貴州1960-2016年氣溫時空變化特征

朱大運, 熊康寧, 董曉超

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院, 貴陽 550001; 2.國家喀斯特石漠化防治工程技術研究中心, 貴陽 550001)

全球氣候系統變暖的事實是毋容置疑的。自1950年以來全球幾乎所有地區都經歷了升溫過程，1880—2012年全球平均溫度已升高0.85℃；過去30年，每10 a地表溫度的增暖幅度高于1850年以來的任何時期[1]。以氣候變暖和降雨格局轉變為主要特征的全球變化正改變著陸地生態系統的結構和功能[2]。在全球氣候變化大背景下，中國氣溫近幾十年也經歷了快速增溫過程，升溫速率達0.25℃/10 a，高于全球平均水平，并且呈現顯著的地域差異性和時段差異性[3-6]。因此，基于季節及年氣溫變化的差異，從長時間尺度監測研究區域氣候變化特征及其成因具有一定科學意義。

貴州地處云貴高原，境內以喀斯特為主的地形地貌非常復雜，水熱條件垂直變化特征顯著，且受西南季風和東亞季風的雙重影響[7]，對氣候變化的響應十分敏感。近年來，國內一些學者分別從不同的空間區域和時間尺度對貴州地區氣候變化開展了相關研究。任國玉等[8]通過對中國氣溫變化趨勢系數研究，指出云貴高原北部年平均氣溫呈下降趨勢，這與班軍梅等[9]對西南地區氣溫變化的研究結果相似；劉曉冉等[10]對西南地區1961—2000年月值氣溫數據分析表明，涵蓋貴州在內的整個西南地區年均溫呈現由暖變冷，再到單調上升的波動變化趨勢；唐紅忠等[11]詳細分析了貴州南部12個氣象站51 a觀測資料得出，該地冬季氣溫、極端最低氣溫均呈上升趨勢，并且體現了年際振蕩和年代振蕩特征。由于受季風和復雜地形等多種因素的影響，貴州氣候變化有其自身獨特的特點，尤其是進入21世紀后氣溫變化更加復雜，然而當前對貴州近幾十年地表氣溫時空變化系統研究工作還相對缺乏，伴隨時間尺度的推移和數據的更新開展跟進研究工作十分必要。

本文選取貴州省1960—2016年的氣溫逐月數據和年均值數據，采用線性回歸分析、Mann-Kendall突變檢驗以及小波分析等方法對貴州近57 a年與季節氣溫時空變化特征做詳細探討,為該區應對氣候變化和氣象災害防治提供科學參考。

1 數據與方法

1.1 數據來源與處理

本文使用的氣象數據資料均來自中國氣象局科技數據共享服務網(http:∥data.cma.cn/)，時間分辨率以年值數據集為主，月值數據集作為重要補充。雖然該數據集經過了嚴格的質量控制和檢查，但是各個站點觀測起始時間差異較大，為了保證氣象觀測數據的連續性和一致性，篩選了貴州境內19個氣象站數據資料作為本研究的主要數據源，海拔跨度274～2 316 m，時間跨度為1960年1月1日—2016年2月29日(2015年冬季截止日期)(附圖1)。

所有氣象站的氣溫資料依據月份和年份進行歸類整理，對個別站點變更和個別缺失數據采用相鄰站點線性回歸方法進行插補，經過處理修正后的氣象資料具有比較好的連續性。參考有關文獻資料[12]，按照3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季，分季度進行歸類統計，用于貴州氣溫變化特征分析。

1.2 研究方法

線性回歸是一種非常實用有效的表征序列變化趨勢和變化傾向性的分析方法，在氣候變化研究中運用廣泛。本文采用線性回歸法來檢測貴州省內各氣象站1960—2016年氣溫年代際、年際和季度時間序列變化趨勢，并基于ArcGIS平臺克里格插值方法研究貴州省氣溫時空變化規律。

突變檢測采用Mann-Kendall方法，M-K法是世界氣象組織推薦的一種非參數的突變檢驗法，具有人為干擾性少、校驗范圍寬的優點，可以對時間序列變化趨勢的顯著性和突變性進行檢驗，通過正序列和反序列曲線交叉點來確定突變時間節點[6,13]。本文的氣溫周期性分析運用Morlet小波函數，小波分析在時頻兩域都具有局部特征表征能力，可以較好地反映氣候周期變化動態的時間格局[14-15]。

2 結果與分析

2.1 氣溫時間變化特征

2.1.1 氣溫年代際變化 貴州省20世紀60年代—80年代年均氣溫相對穩定，90年代以后持續上升，特別是進入21世紀升溫迅速，較60年代升高了0.6℃。與年均氣溫變化趨勢不同，貴州四季均溫年代際變化表現出明顯的季節差異性。春季均溫呈“U”型變化曲線，60年代后春季均溫逐漸下降，到80年代降至最低點，隨后快速上升，最高升幅達0.9℃；夏季均溫整體穩定，變幅較小，60年代—21世紀初夏季均溫在波動中緩慢抬升，僅在最近6 a表現出強烈升溫態勢；與春季均溫類似，秋季均溫在70年代以后穩步增加，而升溫節點較春季均溫卻提前了10 a，更為顯著的是年代際最高與最低溫差在該季節達到了最高值1.1℃，反映出秋季均溫劇烈的動蕩變化狀況；冬季均溫變異性較大，尤其是21世紀以后與其他季節普遍升溫態勢相反，平均溫度卻表現出下降態勢，2010—2016年時段冬季均溫6.4℃甚至比多年平均值還低0.2℃。從上述分析可知，除了個別時段溫度呈現下降現象，貴州年代際溫度上升趨勢在過去57 a的時間內占據了主導地位，但是季節性差異較大，反映出高原山區氣候變化的復雜性(表1)。

表1 貴州年、季氣溫年代際變化 ℃

2.1.2 氣溫傾向率變化 近57 a貴州氣溫呈現出明顯的上升趨勢，年均氣溫、春季均溫、夏季均溫、秋季均溫、冬季均溫的傾向率分別為0.13℃/10 a，0.11℃/10 a，0.09℃/10 a，0.18℃/10 a，0.17℃/10 a，但是在升溫速率上存在一定差異，秋冬季節升溫速率最快，高于春、夏季和全年平均水平，春、夏季節則相對緩和。從季節溫度變化曲線來看(圖1)，四季氣溫均體現出一定規律性，秋季與冬季雖然波動變化劇烈程度不同，但是在溫度波動曲線趨勢走向上呈現出較好的同步性，除了80年代前期氣溫呈反向變化外，變化方向基本一致。趨勢走向一致性在升溫速率相對緩慢的春、夏季節最為突出，從圖1中可以看出二者溫度變化趨勢表現出很好的一致性。年均溫在數值上由于綜合了四季均溫的動蕩變化，升溫速率與季節相比居于中等水平，但是變化曲線走勢變異性更大，與季節溫度曲線在走向上基本觀測不到較長時間尺度的一致性。整體而言，2000年以來貴州氣溫升溫速率明顯加快，與全球和中國進入21世紀后表現出的氣溫主要變化特征相一致，只是秋冬季節傾向率偏高，與其他研究者得出的全球變化背景下春冬季節升溫最明顯的結論不一致[16]，這可能來自兩方面的原因，一方面是南、北極濤動的影響，前人研究表明[17]南極和北極濤動是我國西南區域主要影響系統，南北極濤動的持續增強是導致包括貴州在內的整個西南地區冬季氣溫偏高的重要原因之一；另一方面是季風與地理區位的共同作用，近幾十年由于孟加拉灣季風結束偏早，我國西南及周邊地區秋季降水呈偏少趨勢，干旱增多，土壤濕度降低，從而通過能量與物質(水汽)交換過程，導致地表在接收太陽輻射后升溫加快[18-19]。

2.2 氣溫空間變化特征

采用徑向基函數插值法對貴州年均溫與四季均溫傾向率做了空間插值(附圖2—3)，結果表明貴州氣溫空間變化特征比時間變化特征更加復雜，氣溫不再是時間變化特征所表現出來的單純升溫趨勢，在空間上氣溫升溫區域與降溫區域呈現交替共存現象。然而，從分布范圍來看，升溫區域仍然占據主導態勢，覆蓋貴州省大部分范圍。年均溫與四季均溫升幅最強烈的區域都發生在黔西南地區，秋季最大升溫速率高達0.30℃/10 a；其次是畢節地區，以黔西和威寧最為典型，二者在秋季均溫和年均溫變化上表現出一致的高升幅態勢，冬、春季節黔西升溫幅度高于威寧，而秋季則恰好相反。除了銅仁東部一小部分區域，包括銅仁和黔東南在的整個貴州東部地區年與季節溫度空間變異性較小，保持著相對穩定的升溫速率，而且春冬季節高于其他時期。與貴州升溫區域空間復雜的變異性相比較，溫度呈下降態勢的區域無論是在空間分布還是在四季升幅趨勢差異都要簡單的多，以黔中貴陽和黔西盤縣為中心向外圍逐漸擴散，且年與季節降溫區域均表現出空間一致性，中心降溫傾向率分別在春季、夏季達到最高水平-0.17℃/10 a，-0.19℃/10 a，上述兩地溫度呈降低態勢很可能是受局部地形和植被變化的影響，楊毅等[20]就曾指出生態環境改善，植被覆蓋率增加，是致使貴陽降水增加，氣溫降低的主要因素；并且喀斯特地區地形地貌復雜，小氣候效應顯著，“一山有四季，十里不同天”現象非常普遍，這進一步說明了高原地區氣溫變化的復雜性和特殊性。

圖1貴州省氣溫年際變化趨勢

2.3 氣溫突變分析

利用Mann-Kendall方法對貴州省年均溫進行了突變檢驗(圖2)，結果表明貴州氣溫突變發生在世紀之交的2001年，突變前后年均氣溫分別為15.35℃和15.86℃，相差0.51℃，進入21世紀之后升溫趨勢非常顯著，IPCC報告指出的北半球21世紀的第一個10 a是最暖的10 a在貴州得到了明顯的體現。

四季氣溫突變性差異大，僅秋季氣溫UF統計量與UB統計量曲線于2001年在臨界線內相交，檢測到突變現象，且與年均氣溫突變時間節點一致，2001年突變后快速增溫，在2006年后這種趨勢達到顯著性水平。春季、夏季和冬季正反序列曲線在臨界線內有多個交叉點，這很可能是突變點受到干擾點的影響而產生的虛假突變現象，為了排除虛假突變點，進一步采用滑動T檢驗和Yamamoto指數對突變點進行交互驗證，得出春季氣溫2005年、冬季氣溫1987年為可信突變點，且都通過95%顯著性檢驗，其余交叉點為虛假突變點。夏季氣溫未檢測到達到可信度水平的突變點，因此認為1960—2016年貴州夏季氣溫無突變性增溫或者降溫趨勢。

2.4 氣溫變化周期分析

圖3為1960—2016年貴州年均溫和四季均溫的Morlet小波變換系數實部等值線與模平方時頻分布圖，通過兩者結合來進行周期分析。從圖中可以看出貴州溫度震蕩周期特征變化較為復雜，時間尺度與季節差異在氣溫變化結構上表現出截然不同的周期性特征。年均溫的周期性變化特征不顯著，小波分析并未體現出短時間尺度的震蕩信號，僅在15～20 a呈現出輕微的震蕩，然而由于整個數據序列只有57 a且信號微弱，還不能確定15～20 a周期。為此進一步做了小波系數的模平方時頻分布圖，模平方相當于小波能量譜，它可以分析出不同周期的震蕩能量，從圖3A中可以看出15～20 a時間尺度的能量最強，但它的周期變化表現出明顯的局部性和邊界效應，確系虛假震蕩周期現象。從大尺度來看，四季均溫同樣存在著25～30 a的虛假震蕩周期，但是在小尺度上與年均溫存在著顯著差異。春季和夏季溫度表現出準11 a的振蕩周期，只是高值中心與低值中心信號表現較弱，1990年以后在15～20 a振蕩周期內春季氣溫出現了3個明顯的高值中心，反映出較強的周期性。秋季溫度在5 a周期發生幾次較為顯著的震蕩現象。冬季溫度的周期變化最為復雜，存在著多個短時間尺度周期，10～15 a特征尺度信號震蕩最劇烈，周期性顯著；5～7 a尺度周期信號值則表現較弱。綜合來看，春季、夏季、秋季、冬季氣溫均體現出5 a尺度的震蕩周期，盡管各季節周期信號強度存在著差異，但是高低值交替變化相對清晰，波動極值點的分布規律比較明顯，且影響范圍大，貫穿了大部分研究時間序列，并在模平方時頻分布圖中得到進一步的證實。

圖2貴州省氣溫Mann-Kendall突變檢驗

圖3 貴州溫度Morlet小波系數實部等值線與模平方時頻分布

從模平方分布形態來看，年均溫與季節均溫存在著顯著差異，這可能是受季風、地形等因素的影響，過去幾十年冬季均溫的周期性變化較其他季節更為顯著，從而在小波能量譜曲線上表現的過渡更加均勻，覆蓋范圍更加廣泛，具體原因還有待后續進一步深入研究。總體而言，貴州氣溫周期變化較為復雜，多個季節表現出與太陽黑子相吻合的11 a振蕩周期，只是周期帶有明顯的時域性特征，缺乏較為一致、能量較大、信號穩定的全時域周期振蕩。

3 討 論

由于區域特征和氣候變化的人為驅動力等因素差異，氣候變化幅度、變化尺度以及對全球氣候變化的響應敏感性帶有鮮明的地域特征[6]，并且在研究中不斷得到證實[21-23]。貴州省年均氣溫表現出統計意義上的上升，這一趨勢在進入21世紀之后更加明顯，與全球氣候變化的大趨勢相吻合[1]，但在年均溫升高速率上(0.13℃/10 a)高于全球和中國平均水平，后兩者的平均升溫速率分別是0.07，0.22℃/10 a[17]。

從區域范圍來看，貴州近幾十年升溫速率并不突出，與整個西南地區0.12℃/10 a的平均升溫速率基本相當。在區域內部，受青藏高原東側山脈走向的影響，西南地區東西部年均溫變化呈非對稱狀態，西部升溫速率高，東部升溫速率低，貴州年均升溫速率明顯小于西部的青藏高原邊緣地區[10]。1960年以來貴州各季節溫度均在波動中上升，且春、夏、秋季節升溫速率都高于西南地區整體平均水平，僅有冬季升溫速率0.17℃/10 a低于西南地區的0.21℃/10 a，據前人研究成果這可能是自然因子和人類活動共同作用的結果[24]。但是，對西南地區和貴州而言，由于地處低緯高原，受東亞季風和南亞季風的共同影響，是兩支季風的交匯區和敏感區，自然因素的影響可能更大些[25]。蔣興文等[26]研究指出西南地區氣溫變化主要受西伯利亞高壓和東亞冬季風的影響，在年際變化上，西伯利亞高壓對西南地區氣溫的影響更為顯著，而冬季氣溫的變化則與東亞冬季風關系密切。

4 結 論

(1) 近57 a貴州省年均溫和季節均溫均呈波動上升趨勢，年平均升溫速率為0.13℃/10 a。四季溫度變化差異顯著，秋、冬季節氣溫變化傾向率明顯高于春、夏季節。

(2) 空間分布上氣溫升溫區域與降溫區域交替共存，升溫最強烈的區域分別是黔西南和畢節；降溫范圍以黔中貴陽和黔西盤縣為中心向外圍延展，且在分布范圍上年時間尺度與季節時間尺度表現出高度一致性。

(3) 突變檢驗表明貴州年均溫和秋季均溫氣溫序列在2001年，春季氣溫序列在2005年，冬季氣溫序列在1987年發生了突變，突變后升溫加速。夏季氣溫序列未檢測到突變點，說明其升溫趨勢相對穩定。

(4) 小波變換分析結果表明，貴州氣溫變化并不存在年與季節相一致、震蕩明顯的主周期，季節溫度周期性變化特征復雜，尤其是冬季表現出多種時間尺度的周期振蕩特征。

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