南岳衡山1975—2015年的氣候變化特征

馬豐豐， 鄧 楠， 宋慶安， 彭 湃， 田育新，李錫泉， 楊 蕊

1.湖南省林業(yè)科學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.湖南慈利森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站， 湖南 慈利 427200 )

目前全球氣候變暖已經(jīng)成為非常明確的事實(shí)，聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)在2013年的報(bào)告中指出，從1950年開始的氣候變化是千年以來(lái)前所未見的，全球2003—2012年比1850—1900年的平均氣溫上升了0.85℃[1]。過(guò)去幾十年里的氣候變化已經(jīng)對(duì)許多物種的分布和物種多樣性產(chǎn)生了非常大的影響[2-4]。極端氣候引發(fā)的自然災(zāi)害越來(lái)越頻繁，而頻繁的自然災(zāi)害極大地影響了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展和未來(lái)的物種多樣性保護(hù)，這些已經(jīng)成為國(guó)際社會(huì)公認(rèn)的問(wèn)題[5-6]。中國(guó)的氣候與全球的氣候一樣發(fā)生著顯著變化，在近百年內(nèi)氣溫增加了0.5～0.8℃，其中近50a內(nèi)溫度增加了1.25℃。與此同時(shí)，全國(guó)的降水呈現(xiàn)減少的趨勢(shì)，尤其是西北部地區(qū)[7-8]。由于我國(guó)地域廣闊，地勢(shì)差異巨大，導(dǎo)致氣候變化存在時(shí)空不同步的現(xiàn)象[9]。我國(guó)氣候變化研究起步較晚，缺少長(zhǎng)期的觀測(cè)數(shù)據(jù)，局部區(qū)域的氣候變化研究相對(duì)缺乏。因此，作者對(duì)衡山地區(qū)氣候變化特征開展研究，以探討其變化規(guī)律，對(duì)其短期氣候預(yù)測(cè)具有重要的實(shí)際意義。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家氣象觀測(cè)站衡山站點(diǎn)所采集的氣象數(shù)據(jù)，由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(http://cdc.cma.gov.cn/home.do)提供。南岳高山氣象站(WMO ID57776)位于衡山第二高峰喜陽(yáng)峰望日臺(tái)，屬國(guó)家二類艱苦臺(tái)站，始建于1937年，其前身為南岳測(cè)候所；1952年，南岳測(cè)候所改建為南岳氣象站；1998年成立南岳區(qū)氣象局，與南岳高山氣象站為兩塊牌子一套人馬開展各項(xiàng)氣象業(yè)務(wù)工作；2013年更名為國(guó)家基準(zhǔn)氣候站。

1.2 研究方法

收集衡山地區(qū)1975—2015年的累年月氣象數(shù)據(jù)，包括月平均氣溫、月最高氣溫、月最低氣溫、月降水量、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速、大氣壓等8個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，計(jì)算其逐年、季平均值，采用5a滑動(dòng)平均距平分析法[10]、氣候傾向率分析法分析其氣候變化特征，結(jié)果的顯著性采用F檢驗(yàn)和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)其置信度[11]。

氣候突變特征分析則先采用Mann-Kendall法檢驗(yàn)，再利用滑動(dòng)T方法對(duì)序列突變點(diǎn)和可能突變點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)，這樣可驗(yàn)證突變點(diǎn)的真?zhèn)危鰪?qiáng)突變分析結(jié)果的可信度[12-13]。此外，基于R語(yǔ)言和Matlab自編程序，采用Morlet小波分析法[13]，分析衡山地區(qū)40a氣候變化的周期性。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候基本特征

衡山地區(qū)的氣候具有緯度地帶性和垂直地帶性相結(jié)合的特點(diǎn)，具有山地氣候效應(yīng)。從衡山地區(qū)的多年氣候變化趨勢(shì)圖(圖1)可以看出：衡山地區(qū)7—9月水熱不同期，存在著明顯的干濕季節(jié)，其中7—8月是一年中的高溫季節(jié)，降水量卻明顯減少，占全年總降水量的23.0%；4—7月的降水量大，占全年總降水量的52.5%。

圖1 衡山地區(qū)1975—2015年月平均氣溫和月平均降水量Fig.1 Monthly average temperature and precipitation of Hengshan Mountain area from 1975 to 2015

2.2 氣候變化趨勢(shì)

2.2.1 氣溫 近百年全球平均氣溫上升了0.6℃，我國(guó)平均氣溫上升了0.4～0.5℃，呈明顯變暖趨勢(shì)[14]。1975—2015年，衡山地區(qū)平均氣溫為17.9℃，從多年變化趨勢(shì)(見圖2)來(lái)看，年均氣溫基本呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)。圖3顯示：40a年均氣溫最高的年份為2013年(19.3℃)，最低的為1984年(16.8℃)；年均氣溫的線性平均增溫率為0.38℃·10-1·a-1。通過(guò)F顯著性檢驗(yàn)和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)，年均氣溫增溫趨勢(shì)通過(guò)了P=0.01顯著性水平檢驗(yàn)，呈顯著增溫趨勢(shì)。40a來(lái)年際平均氣溫一直表現(xiàn)為逐年上升趨勢(shì)，40a 共上升了1.2℃(見表1)。

圖2 1975—2015年衡山地區(qū)年均氣溫距平值逐年變化Fig.2 Annual average temperature change of Hengshan Mountain area from 1975 to 2015

圖3 衡山地區(qū)40 a氣溫及降水量的線性趨勢(shì)Fig.3 Trend of average temperature and precipitation in Hengshan Mountain area during 40 years

由圖3還可以看出，衡山地區(qū)在40a中最低氣溫的線性增溫率達(dá)0.46℃·10-1·a-1，遠(yuǎn)高于年最高氣溫和年均氣溫的增幅，呈現(xiàn)出顯著的非對(duì)稱性特征，表明衡山地區(qū)40a來(lái)氣候變暖主要表現(xiàn)為最低氣溫的升高。在40a中，衡山地區(qū)冬季、夏季均溫具有相同的變化規(guī)律(見圖4)。通過(guò)F顯著性檢驗(yàn)和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)，1975—2015年衡山地區(qū)年均氣溫增溫趨勢(shì)達(dá)到P=0.01顯著性水平，呈顯著增溫趨勢(shì)。

2.2.2 降水量 衡山地區(qū)1975—2015年平均年降水量為1399.5mm，年降水量最高出現(xiàn)在1997年(1898.7mm)，最低出現(xiàn)在2011年(871.0mm)(見圖3)。衡山地區(qū)年降水量多年變化趨勢(shì)結(jié)果(圖5)顯示，年降水量呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。通過(guò)F檢驗(yàn)和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)，年降水量增減趨勢(shì)未通過(guò)P=0.1顯著性水平檢驗(yàn)，說(shuō)明該地區(qū)年降水量差異不顯著。各年際降水量波動(dòng)劇烈，20世紀(jì)70年代中期至2004年，年降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，總體上升72.7mm；2005—2014年，年降水量呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)，總體下降134.1mm(見表1)。

表1 衡山地區(qū)各氣象因子的年際變化Tab.1 Interannual change of meteorological factors in Hengshan Mountain area from 1975 to 2015年份年均氣溫/℃年均降水量/mm年均月日照時(shí)數(shù)/h年均相對(duì)濕度/%年均風(fēng)速/(m·s-1)1975—198417.41 398.5132.680.32.81985—199417.51 383.9131.280.12.51995—200418.21 471.2119.579.71.72005—201418.61 337.1117.173.51.9

圖4 衡山地區(qū)40 a夏季、冬季均溫及降水量的線性趨勢(shì)Fig.4 Trend of average temperature and precipitation in Hengshan Mountain area during 40 years (in summer and winter)

40a來(lái)衡山地區(qū)夏季和冬季的降水量變化結(jié)果(圖4)顯示：夏季、冬季降水量雖具有明顯的波動(dòng)，但均呈現(xiàn)小幅增加趨勢(shì)，經(jīng)F檢驗(yàn)顯示夏季和冬季降水量都屬于小幅不顯著變化；夏季、冬季增加傾向率分別為1.74、5.01mm·10-1·a-1，冬季降水量增加的幅度明顯高于夏季的，說(shuō)明40a來(lái)，該地區(qū)年降水量小幅增加是由冬季降水量增加所致。

2.2.3 其他氣象因子的變化趨勢(shì) 1975—2015年衡山地區(qū)的年均月日照時(shí)數(shù)、年均相對(duì)濕度、年均風(fēng)速、年均大氣壓多年變化趨勢(shì)結(jié)果(圖略)顯示：衡山地區(qū)的年均月日照時(shí)數(shù)、年均相對(duì)濕度、年均風(fēng)速、年均大氣壓等氣候因子的下降趨勢(shì)均明顯，并通過(guò)了P=0.01顯著性水平檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)顯著。

圖5 1975—2015年衡山地區(qū)年降水量距平值逐年變化Fig.5 Annual average precipitation in Hengshan Mountain area from 1975 to 2015

從表1可以看出：衡山地區(qū)的年均月日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)十分明顯，其線性下降傾向率為6.5h·10-1·a-1，1995年以后比之前下降了14.1h。年均相對(duì)濕度平均線性下降率達(dá)到了2%·10-1·a-1，從2005年開始呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)；年均風(fēng)速?gòu)?984年以后呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)，其線性下降率為0.30m·s-1·10-1·a-1；年均大氣壓的線性下降率為0.38Pa·10-1·a-1。

2.3 氣候突變特征

2.3.1 氣溫 分析衡山地區(qū)1975—2015年年均氣溫的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果(圖6)，發(fā)現(xiàn)其正序列曲線UF很大部分超過(guò)0.05顯著性水平的置信度線，表明年均氣溫突變趨勢(shì)顯著，正序列曲線UF和反序列曲線UB有一個(gè)交叉點(diǎn)，在0.05顯著性水平界線范圍內(nèi)，從突變檢驗(yàn)得出衡山地區(qū)年均氣溫的可能突變點(diǎn)為1997年；可能突變的時(shí)間區(qū)間為1999—2015年，對(duì)可能的突變點(diǎn)和時(shí)間區(qū)間做滑動(dòng)T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，年均氣溫在1997年突變顯著性水平達(dá)到0.05，突變顯著，說(shuō)明1997年是衡山地區(qū)年均氣溫的突變點(diǎn)，是年均氣溫逐漸升高的開始。

圖6 衡山地區(qū)年均氣溫突變的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.6 Mann-Kendall test of annual mean temperature mutation in Hengshan Mountain area

2.3.2 降水量 1975—2015年衡山地區(qū)年降水量未通過(guò)Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(見圖7)，雖然其在2000—2001年時(shí)間區(qū)間內(nèi)的突變超過(guò)了0.05顯著性水平的置信度線，但對(duì)該時(shí)間區(qū)間做滑動(dòng)T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示突變不顯著。

圖7 衡山地區(qū)年均降水量突變的Mann-Kendall檢驗(yàn)Fig.7 Mann-Kendall test for the abrupt change of annual average precipitation in Hengshan Mountain area

2.3.3 其他氣象因子 對(duì)1975—2015年衡山地區(qū)的年均月日照時(shí)數(shù)、年均相對(duì)濕度、年均風(fēng)速、年均大氣壓等氣象因子進(jìn)行Mann-Kendall突變檢驗(yàn)，結(jié)果(圖略)表明：上述氣象因子下降趨勢(shì)顯著，都通過(guò)了99%的突變顯著性檢驗(yàn)。其中，年均月日照時(shí)數(shù)存在可能的突變點(diǎn)為1995年，可能突變的時(shí)間區(qū)間為1976—1987年、1998—2015年，對(duì)可能的突變點(diǎn)和時(shí)間區(qū)間做滑動(dòng)T檢驗(yàn)，結(jié)果顯示，1986年突變顯著性水平達(dá)到0.05，突變顯著，為年均月日照時(shí)數(shù)逐漸減少的開始。

年均相對(duì)濕度存在可能的突變點(diǎn)為2010年，可能突變的時(shí)間區(qū)間為2007—2015年，滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果顯示，1992年、2007年突變顯著(P=0.05)，為年均相對(duì)濕度逐漸下降的開始。

年均風(fēng)速存在可能的突變點(diǎn)為1988年，可能突變的時(shí)間區(qū)間為1977—1978、1982—1989年。滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果顯示，1978年、1977年突變顯著(P=0.05)，為年均風(fēng)速逐漸下降的開始。

年均大氣壓可能突變的時(shí)間區(qū)間為1975—1976年、1977—1995年、2004—2015年。滑動(dòng)T檢驗(yàn)結(jié)果顯示，1990年、1987年突變顯著(P=0.05)，為年均大氣壓逐漸下降的開始。

2.3.4 氣候變化的周期性 以年均氣溫、年降水量為例，分析衡山地區(qū)40 a來(lái)氣候變化在不同時(shí)間尺度上的周期性(見圖8、圖9)，圖中信號(hào)的強(qiáng)弱通過(guò)小波系數(shù)的大小來(lái)表示，實(shí)線表示正位相(實(shí)部大于等于0)，虛線表示負(fù)位相(實(shí)部小于0)。

圖8、圖9清晰地顯示了小波變換系數(shù)實(shí)部的波動(dòng)特征，表明衡山地區(qū)在年均氣溫上呈現(xiàn)偏高和偏低交替變化的特征。從圖8可以看出，衡山地區(qū)的年均氣溫在28a左右的時(shí)間尺度波動(dòng)十分明顯，正負(fù)位相交替出現(xiàn)，在整個(gè)時(shí)間尺度上出現(xiàn)了2個(gè)偏高中心和3個(gè)偏低中心，分別為1986、2004年和1977、1995、2014年，在25～31 a尺度上出現(xiàn)了準(zhǔn)2次震蕩。

從圖9可以看出，1975—2015年衡山地區(qū)的年降水量在17～26 a尺度上出現(xiàn)了3次震蕩；1975—1991在7～14 a尺度上出現(xiàn)了準(zhǔn)2次震蕩。

圖8 衡山地區(qū)年均氣溫的Morlet小波分析圖Fig.8 Morlet wavelet analysis of temperature in Hengshan Mountain area

圖9 衡山地區(qū)年降水量的Morlet小波分析圖Fig.9 Morlet wavelet analysis of precipitation in Hengshan Mountain area

3 結(jié)論與討論

衡山地區(qū)1975—2015年氣候基本特征表現(xiàn)為具有山地氣候效應(yīng)，且存在明顯的干濕季節(jié)。全球的氣溫變化程度和規(guī)律各異，衡山地區(qū)在1975—2015年年均氣溫呈現(xiàn)逐年升高的趨勢(shì)，40 a上升了1.2℃,其中2013年的年均氣溫最高，該趨勢(shì)與我國(guó)部分地區(qū)的一致[9-10]。衡山地區(qū)年均氣溫的線性平均增溫率為0.38℃·10-1·a-1，明顯高于全球(0.13℃·10-1·a-1)及全國(guó)(0.22℃·10-1·a-1)同期的增溫率，其增溫趨勢(shì)通過(guò)P=0.01顯著性水平檢驗(yàn)，該地區(qū)是我國(guó)變暖較明顯的區(qū)域之一；同時(shí)，其變暖的趨勢(shì)主要從20世紀(jì)80年代中期開始，與我國(guó)整體增溫趨勢(shì)一致[14]。突變檢驗(yàn)分析表明，1997年是衡山地區(qū)年均氣溫的突變點(diǎn)，是年均氣溫逐漸升高的開始。此外，衡山地區(qū)最低氣溫的線性增溫率達(dá)0.46℃·10-1·a-1，遠(yuǎn)高于年最高氣溫和年均氣溫的增幅，呈現(xiàn)出顯著的非對(duì)稱性特征，說(shuō)明衡山地區(qū)40 a來(lái)氣候變暖主要表現(xiàn)為最低氣溫的升高。

衡山地區(qū)1975—2015年年均降水量為1399.5mm，呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)，F(xiàn)檢驗(yàn)和Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)表明該地區(qū)年降水量差異不顯著，總體趨勢(shì)與全國(guó)同期相似[14]。衡山地區(qū)冬季降水量增加的幅度明顯高于夏季的，說(shuō)明該地區(qū)年降水量小幅增加是由冬季降水量增加所致，與我國(guó)其他地區(qū)的降水量變化趨勢(shì)一致[15-17]，但突變檢驗(yàn)表明衡山地區(qū)的年降水量在2000—2001年時(shí)間區(qū)間突變不顯著。

此外，衡山地區(qū)其他氣象因子如年均月日照時(shí)數(shù)、年均相對(duì)濕度、年均風(fēng)速、年均大氣壓等均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)明顯的特征，且通過(guò)P=0.01顯著性水平檢驗(yàn)，下降趨勢(shì)顯著，同時(shí)突變檢驗(yàn)表明上述氣候因子存在顯著突變年份。小波分析表明衡山地區(qū)在年均氣溫上呈現(xiàn)偏高和偏低交替變化的特征，在整個(gè)時(shí)間尺度上有2個(gè)偏高中心和3個(gè)偏低中心；年降水量在17～26a尺度上出現(xiàn)了3次震蕩。

自然原因和人類活動(dòng)、土地利用變化、熱島效應(yīng)等是近幾十年來(lái)氣候變化的主要原因[18]，對(duì)于區(qū)域氣候變化來(lái)說(shuō)，地形地貌、海拔等是導(dǎo)致區(qū)域氣候變化規(guī)律不一致的因素。衡山地區(qū)地貌與人類活動(dòng)情況復(fù)雜，缺乏土地利用變化等數(shù)據(jù)的積累，因此，關(guān)于該地區(qū)氣候變化的主要影響因素仍有待研究。