太湖流域近60年氣溫多時間尺度波動幅度的長期變化特征

何昶，鄧建明，李雪純，王毛蘭

(1.南昌大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院;鄱陽湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031；2.中國科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所，南京 210008；3.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029)

隨著人們對全球變暖的認(rèn)識增加，已有學(xué)者針對氣溫的長期變化趨勢進(jìn)行了研究.根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第六次評估報告(AR6)，在低排放情境下，全球表面升溫幅度在2021-2040年將達(dá)到1.5 ℃，2081-2100年升溫幅度將達(dá)到1.4 ℃[1].有研究指出，1983-2012年可能是北半球最近1 400年來氣溫最高的30年[2].我國的氣溫變化與全球氣溫變化趨勢具有一致性，近54年來我國平均氣溫上升了約0.8 ℃[3].長江流域90年代增溫幅度較80年代高，增溫幅度在0.3～0.6 ℃之間[4].

上述關(guān)于氣候變暖的研究主要針對平均氣溫長期趨勢變化開展，然而氣溫往往是波動變化的，如氣溫的日變化在不同尺度上的波動.一項(xiàng)對全球的陸地氣溫數(shù)據(jù)的研究表明，氣溫日變化在所有的季節(jié)以及大部分地區(qū)均存在波動[5].我國北方地區(qū)的平均日最高氣溫和平均日最低氣溫也表現(xiàn)出明顯的日變化[6].東北地區(qū)1959-2002年間氣溫日變化也存在明顯的波動[7].但是目前關(guān)于不同時間尺度下氣溫短期波動變化趨勢研究較少.相比于氣溫的平穩(wěn)變化，短期的氣溫波動對不同生態(tài)系統(tǒng)都會產(chǎn)生顯著的影響[8].例如,有研究表明，在溫度波動條件下，綠桃蚜蟲的生長更快、繁殖力更大[9].溫度波動對軟殼海龜(Apalonemutica)的孵化也可能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其潛伏期和游泳速度與恒溫的孵化結(jié)果差異很大.通過對溫度波動對單蜂(Osmiabicornis)發(fā)育的研究表明，在溫度波動條件下單蜂的發(fā)育會加快[10].ZHAO等[11]發(fā)現(xiàn)夜間升溫使得英國谷物蚜蟲存活率從75%降低至37%，可能是由于夜間升溫影響了種群動態(tài)而導(dǎo)致了一些物種的減少.CROZIER[12]發(fā)現(xiàn)一種名為Atalopedescampestris的蝴蝶的范圍擴(kuò)大受到日最低氣溫的限制，進(jìn)一步證實(shí)了氣溫日變化對生態(tài)系統(tǒng)可能會產(chǎn)生一定的影響.

然而如何定量表征氣溫短期的波動，目前尚無統(tǒng)一的方法.彭凱等[13]以隔日溫差為例，分析了1957-2015年我國春季短期溫度波動頻率與波動幅度的時空分布與長期變化趨勢，結(jié)果表明1990年以后我國大部分地區(qū)(約70%)春季短期溫度波動呈上升趨勢.但是，通過隔日溫差來判斷溫度短期波動存在一定的局限性，因?yàn)闇囟犬a(chǎn)生波動不僅僅出現(xiàn)在相鄰的兩天，所以該方法可能會低估不同時間尺度的波動狀況.近年來，均方根(root-mean-square，RMS)方法[14-15]在水文以及氣象上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用.因此本文嘗試使用RMS方法來衡量太湖流域氣溫的短期波動幅度，并分析不同時間尺度下氣溫短期波動幅度的長期變化規(guī)律.

太湖流域地處長江三角洲，是我國舉足輕重的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)和城市密集區(qū),在地理上和經(jīng)濟(jì)上都具有重要的意義，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，受人類活動和氣候變化的影響強(qiáng)烈[16].近年來關(guān)于太湖流域氣溫變化的研究主要集中在年代際尺度氣候趨勢分析[17]，目前還沒有重點(diǎn)針對氣溫波動規(guī)律的長期變化趨勢開展研究.因此本文通過對近60年太湖流域10個氣象站點(diǎn)的逐日最高氣溫(Maximum Temperature,MaxT)、平均氣溫(Mean Temperature,MeanT)和最低氣溫(Minimum Temperature,MinT)，使用RMS方法評估氣溫的波動幅度及長期變化趨勢，以期為研究太湖流域氣溫變化與對生態(tài)的影響提供背景資料.

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文所使用氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)經(jīng)過數(shù)據(jù)質(zhì)量審核的地面氣象站點(diǎn)整理資料.選取了太湖流域內(nèi)丹徒站、常州站、溧陽站、無錫站、昆山站、東山站、平湖站、湖州站、臨安站和寶山站共10個氣象站點(diǎn)1958-2018年MaxT，MeanT和MinT，其中丹徒站的記錄年份從1980年開始.

1.2 氣溫波動的計算

為了衡量不同時間尺度的溫度波動情況，本文使用RMS方法在年尺度、季節(jié)尺度和月尺度來衡量太湖流域氣溫的波動幅度.在季節(jié)尺度討論波動情況中，根據(jù)太湖流域氣候特征，將3至5月劃分為春季、6至8月為夏季、9至11月為秋季、12月至次年2月為冬季[18].為避免氣溫年內(nèi)自然變動的影響，首先將原始?xì)鉁財?shù)據(jù)進(jìn)行距平計算，得到逐日氣溫距平值后進(jìn)行下一步分析.使用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)[19]的方法來分析不同時間尺度上氣溫波動的長期變化特征.

本文的數(shù)據(jù)分析和作圖使用R-4.0.5軟件[20]，包括以下R語言包：數(shù)據(jù)處理使用data.table包,cmdcr包，繪圖使用tidyverse包,空間分布使用automap包的克里金插值分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 年尺度氣溫波動

太湖流域1958-2018年各站點(diǎn)MaxT，MeanT和MinT波動趨勢圖如圖1所示.太湖流域各個站點(diǎn)的MaxT整體波動幅度最大，年內(nèi)平均波動為3.7 ℃；其次是MinT，平均波動幅度為3.0 ℃；MeanT波動幅度最小，平均波動幅度為2.9 ℃.1958-1990年MaxT波動幅度趨勢平穩(wěn)，年內(nèi)平均波動幅度為3.7 ℃.而MeanT和MinT波動幅度呈減小趨勢，年內(nèi)平均波動幅度分別為2.7 ℃，2.9 ℃.但在1990-2018年間，MaxT，MeanT和MinT的回歸系數(shù)均呈正值(相關(guān)系數(shù)r2分別為0.013，0.178和0.232)，說明太湖流域1990-2018年氣溫年內(nèi)波動幅度趨勢呈增加趨勢，年內(nèi)MeanT和MinT波動幅度增加趨勢更明顯，年內(nèi)平均波動幅度分別為MaxT：3.7 ℃，MeanT：2.9 ℃，MinT:3.2 ℃.

2.2 季節(jié)尺度氣溫波動

太湖流域1958-2018年各季節(jié)氣溫波動趨勢如圖2所示.在季節(jié)尺度上，春季氣溫波動幅度最高，其次是冬季和秋季，夏季氣溫波動幅度最小.春季、夏季和冬季MaxT波動幅度明顯高于MeanT和MinT的波動幅度，秋季三種氣溫波動幅度基本一致，說明太湖流域春季和冬季氣溫波動幅度較大，并且MaxT的波動幅度最大.

1958-1990年，春季和冬季波動幅度呈下降趨勢、夏季呈上升趨勢；1990-2018年春季(r2=0.212)和冬季(r2=0.128)氣溫波動幅度呈顯著上升趨勢(p<0.05)，夏季和秋季波動幅度增加趨勢不明顯(p>0.05).

2.3 月尺度氣溫波動

太湖流域1958-2018年各月份氣溫波動幅度如圖3所示.根據(jù)多年平均值來看，1月至8月氣溫波動幅度呈現(xiàn)逐月降低的趨勢，9月至次年2月氣溫波動幅度逐月上升.MaxT波動幅度在2月和3月最大，MinT波動幅度在11月和12月最大，MeanT波動幅度在12月至次年2月最大.月份的波動幅度與季節(jié)的波動幅度相對應(yīng)，9月至12月氣溫波動幅度相近，而其他月份最高氣溫波動幅度較高，波動范圍在2.7～4.6 ℃.

Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)的結(jié)果表明：太湖流域1958-1990年MaxT,MeanT波動幅度在6月和7月呈顯著增加趨勢(p<0.05)，MeanT和MinT波動幅度在1月和3月呈顯著降低趨勢(p<0.05).此外，MeanT和MinT大部分月份波動幅度呈下降趨勢.1990-2018年間除6月、11月和12月以外，各月份的氣溫波動幅度基本呈上升趨勢，尤其是在1月和4月(p<0.05).

2.4 氣溫波動的空間分布

太湖流域1958-1990年及1990-2018年MaxT,MeanT和MinT波動變化空間分布如圖4所示.1958-1990年間，流域內(nèi)氣溫波動幅度整體呈下降趨勢，MinT波動幅度下降趨勢最明顯，由東向西波動幅度下降趨勢增大；1990-2018年間，流域內(nèi)氣溫波動幅度整體呈增長趨勢，MaxT波動幅度的增長趨勢大于MinT波動幅度的趨勢，從南至北氣溫波動幅度增長趨勢變大.

3 討 論

本文通過搜集太湖流域10個氣象站點(diǎn)的逐日觀測資料，以1990年為分界分析了過去60年間氣溫(日最高、日平均和日最低氣溫)在年、季、月3個不同時間尺度下波動幅度長期變化趨勢.結(jié)果表明：1990-2018年間太湖流域不同時間尺度下的氣溫波動幅度均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，其中春季日最高氣溫波動幅度的上升趨勢最明顯.太湖流域春季溫度波動幅度上升與人們的認(rèn)知和日常生活經(jīng)驗(yàn)相符合同時，我們使用RMS方法計算得到的結(jié)論與彭凱等[13]使用隔日溫差得到的結(jié)論類似.研究表明：1990年前后，全國氣溫增長趨勢出現(xiàn)顯著突變[21].具體表現(xiàn)為，春、夏兩季氣溫增長趨勢由快變緩，而冬季氣溫增長趨勢則由慢變快，秋季氣溫增長趨勢在不同地區(qū)出現(xiàn)不同的變化[22].

引起氣候變化的原因可以概括為自然的氣候波動和人類活動影響兩大類型.前者是氣候系統(tǒng)內(nèi)部以及氣候系統(tǒng)與其他外界強(qiáng)迫相互作用的結(jié)果，后者是人類活動作用于氣候系統(tǒng)的結(jié)果.在氣候系統(tǒng)內(nèi)部各因子相互作用的過程中，最直接的影響是大氣與海洋環(huán)流的變化或脈動，大氣和海洋是造成區(qū)域尺度氣候要素自然變化的主要原因[23-24].很多研究指出：海洋熱力狀況的異常變化與我國氣候有著密切的關(guān)系[25-26].GUEMAS等[27]指出海洋吸收熱量對氣溫波動上升的速率有所影響.由于海洋表層水溫升高，向大氣釋放大量的感熱和潛熱能量，使得大氣環(huán)流產(chǎn)生異常，最終會導(dǎo)致氣溫產(chǎn)生變化.日最高氣溫在各氣溫中波動幅度最大，與近年來關(guān)于日氣溫變化的研究一致.史軍等[28]的研究表明，近年來在上海城市化的影響下，最高氣溫日間升溫幅度增加.黃宏濤等[29]的研究也表明日最高氣溫受城市化的影響最大.說明日最高氣溫波動幅度增加有可能與城市化有關(guān).

太湖流域地處長江三角洲，是我國舉足輕重的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)和城市密集區(qū)，流域內(nèi)城市化的不斷發(fā)展，勢必會對該區(qū)域內(nèi)氣候變化產(chǎn)生影響[17].氣溫的短期波動會對生物產(chǎn)生許多影響，在水域生態(tài)系統(tǒng)中同樣如此.比如短期溫度波動過大會抑制海藻生長[30]，也可能會通過影響微囊藻固著多糖的積累而影響其生長優(yōu)勢的維持等[31].因此太湖流域氣溫的短期波動幅度的長期變化也可能會對湖泊生態(tài)系統(tǒng)造成影響.但目前關(guān)于氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)影響的研究中，尚無溫度短期波動規(guī)律長期變化對湖泊生態(tài)系統(tǒng)影響的報道，同時也不清楚短期溫度波動對太湖藍(lán)藻水華優(yōu)勢建立是否有貢獻(xiàn)以及貢獻(xiàn)大小如何.因此，在后續(xù)關(guān)于氣候變化對生態(tài)系統(tǒng)影響的研究中，除考慮平均氣溫升高因素外，還應(yīng)考慮氣溫短期波動長期變化趨勢的影響.

4 結(jié) 論

(1)太湖流域地區(qū)近60年來氣溫短期波動幅度變化趨勢可分為兩個階段：第一階段為1958-1990年，氣溫短期波動幅度主要呈下降趨勢；第二階段為1990-2018年，氣溫短期波動幅度主要呈上升趨勢.

(2)1958-1990年間流域內(nèi)氣溫短期波動幅度在年、季、月等不同時間尺度上不完全一致.年尺度上氣溫波動幅度以下降為主；季尺度上春季和冬季波動幅度下降，但夏季波動幅度呈上升趨勢.1990-2018年間氣溫波動幅度在不同時間尺度上均呈現(xiàn)上升趨勢.

(3)不同時間尺度上MaxT波動幅度均大于MeanT和MinT波動幅度，1990-2018年間MaxT增長趨勢大于MinT波動幅度的增加趨勢，大于MeanT波動幅度的增加趨勢.

(4)1958-1990年間流域內(nèi)氣溫波動幅度整體呈下降趨勢，由東向西波動幅度下降趨勢增大；1990-2018年間，流域內(nèi)氣溫波動幅度整體呈增長趨勢，從南至北呈波動幅度增長趨勢變大.

附 錄

附圖見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.06.017).