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        近54年粵東北氣候干濕狀況的時(shí)空變化特征

        2022-04-29 10:48:24段?;?/span>賀發(fā)勝楊家軍郝建平
        廣東氣象 2022年2期
        關(guān)鍵詞:河源市梅州市河源

        段?;?,賀發(fā)勝,楊家軍,郝建平

        (1.河源市氣象局,廣東河源 517000;2.東源縣氣象局,廣東東源 517500)

        IPCC第5次評估報(bào)告指出,隨著全球氣候的變暖,大部分陸地干旱化趨勢日益顯著,導(dǎo)致干濕氣候區(qū)域發(fā)生變化,旱澇災(zāi)害增加,對生態(tài)環(huán)境、作物布局和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等產(chǎn)生重大影響[1]。濕潤指數(shù)是表示氣候濕潤程度的指標(biāo),它是降水量、氣溫、氣壓、風(fēng)速等多種要素的綜合反映[2-5],目前被廣泛應(yīng)用于氣候干濕狀況評價(jià)、生態(tài)環(huán)境變化等研究中。

        以往的研究表明,不同區(qū)域的干濕氣候變化存在較大差異,其影響也是復(fù)雜多樣的,并且存在較多的不確定性。胡琦等[4]、申雙和等[5]研究發(fā)現(xiàn),中國濕潤地區(qū)總體增多,東部暖濕化明顯,中西部暖干化趨勢顯著;施雅風(fēng)等[6]指出,新疆氣候干濕狀況發(fā)生了暖干-暖濕-暖干的轉(zhuǎn)變;王允等[7]認(rèn)為西南地區(qū)濕潤指數(shù)呈波動(dòng)下降趨勢,變干地區(qū)多于變濕地區(qū);姚玉碧等[8]發(fā)現(xiàn),三江源地區(qū)地表濕潤指數(shù)呈增大趨勢,降水量、相對濕度和平均最高氣溫是主導(dǎo)因子;趙晶等[9]指出,江蘇干濕氣候變化不明顯,但降水量的變化對相對濕潤度的時(shí)空分布起著主導(dǎo)作用。因此,針對各地實(shí)際情況,系統(tǒng)研究干濕氣候的時(shí)空變化規(guī)律及其成因,具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

        河源市和梅州市處于廣東省東北部的生態(tài)發(fā)展區(qū),屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),光、熱、水充足,動(dòng)植物種類繁多,生物資源豐富。以往的研究僅限于對上述地區(qū)降水、氣溫等因子的單一研究[10-13],還未有針對氣候干濕演變的系統(tǒng)研究報(bào)道。系統(tǒng)分析近幾十年來粵東北干濕氣候的時(shí)空變化特征,對進(jìn)一步科學(xué)制定農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)劃、生態(tài)發(fā)展區(qū)建設(shè)目標(biāo)等具有重要的指導(dǎo)意義。

        1 資料和方法

        1.1 資料

        所用資料為1966—2019年粵東北(指河源、梅州兩市)12個(gè)國家氣象觀測站的逐月降水量、平均氣溫、平均風(fēng)速、氣壓、相對濕度等資料。采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)對四季進(jìn)行劃分:3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至翌年2月為冬季。

        1.2 方法

        氣候干濕狀況用濕潤指數(shù)表示,采用《生態(tài)質(zhì)量氣象評價(jià)規(guī)范(試行)》中的計(jì)算方法[14]。采用線性傾向估計(jì)分析濕潤指數(shù)的線性變化趨勢;用多項(xiàng)式擬合階段性變化特征;運(yùn)用Mann-Kendall法結(jié)合滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對濕潤指數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)。對氣象因子和濕潤指數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后,運(yùn)用多元回歸方法計(jì)算氣象因子對濕潤指數(shù)的相對貢獻(xiàn)率。

        濕潤指數(shù)(Km)為

        其中,R為計(jì)算時(shí)段內(nèi)降水量(mm);ET0為同期潛在蒸散量(季度、年潛在蒸散量為相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)各月之和)。

        月潛在蒸散量(ET0)為

        其中,P為平均氣壓(hPa);t為平均氣溫(℃);d為天數(shù)(d);F為平均風(fēng)速(m/s);RH為相對濕度(%);E為溫度t對應(yīng)的飽和水汽壓(mmHg)。

        飽和水汽壓(E)為

        貢獻(xiàn)率(W)為

        其中,Y為濕潤指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;X1、X2……分別為氣象因子標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值;a1、a2……為回歸系數(shù);Wi為第i個(gè)氣象因子對濕潤指數(shù)的相對貢獻(xiàn)率。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 濕潤指數(shù)的時(shí)空變化

        近54年粵東北年濕潤指數(shù)與年降水量的空間分布基本相一致(圖1),具有河源自北向南、梅州自西北向東南呈“相對濕潤-相對干燥-相對濕潤”的分布特征。連平、和平和紫金濕潤指數(shù)較高,均在2.75以上,其中紫金最高,為2.89,主要是由于上述地區(qū)降水相對豐富;五華、興寧、梅縣、焦嶺一帶濕潤指數(shù)較低,均在2.25以下,其中五華最低,為1.95,主要是由于上述地區(qū)降水相對較少。

        圖1 1966—2019年粵東北年濕潤指數(shù)(填色)和降水量(等值線,單位:mm)

        從地形角度分析發(fā)現(xiàn),濕潤指數(shù)較高的區(qū)域主要位于地形起伏較大和大型水庫、水網(wǎng)密集的地區(qū)。地形起伏,有利于大氣對流運(yùn)動(dòng)的發(fā)生發(fā)展;水系發(fā)達(dá),則為降水的水汽供應(yīng)帶來良好條件。

        由圖2可知,近54年粵東北年濕潤指數(shù)與年降水量的氣候變化趨勢總體相一致,但并不完全同步?;洊|北多年平均濕潤指數(shù)為2.396,最大值為4.475,出現(xiàn)在1984年,最小值為1.503,出現(xiàn)在2012年,兩者相差2.972,變異系數(shù)達(dá)25%。年濕潤指數(shù)的線性變化趨勢呈不顯著的下降趨勢,但階段性變化特征明顯。1969—1999年濕潤指數(shù)多為正距平,降水量整體偏多,生態(tài)環(huán)境較為濕潤;2000—2019年濕潤指數(shù)多為負(fù)距平,降水量整體偏少,生態(tài)環(huán)境較為干燥。

        圖2 1966—2019年粵東北年平均濕潤指數(shù)及年降水量變化趨勢

        從近54年粵東北各站年濕潤指數(shù)的氣候變化趨勢分析發(fā)現(xiàn),除平遠(yuǎn)外的其余各站年濕潤指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。下降趨勢最顯著的區(qū)域位于河源市西部的連平(R=-0.453、P<0.001)和河源(R=-0.381、P<0.01),每10年下降0.185~0.209;其次是位于河源市中、南部地區(qū)的龍川(R=-0.341、P<0.05)、紫金(R=-0.321、P<0.05)和梅州市的梅縣(R=-0.339、P<0.05),每10年下降0.137~0.156。

        由圖3可知,粵東北年濕潤指數(shù)在21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變,突變點(diǎn)在2001年,并通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)。對各地年濕潤指數(shù)進(jìn)行突變分析,發(fā)現(xiàn)有7站在20世紀(jì)末到21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變,其中通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)的有龍川和豐順,突變點(diǎn)分別在1999和2002年。對比突變前后年濕潤指數(shù)變化,發(fā)現(xiàn)粵東北年濕潤指數(shù)在突變后的2001—2019年比突變前的1966—2000年下降0.466;龍川突變后的1999—2019年比突變前的1966—1998年下降0.705;豐順突變后的2002—2019年比突變前的1966—2001年下降0.609。

        圖3 1966—2019年粵東北年濕潤指數(shù)M-K突變分析

        2.2 季濕潤指數(shù)時(shí)空變化

        由圖4可知,近54年粵東北濕潤指數(shù)的季節(jié)變化和地區(qū)差異明顯。春季的濕潤指數(shù)最高,平均為3.988,大值區(qū)主要位于河源市北部,最大值為5.022,出現(xiàn)在連平;低值區(qū)主要位于梅州市南部,最小值為3.048,出現(xiàn)在五華。夏季次之,平均為3.058,大值區(qū)主要位于河源市及梅州市的南部,最大值為4.291,出現(xiàn)在豐順;低值區(qū)主要位于河源市東北部和梅州市中、北部,最小值為2.279,出現(xiàn)在五華。冬季再次之,平均為1.491,大值區(qū)主要位于河源市北部和梅州市西北部及東部,最大值為1.804,出現(xiàn)在和平;低值區(qū)主要位于梅州市東南部,最小值為0.989,出現(xiàn)在豐順。秋季最低,平均為1.060,大值區(qū)主要位于河源市南部和梅州市東南部,最大值為1.376,出現(xiàn)在紫金;低值區(qū)主要位于河源市西北部和梅州市中、北部,最小值為0.925,出現(xiàn)在蕉嶺。濕潤指數(shù)這種不同季節(jié)的空間分布特征,主要是由于冬半年粵東北受西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)影響,降水主要落區(qū)在河源北部,夏半年主要受季風(fēng)和熱帶系統(tǒng)影響,降水的主要落區(qū)在梅州市及河源市的南部。

        圖4 1966—2019年粵東北各季濕潤指數(shù)空間分布

        從近54年粵東北各季濕潤指數(shù)的氣候變化趨勢分析發(fā)現(xiàn),4季濕潤指數(shù)均呈不顯著的下降趨勢。春季,除和平站外的11站均呈現(xiàn)下降趨勢,其中連平(R=-0.343、P<0.01)、河源(R=-0.303、P<0.05)、梅縣(R=-0.299、P<0.05)、龍川(R=-0.282、P<0.05)下降趨勢顯著;夏季,連平、和平、龍川、興寧、河源、紫金、豐順等7個(gè)站呈現(xiàn)下降趨勢,其中僅連平(R=-0.365、P<0.01)下降趨勢顯著;秋、冬季全區(qū)均呈不顯著下降趨勢。

        應(yīng)用Mann-Kendall法對近54年粵東北四季濕潤指數(shù)進(jìn)行突變分析,發(fā)現(xiàn)春季連平、龍川、興寧、梅縣、河源、紫金、豐順在20世紀(jì)90年代中期到21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變,但僅河源通過滑動(dòng)t檢驗(yàn),突變點(diǎn)在1994年,轉(zhuǎn)干趨勢明顯;夏季連平、和平、龍川、豐順在20世紀(jì)70年代末到80年代初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變,但僅連平、和平通過滑動(dòng)t檢驗(yàn),突變點(diǎn)在1983年,轉(zhuǎn)干趨勢明顯;秋季龍川、蕉嶺、梅縣、河源、紫金在20世紀(jì)90年代初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變,但僅梅縣通過滑動(dòng)t檢驗(yàn),突變點(diǎn)在1991年,轉(zhuǎn)干趨勢明顯;冬季梅縣、河源在20世紀(jì)90年代中期到21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變,但均未通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)。

        2.3 月濕潤指數(shù)時(shí)空變化

        由圖5可知,粵東北濕潤指數(shù)的各月分布不均勻,與降水量的逐月變化特征基本相一致,1月起連續(xù)上升,在6月達(dá)到峰值,此后波動(dòng)下降,10月降到全年最低值。從各站月濕潤指數(shù)來看(表略),最小值為0.554,出現(xiàn)在12月的豐順,最大值為5.974,出現(xiàn)在6月的紫金;各站月濕潤指數(shù)最大值出現(xiàn)在5—6月,最小值出現(xiàn)在10—12月。

        圖5 1966—2019年粵東北濕潤指數(shù)及降水量逐月變化

        從近54年粵東北各月濕潤指數(shù)氣候變化趨勢發(fā)現(xiàn),1、8、11和12月呈弱上升趨勢,其余月份均呈下降趨勢,其中10月下降趨勢最為顯著(R=-0.296、P<0.05),每10年下降0.144。從各站各月濕潤指數(shù)變化趨勢可知,河源4月(R=-0.288)、梅縣5月(R=-0.313)、連平6月(R=-0.281)、河源10月(R=-0.303)、大埔10月(R=-0.274)、興寧10月(R=-0.285)、龍川10月(R=-0.329)呈顯著下降趨勢(P<0.05);連平5月(R=-0.348)和10月(R=-0.383)、梅州10月(R=-0.343)呈極顯著下降趨勢(P<0.01)。

        應(yīng)用Mann-Kendall法對近54年粵東北10月濕潤指數(shù)進(jìn)行突變分析,發(fā)現(xiàn)其在20世紀(jì)80年代發(fā)生突變,突變點(diǎn)在1984年。濕潤指數(shù)在突變后的1984—2019年比突變前的1966—1983年下降了0.646,但突變點(diǎn)未通過滑動(dòng)t檢驗(yàn)。

        2.4 氣象因子對濕潤指數(shù)的影響分析

        1)氣象因子氣候變化。

        從表1可知,近54年粵東北年平均氣溫呈極顯著上升趨勢,每10年上升0.196℃;年相對濕度和日照時(shí)數(shù)呈極顯著下降趨勢,每10年下降0.57%和34.04 h;年平均風(fēng)速呈不顯著上升趨勢。4季平均氣溫和平均風(fēng)速均呈上升趨勢,相對濕度和日照時(shí)數(shù)均呈下降趨勢。其中,夏、秋、冬季平均氣溫和夏季平均風(fēng)速上升趨勢極顯著,4季的相對濕度和夏季日照時(shí)數(shù)下降趨勢顯著。

        表1 1966—2019年粵東北各氣象因子氣候傾向值(10年變化量)

        2)氣象因子與濕潤指數(shù)的相關(guān)性分析。

        從近54年粵東北各氣象因子與濕潤指數(shù)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),年濕潤指數(shù)與相對濕度的相關(guān)系數(shù)為0.409,呈極顯著正相關(guān);與平均氣溫的相關(guān)系數(shù)為-0.282,呈顯著負(fù)相關(guān);與日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速的的相關(guān)性不顯著,相關(guān)系數(shù)分別為-0.165和-0.084。春季濕潤指數(shù)與相對濕度的相關(guān)系數(shù)為0.507,呈極顯著正相關(guān);與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)分別為-0.416和-0.498,呈極顯著負(fù)相關(guān)。夏季濕潤指數(shù)與相對濕度的相關(guān)系數(shù)為0.357,呈極顯著正相關(guān);與日照時(shí)數(shù)的相關(guān)系數(shù)為-0.313,呈顯著負(fù)相關(guān)。秋、冬季濕潤指數(shù)與各氣象因子間的相關(guān)系數(shù)普遍較小,相關(guān)性不顯著。

        3)氣象因子對濕潤指數(shù)變化的貢獻(xiàn)率分析。

        近54年來,粵東北年、春季和冬季各氣象因子對濕潤指數(shù)變化貢獻(xiàn)依次為相對濕度>平均氣溫>日照時(shí)數(shù)>平均風(fēng)速,相對濕度為主要影響因子,貢獻(xiàn)率均在0.4以上,而平均風(fēng)速對濕潤指數(shù)的影響幾乎可以忽略不計(jì),其貢獻(xiàn)率均小于0.1。各氣象因子對濕潤指數(shù)變化貢獻(xiàn)的夏季排序?yàn)橄鄬穸龋救照諘r(shí)數(shù)>平均風(fēng)速>平均氣溫,秋季排序?yàn)橄鄬穸龋酒骄L(fēng)速>平均氣溫>日照時(shí)數(shù),平均氣溫對夏季濕潤指數(shù)、日照時(shí)數(shù)對秋季濕潤指數(shù)的貢獻(xiàn)均小于0.1(表2)。結(jié)合氣象因子氣候傾向率和相關(guān)系數(shù)可知,相對濕度的顯著減少和平均氣溫的顯著升高是粵東北濕潤指數(shù)減小的主導(dǎo)因子。

        表2 1966—2019年粵東北各氣象因子氣候與濕潤指數(shù)的相關(guān)系數(shù)及其對濕潤指數(shù)的貢獻(xiàn)率

        3 結(jié)論

        1)近54年粵東北年濕潤指數(shù)在空間分布上河源自北向南、梅州自西北向東南呈“相對濕潤-相對干燥-相對濕潤”的分布特征,濕潤指數(shù)較高的區(qū)域主要位于地形起伏較大和大型水庫、水網(wǎng)密集的地區(qū);年濕潤指數(shù)總體呈不顯著的下降趨勢,并在21世紀(jì)初發(fā)生轉(zhuǎn)干突變。各站年濕潤指數(shù)多呈逐漸下降趨勢,僅平遠(yuǎn)呈略上升趨勢。

        2)近54年粵東北濕潤指數(shù)的季節(jié)變化和地區(qū)差異明顯,春季的濕潤指數(shù)最高,夏季次之,秋季最低。冬春季濕潤指數(shù)的大值區(qū)多位于河源市北部,低值區(qū)均位于梅州市南部;夏秋季濕潤指數(shù)的大值區(qū)均位于河源市南部和梅州市東南部,低值區(qū)多位于梅州市中、北部。四季的濕潤指數(shù)均呈不顯著下降趨勢。

        3)近54年粵東北月濕潤指數(shù)各月分布不均,與降水的逐月變化特征基本相一致,最大值出現(xiàn)在6月,最小值出現(xiàn)在10月。粵東北10月濕潤指數(shù)呈顯著下降趨勢,而各站各月的變化趨勢并不一致,變化顯著的多呈下降趨勢。

        4)粵東北年、春季和冬季的相對濕度、平均氣溫和日照時(shí)數(shù)對其濕潤指數(shù)變化具有較大貢獻(xiàn),相對濕度和日照時(shí)數(shù)對夏季濕潤指數(shù)變化貢獻(xiàn)較大,相對濕度和平均風(fēng)速對秋季濕潤指數(shù)變化貢獻(xiàn)較大。相對濕度的顯著減少和平均氣溫的顯著升高是粵東北濕潤指數(shù)減小的主導(dǎo)因子。

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