河源地區(qū)氣溫變化特征及其與ENSO的關(guān)系

曾欽文，羅瑞婷，曾思亮，殷美祥

(1.廣東省龍川縣氣象局，廣東 龍川　517300 ；2.廣東省清遠(yuǎn)市氣象局，廣東 清遠(yuǎn)　511515；3. 廣東省氣象公共服務(wù)中心，廣東 廣州　510640)

1　引言

近年來(lái),全球氣候變暖不斷加劇，IPCC第5次評(píng)估報(bào)告表明1880—2012 年全球地表均溫約升高0.85℃,呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)。過(guò)去30 a，全球地表增暖幅度居1850年以來(lái)最高水平[1]。此外,大量數(shù)據(jù)與研究結(jié)果表明,最近100余年來(lái)中國(guó)平均氣溫變化與全球平均氣溫變化趨勢(shì)最為相似[2-3]。而這種氣候變化又呈現(xiàn)較顯著的區(qū)域性差異[4]。當(dāng)前,不少學(xué)者對(duì)不同地區(qū)的氣溫變化做了許多研究[5-9]。譚方穎等[10]對(duì)華北平原近幾十年氣候變化作了研究分析，楊明等[11]對(duì)西部地區(qū)的近50a 氣候變化特征進(jìn)行了相關(guān)分析，丁麗佳等[12]對(duì)廣東地區(qū)平均氣溫的時(shí)空變化進(jìn)行了研究，這些研究結(jié)果均表明氣候變化導(dǎo)致不同地區(qū)的熱量資源顯著增加，而其增加又存在明顯地域性差異。河源地處廣東東北部、東江中上游，屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，旱澇災(zāi)害頻發(fā)[13-15]，本文將利用1960—2016 年河源地區(qū)氣溫等氣象觀測(cè)資料與對(duì)應(yīng)年份的ENSO事件資料，分析河源地區(qū)近57 a來(lái)的氣溫變化特征，以及ENSO事件對(duì)河源地區(qū)氣溫的影響，旨在為河源地區(qū)氣候預(yù)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

2　研究資料和方法

本研究所用的資料主要有河源地區(qū)的東源、紫金、龍川、和平、連平5個(gè)國(guó)家氣象站1960年1月—2017年2月的逐月氣溫?cái)?shù)據(jù)以及NOAA(美國(guó)海洋和氣象管理局)海溫?cái)?shù)據(jù)，其中河源地區(qū)區(qū)域月、年的氣溫采用算術(shù)平均的方法，即計(jì)算河源地區(qū)5個(gè)氣象站逐月、年平均氣溫取算術(shù)平均值來(lái)代表區(qū)域月、年平均氣溫[16]，本文所有涉及的氣溫均為區(qū)域氣溫。四季劃分則按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)劃分。

本研究還將利用線(xiàn)性?xún)A向、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法，同時(shí)，結(jié)合小波分析方法，分析河源地區(qū)1960—2016年氣溫變化特征，嘗試探討河源地區(qū)氣溫與ENSO事件之間的相關(guān)關(guān)系。

3　氣溫變化特征分析

3.1　氣溫的空間特征

由表1 可知，河源地區(qū)5個(gè)氣象站近57a年平均氣溫為20.8 ℃。其中，中南部的東源、紫金的年均溫相對(duì)較高，分別為21.8 ℃、21.0 ℃，而龍川站點(diǎn)位于河源的中部地區(qū)，年平均氣溫跟紫金則持平，為21.0 ℃；北部地區(qū)的和平、連平的年均溫相對(duì)較低，分別為19.9 ℃、20.3 ℃；而年平均最低氣溫也出現(xiàn)在北部的和平站，為19.0 ℃，年平均最高氣溫則出現(xiàn)在河源中部地區(qū)的東源站，為22.8 ℃。

表1　1960—2016 年河源地區(qū)5站氣溫要素基本統(tǒng)計(jì)特征量(單位：℃)Tab.1　The basic statistical characteristics of temperature factors at 5 stations in Heyuan area in 1960—2016 years (unit:℃)

3.2　年、季氣溫變化特征

根據(jù)四季氣溫變化趨勢(shì)可知(圖1)，近57 a河源地區(qū)的四季氣溫均呈遞增趨勢(shì)，其中，春季氣溫隨時(shí)間序列以0.083 ℃/10 a的速率遞增(圖1a)，其相關(guān)系數(shù)為0.178，不能通過(guò)相關(guān)性0.05的顯著檢驗(yàn)；夏(圖1b)、秋(圖1c)、冬(圖1d)季氣溫氣候傾向率分別為0.143 ℃/10 a、0.248 ℃/10 a、0.274 ℃/10 a，相關(guān)系數(shù)分別為0.584、0.596、0.396，均通過(guò)了相關(guān)性0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明河源地區(qū)夏、秋、冬季氣溫上升趨勢(shì)顯著。5 a滑動(dòng)平均表明，近57 a河源地區(qū)四季氣溫變化均呈波動(dòng)性增—減相間的態(tài)勢(shì)，且有明顯的階段性上升特點(diǎn)。

從年平均氣溫趨勢(shì)分析(圖1e)可知，近57 a年河源地區(qū)年平均氣溫隨時(shí)間序列以0.172 ℃/10 a速率遞增，其相關(guān)系數(shù)為0.640，通過(guò)了相關(guān)性為0.01的顯著性檢驗(yàn)，表明河源地區(qū)年平均氣溫上升趨勢(shì)明顯。5 a滑動(dòng)平均表明，河源地區(qū)年平均氣溫大致分為3個(gè)變化階段：其中20世紀(jì)60—70年代初氣溫大致呈略降趨勢(shì)、70年代中期—21世紀(jì)初則呈現(xiàn)整體大幅度上升的特點(diǎn)、21世紀(jì)初—2012年又呈下降趨勢(shì)，2012年至今則呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

3.3　年、季氣溫突變分析

河源地區(qū)年、四季平均氣溫——K突變檢驗(yàn)(圖2)可知，近57 a河源地區(qū)氣溫在20 世紀(jì)80 年代中后期—90 年末期發(fā)生1次較為明顯的由冷到暖的突變，這與全國(guó)乃至全球范圍氣候變暖的大背景相一致[17]。其中，春季(圖2a)UF曲線(xiàn)在1997年之前總體呈下降升趨勢(shì)，1997年之后成上升趨勢(shì)，且UF和UB曲線(xiàn)出現(xiàn)多個(gè)突變點(diǎn)，經(jīng)過(guò)滑動(dòng)t檢驗(yàn)表明，1998年為真正突變點(diǎn)，但UF曲線(xiàn)沒(méi)有超過(guò)α=0.05顯著性水平檢驗(yàn)，說(shuō)明升高趨勢(shì)不明顯；夏季(圖2b)UF曲線(xiàn)總體呈上升趨勢(shì)，UF和UB曲線(xiàn)在1987年相交，UF曲線(xiàn)在1988年超過(guò)α=0.05顯著性水平，表明夏季氣溫在1987年開(kāi)始突變，1988年后氣溫升高幅度增大；秋季(圖2c)UF曲線(xiàn)則1980年前呈下降趨勢(shì)，之后總體呈上升趨勢(shì)，且UF和UB曲線(xiàn)在1996年相交，UF曲線(xiàn)在1999年超過(guò)α=0.05顯著性水平，表明秋季氣溫在1996年開(kāi)始突變，1999年后升高幅度增大；冬季(圖2d)UF曲線(xiàn)總體呈上升趨勢(shì)，UF和UB曲線(xiàn)在1987年相交，UF曲線(xiàn)在1999年超過(guò)α=0.05顯著性水平，表明冬季氣溫在1987年開(kāi)始突變，1999年后氣溫升高幅度增大；年平均氣溫(圖2e)UF曲線(xiàn)總體呈上升趨勢(shì)，UF和UB曲線(xiàn)在1991年相交，UF曲線(xiàn)在1997年超過(guò)α=0.05顯著性水平，年平均氣溫在1991年開(kāi)始突變，1997年后氣溫升高幅度增大。

圖1　1960—2016 年河源地區(qū)季、年平均氣溫變化特征Fig.1　The characteristics of the seasonal and annual mean temperature changes in Heyuan area in 1960—2016 years

圖2　1960—2016年河源地區(qū)年、季氣溫的M-K突變檢驗(yàn)Fig.2　Mann-Kendall mutation test of annual and seasonal temperature in Heyuan area in 1960—2016 years

3.4　年氣溫小波分析

根據(jù)河源地區(qū)1960—2016年的年平均氣溫做Morlet 小波變換，得到的小波系數(shù)實(shí)部等值線(xiàn)分布圖(圖3a)，由圖可知，近57 a河源地區(qū)年平均氣溫變化過(guò)程中存在著5～6、14～15以及24 a的周期變化規(guī)律，其中5～6 a的振蕩變化具有全域性的變化特征，根據(jù)對(duì)應(yīng)的小波方差(圖3b)可知，5～6 a為氣溫變化的第1主周期、14～15 a為第2主周期、24 a為第3主周期。

圖3　1960—2016年河源地區(qū)年平均氣溫Morlet小波分析(a)、小波方差(b)Fig.3　Morlet wavelet analysis(A)and wavelet variance(B) of annual average temperature in Heyuan area in 1960—2016 years

4　氣溫與ENSO事件相關(guān)分析

4.1　ENSO事件的判定與強(qiáng)度劃分

本研究還將結(jié)合李曉燕等[19]對(duì)ENSO事件的指標(biāo)劃分，把 ENSO 事件強(qiáng)度劃分為不同等級(jí)，其中將El Nio事件年強(qiáng)弱程度劃分為：極強(qiáng)、強(qiáng)(3)、中等(2)、弱、極弱(1)；La Nia事件年劃分為：極強(qiáng)、強(qiáng)(-3)、中等(-2)、弱、極弱(-1)；非ENSO事件年則劃分為正常年(0)。

4.2　氣溫與ENSO事件的相關(guān)性

通過(guò)對(duì)河源地區(qū)氣溫與ENSO事件強(qiáng)度變化對(duì)比(圖4)可知，在氣溫偏低的20世紀(jì)60—80年代末期之間發(fā)生的El Nio事件年，雖大部分年平均溫在平均值以下，但仍比正常年分略有偏高；在氣溫偏高的90年代初至今發(fā)生的El Nio事件年中，大部分仍比正常年份偏高為主。尤其是對(duì)1998年、2002年、2009年和2015—2016年氣溫的增加非常顯著，在這5個(gè)El Nio事件年，年平均氣溫距平均達(dá)到較高值，其中歷史極值則出現(xiàn)在1997年(El Nio年)后的1998年。而La Nia事件年，河源地區(qū)的氣溫明顯偏低，并且降溫趨勢(shì)明顯，尤以1976年和1984年氣溫的降低明顯，距平值達(dá)到了歷史較低值，且歷史極值則出現(xiàn)在1975年(La Nia年)后的1976年。因此說(shuō)明，ENSO事件對(duì)河源地區(qū)的溫度影響最明顯是在次年。

圖4　1960—2016年河源地區(qū)年平均氣溫變化與ENSO事件強(qiáng)度對(duì)比分析Fig.4　Comparison and analysis of annual average temperature change and ENSO event intensity in Heyuan area in 1960—2016 years

4.3　ENSO事件對(duì)氣溫的滯后性

根據(jù)4.1結(jié)論可知ENSO事件對(duì)氣溫的影響存在滯后性，為了進(jìn)一步檢驗(yàn)氣溫異常和ENSO事件的最大相關(guān)不同步，而是滯后一段時(shí)間才與ENSO 事件達(dá)到最大相關(guān),本文分El Nio 和La Nia兩類(lèi)海溫異常事件與之對(duì)應(yīng)的同期海溫距平以及滯后1～6 個(gè)月的月平均氣溫資料，利用SPSS19數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行相關(guān)性分析(表2)，研究ENSO事件對(duì)河源地區(qū)氣溫的滯后性影響。

表2　ENSO事件與河源地區(qū)同期及滯后1～6 個(gè)月氣溫相關(guān)分析Tab.2　Correlation analysis of ENSO events with air temperature and 6-month temperature lag in Heyuan area

注：*表示相關(guān)系數(shù)通過(guò)95%置信水平檢驗(yàn)，**表示相關(guān)系數(shù)通過(guò)99%的置信水平檢驗(yàn)。

Note： * indicates that the correlation coefficient passes the 95% confidence level test, ** indicates that the correlation coefficient passes the 99% confidence level test.

5　小結(jié)

①近57a河源地區(qū)年平均氣溫和四季平均氣溫均呈遞增趨勢(shì)，且年平均氣溫與夏、秋、冬季氣溫上升趨勢(shì)顯著，春季氣溫上升趨勢(shì)不明顯。

②通過(guò)M-K突變檢驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，近57a河源地區(qū)氣溫在20 世紀(jì)80 年代中后期—90 年代末發(fā)生1次較為明顯的由冷到暖的突變。其中，年平均氣溫在1991年發(fā)生突變，春季氣溫在1998年發(fā)生突變，夏季氣溫在1987年發(fā)生突變，秋季氣溫在1996年發(fā)生突變，冬季氣溫突變發(fā)生在1987年。

③小波分析表明，近57a河源地區(qū)年平均氣溫變化存在5～6、14～15及24 a的周期變化規(guī)律。

⑤通過(guò)相關(guān)性檢驗(yàn)表明，ENSO事件對(duì)氣溫的影響存在滯后性。河源的氣溫對(duì)El Nio和La Nia事件均需要滯后1月相應(yīng)才逐漸顯著。