程春香，李晶，孫鵬飛

（1.成都信息工程學(xué)院，四川成都 610225；2.五營氣象局，伊春黑龍江 153033；3.伊春市氣象局，黑龍江伊春 153000）

小興安嶺五營林區(qū)近49 a氣候變化趨勢及突變分析

程春香1、2，李晶3，孫鵬飛2

（1.成都信息工程學(xué)院，四川成都 610225；2.五營氣象局，伊春黑龍江 153033；3.伊春市氣象局，黑龍江伊春 153000）

利用1958～2006年五營林區(qū)的地面資料,采用氣候傾向率、累積距平、信噪比等氣候統(tǒng)計(jì)方法,研究了近49 a五營氣候的變化趨勢、氣候突變和異常年份等。結(jié)果表明:五營林區(qū)近49 a氣候明顯變暖，雪季升溫較雨季快。降水量異常的年份增加，年降水量呈顯著減少的趨勢，-22.44 mm/10 a。前后10 a降水中心生了明顯的時(shí)空變化。雨季降水日數(shù)、年平均氣溫分別在1974年、1987年發(fā)生了氣候突變。

氣候傾向率；異常年份；氣候突變

1 引言

研究證實(shí)近百年來由于自然和人類活動(dòng)的共同影響造成全球和中國的氣候正經(jīng)歷著一次以變暖為主要特征的顯著變化[1]。氣候變化不但對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,對(duì)已十分脆弱的自然環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)也產(chǎn)生了難以估量的影響。氣候變化初期影響具有局地性,各地的氣候變化程度是不同的,因而從大尺度的時(shí)間空間進(jìn)行氣候變化的研究對(duì)區(qū)域性地方氣候變化的評(píng)估效果并不好。因此，研究區(qū)域氣候變化趨勢特征具有重要意義。氣候突變是指氣候系統(tǒng)從一種穩(wěn)定狀態(tài)跳躍到另一種穩(wěn)定狀態(tài)的現(xiàn)象[2]。氣候突變將造成世界上許多重要的人類居住區(qū)和經(jīng)濟(jì)增長地區(qū)同時(shí)出現(xiàn)極端天氣事件，結(jié)果是造成全球食品、水和能源供應(yīng)緊張[3]。一些氣候與文化的相關(guān)研究表明,影響人類歷史進(jìn)程的不是長期平均氣候,而是一些突變事件[4]。這就使我們不得不加強(qiáng)深層次的認(rèn)識(shí)。

林區(qū)氣候資料作為基礎(chǔ)資料不但為森林生態(tài)學(xué)的各項(xiàng)研究提供了基本數(shù)據(jù)，如應(yīng)用于森林樹木生長的模擬[7]、水量平衡和霜害研究[5、6]、物候研究[8]以及森林病蟲害研究[9]等等，而且為全球變化對(duì)森林生態(tài)系統(tǒng)的影響及其響應(yīng)研究提供了基本依據(jù)。小興安嶺五營林區(qū)是目前我國乃至全世界保存較為完整的原始紅松林代表區(qū)域，具有完善的植被分布和森林生態(tài)系統(tǒng)。五營原始紅松林作為典型的溫帶針闊葉混交林生態(tài)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)與功能對(duì)該地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)有著重要的影響，特別是氣候變暖已成為全世界科學(xué)研究的熱點(diǎn)，全球氣候變化對(duì)小興安嶺原始紅松林結(jié)構(gòu)與功能的影響及其對(duì)全球氣候變化的響應(yīng)研究倍受關(guān)注。目前對(duì)小興安嶺氣候特征分析較多[3]，但對(duì)多年氣候年際、年代際以及小時(shí)變化等綜合細(xì)致分析，尤其是對(duì)氣候突變分析少見。本文利用氣候統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)五營原始紅松林林區(qū)近49 a的氣候變化趨勢和突變特征進(jìn)行分析,從而補(bǔ)充該地區(qū)長期森林氣候資料的不足，進(jìn)而為該生態(tài)系統(tǒng)的科學(xué)研究提供參考和依據(jù)。

2 資料與方法

2.1 資料

本文使用的資料來源于中國氣象局五營森林生態(tài)與農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)研究站的常規(guī)氣象觀測資料，該站位于伊春市五營區(qū)，地處黑龍江省東北部小興安嶺腹地（48.06′N，129.14′E），海拔288.0 m，森林覆蓋率89.2%，屬于北溫帶大陸季風(fēng)氣候，為小興安嶺典型的原始紅松林代表區(qū)域。試驗(yàn)區(qū)年均活動(dòng)積溫2 083℃，無霜期111 d，年均氣溫0.0℃，年降雨量637.0 mm，年蒸發(fā)量1 007.8 mm，年日照時(shí)數(shù)2 218.2 h，年平均相對(duì)濕度72%，雨季（5～9月）雪季（10～次年4月）明顯。獨(dú)特的地理環(huán)境形成了本地區(qū)特有的森林環(huán)境類型，其資料較能代表小興安嶺林區(qū)的背景值。

本文分析了1958～2006年共49 a的氣候資料，主要包括定時(shí)氣溫、定時(shí)降水（口徑20 cm，精度0.1 mm）、自記降水（1963～2002年，虹吸式雨量計(jì)，精度0.1 mm）、自記日照（1960～2006年）和自動(dòng)氣溫、雨量（2003～2006年，DYYZII型地面氣象綜合有線遙測儀，精度0.1℃、0.1 mm），以及降水日數(shù)、高溫日數(shù)（≥30℃）、低溫日數(shù)（≤-30℃）的記錄，分別以年、月、日、時(shí)為單位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析其變化趨勢及突變年份。

2.2 方法

2.2.1 回歸分析

利用氣象要素時(shí)間序列，以時(shí)間為自變量，以要素為因變量，建立一元回歸方程，方程采用一元多項(xiàng)式來表示，即：

一般來講，氣候趨勢用一次直線方程和二次曲線方程就能滿足。當(dāng)用一次直線方程來定量描述時(shí)，即y（t）=a0+a1t，則趨勢變化率方程為dy（t）/dt＝a1，把a(bǔ)1×10稱做氣候傾向率，表示氣象指標(biāo)10 a的變化量，方程中的系數(shù)用最小二乘法來確定。

2.2.2 累積距平和信噪比

氣候突變是氣象要素變化過程中存在的某種不連續(xù)現(xiàn)象，常用累積距平曲線來確定它，即使用指標(biāo):

式中：Xi為要素歷年值，X為要素多年平均值。若指標(biāo)絕對(duì)值達(dá)到最大時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的t為轉(zhuǎn)折年份。為了檢驗(yàn)轉(zhuǎn)折是否達(dá)到氣候突變的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)轉(zhuǎn)折年份計(jì)算它們的信噪比[11]，計(jì)算公式如下:

式中：X1、X2和S1、S2分別為轉(zhuǎn)折年份前后兩階段要素的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。當(dāng)S/N>1.0時(shí)認(rèn)為存在氣候突變，最大信噪比的時(shí)間定義為氣候突變出現(xiàn)的時(shí)間。

2.2.3 低通過濾

低通過濾是把序列高頻分量濾去，以便突出長期或氣候變化趨勢的一種方法。常用的低通過濾方法是對(duì)序列作滑動(dòng)平均，又稱滑動(dòng)平均法[12]。其過濾后序列為：

x（t-i）表示過濾前序列，其權(quán)重為wi，（2L+1）稱為滑動(dòng)區(qū)間。權(quán)重可以相等也可以不等，但是必須滿足所有權(quán)重之和等于1。本文數(shù)據(jù)處理采用九點(diǎn)二項(xiàng)系數(shù)過濾器。

3 結(jié)果與分析

3.1 降水的變化趨勢

3.1.1年、季降水量

根據(jù)五營林區(qū)近49 a各氣象指標(biāo)的氣候傾向率分析（見表1），五營年降水量呈顯著（Significance F=0.03<=0.05）下降趨勢，減少22.44 mm/10a，其中年晝間降水量、年夜間降水量分別減少13.37 mm/10a和8.93 mm/10a。進(jìn)一步對(duì)年降水量作一元二次曲線回歸分析，方程：y=0.0981x2-7.1485x+ 734.81（Significance F=0.0<=0.01），一次項(xiàng)系數(shù)為負(fù)，說明年降水量變化在大趨勢上，與氣候傾向率分析一致，趨于減少，而二次項(xiàng)系數(shù)為正，表明近幾年的降水量有增加的發(fā)展趨勢，這與實(shí)際觀測值相符（見圖1），2006年年降水量為742.6 mm，比歷年平均多16.5%。

表1中各降水量指標(biāo)的氣候傾向率，年和雨季指標(biāo)均呈明顯下降趨勢，但只有年、雨季的總降水量和晝間降水量4個(gè)指標(biāo)通過了顯著性檢驗(yàn)。雪季的降水量指標(biāo)沒有明顯的變化趨勢?？梢?，年降水量的減少主要是由于雨季降水量的減少而造成，雨季降水量的減少主要是由于雨季晝間降水量減少而造成的，這表明雨季晝間降水量在眾多降水量指標(biāo)中對(duì)氣候變化的響應(yīng)最強(qiáng)。

表1 近49 a五營林區(qū)各氣象指標(biāo)的氣候傾向率

3.1.2降水日數(shù)

觀察表1中降水日數(shù)的氣候傾向率，年、雨季降水日數(shù)指標(biāo)均呈明顯減少趨勢，并達(dá)到極顯著（Significance F<α=0.01），其中雨季夜降水日數(shù)的氣候傾向率絕對(duì)值要遠(yuǎn)大于雨季晝降水日數(shù)。雪季的降水日數(shù)指標(biāo)沒有明顯的變化趨勢?？梢?，面對(duì)全球氣候變化，在各降水日數(shù)指標(biāo)中雨季的夜降水日數(shù)響應(yīng)最強(qiáng)。對(duì)年降水日數(shù)進(jìn)一步作一元二次曲線回歸分析，方程：y=-0.0007x2-0.6864x+213.95（Significance F=0.0<<α= 0.01），一次項(xiàng)系數(shù)、二次項(xiàng)系數(shù)都為負(fù)，這表明無論是在大趨勢上還是近幾年，年降水日數(shù)均呈極顯著性減少趨勢（見圖1）。結(jié)合3.1.1分析可知，年降水日數(shù)的減少是導(dǎo)致年降水量減少的主要原因之一。

圖1 年降水量與降水日數(shù)的趨勢變化

3.1.3 降水的年代際變化

為了突出長期變化趨勢，對(duì)年降水量做9點(diǎn)2次平滑的低通濾波。觀察過濾后的曲線（圖略），結(jié)果發(fā)現(xiàn)年降水量在呈減少趨勢的同時(shí)，經(jīng)歷了多個(gè)“高-低”周期性演變過程。周期大致為9～11 a，與年代際變化（見表2）基本相吻合，第一階段降水量較高，第二階段開始下降，第三階段又出現(xiàn)了一個(gè)上升的小峰值，第四階段又開始小幅下降，總體呈下降趨勢。

觀察表2年降水量變異系數(shù)，各個(gè)階段年降水量在減少的同時(shí)變異系數(shù)卻逐漸增加，即年降水量變化幅度或異常降水年份增多。與年降水量變異系數(shù)變化趨勢一致，平均降水強(qiáng)度、雷暴日數(shù)年代際變化也呈現(xiàn)增加趨勢，而降水日數(shù)則趨勢相反。雨季各指標(biāo)變化與年接近，雪季則不同，結(jié)合3.1.1中的分析可知，年降水量的變化主要是雨季降水量變化的結(jié)果。

表2 五營林區(qū)降水的年代際變化

3.1.4 降水的時(shí)間變化

從五營林區(qū)49 a來的降水自記資料中取出前10 a（1963～1972年）和后10 a（1997～2006年）數(shù)據(jù)，對(duì)降水量做橫坐標(biāo)為小時(shí)、縱坐標(biāo)為月份的等值線圖，分析了五營前后兩個(gè)時(shí)期降水量分布及變化趨勢。觀察圖2a、b可知五營林區(qū)49 a來前后10 a的降水量發(fā)生了明顯的時(shí)空變化。前10 a降水主要集中在6、7月份，降水中心出現(xiàn)在7月04:00～05:00、12:00～17:00和6月15:00左右，而后10 a降水主要集中在7、8月份，凌晨04:00～05:00的降水中心由7月份移動(dòng)至8月份并且增強(qiáng)，并在7月07:00～08:00（清晨）出現(xiàn)了一個(gè)亞中心，6月15:00降水中心消失，7月12:00～17:00降水中心降水強(qiáng)度有所減弱，但在7月19:00左右（傍晚）出現(xiàn)了一個(gè)較強(qiáng)的降水中心。

圖2 五營降水量的時(shí)間變化

3.2 氣溫、日照的變化趨勢

3.2.1 氣溫和高溫、低溫日數(shù)

分析氣溫的氣候傾向率（見表1），無論是年平均氣溫還是雪季、雨季平均氣溫均呈升高趨勢并達(dá)到極顯著，氣溫明顯變暖。雪季氣溫升高要快于雨季，氣候傾向率分別0.59℃和0.23℃。對(duì)年平均氣溫進(jìn)一步作一元二次曲線回歸分析，方程：y=0.0004x2+0.0219x-0.81（Significance F=0.0<<α=0. 01），一次項(xiàng)系數(shù)、二次項(xiàng)系數(shù)都為正，這表明無論是在大趨勢上還是近幾年，年平均氣溫均呈極顯著性增加趨勢。與氣溫變暖相一致，高溫日數(shù)呈增加趨勢，而低溫日數(shù)呈減少趨勢，兩者都通過了0.05或0.01顯著性檢驗(yàn)，其中低溫日數(shù)趨勢幅度最大，每10 a減少6.45 d?？梢娧┘練夂蜃兣煊谟昙?。

3.2.2 日照

觀察日照的氣候傾向率（見表1）發(fā)現(xiàn)，雪季、雨季的日照氣候傾向率一個(gè)呈減少趨勢，一個(gè)呈增加趨勢，分別為-1.85和3.54，均通過了0.10顯著性檢驗(yàn)，而年累積日照時(shí)數(shù)變化則沒有明顯的變化趨勢。

3.3 氣候突變

利用（2）、（3）式計(jì)算了五營氣候各指標(biāo)的累積距平和信噪比，結(jié)果表明：年、雨季降水量和年、雨季降水日數(shù)均在1974年存在明顯的轉(zhuǎn)折性變化，但只有雨季降水日數(shù)信噪比S/N= 1.3>1.0達(dá)到了氣候突變標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生了氣候突變（見圖3），即在20世紀(jì)70年代中期雨季降水日數(shù)從一個(gè)相對(duì)偏多期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)偏少期；年、雨雪季平均氣溫和低溫日數(shù)均在1987年存在明顯的轉(zhuǎn)折性變化，但只有年平均氣溫信噪比S/ N=1.1>1.0達(dá)到了氣候突變標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)生了氣候突變（見圖4），即在20世紀(jì)80年代后期平均氣溫從一個(gè)相對(duì)偏冷期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)偏暖期。

圖3 雨季降水日數(shù)變化及其突變

圖4 年平均氣溫變化及其突變

4 討論與小結(jié)

近年來，全球氣候溫暖化趨勢十分明顯。氣候變暖，導(dǎo)致了水循環(huán)速度、頻率加快，全球降水量有明顯的減少趨勢，降水時(shí)空變率增大[13]，這種變化在五營林區(qū)十分明顯。年降水量呈顯著的減少趨勢，-22.44 mm/10 a。降水各指標(biāo)的變化量大部分是由雨季所貢獻(xiàn)，雪季基本無變化或變化不顯著，其中雨季晝間降水量和雨季夜降水日數(shù)對(duì)氣候變化的響應(yīng)最強(qiáng)，呈顯著減少。年代際變化中年降水量變異系數(shù)、平均降水強(qiáng)度、雷暴日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，降水異常年份增多。五營49 a來，前后10 a的降水量發(fā)生了明顯的時(shí)空變化。前10 a降水量主要集中在6、7月份，而后10 a則主要集中在7、8月份。小興安嶺林區(qū)49年來正處于采伐期，大面積原始林逐漸被次生林、人工林或地表的小灌木叢所代替，五營林區(qū)的降水變化趨勢是受大氣環(huán)流變化還是局地森林環(huán)境改變的影響[14]，還有待于進(jìn)一步研究。

年平均氣溫呈極顯著升高趨勢，氣溫明顯變暖，雪季氣溫升高要快于雨季。高溫日數(shù)呈增加趨勢，而低溫日數(shù)呈顯著減少趨勢，降幅較大，-6.45 d/10 a，可見雪季氣候變暖要快于雨季。年累積日照時(shí)數(shù)變化則沒有明顯的變化趨勢。

年、雨季降水量和年、雨季降水日數(shù)均在1974年存在明顯的轉(zhuǎn)折性變化，雨季降水日數(shù)發(fā)生了氣候突變，即在20世紀(jì)70年代中期雨季降水日數(shù)從一個(gè)相對(duì)偏多期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)偏少期；年、雨雪季平均氣溫和低溫日數(shù)均在1987年存在明顯的轉(zhuǎn)折性變化，但只有年平均氣溫發(fā)生了氣候突變，即在20世紀(jì)80年代后期平均氣溫從一個(gè)相對(duì)偏冷期躍變?yōu)橐粋€(gè)相對(duì)偏暖期。

[1]高曉荻，江志紅，楊金虎.全球變暖情景下中國氣溫分區(qū)的未來變化〔J〕.氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2009,25（5）:1-6.

[2]崔建新，周尚哲.對(duì)氣候突變的初步認(rèn)識(shí)〔J〕.河北師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2001,25（2）:264-273.

[3]彼得·施瓦茲達(dá)哥·蘭德爾.氣候突變的情景及其對(duì)美國國家安全的意義［M］.2003.10.

[4]于世永,朱誠,曲維正.太湖東岸平原中全新世氣候轉(zhuǎn)型事件與新石器文化中斷〔J〕.地理科學(xué),1999,19（6）:549-554.

[5]Cannel MGR.Spring frost damage on young picea stitchensis: 1.Occurrence of damaging frosts in Scotland compared with Western North America[J].Forestry,1984,57:159-175.

[6]Cannell MGR,Sheppard LJ,Smith RI?a1.Autumn frost damage on young picea stichensis:2.Shoot frost hardening,and the probability of frost damage in Scotland[J].Forestry,1985,58:145-166.

[7]Kimmins JP,Comeau PG,Kurz W.Modeling the interactions between moisture and nutrients in the control of forest growth[J]. For.Eco1.Manage.,1990,30:361-379.

[8]Kramer K,Friend A,Leinonen I.Modeling comparison to evaluate the importance of phenology and spring damage for the effects of climate change on growth of mixed temperatezone deciduous forests[J].Climate Res.,1996,7:31-41.

[9]RusSo JM,Liebhold AM,Kelley JG.Mesoscale weather data as input to a gypsy moth（Lepidoptera:Lymantriidae）phenology model[J].J.Econ.Ent.,1993,86:838-844.

[10]高永剛,王育光,溫秀卿,等.近43a來小興安嶺氣候變化趨勢特征及對(duì)林區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響〔J〕.黑龍江氣象,2006,3:8-14.

[11]杜軍，李春，廖健，等.拉薩近45年淺層地溫的變化特征〔J〕.干旱區(qū)地理,2007,30（6）:826-831.

[12]黃嘉佑.氣候狀態(tài)變化趨勢與突變分析〔J〕.氣象,1995,21 （7）:54-57.

[13]韓添丁，丁永建,葉柏生,等.天山天格爾山南北坡降水特征研究[J].冰川凍土,2004,26（6）:761-766.

[14]陳萬隆.熱帶森林砍伐對(duì)氣候的可能影響--國外研究綜述[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),1996,19（3）:379-385.

Analyses of the Climate Change Tendency and Abrupt Climate Change in Wuying,Xiaoxing'an Mountain in Recent 49 Years

Cheng Chun-xiang1、2,LiJing3,SunPeng-fei2
（1.CAS，Chengdu University of Information Technology,Si chuan Chengdu 610225；2 Wuying Meteorological Bureau，HeiLongjiang Wuying 153033；Yichun Meteorological Bureau，HeiLongjiang Yichun 153000）

The variation trend,abrupt change and anomalous years of climate in wuying were investigated during the period from 1958 to 2006 by using modern statistical diagnostic methods such as linear trend analysis, accumulated variance and signal noise ratio methods.The main results are as follows:In terms of linear trend, annual precipitation displayed a significant decreasing trend in wuying in past 49 years,and it indicated an decrease of-22.44 mm/10 a.the temperatures had a significant increasing trend,which was maximum in Snow Season,minimum in rainy season.The abrupt change of precipitation days of rainy season occurred in 1974 and the abrupt change of annual mean temperature appeared in 1987.

wuying;linear trend;anomalous years;climate abrupt change

P467

A

1002－252X（2010）04－0009－04

2010－8－6

程春香（1982-）,女,黑龍江省海林市人，成都信息工程學(xué)院，研究生，助理工程師.