金華市氣溫和日照時數氣候態變化特征

樓俊偉，李正泉，章永輝，范瑜越，高昕瑜

（1.浙江省氣候中心，杭州 310017；2.武義縣氣象局，浙江 武義 321200；3.柯橋區氣象局，浙江 紹興 312030；4.金華市氣象局，浙江 金華 321000）

氣候變化問題日益突出，使得越來越多的學者對其進行研究［1-4］。隨著研究的深入，學者發現中國氣溫、日照時數等氣象要素的基本特征在20 世紀70 年代末至80 年代初存在明顯突變［5-8］。20 世紀90 年代后，中國年平均氣溫增暖加速［9］，日照時數的減小趨勢卻有所放緩［10］。選擇不同研究時段所產生的差異將會導致1971—2000 年、1981—2010 年和1990—2019 年這3 個氣候態下的氣候平均值不同，對氣候分析和評價產生影響［11］。因此，趙宗慈等［12］指出應注意不同標準氣候態對應的數值不同。中國氣象局自2012 年起將日常氣候業務中原來的1971—2000 年氣候平均值變更為現在的1981—2010 年［13］。

以上研究大多對氣溫或日照時數進行氣候變化特征分析，而關于不同氣候態下二者變化特征的研究較少。金華市位于浙江中部，是浙江第四大都市區。研究氣溫和日照時數等影響宜居的要素對于中國十佳宜居城市之一的金華市具有重要意義。梁亮等［14］分析了金華市氣溫、日照時數等氣象因子與不同下墊面溫度存在的關系，指出兩者與下墊面溫度相關性顯著。項素清等［15］對兩類厄爾尼諾事件次年的高溫日數、日照時數進行研究，發現第1 類影響年金華市日照時數比常年偏少，出現高溫天數少，且不嚴重，第2 類影響年正好相反。張育慧等［16］研究金華市逐日平均氣溫和日照時數等氣象因子對晚稻產量的影響，得到晚稻相對產量與7 月中旬和8 月中旬的平均氣溫呈負相關，與9 月上旬日照時數呈正相關的結論。可以看出，關于金華市氣溫和日照時數變化特征以及氣候態轉變研究較少，有必要利用最新數據，從氣候態角度出發，探討金華市平均氣溫和日照時數等農業氣候資源的時空演變特征。研究采用1968—2019 年逐年的平均氣溫和日照時數資料，對金華市氣溫和日照時數氣候態變化特征進行分析，有助于了解當地農業氣候資源的氣候態差異，以期為金華市的城市發展、氣候評價和科研工作提供依據。

1 資料與方法

所用氣象資料是金華市氣象臺提供的，包含金華市8 個臺站（金華、蘭溪、浦江、義烏、東陽、磐安、永康和武義，見圖1）逐年平均氣溫和日照時數數據，由于磐安建站時間較晚，將其舍去，與此同時，考慮到數據的連續性、統一性和時間一致性，將時間范圍選取為1968—2019 年。此外，高程資料來自浙江師范大學，數據經過嚴格的質量控制。金華市高程呈南北高、中部低的特點，海拔高度介于19～1 527 m。

首先，通過線性回歸法，對比分析不同氣候態下平均氣溫及其距平、日照時數及其距平百分率的變化趨勢；其次，利用小波分析和M-K 突變檢驗法，研究不同氣候態下平均氣溫和日照時數的周期和突變特征；最后，基于ArcGIS 軟件來分析不同氣候態下平均氣溫和日照時數的空間分布規律。

2 結果與分析

2.1 不同氣候態下氣溫和日照時數的變化

2.1.1 不同氣候態下氣溫和日照時數的年際變化分別給出金華市氣溫和日照時數氣候態的年際變化（圖2）。由圖2a 可見，不同氣候態下的逐年平均氣溫均呈顯著的增溫趨勢。其中，氣候標準態下平均氣溫的增溫速度為0.04 ℃/年，1971—2000 年氣候態下的平均氣溫增溫幅度比氣候標準態偏低0.01 ℃/年；1981—2010 年氣候態下的平均氣溫較氣候標準態偏高0.02 ℃/年；1990—2019 年氣候態下的則與之持平。

圖2 不同氣候態下金華地區氣溫（a）和日照時數（b）的年際變化

由圖2b 可知，不同氣候態下金華市逐年日照時數的變化趨勢是相似的。其中，1968—2019 年的日照時數以8.0 h/年的速度顯著減少，1971—2000 年的日照 時 數 較 其偏 高4.2 h/年；1981—2010 年 和1990—2019 年的則分別偏低4.2 和2.9 h/年。

2.1.2 不同氣候態下氣溫距平和日照時數距平百分率的年際變化 分析金華市平均氣溫距平和日照時數距平百分率（圖3），在不同氣候態下平均氣溫距平均呈增暖趨勢，1971—2000 年氣候態下的逐年氣溫距平比氣候標準態下的偏高0.4 ℃；1981—2010年氣候態下的逐年氣溫距平與氣候標準態下的持平；1990—2019 年氣候態下的則偏低0.4 ℃（圖3a）。由此可見，隨著氣候態轉變，30 年氣溫平均值隨之增加，從而使得氣溫距平減小，氣候變暖趨勢減弱。此外，氣候標準態和1981—2010 年氣候態下氣溫距平1997 年起表現為明顯增暖趨勢；1971—2000 年氣候態下氣溫距平在1994 年由負距平轉為正距平，較氣候標準態偏早3 年；1990—2019 年氣候態下氣溫距平在2002年轉為增暖趨勢，較氣候標準態偏晚5 年。

圖3 不同氣候態下金華市氣溫距平（a）和日照時數距平百分率（b）的年際變化

不同氣候態下，金華市逐年日照時數的距平百分率都呈減小趨勢，其中，1971—2000 年所代表的氣候態比氣候標準態偏少1.9% ～3.3%；1981—2010年和1990—2019 年所代表的氣候態比氣候標準態分別偏多1.5% ～2.6%和4.0% ～6.8%。由此可知，隨著氣候態更替，30 年日照時數平均值隨之減少，從而使得日照時數的距平百分率減小，日照時數減少程度減弱。此外，1968—2019 年、1971—2000 年、1981—2010 年和1990—2019 年4 種不同氣候態下的日照時數距平百分率由正轉負時間分別是1989年、1989 年、1997 年和2010 年。

2.1.3 不同氣候態下氣溫和日照時數的周期變化從不同氣候態下金華市逐年平均氣溫的小波分析（圖4）可知，氣候標準態下平均氣溫有3 ～4 年為主的波動周期，對應時段為1990—2000 年，且該周期特征通過了95%的顯著性檢驗；1971—2000 年氣候態下平均氣溫存在平均周期為4 年的波動，較氣候標準態偏長1 年左右，對應2 個時段，均偏早，分別為1977—1981 年和1986—1994 年，通過95%的顯著性檢驗；1981—2010 年氣候態下平均氣溫的波動周期特征與氣候標準態下的一致，對應時段較氣候標準態有所擴大，通過95% 的顯著性檢驗；1990—2019 年氣候態下的平均氣溫以2～5 年的周期波動，但通過95%顯著性檢驗的僅3～5 年，對應時段為1995—2004 年，較氣候標準態的偏晚。

圖4 不同氣候態下金華市平均氣溫的小波功率譜及全譜

分析不同氣候態下金華市日照時數的小波變換（圖5），氣候標準態下逐年日照時數波動周期分別為2 ～3、3 ～6 和7 ～8 年，對應時段分別為1972—1982 年、2003—2015 年和1979—1987 年，且前面2個周期通過95%顯著性檢驗；1971—2000 年氣候態下的日照時數分別以2 ～3 和6 ～8 年的周期波動，短周期對應時段為1974—1979 年和1981—1986 年，長周期對應時段為1979—1988 年，且均通過95%顯著性檢驗；1981—2010 年氣候態下主要波動周期分別為2、4、2 ～6 和8 年，對應時段分別為1983—1991年、1986—1994 年、1996—2003 年和1991—1998 年，均通過95%顯著性檢驗；1990—2019 年氣候態下日照時數主要以2 ～3 和3 ～6 年的周期波動，對應時段分別為1998—2003 年和1999—2014 年，均通過95%顯著性檢驗。

圖5 不同氣候態下金華市日照時數的小波功率譜及全譜

2.1.4 不同氣候態下M-K 突變檢驗 圖6 分別為不同氣候態下金華市平均氣溫和日照時數的M-K 突變檢驗，由圖6a 至圖6d 可知，氣候標準態下的平均氣溫主要呈明顯的增溫趨勢，其突變發生在1996年，此后呈更為顯著的增溫趨勢；1971—2000 年氣候態下平均氣溫在1972—1989 年主要呈顯著的降溫趨勢，1990—2000 年則呈顯著的增溫趨勢，突變年較氣候標準態下的偏早2 年；1981—2010 年氣候態下平均氣溫呈明顯增溫趨勢，突變年較氣候標準態下的也偏早2 年，但由于突變點在信度線外，故無明顯突變；1990—2019 年氣候態下平均氣溫明顯增暖時間段為1997—2019 年，發生突變的時間比氣候標準態下的分別偏晚2 和4 年。

由圖6e 至圖6h 可見，1968—2019 年金華市日照時數呈顯著的減小趨勢，突變發生在1989 年，之后日照時數以更為顯著的趨勢減小；1971—2000 年的日照時數也呈顯著的減小趨勢，突變年比1968—2019 年偏早1 年；1981—2010 年的日照時數主要在1997—2010 年呈明顯的減小趨勢，發生突變的時間較1968—2019 年偏遲6 年；1990—2019 年的日照時數呈明顯減小趨勢的時間段為1998—2019 年，突變年分別為2000 年、2006 年、2010 年和2017 年。

圖6 不同氣候態下金華市平均氣溫（a～d）和日照時數（e～h）的M-K 突變檢驗

2.2 不同氣候態下氣溫和日照時數的空間變化

由不同氣候態下平均氣溫的空間分布（圖7）可見，4 種不同氣候態下的平均氣溫均呈南北低、中部高的空間格局。其中，氣候標準態下金華市平均氣溫的暖區在永康，達18.0 ℃，冷區則在浦江，為16.9 ℃（圖7a）；1971—2000 年氣候態下平均氣溫的暖區則在蘭溪，且強度較氣候標準態偏低0.3 ℃，冷區仍在浦江，強度比氣候標準態下的偏強0.3 ℃（圖7b）；1981—2010 年氣候態下的平均氣溫，其暖區和冷區的所在地及強度均與氣候標準態的相同（圖7c）；1990—2019 年氣候態下平均氣溫的暖區和冷區分別仍在永康和浦江，但強度較氣候標準態下分別偏強0.5 ℃和偏弱0.3 ℃（圖7d）。結合圖1 可知，金華市地勢南北高、中部低，與各氣候態下平均氣溫空間分布特征正好相反。一般來說，海拔越高，近地層大氣的輻射降溫就強烈，從而使得平均氣溫偏低。

圖7 不同氣候態下金華市氣溫的空間變化

對于不同氣候態下日照時數來說（圖8），其空間分布特征相似，表現為西部南部少、中部北部多。其中，氣候標準態下日照時數的高值區為金華市本級，達1 855.7 h，低值區在蘭溪，僅1 701.9 h（圖8a）；1971—2000 年氣候態下日照時數的高值區則在義烏，且比氣候標準態下的偏多54.7 h，低值區仍為蘭溪，且較氣候標準態下的偏多61.1 h（圖8b）；1981—2010 年氣候態下日照時數高值區和低值區分別比氣候標準態下的偏少32.9 和61.3 h（圖8c）；1990—2019 年氣候態下日照時數的高值區和低值區均與氣候標準態下的一致，但強度分別偏少85.7 和111.4 h（圖8d）。此外，結合高程數據可知，金華市7個臺站海拔高度由高到低依次是浦江、武義、永康、義烏、東陽、金華和蘭溪，一般海拔高度越高接收到的太陽輻射就越強，但可能由于城市化的發展，其造成的大氣污染使日照時數減小［17］，因此不同氣候態下日照時數西部南部少、中部北部多的空間格局或許與海拔高度以及城市化有關。

圖8 不同氣候態下金華市日照時數的空間變化

3 小結與討論

不同氣候態下金華市平均氣溫均呈顯著的增加趨勢，日照時數則與之相反。其中，氣候標準態下平均氣溫的增溫和日照時數的減少速度分別為0.04 ℃/年和8.0 h/年，1971—2000 年、1981—2010 年和1990—2019 年這3 種不同氣候態下的平均氣溫比氣候標準態下分別偏低0.01 ℃/年、偏高0.02 ℃/年和持平；日照時數則分別偏高4.2 h/年、偏低4.2 h/年和偏低2.9 h/年。

在不同氣候態下，金華市平均氣溫距平均呈增大趨勢，日照時數距平百分率則與之相反，但二者距平的轉變時間均集中在20 世紀90 年代至21 世紀00年代。其中，3 種不同氣候態下逐年氣溫距平先后較氣候標準態下的偏高0.4 ℃、持平和偏低0.4 ℃；日照時數距平百分率則分別偏少1.9% ～3.3%、偏多1.5% ～2.6%和偏多4.0% ～6.8%。當氣候標準態發生轉變時，相應氣候評價會產生差異，若選取1971—2000 年或后續2 個氣候態作為標準態，金華市氣溫增溫和日照時數減少幅度就隨之增強或減弱。

金華市平均氣溫的周期變化在不同氣候態下均較為一致，主要是3 ～4 年為主的周期變化，日照時數則有所差異，氣候標準態和1990—2019 年氣候態下波動周期分別為2 ～3、3 ～6 年，1971—2000 年氣候態下分別為2 ～3 和6 ～8 年；1981—2010 年氣候態下的分別為2、4、2 ～6 和8 年。

氣候標準態下平均氣溫的突變年是1996 年，1971—2000 年和1981—2010 年氣候態下平均氣溫的突變年均較之偏早2 年，1990—2019 年氣候態則分別偏晚2 和4 年；日照時數的突變年在不同氣候態下差異較大，但都發生在20 世紀90 年代至21 世紀10 年代。

不同氣候態下平均氣溫的空間分布特征表現為南北低、中部高，日照時數則表現為西部南部少、中部北部多。

不同氣候態下金華市平均氣溫和日照時數均分別呈增溫和減少的趨勢，與杭州市相比［18］，平均氣溫的增溫速度先后偏高0.01 ℃/年、相等、偏高0.03 ℃/年和偏高0.01 ℃/年，與長三角地區的變化趨勢一致［19］。氣候態的突變集中在20 世紀90 年代至21 世紀10 年代，這段時期也是金華市城市化快速發展時期，多位學者研究指出城市化對增暖有貢獻率［20-23］，其造成的大氣污染是中國東部日照時數下降的主要原因［17］。可進一步分析金華市城市化對氣溫和日照時數的影響，還可選取不同氣候態作為標準態對氣候分析評價產生的影響。