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        海南島1961~2011年氣候變化特征分析

        2014-04-29 05:50:42張明潔張京紅劉少軍車秀芬李文韜
        熱帶作物學(xué)報 2014年12期
        關(guān)鍵詞:小波分析海南島氣候變化

        張明潔 張京紅 劉少軍 車秀芬 李文韜

        摘 要 應(yīng)用線性傾向估計、M-K突變檢驗和Morlet小波函數(shù)變換分析了海南島1961~2011年的年平均和四季平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年平均和四季降水量、年降水日數(shù)、年強降水日數(shù)、年降水強度等氣象要素的時間序列變化特征。結(jié)果表明:(1)近51 a來海南島氣候變暖趨勢明顯,通過信度為0.05的顯著性水平檢驗,其中,年平均最低氣溫和冬季平均氣溫的上升趨勢最為顯著,氣候傾向率分別為0.28 ℃/10 a和0.29 ℃/10 a;各氣溫要素均在20世紀80年代后期發(fā)生突變,并存在3~4 a和12 a時間尺度的周期變化。(2)年平均和四季降水量呈微弱的線性增加趨勢,而達到暴雨等級的年強降水日數(shù)和年降水強度線性增加趨勢明顯,分別通過了信度為0.05和0.01的顯著性水平檢驗。(3)四季降水量和年降水日數(shù)存在12~14 a時間尺度的周期變化,年降水量、年強降水日數(shù)和年降水強度存在8~10 a時間尺度的周期變化,同時,各個要素均疊加有周期較小的高頻振蕩。

        關(guān)鍵詞 線性傾向估計;突變檢驗;小波分析;氣候變化;海南島

        中圖分類號 P467 文獻標(biāo)識碼 A

        在全球氣候變化的大背景下,近幾十年來,中國區(qū)域氣候變化特征已成為很多學(xué)者關(guān)注的熱點問題[1-7]。海南島地理位置特殊,屬于熱帶島嶼季風(fēng)氣候區(qū),受熱帶氣旋、冷空氣、西南低壓槽、南海低壓槽、副熱帶高壓等多種天氣系統(tǒng)影響,雨量極其充沛。在全球氣候變化的大背景下,已有一些學(xué)者對其氣候變化特征進行了研究。周茂華等[8]通過對海南島???、瓊海、瓊中、東方等測站近40 a來氣象資料的統(tǒng)計分析,初步揭示了海南島近40 a來氣候變化的若干特征。何春生[9]分析了海南島有代表性的5個市(縣)氣象站從建站到2000年的地面氣象觀測資料。林培松等[10]根據(jù)海南島西部 1951~2000年氣溫及降水資料,運用一元線性回歸、相關(guān)分析等數(shù)理統(tǒng)計學(xué)方法,對海南島西部近50 a來氣候變化做了分析。王勝等[11]應(yīng)用趨勢分析法和聚類分析法等方法分析了海南島全島各站點1961~2004年雨量和雨日分布特征及其變化規(guī)律。楊馥禎等[12]采用最小二乘法、Mann-Kendall法及Morlet小波等方法診斷分析了利用1966~2004年海南島大風(fēng)、暴雨、雷暴、冰雹等極端天氣事件的年發(fā)生日數(shù)資料的變化特征。黃彥彬等[13]選取海南島18個站點1965~2007年的43 a雷暴日資料,采用經(jīng)驗正交函數(shù)分解(EOF)等方法分析了海南島的雷暴日分布特征。許格希等[14]利用均勻分布在海南島的7個國家標(biāo)準氣象站1959~2008年溫度和降水資料以及海南島氣候區(qū)劃成果,研究了海南島近50 a來不同氣候區(qū)的氣候變化特征。綜觀以上研究,一些學(xué)者在不同時期采用不同方法對海南島的氣候變化特征進行了分析,對認清當(dāng)時的氣候變化事實、開展氣候變化成因和未來趨勢預(yù)測等的研究具有重要參考價值。但是不難發(fā)現(xiàn),以上研究大多數(shù)僅從某一個或某幾個方面選擇氣象要素,且選擇的站點數(shù)有限,即存在氣象要素和站點選擇不夠全面的問題。在全球氣候變化的大背景下,全面認識海南島近幾十年來的氣候變化特征具有重要的意義。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上,基于海南島18個氣象臺站的氣溫、降水資料,應(yīng)用線性傾向估計、M-K突變檢驗和小波分析等方法對海南島年平均氣溫、四季氣溫、年降水量、季節(jié)降水量等的時間序列進行全面細致的分析,揭示其變化特征,為全面認識海南島近幾十年來的氣候變化特征、科學(xué)應(yīng)對氣候變化和防汛抗旱工作提供參考依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 資料來源及處理

        所用資料為海南島18個氣象觀測站1961~2011年逐月氣溫、降水量、年降水(日降水量≥0.1 mm)日數(shù)、年強降水(日降水量≥50 mm)日數(shù)數(shù)據(jù)(根據(jù)中國氣象局頒布的“降水強度等級劃分標(biāo)準(內(nèi)陸部分)”,24 h降水總量在0.1~9.9 mm之間為小雨,50.0~99.9 mm為暴雨)。首先,對個別站點個別月份缺測數(shù)據(jù)通過同一站點及其鄰近站點前后鄰近時間的數(shù)據(jù)插值來補齊[15],以保證數(shù)據(jù)的完整性、可用性;然后進行線性傾向估計,計算各氣候特征值的氣候傾向率和趨勢系數(shù),并用M-K突變檢驗和Morlet函數(shù)進行小波變換、計算小波方差,分析海南島氣溫、降水時間序列的變化趨勢和周期規(guī)律。

        1.2 方法

        1.2.1 線性趨勢分析原理和方法[16] 氣候趨勢系數(shù):用于研究氣象要素在氣候變化中升降的定量程度,并可對其進行統(tǒng)計檢驗。定義為n個時刻(年)的要素序列與自然數(shù)序列1,2,3,…,n的相關(guān)系數(shù)

        rxt=

        其中n為年數(shù)。xi是第i年要素值,x- 為其樣本均值,t-=(n+1)。系數(shù)為正(負)時表示該要素在所計算的n年內(nèi)有線性增(降)的趨勢。rxt/符合自由端n-2的t分布,從而檢驗這種氣候趨勢是否有意義。

        氣候傾向率:氣象要素的趨勢變化一般用一次線性方程,即,x^ t=a0+a1t,t=1,2,…,n(年),=a1,a1×10稱為氣候傾向率,單位為某要素單位/10 a。根據(jù)回歸理論a1=rxt,其中δx是要素x均方差,δt為數(shù)列1,2,…,n的均方差,可以從氣候趨勢系數(shù)rxt求出氣候傾向率。

        1.2.2 突變檢驗的原理和方法[17-19] Mann-Kendall檢驗法是世界氣象組織推薦并已經(jīng)廣泛使用的非參數(shù)檢驗方法,又稱無分布檢驗,其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,檢測范圍寬,定量化程度高。設(shè)氣候序列為x1,x2,…,xn,對于n個樣本量的時間序列x構(gòu)造一秩序列:

        sk=ri (k=2,3,…,n)

        ri=+1 xi>xj

        0 xi≤xj (j=1,2,…,i)

        秩序列是第i時刻數(shù)值大于第j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。在時間序列隨機獨立的假定下,定義統(tǒng)計量UFk=(k=1,2,…,n),其中,UF1=0,E(sk),Var(sk)是累計數(shù)sk的均值和方差,在x1,x2,…,xn,相互獨立且有相同連續(xù)分布時,它們可以由下式計算:E(sk)=,Var(sk)=,UFi為標(biāo)準正態(tài)分布,它是按時間序列x順序x1,x2,…,xn計算出的統(tǒng)計量序列,給定顯著性水平α,若UFi o | Uα,則表明序列存在明顯的趨勢變化。按時間序列x逆序xn,xn-1,…,x1,再重復(fù)上述過程,同時使UBk=-UFk,k=n,n-1,…,1,UB1=0。檢驗曲線圖中若UFk和UBk線在臨界線內(nèi)變動,表明變化趨勢和突變不明顯;UFk或UBk的值大于零,則表明序列呈上升趨勢,小于零,表明呈下降趨勢;當(dāng)其超過臨界線時表明上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk 2條曲線在臨界線之間出現(xiàn)交點,則交點對應(yīng)的時刻即為突變開始的時間若交點出現(xiàn)在臨界線外,可結(jié)合其他檢驗方法進一步判定是否為突變點。

        1.2.3 小波變換的原理和方法[19] 小波變換圖能反映信號在不同時間尺度上的周期振蕩。信號的強弱用小波系數(shù)的大小來表示,正的小波系數(shù)表示信號在該時間段為偏多期,負值表示為偏少期,零值對應(yīng)著突變點。小波方差圖反映時間序列中各個尺度擾動的相對強度,對應(yīng)峰值處的尺度稱為該序列的主要時間尺度,即時間序列的主要周期。

        本文采用Morlet小波進行變換,其母小波為:

        ,

        小波變換形式為:

        ,其中,ωa,b(f)為小波系數(shù),f(t)為信號的平方可積函數(shù),a為分辨尺度,b為平移因子。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 氣溫的變化特征

        2.1.1 年平均氣溫的變化特征 海南島1961~2011年氣溫年代距平見表1。由表1可見,20世紀60年代、70年代年平均氣溫距平為負,說明年平均氣溫較常年值偏低;90年代、21世紀00年代氣溫距平為正,其中80年代距平僅為-0.034 ℃,表明氣溫接近正常值。由圖1可見,海南島年平均氣溫以約0.22 ℃/10 a的速率呈明顯上升趨勢,趨勢系數(shù)r=0.663,通過信度水平為0.01的顯著性水平檢驗。突變檢驗結(jié)果表明(圖2),海南島年平均氣溫除了在1961~1963年、1971~1973年有弱的波動外(UF<0),其它時段均呈上升趨勢,在1986年前后出現(xiàn)突變,1986年以后上升趨勢更加顯著(超過0.05臨界線)。

        圖3顯示了近51 a來海南島年平均氣溫在不同時間尺度上的周期震蕩,年平均氣溫的年際變化和年代際變化都非常明顯,3~4 a的年際變化從20世紀60年代一直持續(xù)到21世紀10年代,其中,20世紀60年代后期到70年代前期以及80年代中期以后信號較強;12 a的周期主要存在于80年代中期以前,之后被14 a的周期所代替,即周期有增加的趨勢,對應(yīng)著低-高4.5個循環(huán)交替。

        2.1.2 年平均最高、年平均最低氣溫的變化特征

        年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的線性變化趨勢、周期變化與年平均氣溫的基本一致:20世紀60年代、70年代距平為負,氣溫偏低;90年代、00年代氣溫距平為正,80年代接近正常值(表1、圖1)。略有不同的是,年平均最高氣溫在1987~1989年出現(xiàn)突變(圖4-a),90年代前期開始上升趨勢顯著(超過0.05臨界線)。年平均最低氣溫在1987~1989年出現(xiàn)突變(圖4-b),之后持續(xù)上升,90年代后期開始上升趨勢十分顯著。值得注意的是,年平均最低氣溫的上升速率相對較高(圖1),每10 a上升0.284 ℃(r=0.764,p<0.01),大于年平均最高氣溫的0.176 ℃/10 a(r=0.507,p=0<0.01),說明年平均最低氣溫增加對年平均氣溫增加的貢獻大于年平均最高氣溫增加的貢獻。

        2.1.3 四季平均氣溫的變化特征 海南島四季平均氣溫的變化趨勢與年平均氣溫的變化趨勢基本一致,呈波動上升趨勢,20世紀60年代、70年代距平為負,氣溫較常年偏低;90年代、00年代氣溫距平為正,80年代接近正常值(表1)。如圖5所示,冬季升溫最明顯,增溫速率達0.29 ℃/10 a(r=0.424,p<0.01),秋季次之,每10 a增溫0.22 ℃(r=0.570,p<0.01),春季和夏季的增溫速率分別為0.17 ℃/10 a(r=0.364,p<0.01),0.18 ℃/10 a(r=0.666,p<0.01)。開始變暖的時間也相對集中,均從1986年開始變暖,最近30 a是近50 a的最暖期(圖略)。

        2.2 降水的變化特征

        2.2.1 年降水量變化特征 1961~2011年海南島年降水量平均為1 759.0 mm,年際間波動和年代際變化都較為明顯。由表2可見,20世紀60年代、80年代年降水量距平為負,說明年降水量較常年值偏少;70年代、90年代、00年代年降水量距平為正,說明較常年值偏多,特別是00年代降水距平百分率為5.81%,說明00年代降水量偏多較為明顯。由圖6-a可見,年降水量的氣候傾向率為88.5 mm/10 a,趨勢系數(shù)為0.270,呈微弱的增加趨勢(p>0.05)。小波分析表明,年降水量在7 a以下尺度上,周期震蕩劇烈,未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。但隨著時間尺度的增加,7 a以上尺度周期震蕩趨于平緩,且規(guī)律比較清晰,在9 a左右的尺度上出現(xiàn)第一主周期,規(guī)律性明顯,降水偏多和降水偏少表現(xiàn)為多-少5.5個交替循環(huán),在17 a左右的尺度上出現(xiàn)第二主周期(圖6-b)。

        2.2.2 年降水日數(shù)、降水強度的變化特征 如圖7所示,1961~2011年海南島年降水日數(shù)平均為148.3 d,氣候傾向率為1.9 d/10 a,趨勢系數(shù)為0.243,呈現(xiàn)微弱的波動減少趨勢(p>0.05)。小波分析表明,年降水日數(shù)在12 a以下的時間尺度上,周期震蕩劇烈,未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。但隨著時間尺度的增加,12~14 a尺度周期震蕩趨于平緩,且規(guī)律比較清晰,表現(xiàn)為多-少4.5個交替循環(huán)。

        1961~2011年海南島年強降水日數(shù)平均為8.0 d,年際間波動明顯,最少年2.8 d(1969年),最大年11.4 d(2009年和2010年),氣候傾向率為0.37 d/10 a,趨勢系數(shù)為0.293,通過信度為0.05的顯著性水平檢驗,增加趨勢明顯。小波分析結(jié)果顯示,年強降水日數(shù)以年代際變化為主,在8~9 a 時間尺度上出現(xiàn)第一主周期,規(guī)律性最為明顯,表現(xiàn)為少-多6個循環(huán)交替,此外,17 a時間尺度的周期變化規(guī)律也較為明顯,表現(xiàn)為少-多3個循環(huán)交替(圖略)。

        1961~2011年海南島年降水強度平均為12.1 mm/d,年際間波動較明顯,最少年8.1 mm/d(1969年),最大年15.5 mm/d(2010年),氣候傾向率為0.44(mm/d)/10a,趨勢系數(shù)為0.440,通過信度為0.01的顯著性水平檢驗,即年降水強度增強趨勢明顯。小波分析結(jié)果顯示,年降水強度的周期變化與年強降水日數(shù)的周期變化相一致,即分別在8~9 a和17 a的時間尺度上出現(xiàn)第一和第二主周期,說明海南島降水強度主要受到暴雨及其以上量級降水日數(shù)的影響(圖略)。

        2.2.3 季節(jié)降水量的變化特征 1961~2011年海南島降水的季節(jié)分布極不均勻,干濕季節(jié)明顯,降水主要集中于夏秋兩季,約占全年降水量的77.2%。由表2及圖8可見,近51 a來,海南島春季降水量平均為326.1 mm,年際間波動明顯,最小年148.9 mm(1977年),最大年612.1 mm(1997年)。20世紀60年代、70年代春季降水量距平為負,說明降水較常年值偏少;80年代、90年代春季降水量距平為正,00年代接近常年值。其氣候傾向率為4.95 mm/10 a,趨勢系數(shù)為0.069,僅呈微弱的增加趨勢(p>0.05)。夏季降水量平均為712.4 mm,最年471.1 mm(1961年),最大年1 100.3 mm(2001年);年代際變化較為明顯,20世紀60年代、80年代夏季降水量距平為負,說明降水較常年值偏少,尤其是80年代,降水距平百分率為-8.69%;70年代、90年代、00年代降水量距平為正。線性趨勢分析表明,夏季降水量呈微弱的波動增加趨勢,氣候傾向率為7.85 mm/10 a,趨勢系數(shù)為0.088(p>0.05)。1961~2011年海南島秋季降水量平均為675.1 mm,年際間波動明顯,最少年171.5 mm(2004年),最大年1 287.7 mm(2010年);20世紀60年代、90年代秋季降水量距平百分率分別為-15.39%、-8.55%降水較常年值偏少;70年代、80年代和00年代秋季降水量不同程度偏多,其中00年代偏多較為明顯,距平達到81.36 mm,距平百分率為12.05%。氣候傾向率為30.02 mm/10 a,趨勢系數(shù)為0.193(p>0.05),即僅存在微弱的增加趨勢。1961~2011年海南島冬季降水量均值為83.3 mm,年際間波動明顯,最少年17.1 mm(1998年),最大年215.7 mm(2001年)。20世紀70年代、80年代冬季降水量距平百分率分別為-12.51%、-13.06%,降水較常年值偏少明顯;60年代、00年代降水量接近常年值;90年代冬季降水量異常偏多,距平百分率為21.84%。氣候傾向率為2.6 mm/10 a,趨勢系數(shù)為0.091(p>0.05)。以上分析表明,各個季節(jié)降水量均表現(xiàn)出明顯的年際波動和年代際變化,總體上呈微弱的增加趨勢(趨勢系數(shù)均未通過信度為0.05的顯著性水平檢驗)。

        對海南島季節(jié)降水量的小波分析表明,海南島各個季節(jié)降水量均存在多時間尺度特征,大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化:各個季節(jié)降水量在10 a以下的時間尺度上周期震蕩劇烈,沒有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律。隨著時間尺度的增加,在12~14 a的時間尺度上周期震蕩趨于平緩,規(guī)律比較明顯。其中,春季降水量從20世紀70年代到20世紀末,降水偏多和降水偏少存在12~14 a的周期變化,同時伴隨著6~7 a或4~5 a甚至于更高頻率的周期變化;其小波方差最大峰值對應(yīng)的周期T=12,次大峰值對應(yīng)的周期T=3,表明存在12 a、3 a的主周期。夏季降水量在20世紀90年代以前存在規(guī)律明顯的8~9 a周期變化,同時在20世紀60年代中期到90年代初還伴隨著15 a時間尺度的周期變化。秋季降水量在20世紀80年代以前降水偏多和降水偏少存在8 a左右的周期變化,從80年代中期開始到21世紀10年代末存在12~14 a左右的周期變化,同時疊加有4 a左右的周期變化。冬季降水量在20世紀70年代前期到20世紀末偏多和偏少存在13~14 a的周期變化,同時也疊加有4 a左右的周期變化。

        3 討論與結(jié)論

        在全球氣候變化的大背景下,海南島由于地理位置特殊,其氣候變化特征備受關(guān)注。吳慧等[20]利用Morlet子波變換對海南省16個站1961~2000年的逐月平均氣溫和降水資料進行了小波分析。陳小麗等[21]利用1961~2002年海南島11個氣象站各季和年的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、降雨量等資料,對海南島近42年的氣候變化作了分析。

        與以往大多數(shù)研究僅從某一個或某幾個方面選擇氣象要素,且選擇的站點數(shù)有限相比,本文選用海南島18個氣象站點最新的觀測資料,利用線性趨勢估計、M-K突變檢驗和小波變換方法對海南島1961~2011年氣溫、降水資料時間序列的變化特征進行了全面細致地分析,得到一些有意義的結(jié)論:

        (1)1961~2011年海南島氣候變暖趨勢明顯,表現(xiàn)為年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫和四季平均氣溫均呈上升趨勢,且均通過了信度為0.05的顯著性水平檢驗。其中,年平均最低氣溫的上升速率大于年平均最高氣溫的上升速率,冬季平均氣溫的上升速率大于其它3個季節(jié)平均氣溫的上升速率,說明年平均最低氣溫上升對年平均氣溫上升的貢獻大于年平均最高氣溫上升對其的貢獻,冬季平均氣溫上升對年平均氣溫上升的貢獻大于其它3個季節(jié)的貢獻。突變檢驗及周期分析表明,各氣溫要素均在20世紀80年代后期發(fā)生突變,存在3~4 a和12 a時間尺度的周期變化。

        (2)1961~2011年海南島年和四季的降水量總體上呈波動增加趨勢,年降水日數(shù)呈減少趨勢,但均未通過顯著性檢驗,即增加或減少的趨勢不明顯;年強降水日數(shù)和年降水強度的增加趨勢明顯,分別通過了信度為0.05、0.01的顯著性水平檢驗。周期分析表明,近51 a來海南島降水存在多時間尺度的周期變化特征,大尺度的周期變化嵌套著小尺度的周期變化:季節(jié)降水量和年降水日數(shù)存在12~14 a時間尺度的周期變化,年降水量、年強降水日數(shù)和年降水強度存在8~10 a時間尺度的周期變化,且各個要素均疊加有周期較小的高頻振蕩。

        (3)對降水資料進行分析過程中,運用Mann-Kendall等方法均未能檢測出降水序列的顯著突變點(這一結(jié)果與線性傾向估計的分析結(jié)果相吻合),因此,在文章中未作討論。

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        責(zé)任編輯:葉慶亮

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