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      全球變暖背景下松花江流域氣溫最新變化特征

      2018-04-11 07:12:17范昊明
      水土保持研究 2018年3期
      關(guān)鍵詞:松花江流域嫩江松花江

      孫 文, 范昊明

      (沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110866)

      氣候變化與人類及其他物種生存發(fā)展息息相關(guān)。氣候變化影響涉及陸地、海洋、冰蓋等所有地區(qū)[1]。諸多研究成果及觀測數(shù)據(jù)顯示,全球氣候系統(tǒng)正在經(jīng)歷一個變暖過程[2-4]。全球氣候變暖主要出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代到40年代之間,以及80年代中期以后,其中后者變化更為顯著[5]。在全球變暖大背景下,中國氣候變化與全球及北半球表現(xiàn)出趨勢上的一致性[6-8]。大尺度范圍研究發(fā)現(xiàn),近100年來中國年平均地表氣溫升溫幅度約為0.5~0.8℃[9],略高于全球同期水平(0.6℃土0.2℃),主要發(fā)生在冬季和春季,夏季氣溫變化不明顯[10-12]。但因區(qū)域環(huán)境特征、地理因素、氣候背景、氣候驅(qū)動力等諸多條件影響,局地氣候?qū)τ谌蜃兣憫?yīng)的時間、尺度和幅度等都會表現(xiàn)出一定的時空差異,變化特征不盡相同,另外研究時段長度也會影響研究結(jié)果[13]。王澄海等[14]研究發(fā)現(xiàn)我國氣候生長期已明顯增長,北方和青藏高原增溫比其他地區(qū)顯著,而中國西南地區(qū)出現(xiàn)降溫現(xiàn)象,春季和夏季降溫尤為突出,長江中下游地區(qū)夏季平均氣溫也呈降低趨勢[15]。李小燕等[16]研究發(fā)現(xiàn),1981—2010年陜南地區(qū)氣溫總體呈波動上升趨勢,李雙雙等[17]研究發(fā)現(xiàn)1961—2009年秦嶺南北表現(xiàn)出同步增溫趨勢,但突變年份有所不同。

      松花江流域位于東北地區(qū)腹地,是我國林業(yè)、農(nóng)業(yè)等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)主要生產(chǎn)區(qū),氣候變化對當(dāng)?shù)匕l(fā)展具有重要影響。孟悅[18],曾小凡等[19]指出松花江流域20世紀(jì)后半葉氣溫主要以暖干變化為主,俞方元等[20]研究認(rèn)為過去50 a松花江流域氣溫上升2°,冬季升溫最為明顯。以往成果多集中于長序列大尺度研究,忽略了短期,尤其是80年代后期氣候顯著變化過程,且數(shù)據(jù)資料相對陳舊,對近期松花江流域氣候研究相對較少,無法客觀反映最新事實。本文以松花江流域及其包含3個三級子流域為研究對象,選取變化最為顯著的20世紀(jì)80年代以后為研究時段,分析在全球氣候變暖大背景下,松花江流域在最近過去37 a間氣候變化響應(yīng)情況,了解流域尺度內(nèi),受小氣候影響的區(qū)域氣候變化特點。另外,松花江流域內(nèi)大規(guī)模城市較少,森林綠地覆蓋度較高[21],以此為研究區(qū)可減少城市熱島效應(yīng)對局地氣溫影響,避免人為等因素對自然狀態(tài)下氣候變化過程的過多干擾。研究以期對松花江流域局地氣候變化有更深入認(rèn)識,為東北地區(qū)氣候研究,農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)發(fā)展,水利規(guī)劃等工作提供重要參考,同時為積雪分布、融雪徑流等生態(tài)氣候?qū)W科研究提供依據(jù)。

      1 數(shù)據(jù)與研究方法

      1.1 研究區(qū)概況

      松花江流域位于北緯41°42′—51°38′,東經(jīng)119°52′—132°21′,東西長920 km,南北寬1 070 km,面積55.68×104km2,占東北三省總面積69.3%,地跨內(nèi)蒙古、黑龍江、吉林和遼寧四省。其中嫩江流域29.7×104km2,第二松花江流域7.34×104km2,松花江干流流域18.64×104km2。流域地勢跨度較大,四周高,中間低,西、北、東三面環(huán)山,僅西南部和遼河流域分水嶺較低,其余海拔均在500 m以上[22-24]。流域地處北溫帶季風(fēng)氣候區(qū),四季分明,春季干燥多風(fēng),夏季炎熱多雨,冬季寒冷少水,大部分地區(qū)冬季持續(xù)半年之久,年內(nèi)溫差較大。年內(nèi)降雨變化十分顯著,積雪融水為春季河流主要水量來源,流域內(nèi)有多年凍土存在。

      1.2 數(shù)據(jù)來源

      選取1979—2015年松花江流域內(nèi)47個平均分布、資料序列相對完整的氣象站點年、月平均氣溫資料建立氣候序列,氣溫資料均來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn)。

      將47個氣象站氣溫資料按年、月進(jìn)行整理,對于撤銷、遷移臺站等原因?qū)е聰?shù)據(jù)缺失的站點按照線性回歸法進(jìn)行插補(bǔ),經(jīng)過訂正處理后的47個臺站的氣溫資料通過了數(shù)據(jù)一致性檢驗,應(yīng)用于本次研究。根據(jù)3個子流域界限對氣象站進(jìn)行區(qū)域劃分,見圖1。根據(jù)北半球溫帶地區(qū)氣溫周期性變化,以氣候統(tǒng)計法為標(biāo)準(zhǔn),劃分四季:春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月—翌年2月。流域內(nèi)各站點氣溫平均序列代表該流域氣溫序列,分別計算松花江流域、嫩江流域、第二松花江流域和松花江干流流域年及四季平均氣溫序列。

      圖1松花江流域氣象站點分布

      1.3 研究方法

      利用一次線性傾向估計、5 a滑動平均法分析消除高頻變化后的氣溫年際變化,趨勢變化及氣候變化定量程度采用氣候趨勢系數(shù)和氣候傾向率進(jìn)行分析,采用M-K檢驗,滑動T檢驗對氣溫序列進(jìn)行氣候趨勢分析和突變年份檢驗,利用ArcGIS空間插值(RBF插值法)分析氣候變化區(qū)域特征,繪制氣溫傾向率變化圖,分析氣溫變化空間差異。利用M-K非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法對松花江及3個子流域年、四季平均氣溫進(jìn)行突變檢驗,分析其變化趨勢和突變時間。為增加結(jié)果準(zhǔn)確性,對檢驗結(jié)果中可能的突變點運(yùn)用滑動T檢驗法進(jìn)行驗證,確定準(zhǔn)確突變時間。

      2 結(jié)果與分析

      2.1 氣溫特征分析

      由線性傾向趨勢線(圖2)可看出,37 a間,除嫩江流域冬季外,松花江流域及3個子流域年、四季平均氣溫呈不同程度增溫變化。各流域時間上呈現(xiàn)較高同步性,氣候變化基本一致,但變化速率上存在一定區(qū)域差異。

      從5 a滑動平均來看,松花江流域及3個子流域年、春季平均氣溫在1979—1988年呈下降變化,80年代末期至21世紀(jì)初期波動上升,2009—2013年小幅下降,2014—2015年呈上升趨勢;夏季各地變化略有差異,松花江及嫩江流域表現(xiàn)為1979—1993年小幅下降,1994—2015年波動升溫的變化過程,第二松花江流域在夏季表現(xiàn)為波動下降—上升—下降的變化過程,松花江干流流域夏季整體呈緩慢升溫趨勢;各地秋季升溫明顯,表現(xiàn)出上升(1979—1995年)—下降(1979—1995年)—上升(2001—2005年)—下降(2006—2015年)的一致變化,冬季各區(qū)氣溫波動幅度較大,總體呈現(xiàn)出一次較大的波動變化,1979—1997年為升溫階段,1998—2015年為降溫階段,但2006—2008年有短暫升溫過程,且2006年松花江及3個子流域均出現(xiàn)冬季氣溫最高值。

      從松花江流域年平均氣溫時間序列(圖2)分析得出,松花江流域多年平均氣溫3.67℃,變異系數(shù)0.19,最低值出現(xiàn)在1980年為2.37℃,最高值是2007年5.12℃。年平均氣溫傾向率0.29℃/10 a,相關(guān)系數(shù)0.46,通過r=0.05顯著性檢驗,氣溫上升程度高于同期全國其他地區(qū)。這與韓翠華[25]、張晶晶等[26]對東北地區(qū)氣候研究結(jié)果接近,但低于陸志華等[27]的研究結(jié)果。從表1可以看出,松花江流域秋季升溫速率最大,其次是夏季和春季,冬季最小。對于冬季需要特別指出,1979—1999年松花江流域冬季平均氣溫升溫速率為1.13℃/10 a,相關(guān)系數(shù)0.53,通過0.01(r0.01=0.41)顯著性水平檢驗,說明升溫趨勢明顯,溫度上升較快,2000年為冬季最冷年份,溫度-19.63℃,2001—2015年氣溫呈明顯下降趨勢,降溫速率為1.45℃/10 a,大于前20 a增溫速率。21世紀(jì)前后氣溫出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折性變化,使得松花江流域冬季氣溫整體變化速率較小,變化不顯著。Medhaug I等[28]研究認(rèn)為1997年超級厄爾尼諾現(xiàn)象,使得全球大部分地區(qū)從1998年溫度明顯升高,并伴有3 a升溫期,進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫逐漸降低;劉實等[29]研究證實受東亞冬季風(fēng)加強(qiáng)影響,我國東北地區(qū)冬季氣溫于2004年已轉(zhuǎn)入低溫階段;翟獻(xiàn)帥等[30]對東北地區(qū)研究也證實了這一轉(zhuǎn)折性變化;范蘭等[31]對中國近15 a氣溫研究得出我國近期氣溫呈現(xiàn)波動下降趨勢,以上研究均證實了松花江流域冬季氣溫轉(zhuǎn)折性變化。

      嫩江、第二松花江、松花江干流流域多年平均氣溫為3.41℃,4.15℃,3.56℃,年氣候傾向率0.31℃/10 a,0.31℃/10 a,0.29℃/10 a,說明流域內(nèi)部年氣溫變化差異不大。分析3個子流域四季氣溫變化速率(表1),增溫速率為秋季>夏季>春季>冬季,與松花江流域變化情況相同。子流域中,第二松花江流域的夏季、秋季、冬季增溫幅度最大,春季增溫幅度最小;嫩江流域春季最大,冬季最?。凰苫ń闪髁饔蚺c松花江流域四季氣溫變化速率最為接近,第二松花江流域相較其他地區(qū)氣溫偏高。夏季及秋季對松花江流域升溫變化貢獻(xiàn)率較大,容易造成初雪日延后,夏季干旱等區(qū)域氣候變化。

      綜上所述,1979—2015年,松花江流域及3個子流域年、四季平均氣溫出現(xiàn)多次冷暖波動過程,總體呈增溫趨勢,秋季和夏季增溫幅度大于春季和冬季;3個子流域中,嫩江流域與第二松花江流域年增溫速率相同,松花江干流流域略小。松花江流域及3個子流域氣候變化趨勢呈較高同步性,季節(jié)變化特征總體一致,20世紀(jì)70年代末至80年代中期氣溫波動下降,80年代末至90年代中期氣溫顯著增加,21世紀(jì)后呈現(xiàn)下降趨勢。

      表1 松花江及3個子流域平均氣溫變化速率及相關(guān)系數(shù)

      圖2 松花江及3個子流域平均氣溫變化序列

      2.2 氣溫變化突變分析

      圖3為各流域年、四季平均氣溫M-K突變檢驗,由圖3A,B,C,D可見,各流域年平均氣溫經(jīng)歷兩次明顯升溫波動,1979—1983年為短暫增暖趨勢,1984—1987年出現(xiàn)下降趨勢,1988—2008年為明顯增暖期,1993年超過95%信度線,2009—2015年表現(xiàn)為下降趨勢。根據(jù)正序列曲線UF和反序列曲線UB交點位置,確定年平均氣溫存在增暖突變點。2條曲線交點位于臨界線之間,經(jīng)檢驗,1988年為增暖突變點。從1988年開始,松花江及3個子流域年及四季氣溫明顯增暖。自90年代后期開始,增暖趨勢均超過α=0.001顯著性水平(u0.001=2.56)。可以確定,松花江流域全年氣候在20世紀(jì)80年代末期經(jīng)歷了一個相對偏暖的氣候變化。

      由圖3E,F(xiàn),G,H可見,春季與全年變化趨勢相似。1980—1983年表現(xiàn)出短暫增暖趨勢,1984—1988年為下降趨勢;1989—2003年呈增溫趨勢,其中松花江和嫩江流域在2003年超過95%信度檢驗,第二松花江流域1997年超過α=0.05顯著性水平,1998年增溫趨勢超過α=0.001顯著性水平,表明第二松花江流域在20世紀(jì)90年代末期春季升溫趨勢十分顯著;松花江干流流域兩次增溫變化均沒有通過95%信度檢驗,之后各地均呈現(xiàn)降溫趨勢。春季信度線內(nèi)存在多個交點,經(jīng)檢驗,各流域均在1989年發(fā)生增溫性突變,嫩江、第二松花江流域2010年發(fā)生降溫突變。研究確定松花江流域20世紀(jì)90年代春季增溫現(xiàn)象是一個突變現(xiàn)象,這一變化自1989年開始。

      由圖3I,J,K,L可以看出,夏季松花江、嫩江及松花江干流流域在1979—1993年為不顯著降溫趨勢,1994—2015年呈明顯增溫趨勢,超過α=0.001顯著性水平;第二松花江流域在1979—1982年增溫,1983—1987年下降,1988—2008年顯著增溫,2008—2015年氣溫有所回落。松花江、嫩江流域1996年在信度區(qū)間出現(xiàn)增溫突變點;經(jīng)檢驗,第二松花江流域在1987年、松花江干流流域在2001年存在增溫突變點,說明全區(qū)在夏季升溫明顯,但突變時間有所不同。

      由圖3M,N,O,P可見,1979—1987年各流域秋季氣溫變化趨勢平緩,1987年之后表現(xiàn)為明顯增溫趨勢,均超過α=0.001顯著性水平,全區(qū)1988—1989年出現(xiàn)增溫突變點,說明全區(qū)在20世紀(jì)90年代后秋季增溫顯著。

      圖3Q,R,S,T正序列曲線表明,1979—1985年松花江及3個子流域經(jīng)歷一個小幅升溫—降溫趨勢變化,嫩江及第二松花江流域拐點在1981年,松花江及松花江干流流域拐點在1982年。1985—1998年呈明顯增暖趨勢,此次增溫變化3個子流域均超過α=0.001顯著性水平。1998年之后,松花江、嫩江、松花江干流流域出現(xiàn)大幅度快速降溫趨勢,第二松花江流域也呈下降趨勢,但速度趨緩。除第二松花江流域在信度區(qū)間內(nèi)存在一個交點外,其他流域均存在多個交點。經(jīng)檢測,松花江及3個子流域在1986年發(fā)生顯著增暖突變,松花江、嫩江及松花江干流流域在2008—2009年存在降溫突變點。這與宋燕等[32]對于全球80年代之后突變時間研究結(jié)果相似。

      綜上,松花江及3個子流域的年、春季、冬季變化趨勢相似度較高,但四季突變時間存在一定差異。各流域年平均氣溫在1988年發(fā)生增溫性突變,四季平均氣溫在80年代末期以后均出現(xiàn)統(tǒng)計意義上的增溫突變;除第二松花江流域外,其他流域21世紀(jì)初期冬季均發(fā)生降溫突變。這進(jìn)一步證實了前文在年際變化分析中夏季、秋季在90年代以后增溫明顯,冬季在21世紀(jì)以后降溫顯著的論述。

      3 氣候變化區(qū)域差異分析

      圖4為1979—2015年松花江及3個子流域年、四季氣溫變化速率空間分布圖。從變化區(qū)域差異來看,整個松花江流域年平均氣溫上升幅度在0.07~0.51℃/10 a,存在3個高值區(qū),分別是嫩江流域小二溝地區(qū),哈爾濱、綏化、尚志等地,以及第二松花江流域上游的松江、敦化等地。以上地區(qū)升溫速率均通過r=0.01顯著性檢驗,達(dá)到顯著升溫水平。富錦、泰來以及第二松花江流域西南部部分地區(qū)速率偏低,增溫變化不顯著,均未通過r=0.05顯著性檢驗。

      松花江流域春季升溫速率在0.01~0.46℃/10 a,高值區(qū)主要位于嫩江流域小二溝及西部索倫、烏蘭浩特一帶。第二松花江流域南部地區(qū)及松花江干流富錦、明水、鐵力等地變化較小,升溫不顯著。

      夏季松花江流域大部分地區(qū)平均氣溫升溫幅度在0.20℃/10 a以上,北部和西部一帶以及中部哈爾濱地區(qū)是升溫高值區(qū),升溫幅度在0.40℃/10 a以上,其中小二溝地區(qū)最大。伊春、富錦及第二松花江流域清原、臨江等南部大部分地區(qū),升溫速率偏低,增幅在0.11~0.30℃/10 a,變化不顯著。

      秋季升溫速率在0.20~0.70℃/10 a,大部分地區(qū)升溫幅度在0.30℃/10 a以上。與其他季節(jié)相比,秋季升溫趨勢最為明顯,其中小二溝、嫩江、綏化、哈爾濱、松江等地升溫速率較大且超過r=0.01顯著性檢驗。第二松花江南部、松干流域北部及嫩江的博客圖、泰來等地增溫較小,增溫幅度在0.20~0.34℃/10 a。

      圖3 松花江及3個子流域年、四季平均氣溫MK統(tǒng)計量

      圖4 松花江流域年及四季平均氣溫變化速率空間分布

      受21世紀(jì)初期北方氣溫轉(zhuǎn)折性降溫變化影響,冬季各地區(qū)升溫不顯著,有些地區(qū)出現(xiàn)降溫趨勢,全流域氣溫變化速率在-0.35~0.33℃/10 a。哈爾濱、綏化、小二溝及東南部地區(qū)為增溫變化,佳木斯、富錦、索倫、泰來等地呈降溫趨勢。各地均未通過r=0.05顯著性檢驗。

      綜上所述,松花江流域年、四季氣溫變化區(qū)域差異明顯,空間分布不均。小二溝、哈爾濱、敦化、松江等地增溫幅度較大,烏蘭浩特、索倫除冬季外其他季節(jié)升溫幅度也較大。富錦、鶴崗、佳木斯,泰來及西南部地區(qū)增溫幅度最小,且冬季多地出現(xiàn)降溫變化。究其原因,主要因為不同季節(jié)氣溫分布格局是由不同控制機(jī)制決定:冬季氣溫分布格局主要由緯度控制,夏季主要由地形控制[33],另外除區(qū)域氣候自身變化因素外,局地氣溫在自然變暖基礎(chǔ)上,下墊面差異、城市化效應(yīng)和土地利用等諸多條件也是影響氣溫變化的重要因素。

      4 結(jié) 論

      (1) 松花江及3個子流域年、四季平均氣溫總體隨年代發(fā)展呈增溫趨勢,各地平均氣溫自20世紀(jì)80年代末增溫明顯,進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫均有所回落,其中冬季降溫最為顯著。

      (2) 松花江流域及3個子流域多年平均氣溫及年升溫速率相差不大,氣溫變化趨勢總體一致。松花江與松花江干流流域年平均氣溫傾向率為0.29℃/10 a,嫩江及第二松花江流域為0.31℃/10 a,夏季和秋季增溫幅度大于春季和冬季;1979—2015年松花江流域平均氣溫在2.37~5.12℃,多年平均氣溫3.67℃。

      (3) 松花江流域及3個子流域年、四季平均氣溫均發(fā)生突變,其中年平均氣溫在1989年發(fā)生增溫性突變,春季、秋季主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代末,夏季主要發(fā)生在90年代中后期,冬季主要發(fā)生在1986年和21世紀(jì)初期。

      (4) 流域各地氣溫變化速率空間差異較大,其中小二溝、哈爾濱、敦化、松江等地升溫速率較大,富錦、佳木斯、泰來及第二松花江流域西南部分地區(qū)氣溫變化速率偏低。

      (5) 氣候快速變暖會導(dǎo)致極端天氣增加、氣象災(zāi)害頻發(fā),給人類生命和財產(chǎn)安全帶來威脅,因此了解區(qū)域氣候變化形成機(jī)制和影響因素以及如何有效應(yīng)對,將是今后研究的重要內(nèi)容。

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