河源地區氣溫變化特征及其與ENSO的關系

曾欽文，羅瑞婷，曾思亮，殷美祥

(1.廣東省龍川縣氣象局，廣東 龍川　517300 ；2.廣東省清遠市氣象局，廣東 清遠　511515；3. 廣東省氣象公共服務中心，廣東 廣州　510640)

1　引言

近年來,全球氣候變暖不斷加劇，IPCC第5次評估報告表明1880—2012 年全球地表均溫約升高0.85℃,呈現持續上升的趨勢。過去30 a，全球地表增暖幅度居1850年以來最高水平[1]。此外,大量數據與研究結果表明,最近100余年來中國平均氣溫變化與全球平均氣溫變化趨勢最為相似[2-3]。而這種氣候變化又呈現較顯著的區域性差異[4]。當前,不少學者對不同地區的氣溫變化做了許多研究[5-9]。譚方穎等[10]對華北平原近幾十年氣候變化作了研究分析，楊明等[11]對西部地區的近50a 氣候變化特征進行了相關分析，丁麗佳等[12]對廣東地區平均氣溫的時空變化進行了研究，這些研究結果均表明氣候變化導致不同地區的熱量資源顯著增加，而其增加又存在明顯地域性差異。河源地處廣東東北部、東江中上游，屬于亞熱帶季風性氣候，旱澇災害頻發[13-15]，本文將利用1960—2016 年河源地區氣溫等氣象觀測資料與對應年份的ENSO事件資料，分析河源地區近57 a來的氣溫變化特征，以及ENSO事件對河源地區氣溫的影響，旨在為河源地區氣候預測和防災減災提供科學依據。

2　研究資料和方法

本研究所用的資料主要有河源地區的東源、紫金、龍川、和平、連平5個國家氣象站1960年1月—2017年2月的逐月氣溫數據以及NOAA(美國海洋和氣象管理局)海溫數據，其中河源地區區域月、年的氣溫采用算術平均的方法，即計算河源地區5個氣象站逐月、年平均氣溫取算術平均值來代表區域月、年平均氣溫[16]，本文所有涉及的氣溫均為區域氣溫。四季劃分則按照春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月—次年2月)劃分。

本研究還將利用線性傾向、滑動平均、Mann-Kendall突變檢驗等統計方法，同時，結合小波分析方法，分析河源地區1960—2016年氣溫變化特征，嘗試探討河源地區氣溫與ENSO事件之間的相關關系。

3　氣溫變化特征分析

3.1　氣溫的空間特征

由表1 可知，河源地區5個氣象站近57a年平均氣溫為20.8 ℃。其中，中南部的東源、紫金的年均溫相對較高，分別為21.8 ℃、21.0 ℃，而龍川站點位于河源的中部地區，年平均氣溫跟紫金則持平，為21.0 ℃；北部地區的和平、連平的年均溫相對較低，分別為19.9 ℃、20.3 ℃；而年平均最低氣溫也出現在北部的和平站，為19.0 ℃，年平均最高氣溫則出現在河源中部地區的東源站，為22.8 ℃。

表1　1960—2016 年河源地區5站氣溫要素基本統計特征量(單位：℃)Tab.1　The basic statistical characteristics of temperature factors at 5 stations in Heyuan area in 1960—2016 years (unit:℃)

3.2　年、季氣溫變化特征

根據四季氣溫變化趨勢可知(圖1)，近57 a河源地區的四季氣溫均呈遞增趨勢，其中，春季氣溫隨時間序列以0.083 ℃/10 a的速率遞增(圖1a)，其相關系數為0.178，不能通過相關性0.05的顯著檢驗；夏(圖1b)、秋(圖1c)、冬(圖1d)季氣溫氣候傾向率分別為0.143 ℃/10 a、0.248 ℃/10 a、0.274 ℃/10 a，相關系數分別為0.584、0.596、0.396，均通過了相關性0.01的顯著性檢驗，表明河源地區夏、秋、冬季氣溫上升趨勢顯著。5 a滑動平均表明，近57 a河源地區四季氣溫變化均呈波動性增—減相間的態勢，且有明顯的階段性上升特點。

從年平均氣溫趨勢分析(圖1e)可知，近57 a年河源地區年平均氣溫隨時間序列以0.172 ℃/10 a速率遞增，其相關系數為0.640，通過了相關性為0.01的顯著性檢驗，表明河源地區年平均氣溫上升趨勢明顯。5 a滑動平均表明，河源地區年平均氣溫大致分為3個變化階段：其中20世紀60—70年代初氣溫大致呈略降趨勢、70年代中期—21世紀初則呈現整體大幅度上升的特點、21世紀初—2012年又呈下降趨勢，2012年至今則呈現上升趨勢。

3.3　年、季氣溫突變分析

河源地區年、四季平均氣溫——K突變檢驗(圖2)可知，近57 a河源地區氣溫在20 世紀80 年代中后期—90 年末期發生1次較為明顯的由冷到暖的突變，這與全國乃至全球范圍氣候變暖的大背景相一致[17]。其中，春季(圖2a)UF曲線在1997年之前總體呈下降升趨勢，1997年之后成上升趨勢，且UF和UB曲線出現多個突變點，經過滑動t檢驗表明，1998年為真正突變點，但UF曲線沒有超過α=0.05顯著性水平檢驗，說明升高趨勢不明顯；夏季(圖2b)UF曲線總體呈上升趨勢，UF和UB曲線在1987年相交，UF曲線在1988年超過α=0.05顯著性水平，表明夏季氣溫在1987年開始突變，1988年后氣溫升高幅度增大；秋季(圖2c)UF曲線則1980年前呈下降趨勢，之后總體呈上升趨勢，且UF和UB曲線在1996年相交，UF曲線在1999年超過α=0.05顯著性水平，表明秋季氣溫在1996年開始突變，1999年后升高幅度增大；冬季(圖2d)UF曲線總體呈上升趨勢，UF和UB曲線在1987年相交，UF曲線在1999年超過α=0.05顯著性水平，表明冬季氣溫在1987年開始突變，1999年后氣溫升高幅度增大；年平均氣溫(圖2e)UF曲線總體呈上升趨勢，UF和UB曲線在1991年相交，UF曲線在1997年超過α=0.05顯著性水平，年平均氣溫在1991年開始突變，1997年后氣溫升高幅度增大。

圖1　1960—2016 年河源地區季、年平均氣溫變化特征Fig.1　The characteristics of the seasonal and annual mean temperature changes in Heyuan area in 1960—2016 years

圖2　1960—2016年河源地區年、季氣溫的M-K突變檢驗Fig.2　Mann-Kendall mutation test of annual and seasonal temperature in Heyuan area in 1960—2016 years

3.4　年氣溫小波分析

根據河源地區1960—2016年的年平均氣溫做Morlet 小波變換，得到的小波系數實部等值線分布圖(圖3a)，由圖可知，近57 a河源地區年平均氣溫變化過程中存在著5～6、14～15以及24 a的周期變化規律，其中5～6 a的振蕩變化具有全域性的變化特征，根據對應的小波方差(圖3b)可知，5～6 a為氣溫變化的第1主周期、14～15 a為第2主周期、24 a為第3主周期。

圖3　1960—2016年河源地區年平均氣溫Morlet小波分析(a)、小波方差(b)Fig.3　Morlet wavelet analysis(A)and wavelet variance(B) of annual average temperature in Heyuan area in 1960—2016 years

4　氣溫與ENSO事件相關分析

4.1　ENSO事件的判定與強度劃分

本研究還將結合李曉燕等[19]對ENSO事件的指標劃分，把 ENSO 事件強度劃分為不同等級，其中將El Nio事件年強弱程度劃分為：極強、強(3)、中等(2)、弱、極弱(1)；La Nia事件年劃分為：極強、強(-3)、中等(-2)、弱、極弱(-1)；非ENSO事件年則劃分為正常年(0)。

4.2　氣溫與ENSO事件的相關性

通過對河源地區氣溫與ENSO事件強度變化對比(圖4)可知，在氣溫偏低的20世紀60—80年代末期之間發生的El Nio事件年，雖大部分年平均溫在平均值以下，但仍比正常年分略有偏高；在氣溫偏高的90年代初至今發生的El Nio事件年中，大部分仍比正常年份偏高為主。尤其是對1998年、2002年、2009年和2015—2016年氣溫的增加非常顯著，在這5個El Nio事件年，年平均氣溫距平均達到較高值，其中歷史極值則出現在1997年(El Nio年)后的1998年。而La Nia事件年，河源地區的氣溫明顯偏低，并且降溫趨勢明顯，尤以1976年和1984年氣溫的降低明顯，距平值達到了歷史較低值，且歷史極值則出現在1975年(La Nia年)后的1976年。因此說明，ENSO事件對河源地區的溫度影響最明顯是在次年。

圖4　1960—2016年河源地區年平均氣溫變化與ENSO事件強度對比分析Fig.4　Comparison and analysis of annual average temperature change and ENSO event intensity in Heyuan area in 1960—2016 years

4.3　ENSO事件對氣溫的滯后性

根據4.1結論可知ENSO事件對氣溫的影響存在滯后性，為了進一步檢驗氣溫異常和ENSO事件的最大相關不同步，而是滯后一段時間才與ENSO 事件達到最大相關,本文分El Nio 和La Nia兩類海溫異常事件與之對應的同期海溫距平以及滯后1～6 個月的月平均氣溫資料，利用SPSS19數據分析軟件進行相關性分析(表2)，研究ENSO事件對河源地區氣溫的滯后性影響。

表2　ENSO事件與河源地區同期及滯后1～6 個月氣溫相關分析Tab.2　Correlation analysis of ENSO events with air temperature and 6-month temperature lag in Heyuan area

注：*表示相關系數通過95%置信水平檢驗，**表示相關系數通過99%的置信水平檢驗。

Note： * indicates that the correlation coefficient passes the 95% confidence level test, ** indicates that the correlation coefficient passes the 99% confidence level test.

5　小結

①近57a河源地區年平均氣溫和四季平均氣溫均呈遞增趨勢，且年平均氣溫與夏、秋、冬季氣溫上升趨勢顯著，春季氣溫上升趨勢不明顯。

②通過M-K突變檢驗可發現，近57a河源地區氣溫在20 世紀80 年代中后期—90 年代末發生1次較為明顯的由冷到暖的突變。其中，年平均氣溫在1991年發生突變，春季氣溫在1998年發生突變，夏季氣溫在1987年發生突變，秋季氣溫在1996年發生突變，冬季氣溫突變發生在1987年。

③小波分析表明，近57a河源地區年平均氣溫變化存在5～6、14～15及24 a的周期變化規律。

⑤通過相關性檢驗表明，ENSO事件對氣溫的影響存在滯后性。河源的氣溫對El Nio和La Nia事件均需要滯后1月相應才逐漸顯著。