莫躍爽， 周秋文

(貴州師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 貴陽 550025)

近年來，全球氣候普遍變暖，大部分地區(qū)氣候狀況發(fā)生了明顯變化，氣候變化問題越來越引起重視。IPCC第4次評(píng)估報(bào)告指出，20世紀(jì)初以來全球平均地表氣溫上升0.76℃，近50 a的變暖趨勢幾乎是近100年的2倍[1]。在全球范圍內(nèi)，氣候變暖在近十多年來表現(xiàn)更加顯著，但在區(qū)域以及季節(jié)尺度方面，氣溫上升的速度存在著較大差別[2]。

中國眾多學(xué)者針對(duì)氣候變化方面做了很多深入研究。如郝志新等[3]研究了中國南方過去400年的極端冷冬天氣變化。繆啟龍[4]、王翠花[5]、史嵐[6]等前后對(duì)中國1950年以來的最高氣溫和最低氣溫做了分析研究。張晶晶等[7]對(duì)近50 a中國氣溫變化的地區(qū)差異進(jìn)行了分析研究。這些研究結(jié)果表明,中國氣候總體趨向變暖,冬天的變暖趨勢更為顯著。除了全球、全國尺度的研究外，對(duì)局部地區(qū)的氣溫變化特征進(jìn)行分析同樣很有價(jià)值，因此，區(qū)域尺度的氣溫變化研究也逐漸變得熱門[8-12]。由于受季風(fēng)和復(fù)雜地形等多種因素的影響，貴州氣候變化有其自身獨(dú)特的特點(diǎn)，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)后氣溫變化更加復(fù)雜[13]。貴州省處于典型的季風(fēng)氣候區(qū)，深受冬夏季風(fēng)強(qiáng)弱變化的影響，所以許多學(xué)者對(duì)該區(qū)的氣候特點(diǎn)研究做了大量工作,取得了一些的成果[14-16]。事實(shí)上，許多平均氣溫的變化與極端氣溫和四季氣溫的變化是緊密相關(guān)的。進(jìn)一步分析其最高、最低氣溫的變化有助于全面了解貴州省氣候變化的特征和進(jìn)行氣候變化因子的討論，有助于氣候?yàn)?zāi)害的預(yù)測，對(duì)防災(zāi)減災(zāi)有重要意義。

本文選取貴州省各縣、市的19個(gè)站點(diǎn)1960—2014年的氣候資料，根據(jù)地貌類型[17]，詳細(xì)分析近55年來氣溫的演變規(guī)律，通過有序聚類法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行趨勢分析，檢驗(yàn)其不同地貌氣溫的突變性，以了解貴州省不同地貌區(qū)氣溫變化特征。

1 研究區(qū)概況

貴州省位于我國西南部，地處24°37′—29°13′N，103°36′—109°35′E。貴州地貌屬于中國喀斯特高原山區(qū)，地勢西高東低，平均海拔約1 100 m。土地面積17.62萬km2，山地和丘陵占區(qū)內(nèi)總面積的92.5%。貴州巖溶地貌發(fā)育非常典型，喀斯特出露面積10.91萬km2，占全省國土面積的61.9%。境內(nèi)巖溶分布范圍廣泛，形態(tài)類型齊全，地域分異明顯。貴州省氣候溫暖濕潤，屬亞熱帶溫潤季風(fēng)氣候，年均溫14～16℃，氣溫變化小，冬暖夏涼，氣候宜人。由于獨(dú)特的地理位置和復(fù)雜的地形地貌，區(qū)內(nèi)氣溫變化差異顯著。

圖1 研究區(qū)地貌類型

2 資料與方法

氣溫的變化主要包括周期變化、趨勢變化和突變變化。采用貴州省1960—2014年的氣象數(shù)據(jù)，包括逐月平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫資料，將四季劃分為:春季(3—5月),夏季(6—8月),秋季(9—11月),冬季(12月—翌年2月)。貴州省地貌可分為：巖溶槽谷、非喀斯特區(qū)、峰叢洼地、巖溶高原、巖溶峽谷、巖溶盆地[17]，并以此進(jìn)行氣溫研究。

表1 貴州省氣象站點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)

利用最小二乘法[18]進(jìn)行年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最低氣溫和年極端最高氣溫的趨勢估算；利用ArcGIS里的反距離權(quán)重插值進(jìn)行年平均氣溫變化趨勢的空間分析。通過對(duì)氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行有序聚類、M-K非參數(shù)檢驗(yàn)[19]研究其突變特征。

3 結(jié)果與分析

3.1 各地貌類型年均氣溫的時(shí)間變化

從表2可以看出，貴州省近55 a來的年平均氣溫除巖溶盆地地區(qū)以外，其他地區(qū)(巖溶槽谷、峰叢洼地、巖溶高原、巖溶峽谷、非喀斯特區(qū))總體呈波動(dòng)上升趨勢，并分別以0.13，0.14，0.09，0.19，0.12℃/10 a的速度增加，同時(shí)，巖溶高原增溫速率最低，巖溶峽谷增溫速率最高。近55 a來巖溶盆地地區(qū)的年平均氣溫總體呈下降趨勢，下降速率為-0.10℃/10 a，2000年以后氣溫變化較大，總體在波動(dòng)下降。巖溶盆地55 a來的年平均氣溫最低溫和最高溫出現(xiàn)在2011年和1987年，氣溫分別為9.43，16.24℃；而其他地區(qū)的年均最低溫出現(xiàn)在20世紀(jì)70，80年代，最高溫都出現(xiàn)在2000年以后，2013年全省各地區(qū)的溫度普遍居高，最高溫度達(dá)到17.54℃。其中從80年代中期以來,氣溫波動(dòng)上升較明顯。總體來看，55 a來年平均氣溫的最高值就出現(xiàn)在這一階段，年均氣溫從1976年的14.67℃上升到最高氣溫16.35℃，上升1.68℃，上升幅度較大。

表2 不同地貌區(qū)氣溫年均值、四季均值線性變化率 ℃/10 a

3.2 各個(gè)站點(diǎn)年平均氣溫變化趨勢分析

對(duì)選取的貴州省19個(gè)站點(diǎn)1960—2014年的年平均氣溫進(jìn)行趨勢分析(圖2),從圖中可以看出,所選的19個(gè)站點(diǎn)中，除貴陽和盤縣的趨勢系數(shù)是負(fù)值外,其余17個(gè)站點(diǎn)的趨勢系數(shù)都是正值，這表明全省總體氣溫呈變暖的趨勢。全省平均趨勢系數(shù)為0.113,其中畢節(jié)、榕江等12個(gè)站點(diǎn)超過平均水平。望謨氣溫增加趨勢最為明顯,而安順、凱里、羅甸3個(gè)縣氣溫增勢不明顯。

圖2 貴州省19個(gè)站點(diǎn)平均氣溫趨勢系數(shù)

3.3 年均氣溫的空間變化特征

如圖3所示，在貴州省年平均氣溫變化趨勢的空間分布圖中，19個(gè)站點(diǎn)的氣溫傾向率除貴陽和盤縣2個(gè)站點(diǎn)外，其余站點(diǎn)都為正值，說明研究區(qū)整個(gè)區(qū)域存在普遍的增溫趨勢，其中銅仁、黔西、習(xí)水、望謨這4個(gè)站點(diǎn)成為了高值變化率的中心，從北到南，年均氣溫的變化率在減小，從西向東，氣溫的變化率先增大后減小，較為特殊的是，中部的貴陽站點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)低值變化率中心。氣溫變化趨勢線在西部最為密集，西南部最為稀疏，表明氣溫的變化率在西部相差較大，而在西南部相差不大。

圖3 1960-2014年貴州省年平均氣溫變化趨勢的空間分析

3.4 極端氣溫變化分析

從圖4中可以看出，55 a來貴州省極端高溫以0.06℃/10 a的趨勢上升,上升趨勢不明顯,年內(nèi)極端高溫上升了約0.33℃。其中最高值29.07℃出現(xiàn)在1969年，最低值26.78℃出現(xiàn)在2012年，最高最低氣溫兩者相差2.29℃，變化幅度偏大，極端高溫的平均值為27.92℃。20世紀(jì)60—90年代的極端高溫分別為28.01，27.84，27.58，27.88℃，2000年以后極端高溫繼續(xù)上升為28.22℃。極端氣溫在60年代的數(shù)值較高，70，80年代后極端高溫呈下降趨勢，直至90年代起氣溫開始回升，特別是2008—2010年極端氣溫急劇增加，前后增加了2.54℃。2010年以后，氣溫開始波動(dòng)下降，最低極端高溫就出現(xiàn)在這一時(shí)期。總體來看，貴州省極端高溫是波動(dòng)上升的。

從圖4中可以看出，貴州省55 a來極端最低氣溫的上升速率較大，為0.26℃/10 a，即55 a內(nèi)極端低溫上升了約1.43℃。最低極端低溫出現(xiàn)在1961年，最高極端低溫出現(xiàn)在2014年，氣溫值分別為5.97，8.34℃，兩者相差2.37℃,變化幅度較大，極端低溫的平均值為7.09℃。60—90年代的極端低溫分別為6.61，6.72，6.87，7.30℃，2000年以后極端低溫上升到7.76℃，可看出，年代際極端最低氣溫穩(wěn)定波動(dòng)上升，期間出現(xiàn)一個(gè)明顯的波峰和波谷，分別為1973年(7.81℃)和1986年(6.36℃)?？傮w來看，極端最低氣溫的增溫趨勢非常明顯。

3.5 氣溫突變性分析

3.5.1 有序聚類 在氣候變化的研究中，氣溫突變現(xiàn)象有著十分重要的地位，近代許多學(xué)者進(jìn)行了大量的氣溫突變研究工作,并取得了一定的成果[20-28]。本文采用兩種較為典型的方法，即有序聚類法和Mann-Kendall檢驗(yàn)法進(jìn)行氣溫突變性分析。前者是將整個(gè)序列看作一個(gè)整體，然后根據(jù)同類之間離差平方和最小原則來推求序列的最優(yōu)分割點(diǎn)也就是突變點(diǎn)；后者可以表明突變開始的時(shí)間，并顯示突變的區(qū)域,它們都是檢驗(yàn)突變性的重要方法。

圖4 1960-2014年貴州省極端氣溫變化

1960—2014年貴州省不同地貌分區(qū)年均氣溫序列離差平方和Sn(r)曲線見圖5。1960—2014年巖溶槽谷區(qū)年均氣溫序列離差平方和Sn(r)曲線較為平緩，基本上沒有出現(xiàn)較明顯的低峰，則推測沒有顯著的突變點(diǎn)。巖溶峽谷的Sn(r)曲線在2002年出現(xiàn)最低值12.03，突變點(diǎn)可能在2002年。巖溶高原對(duì)應(yīng)的Sn(r)曲線1996年出現(xiàn)最小值8.78，則1996年可能是變異點(diǎn)。非喀斯特區(qū)、巖溶槽谷、峰叢洼地在1998年對(duì)應(yīng)的Sn(r)為各自序列的最小值，1998年為最可能的變異點(diǎn)。

圖5 有序聚類統(tǒng)計(jì)量曲線

3.5.2 M-K突變檢驗(yàn) 基于M-K突變檢驗(yàn)方法，分析1960—2014年貴州省不同地貌分區(qū)年均氣溫變化的突變規(guī)律。從圖6A可看出，在1998年處UF與UB曲線相交，在顯著性水平0.05的臨界線范圍內(nèi)。2003年以后，顯著性趨勢全部超過U0.05=1.96的水平，且在2006年超出U0.01=2.56時(shí)的顯著性水平，表明巖溶槽谷區(qū)在1998年氣溫可能發(fā)生突變，即出現(xiàn)從低值到高值的突變現(xiàn)象。從圖6B可知，UF與UB曲線相交在1997—2000年有3個(gè)交點(diǎn)，2004年以后，顯著性趨勢全部超過U0.05=1.96的水平，說明非喀斯特區(qū)氣溫變化在1997—2000年突變情況較多，總體呈低值向高值的突變現(xiàn)象。從圖6C峰叢洼地氣溫的MK曲線看出,UF曲線上升迅速，在1998年與UB線相交，且在2004年超過了U0.05=1.96的水平，說明峰叢洼地氣溫可能在1998年出現(xiàn)低值到高值的突變現(xiàn)象。圖6D中，在顯著性水平0.05的臨界線之間，UF與UB曲線有2個(gè)交點(diǎn)，分別為1994年、1996年，從2007年以后，顯著性趨勢超過U0.05=1.96的水平，說明巖溶高原平均氣溫在1994年、1996年可能出現(xiàn)從低溫至高溫的突變現(xiàn)象。從圖6E可看出，在2001年處UF與UB曲線相交，在顯著性水平0.05的臨界線范圍內(nèi)。2005年以后，顯著性趨勢全部超過U0.05=1.96的水平，且在2006年超出U0.01=2.56時(shí)的顯著性水平，表明巖溶峽谷區(qū)在2001年氣溫可能發(fā)生突變，即出現(xiàn)從低值到高值的突變現(xiàn)象。圖6F說明，正序列UF變化趨勢較平穩(wěn),從1960—2014年沒有超出a=0.05時(shí)的顯著性水平,說明巖溶盆地近55 a來的年均溫沒有突變現(xiàn)象。從2007年以后，UF小于0，說明在此區(qū)間氣溫出現(xiàn)下降趨勢。

綜合以上可知，巖溶盆地年平均氣溫沒有存在突變現(xiàn)象，其他地貌區(qū)均可能發(fā)生了由低值到高值的突變現(xiàn)象。巖溶峽谷年平均氣溫出現(xiàn)突變的時(shí)間比較晚，第一次發(fā)生突變的時(shí)間大概出現(xiàn)在2001年，非喀斯特區(qū)、巖溶槽谷、峰叢洼地和巖溶高原近55來的年均氣溫突變的時(shí)間大致相同，都在90年代后期出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

(1) 1960—2014年來貴州省的年平均氣溫除極個(gè)別地區(qū)外(巖溶盆地)，其他地區(qū)(巖溶槽谷、巖溶峽谷、峰叢洼地、巖溶高原和非喀斯特區(qū))均出現(xiàn)波動(dòng)上升的趨勢。其中，增溫速率最低的是巖溶高原，最高的是巖溶峽谷，春季和夏季增溫幅度較小，秋季和冬季較大。

圖6 1960-2014年貴州省氣溫的M-K統(tǒng)計(jì)值曲線

(2) 從選取的貴州省19個(gè)站點(diǎn)的年平均氣溫進(jìn)行趨勢分析得到：全省的氣溫，除了貴陽和盤縣外，其余17個(gè)站點(diǎn)都有變暖的趨勢。在全省平均方面,其趨勢系數(shù)為0.113,其中畢節(jié)、榕江、興義、湄潭、習(xí)水、思南、銅仁、三穗、威寧、望謨、遵義、黔西這12個(gè)站點(diǎn)超過平均水平。增加趨勢最明顯的是望謨縣,增加趨勢最不明顯的有安順、凱里、羅甸3個(gè)縣。

(3) 貴州省近55 a來極端最高溫和極端最低溫呈上升趨勢，且極端低溫的變化率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于極端高溫的變化率。在1969年出現(xiàn)最高值達(dá)29.07℃,在2012年出現(xiàn)最低值為26.78℃,兩者相差2.29℃,變化幅度較大。在1961年出現(xiàn)最低極端低溫，在2014年出現(xiàn)最高極端低溫。

(4) 非喀斯特區(qū)、巖溶槽谷、峰叢洼地和巖溶高原均溫在20世紀(jì)90年代后期出現(xiàn)發(fā)生突變，巖溶峽谷均溫可能在2001年發(fā)生突變，巖溶盆地均溫沒有存在突變現(xiàn)象。