東江流域近50a氣溫變化特征分析

東江流域近50a氣溫變化特征分析

世界氣候惡化是一個(gè)不可避免的事實(shí)。根據(jù)ipc第四階段的評(píng)估報(bào)告，世界表面溫度在100年前增加了0.74，并在20世紀(jì)90年代初達(dá)到頂峰。最溫暖的12個(gè)a型出現(xiàn)在1995年至2006年。人類活動(dòng)是世界氣候變化的主要原因。廣東省位于廣東省和江西省。是珠江流域的第三大水系，總面積為36.36km/2。亞熱帶季風(fēng)氣候。近幾十年來(lái)，東江流域的社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市化進(jìn)程正在加快。特別是，深圳、廣州、東莞是廣東省經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的地區(qū)。在全球變化的背景下，人類活動(dòng)是否會(huì)影響廣東省流域的溫度變化，以及流域溫度變化的時(shí)空規(guī)律。本文選取了廣東省及周邊地區(qū)近50年來(lái)氣溫變化的時(shí)間特征、季節(jié)性和突變特征，為該流域近50年的氣溫變化提供了時(shí)間特征。本文在前人研究基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測(cè)方式，分析了廣東省近50年來(lái)氣溫變化的時(shí)空特征、周期性和突變特征。1數(shù)據(jù)和方法1.1平均氣溫序列東江流域及鄰近12個(gè)氣象站點(diǎn)1959—2004年歷年逐月完整的氣溫?cái)?shù)據(jù)資料由國(guó)家氣象信息中心氣象資料室(中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)/)提供,基于所選氣象站點(diǎn)數(shù)據(jù)資料建立東江流域年平均(1—12月)、春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12—2月)等季節(jié)平均氣溫序列.1.2學(xué)習(xí)方法1.2.1標(biāo)準(zhǔn)曲線a型Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方法是世界氣象組織(WMO)推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析的一種方法,被廣泛用于水文、氣象時(shí)間序列的趨勢(shì)分析.在趨勢(shì)檢驗(yàn)中,假設(shè)H0表示數(shù)據(jù)集X的樣本獨(dú)立同分布,沒(méi)有趨勢(shì)存在.可選假設(shè)H1表示數(shù)據(jù)集X中存在一個(gè)單調(diào)趨勢(shì).Mann-Kendall統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法可定義如下:Zc=?????????S?1varS√0S+1varS√S>0,S=0,S<0.(1)S=∑t=1n?1∑k=t+1nsgn(Xk?Xt),(2)Ζc={S-1varSS>0,0S=0,S+1varSS<0.(1)S=∑t=1n-1∑k=t+1nsgn(Xk-Xt),(2)當(dāng)Xk-Xt大于、等于和小于0時(shí),sgn(Xk-Xt)相應(yīng)地分別等于1、0和-1.如果-Z1-α/2≤Zc≤Z1-α/2,接受零假設(shè)H0,其中±Z1-α/2是標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的1-α/2分位數(shù),α為顯著性水平.檢驗(yàn)序列的趨勢(shì),單調(diào)趨勢(shì)大小Kendall傾斜度是一個(gè)很有用的指標(biāo),其精度要比非對(duì)稱的回歸統(tǒng)計(jì)量更高一些,公式如下:β=Median(Xi?Xji?j),?j<i,(3)β=Μedian(Xi-Xji-j),?j<i,(3)式中:1<j<i<n,β是整個(gè)數(shù)據(jù)序列中的所有組合相鄰單元變化率的中值,當(dāng)β>0時(shí),反映上升的趨勢(shì),當(dāng)β<0時(shí),反映下降的趨勢(shì).Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法也常用于氣候突變的檢測(cè),其原理見(jiàn)文獻(xiàn),在此不再贅述.1.2.2含義預(yù)測(cè)分析方法R/S分析法最早由英國(guó)科學(xué)家赫斯特(Hurst)于1965年提出,后經(jīng)Mandelbrot等在理論上對(duì)該方法做了進(jìn)一步補(bǔ)充和完善,使其成為對(duì)時(shí)間序列的未來(lái)趨勢(shì)具有較強(qiáng)預(yù)測(cè)能力的非參數(shù)分析方法.R/S分析方法中用H表示Hurst指數(shù),當(dāng)H=0.5時(shí)表示時(shí)間序列相互獨(dú)立,完全隨機(jī),任意時(shí)刻t的數(shù)值與過(guò)去歷史行為無(wú)關(guān);0.5<H<1,表明時(shí)間序列具有長(zhǎng)期相關(guān)的特征,即過(guò)程具有持續(xù)性,反映在氣候因子上,則表明未來(lái)的氣候整體變化將與過(guò)去的變化一致,H越接近1,持續(xù)性越強(qiáng);0<H<0.5,表明時(shí)間序列具有長(zhǎng)期相關(guān)性,但將來(lái)的總趨勢(shì)與過(guò)去相反,即過(guò)程具有相反的持續(xù)性,H值越接近0,反持續(xù)性越強(qiáng).1.2.3基于功率譜分析的功率譜估計(jì)步驟譜分析是時(shí)間序列在頻域上進(jìn)行分析的方法,由功率譜分析可以得到一時(shí)間序列總體的顯著變化周期,該方法已廣泛應(yīng)用于氣象學(xué)、地理學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域,其具體求功率譜估計(jì)的步驟可參見(jiàn)文獻(xiàn).2結(jié)果與分析2.1a年、季平均氣溫變化的空間變化圖1-a呈現(xiàn)了Mann-Kendall檢驗(yàn)法對(duì)1959—2004年來(lái)東江流域年均氣溫變化趨勢(shì)的檢測(cè)結(jié)果,如圖可見(jiàn)近50a來(lái)東江流域年平均氣溫存在明顯的增溫趨勢(shì),達(dá)到了α=0.01的顯著性水平,增溫速率為0.17℃·(10a)-1(表1),小于同期全國(guó)年平均氣溫的增溫速率(0.22℃·(10a)-1).從M-K檢測(cè)曲線可以看出,東江流域年平均氣溫在1967年前為比較穩(wěn)定的波動(dòng)變化,1967—1972年氣溫急劇下降,1972年以后氣溫表現(xiàn)為波動(dòng)上升的態(tài)勢(shì),特別是在1989年以后增溫幅度明顯變大,氣溫迅速上升,1999年左右超過(guò)99%的置信線,達(dá)到顯著增溫水平.R/S分析結(jié)果(圖1-b)顯示流域年平均氣溫H=0.88,表明東江流域年平均氣溫序列具有長(zhǎng)期相關(guān)性,即未來(lái)變化將與過(guò)去的變化趨勢(shì)相同,過(guò)去流域年平均氣溫的升溫趨勢(shì)預(yù)示著將來(lái)年平均氣溫總體趨勢(shì)仍將持續(xù)上升,且這種升溫持續(xù)性很強(qiáng).通過(guò)對(duì)東江流域各季節(jié)氣溫變化趨勢(shì)的檢測(cè)(表1)可以發(fā)現(xiàn),整個(gè)流域夏、秋、冬季氣溫變化都達(dá)到了α=0.01的顯著升溫水平,而春季的氣溫變化趨勢(shì)不明顯.從氣溫增溫速率β值來(lái)看,流域冬季升溫幅度最大,其升溫速率達(dá)到了0.37℃·(10a)-1,明顯高于其他季節(jié)的氣溫增長(zhǎng)率,對(duì)流域年平均氣溫的升溫趨勢(shì)貢獻(xiàn)率最大,春、夏、秋季氣溫變化幅度大致相同,處于0.12～0.14℃·(10a)-1之間.Hurst指數(shù)結(jié)果(表1)顯示夏、秋兩季H都在0.9以上,即2個(gè)季節(jié)的氣溫增溫持續(xù)性很強(qiáng),未來(lái)氣溫仍將處于一種上升狀態(tài).春季的H最小(0.66),說(shuō)明流域春季氣溫未來(lái)變化與過(guò)去的變化趨勢(shì)相關(guān)性較弱,未來(lái)氣溫變化趨勢(shì)可能與過(guò)去變化趨勢(shì)所有不同.圖2為近50a來(lái)東江流域年、季平均氣溫變化趨勢(shì)的空間分布圖,就流域年平均氣溫而言(圖2-a),整個(gè)流域年平均氣溫Kendall傾斜度β均為正值,即整個(gè)流域都存在一定程度的升溫,其變化升幅為:0.06～0.44℃·(10a)-1,流域上游及中下游的西部增城附近地區(qū)氣溫升溫幅度較小,在0.14℃·(10a)-1以下;中游以連平、東源為中心的局部地區(qū)氣溫變化幅度較大,大致在0.22～0.29℃·(10a)-1,氣溫增長(zhǎng)率最大值出現(xiàn)在流域下游南部深圳附近,升溫速率在0.37℃·(10a)-1以上.就季節(jié)氣溫而言,其氣溫變化趨勢(shì)的空間分布格局與全年基本一致(圖2-b～e),氣溫增溫速率最大值出現(xiàn)在深圳附近,而以尋烏及增城為中心的局部地區(qū)為氣溫升溫幅度較小的地區(qū).這種氣溫變化趨勢(shì)的空間分布可能與社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和人類活動(dòng)有關(guān),近50a特別是改革開(kāi)放以來(lái),以深圳為中心的東江流域下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,城市化進(jìn)程的加快,土地利用類型的改變,這些對(duì)氣溫的上升都起到了促進(jìn)作用,而流域上游地區(qū)多為山地,生態(tài)環(huán)境相對(duì)較好,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較慢,人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)貧鉁刈兓挠绊懖患跋掠蔚貐^(qū).2.2功率譜值對(duì)比對(duì)1959—2004年?yáng)|江流域年、季平均氣溫序列進(jìn)行功率譜分析(見(jiàn)圖3),在95%置信檢驗(yàn)(紅、白噪聲檢驗(yàn))條件下,可以看到流域全年及夏、秋季平均氣溫分別存在2.31、2.5、30a的顯著變化周期,春季功率譜值雖在高頻部分存在一個(gè)較為明顯的峰值,但沒(méi)有通過(guò)95%的信度檢驗(yàn).2.3統(tǒng)計(jì)差異變化的檢驗(yàn)氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)中的一種重要現(xiàn)象,是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì))跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢(shì))的過(guò)程,它表現(xiàn)為氣候在時(shí)空上從一種統(tǒng)計(jì)特征到另一種統(tǒng)計(jì)特征的急劇變化.其檢測(cè)方法有多種,M-K方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法,不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,避免了人為因素的影響,是目前進(jìn)行氣候突變比較客觀、準(zhǔn)確的方法.圖4呈現(xiàn)了M-K法對(duì)1957—2007年?yáng)|江流域年平均氣溫變化的突變檢測(cè)結(jié)果,東江流域年、季平均氣溫變化的突變年份并不一致,冬季與全年平均氣溫突變年份基本相同,發(fā)生在1994年左右,這也進(jìn)一步說(shuō)明了流域冬季氣溫變化對(duì)全年氣溫變化影響的重要性,春、夏、秋3季氣溫突變點(diǎn)分別在2000、1980、1988—1989年左右.3年、季平均氣溫變化趨勢(shì)1)1959—2004年?yáng)|江流域年平均氣溫存在顯著的升溫趨勢(shì),增溫速率為0.17℃·(10a)-1,流域夏、秋、冬季氣溫變化也達(dá)到了α=0.01的顯著升溫水平,春季的氣溫變化趨勢(shì)不明顯,其中冬季氣溫升溫幅度最大(0.37℃·(10a)-1),對(duì)流域年平均氣溫的升溫趨勢(shì)貢獻(xiàn)率最大.2)近50a來(lái)東江流域年、季平均氣溫變化趨勢(shì)的空間分布格局基本一致,流域氣溫增溫速