哈爾濱市高空氣候變暖變化分析＊

張金峰,張麗娟,李文亮,鄭 紅

(1.哈爾濱師范大學地理科學學院,黑龍江哈爾濱 150025;2.黑龍江省氣候中心,黑龍江哈爾濱 150080)

哈爾濱市高空氣候變暖變化分析＊

張金峰1,張麗娟1,李文亮1,鄭 紅2

(1.哈爾濱師范大學地理科學學院,黑龍江哈爾濱 150025;2.黑龍江省氣候中心,黑龍江哈爾濱 150080)

依據哈爾濱市1970-2005年的探空資料,采用線性模擬、相關和回歸等分析方法,對哈爾濱市35年來地面及高空氣候的變化進行分析和預測。研究結果認為:①哈爾濱市對流層中下層、平流層下層氣候變化明顯,對流層中下層氣候變暖變濕,且對流層下層經向風速變小,年平均風速也變小,其中值得關注的是溫度升高可延伸到400 hPa,比濕增加也從地面延伸到400 hPa;②建立了二氧化碳與水汽之間的關系方程,二氧化碳增加,水汽含量也隨之增加,二氧化碳每增加一個單位,水汽就增加0.011 g/kg;③各層次溫度與比濕存在線性關系,水汽對各層次溫度所起到的增加作用,隨高度的增加增溫效果越明顯。

高空氣候;變暖趨勢;哈爾濱

伴隨著對氣候變暖研究的深入,對高空氣候的研究也越來越受到關注,尤其是對高空溫度變化的研究,國內外已出現了一些研究成果。由于使用不同的資料,其空間樣本和時間樣本的差別,對高空溫度變化趨勢分析結論不盡相同。Melissa等[1]用LKS探空資料發現地面到300 hPa變暖,以上變冷,而用HadRT資料發現高空溫度都在變冷。Oorl等[2]利用全球1958-1989年800多個探空站資料,發現平流層溫度呈下降趨勢。國內這方面的研究很少,米季德等[3]用北京單站1961-1994年自地面至高空20 hPa的溫度資料,發現對流層下層溫度顯著上升,對流層上層及平流層呈下降趨勢。而王紹武等[4]根據等壓面之間的厚度建立了1958-1993年中國上空對流層下半部及平流層的溫度序列,發現溫度均呈下降趨勢。薛德強等[5]利用中國28個高空探空站1961-2000年間地面至高空10 hPa的溫度資料進行了統計分析,結果表明年平均變化趨勢自地面至700 hPa層,絕大部分地區溫度上升,尤其是地面增溫最為顯著,而西南地區有降溫趨勢;對流層上層、平流層的溫度在降低,尤其是50 hPa降溫最為明顯。此外馬瑞平、陳芳、郭艷君等也對高空溫度變化進行了研究[6-8]。

本研究利用哈爾濱市1970-2005年的高空探測資料,對哈爾濱市高空氣候多要素變化進行了分析,探討了溫度與二氧化碳和水汽的關系。

1 材料與方法

1.1 資料來源

采用哈爾濱市探空站1971-2005年兩時次(07時、19時)全球交換的月平均探測記錄,選取資料較全的10個層次,分別是地面、850hPa、700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa、200 hPa、100 hPa、50 hPa和30 hPa,包括氣溫、風速、氣壓、比濕、經向風速和緯向風速。資料由黑龍江省氣象臺提供。

1.2 分析方法

月平均要素計算方法,采用兩時次(07時、19時)氣象要素的月平均資料再平均后,作為月平均要素。采用線性擬合方法、相關和回歸方法,分析各層及各季氣象要素變化趨勢及關系。

2 結果與分析

2.1 哈爾濱市高空氣象要素年均值變化趨勢

2.1.1 各層年平均氣溫變化趨勢

對哈爾濱市地面到高空年平均氣溫的線性變化趨勢分析認為,不同層次上平均氣溫的變化趨勢不同(圖1、圖2為對流層和平流層的代表層次)。從地面到300 hPa年平均氣溫呈上升趨勢,從200 hPa開始,氣溫呈下降趨勢。以0.05概率水平(R2=0.130 3)檢驗,地面到400 hPa、100～50 hPa年平均氣溫上升達到顯著水平。即對流層中下層和平流層下層升溫明顯。地面氣溫線性趨勢系數為0.764℃/10a。與全國已有研究相比,哈爾濱市地面增溫趨勢是最明顯的,線性趨勢最大。500～400 hPa哈爾濱增溫顯著,而我國的西北、華東是微弱增溫,其它地區是微弱降溫[5]。說明我國高緯度地區對流層中下層增溫明顯。

圖1 地面年平均溫度變化

圖2 100 hPa年平均溫度變化

2.1.2 各層年平均風速變化趨勢

哈爾濱市地面年平均風速呈下降趨勢(圖3),且達到極顯著水平,地面風速的線性趨勢系數為-0.538 m/(s·10a)。850～20 hPa年平均風速均呈上升趨勢,但未達到顯著水平。說明哈爾濱市地面年平均風速下降明顯,100 hPa平均風速上升達到顯著水平,其它層次年平均風速變化不明顯。

圖3 地面年平均風速變化

2.1.3 各層年平均比濕變化趨勢

哈爾濱市年平均比濕變化從地面(圖4)到300 hPa(其它層次圖略)均呈上升趨勢,地面到400 hPa平均比濕上升均達到顯著水平。說明哈爾濱市對流層中下層年平均比濕上升趨勢明顯。各層次線性趨勢系數以地面平均比濕上升速率最快,為0.093g/10a,依次是850hPa、700hPa、500 hPa、400 hPa,比濕隨高度增加趨勢變小。

圖4 地面年平均比濕變化

2.1.4 各層年平均緯向風速變化趨勢

哈爾濱市從地面(圖5)到20 hPa高空年平均緯向風均為西風。其中負風速表示西風,正風速表示東風。可以看出哈爾濱市從地面到20 hPa高空年平均緯向風均為西風。地面到850 hPa平均西風呈減少趨勢,700 hPa以上平均西風呈增大趨勢。只有100 hPa平均西風增大顯著,其它層次西風減少或增大趨勢不顯著。說明哈爾濱市平均緯向風速在不同層次上雖然具有減少或增大趨勢,但變化不明顯。

圖5 地面年平均緯向風速變化

2.1.5 各層年平均經向風速變化趨勢

哈爾濱市地面為北風(圖6),平流層從50 hPa以上也為北風,850 hPa到100 hPa各層均為南風。地面北風分量呈減少趨勢,850 hPa、500 hPa、200 hPa、100 hPa平均南風呈減少趨勢,700 hPa和400 hPa平均西風呈增大趨勢。地面北風風速減小達到極顯著水平,其它層次南風減少或增大趨勢不顯著。說明哈爾濱市平均經向風速只有地面北風風速減少明顯,其它層次雖然具有減少或增大趨勢,但變化不明顯。

圖6 地面年平均經向風速變化

2.2 哈爾濱市高空氣候變化及原因分析

2.2.1 哈爾濱市高空氣候變化

如上分析,哈爾濱市近地面年平均氣溫、氣壓、濕度35年來呈上升顯著,年平均風速呈下降趨勢顯著,平均西風風速變化不明顯,平均北風風速下降趨勢顯著,因此近地面氣候變暖變濕;對流層中層平均氣溫、比濕、氣壓上升顯著,年平均風速、年平均緯向風速、經向風速變化不明顯,因此哈爾濱市對流層中層氣候變暖變濕,風速變化不大;對流層上層年平均氣溫、風速、比濕、緯向風速、經向風速變化均不明顯,說明對流層上層氣候變化不明顯;平流層下層溫度下降,西風風速明顯增大,其它要素變化不明顯。

2.2.2 哈爾濱市高空氣候變化原因分析

2.2.2.1 大氣環流的變化

HadRT得到赤道地區對流層下部和中部溫度變化趨勢分別為-0.132℃/10a和-0.013 2℃/ 10a,說明低緯地區溫度在下降[9]。從平均情況而言,低緯地區溫度下降,高緯地區溫度升高,會影響經圈環流的強度,直接表現為高緯度地表經向風速的減弱。導致高緯溫度升高,尤其是冬季溫度升高。這一結論已經被證實。

2.2.2.2 風速、二氧化碳和水汽的影響

哈爾濱市地面年平均溫度升高基于兩個直接的原因,一是經向風速在變小;二是比濕即大氣濕度在增加。它們之間的相關系數如表1所示。

表1 溫度、風速、比濕之間的相關系數

從表1中可看出,年平均溫度與年平均經向風速呈負相關,與比濕呈正相關。年平均溫度與年平均比濕相關更密切。為了進一步分析溫度與二氧化碳和比濕之間的關系,計算了三者之間年均值及年均增量之間的相關系數(表2)。

表2 溫度與二氧化碳和比濕之間的相關系數

從表2中可看出,就地面而言,地面年平均溫度年平均二氧化碳體積分數呈極顯著相關,與年平均比濕呈顯著相關;地面年平均溫度增量與年平均二氧化碳體積分數增量呈極顯著相關,與年平均比濕增量呈顯著相關。說明溫度變化與二氧化碳和水汽有關,但與二氧化碳體積分數更為密切。

2.3 哈爾濱市高空氣候預測

2.3.1 二氧化碳與比濕之間的關系方程

由于水汽本身就是一種溫室氣體,濕度的增加又加強了二氧化碳全球變暖效應[10]。建立二氧化碳與比濕之間的關系方程:

式中:Δq為比濕變化值,ΔCO2為二氧化碳變化值。

方程(1)的Sig=0.012,F=7.129,方程通過了0.05水平檢驗。依據方程(1)可得出,二氧化碳每增加一個單位,水汽就增加0.011 g/kg,即水汽中有11%是二氧化碳增加而引起的水汽的增加[11]。因為據此可預測未來二氧化碳排放模式下的哈爾濱地面溫度的變化趨勢。

2.3.2 哈爾濱市高空溫度預測

本研究建立了各層溫度與比濕的關系方程:

可見,只有850 hPa方程沒有通過0.05水平的檢驗,其它層次均通過0.05水平的檢驗,說明各層次溫度與比濕的線性關系成立,同時從方程中可看出,水汽對各層次溫度所起到的增加作用,隨高度的增加增溫效果越明顯。因此可根據比濕推測各層次的溫度。

依據方程(1)也適應高空,當二氧化碳排放減少到當前體積分數的75%,各層次水汽會減少0.002 75 g/kg,700hPa、500hPa、400hPa、300 hPa的溫度分別降低0.01℃/10a、0.02℃/10a、0.03℃/10a、0.10℃/10a,即越到高空降低越多;如果二氧化碳排放減少到50%,各層次水汽會減少0.005 5 g/kg,700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa的溫度分別降低0.02℃/10a、0.04℃/10a、0.06℃/ 10a、0.19℃/10a;如果二氧化碳排放減少到25%,各層次水汽會減少0.008 25g/kg,700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa的溫度分別降低0.03℃/ 10a、0.06℃/10a、0.10℃/10a、0.29℃/10a。

3 結論與討論

依據哈爾濱市高空探測資料,對哈爾濱市高空氣象要素的變化及高空氣候變化進行了研究,尤其針對二氧化碳和水汽對高空氣候的影響也進行了研究,此類的研究報道還較少。主要結論如下:

(1)哈爾濱市對流層中下層、平流層下層氣候變化明顯;對流層中下層氣候變暖變濕;且對流層下層經向風速變小,年平均風速也變小。平流層下層溫度下降,西風風速明顯增大,其它要素變化不明顯。其中值得關注的是溫度升高可延伸到400 hPa,比濕增加也從地面延伸到400 hPa。

(2)建立了二氧化碳與水汽之間關系方程,二氧化碳增加,水汽含量也隨之增加。二氧化碳每增加一個單位,水汽就增加0.011 g/kg。

(3)各層次溫度與比濕存在線性關系,水汽對各層次溫度所起到的增加作用,隨高度的增加增溫效果越明顯。

由于本研究只采用哈爾濱一個探空站的資料,因此結論受到局限,有待于利用更多的探空資料去檢驗和擴展。

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[11]蓋均鎰.試驗統計方法[M].北京:中國農業出版社,1999.

Analysis on Changes of Upper-air Cl imateWarm ing in Harb in

Zhang Jinfeng1,Zhang Lijuan1,LiWenliang1and Zheng Hong2

(1.College of Geographical Sciences,Harbin N or m al University,Harbin150025,China; 2.Heilongjiang Clim ate Center,Harbin150080,China)

According to sounding data(1970～2005)in Harbin,the ground and upper-air cl imate changes of the city in 35 years(1970～2005)are analyzed and predicted by using the methods of linear simulation, correlation and regression.The results are as follows:(1)Climate change is obvious in the middle and lower troposphere and the lower stratosphere.It becomeswar mer and wetter in the middle and lower troposphere and the meridionalwind becomes weaker in the lower troposphere.The annual mean wind speed also decreases.The temperature increase can extend to 400 hPa,and specific humidity extends to 400 hPa.(2)Quantitative equation between the carbon dioxide and water vapor is established.Water vapor increases with the increase of carbon dioxide.The carbon dioxide increase one unit as the water vapor increase 0.011 g/kg.(3)There exist a linear relation between temperatures of different levels and specific humidity.The water vapor is of a warming effectwith increase of altitude.

upper-air climate;warming trend;Harbin

P463.3

A

1000-811X(2010)02-0041-04

2009-10-14

黑龍江省科技攻關項目(GC06C10302 S8);哈爾濱市科技創新項目(2007RFXXS029)

張金峰(1982-),男,黑龍江海倫人,碩士研究生,主要從事生態系統模擬研究.E-mail:hanlinger818@sina.com

張麗娟(1965-),女,河北唐山人,教授,博士,主要從事氣象災害系統模擬研究.E-mail:zlj19650205@163.com