1980—2021年廉江市氣溫與降水的氣候特征

劉付永在，吳杰，馮明亮，司徒仕堯

（廉江市氣象局，廣東 廉江 524400）

IPCC第六次評(píng)估報(bào)告指出，2011—2020年全球地表溫度比1850—1900年（工業(yè)化前）高1.09℃，在全球變暖的背景下，氣溫和降水極端事件逐漸增多，高溫和暴雨事件持續(xù)增加，但不同區(qū)域?qū)θ驓夂蜃兓拿舾行圆煌?-3］。廉江市位于廣東省西南部，處于對(duì)全球氣候變化敏感的南海季風(fēng)區(qū)，作為沿海重要的港口城市和北部灣中心之一，也處于城市化和工業(yè)化快速發(fā)展時(shí)期，因此許多學(xué)者研究了全球氣候變化背景下湛江地區(qū)的氣候變化［4-7］，但對(duì)氣候變化事實(shí)和未來(lái)趨勢(shì)聯(lián)合開(kāi)展的研究鮮有報(bào)道。本研究以廉江國(guó)家氣象觀測(cè)站1980—2021年逐月氣溫降水資料為基礎(chǔ)，采用線性估計(jì)、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)、重標(biāo)極差分析、集合模態(tài)經(jīng)驗(yàn)分解等方法分析氣候和降水變化特征及演變規(guī)律，以期推動(dòng)廉江市城市建設(shè)和防洪抗旱工作。

1 資料與方法

本研究使用廉江氣象站1980—2021年逐月平均氣溫、降水量觀測(cè)資料，其中氣溫和降水量資料經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的質(zhì)量控制。季節(jié)的劃分采用氣象季節(jié)，即3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至次年2月為冬季。華南汛期分前汛期和后汛期。

采用線性趨勢(shì)分析和滑動(dòng)方法研究氣象要素的長(zhǎng)期和階段性變化［8-9］；采用聯(lián)合國(guó)推薦的非參數(shù)檢驗(yàn)法Mann-Kendall檢驗(yàn)，研究氣象要素的突變特征［10］；集合模態(tài)經(jīng)驗(yàn)分解（EEMD）研究氣象的周期和周期貢獻(xiàn)率［10］，將氣象要素分解為有限個(gè)本征模函數(shù)（IMFi），分解出來(lái)的各IMF分量包含了原信號(hào)的不同時(shí)間尺度局部特征信息；重標(biāo)極差（R／S）分析氣象要素的未來(lái)變化趨勢(shì)［10-11］。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫與降水長(zhǎng)期和階段性變化

圖1是1980—2021年廉江市平均氣溫逐年變化，由圖1可以看出，改革開(kāi)放以來(lái)廉江市氣溫呈微弱增加的變化趨勢(shì)，氣溫傾向率為每10年增加0.183℃，未通過(guò)置信度95%檢驗(yàn)，表明增溫趨勢(shì)不顯著。統(tǒng)計(jì)可知，1980—2021年多年平均氣溫為23.34℃，年平均最高氣溫出現(xiàn)在2019年，為24.38℃；年平均最低氣溫為22.13℃，出現(xiàn)在2008年，極值差為2.25℃。從5年滑動(dòng)平均可以看出，廉江市氣溫經(jīng)歷了“增加-減少-增加”演變過(guò)程，第1階段1980—2003年氣溫呈上升趨勢(shì)，第2階段2004—2010年呈下降趨勢(shì)，第3階段2011—2021年呈上升趨勢(shì)，滑動(dòng)平均結(jié)果與劉付永在［4］和楊彩福等［12］的結(jié)果基本一致。

圖1 1980—2021年廉江市平均氣溫、5年滑動(dòng)平均、線性趨勢(shì)分布

從1980—2021年廉江市平均降水變化（圖2）可以看出，20世紀(jì)80年代后，廉江市年降水以每10年21.70 mm的速率減少，與氣溫傾向率相反，雖然本研究對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行了延長(zhǎng)，但氣溫和降水變化趨勢(shì)與肖仕鼎等［13］研究結(jié)果一致。此外，廉江市1980—2021年以來(lái)多年平均降水量為1 725 mm，年平均最多降水量出現(xiàn)在1985年，為2 540 mm；年平均最少降水量為1 107 mm，出現(xiàn)在2021年，極值差為1 433 mm，極值比為2.29。從5年滑動(dòng)平均過(guò)程曲線（圖2）可以看出，廉江市年降水量經(jīng)歷了“枯-豐-枯”交替的演變過(guò)程，呈“W”型，這與氣溫變化相反，經(jīng)歷了多個(gè)階段變化：第1階段1980—1991年年降水量呈下降趨勢(shì)；第2階段1991—1999年呈上升趨勢(shì)；第3階段2000—2008年呈下降趨勢(shì)；2009—2017年呈上升趨勢(shì)；2018年后進(jìn)入枯水期，研究時(shí)段內(nèi)平均以8～10年的周期交替變化。年降水傾向率與5年滑動(dòng)平均傾向率一致，說(shuō)明廉江市年降水下降趨勢(shì)明顯。

圖2 1980—2021年廉江市降水、5年滑動(dòng)平均、線性趨勢(shì)分布

由1980—2019年廉江市4季平均氣溫、降水量分布（表略）可以看出，春秋兩季氣溫變化速率變化較為明顯，平均每10年分別增加0.7、0.4℃；前汛期和后汛期降水則表現(xiàn)為每10年增加0.8 mm和減少8.7 mm。其主要原因是冬季和秋季冷空氣活動(dòng)頻繁，冷暖空氣交匯，廉江市受到變性高壓脊影響造成前汛期增加。后汛期減少主要是由東風(fēng)波等熱帶天氣系統(tǒng)造成的，雖然后汛期的降水強(qiáng)度大于前汛期，但是本研究表明后汛期總體降雨量小于前汛期。

2.2 突變特征

分析廉江市平均氣溫和降水量的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)果（圖略）可以看出，20世紀(jì)80年代到21世紀(jì)初，氣溫呈持續(xù)上升趨勢(shì)，1999年超過(guò)顯著水平0.05臨界線，甚至超過(guò)0.001顯著性水平（U0.001＝2.56），說(shuō)明該時(shí)段內(nèi)氣溫上升趨勢(shì)非常顯著。到2005年又呈下降趨勢(shì)，在顯著水平內(nèi)，1992、1994、2015年有交點(diǎn)，結(jié)合圖1變化趨勢(shì)和M-K檢驗(yàn)原理，確定1994年為氣溫的突變點(diǎn)，突變后呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明氣溫變化幅度較大，這和廉江市地理位置緊密相關(guān)。同理，降水在20世紀(jì)80年代呈減少趨勢(shì)，進(jìn)入枯水期，20世紀(jì)90年代到21世紀(jì)初呈增多趨勢(shì)，此后從21世紀(jì)初經(jīng)歷了豐枯交替后又呈非顯著上升趨勢(shì)，可以看出降水在0.05顯著水平內(nèi)，交點(diǎn)分別在1986、1990、1998、2001、2008、2009和2021年，結(jié)合圖2確定2008年為突變點(diǎn)，突變后呈上升趨勢(shì)，進(jìn)入豐水期，這與羅松英等［14］1986到2016年的研究結(jié)果相近，但本研究指出了具體豐枯時(shí)期變化。

2.3 周期特征

從圖3可以看出，廉江市年平均氣溫IMF1、IMF2分量在20世紀(jì)90年代末和21世紀(jì)初振幅最大。這和改革開(kāi)放城市快速發(fā)展，城市面積顯著擴(kuò)大、碳排放量增加、人口增加密不可分。各分量反映了序列中固有的不同特征尺度的振蕩變化，從高頻到低頻，相同時(shí)段內(nèi)的變化頻率各不相同，趨勢(shì)項(xiàng)R表明廉江市年平均氣溫呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與2.1節(jié)研究結(jié)論互相印證。

圖3 廉江市年平均氣溫的EEMD分解

由氣溫分解周期及其貢獻(xiàn)率（表略）可以看出，年平均氣溫變化中IMF1分量方差貢獻(xiàn)率最大，達(dá)43.45%，說(shuō)明廉江市平均氣溫最大主周期為3.5年；年平均氣溫變化中IMF3分量方差貢獻(xiàn)率次之，為41.81%，說(shuō)明廉江市年平均氣溫第2主周期為11年；同理得第2、4主周期分別為9、41年，說(shuō)明廉江市氣溫主要以小尺度周期變化為主，波動(dòng)變化趨勢(shì)較為穩(wěn)定，這有利于農(nóng)業(yè)管理。

圖4反映了廉江市年降水IMF1、IMF2分量在20世紀(jì)80年代末到21世紀(jì)初振幅最大。改革開(kāi)放城市快速發(fā)展，碳排放量增加、人口增加、人類活動(dòng)改變了降水變化幅度。IMF3分量的振幅呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì)，代表100次分解滿足周期分解需求。各分量反映了序列中固有的不同特征尺度的振蕩變化，從高頻到低頻，相同時(shí)段內(nèi)的變化頻率各不相同，趨勢(shì)項(xiàng)R表明廉江市年平均降水呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，這與2.1節(jié)研究結(jié)論一致。

圖4 廉江市年降水量的EEMD分解

由年降水量分解周期及其貢獻(xiàn)率（表略）可以看出，年降水量變化中IMF1分量方差貢獻(xiàn)率最大，達(dá)62.04%，說(shuō)明廉江市降水最大主周期為3年；IMF2分量方差貢獻(xiàn)率次之，為22.39%，說(shuō)明廉江市年平均氣溫第2主周期為7年；同理得第2、3、4主周期分別為7、17、20年。

2.4 未來(lái)變化趨勢(shì)

研究根據(jù)Hurst指數(shù)對(duì)廉江市42年年平均氣溫和年降水量進(jìn)行了進(jìn)一步分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。由圖5a可以看出，年平均流量的Hurst指數(shù)為0.83，＞0.5，結(jié)合2.1節(jié)線性趨勢(shì)法得出“年平均氣溫整體以0.018 3℃的速率呈緩慢增加趨勢(shì)”的結(jié)論，進(jìn)一步說(shuō)明在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)會(huì)繼續(xù)保持這種變化趨勢(shì)。由圖5b可以看出，年平均流量的統(tǒng)計(jì)量在ln N＝2.08位置第一次開(kāi)始出現(xiàn)明顯波動(dòng)，由此推求出N＝8.0，由此認(rèn)為未來(lái)8年內(nèi)廉江市氣溫將繼續(xù)保持0.018 3℃／年的年增長(zhǎng)速率。同理，圖5c-d可以看出，降水在未來(lái)7.5年仍以2.17 mm／年的速率呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明氣溫在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)人類活動(dòng)影響較小，降水影響較大。

圖5 廉江市平均氣溫（a、b）和降水量（c、d）R／S分析

3 結(jié)論

1）廉江市在年尺度下氣溫和降水分別以每10年0.183℃、-21.701 mm幅度變化，氣溫和降水呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)。氣溫春季和秋季有微弱升高趨勢(shì)，夏季基本不升高，冬季有下降趨勢(shì)；前汛期降水量有增加趨勢(shì)，而后汛期則有減少趨勢(shì)。

2）廉江市氣溫突變發(fā)生在1994年，突變后氣溫呈上升趨勢(shì)；降水突變發(fā)生在2009年，突變后進(jìn)入枯水期。氣溫和降水主要以小尺度周期變化為主，氣溫最大主周期為3.5年，降水最大主周期為3年。

3）Hurst指數(shù)分析表明，氣溫在未來(lái)8年內(nèi)將持續(xù)保持增高趨勢(shì)，而降水在未來(lái)7.5年將繼續(xù)保持減少趨勢(shì)。