中國東部季風區(qū)年平均氣溫對氣候變暖的響應

中國東部季風區(qū)年平均氣溫對氣候變暖的響應

1中國氣候變色隨著世界環(huán)境惡化，以氣候惡化為代表的全球環(huán)境問題越來越受科學、公眾和國家政府的影響。IPCC第四次評估報告指出,近100年(1906年~2005年)全球平均氣溫已上升了0.74℃,近50年的線性增溫速率為0.13℃/10年,1850年以來最暖的12個年份中有11個出現(xiàn)在近期的1995年~2006年。據(jù)估計21世紀全球氣候將繼續(xù)變暖,到21世紀末,在多種溫室氣體排放情景下,預估全球地表平均增暖1.1~6.4℃。中國也和全球一樣,近年來出現(xiàn)了顯著的變暖,近100年來中國年平均地表氣溫明顯增加,升高幅度約為0.79℃,增溫速率約為0.08℃/10年,升溫幅度比同期全球平均值略高[2~4],但近50年來年平均地表氣溫變暖幅度約為1.1℃,增溫速率接近0.22℃/10年,比全球或半球同期平均增溫速率明顯偏高[5~6]。還有許多關于地面氣溫變化的研究[7~13],使用不同的方法,揭露了氣候變暖的事實。中國東部季風氣候區(qū)、西北干旱和半干旱氣候區(qū)及西南部青藏高原的不同氣候背景,形成了中國區(qū)域氣候特征及對全球氣候變暖區(qū)域響應的復雜性和特殊性。有關季風區(qū)地面氣溫變化的研究也很多,如周小珊等指出,在近百年中,沈陽冬季氣溫升高約1.7℃,但夏季低溫變化不大;對農業(yè)生產(chǎn)而言,在全球氣候變暖背景下,沈陽地區(qū)的氣象要素變化似乎是利大于弊。馬振鋒等研究了近40年西南地區(qū)的氣候變化,指出云貴高原在20世紀后40年氣溫上升、降水增加、濕度增大趨勢顯著,而在四川盆地東北部和西南部的氣溫則存在明顯的下降趨勢,表明西南地區(qū)氣候變化與全球變暖存在非同步性。陳新光等研究了氣候變暖對廣東氣候帶變化的影響,認為廣東省陸面氣溫增暖率為0.16℃/10年,低于全國和全球陸面增暖率;氣候變暖的時空特征表現(xiàn)為冬季和春季明顯大于夏季和秋季,沿海地區(qū)明顯大于內陸地區(qū),氣候帶向北移動的趨向明顯,北熱帶區(qū)域面積在擴大,南亞熱帶區(qū)域面積在縮小,中亞熱帶區(qū)面積相對穩(wěn)定?？偲饋砜?目前對整個中國東部季風區(qū)氣溫如何響應氣候變暖的研究比較少,為此,本文利用該區(qū)域1961年~2006年共46年的地面觀測資料,研究其氣溫時空變化特征及對氣候變暖的響應。2研究領域的總結和研究方法2.1季風區(qū)邊緣地的分區(qū)近年來,人們對亞洲季風的研究表明,夏季亞洲地區(qū)存在著兩支季風,南亞季風(即印度季風)和東亞季風,它們的源地和主要環(huán)流系統(tǒng)以及各自影響的地域都不一樣。喻世華等提出東亞季風和印度季風的分界線,以100°E為界較為適宜,以西主要反映印度季風的特征,以東主要反映東亞季風的特征。中國東部季風區(qū)氣候主要受東亞季風的影響。另外,在多年平均的盛夏6月~8月850hPa等壓面上,青藏高原為一高壓控制,而中國東部為一個低壓槽,槽線呈西南-東北走向。根據(jù)風壓規(guī)律,槽線是南、北風的分界線,槽線以東吹偏南風?；谏鲜鲈?確定東部季風區(qū)邊緣位置大體呈西南-東北向分布,自南向北為云南中部-川東-河套東部-華北北部-東北北部。該區(qū)域包括黑龍江中南部、吉林、遼寧、內蒙東部、河北、山西、山東、陜西東南部、河南、安徽、江蘇、四川東部、重慶、湖北、湖南、江西、浙江、福建、廣東、廣西、貴州、云南東部。2.2地面月平均氣溫選取中國東部季風區(qū)(99.2°E~135°E,20°N~49.4°N,不含臺灣及南海諸島)資料完整的375個氣象站1961年~2006年逐年實測地面月平均氣溫資料,資料取自中國氣象局資料中心。2.3氣候變化特征的統(tǒng)計分析方法(1)線性趨勢分析。把氣候要素寫成時間t的函數(shù):式中a、b為經(jīng)驗常數(shù),用最小二乘法通過實際資料計算得出;a表示線性函數(shù)的斜率,a值的符號反映Y上升或下降的變化趨勢,其大小反映f(t)上升或下降的速率,也就是氣候要素的線性趨勢(年際變率)。求得線性趨勢a后,須檢驗時間t與變量y之間的相關系數(shù)r;若r通過信度檢驗,則認為該趨勢有統(tǒng)計意義,否則認為該趨勢沒有統(tǒng)計意義。其中,r0.05=0.2908、r0.01=0.3764、r0.001=0.4700。(2)三次多項式曲線擬合。用Cubic函數(shù)形式把氣候要素寫成時間t的非線性函數(shù):式中b0,b1,b2,b3為經(jīng)驗常數(shù),用最小二乘法通過實際資料計算得出。通過Cubic函數(shù)擬合曲線可以很好地反映較短時期如幾年到十幾年尺度的氣候變化特征。根據(jù)Cubic上的階段性極值可定性分析要素變化的轉型特征,極小值對應要素值由下降轉為上升的時間,反之為上升轉為下降的轉型時間。(3)突變分析。用Mann-Kendall方法和滑動t-檢驗方法。(4)周期分析。使用MHAT小波[19~21]和譜分析。(5)為客觀定量地分析該區(qū)氣溫的分布及變化特征,使用EOF、REOF方法[23~24]對東部季風區(qū)標準化的年平均氣溫資料進行分區(qū)。3年平均氣溫及其變化特征3.1年平均氣溫特征年平均等溫線基本呈緯向分布(圖1),溫度梯度自南指向北,平均遞減率0.96℃/緯度。南部最高年平均氣溫23.8℃,北部最低年平均氣溫-2.8℃,嶺南的兩廣大多數(shù)區(qū)域年平均氣溫在20℃以上,長江流域和云貴高原的大部分區(qū)域為15~20℃,僅僅在云貴交界的北部10~15℃,黃河流域年平均氣溫10~15℃,山西北部、河北北部、遼寧、內蒙-吉林相鄰區(qū)為5~10℃,其以北的內蒙和黑龍江0~5℃。3.2中國東部季風區(qū)年增溫率分布用375個站的空間平均,建立東部季風區(qū)年平均氣溫序列,分析其年際變化特征(圖2),從圖中可見,在46年尺度上,中國東部季風區(qū)年平均氣溫一階線性趨勢極顯著(r=0.6848,超過α=0.001信度),增溫率0.24℃/10a,接近于中國近50年0.22℃/10a的增溫速率,但比全球近50年0.13℃/10a的增溫速率明顯偏高。三次多項式曲線擬合,Cubic函數(shù)在1970s初達到極小值,表明東部季風區(qū)從20世紀70年代開始發(fā)生降溫-升溫轉型。特別是從1986年開始劇烈增溫,增溫率高達0.54℃/10a。從M-K曲線圖(圖3)和滑動t檢驗并結合圖2來看,季風區(qū)年平均氣溫表現(xiàn)出明顯的增溫趨勢,從1971年開始氣溫呈增加趨勢,1984年后氣溫開始呈明顯增加趨勢,1987年有一次顯著突變,其后氣溫達到一個更顯著的增暖時期。計算季風區(qū)各站年平均氣溫長期變化的一階線性趨勢,利用回歸系數(shù)與相關系數(shù)之間的關系,求得各站的r,分別繪制線性趨勢和r的空間分布圖(圖4)。中國東部季風區(qū)大多數(shù)區(qū)域氣溫變化有明顯上升趨勢,整體上來看,增溫率從南向北增大。黃河以北增溫率一般在(0.3~0.5)℃/10a,長江以北的湖北、安徽、江蘇和浙江東部增溫率(0.2~0.3)℃/10年,長江以南的大多數(shù)區(qū)域和河南、山東西部增溫率(0.1~0.2)℃/10a。氣溫變化趨勢不顯著的區(qū)域主要在季風區(qū)的西南部,即從河南中西部穿過秦嶺向南到川東、重慶一帶以及云貴高原的部分地方,如云南西北部和湖北長沙以東的局部地區(qū)。這些地方的增溫率一般在0.1℃/10a以下,甚至川東的局部和云南局部年平均氣溫有顯著的下降趨勢,表明西南地區(qū)氣候變化與全球變暖存在非同步性。3.3u3000關于絕對偏差的分析該區(qū)年平均氣溫的標準差總體偏小,一般在0.3~1.0℃之間,川東-長江以南在0.5℃以下,黃河-長江之間為0.5~0.7℃,從山西-河北及其以北的區(qū)域,標準差在0.7~1.0℃之間。相對變率是絕對偏差的平均值與序列均值之比。季風區(qū)年平均氣溫的相對變率總體上也偏小,黃河以南的大部分區(qū)域不足5%,陜西-山西-河北-沈陽在5%~10%之間,只有黑龍江和內蒙東部的小部分地方超過了30%。除最北部的黑龍江和內蒙部分地方外,該區(qū)標準差和相對變率分布較均勻,表明該區(qū)大部分區(qū)域年平均氣溫的年際變化較穩(wěn)定。4累積方差貢獻率對季風區(qū)375站46年的氣溫場進行EOF分析,其前10個空間分量或載荷向量(LV)的累積方差貢獻率占總方差的93.19%,其中前3個載荷向量的累積方差貢獻率已占81.17%(表1),即東部年平均氣溫EOF的收斂速度很快。根據(jù)North等的經(jīng)驗判據(jù),僅截取其前3個載荷向量(LV1~LV3)及其對應的時間分量或主成分(PC1~PC3)就能較好地解釋該區(qū)氣溫時空變化的主要特征。4.1陰山區(qū)可作管理系統(tǒng),僅有2.在載荷向量圖上某點的載荷值表明了該點氣溫與其對應的主成分序列間的相關程度.若該點載荷值的絕對值愈大,則該點氣溫愈易明顯偏熱或偏涼,變化愈敏感;反之亦然。第1載荷向量LV1(圖5a),方差貢獻率64.49%,全區(qū)為一致的正值,有96%的站載荷值在0.5~0.9之間(通過α=0.001顯著水平檢驗),全區(qū)一致的正相關。特別是晉冀蒙交界區(qū)、長江中下游-山東為相關系數(shù)最大區(qū),在0.85~0.93之間,是該區(qū)氣溫變化最敏感的區(qū)域。這說明全區(qū)一致變熱或變涼是東部季風區(qū)氣溫異常最常出現(xiàn)的情況,可稱之為“全區(qū)一致型”模態(tài)。第2載荷向量LV2(圖5b)上,北部為負值區(qū),載荷絕對值向北增大,約有2/3區(qū)域的載荷值在-0.29~-0.69之間;南部為正值區(qū),載荷向南增大,約有1/2區(qū)域的載荷值在0.29~0.69之間。載荷值零線從太原-鄭州-武漢-南京穿過季風區(qū)中部。即區(qū)內北部的氣溫距平與PC2序列呈較強的反相關關系,南部呈較強的正相關關系。區(qū)內南北部氣溫距平變化相反。因方差貢獻率11.51%,是季風區(qū)次常出現(xiàn)的氣溫異常分布型,可稱為“準南北差異型”模態(tài)。第3載荷向量LV3(圖5c)呈“南、北正中間負”的結構。中間負區(qū)的中心在河南,載荷值在-0.40~-0.59之間;南、北正區(qū)的載荷值較小,一般<0.5。其方差貢獻率5.16%,表明該模態(tài)占有的比例較小?？煞Q為“中間型”模態(tài)。4.2氣溫的年際變化周期LV1全區(qū)皆為正載荷值,對應的PC1時間序列曲線上的峰(谷)值點是偏熱(偏涼)年(圖5d)。其中1998年、2006年、2002年、2004年、1999年、2003年、1994年、2001年、1990年、1997年依次是過去46年中全區(qū)性的前10個偏熱年,全部出現(xiàn)在1990s以后;而1969年、1976年、1984年、1970年、1985年、1974年、1967年、1971年、1980年、1972年依次是過去46年中全區(qū)性的前10個偏涼年。從PC1的趨勢看,全區(qū)的氣溫也在增暖,這與“3.2節(jié)”的平均場分析結論相一致。結合功率譜分析,在對應的子波圖上,5年左右的年際變化周期明顯。從10年左右的年代際變化來看,有3個氣溫位相偏低期,分別為1967年~1971年、1983年~1988年、1992年~1996年;有4個氣溫位相偏高期,包括1961年~1966年、1972年~1982年、1988年~1991年、1997年~2006年,目前仍處在偏高期。從10年乃至20年左右的氣候變化層次來看,氣溫趨勢還在居高不下的位置。在LV2模態(tài)中,季風區(qū)北部為負載荷值,這樣對應的PC2曲線上的峰值點1969年、1966年、1987年為北部氣溫偏涼年,1989年、1982年、1995年為北部氣溫偏熱年;而對季風區(qū)南部情況正好相反。PC2也具有顯著的3~5年的年際變化周期。在LV3模態(tài)中,主要表現(xiàn)為中原地區(qū)的氣溫異常較強,中原地區(qū)1961年、1978年為偏熱年,2003年、1991年為偏冷年。PC3無明顯變化周期。5平均溫度地區(qū)的變化5.1方差極大正交旋轉下的reofREOF能方便地分析不同區(qū)域之間要素異常的相互關系和變化響應的敏感區(qū)域。為進一步分析中國東部季風區(qū)年平均氣溫異常分區(qū)細節(jié),為該區(qū)的氣候分區(qū)提供客觀依據(jù),在EOF分析的基礎上,對其前10個LV分量進行了方差極大正交旋轉(REOF)。因REOF分析的前4個分量的累計方差貢獻率已達80%(表1),取前4個旋轉載荷向量場分析,得出季風區(qū)年平均氣溫的4個主要空間異常區(qū)域(圖6),分別叫做季風北部區(qū)、季風南部區(qū)、季風中部區(qū)和云貴高原區(qū),簡稱Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)、Ⅳ區(qū)。RLV絕對值最大的中心站分別在吉林的三岔河(44°58′N,126°E)、廣西的梧州(23°29′N,111°02′E)、河南的西峽(33°02′N,111°30′E)和云南的瀾滄(22°34′N,99°56′E)。5.2季風區(qū)年平均氣溫的季節(jié)性變動RLV1~RLV4分別主要突出季風北部區(qū)、季風南部區(qū)、季風中部區(qū)和云貴高原區(qū)的氣溫空間異常特征,它們對應的氣象站能較好地氣象該區(qū)的氣候特點,反映了各個異常區(qū)氣溫的時間演變,因此根據(jù)代表站的氣溫標準化序列(圖7)分析各區(qū)氣溫異常的時間變化特征:(1)轉型特征。從Cubic曲線分析各區(qū)氣溫變化的轉折性。季風北部區(qū)從1970s初期氣溫轉為上升,1990s中期氣溫轉為下降階段;季風南部區(qū)從1970s中期開始轉型,由下降轉為上升;季風中部區(qū)從1980s初期轉為上升;云貴高原區(qū)從1960s中期開始轉型,由下降轉為上升。由此可以看出,季風區(qū)年平均氣溫的轉折先從云貴高原開始,過10年左右南、北部轉型,再過10年左右是中部轉型。(2)偏熱(涼)年份特征。按世界氣象組織對氣候異常的判斷標準,即距平大于或等于2倍標準差者作為氣候異常,介于標準差的1.5~1.9倍者作為接近氣候異常。從各代表站氣溫曲線上選取標準差的1.5倍以上得到各分區(qū)氣溫明顯偏熱(涼)的代表性年份(表2)。從表2可以得出,偏熱年普遍比偏涼年多,平均偏多1.4倍,約90%的偏熱年出現(xiàn)在1990年以后。(3)突變特征。利用M-K檢驗和滑動t檢驗,結合圖7,發(fā)現(xiàn)季風北部區(qū),1987年有一次突變,之后氣溫呈上升時期,1997年后略有下降;季風南部區(qū),1986年開始增溫,1997年有一次突變,其后是一個強烈的增溫期;季風中部區(qū),1979年~1993年降溫,1994年開始增溫,1997年是一次突變;云貴高原區(qū),年平均氣溫在過去46年呈明顯的線性增溫趨勢,1979年是一次突變,其后增溫更加強烈。由此可以看出,季風區(qū)年平均氣溫的突變也是先從云貴高原開始,過10年左右北部突變,再過10年左右是中、南部突變。6氣候變化與陣風風壓大氣環(huán)流異常是影響氣溫異常的最直接因子。從歐亞西風環(huán)流指數(shù)和西太平洋副熱帶高壓特征量來看,自20世紀80年代以來,500hPa中緯度經(jīng)向環(huán)流偏弱,緯向環(huán)流偏強,副熱帶高壓同時進入持續(xù)偏強期,使南下冷空氣偏少,導致中國大部分地區(qū)氣溫偏高。而西南地區(qū)的顯著降溫或不顯著增溫可能與地形有關。西風越過青藏高原后會產(chǎn)生下沉氣流,在其東側形成焚風效應而增溫,西風越強,下沉增溫越強。對此,湯懋蒼研究員早在20世紀80年代已有研究。本文選取顯著降溫的川東達縣站,將達縣年平均氣溫序列與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)進行比較分析可以看出,兩者的振動趨勢基本一致,相關系數(shù)0.4846,超過了99%的信度水平,特別是兩者的5年滑動趨勢關系更加密切(圖8),相關系數(shù)達0.60。1960s西風強,背風下沉也強,使氣溫升高,1970s至1980s隨著西風減弱,背風下沉也減弱,使氣溫降低,1980年代后期以來,西風增強,氣溫隨之升高。7中國區(qū)域年平均氣溫特征(1)1961年~2006年中國東部季風區(qū)年平均氣溫自南向北降低,平均經(jīng)向遞減率約1℃/緯度,近46年增溫率0.24℃/10a。從1971年開始氣溫呈增加趨勢,1984年后氣溫開始呈明顯增加趨勢,1987年有一次顯著突變,其后氣溫達到一個更顯著的增暖時期。中國東部季風區(qū)氣溫與中國和全球氣溫都有相同的變暖趨勢,但增溫率接近于中國平均水平而明顯高于全球。(2)中國東部季風區(qū)年平均氣溫標準差和相對變率分布較均勻。除最北部的黑龍江和內蒙部分地方,該區(qū)其余大部分區(qū)域年平均氣溫的年際變化較穩(wěn)定。(3)中國東部季風區(qū)大多數(shù)區(qū)域氣溫變化有明顯上升趨勢,增溫率從南向北增大。黃河以北增溫率一般在(0.3~0