 d，標(biāo)準(zhǔn)差為4.6 d，將距平絕對(duì)值大于標(biāo)準(zhǔn)差的年份定為明顯偏多(少)的年份，則明顯偏多年有8 a，明顯偏少年有14 a，偏少年尤其在1980年代后期集中。另外對(duì)資料使用標(biāo)準(zhǔn)化處理也得出一樣的結(jié)果。

(上圖虛線代表年平均低溫日數(shù)的1倍標(biāo)準(zhǔn)差，斜線代表線性趨勢(shì)，曲線是4次多項(xiàng)式的擬合曲線)圖2　南海地區(qū)1957—2012年間年低溫日數(shù)距平Fig.2　Anomaly map of low temperature day number from 1957 to 2012 in Nanhai district

4　低溫周期

通過小波分析法分析逐年低溫日數(shù)(見圖3)，顯示：南海在低溫日數(shù)演變過程中存在著準(zhǔn)24 a的大周期、準(zhǔn)9 a和準(zhǔn)3 a內(nèi)3類尺度周期變化的規(guī)律。可以發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)24 a尺度中多次出現(xiàn)多和少的交替準(zhǔn)2次震蕩；準(zhǔn)9 a時(shí)間尺度上出現(xiàn)了準(zhǔn)6次震蕩。低溫日小波方差圖內(nèi)有3處明顯峰值(如圖4所示)，其分別對(duì)應(yīng)3 a、9 a及24 a時(shí)間尺度。其中最大峰值對(duì)應(yīng)9 a時(shí)間尺度，9 a周期有著最強(qiáng)的震蕩，是低溫日變化的首個(gè)主周期。這與小波系數(shù)結(jié)果相符合。

圖3　南海區(qū)低溫日數(shù)小波系數(shù)Fig.3　Wavelet coefficient of low temperature day number in Nanhai district

圖4　南海區(qū)低溫日數(shù)小波方差Fig.4　Wavelet variance of low temperature day number in Nanhai district

5　低溫日數(shù)異常年份的冬季環(huán)流特點(diǎn)

從上文可知，低溫主要出現(xiàn)在12—次年2月，故對(duì)年低溫日數(shù)顯著偏多和顯著偏少年份的冬季(12月—次年2月)500 hPa月平均高度距平場(chǎng)進(jìn)行合成分析(圖5)發(fā)現(xiàn)：年低溫日數(shù)異常年份，亞歐地區(qū)的環(huán)流距平場(chǎng)基本呈現(xiàn)反位相分布。圖5a，年低溫日數(shù)顯著偏多年，從伏爾加河經(jīng)烏拉爾山、貝加爾湖直到東西伯利亞地區(qū)，巴爾喀什湖以北直到新地島(40°～180°E，50°N以北)為正距平，對(duì)應(yīng)的冷高壓脊偏強(qiáng)，其南側(cè)冷槽引導(dǎo)的南下冷空氣勢(shì)力偏強(qiáng)，西歐地區(qū)(0°～40°E)、我國(guó)大陸以及低緯度地區(qū)負(fù)距平，對(duì)應(yīng)東亞大槽偏深，副高偏弱，影響南方的冷空氣勢(shì)力偏強(qiáng)，對(duì)應(yīng)南海出現(xiàn)低溫的日數(shù)偏多。相反，南海出現(xiàn)低溫日數(shù)偏少。

a　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　b圖5　南海區(qū)低溫日數(shù)異常年的500 hPa高度距平合成圖(a偏多年、b偏少年)Fig.5　500 hPa height anomaly composite map of low temperature day anomalous years in Nanhai district (a: more low temperature day years, b. less low temperature day years)

6　低溫突變

用M-K檢驗(yàn)[18-19]南海區(qū)1957—2012年南海區(qū)年最低氣溫序列的突變，圖6由UF曲線可見，從20世紀(jì)80年代初開始，南海區(qū)最低氣溫呈上升趨勢(shì)，且從90年代中后期開始這種增暖更為明顯(超出1.96的臨界值)，表明溫度上升的趨勢(shì)是顯著的。從UF和UB交點(diǎn)情況看，其交于1985年，且只出現(xiàn)一個(gè)交叉點(diǎn)，該交叉點(diǎn)位于顯著性檢驗(yàn)水平范圍內(nèi)，才認(rèn)為該交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間是突變點(diǎn)，也就是說1985年是突變點(diǎn)，即極端最低氣溫逐漸上升是由1985年開始突變的，與陳少勇[12]的研究結(jié)果相一致。

圖6　56 a極端最低氣溫的Mann-Kendall突變曲線Fig.6　Mann-Kendal Abrupt Change Curve of extreme low temperature of 56 years

7　結(jié)論

①南海區(qū)年平均低溫日數(shù)4.9 d，主要出現(xiàn)在12—2月；年平均低溫初日為1月4日，終日為1月29日。

②低溫終日提前趨勢(shì)明顯，初日推遲不明顯；低溫期縮短，尤其在1980年代后期，低溫期縮短明顯；年低溫日數(shù)減少。

③南海在低溫日數(shù)存在著準(zhǔn)24 a的大周期、準(zhǔn)9 a和準(zhǔn)3 a的周期變化，9 a左右的周期震蕩最強(qiáng)，為低溫日數(shù)變化的第1主周期。

④對(duì)低溫日數(shù)異常年景冬季500 hPa環(huán)流進(jìn)行合成分析發(fā)現(xiàn)，南海區(qū)年低溫日數(shù)明顯偏多及偏少的年份中，亞歐地區(qū)冬季500 hPa高度距平場(chǎng)基本呈反位相分布。

⑤M-K檢驗(yàn)表明，從20世紀(jì)80年代初開始，南海最低氣溫呈上升趨勢(shì)，且從90年代中后期開始這種增暖趨勢(shì)是顯著的，同時(shí)突變點(diǎn)出現(xiàn)在1985年，即極端最低氣溫逐漸上升是由1985年開始突變的。

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Climate Characteristic Analysis and the Variations of Low-temperature in the Past 56 Years in Nanhai District

ZHAO Weiwen1，LIANG Hualing2，WU Xia3

(1. Meteorological Bureau of Shunde District，F(xiàn)oshan 528300,China；2. Meteorological Bureau of Nanhai District，F(xiàn)oshan 528200, China；3．Meteorological Bureau of Shaoguan City，Shaoguan 512000, China)

The statistical analysis method, Mann-Kendall and Morlet wavelet function and other methods were used to summarize the low temperature climate characteristics of Nanhai District from 1957 to 2012. The results show that，during the past 56 years，the low temperature days ends earlier and earlier，the low temperature duration has been shortening, and the annual number of low temperature days has been declining. Annual number variation of low temperature days has major cycles of 24, 9 and 3 years. The 9-year cycle is the first major cycle. Extreme minimum temperature in the Nanhai began to change drastically in 1985, since then it has been on the rise. By composite analysis on winter circulations at 500 hPa during anomalous years，the potential height anomaly fields at 500 hPa in the anomalous years with more low temperature days are found to be opposite in phase to that in the anomalous years with less low temperature days．

low temperature; features of climate variation; Nanhai

1003-6598(2016)01-0040-05

2015-02-05

招偉文(1988—)，男，助工，主要從事天氣預(yù)報(bào)服務(wù)工作,E-mail:215236895@qq.com。

P466

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