1970-2014年云南省氣溫日較差變化特征及影響因子

曹 言, 王 杰, 柴素盈, 戚 娜

(1.云南省水利水電科學研究院, 昆明 650228; 2.云南省環(huán)境科學研究院, 昆明 650034)

隨著全球氣候變暖的加劇，從不同角度探討氣溫變化特征已成為當今氣候變化研究的熱點。氣溫日較差(DTR)是表征氣候變化的一個重要指標[1]，其不僅能夠反映出區(qū)域性氣溫變化幅度特征，還能夠影響到地區(qū)氣候干濕狀況和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2-5]。因此DTR時空變化特征、變化原因及其與諸多氣象因子的相關(guān)分析等研究受到諸多學者的關(guān)注[5-9]。如石巖[6]、白松竹[5]等、周宇等[7]、楊曉玲等[8]及劉強吉等[9]分別對中國區(qū)域、阿勒泰地區(qū)、額爾齊斯河流域、上海市及武威市氣溫日較差DTR變化特征及其影響因子進行了研究，結(jié)果表明各地區(qū)DTR基本上呈減小趨勢，但減小幅度差異較大，但由于不同區(qū)域氣候條件和地形地貌特征存在差異性，影響DTR的因子各不相同，如中國區(qū)域小時平均降水量與DTR呈負相關(guān)關(guān)；阿勒泰地區(qū)年均DTR與降水量和水汽壓相關(guān)性最大；額爾齊斯河流域年DTR與平均氣溫和降水量關(guān)聯(lián)性最強；上海市年均DTR與日照時數(shù)呈正相關(guān)，與降水量呈負相關(guān)；武威市年均DTR的主要影響因子依次是蒸發(fā)量、平均氣溫、平均風速、日照時數(shù)。因此開展不同尺度氣溫日較差變化特征及其影響因子的研究是必不可少。

云南省氣候?qū)儆趤啛釒Ц咴撅L型，氣候類型復雜多樣，且立體氣候顯著，雨季和旱季分明，年溫差小，日氣溫差大。近年來云南省年平均氣溫明顯上升[10-11]，而目前針對云南省氣溫日較差DTR時空變化的研究還相對較少，且已有的研究還主要集中在年/季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫變化特征的研究[12-16]，如羅燕等[12]研究表明1961—2008年云南極端高溫閾值大于36℃的中心主要分布在低海拔的金沙江河谷、紅河河谷及昭通和西雙版納地區(qū)；卜明等[13]研究表明1960—2012年云南省年平均氣溫呈上升趨勢，且冬季升溫最顯著，升溫幅度較大地區(qū)主要分布在滇西和滇西南；張萬誠等[14]研究表明1961—2012年云南省年平均和四季最高(最低)氣溫呈現(xiàn)北低南高的分布特征，且整體呈現(xiàn)出由滇西北向南隨緯度的降低而增加的趨勢；楊曉靜等[15]研究表明1958—2013年云南省極端高溫事件發(fā)生頻率及持續(xù)時間均顯著大于低溫事件，且最低氣溫增溫幅度高于最高氣溫；程清平等[16]研究表明1960—2013年云南省年平均地溫、年平均最低地溫整體呈南高北低，年平均最高地溫呈西北、東北低，中南部高的分布特征，且與緯度和海拔呈極顯著負相關(guān)。而與平均氣溫變化相比較，氣溫日較差不僅可以反映出最高、最低氣溫的非對稱性變化特征，還能夠反映出氣候變化中的人類活動效應。因此本文利用1970—2014年云南省30個氣象站點的逐日觀測資料，計算并分析DTR的時空變化特征，探討DTR的影響因子，從而為掌握地區(qū)氣候變化規(guī)律、改善生態(tài)環(huán)境和促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

選取由中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供1970—2014年云南省30個氣象站點的最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、平均風速、日照時數(shù)、相對濕度等逐日觀測數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行了一致性檢驗和質(zhì)量控制。根據(jù)氣候、地理、社會經(jīng)濟技術(shù)條件及農(nóng)業(yè)種植分區(qū)等因素，以縣級行政區(qū)位基本單元，將云南省分為滇西北、滇西南、滇中、滇東北和滇東南5個分區(qū)[17]，其中滇西北包括6個站點、滇西南包括11個站點、滇中地區(qū)包括9個站點、滇東北和滇東南均包括2個站點，具體分布如圖1所示。

圖1云南省氣象站點分布

1.2 氣溫日較差

氣溫日較差是日最高氣溫與日最低氣溫之差，具體公式如下：

DTR=Tmax-Tmin

(1)

式中：DTR為氣溫日較差(℃)；Tmax為日最高氣溫(℃)；Tmin為日最低氣溫(℃)。

1.3 潛在蒸散量

潛在蒸散量ET0根據(jù)Penman-Monteith[18]公式計算而得，具體公式如下：

(2)

式中：ET0是參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)；Δ是飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/℃)；Rn是作物冠層表面的凈輻射[MJ/(m2·d)]；G是土壤熱通量[MJ/(m2·d)]，在逐日估算時取G=0；T是日平均氣溫(℃)，按最高氣溫(Tmax)和最低氣溫(Tmin)的算術(shù)平均值計算；u2是2 m高度處的風速(m/s)；ea是飽和水汽壓(kPa)；ed是實際水汽壓(kPa)；γ是干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

1.4 分析方法

采用Mann-Kendall檢驗[19]和小波分析[20]對氣溫日較差的序列進行趨勢分析和周期分析，其中顯著性水平α為0.05，0.01，當α≤0.01，即|Z|>2.58時，說明檢驗具有高度顯著性水平，當0.01<α≤0.05，即|Z|>1.96時，說明檢驗是顯著的，當α計算結(jié)果滿足上述二條件時，統(tǒng)計量Z為正則說明具有顯著(或極顯著性)上升趨勢，統(tǒng)計量Z為負則說明具有顯著(或極顯著性)下降趨勢，統(tǒng)計量Z為零則無趨勢。當α>0.05，即-1.96

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫日較差時間變化特征

2.1.1 DTR年際變化特征 通過計算云南省各站點氣溫日較差，分析各區(qū)年平均氣溫日較差DTR、最高氣溫和最低氣溫的變化趨勢(圖2)?？芍?，1970—2014年云南各區(qū)DTR主要介于7.99～12.36℃，其中滇東南年平均DTR最低，僅為8.60℃，滇西南年平均DTR最高，達到11.36℃，其次分別為滇中、滇西北和滇東北，年平均DTR分別為11.25，11.06，10.60℃。1970—2014年滇西南(Z=2.2402)DTR呈顯著(0.05的顯著水平)減少趨勢，減小幅度為0.104℃/10 a，滇中(Z=4.1771)和滇東北(Z=3.3162)DTR均呈極顯著(0.01的顯著水平)減少趨勢，其減小幅度分別為0.153，0.113℃/10 a，滇西南(Z=0.4793)DTR呈弱減少趨勢，減少幅度為0.013℃/10 a，滇西北(Z=1.3989)DTR呈上升趨勢，上升幅度為0.126℃/10 a。1970—2014年云南省各區(qū)最高氣溫和最低氣溫均呈上升趨勢，其中滇西北(Z=2.5141)最高氣溫呈顯著上升趨勢，上升幅度為0.19℃/10 a，滇西南(Z=4.3923)、滇中(Z=3.189)、滇東北(Z=3.4336)和滇東南(Z=2.6706)最高氣溫均呈極顯著上升趨勢，上升幅度分別為0.263，0.181，0.257，0.193℃/10 a；滇西北(Z=1.575)最低氣溫呈弱上升趨勢，上升幅度為0.064℃/10 a，滇西南(Z=6.8965)、滇中(Z=4.0792)、滇東北(Z=5.5857)和滇東南(Z=3.9618)最低氣溫均呈極顯著上升趨勢，上升幅度分別為0.366，0.216，0.37，0.206℃/10 a，可見云南省大部分地區(qū)最低氣溫增溫幅度明顯高于最高氣溫，DTR受最高氣溫和最低氣溫的非對稱變化影響顯著。

2.1.2 DTR周期變化特征 通過計算小波交換系數(shù)和小波方差，分析云南各區(qū)DTR周期變化特征，正負值的交替出現(xiàn)，能夠清楚地反映出研究時間段內(nèi)DTR上升和減小的波動變化，其中波幅閉合中心值的絕對值越大說明該時間尺度下的DTR變化越顯著。由圖3A—3E可知，1970—2014年云南各區(qū)DTR普遍存在明顯的22 a和28 a左右的震蕩周期，不存在短周期變化，DTR在22 a經(jīng)歷了低—高—低—高—低—高—低7個循環(huán)交替變化，DTR在28 a尺度上振蕩最為顯著且貫穿整個研究時序，經(jīng)歷了低—高—低—高—低5個循環(huán)交替變化，變換周期為7～8 a，且截至2014年等值線均未完全閉合，說明在2014年以后DTR仍將呈減小趨勢。由云南各區(qū)DTR小波方差(圖3F)也可知，滇西南、滇西北、滇中和滇東北均具有明顯的28 a左右長周期，滇東南具有明顯的28 a左右的第一主周期和22 a左右的第二主周期。DTR變化主要由于最高氣溫和最低氣溫的非對稱變化導致，尤其是最低氣溫的顯著上升，而云南省年平均最高(低)地溫存在20～30 a左右的周期變化[16]，與云南省各區(qū)DTR的變化基本一致，此外云南省干濕變化周期也與DTR的變化周期一致[21]。

圖21970-2014年云南省各分區(qū)氣溫日較差年際變化

從云南各區(qū)不同季節(jié)日較差的周期變化來看(表1)，春季和夏季普遍存在3 a短周期變化和28 a長周期變化，其中春季普遍還存在6～8 a和11～15 a的周期變化，夏季普遍還存在6～8 a和10～14 a的周期變化；秋季普遍存在3～5 a的短周期、12～15 a的中長周期和28 a的長周期變化；冬季普遍存在4 a的短周期、13 a的中長周期和28 a的長周期變化。綜上所述，云南各區(qū)各季節(jié)均以28 a長周期變化為第一周期，也與云南省各季節(jié)平均最低地溫的變化周期一致[16]。

2.1.3 DTR季節(jié)變化特征 以常用的3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季劃分四季，在此基礎(chǔ)上分析云南省各區(qū)最高、最低氣溫和氣溫日較差的季節(jié)變化特征。由表2可知，春季DTR基本呈減小趨勢，其中滇西南、滇中和滇東北DTR均呈極顯著(顯著水平0.01)減少趨勢，減少幅度分別為0.341 5，0.374 3，0.280 4℃/10 a，僅滇西北呈上升趨勢，上升幅度為0.122 8℃/10 a；夏季DTR基本呈減少趨勢，但減少幅度較小，其中滇中DTR呈顯著(顯著水平0.05)減小趨勢，減少幅度為0.146 2℃/10 a，滇西南和滇東南DTR呈微上升趨勢，上升幅度分別為0.022 3，0.030 6℃/10 a；秋季DTR基本呈上升趨勢，滇西北上升幅度最大，為0.188 0℃/10 a，僅滇東北呈減少趨勢，減小幅度為0.006 8℃/10 a；冬季DTR基本呈減少趨勢，滇中DTR呈顯著(顯著水平0.05)減少趨勢，減少幅度達到0.294 7℃/10 a，僅滇西北呈上升趨勢，上升幅度為0.244 8℃/10 a。云南各區(qū)四季Tmax和Tmin基本上呈上升趨勢，其中春季滇東南Tmax、滇西南Tmin上升幅度最大，達到0.172 8，0.450 7℃/10 a；夏季Tmax和Tmin基本上呈極顯著(顯著水平0.01)上升趨勢，滇西南Tmax、滇東北Tmin上升幅度最大，達到0.250 2，0.313 6℃/10 a；秋季滇東北Tmax和Tmin上升幅度最大，達到0.377 9，0.359 0℃/10 a；冬季滇中Tmax、滇西南Tmin上升幅度最大，達到0.395 2，0.555 4℃/10 a。由此可見，云南省大部分地區(qū)春季、夏季和冬季DTR呈減少趨勢，減小幅度基本表現(xiàn)出春季>冬季>夏季，秋季DTR呈上升趨勢；Tmax上升幅度基本表現(xiàn)為冬季>秋季>夏季>春季；Tmin上升幅度基本表現(xiàn)為冬季>春季>夏季>秋季，可見四季DTR變化受Tmin影響較大。

2.2 氣溫日較差空間變化特征

2.2.1 DTR空間分布特征 從云南各區(qū)DTR空間分布情況(圖4)可知，年平均DTR整體呈現(xiàn)出中間高，東西低的分布特征，其中東部屏邊站和西部瀘水站DTR相對較小，分別為7.18，7.98℃，中部華坪站DTR最大，達到13.40℃。由圖4B—4E可知，春季DTR基本也呈現(xiàn)出中間高，東西低的分布特征，屏邊和瀘水站DTR相對較小，分別為8.3，9.2℃，瀾滄站DTR最大，達到15.92℃；夏季DTR基本呈現(xiàn)出北高南低的分布特征，瀘水和騰沖站DTR相對較低，僅為6.09，6.43℃，維西和華坪站DTR相對較大，分別為10.09，10.28℃；秋季和冬季DTR基本上呈現(xiàn)出西北高東南低的分布特征，最小值均出現(xiàn)在屏邊站，為6.63，6.89℃，最大值出現(xiàn)在香格里拉和華坪站，分別達到13.13，16.65℃。綜上所述，DTR高值區(qū)主要集中在瀾滄江、金沙江、元江等河谷地區(qū)，DTR低值區(qū)主要集中在東南部和西部。

圖3云南省各分區(qū)氣溫日較差周期變化及小波方差

表1 云南不同地區(qū)氣溫日較差季節(jié)周期變化 a

注：下劃線為主周期。

2.2.2 DTR空間變化趨勢 根據(jù)M-K法計算各氣象站點氣溫日較差DTR的變化傾斜度β，采用克里金(Kriging)將不同研究時段DTR的變化傾斜度β進行空間內(nèi)插值。從云南各區(qū)DTR空間變化趨勢(圖5)可知，1970—2014年云南各區(qū)年平均DTR變化趨勢不一致，76%的站點DTR呈減小趨勢，其中楚雄、昆明、蒙自、香格里拉等11個站點DTR呈顯著(0.05的顯著水平)減小趨勢，中部的楚雄和蒙自站DTR減小幅度最大，分別達到0.566 3，0.460 7℃/10 a，元謀和德欽站DTR呈顯著上升趨勢，上升幅度分別為0.317 6，0.507 2℃/10 a。由圖5B—5E可知，春季、夏季和冬季云南大部分地區(qū)DTR呈減小趨勢，其中春季83%站點呈減小趨勢，楚雄、昆明、玉溪、蒙自等17個站點DTR呈顯著減小趨勢，楚雄站DTR減小幅度最大，達到0.905 6℃/10 a，德欽、元謀、華坪和昭通站DTR呈顯著上升趨勢，德欽站DTR上升幅度最大，達到0.415 5℃/10 a；夏季63%站點DTR呈減小趨勢，蒙自、香格里拉、華坪和貢山站DTR呈顯著減小趨勢，香格里拉站DTR減小幅度最大，達到0.382 4℃/10 a，元謀、元江和保山站DTR呈顯著上升趨勢，元江站DTR上升幅度最大，達到0.197 4℃/10 a；冬季67%的站點DTR呈減小趨勢，楚雄、昆明、蒙自、玉溪等9個站點DTR呈顯著減小趨勢，楚雄站DTR減小幅度最大，達到0.960 2℃/10 a；德欽、元謀和景洪站DTR呈顯著上升趨勢，德欽站DTR上升幅度最大，達到0.930 2℃/10 a；秋季60%的站點DTR呈上升趨勢，德欽、元江、元謀和景洪站DTR呈顯著上升趨勢，德欽站DTR上升幅度最大，達到0.514 2℃/10 a，楚雄、香格里拉、蒙自和瀘水站DTR呈顯著減小趨勢，楚雄站DTR減小幅度最大，達到0.316 0℃/10 a。

表2 云南各地區(qū)四季平均DTR，Tmax，Tmin的變化趨勢

注:*和**分別表示通過0.05和0.01水平的顯著性檢驗。

2.3 氣溫日較差影響因子分析

為全面探討DTR的影響因子，利用SPSS 17.0分析DTR與熱力因素、水分因素和動力因素的相關(guān)性。由表3可以看出，云南各區(qū)年平均DTR與熱力因素的平均氣溫和日照時數(shù)、水分因素中的ET0，動力因素中的平均風速呈正相關(guān)，與水分因素中的降雨量和動力因素中的相對濕度呈負相關(guān)。

圖4云南省年、春季、夏季、秋季和冬季氣溫日較差空間分布特征

圖5云南省年、春季、夏季、秋季和冬季氣溫日較差空間變化特征

其中滇中DTR與平均氣溫和相對濕度基本呈負相關(guān)，DTR與日照時數(shù)相關(guān)性最強，且相關(guān)系數(shù)最大，大理、昆明、楚雄等6個站點日照時數(shù)與DTR呈極顯著(顯著水平0.0.1)正相關(guān)，大理站的相關(guān)系數(shù)最大，達到0.698；滇西南降雨量與DTR相關(guān)性最強，景東、江城、勐臘等7個站點降雨量與DTR呈極顯著或顯著負相關(guān)，其中江城站的相關(guān)系數(shù)最大，達到-0.713，其次分別是日照時數(shù)、ET0和平均風速。均有6個站點與DTR呈極顯著或顯著正相關(guān)；滇西北ET0，相對濕度與DTR相關(guān)性最強，均有4個站點與DTR呈極顯著相關(guān)關(guān)系，其中瀘水站的ET0，貢山站的相對濕度與DTR相關(guān)系數(shù)最大，分別為0.923和-0.729；滇東南平均氣溫、ET0與DTR相關(guān)性最強，其次分別為相對濕度、日照時數(shù)和平均風速，均有2個站點與DTR呈極顯著相關(guān)，其中屏邊站平均氣溫、ET0與DTR相關(guān)系數(shù)最大，分別為0.971，0.970；滇東北平均氣溫與DTR相關(guān)性最強，其次為ET0，均有2個站點與DTR呈極顯著正相關(guān)，其中昭通站的平均氣溫與DTR相關(guān)系數(shù)最大，達到0.739。由此可知，影響云南中東部DTR變化的主要因子是平均氣溫和ET0，其次是日照時數(shù)、相對濕度和平均風速，降雨量的影響相對較弱，影響云南西部DTR變化的主要因子是降雨量和ET0，其次分別是日照時數(shù)、平均風速和相對濕度，平均溫度的影響相對較弱。

3 結(jié) 論

(1) 受氣溫非對稱變化的影響，特別是最低氣溫的顯著上升，1970—2014年云南省年平均、春季、夏季和冬季DTR整體呈減少趨勢，其中滇中減少幅度均是最大，減小幅度分別為0.153 0，0.374 3，0.146 2，0.294 7℃/10 a，秋季DTR整體呈上升趨勢，滇西北上升幅度最大，為0.188 0℃/10 a。云南各區(qū)各季節(jié)DTR普遍存在28 a左右的強震蕩周期，其中DTR年變化主要存在28 a長周期變化，春季和夏季普遍存在3 a短周期變化和28 a長周期變化，秋季普遍存在3～5 a的短周期、12～15 a的中長周期和28 a的長周期變化；冬季普遍存在4 a的短周期、13 a的中長周期和28 a的長周期變化。

(2) DTR高值區(qū)主要集中在河谷地區(qū)，DTR低值區(qū)主要集中在東南部和西部；年平均、春季、秋季和冬季DTR減小幅度較大的地區(qū)主要集中在中南部和西部，上升幅度較大的地區(qū)主要集中在西北部和滇中北部，夏季DTR減少幅度較大的地區(qū)主要集中在西北部，上升幅度較大的地區(qū)主要集中在中部。

表3 云南省各地區(qū)氣溫日較差與各氣象因子的相關(guān)性分析結(jié)果

(3) 年平均DTR與平均氣溫、日照時數(shù)、ET0、平均風速呈正相關(guān)，與降雨量和相對濕度呈負相關(guān)。影響云南各地DTR的主要影響因子也有所不同，中東部DTR主要受平均氣溫和ET0影響，而西部DTR則主要受降雨量和ET0影響。此外，影響DTR的因素諸多，因此今后需進一步探討其他因素(如太陽輻射、云量、氣溶膠以及下墊面的變化等)對DTR的影響，從而更加客觀地反映出云南各區(qū)DTR的變化特征。