定陶縣近40年氣候變化特征與成因探析

吳玉芳，張艷偉，樊景豪，李瑞英

(1.定陶縣氣象局，山東 定陶 274100;2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092;3.菏澤市氣象局，山東 菏澤 274000)

分析區(qū)域氣候變化，旨在于了解當(dāng)?shù)貧夂蜃兓奶厥庑裕瑸樘岣叨唐跉夂蝾A(yù)測的準(zhǔn)確率、研究物候期的變化、提高作物產(chǎn)量與品質(zhì)、因地制宜制定防災(zāi)減災(zāi)措施、保護(hù)環(huán)境及合理開發(fā)利用自然資源等提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。廉麗姝研究山東近40年氣候變化，指出山東年平均氣溫有顯著的上升趨勢，其中冬季氣溫增幅最大，與全國氣候變化趨勢基本一致［1］。王業(yè)宏指出近55年山東夏季降水以－15.386 mm/10a的氣候傾向率呈下降趨勢［2］;陳德英提出濟(jì)南市近50年日照時數(shù)以－129.7 h/10a的氣候傾向率減少［3］;張秀珍分析濰坊市氣候變化特征，發(fā)現(xiàn)該市年降水量以－24.351 mm/10a的氣候傾向率減少，氣溫增溫率是0.262℃/10a［4］;王曉默發(fā)現(xiàn)兗州近40年年平均氣溫每10年上升0.27℃，降水的減少率為－6.8 mm/10a，日照時數(shù)的氣候傾向率是－137.6 h/10a［5］;朱秀紅分析了五蓮縣1961～2005年氣候變化特征，結(jié)論是該縣年平均氣溫以0.3℃/10a的氣候傾向率上升，降水以－16.5 mm/10a的變率減少［6］。以上氣候研究表明，山東各地氣溫、日照時數(shù)氣候傾向率相差不大，降水地域性特征明顯。為了解當(dāng)?shù)貧夂蜃兓c山東其他市縣的異同點，深入探究氣候變化、異常的原因，本文進(jìn)行詳細(xì)的分析。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文資料來源定陶氣象站1971～2010年地面觀測歷史記錄。氣溫包括日、月、年平均氣溫和年平均最高、年平均最低氣溫;降水包括月、年降水量及年暴雨、大暴雨日數(shù);日照時數(shù)包括月、年日照時數(shù);云量包括8時、14時月平均云量。

1.2 分析方法

距平值計算公式為P=X－Y，X為年代或年平均值，Y為近40年同期歷年平均值;距平百分率計算公式為M=(X－Y)/Y×100%，其中X與Y同距平值計算公式;分析要素氣候傾向率，采用線性回歸分析法［7］，建立一元線性回歸方程y=b0+b1x，其中回歸系數(shù)b1為y變化的傾向率;繪制多項式擬合線判斷未來趨勢;根據(jù)年降水距平百分率(MRR)將旱澇災(zāi)情分為7個等級:MRR≤－60為特旱、－60＜MRR≤－40為重旱、－40＜MRR≤－20為輕旱、－20＜MRR≤20為正常、20＜MRR≤40為輕澇、40＜MRR≤60為重澇、MRR＞60為特澇［8］;暴雨與大暴雨日依照日降水量(R)判定:100 mm＞R≥50 mm為暴雨日、250 mm＞R≥100 mm為大暴雨日［9］;冷空氣等級以過程降溫與溫度負(fù)距平相接合劃分:過程降溫5℃ ～7℃且溫度負(fù)距平絕對值≤3℃為一般冷空氣、過程降溫8℃ ～9℃且溫度負(fù)距平絕對值等于4℃為強冷空氣、過程降溫≥10℃且溫度負(fù)距平絕對值≥5℃為寒潮［10］;本站4次基本觀測(2、8、14、20時)中只有8時、14時在日出日落時間內(nèi)［11］，為分析云量與日照時數(shù)的相關(guān)性，將8時與14時云量平均作為日平均云量。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫變化特征及影響因素

2.1.1 氣溫的年代際變化 對比分析四個年代平均氣溫的變化(表1)，春季二十世紀(jì)后三年代變化不明顯，2001～2010年出現(xiàn)了跳躍式上升，距平由90年代的－0.2℃躍變?yōu)?0.7℃;夏季四年代變化較小，2001～2010年的四季平均氣溫中只有夏季距平為負(fù)值;秋季80年代最低，2001～2010年最高;冬季隨年代攀升，90年代跳變幅度較大，距平由80年代的－0.4℃升為+0.4℃，2001～2010年較90年代沒有明顯變化。年平均氣溫80年代最低，90年代較歷年同期略偏高，2001～2010年較前三年代偏高明顯。以上分析表明，80年代為低溫期，90年代為升溫期，2001～2010年為高溫期。

表1 定陶縣近40年各年代平均氣溫、距平值(單位:℃)Table 1 Mean annual air temperature and the anomalies in recent 4 decades at Dingtao(℃)

圖1 定陶縣1971～2010年氣溫年際變化Fig.1 The distribution of the air temperature of annual mean from the year 1971 to 2010

2.1.2 氣溫的年際變化 從圖1看出年平均氣溫在歷年平均值附近波動，1997年始，在平均線以下的年份較少，年平均氣溫以0.232℃/10a的增溫率升高。年平均最高、平均最低氣溫增溫率分別為0.103℃/10a、0.359℃/10a，可見平均最高與平均最低氣溫變化是非對稱的，氣溫日較差有變小的趨勢，這表明當(dāng)?shù)貧夂蜃兣靡嬗谄骄畹蜌鉁氐纳仙Ｋ募練鉁鼐猩叩内厔?圖略)，增溫率分別為:春季0.268℃ /10a、夏季0.016 ℃ /10a、秋季0.169 ℃ /10a、冬季0.429℃/10a，冬季升溫對氣候變暖貢獻(xiàn)顯著。

2.1.3 氣候變暖的相關(guān)因素 由氣溫年代際、年際變化分析看出四季氣溫變化并不相同，夏季天氣較復(fù)雜，不僅受大氣環(huán)流影響，還受到中小尺度系統(tǒng)作用，氣溫上升幅度小、趨勢不明顯。分析影響氣溫的因素，發(fā)現(xiàn)氣溫的變化與冷空氣活動有一定的相關(guān)性。對比表2與表1，80年代冷空氣活動的總次數(shù)較70年代稍有增加，強度也略有增大，年平均氣溫稍有降低;90年代冷空氣活動總次數(shù)大幅度減少(距平值由80年代的+8次減為－9次)，其中強冷空氣與寒潮次數(shù)較80年代減少了2次，這恰好與90年代的快速升溫相對應(yīng);2001～2010年冷空氣活動總次數(shù)較90年代略有增加，但強冷空氣與寒潮的次數(shù)較90年代明顯減少，2001～2010年的年平均氣溫在90年代的基礎(chǔ)上繼續(xù)上升，但速度略有減緩。對比分析表明冷空氣活動對氣候變暖起到減緩或助長的作用，不決定其總體趨勢。

表2 定陶縣近40年各年代冷空氣(包括一般、強冷空氣與寒潮)次數(shù)與強度(強冷空氣與寒潮次數(shù))(單位:次)Table 2 The frequencies and intensities of cold air events(including common，strong and cold waves)occurred in each decade from 1971 to 2010

2.2 降水變化特征及厄爾尼諾事件對降水的影響

2.2.1 降水的年代際變化 分析表3，春季降水量90年代最多;2001～2010年最少，主要原因是2001年的春季僅有0.4 mm的降水量。夏季降水量80年代最少，距平百分率低達(dá)－15%，期間有6年距平百分率為負(fù)值;2001～2010年最多，距平百分率高達(dá)+16%，期間有7年距平百分率為正值。秋冬兩季降水量四個年代沒有明顯差距。年降水量80年代最少，期間有6年距平百分率為負(fù)值;2001～2010年最多。夏季與年降水量從多到少年代先后順序均是:2001～2010年＞70年代＞90年代＞80年代。由此可見，2001～2010年為多雨年代，80年代為少雨年代。

2.2.2 降水的年際變化 由圖2看出近40年年降水量最多在2003年，最少在1988年，差值達(dá)831.3mm。相鄰年份間年降水量相差最大的是2002～2003年，差值達(dá)824.6 mm。降水量隨年度波動式變化，振幅較大，降水不均勻。結(jié)合暴雨、大暴雨日數(shù)分布(圖3)分析出:1971～1974年、1992～1996年、2003～2010年為多雨期;1975～1991年、1997～2002年為少雨期。年與四季降水量傾向率分別為:13.454 mm/10a、1.425 mm/10a、10.837 mm/10a、0.568 mm/10a、0.002 mm/10a，再比較各降水量曲線的變化形式，發(fā)現(xiàn)年與夏季最相似，可見當(dāng)?shù)亟邓饕性谙募尽哪杲邓康乃碾A多項式擬合線看出未來降水有振蕩性增加的趨勢。

表3 定陶縣近40年各年代降水量、距平百分率Table 3 Annual mean precipitation and the anomalies in the recent 4 decades at Dingtao

2.2.3 年度旱澇特征 由降水量距平百分率劃定年度的旱澇特征，輕澇的年份是1971～1972、1984、1993 ～1995、2004 ～2005 年;特澇的年份是2003 年;輕旱的年份是1976、1986、1997、1999、2001 年;重旱年份是1988、2002年。總體來看旱澇災(zāi)情有明顯的階段性，主要集中在1971～1972年、1984～1988年、1993～2005年，1993～2005年明顯加重。結(jié)合圖2分析旱澇年份夏季降水量，澇的年份均是夏季降水偏多，重旱的年份均是夏季降水偏少，5年的輕旱中，有2年是因為夏季降水偏少，3年因為春、夏、秋三季均偏少。可見年度旱澇特征與夏季降水量關(guān)系密切。

2.2.4 厄爾尼諾事件與異常降水的相關(guān)性 影響當(dāng)?shù)亟邓囊蛩囟喽鴱?fù)雜，近期在探析El Nino事件與當(dāng)?shù)禺惓夂虻年P(guān)系時發(fā)現(xiàn):近40年夏、秋、冬三季降水量最小值(分別為122.3 mm、22.4 mm、0.2 mm)，均出現(xiàn)在著名的El Nino事件年(1997年、1998年、1983年)［13］;1987年El Nino結(jié)束時間下跨至1988年1月［13］，1988年年降水量僅357.1 mm，為40年最少，是重旱年;2002年為較強的 El Nino事件年［14］，年降水量363.8 mm，為40年次少，是重旱年;El Nino出現(xiàn)的次年影響山東的熱帶氣旋偏多［13］，2003年年降水量達(dá)1188.4 mm，距平百分率為+79%，是近40年唯一的特澇年。以上分析表明厄爾尼諾事件與當(dāng)?shù)禺惓＝邓嚓P(guān)性較好。

2.3 日照時數(shù)變化特征及影響因素

2.3.1 日照時數(shù)的年代際變化 比較四年代日照時數(shù)(表4)，年日照時數(shù)隨年代持續(xù)減少，2001～2010年較70年代減少461.8 h，40年中有3年低于2000 h，均出現(xiàn)在2001～2010年期間。四季日照時數(shù)最多均是70年代，夏、秋、冬三季最少均是2001～2010年，春季最少是90年代;四季中降幅最大的是夏季，2001～2010年較70年代減少了189.9 h，距平百分率由+15%下降至－14%;其次是秋季，2001～2010年比70年代減少128.4 h，距平百分率由+11%降至－13%。

表4 定陶縣近40年各年代日照時數(shù)、距平百分率Table 4 Annual mean sunlight hours and the anomalies in the recent 4 decades at Dingtao

2.3.2 日照時數(shù)的年際變化特征 近40年年日照時數(shù)呈波動式且以－135.21 h/10a的氣候傾向率不斷減少，結(jié)合多項式擬合趨勢線(圖4)，可判定未來年日照時數(shù)仍有減少的趨勢，但幅度較小。年日照時數(shù)降幅較大的時段有兩個，分別是:1978～1984年(變化率為－75.256 h/a)、1999～2003年(變化率為－101.97 h/a)。四季日照時數(shù)都有減少的趨勢(冬、春圖略)，傾向率分別是:－16.632 h/10a(春)、－55.236 h/10a(夏)、－37.2 h/10a(秋)、－24.255 h/10a(冬)。可見夏秋兩季日照時數(shù)的氣候傾向決定著年日照時數(shù)的總體趨勢。

圖4 定陶縣1971～2010年日照時數(shù)年際變化Fig.4 The distribution of annual sunlight hours from the year 1971 to 2010

2.3.3 影響日照時數(shù)的因素 近代經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，工業(yè)突飛猛進(jìn)，資源大量消耗，自然生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞，大氣中的氣溶膠、灰塵、顆粒物等消光物質(zhì)越來越多，致使太陽直接輻照度減弱，日照時數(shù)呈普遍減少的趨勢［3］。眾所周知，云與降水是影響日照時數(shù)最直觀的因素。對比分析年代際日照時數(shù)與同期降水量、云量的關(guān)系(表3、表4、表5)，春季時數(shù)四年代中90年代最少，90年代春季降水量與云量恰為四年代中最多;夏季時數(shù)2001～2010年較90年代大幅度減少，對應(yīng)降水量與云量均大幅度增加;秋季時數(shù)2001～2010年減少幅度緊次于夏季，2001～2010年秋季云量較90年代明顯增多;冬季云量90年代較80年代明顯減少，相應(yīng)日照時數(shù)有少許增加。近40年夏季日平均云量最多與同期日照時數(shù)最少均為2007年;夏季日平均云量最少的年份是1997年，夏季日照時數(shù)1997年為1979～2010年最大;從日照時數(shù)與云量的三階多項式擬合線(圖5、圖6)看出，兩者存在相關(guān)性。分析圖4與圖2，年日照時數(shù)最小值出現(xiàn)在2003年，該年的年降水量恰好是近40年最大。以上分析說明降水量與云量的增減對日照時數(shù)減少起到促進(jìn)或制約的作用，但不能決定其總體趨勢。

表5 定陶縣近40年各年代平均云量與距平值(單位:成)Table 5 Mean annual cloudage and the anomalies of the recent 4 decades at Dingtao

3 結(jié)論

(1)80年為低溫期;90年代為升溫期;2001～2010年相對為高溫期。年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的氣候傾向率分別是:0.232℃/10a、0.103℃/10a、0.359℃/10a，平均最高與平均最低氣溫變化是非對稱的，氣溫日較差有變小的趨勢，當(dāng)?shù)貧夂蜃兣靡嬗谧畹蜌鉁氐牟粩嗌仙?四季氣溫都有升高的趨勢，冬季升溫對氣候變暖貢獻(xiàn)最顯著。分析冷空氣活動與氣溫變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)冷空氣活動對氣候變暖起到減緩或助長的作用，但只是疊加效應(yīng)，不決定其總體趨勢。

(2)2001～2010年為多雨年代，80年代為少雨年代。降水量隨年度波動式變化，振幅較大，降水不均勻。1971～1974年、1992～1996年、2003～2010年為多雨期，1975～1991年、1997～2002年為少雨期。未來降水有振蕩性增加的趨勢，氣候傾向率為13.454 mm/10a。年度旱澇特征與夏季降水量關(guān)系密切，旱澇災(zāi)情有階段性，集中在1971～1972年、1984～1988年、1993～2005年，1993～2005年明顯加重。探析El Nino事件對當(dāng)?shù)亟邓挠绊懀l(fā)現(xiàn)El Nino與當(dāng)?shù)亟邓惓Ｏ嚓P(guān)性較好。

(3)年日照時數(shù)隨年代減少，2001～2010年較70年代偏少461.8 h，近10年已有3年低于2000小時。年日照時數(shù)以－135.21 h/10a的傾向率減少，未來減幅有變小的趨勢。降幅較大的時段有兩個，分別是1978～1984年、1999～2003年。四季中夏季日照時數(shù)減少最快。分析降水量、云量與日照時數(shù)的變化關(guān)系，看出降水量與云量的增減對日照時數(shù)減少起到促進(jìn)或制約的作用，并不能決定其總體趨勢。

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