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不可避免的事實。根據(jù)ipc第四階段的評估報告，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a型出現(xiàn)在1995年至2006年。人類活動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，東江流域的社會經(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，人類活動是否會影響廣東省流域的溫度變化，以及流域溫度變化的時空規(guī)律。本文選取了廣東省及周邊地區(qū)近50年來氣溫變化的時間特征、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間特征。本文在前人研究基礎(chǔ)上，根據(jù)監(jiān)測方式，分析了廣東省近50年來氣溫變化的時空特征、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個氣象站點(diǎn)1959—2004年歷年逐月完整的氣溫數(shù)據(jù)資料由國家氣象信息中心氣象資料室(中國氣象科學(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)檢驗統(tǒng)計方法是世界氣象組織(WMO)推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時間序列趨勢分析的一種方法,被廣泛用于水文、氣象時間序列的趨勢分析.在趨勢檢驗中,假設(shè)H0表示數(shù)據(jù)集X的樣本獨(dú)立同分布,沒有趨勢存在.可選假設(shè)H1表示數(shù)據(jù)集X中存在一個單調(diào)趨勢.Mann-Kendall統(tǒng)計檢驗方法可定義如下: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,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.檢驗序列的趨勢,單調(diào)趨勢大小Kendall傾斜度是一個很有用的指標(biāo),其精度要比非對稱的回歸統(tǒng)計量更高一些,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,反映上升的趨勢,當(dāng)β<0時,反映下降的趨勢.Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法也常用于氣候突變的檢測,其原理見文獻(xiàn),在此不再贅述.1.2.2含義預(yù)測分析方法R/S分析法最早由英國科學(xué)家赫斯特(Hurst)于1965年提出,后經(jīng)Mandelbrot等在理論上對該方法做了進(jìn)一步補(bǔ)充和完善,使其成為對時間序列的未來趨勢具有較強(qiáng)預(yù)測能力的非參數(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時表示時間序列相互獨(dú)立,完全隨機(jī),任意時刻t的數(shù)值與過去歷史行為無關(guān);0.5<H<1,表明時間序列具有長期相關(guān)的特征,即過程具有持續(xù)性,反映在氣候因子上,則表明未來的氣候整體變化將與過去的變化一致,H越接近1,持續(xù)性越強(qiáng);0<H<0.5,表明時間序列具有長期相關(guān)性,但將來的總趨勢與過去相反,即過程具有相反的持續(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步驟譜分析是時間序列在頻域上進(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)的各個領(lǐng)域,其具體求功率譜估計的步驟可參見文獻(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檢驗法對1959—2004年來東江流域年均氣溫變化趨勢的檢測結(jié)果,如圖可見近50a來東江流域年平均氣溫存在明顯的增溫趨勢,達(dá)到了α=0.01的顯著性水平,增溫速率為0.17℃·(10a)-1(表1),小于同期全國年平均氣溫的增溫速率(0.22℃·(10a)-1).從M-K檢測曲線可以看出,東江流域年平均氣溫在1967年前為比較穩(wěn)定的波動變化,1967—1972年氣溫急劇下降,1972年以后氣溫表現(xiàn)為波動上升的態(tài)勢,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期相關(guān)性,即未來變化將與過去的變化趨勢相同,過去流域年平均氣溫的升溫趨勢預(yù)示著將來年平均氣溫總體趨勢仍將持續(xù)上升,且這種升溫持續(xù)性很強(qiáng).通過對東江流域各季節(jié)氣溫變化趨勢的檢測(表1)可以發(fā)現(xiàn),整個流域夏、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不明顯.從氣溫增溫速率β值來看,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)的氣溫增長率,對流域年平均氣溫的升溫趨勢貢獻(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個季節(jié)的氣溫增溫持續(xù)性很強(qiáng),未來氣溫仍將處于一種上升狀態(tài).春季的H最小(0.66),說明流域春季氣溫未來變化與過去的變化趨勢相關(guān)性較弱,未來氣溫變化趨勢可能與過去變化趨勢所有不同.圖2為近50a來東江流域年、季平均氣溫變化趨勢的空間分布圖,就流域年平均氣溫而言(圖2-a),整個流域年平均氣溫Kendall傾斜度β均為正值,即整個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).這種氣溫變化趨勢的空間分布可能與社會的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度和人類活動有關(guān),近50a特別是改革開放以來,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)境相對較好,社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度較慢,人類活動對當(dāng)?shù)貧鉁刈兓挠绊懖患跋掠蔚貐^(qū).2.2功率譜值對比對1959—2004年東江流域年、季平均氣溫序列進(jìn)行功率譜分析(見圖3),在95%置信檢驗(紅、白噪聲檢驗)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較為明顯的峰值,但沒有通過95%的信度檢驗.2.3統(tǒng)計差異變化的檢驗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)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)的過程,它表現(xiàn)為氣候在時空上從一種統(tǒng)計特征到另一種統(tǒng)計特征的急劇變化.其檢測方法有多種,M-K方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,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1957—2007年東江流域年平均氣溫變化的突變檢測結(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)一步說明了流域冬季氣溫變化對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1)1959—2004年東江流域年平均氣溫存在顯著的升溫趨勢,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不明顯,其中冬季氣溫升溫幅度最大(0.37℃·(10a)-1),對流域年平均氣溫的升溫趨勢貢獻(xiàn)率最大.2)近50a來東江流域年、季平均氣溫變化趨勢的空間分布格局基本一致,流域氣溫增溫速