青島市嶗山區(qū)51年來氣候變化特征分析

劉春濤，朱俊翰，郭麗娜

(1.山東省青島市嶗山區(qū)氣象局,山東 嶗山 266102；2.山東省青島市氣象局，山東 青島 266003)

近百年以來，全球氣候正經(jīng)歷一次變暖為主要特征的顯著變化，IPCC第3次評估報告指出[1]:自1861年以來，全球地面氣溫一直呈上升趨勢，20世紀全球增溫(0.6±0.2) ℃，且以20世紀90年代增溫最為明顯。《氣候變化國家評估報告》[2]指出，近100 a來中國年平均地表氣溫明顯增加，升溫幅度為0.5～0.8 ℃，比同期全球升溫幅度平均值略高。中國近100 a的增溫主要發(fā)生在冬季和春季，夏季氣溫變化不明顯。近50 a來,中國增溫尤其明顯且主要發(fā)生在20世紀80年代中后期，全國年平均地表氣溫增加1.1 ℃,增溫速率達0.22 ℃/10 a,高于全球或北半球同期平均增幅分別為0.74、0.13 ℃/10 a。近100 a和50 a，中國年降水量變化趨勢不顯著，但是年際波動較大，中國的年降水量存在明顯的區(qū)域差異，近50 a以來，華北、山東半島等降雨日數(shù)、降雨量呈現(xiàn)下降趨勢。近50 a，中國的日照時數(shù)、總云量均呈現(xiàn)減少的趨勢，中國的東部和華北表現(xiàn)最為明顯。

嶗山區(qū)位于山東半島南部的黃海之濱，地處北緯36°05′～36°19′、東經(jīng)120°24′～120°42′,屬暖溫帶大陸性季風氣候，同時兼有海洋性氣候特點，嶗山區(qū)南東二面瀕臨膠州灣與黃海，西部與青島市區(qū)接壤，北部與城陽區(qū)、即墨區(qū)相鄰。嶗山是我國東部海岸線上第一高峰，嶗山頂峰海拔1132.7 m，嶗山區(qū)海岸線全長87.3 km，在全球氣候變暖的大背景下，嶗山區(qū)的氣候也在發(fā)生著明顯變化，呈現(xiàn)什么特點是人們關注的問題。本研究通過對嶗山區(qū)歷史氣象資料的分析，揭示其氣候演變的特征，為嶗山區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展、旅游服務提供理論參考。

1 氣象資料的來源與研究方法

采用的氣象資料為青島市嶗山區(qū)李村國家一般氣象站1965～2015年各年度、季節(jié)平均氣溫、降雨量、日照時數(shù)、平均相對濕度等氣象因子，其中缺少的1994～1998年的日照資料，用距離最近的青島站資料代替。分別統(tǒng)計歷年冬、春、夏、秋季的氣象資料。按照習慣劃分方法，歷年12月到下年2月為冬季、3～5月為春季、6～8月為夏季、9～11月為秋季。

運用Excel 2003、SPSS 22.0軟件進行線性傾向估計[3]、累積距平等方法[4]、Mann-Kendall檢驗法[1](簡稱M-K檢驗)等現(xiàn)代氣候學統(tǒng)計分析方法[5-16]對嶗山區(qū)的氣溫、降雨量、日照時數(shù)和相對濕度時間序列進行分析，以期找出其演變的特征與規(guī)律。

2 嶗山區(qū)氣溫、降水、日照、相對濕度統(tǒng)計特征

51年來嶗山區(qū)多年平均氣溫為12.9 ℃。最暖的年份為2014年，平均氣溫為14.7 ℃；最冷的年份為1977年，平均氣溫為11.3 ℃，一年四季中夏季氣溫最高，多年平均氣溫為24.2 ℃；冬季最低多年平均氣溫為0.3 ℃；春季、秋季多年平均氣溫分別為11.9、12.9 ℃(表1)。

表1 1965～2015年嶗山區(qū)季、年平均氣溫℃

51年來嶗山區(qū)降雨量多年平均值為665.9 mm。年際差異較大，其中1975年最多，為1425.2 mm,1981年最低，僅273.2 mm,四季中夏季降雨量最多平均為389.6 mm,占全年的58.5%；冬季最少平均為29.9 mm,僅占全年的4.9%；春季和秋季多年平均分別為104.3和138.3 mm,分別占全年的15.7%和20.9%(表2)。

表2 1965～2015年嶗山區(qū)季、年降雨量mm

51年來嶗山區(qū)日照時數(shù)多年平均值為2291.8 h，最大值1997年為2615.6 h,最小值2003年為1668.3 h，四季中多年平均春季最多，為689.2 h，占全年的30.1%；冬季最少，平均為409.2 h，占全年的17.8%；夏季和秋季日照比較接近分別為600.2和594.7 h，分別占全年的26.2%和25.9%(表3)。

表3 1965～2015年嶗山區(qū)季、年日照時數(shù)h

51年來嶗山區(qū)相對濕度多年平均值為67.8%。1979年最大值為73.2%，2011年最小值為55.9%；四季中夏季最高多年平均為79.2%，冬季最低為61.9%，春季和秋季分別為62.1%和67.9%(表4)。

表4 1965～2015年嶗山區(qū)季、年相對濕度%

上述分析結果表明，嶗山區(qū)氣候呈現(xiàn)四季分明、雨熱同步的特征。

3 嶗山區(qū)氣溫、降雨、日照、相對濕度的年度變化趨勢

嶗山區(qū)51年溫度、降水、相對濕度、日照氣象要素的年度變化趨勢參見圖1。

由圖1可知，嶗山區(qū)1965～2015年間，年平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢，年日照時數(shù)、年相對濕度均呈現(xiàn)顯著的下降趨勢，而年降雨量呈下降趨勢，線性趨勢不顯著，降雨、日照、相對濕度的年際差異較大，波動較大。

為了定量分析嶗山區(qū)溫度、降雨、日照與相對濕度時間序列的變化趨勢，運用線性傾向估計，建立年及春、夏、秋、冬四季平均氣溫、降雨量、日照時數(shù)、平均相對濕度隨時間變化的一元回歸方程：

y(t)=a+b(t)

上式中，y為氣象要素，t為時間(單位：a)，a為常數(shù)項，b為線性趨勢項，10b表征每10年各氣象要素隨時間變化的傾向率，如果b>0,表示呈上升趨勢，b<0，則表示氣象要素呈下降趨勢。由上式計算得到的嶗山區(qū)年、季平均氣溫、降雨量、日照時數(shù)、相對濕度變化傾向率匯總表列于表5。

由表5結果表明：自1965年以來，嶗山區(qū)春、夏、秋、冬四季以及年度平均氣溫都呈現(xiàn)上升趨勢并且都通過了α=0.05的顯著性檢驗，秋季變化最大為0.063，夏季最小為0.034，變化率絕對值由大到小依次為秋季>冬季>春季>全年>夏季；嶗山區(qū)年降雨量呈現(xiàn)下降的趨勢，各季降雨量出現(xiàn)分化，其中夏季和秋季呈現(xiàn)下降趨勢，而冬季和春季表現(xiàn)為上升趨勢。年、季降雨量都沒有通過了α=0.05的顯著性檢驗，年度和各季降雨量的上升和下降趨勢都不顯著。夏季下降最多為-1.629 mm/10 a，春季降雨量偏多為0.243 mm/10 a；年日照時數(shù)呈下降趨勢，年變化率為-7.944 h/10 a，各季日照時數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，其中夏季下降趨勢明顯變化率為-3.137 h/10 a，年、春、夏、秋季變化趨勢都通過了α=0.05的顯著性檢驗，冬季日照下降不顯著。日照時數(shù)變化率的絕對值有大到小依次為全年>夏季>秋季>春季>冬季；年、季平均相對濕度均呈現(xiàn)下降趨勢，秋季下降最大變化率為-0.236%/10 a，冬季下降最小為-0.095%/10 a，冬季下降不顯著，年、春、夏、秋季相對濕度都通過了α=0.05的顯著性檢驗，相對濕度變化率絕對值由大到小依次為秋季>夏季>全年>春季>冬季。

圖1 嶗山區(qū)氣溫、降雨、日照、相對濕度的年度變化趨勢表5 1965～2015年嶗山區(qū)各氣象要素季、年氣候變化傾向率

氣象要素冬季春季夏季秋季全年平均氣溫0.060*0.055*0.034*0.063*0.054*降雨量0.7800.243-1.629-0.364-1.480日照時數(shù)-1.070-1.373*-3.137*-2.330*-7.944*相對濕度-0.095-0.150*-0.183*-0.236*-0.164*

注：*表示通過了α=0.05的信度檢驗。

4 各氣象要素的階段性變化

累計距平曲線反映了氣象要素隨時間變化增加與降低，長期的變化趨勢反映了氣象要素的長期演變趨勢，曲線上的微小變化反映了氣象要素的短期波動(圖2)。利用累計距平分析法進行分析，嶗山區(qū)1965～2015年氣溫序列分析表明：1965～1988年前后平均氣溫偏低，氣溫波動上升，但是都為負距平。1989～1996年前后，氣溫在距平值上下波動，1997～2015年平均氣溫為正距平，氣溫波動升高，氣候變暖。年降雨量序列分析表明，1975、1970、2007和1985年為多雨期，1981年降雨量最低，降雨量年際波動較大，其中32年降雨量為負距平，占比為62.7%。年日照時數(shù)序列分析表明，1965～1970年日照偏多，1974～2001年日照時數(shù)在距平值附近上下波動，自2002～2015年日照呈現(xiàn)下降趨勢且2002～2008年日照時數(shù)最低，這可能與冬春季的霧霾天氣日數(shù)明顯增多有一定的關聯(lián)。年相對濕度序列分析表明，1965～1979年相對濕度偏高，1980～2000年前后相對濕度在距平值上下波動，總體變化較為平穩(wěn)，2001～2015年相對濕度呈現(xiàn)下降趨勢，其中2011年為最低值，查閱氣象資料表明：2011年嶗山區(qū)從冬季到春季發(fā)生了嚴重干旱，長達153 d沒有降雨。

5 各氣象要素的突變分析

Mann-Kendall方法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗法。此方法的優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常數(shù)值的干擾，更適合于順序變量和類型變量，計算比較簡便，并可以確定突變開始的時間和突變的區(qū)域，是一種常見的突變檢驗方法。

用Mann-Kendall方法分別對嶗山區(qū)氣溫、降雨量、日照時數(shù)和相對濕度時間序列做突變檢測，發(fā)現(xiàn)各季和全年的降雨量、冬季的日照時數(shù)、冬季的相對濕度不存在突變現(xiàn)象，溫度、濕度和日照時數(shù)都存在明顯的突變現(xiàn)象。

圖2 嶗山區(qū)1965～2015年氣溫、降雨量、日照時數(shù)、相對濕度累計距平曲線

由氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線的年UF、UB曲線可見，1965～1972年嶗山區(qū)的年平均氣溫持續(xù)下降，從1973年開始氣溫逐漸上升，且增溫明顯，1991年以來增溫尤為顯著，1988年前后出現(xiàn)了突變，年平均氣溫突然上升，20世紀90年代以后升溫更加明顯，經(jīng)歷了由偏冷向偏暖趨勢轉變，進入了一個相對變暖的氣候狀態(tài)，各季節(jié)的氣溫突變發(fā)生的時間分別為：冬為1990年前后、春季1993年前后、夏季1997年前后、秋季為1989年前后(圖3)。

由日照時數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線的年UF、UB曲線可見，嶗山區(qū)1966～1968年、1985～1997年日照時數(shù)呈增加的趨勢，1969～1997年、1998～2015年日照時數(shù)呈現(xiàn)減少的趨勢，2003年以來顯著減少，說明嶗山區(qū)的日照時數(shù)減少的趨勢及其顯著。UF曲線和UB曲線的交點在1972年前后，日照時數(shù)開始突變減少，各季的突變時間分別為春季1973年前后、夏季1993年前后、秋季為1998年前后(圖4)。

根據(jù)相對濕度Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線的年UF、UB曲線可知，1965～1967年、1969～1977年，嶗山區(qū)年相對濕度呈上升趨勢，自1979年以來，相對濕度下降趨勢十分顯著，自20世紀90年代以來由于氣溫上升，飽和水氣壓增大，使得相對濕度迅速下降，UF曲線與UB曲線在1992年前后相交，說明年相對濕度下降是一種突變，1996年下降趨勢更加顯著，各季節(jié)相對濕度突變發(fā)生的時間各有差異，春季在2001年前后、夏季在1991年前后、秋季在1985年前后(圖5)。

以上氣溫、日照時數(shù)和相對濕度發(fā)生突變的情況與表5回歸分析得出的結論是一致的。氣候變化趨勢一般可以分為4種基本類型：暖干型、暖濕型、冷干型和冷濕型[12]。綜上所述，1965～1979年前后，氣溫波動上升但是為負距平，降雨量偏多、濕度較大表現(xiàn)為冷濕型氣候；1980年以來尤其是1990年以后，平均氣溫顯著升高，降雨量偏少、相對濕度偏少，嶗山區(qū)全年及夏季、秋季為表現(xiàn)為暖干型氣候，冬季和春季為暖濕型氣候，青島市嶗山區(qū)的這種氣候特點比較適合在夏秋季節(jié)旅游度假。

6 小結

通過以上線性傾向分析、累計距平和突變檢驗分析可知，在全球氣候變暖的大背景下，嶗山區(qū)的氣候也再發(fā)生明顯的變化。其主要變化特征如下：

(1)51年來，青島市嶗山區(qū)的年和春夏秋冬四季平均氣溫都表現(xiàn)為顯著性上升趨勢，1988年前后年平均氣溫發(fā)生突變，氣溫明顯升高，春、夏、秋、冬四季在20世紀90年代以后升溫趨勢更加顯著，但是年平均增溫速率為0.054 ℃/10 a，低于我國和北半球同期平均速率(0.22/10 a、0.13/10 a)，也與我國近100年的增溫主要發(fā)生在冬季和春季，夏季變化不明顯存在差異[1]。

(2)51年來，嶗山區(qū)年降雨量表現(xiàn)為下降的趨勢，其中夏季和秋季呈現(xiàn)下降趨勢，而冬季和春季表現(xiàn)為上升趨勢。而年度和各季降水量變化趨勢都不顯著，無明顯線性變化趨勢，但是年際波動較大，這與我國近50年來華北、山東半島等降雨日數(shù)、降雨量呈現(xiàn)下降趨勢的結論是一致的[1]。

粗虛線為α=0.05顯著性水平臨界值。下同。圖3 嶗山區(qū)氣溫Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線

圖4 嶗山區(qū)日照時數(shù)Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線

圖5 嶗山區(qū)相對濕度Mann-Kendall統(tǒng)計量曲線

(3)51年來，嶗山區(qū)年日照時數(shù)在波動中明顯下降，年線性傾向率為-7.944 h/10 a,冬季下降趨勢不顯著，春季、夏季和秋季的日照時數(shù)顯著下降。年日照時數(shù)在1972年前后發(fā)生了突變，日照時數(shù)顯著減少，20世紀90年代后期減少幅度更加明顯。

(4)嶗山區(qū)年和春、夏、秋季平均相對濕度呈顯著下降趨勢，1993年前后年相對濕度發(fā)生了突變現(xiàn)象，下降趨勢尤其明顯，與同期平均氣溫升高顯著相關。

綜上所述，51年來，嶗山區(qū)的氣候由于受大陸性季風氣候和海洋性氣候的共同影響，表現(xiàn)為四季分明，雨熱同步。嶗山區(qū)平均氣溫顯著升高，但降溫幅度較低，降水量下降不顯著，年際差別較大，日照時數(shù)顯著減少，平均相對濕度顯著降低，總體來看在1965～1979年前后，嶗山區(qū)氣候主要表現(xiàn)為冷濕型氣候；1980年以來尤其是1990年以后，嶗山區(qū)全年及夏季、秋季表現(xiàn)為暖干型氣候，冬季和春季表現(xiàn)為暖濕型氣候。