南城縣氣候變化與極端天氣研究

石 濤，廖超倫，譚 睿，廖 恒

(南城縣氣象局，撫州 344700)

0 引言

氣候變化與人類的生存息息相關(guān)，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣候變化一直高度重視，而氣候變化多表現(xiàn)為顯著的氣溫變化。目前，全球氣溫變暖已成事實(shí)，中國(guó)出現(xiàn)增溫的現(xiàn)象也被大量研究證實(shí)[1-3]。2001年IPCC發(fā)表的第3次評(píng)估報(bào)告指出：20世紀(jì)的氣候變暖導(dǎo)致百年氣溫上升了0.6 ℃±0.2 ℃。20世紀(jì)90年代以來(lái)，極端天氣事件格外引人關(guān)注。極端天氣事件是小概率事件，但其制約著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，甚至直接威脅到人類賴以生存的生態(tài)環(huán)境[4，5]。研究結(jié)果表明，中國(guó)近50 a，年最高溫度略有升高，年最低溫度則顯著升高，日較差顯著變小。近40-50 a，極端最低溫度和平均最低溫度逐漸增高，中國(guó)北方極端最低氣溫普遍上升了5～10 ℃，同時(shí)冬季寒潮頻率逐漸降低，強(qiáng)度減弱，低溫日數(shù)逐漸減少。因此，極端天氣事件與氣候變暖之間可能存在一定的因果關(guān)系[6，7]。

南城縣位于江西省東部，撫州市東南部，包括丘陵、山地和河谷平原3種地貌類型，屬于中亞熱帶季風(fēng)性溫潤(rùn)氣候。境內(nèi)氣候溫和、四季分明、雨量充沛、光照充足，年平均氣溫為17.8 ℃，年降水量約1650 mm，年光照時(shí)數(shù)約為1700 h，年平均無(wú)霜期為265 d。農(nóng)業(yè)對(duì)氣候條件的依賴性很強(qiáng)，氣候變化對(duì)農(nóng)作物種植制度、布局和結(jié)構(gòu)影響很大，特別是頻繁的極端天氣事件使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展的負(fù)面影響逐漸顯露。所以對(duì)南城縣氣溫和極端天氣的研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

文章在南城站建站以來(lái)保存的各種氣象資料的基礎(chǔ)上，分析了南城縣1961-2010年氣溫變化的規(guī)律及其與各種極端天氣事件之間的聯(lián)系。研究結(jié)果對(duì)南城縣應(yīng)對(duì)氣溫變化、制定區(qū)域發(fā)展政策和進(jìn)行生態(tài)建設(shè)起到重要的指導(dǎo)作用。

1 資料與方法

1.1 資料

南城氣象站始建于1952年7月，稱江西撫州軍分區(qū)南城氣象站。地址為南城縣金斗巢城區(qū)，位于27°33′00″N、116°36′00″E，觀測(cè)場(chǎng)海拔高度為85.0 m，并于1958-08-01由原址遷至南城縣建昌鎮(zhèn)交通路23號(hào)。位于27°35′00″N、116°39′00″E，觀測(cè)場(chǎng)海拔高度80.8 m。遷站以來(lái)，氣象資料至今均保存完整。南城站歷年業(yè)務(wù)質(zhì)量排在全省前列，為國(guó)家基準(zhǔn)站及全球資料交換站之一，探測(cè)環(huán)境符合規(guī)范要求，未曾受到破壞，全省觀測(cè)環(huán)境評(píng)分為88.9分，故所獲得的氣象數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。

文章選取南城縣氣象站1961-2010年逐年平均溫度和極端天氣時(shí)間的資料。選擇的幾種極端天氣分別為低溫、悶熱、高溫、雷暴、霧、降雪、霜凍和暴雨天氣。文章將日最低氣溫低于0 ℃定義為低溫日；將日平均氣溫大于30 ℃且相對(duì)濕度大于90%定義為悶熱日；將日最高氣溫大于35 ℃定義為高溫日；出現(xiàn)閃電或雷聲的天氣現(xiàn)象定義為雷暴；能見度小于1000 m定義為霧。

1.2 研究方法

1)文章采用一元線性回歸估計(jì)方法對(duì)平均氣溫的變化程度進(jìn)行度量。

2)相關(guān)系數(shù)：

(1)

其中，x和y為研究其相關(guān)性的兩個(gè)變量，當(dāng)兩個(gè)變量的線性關(guān)系增強(qiáng)時(shí)，相關(guān)系數(shù)趨于1或-1，正相關(guān)是趨于1，負(fù)相關(guān)是趨于-1。

3)Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)：

對(duì)序列Xt=(x1，x2，…，xn)，首先確定全部值(xi，xj)(j>i)中xi與xj的大小關(guān)系。趨勢(shì)檢驗(yàn)的MK統(tǒng)計(jì)量為：

(2)

其中，

當(dāng)n>10時(shí)，UMK收斂于標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。原假設(shè)該序列無(wú)趨勢(shì)，在給定的顯著性水平α下，從正態(tài)分布表中得到臨界值Uα/2，當(dāng)UMKUα/2時(shí)，拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為趨勢(shì)明顯。把時(shí)間序列的趨勢(shì)性檢驗(yàn)所得到的MK統(tǒng)計(jì)量記為UFK，把此時(shí)間序列Xt做逆序xn，xn-1，…，x1，重復(fù)上述步驟，同時(shí)UBK=-UFK(K=n，n-1，…，1)，UB1=0。如果UFK和UBK都大于0，表明該序列趨勢(shì)為上升，小于0則趨勢(shì)為下降。當(dāng)它們超過(guò)臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著。如果兩條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，那么突變開始的時(shí)間就是交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻。

2 年平均溫度的時(shí)間分布特征

從近50 a南城縣年平均溫度特征變化曲線(圖1)可以看出，近50 a南城縣年平均溫度呈明顯的上升趨勢(shì)，其中1961-1970年全縣年平均溫度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，最低點(diǎn)為1970年的17.2 ℃，1970年以后溫度逐漸上升，1970-1978年年平均溫度呈現(xiàn)微弱的上升趨勢(shì)。1985年以后，平均溫度呈明顯的上升趨勢(shì)，最高點(diǎn)為2007年的19 ℃。近50 a年平均溫度上升了1.8 ℃，氣候傾向率為0.15 ℃/10 a。南城縣50 a的平均溫度為17.9 ℃。

圖1 1961-2010年南城縣年平均溫度特征變化曲線

3 各種極端天氣的時(shí)間分布特征

利用最小二乘法計(jì)算出各種極端天氣與年份之間的回歸系數(shù)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析南城縣近50 a的各類極端天氣時(shí)間變化情況可以得出，極端天氣時(shí)間隨年份增加呈明顯下降趨勢(shì)的有低溫、雷暴、降雪和霜凍天氣，其中與氣溫密切相關(guān)的極端天氣有低溫、降雪和霜凍，可以初步看出極端天氣事件與年平均氣溫之間存在一定的相關(guān)性，隨著年平均氣溫的逐步升高，這幾種天氣發(fā)生的時(shí)間與年平均氣溫之間存在反相關(guān)性，氣候傾向率分別為-0.63 d/10 a、-1.48 d/10 a和-1.80 d/10 a，以年平均氣溫與霜凍時(shí)間的反相關(guān)性最為顯著；而隨著年份增加呈上升趨勢(shì)的極端天氣現(xiàn)象有悶熱、高溫、霧和暴雨天氣，上升幅度最大的為悶熱時(shí)間，氣候傾向率達(dá)1.77 d/10 a。

4 各種極端天氣時(shí)間與年平均氣溫之間的相關(guān)性及顯著性檢驗(yàn)

在最小二乘法算出的線性系數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出年平均溫度和其他各種極端天氣現(xiàn)象之間的Pearson相關(guān)性和雙側(cè)顯著性，同時(shí)，以年平均氣溫為固定因子，計(jì)算出各極端天氣之間的偏相關(guān)系數(shù)。

悶熱、高溫、霧和暴雨與年平均氣溫呈正相關(guān)，低溫、雷暴、降雪和霜凍與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)，這與最小二乘法算得的結(jié)果相吻合。其中與年平均氣溫相關(guān)性最為顯著的極端天氣為悶熱、高溫和降雪，分別為0.466、0.451和-0.467；低溫與年平均氣溫的相關(guān)性次之，相關(guān)系數(shù)為-0.353，雙側(cè)顯著性的計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了該結(jié)果的合理性。

得出各極端天氣時(shí)間與年平均氣溫之間的相關(guān)性之后，由于簡(jiǎn)單的線性關(guān)系不能夠真實(shí)地反映出各極端天氣之間的相關(guān)性，它們可能受到不止一個(gè)變量的影響，因此偏相關(guān)系數(shù)則是很好的驗(yàn)證方法。以年平均氣溫作為固定因子，計(jì)算各極端天氣之間的偏相關(guān)性。計(jì)算結(jié)果顯示，降雪時(shí)間與低溫時(shí)間、高溫時(shí)間與悶熱時(shí)間之間的相關(guān)性極高，分別達(dá)到了0.668和0.720。其他相關(guān)性較高的極端天氣包括悶熱時(shí)間和霜凍時(shí)間、暴雨時(shí)間和霜凍時(shí)間、雷暴時(shí)間和降雪時(shí)間、高溫時(shí)間和霜凍時(shí)間，其相關(guān)性分別達(dá)到0.322、-0.328、0.404和0.378。

5 M-K法對(duì)各極端天氣及年均氣溫突變性檢驗(yàn)

取置信系數(shù)α=0.05，則臨界值為±1.96，M-K法突變型結(jié)果顯示：年平均氣溫與各種極端天氣事件在1961-2010年都存在突變點(diǎn)。從UF、UB趨勢(shì)線來(lái)看，年平均氣溫總體呈先下降后上升的趨勢(shì)，并從2002年開始，年平均氣溫上升趨勢(shì)非常顯著；高溫時(shí)間呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，其中1968-1986年和1989-1999年上升趨勢(shì)顯著；低溫日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)并在1980年之前下降趨勢(shì)異常顯著；悶熱時(shí)間呈上升趨勢(shì)，在1963-1974年和1992-2006年上升趨勢(shì)顯著；雷暴時(shí)間于1987年之前呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且1979年之前下降趨勢(shì)顯著，1998年以后有緩慢的增長(zhǎng)趨勢(shì)；大霧時(shí)間一直在緩慢增長(zhǎng)并有兩個(gè)短暫的顯著增長(zhǎng)期；降雪時(shí)間在1997年之前處于下降趨勢(shì)，其中1985年之前下降趨勢(shì)明顯；霜凍時(shí)間除了兩個(gè)短暫且不明顯的上升期，其他時(shí)間均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；暴雨時(shí)間呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，并且1981年之后上升趨勢(shì)顯著。

6 結(jié)束語(yǔ)

文章選取南城站1961-2010年低溫、悶熱等7項(xiàng)極端天氣時(shí)間資料，結(jié)合現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷方法，分析驗(yàn)證了南城縣氣溫變化規(guī)律與各種極端天氣事件之間的聯(lián)系。

通過(guò)驗(yàn)證得出：近50 a南城縣年平均氣溫在逐年上升，與年平均氣溫正相關(guān)的極端天氣(悶熱、高溫、霧和暴雨)發(fā)生頻率逐年增加，與年平均氣溫負(fù)相關(guān)的極端天氣(低溫、雷暴、降雪和霜凍)發(fā)生頻率則在逐年降低。