近60年來粵港澳大灣區氣溫變化規律

李佰和, 龔建周

(廣州大學 地理科學與遙感學院, 廣東 廣州 510006)

全球氣候變化已對生態系統、水文循環和農業生產造成了深刻的影響，引起了世界各國政府的密切關注[1].據現有研究可知，氣候變化的形式是多樣的：從IPCC第五次評估報告中可以看出，在1880年至2012年間，全球平均地表溫度上升了0.85 ℃(從0.65 ℃上升到1.06 ℃)；1951年至2012年，全球平均地表溫度以0.12 ℃/10年的速率升高，達到了1880年以來的2倍[2]；Victor等[3]研究發現，寒冷季節相較于溫暖季節，其增溫率更高；與低海拔地區相比，高海拔地區的增溫率更高，這是氣候變暖增速的一個重要指標.但是氣溫變化并不是始終持續上升的，Knight等[4]研究指出全球地表平均溫度增溫速率以1999年為節點，后10年間明顯減小，即全球變暖存在逐漸趨緩現象；曾欽文等[5]研究表明，地表平均溫度增速存在階段特征，并且存在區域差異，如從1965年到2017年，東江中上游流域的年平均溫度的增溫速率為0.17 ℃/10年，整體高于我國南方地區，1910s后，增溫速率達1.414 ℃/10年，比以前的增溫率高出約8倍；Collins等[6]研究發現，全球變暖的“中斷”是由于太平洋和印度洋之間的相互作用對熱帶太平洋地區信風的強度產生影響，近10年來信風加劇，使海面溫度降低.此外，氣溫變化還存在突變現象，Milivoj等[7]研究表明，1960s至1970s增暖突變還不顯著，但1980s后所檢測的時間序列中有一半以上出現了增暖突變，增溫趨勢占主導地位；尹云鶴等[8]研究指出，我國平均溫度的變化在各個氣候區均存在顯著突變點，全國整體而言，平均氣溫在1980s后期發生顯著突變，但是，東北地區的突變出現較早，溫帶地區出現在1980s，南方地區出現突變延遲至1990s；易湘生等[9]研究表明，不同季節的平均氣溫突變時間節點也不盡相同，如在1990s后期觀察到夏季平均溫度出現突變，而在21世紀初冬季平均溫度產生突變.

本文以粵港澳大灣區為研究區，其以泛珠三角區域為廣闊發展腹地，地處我國沿海開放前沿，在“一帶一路”建設中具有重要地位；但是，灣區目前面臨發展空間瓶頸制約、資源能源約束趨緊和生態環境壓力日益增大等問題(自《粵港澳大灣區發展規劃綱要》).目前對粵港澳大灣區氣溫變化規律的研究仍然缺乏，不利于理解和認知氣溫變化特征以及區域異質規律.本文利用氣象站資料，采用趨勢系數、變化速率和兩種突變檢驗方法(Mann-Kendall法、滑動t檢驗法)等數理統計方法，探討1961-2018年粵港澳大灣區氣溫變化特征，為進一步揭示該地區氣候變化特征作一些探索.

1 資料與方法

1.1 研究區域

粵港澳大灣區由香港、澳門兩個特別行政區和廣東省九個城市(珠三角)組成，它是中國最開放、最具經濟活力的地區之一，對國家整體發展具有重要作用.其位于珠江下游，瀕臨南海，地貌是由西、北、東三江匯聚珠江所挾帶的泥沙所形成的沖積平原.其位于亞熱帶氣候區，且受季風影響顯著，還受到海陸風、熱島環流和越南嶺下沉氣流等的復合影響，終年溫暖濕潤、雨熱同期，加之土壤肥沃、地勢平坦、河道縱橫、日照時間長，因而其農牧漁業的發展具有得天獨厚之勢.

1.2 數據

本文利用1961-2018年逐日氣象觀測數據，進行氣溫變化特征研究.其中在廣東省的灣區內共有29個氣象觀測站點(包括11個國家基本氣象站、18個國家一般氣象站)，香港選取5個有代表性的自動監測氣象站點、澳門選取地球物理氣象臺2個有代表性的自動氣象站.數據最終由中國科學院資源環境科學數據中心(www.resdc.cn)提供，兩個特別行政區的數據分別由澳門地球物理暨氣象局(www.smg.gov.mo)、香港天文臺(www.hko.gov.hk)網站下載.

1.3 方法

1.3.1 氣溫的長期變化特征

在表達氣溫長期變化時，計算氣溫變化傾向率，并繪制氣溫變化曲線.用氣候傾向率法表示氣溫的年代際變化趨勢和幅度，即氣溫的年際變化速率；計算所有年份氣溫平均值，再用各年均溫減去所有年份平均值，得到氣溫距平值.氣溫傾向率計算公式如下[10]：

(1)

或：

y(t)=a0+a1t

(2)

式中，a1為氣溫傾向率，往往用10a1表示氣溫傾向率，單位℃/10年.當a1>0時，表示某要素呈遞增趨勢，否則呈遞減趨勢；a1絕對值越大，表明變化幅度越大；當a1=0，則無明顯變化趨勢.y(t)為某氣象要素的t時間序列值，本文分別指1961-2018年間的各年平均氣溫、7月和1月平均最高/最低氣溫以及極高/極低氣溫；t的單位為年.

此外，計算氣溫的標準偏差，根據世界氣象組織的氣候異常評估標準，若距平值≥2倍標準偏差，視作氣候異常；約為標準偏差的1.5至1.9倍，為接近氣候異常；≤1.5倍標準差時氣候正常；距平值正、負號分別表示為偏暖異常、偏冷異常[11].

1.3.2 氣溫的突變檢驗

氣候突變是一種中斷氣候漸進變化過程的現象，即從相對穩定的狀態轉變為另一相對穩定狀態，且統計特征發生明顯變化[12].本文采用Mann-Kendall法，配合滑動t檢驗分析了粵港澳大灣區1961-2018年平均氣溫、1月與7月平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫的突變狀況.滑動t檢驗的原理與計算方法見文獻[12].Mann-Kendall法是世界氣象組織推薦的一種非參數檢驗方法，這種方法的主要優點是它不需要遵循既定的樣本分布，且異常值所產生的干擾較少，是當前具有較強理論基礎且應用廣泛的檢測方法[13].Mann-Kendall檢驗法的思路：基于時間序列的秩序量，首先構建2個序列統計量(UF和UB)；然后繪制這兩個統計量的曲線及臨界線；最后通過UF和UB曲線交點與臨界線可判斷突變發生的時間.具體計算過程如下[14]：

(1)依據n個時間序列x1，x2，…，xn，構造序列Sk.

(3)

式中，序列Sk是i時刻數值大于j時刻數值個數的累計數，易知k=1時，S1=0.

(2)假定所選時間序列隨機而且相互獨立，定義統計量UFk、UBk.

(4)

式中，UFk為標準正態分布，它是順序時間序列計算得到的統計序列；UF1=0，E(Sk)，Var(Sk)是Sk的平均值與方差；當該時間序列均獨立，而且連續分布時，可由下式計算得出：

(5)

若再按時間序列x逆序xn,xn-1,…,x1，再重復上述過程，構造逆序列UBk.

(3)繪制M-K統計量變化圖，進行氣溫突變點識別.當UF≥0，為上升趨勢；≤0為下降趨勢.當越過臨界置信水平線時(α= 0.05，置信水平線為±1.96)，表示有顯著變化趨勢.若UF和UB曲線出現交點，而且交點位于置信水平線之間，則視該點為可能的突變點；若兩曲線的交點在置信水平線之外，則無法肯定該點是否為突變點或在統計上不顯著，還需配合滑動t檢驗才可最終確定[15].

1.3.3 氣溫變化影響因子

采用主成分分析法[16]，以及通過計算各氣象因子的變異系數(CV)[17]，以此確定氣候因子的變異程度，從而分析影響氣溫變化的主要氣象因子.

2 結 果

2.1 平均氣溫的變化特征

2.1.1 氣溫的長期變化

研究區各年、最熱和最冷月份平均氣溫如圖1；將氣溫傾向率與其它區域的值一起列于表1(氣溫數據來自文獻[18-20]).可以看出，近58年來粵港澳大灣區年平均氣溫呈弱上升趨勢，其增溫率明顯低于全中國、中國西北地區以及全球的，且與顯著增暖的中國西北地區存在明顯差異.灣區內1月均溫甚至呈下降趨勢，7月均溫變化傾向率為0.11 ℃/10年，其增幅最大，對于灣區內全年整體增溫有較大貢獻，是全年變化傾向率的5.5倍，略低于全國同月增溫水平.因受氣溫總體變化平緩以及部分年份氣溫偏差較大的影響，各溫度變化指標均未達到顯著性標準，在總體微弱上升/下降的趨勢中表現出波動變化.

表1 氣溫傾向率

圖1 粵港澳大灣區氣溫時間序列

從11年滑動平均來看，粵港澳大灣區的氣溫一直處于波動變化當中，平均氣溫總體呈弱上升趨勢.經計算58年來平均氣溫變異系數為0.041，從數值來看年氣溫沒有顯著升降趨勢，其總體演變過程較為平緩，除1962年，平均氣溫的距平值均在±2 ℃以內，呈短周期的冷暖交替變化.1月均溫的變化過程與年均溫相似.7月均溫以2002年為節點，此前年際變化十分平緩，此后呈升高趨勢.

2.1.2 氣候異常變化特征

利用氣溫距平值與氣溫標準差進行氣候異常年份識別，結果如表2.年平均溫度的異常(含接近異常，下同)中，除2000s外其余各年代均出現冷年，暖年多出現于1960s 以及2010s.總體上發生異常的概率為8%～14%.最冷月和最熱月均有異常發生，但后者發生次數少于前者.1960s發生異常的頻次最高(8次，含年異常，下同)，其次是2010s(6次)，1990s僅出現一次異常.1962年在全年、最冷月、最熱月均出現異常，這是58年來絕無僅有的.

表2 溫度異常年份

1961年以來，粵港澳大灣區最暖的3年依次是1962年，2014年和1968年(當年平均溫度相同，夏季溫度高年為先)；最冷的3年是2011年、1963年和1984年(當年平均溫度相同，冬季溫度低年為先).

2.2 氣溫的突變特征

圖2為各溫度指標的時間序列圖，結合了M-K檢驗結果與滑動t檢驗結果以分析氣溫的突變特征.由圖3a可知，平均氣溫隨著時間變化發生波動下降—上升，UF和UB在2013年與2015年有交叉點，且在置信區間內，此后UF曲線呈上升趨勢且大于0，但兩曲線始終沒有突破信度線，說明在0.05的顯著性水平下，平均氣溫沒有發生突變，且灣區內平均氣溫無顯著升降趨勢.58年間，氣溫呈下降趨勢的年段要多于呈上升趨勢的年段.

圖2 不同溫度指標時間序列

圖4為滑動t統計量曲線.由圖4b和圖4c可知，1月的最高氣溫和極端高溫變化相似，總體均呈緩慢下降趨勢.最高氣溫的曲線未超過0.05顯著水平線，說明灣區內的1月最高氣溫無顯著升降趨勢，UF和UB曲線有多個交點，但兩曲線始終沒有突破信度線，說明在0.05的顯著性水平下，1月最高氣溫沒有發生突變.極端高溫在1960s、1980s和2000sUF和UB曲線有多個交點，這些交點均在α=0.05信度線之內，但兩曲線都沒有超過信度線，在2008年前后的交點相交后UB曲線突破0.05顯著水平線，但未通過滑動t檢驗，如圖4c所示，即可判斷為沒有發生突變.總體來看，1月最高氣溫和極端高溫的升或降趨勢所持續的時間基本均等.

圖4 滑動 t 統計量曲線

由圖4d和圖4e可知，1月的最低氣溫和極端低溫總體均呈上升趨勢，極端低溫上升趨勢較為明顯，在1991年、2000s和2010s大部分時間超過0.05顯著水平線，說明有顯著上升趨勢，UF和UB在1980年前后置信區間內有交叉點，進而對其作滑動t檢驗，如圖4e所示，當n1=n2=10時，|t0|>tα通過了α=0.05的信度水平檢驗，說明灣區內1月極端低溫在1981年發生突變.最低氣溫中UF和UB曲線有多個交點，但UF曲線始終沒有突破信度線，在2002年交叉后UB曲線突破0.05顯著水平線，進而對其作滑動t檢驗，如圖4d所示，當n1=n2=10時，|t0|>tα通過了=0.05的信度水平檢驗，說明2002年為可信的突變點.

由圖4f和圖4g可知，7月的最高氣溫和極端高溫在58年間，氣溫呈上升趨勢的年段要多于呈下降趨勢的年段，極端高溫呈緩慢波動上升，最高氣溫有下降—上升變化.最高氣溫在2010s達到0.05顯著水平線，說明有顯著上升趨勢，UF和UB在1997年置信區間內有交叉點，進而對其作滑動t檢驗，如圖4f所示，當n1=n2=10時，|t0|>tα通過了α=0.05的信度水平檢驗，說明灣區內7月最高氣溫在1997年發生突變.極端高溫中UF和UB曲線有多個交點，但兩曲線始終沒有突破信度線，說明在0.05的顯著性水平下，7月極端高溫沒有發生突變，且無顯著升降趨勢.

由圖4h和圖4i可知，7月的最低氣溫和極端低溫變化有很大差異.最低氣溫總體有下降—上升變化，在58年間大部分時間小于0，即呈下降趨勢，在1960s至1980s超過0.05顯著水平線，表明在此有顯著下降趨勢，在2015年前后UF和UB曲線有交點，但兩曲線未超過信度線，因而沒有發生突變.極端低溫中UF曲線大部分時間均大于0，即總體為上升趨勢，UF和UB曲線在1993年前后置信區間內有交叉點，進而對其作滑動t檢驗，如圖4n所示，當n1=n2=10時，|t0|>tα通過了α=0.05 的信度水平檢驗，說明灣區內7月極端低溫在1993年發生突變，兩年后UF曲線突破0.05顯著水平線，表示氣溫顯著上升.

3 討 論

3.1 影響氣溫變化的主要氣象因子

對粵港澳大灣區1961-2018年平均氣溫進行主成分分析，以確定影響氣溫變化的關鍵因子.由主成分結果(表3、表4)可看出，前三主成分Z1、Z2、Z3的初始特征值超過1，且前三主成分之和的方差貢獻率達到81.216%.在第一主成分Z1中，最重要的氣象因子是相對濕度，其載荷絕對值為0.833；在第二主成分Z2中，最重要的氣象因子是氣壓，其載荷絕對值為0.813；在第三主成分Z3中，最重要的氣象因子是蒸發量，其載荷絕對值為0.685.前三主成分Z1、Z2、Z3分別所解釋的信息量不高，這說明氣溫的變化是受到多重因素影響的，本文僅從氣象因子的角度分析可看出，水分是影響氣溫變化的關鍵因子.

表3 總方差解釋

表4 成分矩陣

由圖5可知，在影響粵港澳大灣區平均氣溫與最熱月氣溫變化的氣象因子中，變異系數順序前三位均為：氣壓、相對濕度、蒸發量；在影響最冷月氣溫變化的氣象因子中，變異系數順序前三位為：氣壓、風速、相對濕度，說明這些因子是粵港澳大灣區氣溫變化的主要影響因子，且在最冷月時風速取代蒸發量成為主要影響因子，這是由于冬季風主要受到西伯利亞冷高壓的影響，高壓強勁則風速大；且冬季蒸發量降低，進而對氣溫的影響減弱.降水量的變異系數最大，顯著高于其他因子的變異系數，除降水量與氣壓外，其他4個氣象因子間亦無顯著差異.

圖5 氣象因子間變異系數比較

3.2 氣溫分布及異常的歸因探討

采用克里金插值法作出粵港澳大灣區氣溫分布圖，見圖6b和圖6c.由圖6c可看出，粵港澳大灣區氣溫依照海岸線由低到高順序分布，因為大灣區面向海洋，海洋對氣溫的調節起到主要作用，海陸位置對灣區氣候的影響較為明顯，加之灣區內山脈走向以東北-西南走向為主，進而形成如圖所示的氣溫分布狀況.由圖6a和圖6b可看出，氣溫分布與海拔密切相關，兩者呈負相關關系.結合上文的研究，此現象的出現與水分密切相關，影響最熱月和最冷月氣溫變化的氣象因子均有氣壓與相對濕度，不同之處在于前者還受到蒸發量的影響，后者還受風速的影響.由于最冷月蒸發量降低，且相對濕度下降，因而水分對氣溫的調節作用減弱.

圖6 粵港澳大灣區高程圖與氣溫分布圖

觀測資料和數值模擬都清晰表明，亞洲的氣候變化受多個環流系統的影響，其中北大西洋濤動(NAO)在20世紀70年代末之后強度增加[21].70年代末熱帶太平洋海表面溫度也發生了最強的一次年代際增暖事件，亞洲中緯環流從我國阿勒泰地區到韃靼海為廣闊的槽底區，從而高緯地區的寒冷氣流主要呈緯向延伸，難以南下，進而導致暖異常[22].粵港澳大灣區位于東亞季風區，夏季受季風影響最為明顯.東亞季風和南海季風在上世紀70年代和90年代發生過2次轉型，70年代末東亞季風的夏季風顯著減弱，使得華南地區氣溫迅速升高，此外印度洋海溫異常使得暖性開爾文波在副熱帶太平洋和我國南部上空形成反氣旋環流，進而引起夏季氣溫的異常[23]，這與前文研究結果相似.因氣候系統的復雜性，使得灣區內的氣溫對于氣候事件的響應有所延遲.同時寒潮也在70年代末發生頻次驟減突變，西伯利亞高壓和大氣環流狀態改變，對灣區內的氣溫突變產生影響，且灣區位于世界第三極青藏高原東南側，因高原的地形作用，南、北風系經此后均會發生不同量級的動力作用，從而加強了天氣過程及其影響范圍，致使副熱帶西風帶的天氣能夠直下從而造成冷冬[24-25]，與前文研究結果一致.

研究區內的氣溫沒有顯著的升降變化，這是由于在冬季干冷的北風經長途跋涉后明顯減弱、變性，因而風速降低、溫度升高，使得冬季氣溫較高.夏季偏南風受到海洋氣團的影響變得溫暖潮濕，因灣區受海陸分布的影響較深，構成了一年四季既無嚴寒又無酷暑，四季宜人的氣候.另外，暖流、寒流、海陸風、灣區境內稠密的河網和大片的植被，對氣溫的調節也可以起到重要的作用[26].

極端高溫的變化趨勢與已有研究[27-28]的研究結果相似，并出現波狀上升變化趨勢，其中增溫幅度最為顯著年份為2003年、1989年和1980年，高溫變化較為緩和，波動不大，呈下降-上升的趨勢，可以說在全球變暖的背景下，在此并沒有呈現與全球氣溫變化一致的現象.但總體來看，極端低溫由1960s的-1.3 ℃上升到2010s的1.2 ℃，極端高溫由1960s的37.7 ℃上升到2000s的38.3 ℃，這與全球變暖的背景一致.

4 結 論

近60年來粵港澳大灣區的氣溫一直處于周期較短的波動變化當中，但氣溫總體呈弱上升趨勢，其增溫率明顯低于全中國、中國西北地區以及全球，平均氣溫變異系數為0.041，氣溫波動不大，演變過程較為平緩.58年來灣區內的增溫率明顯低于全中國、中國西北地區以及全球，且與顯著增暖的中國西北地區存在明顯差異.

對氣候異常年份進行識別，可看出灣區內的氣溫呈現持續的冷暖交替.58年來總體上發生異常的概率為8%～14%.年平均溫度的異常(含接近異常)中，除2000s外其余各年代均出現冷年，暖年多出現于1960s以及2010s.最冷月中發生異常多于最熱月.

應用兩種突變檢驗方法(Mann-Kendall法、滑動t檢驗法)對粵港澳大灣區1961-2018年各溫度類型的突變狀況進行檢驗，1月最低氣溫在2002年發生突變、1月極端最低氣溫在1981年發生突變、7月最高氣溫在1997年發生突變、7月極端最低氣溫在1993年發生突變，這與前人的研究結果一致[7-9].其余溫度類型經檢驗均未發生突變.其中呈波動下降—上升變化的有平均氣溫和7月的最低氣溫；呈顯著上升趨勢的有1月極低氣溫、7月最高氣溫、7月極低氣溫；無顯著下降的氣溫類型.可看出7月對于整體氣溫變暖的貢獻更為突出.

對各氣象因子進行主成分分析，得出影響氣溫變化的關鍵因子為：相對濕度、氣壓與蒸發量；通過衡量氣候因子的變異程度，可知平均氣溫與最熱月氣溫變化的主要影響因素是氣壓、相對濕度以及蒸發量；最冷月氣溫變化的主要影響因素是氣壓、風速以及相對濕度.氣溫出現暖異常是受到熱帶太平洋海表面異常增溫以及東亞季風和南海季風轉型的影響，此外，西伯利亞高壓和大氣環流狀態的改變引起寒潮，使氣溫出現冷異常.