貴陽市近70年氣候突變檢測及變化趨勢分析

于海英，陳淑伶，楊莉琳，戴婧婧， 鄭燕飛，梁 琍，邱 嵐

1. 銅仁學(xué)院 貴州省梵凈山地區(qū)生物多樣性保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2. 河北省香河縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北 香河 065400

氣候變化是當(dāng)今世界各國政府和科學(xué)界廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)話題，對人類生存和發(fā)展有著深刻的影響．貴州省位于青藏高原東斜坡，境內(nèi)地勢西高東低，地貌多為山地和丘陵．由于地處亞熱帶低緯高原地區(qū)，氣候復(fù)雜多變，災(zāi)害頻繁，加之喀斯特石漠化環(huán)境土壤理化性質(zhì)的變化和人為因素的影響，屬于受氣候影響較大的生態(tài)脆弱區(qū)[1]．同時，貴州省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自然條件較差、基礎(chǔ)設(shè)施落后，糧食產(chǎn)量不高，加之氣溫、降水量等氣候因素變化對農(nóng)作物物候和產(chǎn)量的影響，使貴州省糧食生產(chǎn)面臨著種種不確定因素的沖擊[2]．因此，研究貴州省的氣候變化特征對其生態(tài)環(huán)境保護(hù)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展有重要的意義．

1880-2012年，全球平均溫度升高了0.85 ℃(0.65～1.06 ℃)，其中，1983-2012年可能是北半球近1 400年來氣溫最高的30年[3]．而近百年來(1909-2011年)我國陸地平均增溫速率則高于全球平均值，達(dá)0.9～1.5 ℃[4]，但國內(nèi)氣候變化存在顯著的區(qū)域差異．在整體增溫的背景下，我國出現(xiàn)了一個以四川盆地為中心的變冷區(qū)，并延伸到了陜西南部、云南和貴州地區(qū)[5]．對貴州省的研究發(fā)現(xiàn)，貴州近幾十年的年平均氣溫呈上升趨勢[6-7]，1960-2016年間氣溫的變化速率為每十年上升0.13 ℃[6]．但貴陽市的氣溫卻表現(xiàn)出下降態(tài)勢，1981-2010年間，年均氣溫變化速率為每年降低0.10 ℃[7]．也有學(xué)者指出1951-2010年間貴陽年平均氣溫呈微弱下降趨勢，而2001-2010年平均氣溫則下降顯著[8]．不過對2000年前氣溫的研究則發(fā)現(xiàn)貴陽市處于一定的升溫狀態(tài)： 1921-1999年間，貴陽市冬春季處于增暖期，夏秋季處于變冷期，全年處于增暖期[9]；1961-2000年間，貴陽氣溫有上升趨勢，但是上升幅度較小[10]．

可見，針對貴陽市氣候變化的研究因?yàn)檠芯康姆椒ㄅc時段不同，結(jié)論不太一致．同時，由于貴陽氣象站在2000年遷站，氣象要素可能存在非均一性問題．因此為了檢驗(yàn)貴陽市是否在變冷及其最新的氣候變化情況，本文分析了貴陽市在1951-2019年的氣溫、日照時數(shù)、降水量及有效降水日數(shù)等氣象因素的突變情況及變化趨勢，以期為其他研究者及農(nóng)林等行業(yè)的生產(chǎn)實(shí)踐者提供一定的參考．

1 研究概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

貴陽市位于貴州省中部，地處東經(jīng)106°07′至107°17′，北緯26°11′至26°55′之間．貴陽是典型的喀斯特山地城市[11]，地貌為以山地、丘陵為主的丘原盆地，海拔1 100 m左右．常年受西風(fēng)帶控制，屬于亞熱帶濕潤溫和型氣候，年均氣溫為15.3 ℃，年均降雨量1 200 mm左右．貴陽夏季平均氣溫為23 ℃，是國內(nèi)著名的避暑勝地．

1.2 數(shù)據(jù)及處理

本研究采用的氣候資料為1951-2019年貴陽市氣候月值數(shù)據(jù)，來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心．貴陽氣象站于2000年1月1日由市區(qū)(新華路)遷至郊區(qū)(扶風(fēng)東路)，導(dǎo)致原始資料存在不均一性[12-13]．因此，研究所用數(shù)據(jù)來源于兩個數(shù)據(jù)集，一個是中國近50年均一化歷史氣溫數(shù)據(jù)集(1951-2004年)，另一個是中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集(1951年至今)．為形成均一化的氣溫數(shù)據(jù)，1951-2004年的氣溫資料取自前一數(shù)據(jù)集，2005-2019年的氣溫資料取自后一數(shù)據(jù)集，其他氣象要素均取自第一個數(shù)據(jù)集．氣象要素包括平均氣溫(℃)、平均最高氣溫(℃)、平均最低氣溫(℃)、20：00-20：00降水量(mm)、日照時數(shù)(h)、日降水量≥0.1 mm日數(shù)(即有效降水日數(shù))．將數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并統(tǒng)一格式后，計算其年值及各季節(jié)的值，春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為1-2月．

1.3 研究方法

由于突變點(diǎn)的出現(xiàn)會對變化趨勢分析產(chǎn)生顯著影響[14]，因此我們首先進(jìn)行突變檢測分析再進(jìn)行變化趨勢分析．本文采用Pettitt檢驗(yàn)方法，此方法基于Mann-Whitney統(tǒng)計，利用符合秩和序列來檢測一個時間序列中均值是否在某個點(diǎn)發(fā)生突變[15]．其計算統(tǒng)計量Ut，n的公式如下：

(1)

若存在t時刻滿足

(2)

則t點(diǎn)處為突變點(diǎn)，計算顯著性

如果p≤0.05，則認(rèn)為檢測出的突變點(diǎn)具有統(tǒng)計學(xué)意義[16]．Pettitt檢驗(yàn)的主要優(yōu)點(diǎn)是對異常值和偏態(tài)分布不太敏感，并且可以計算檢驗(yàn)的顯著性[17]，已成功地應(yīng)用在很多前人的研究中[18-19]．本文在R語言軟件中應(yīng)用“trend”程序包中的“pettitt.test”函數(shù)進(jìn)行突變點(diǎn)檢驗(yàn)分析．

對于出現(xiàn)突變點(diǎn)的氣象要素，我們分別分析突變點(diǎn)前后兩個階段的變化趨勢；對沒有出現(xiàn)突變點(diǎn)的要素，我們對其在整個研究時段內(nèi)的變化趨勢進(jìn)行分析．變化趨勢分析利用最小二乘法建立氣象要素和年代之間的線性回歸．最后計算各氣象要素之間的相關(guān)系數(shù)，以便進(jìn)一步了解氣象要素之間的關(guān)聯(lián)及引起氣象要素變化的原因．

2 結(jié)果與分析

2.1 貴陽市氣溫的變化特征

從表1和圖1可以看出貴陽市的平均氣溫和平均最低氣溫在1951-2019年間發(fā)生了突變，除了冬季氣溫外，其他氣溫突變點(diǎn)都發(fā)生在20世紀(jì)90年代早中期，而平均最高氣溫則沒有發(fā)生突變．年平均氣溫和年平均最低氣溫分別在1996年和1993年出現(xiàn)了顯著突變(p<0.001)，氣溫均值顯著上升，分別為從13.60 ℃增至14.54 ℃(上升0.94 ℃)和從10.59 ℃升至11.62 ℃(上升1.03 ℃)．春夏秋冬4個季節(jié)的平均氣溫突變時間分別在1996年(p<0.001)、1997年(p<0.001)、1997年(p<0.001)和1985年(p<0.05)；氣溫均值分別從突變前的13.90 ℃，21.39 ℃，14.51 ℃和4.40 ℃，升至突變后的14.91 ℃，22.25 ℃，15.63 ℃和5.31 ℃，分別升溫1.01 ℃，0.87 ℃，1.12 ℃和0.91 ℃．春秋兩季的平均氣溫增溫幅度比冬夏兩季更高．4個季節(jié)的平均最低氣溫突變時間則分別在1996年、1992年、1993年和1985年(p<0.001)；氣溫均值分別從突變前的10.58 ℃，18.33 ℃，11.50 ℃和1.64 ℃，升至突變后的11.70 ℃，19.18 ℃，12.64 ℃和2.80 ℃，分別升溫1.11 ℃，0.86 ℃，1.14 ℃和1.16 ℃．春、秋、冬3季的平均最低氣溫增溫幅度跟夏季相比較高．

表1顯示了氣溫要素在各階段的變化趨勢．對于出現(xiàn)突變點(diǎn)的氣溫要素，分別分析了其在突變點(diǎn)前后的變化趨勢．年平均氣溫在1996年突變前沒有顯著的變化趨勢，但在1996年后以每年以0.044 ℃的速度上升(p<0.01)．年平均最低氣溫在1993年突變前后都出現(xiàn)了顯著的增加趨勢，突變前的增長速率為每年0.011 ℃(p<0.05)，突變后的增長速率為每年0.056 ℃(p<0.001)，可見年平均最低氣溫在突變點(diǎn)之后以更快的速度升高．春夏秋冬4個季節(jié)的平均氣溫和平均最低氣溫在突變點(diǎn)前都沒有顯著變化．春夏兩季的平均氣溫在突變點(diǎn)后顯著上升，平均每年分別增溫0.073 ℃(p<0.01)和0.053 ℃(p<0.001)．秋冬兩季的平均氣溫在突變點(diǎn)之后沒有顯著變化．春、夏、秋3季的平均最低氣溫在突變點(diǎn)后顯著增加，增溫率分別為每年0.087 ℃，0.054 ℃和0.063 ℃(p<0.001)．冬季的平均最低氣溫則在突變時間之后沒有顯著變化．

表1 1951-2019年貴陽市平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和平均氣溫日較差的突變點(diǎn)

對于沒有出現(xiàn)突變點(diǎn)的氣溫要素，分析了其在整個研究期內(nèi)的變化趨勢．年平均最高氣溫和夏季平均最高氣溫在近70年里都表現(xiàn)出顯著的下降趨勢，降幅分別為每年0.008 ℃(p<0.05)和0.014 ℃(p<0.01)．而春、秋、冬3季的平均最高氣溫則在整個研究期內(nèi)沒有顯著變化．可見年平均最高氣溫的下降主要是由夏季平均最高氣溫的下降所致．

平均最高氣溫下降和平均最低氣溫上升導(dǎo)致的結(jié)果是氣溫日較差的減?。虼耍狙芯繉鉁厝蛰^差也做了突變檢驗(yàn)和趨勢分析．從表1可以看出，無論是年平均還是春夏秋冬4個季節(jié)的平均氣溫日較差都在過去70年里發(fā)生了突變，突變點(diǎn)集中在20世紀(jì)70年代末至90年代初．年平均氣溫日較差在1979年出現(xiàn)顯著突變(p<0.001)，日較差均值在突變點(diǎn)后顯著減小，從8.99 ℃降至7.79 ℃(減小1.2 ℃)．春夏秋冬4個季節(jié)的平均氣溫日較差突變時間分別在1983年、1992年、1980年和1979年(p<0.001)；氣溫日較差均值則分別從突變前的9.98 ℃，9.11 ℃，8.36 ℃和8.23 ℃，降低至突變后的8.63 ℃，7.84 ℃，7.48 ℃和6.82 ℃，分別減小1.35 ℃，1.27 ℃，0.88 ℃和1.41 ℃．對于變化趨勢來說，除了秋冬季節(jié)在突變前沒有顯著變化之外，其他時間段的平均氣溫日較差都呈顯著下降趨勢，下降速度為每年0.026～0.050 ℃．年平均氣溫日較差在1979年前以每年0.031 ℃(p<0.05)的速度減小，在1979年后以每年0.038 ℃(p<0.001)的速度減?。傮w來說，平均氣溫日較差都在突變后以更快的速度減?。?/p>

2.2 貴陽市日照的變化特征

對于日照時數(shù)來說，無論是年值還是4個季節(jié)的值，其突變點(diǎn)都在20世紀(jì)80年代早中期： 年值在1982年，冬季在1980年，秋季在1981年，春季在1984年，夏季在1986年(p<0.001)．表2顯示了突變前后的變化．總的來說，突變后的日照時數(shù)跟突變前相比都顯著減少了．突變前的年日照時數(shù)平均值為1 369.20 h，突變后為1 026.70 h，降幅為突變前的25.01%．各季節(jié)的日照時數(shù)在突變點(diǎn)前后的均值變化分別是： 春季日照時數(shù)從358.25 h減少到264.94 h，降幅為26.05%；夏季日照時數(shù)從503.89 h減少到355.74 h，降幅為29.40%；秋季日照時數(shù)從323.12 h減少到257.13 h，降幅為20.42%；冬季日照時數(shù)則從181.51 h減少到135.97 h，降幅為25.09%．由上可知，在1951至2019年間，貴陽市的日照時數(shù)在突變時間(20世紀(jì)80年代早中期)都出現(xiàn)了顯著的降低，其中夏季下降得最多(圖1、表2)．

僅列出了各氣象要素年值的突變檢驗(yàn)統(tǒng)計值；黑色箭頭代表發(fā)生突變的年份，黑色點(diǎn)線代表顯著水平為5%，黑色點(diǎn)劃線代表顯著水平為1%．圖1 1951-2019年貴陽市氣象要素突變檢驗(yàn)的Pettitt統(tǒng)計值

從突變時間前后的變化趨勢來看，貴陽市年日照時數(shù)總體上呈減少的趨勢．年日照時數(shù)在1982年前的變化速率為每年減少6.65 h(p<0.05)，在1982年后的變化速率為每年減少3.93 h(p<0.05)，變化速率在1982年后減?。酥?，夏季日照時數(shù)在1986年以后顯著減少，每年減少2.32 h(p<0.05)．其他季節(jié)的日照時數(shù)在突變點(diǎn)前后變化不顯著．

2.3 貴陽市降水的變化特征

貴陽市的年降水量和春夏秋冬4季的降水量沒有出現(xiàn)顯著的突變點(diǎn)．不同的是，年有效降水日數(shù)和夏秋兩季的有效降水日數(shù)在20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了突變點(diǎn)．年總有效降水日數(shù)的顯著突變點(diǎn)發(fā)生在1986年前后(p<0.01)，由之前的178.49 d減少為167.18 d，降幅為6.34%．夏季和秋季的有效降水日數(shù)則分別在1981年和1988年發(fā)生了突變(p<0.05)，夏季由突變前的48.67 d減少到44.26 d(降幅為9.06%)，秋季由突變前的42.27 d減少到36.44 d(降幅為13.80%)．降水量變化趨勢不顯著．年有效降水日數(shù)在突變點(diǎn)1986年后以每年0.92 d(p<0.001)的速度增加．夏秋季節(jié)在突變前后的時段內(nèi)變化趨勢不顯著．春季與冬季的有效降水日數(shù)也在整個研究時段內(nèi)沒有顯著變化(表2)．

表2 1951-2019年貴陽市日照時數(shù)、降水量和有效降水日數(shù)的突變點(diǎn)

2.4 各氣象要素之間的關(guān)聯(lián)

研究結(jié)果看出，年平均氣溫與年平均最高氣溫、最低氣溫呈顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)分別為0.44和0.92(p<0.01)．可見年平均氣溫與年平均最低氣溫的相關(guān)度非常高，而與年平均最高氣溫的相關(guān)度較低．從之前的結(jié)果也看到年平均氣溫與年平均最低氣溫兩者的突變時間非常接近，且年平均最高氣溫在研究期內(nèi)呈下降趨勢，與年平均氣溫的趨勢截然相反．由此推斷近70年間年平均氣溫的升高主要由年平均最低氣溫的升高帶動．年平均氣溫、年平均最低氣溫與年總?cè)照諘r數(shù)呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.33和-0.48(p<0.01)，而年平均最高氣溫、年平均氣溫日較差與年總?cè)照諘r數(shù)呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.41和0.71(p<0.01)，日照時數(shù)的突變點(diǎn)與平均氣溫日較差的突變點(diǎn)都集中在20世紀(jì)80年代且非常接近．由此推斷研究期內(nèi)日照時數(shù)的不斷下降是導(dǎo)致平均最高氣溫下降、平均最低氣溫上升和氣溫日較差加大的重要因素(表3)．

表3 貴陽市各氣象要素之間的相關(guān)系數(shù)

3 結(jié)論和討論

3.1 結(jié) 論

1951-2019年，貴陽市的氣候變化特征如下：

(1) 年平均氣溫和年平均最低氣溫在近70年總體呈上升趨勢，而年平均最高氣溫呈下降趨勢．年平均氣溫和年平均最低氣溫分別在1996年和1993年發(fā)生突變．年平均氣溫在1996年前沒有顯著變化，而在1996年后顯著上升，每年增加0.044 ℃．年平均最低氣溫在1993年前后都顯著上升，1993年后上升更加急劇，每年增加0.056 ℃．年平均最高氣溫在70年中沒有發(fā)生突變．年平均氣溫日較差的突變點(diǎn)發(fā)生在1979年，突變點(diǎn)后顯著降低，在突變前后的時段內(nèi)均呈下降趨勢．

(2) 日照時數(shù)在近70年間整體呈減少趨勢．年總?cè)照諘r數(shù)和各季節(jié)的總?cè)照諘r數(shù)均發(fā)生了突變，突變點(diǎn)集中在20世紀(jì)80年代早中期，且突變的結(jié)果都是日照時數(shù)減少．在突變點(diǎn)前后的時段里，年日照時數(shù)也呈減少趨勢．

(3) 降水在近70年間沒有發(fā)生顯著變化．年度及夏、秋兩季的有效降水日數(shù)在20世紀(jì)80年代發(fā)生突變，并在突變點(diǎn)之后呈顯著減少趨勢．

(4) 年平均氣溫的升高主要是受年平均最低氣溫升高的影響．同時年平均最高氣溫的降低和年平均最低氣溫的顯著升高導(dǎo)致了年平均氣溫日較差的顯著減小，這與日照時數(shù)的減少密切相關(guān)．

3.2 討 論

1951-2019年，貴陽市年平均氣溫整體呈上升趨勢，這與近年來發(fā)現(xiàn)貴陽變冷的研究結(jié)果不同[7-8，20]，其主要原因是貴陽氣象站自2000年遷站后，氣溫觀測值比遷站前低約1.4 ℃[12]．本研究采用訂正后的氣象數(shù)據(jù)，避免了因遷站產(chǎn)生的溫度不一致問題．有學(xué)者采用同一數(shù)據(jù)集進(jìn)行物候研究也發(fā)現(xiàn)貴陽呈增溫趨勢[21]．此外，貴陽市的氣溫變化趨勢與貴州省相同，氣溫的突變時間也接近(分別為1996和2001年)[6]．貴陽市的年平均氣溫在發(fā)生突變后，以非常快的幅度(每年0.044 ℃)上升．IPCC報告北半球21世紀(jì)第一個十年是最為溫暖[3]，貴州省的總體情況與之相同[6]，本文對貴陽市的研究結(jié)論與兩者一致．在突變點(diǎn)以前，貴陽市的年平均氣溫則沒有顯著變化，這與前人對貴陽市2000年前氣溫的研究結(jié)論相近[10]．

本研究中，貴陽市的年平均氣溫上升主要由年平均最低氣溫的快速上升帶動，而年平均最高氣溫則在研究期內(nèi)顯著下降，這就導(dǎo)致了年平均氣溫日較差的下降．前人的研究證明氣溫日較差在全球范圍內(nèi)普遍下降[22-23]，在過去幾十年里，我國氣溫日較差整體上也呈逐漸減小的趨勢[24-25]，其原因主要是平均最低氣溫的增幅明顯大于平均最高氣溫．年平均最低氣溫在全國基本上都呈明顯的變暖趨勢，而平均最高氣溫卻在東經(jīng)95°以東和黃河以南地區(qū)呈降溫趨勢[24]，貴陽市屬于此平均最高氣溫下降的地區(qū)．

氣溶膠和云量是影響日較差的主要因素[26]，但研究發(fā)現(xiàn)中國的總云量呈下降趨勢[26-27]，因此氣溶膠可能是引起中國氣溫日較差降低的主要原因，特別是硫酸鹽氣溶膠的存在會使最高氣溫降低，且這種降溫作用在夏季最顯著[28]，這可能是貴陽市夏季最高氣溫顯著降低的原因．此外，本研究發(fā)現(xiàn)貴陽市日照時數(shù)呈下降趨勢，且突變時間在20世紀(jì)80年代早中期，這與其他對貴陽所在地區(qū)的研究一致[5，7，29]．貴陽市氣溫日較差與日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)，因此氣溫日較差的降低與日照時數(shù)的減少關(guān)系密切，而日照的減少很可能是由氣溶膠的增加引起的[26，30]．白天氣溶膠通過散射和吸收太陽輻射等使最高氣溫下降，而夜間通過長波輻射使最低氣溫上升，從而使氣溫日較差減小[31-32]．此外，土地利用與覆蓋變化[33]、云量、土壤濕度、降水和相對濕度等因素都會對氣溫日較差產(chǎn)生影響[34]．引起貴陽市氣溫日較差減小的具體原因還有待進(jìn)一步研究．

從農(nóng)林及生態(tài)環(huán)境的角度來說，最高和最低氣溫對植物的作用機(jī)制不同，其不同的變化速率及由此引起的氣溫日較差的變化必然會對植物生長和碳匯產(chǎn)生重要的影響．目前，相關(guān)研究多采用平均氣溫，對最高和最低溫度的變化差異及帶來的影響還沒有足夠的關(guān)注，這可能會使研究人員關(guān)于氣候?qū)χ参锛吧鷳B(tài)系統(tǒng)的影響機(jī)制及未來預(yù)測產(chǎn)生偏差．因此，建議在未來的研究中考慮最高及最低氣溫的變化差異，將其納入生態(tài)及地球系統(tǒng)等模型中，為應(yīng)對和減緩氣候變化對我國的影響提供支撐，這對貴州這樣的喀斯特生態(tài)脆弱區(qū)尤其重要．本研究的不足之處是進(jìn)行突變檢測時只用了Pettitt檢驗(yàn)一種方法，如果運(yùn)用多種方法同時進(jìn)行比較印證會使結(jié)果更加準(zhǔn)確和可靠，需要在以后的研究中加以改進(jìn)．