連云港市47年氣溫時空分布特征

孫克渠，張瑞光，許嫻，李筠，馬培明，黃晨陽

(1.連云港海洋環(huán)境監(jiān)測站，江蘇 連云港 222042;2.江蘇省連云港氣象局，江蘇 連云港 2220063.佘山海洋環(huán)境監(jiān)測站，上海 200120;)

近年來，隨著科技的迅速發(fā)展，人類活動對自然環(huán)境的影響也愈發(fā)顯著，從而引起了氣候的異常變化。例如，全球氣候變暖，氣溫升高，進(jìn)而導(dǎo)致災(zāi)害性天氣增多，嚴(yán)重影響了人類生活。在對自然環(huán)境的研究中，有關(guān)氣候變暖的研究，特別是對未來氣候變化趨勢的研究是當(dāng)今的熱點(diǎn)之一。現(xiàn)在的氣候研究中，有關(guān)全球或者省級范圍的比較常見，但是具體到某個市縣特有的氣候研究方面，就顯得比較單薄，甚至是空白。豐富中小地域的氣候研究是整個氣候研究領(lǐng)域不可或缺的重要組成部分。

連云港地處南北氣候過渡帶，鄰近黃海，氣候有其自身的特點(diǎn)，專門針對連云港氣候的相關(guān)研究不是很多。楊紅梅等［1］用趨勢系數(shù)法和滑動t檢驗法對連云港氣溫進(jìn)行了研究。ZHANG等［2］用Mann-Kendll(M-K)檢驗法、線性趨勢分析、Morlet小波分析等方法，對連云港市日照時數(shù)進(jìn)行了研究。任曙霞等［3］采用線性趨勢法和累積距平法對連云港地區(qū)的霜凍情況進(jìn)行了研究。蘇瑛等［4］用氣候統(tǒng)計學(xué)方法對連云港市近50年的暴雨歷史特征進(jìn)行了研究。這些研究從不同方面探討了連云港地區(qū)的氣候特點(diǎn)，豐富了連云港地區(qū)的氣候研究成果，但還不足以完全揭示該地區(qū)的氣候變化特點(diǎn)，特別是有關(guān)氣溫方面的研究還不夠深入。本文綜合運(yùn)用小波理論和M-K等方法對連云港地區(qū)的氣溫進(jìn)行研究，以利于加深對該地區(qū)的氣候狀況的認(rèn)識和理解，為進(jìn)行未來氣候變化研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 觀測數(shù)據(jù)

本文為研究連云港市范圍內(nèi)的氣溫變化規(guī)律，選取了能代表該市氣溫變化的7個地面氣象觀測站點(diǎn)，從南到北依次為灌南站、燕尾港站、灌云站、連云港站、西連島站、東海站和贛榆站，利用了自1960—2006年共47年的逐月平均氣溫資料(其中燕尾港站氣溫資料為1974—2006年)。

2 連云港市地面氣溫的特征分析

2.1 年氣溫基本特征

對連云港市7個地面氣象觀測站1960—2006年逐年平均氣溫進(jìn)行分析，得到該地區(qū)氣溫冷暖狀況的年際分布特征。由各站資料可以繪出各站年均氣溫逐年的變化趨勢，由該趨勢圖(略)可以看出各站的年氣溫走勢基本一致，各個特征值的相位也基本一致?；咎卣鳛樵摰貐^(qū)年氣溫從20世紀(jì)80年代開始有逐年變暖的趨勢，60～70年代年氣溫基本穩(wěn)定，見表1。

表1 連云港市各年代平均氣溫分布表(℃)Table 1 Average air temperature distribution table of Lianyungang city(℃)

從上述的分析中，可以看出贛榆站歷年氣溫在全市是最低的，西連島站年氣溫在1998年以前都是最高的(1960及1961年除外)，1998年以后只比連云港站低。這是由于連云港站原位于市郊，隨著近幾十年城市化的發(fā)展，該站周圍環(huán)境發(fā)生了巨大變化，四周房屋林立，其熱島效應(yīng)日益顯著，從而使連云港站年氣溫的增溫趨勢更加明顯。還可以看到，年氣溫在空間分布上還呈現(xiàn)南高北低，例如最北面的贛榆站和最南面的灌南站，氣溫平均相差約為0.4℃;同時也呈現(xiàn)東高西低，例如東面的西連島站和西面的東海站，氣溫平均相差約為0.7℃。20世紀(jì)80～90年代，連云港地區(qū)升溫較為顯著，全市平均達(dá)0.7℃，這與全球升溫背景相一致。

表2給出了年氣溫標(biāo)準(zhǔn)差，可知連云港站和贛榆站年氣溫波動大，特別是連云港站標(biāo)準(zhǔn)差最大，這是由于該站周圍環(huán)境變化最大，從市郊變?yōu)槭袇^(qū)，受人類活動影響最大;其他站的標(biāo)準(zhǔn)差接近，年氣溫波動程度接近。

表2 連云港市年氣溫標(biāo)準(zhǔn)差分布表(℃)Table 2 Annual distribution table of air temperature standard deviation in Lianyungang city

2.2 年氣溫周期分布特征

在周期分析方法中，小波分析具有周期多尺度分析功能［5－11］。為了更好地分析連云港市年氣溫振蕩規(guī)律和局部特征，我們選用了Morlet小波分析法對該市年氣溫進(jìn)行了分析研究。由于該市各站年氣溫波動程度和相位基本一致，因此其周期的分布特征也基本一致，這樣我們只分析該市年氣溫均值的周期分布特征，結(jié)果見圖1。通過分析，我們發(fā)現(xiàn):(1)連云港年均氣溫存在18～22年、4～6年及2年左右的振蕩周期，其中以18～22年周期最為顯著;(2)最近10年4～6年周期震蕩有所弱化，而隨機(jī)震蕩有所加強(qiáng)。

圖1 連云港市年氣溫序列Morlet小波分析圖Fig.1 Morlet wavelet analysis of annual air temperature series of Lianyungang

2.3 年氣溫突變分布特征

在氣候突變檢測中經(jīng)常用到M-K法和累計距平法(CA)［12］，這兩種方法各有利弊。氣候系統(tǒng)的突變現(xiàn)象首先表示在氣溫均值上的變化，而近幾十年來，全球氣候變暖，表現(xiàn)為氣溫均值不斷上移。因此對連云港市年氣溫進(jìn)行突變分析，能很好地反映出該地區(qū)的氣候突變情況。與周期分析同樣原因，我們只對該市年氣溫平均值進(jìn)行分析。首先是用M-K突變檢驗法進(jìn)行檢驗，結(jié)果見圖2。

圖2 連云港市年氣溫距平及M-K突變檢驗圖Fig.2 Lianyungang annual air temperature departure value and M-K mutation test

圖3 連云港市年氣溫距平及累積距平曲線圖Fig.3 Lianyungang annual temperature departure value and accumulative anomaly curve

圖2中的C1、C2為M-K檢驗法中的統(tǒng)計量隨時間的變化曲線，清晰地顯示出近40年來連云港地區(qū)的年氣溫具有顯著的增暖趨勢。曲線C1和C2的交叉點(diǎn)位于信度線之內(nèi)的1990年和1993年，而CA法結(jié)果(圖3)顯示，在1993年為最低轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩種方法綜合可以判斷1993年為年氣溫序列的突變點(diǎn)。通過該突變點(diǎn)，即1993年，連云港年氣溫由冷轉(zhuǎn)暖。

2.4 季節(jié)分布基本特征

氣溫的季節(jié)分布是氣溫研究的重要部分，季節(jié)的分布特征是氣溫內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)。由各站資料繪制的各站各季平均氣溫歷年走勢圖(略)可以看出，在相同的季節(jié)里各站氣溫走勢基本一致，波動方向保持同步，這就表明有相同的周期結(jié)構(gòu)。由于周圍環(huán)境的不同，使各站在每季的氣溫變化各有不同。西連島站周圍為水體，在氣溫變化上比較滯后，秋冬季因為水溫高于氣溫，使得西連島站氣溫最高;反之，春夏季西連島站氣溫又最低。

由資料計算得出的各站各個季節(jié)氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差見表3，可以看出冬季各站氣溫變動差異要大于其他季節(jié)，春夏秋三季氣溫變動差異比較接近。而在地理分布上以連云港站氣溫變動為最大，這與本文2.1中分析結(jié)果一樣，其原因也一樣，即城市化帶來的效應(yīng)。

表3 連云港市各站季節(jié)氣溫標(biāo)準(zhǔn)差(℃)Table 3 Standard deviation of air temperature of each season in Lianyungang city(℃)

2.5 季節(jié)分布周期特征

由于各站在同季中氣溫變動趨勢和相位很接近，因此主要在每一季中以全市的平均氣溫為分析對象來探討該地區(qū)各站在各個季節(jié)中氣溫的周期分布特征，見圖4～7。

圖4 連云港市春季氣溫小波分析圖Fig.4 Wavelet analysis of Lianyungang spring air temperature

圖5 連云港市夏季氣溫小波分析圖Fig.5 Wavelet analysis of Lianyungang summer air temperature

由圖中可以看出:(1)春季氣溫21年和6年左右周期震蕩明顯，貫穿整個時間段;4年周期存在于1978－1994年期間;還有11年左右的周期出現(xiàn)在1975年，并一直持續(xù)到現(xiàn)在，只是強(qiáng)度較弱。(2)夏季氣溫15年、6年和2年周期震蕩明顯，貫穿整個時間段;10年周期出現(xiàn)于1980年，并一直持續(xù)到現(xiàn)在，力度較弱。(3)秋季氣溫21年和5～6年周期明顯，貫穿整個時間段。(4)冬季氣溫20－21年周期最為明顯，貫穿整個時間段;12年周期出現(xiàn)于1988年，并持續(xù)到現(xiàn)在;6～7年周期存在于1960—1980年;3年周期存在于1995—2003年，力度很弱。

圖6 連云港市秋季氣溫小波分析圖Fig.6 Wavelet analysis of Lianyungang autumn air temperature

圖7 連云港市冬季氣溫小波分析圖Fig.7 Wavelet analysis of Lianyungang winter air temperature

2.6 季節(jié)分布的突變分析

同樣，用M-K法和CA法分析連云港地區(qū)各季氣溫序列(圖略)，得出春季氣溫的突變點(diǎn)在1996年，夏季氣溫沒有突變，秋季氣溫的突變點(diǎn)在1996年，冬季氣溫的突變在1986年。這說明現(xiàn)在的氣候變暖主要表現(xiàn)在春秋冬季平均氣溫的升高，而夏季平均氣溫沒有什么變化。

也可以計算出連云港市各季的氣候傾向率，見表4。冬季氣候傾向率最大，達(dá)0.42，即平均每10年，冬季氣溫上升了0.42℃，春秋季次之，而夏季氣候傾向率為－0.01，這樣的數(shù)值考慮到誤差，可以忽略不計。那么，如同上一節(jié)分析的那樣，連云港地區(qū)近幾十年來的氣候變暖主要表現(xiàn)在冬季升溫上面，春秋季也有所貢獻(xiàn)，而夏季對氣候變暖沒有貢獻(xiàn)。

表4 連云港市四季氣候傾向率Table 4 Seasonal climate tendency of Lianyungang city

3 結(jié)論

在近幾十年全球氣候變暖的背景下，連云港市的氣候變化也與此相一致，通過以上對連云港市區(qū)域內(nèi)的各氣象站氣溫資料的分析，得出了連云港地區(qū)氣候變暖的具體時空分步特征。主要結(jié)論如下:

(1)年氣溫從20世紀(jì)80年代開始有逐年變暖的趨勢，60～70年代年氣溫基本穩(wěn)定;年氣溫在空間分布上呈現(xiàn)南高北低，東高西低;年平均氣溫存在18～22年、4～6年及2年左右的振蕩周期，其中以18～22年為周期最為顯著;1993年為年氣溫序列的突變點(diǎn)。

(2)在相同的季節(jié)里各站氣溫走勢基本一致，波動方向保持同步，冬秋季西連島氣溫最高，春夏季西連島氣溫又最低。

(3)春季氣溫有21年和6年的周期;夏季氣溫有15年、6年和2年的周期;秋季氣溫有21年和5～6年的周期;冬季氣溫有20～21年的周期，該周均最為明顯，貫穿整個時間段。

(4)春季氣溫的突變點(diǎn)在1996年，夏季氣溫沒有突變，秋季氣溫的突變點(diǎn)在1996年，冬季氣溫的突變在1986年。在氣候變暖的貢獻(xiàn)上，冬季最大，春秋季次之，而夏季對增溫沒有貢獻(xiàn)和影響。

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