何昶，鄧建明，李雪純，王毛蘭

(1.南昌大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院;鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330031；2.中國(guó)科學(xué)院 南京地理與湖泊研究所，南京 210008；3.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029)

隨著人們對(duì)全球變暖的認(rèn)識(shí)增加，已有學(xué)者針對(duì)氣溫的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究.根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)第六次評(píng)估報(bào)告(AR6)，在低排放情境下，全球表面升溫幅度在2021-2040年將達(dá)到1.5 ℃，2081-2100年升溫幅度將達(dá)到1.4 ℃[1].有研究指出，1983-2012年可能是北半球最近1 400年來(lái)氣溫最高的30年[2].我國(guó)的氣溫變化與全球氣溫變化趨勢(shì)具有一致性，近54年來(lái)我國(guó)平均氣溫上升了約0.8 ℃[3].長(zhǎng)江流域90年代增溫幅度較80年代高，增溫幅度在0.3～0.6 ℃之間[4].

上述關(guān)于氣候變暖的研究主要針對(duì)平均氣溫長(zhǎng)期趨勢(shì)變化開展，然而氣溫往往是波動(dòng)變化的，如氣溫的日變化在不同尺度上的波動(dòng).一項(xiàng)對(duì)全球的陸地氣溫?cái)?shù)據(jù)的研究表明，氣溫日變化在所有的季節(jié)以及大部分地區(qū)均存在波動(dòng)[5].我國(guó)北方地區(qū)的平均日最高氣溫和平均日最低氣溫也表現(xiàn)出明顯的日變化[6].東北地區(qū)1959-2002年間氣溫日變化也存在明顯的波動(dòng)[7].但是目前關(guān)于不同時(shí)間尺度下氣溫短期波動(dòng)變化趨勢(shì)研究較少.相比于氣溫的平穩(wěn)變化，短期的氣溫波動(dòng)對(duì)不同生態(tài)系統(tǒng)都會(huì)產(chǎn)生顯著的影響[8].例如,有研究表明，在溫度波動(dòng)條件下，綠桃蚜蟲的生長(zhǎng)更快、繁殖力更大[9].溫度波動(dòng)對(duì)軟殼海龜(Apalonemutica)的孵化也可能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致其潛伏期和游泳速度與恒溫的孵化結(jié)果差異很大.通過(guò)對(duì)溫度波動(dòng)對(duì)單蜂(Osmiabicornis)發(fā)育的研究表明，在溫度波動(dòng)條件下單蜂的發(fā)育會(huì)加快[10].ZHAO等[11]發(fā)現(xiàn)夜間升溫使得英國(guó)谷物蚜蟲存活率從75%降低至37%，可能是由于夜間升溫影響了種群動(dòng)態(tài)而導(dǎo)致了一些物種的減少.CROZIER[12]發(fā)現(xiàn)一種名為Atalopedescampestris的蝴蝶的范圍擴(kuò)大受到日最低氣溫的限制，進(jìn)一步證實(shí)了氣溫日變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)可能會(huì)產(chǎn)生一定的影響.

然而如何定量表征氣溫短期的波動(dòng)，目前尚無(wú)統(tǒng)一的方法.彭凱等[13]以隔日溫差為例，分析了1957-2015年我國(guó)春季短期溫度波動(dòng)頻率與波動(dòng)幅度的時(shí)空分布與長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，結(jié)果表明1990年以后我國(guó)大部分地區(qū)(約70%)春季短期溫度波動(dòng)呈上升趨勢(shì).但是，通過(guò)隔日溫差來(lái)判斷溫度短期波動(dòng)存在一定的局限性，因?yàn)闇囟犬a(chǎn)生波動(dòng)不僅僅出現(xiàn)在相鄰的兩天，所以該方法可能會(huì)低估不同時(shí)間尺度的波動(dòng)狀況.近年來(lái)，均方根(root-mean-square，RMS)方法[14-15]在水文以及氣象上已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用.因此本文嘗試使用RMS方法來(lái)衡量太湖流域氣溫的短期波動(dòng)幅度，并分析不同時(shí)間尺度下氣溫短期波動(dòng)幅度的長(zhǎng)期變化規(guī)律.

太湖流域地處長(zhǎng)江三角洲，是我國(guó)舉足輕重的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)和城市密集區(qū),在地理上和經(jīng)濟(jì)上都具有重要的意義，生態(tài)系統(tǒng)較為脆弱，受人類活動(dòng)和氣候變化的影響強(qiáng)烈[16].近年來(lái)關(guān)于太湖流域氣溫變化的研究主要集中在年代際尺度氣候趨勢(shì)分析[17]，目前還沒有重點(diǎn)針對(duì)氣溫波動(dòng)規(guī)律的長(zhǎng)期變化趨勢(shì)開展研究.因此本文通過(guò)對(duì)近60年太湖流域10個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日最高氣溫(Maximum Temperature,MaxT)、平均氣溫(Mean Temperature,MeanT)和最低氣溫(Minimum Temperature,MinT)，使用RMS方法評(píng)估氣溫的波動(dòng)幅度及長(zhǎng)期變化趨勢(shì)，以期為研究太湖流域氣溫變化與對(duì)生態(tài)的影響提供背景資料.

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文所使用氣象數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http://data.cma.cn/)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量審核的地面氣象站點(diǎn)整理資料.選取了太湖流域內(nèi)丹徒站、常州站、溧陽(yáng)站、無(wú)錫站、昆山站、東山站、平湖站、湖州站、臨安站和寶山站共10個(gè)氣象站點(diǎn)1958-2018年MaxT，MeanT和MinT，其中丹徒站的記錄年份從1980年開始.

1.2 氣溫波動(dòng)的計(jì)算

為了衡量不同時(shí)間尺度的溫度波動(dòng)情況，本文使用RMS方法在年尺度、季節(jié)尺度和月尺度來(lái)衡量太湖流域氣溫的波動(dòng)幅度.在季節(jié)尺度討論波動(dòng)情況中，根據(jù)太湖流域氣候特征，將3至5月劃分為春季、6至8月為夏季、9至11月為秋季、12月至次年2月為冬季[18].為避免氣溫年內(nèi)自然變動(dòng)的影響，首先將原始?xì)鉁財(cái)?shù)據(jù)進(jìn)行距平計(jì)算，得到逐日氣溫距平值后進(jìn)行下一步分析.使用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)[19]的方法來(lái)分析不同時(shí)間尺度上氣溫波動(dòng)的長(zhǎng)期變化特征.

本文的數(shù)據(jù)分析和作圖使用R-4.0.5軟件[20]，包括以下R語(yǔ)言包：數(shù)據(jù)處理使用data.table包,cmdcr包，繪圖使用tidyverse包,空間分布使用automap包的克里金插值分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 年尺度氣溫波動(dòng)

太湖流域1958-2018年各站點(diǎn)MaxT，MeanT和MinT波動(dòng)趨勢(shì)圖如圖1所示.太湖流域各個(gè)站點(diǎn)的MaxT整體波動(dòng)幅度最大，年內(nèi)平均波動(dòng)為3.7 ℃；其次是MinT，平均波動(dòng)幅度為3.0 ℃；MeanT波動(dòng)幅度最小，平均波動(dòng)幅度為2.9 ℃.1958-1990年MaxT波動(dòng)幅度趨勢(shì)平穩(wěn)，年內(nèi)平均波動(dòng)幅度為3.7 ℃.而MeanT和MinT波動(dòng)幅度呈減小趨勢(shì)，年內(nèi)平均波動(dòng)幅度分別為2.7 ℃，2.9 ℃.但在1990-2018年間，MaxT，MeanT和MinT的回歸系數(shù)均呈正值(相關(guān)系數(shù)r2分別為0.013，0.178和0.232)，說(shuō)明太湖流域1990-2018年氣溫年內(nèi)波動(dòng)幅度趨勢(shì)呈增加趨勢(shì)，年內(nèi)MeanT和MinT波動(dòng)幅度增加趨勢(shì)更明顯，年內(nèi)平均波動(dòng)幅度分別為MaxT：3.7 ℃，MeanT：2.9 ℃，MinT:3.2 ℃.

2.2 季節(jié)尺度氣溫波動(dòng)

太湖流域1958-2018年各季節(jié)氣溫波動(dòng)趨勢(shì)如圖2所示.在季節(jié)尺度上，春季氣溫波動(dòng)幅度最高，其次是冬季和秋季，夏季氣溫波動(dòng)幅度最小.春季、夏季和冬季MaxT波動(dòng)幅度明顯高于MeanT和MinT的波動(dòng)幅度，秋季三種氣溫波動(dòng)幅度基本一致，說(shuō)明太湖流域春季和冬季氣溫波動(dòng)幅度較大，并且MaxT的波動(dòng)幅度最大.

1958-1990年，春季和冬季波動(dòng)幅度呈下降趨勢(shì)、夏季呈上升趨勢(shì)；1990-2018年春季(r2=0.212)和冬季(r2=0.128)氣溫波動(dòng)幅度呈顯著上升趨勢(shì)(p<0.05)，夏季和秋季波動(dòng)幅度增加趨勢(shì)不明顯(p>0.05).

2.3 月尺度氣溫波動(dòng)

太湖流域1958-2018年各月份氣溫波動(dòng)幅度如圖3所示.根據(jù)多年平均值來(lái)看，1月至8月氣溫波動(dòng)幅度呈現(xiàn)逐月降低的趨勢(shì)，9月至次年2月氣溫波動(dòng)幅度逐月上升.MaxT波動(dòng)幅度在2月和3月最大，MinT波動(dòng)幅度在11月和12月最大，MeanT波動(dòng)幅度在12月至次年2月最大.月份的波動(dòng)幅度與季節(jié)的波動(dòng)幅度相對(duì)應(yīng)，9月至12月氣溫波動(dòng)幅度相近，而其他月份最高氣溫波動(dòng)幅度較高，波動(dòng)范圍在2.7～4.6 ℃.

Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)的結(jié)果表明：太湖流域1958-1990年MaxT,MeanT波動(dòng)幅度在6月和7月呈顯著增加趨勢(shì)(p<0.05)，MeanT和MinT波動(dòng)幅度在1月和3月呈顯著降低趨勢(shì)(p<0.05).此外，MeanT和MinT大部分月份波動(dòng)幅度呈下降趨勢(shì).1990-2018年間除6月、11月和12月以外，各月份的氣溫波動(dòng)幅度基本呈上升趨勢(shì)，尤其是在1月和4月(p<0.05).

2.4 氣溫波動(dòng)的空間分布

太湖流域1958-1990年及1990-2018年MaxT,MeanT和MinT波動(dòng)變化空間分布如圖4所示.1958-1990年間，流域內(nèi)氣溫波動(dòng)幅度整體呈下降趨勢(shì)，MinT波動(dòng)幅度下降趨勢(shì)最明顯，由東向西波動(dòng)幅度下降趨勢(shì)增大；1990-2018年間，流域內(nèi)氣溫波動(dòng)幅度整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，MaxT波動(dòng)幅度的增長(zhǎng)趨勢(shì)大于MinT波動(dòng)幅度的趨勢(shì)，從南至北氣溫波動(dòng)幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)變大.

3 討 論

本文通過(guò)搜集太湖流域10個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日觀測(cè)資料，以1990年為分界分析了過(guò)去60年間氣溫(日最高、日平均和日最低氣溫)在年、季、月3個(gè)不同時(shí)間尺度下波動(dòng)幅度長(zhǎng)期變化趨勢(shì).結(jié)果表明：1990-2018年間太湖流域不同時(shí)間尺度下的氣溫波動(dòng)幅度均呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，其中春季日最高氣溫波動(dòng)幅度的上升趨勢(shì)最明顯.太湖流域春季溫度波動(dòng)幅度上升與人們的認(rèn)知和日常生活經(jīng)驗(yàn)相符合同時(shí)，我們使用RMS方法計(jì)算得到的結(jié)論與彭凱等[13]使用隔日溫差得到的結(jié)論類似.研究表明：1990年前后，全國(guó)氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)出現(xiàn)顯著突變[21].具體表現(xiàn)為，春、夏兩季氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)由快變緩，而冬季氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)則由慢變快，秋季氣溫增長(zhǎng)趨勢(shì)在不同地區(qū)出現(xiàn)不同的變化[22].

引起氣候變化的原因可以概括為自然的氣候波動(dòng)和人類活動(dòng)影響兩大類型.前者是氣候系統(tǒng)內(nèi)部以及氣候系統(tǒng)與其他外界強(qiáng)迫相互作用的結(jié)果，后者是人類活動(dòng)作用于氣候系統(tǒng)的結(jié)果.在氣候系統(tǒng)內(nèi)部各因子相互作用的過(guò)程中，最直接的影響是大氣與海洋環(huán)流的變化或脈動(dòng)，大氣和海洋是造成區(qū)域尺度氣候要素自然變化的主要原因[23-24].很多研究指出：海洋熱力狀況的異常變化與我國(guó)氣候有著密切的關(guān)系[25-26].GUEMAS等[27]指出海洋吸收熱量對(duì)氣溫波動(dòng)上升的速率有所影響.由于海洋表層水溫升高，向大氣釋放大量的感熱和潛熱能量，使得大氣環(huán)流產(chǎn)生異常，最終會(huì)導(dǎo)致氣溫產(chǎn)生變化.日最高氣溫在各氣溫中波動(dòng)幅度最大，與近年來(lái)關(guān)于日氣溫變化的研究一致.史軍等[28]的研究表明，近年來(lái)在上海城市化的影響下，最高氣溫日間升溫幅度增加.黃宏濤等[29]的研究也表明日最高氣溫受城市化的影響最大.說(shuō)明日最高氣溫波動(dòng)幅度增加有可能與城市化有關(guān).

太湖流域地處長(zhǎng)江三角洲，是我國(guó)舉足輕重的經(jīng)濟(jì)核心區(qū)和城市密集區(qū)，流域內(nèi)城市化的不斷發(fā)展，勢(shì)必會(huì)對(duì)該區(qū)域內(nèi)氣候變化產(chǎn)生影響[17].氣溫的短期波動(dòng)會(huì)對(duì)生物產(chǎn)生許多影響，在水域生態(tài)系統(tǒng)中同樣如此.比如短期溫度波動(dòng)過(guò)大會(huì)抑制海藻生長(zhǎng)[30]，也可能會(huì)通過(guò)影響微囊藻固著多糖的積累而影響其生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì)的維持等[31].因此太湖流域氣溫的短期波動(dòng)幅度的長(zhǎng)期變化也可能會(huì)對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)造成影響.但目前關(guān)于氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的研究中，尚無(wú)溫度短期波動(dòng)規(guī)律長(zhǎng)期變化對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)影響的報(bào)道，同時(shí)也不清楚短期溫度波動(dòng)對(duì)太湖藍(lán)藻水華優(yōu)勢(shì)建立是否有貢獻(xiàn)以及貢獻(xiàn)大小如何.因此，在后續(xù)關(guān)于氣候變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)影響的研究中，除考慮平均氣溫升高因素外，還應(yīng)考慮氣溫短期波動(dòng)長(zhǎng)期變化趨勢(shì)的影響.

4 結(jié) 論

(1)太湖流域地區(qū)近60年來(lái)氣溫短期波動(dòng)幅度變化趨勢(shì)可分為兩個(gè)階段：第一階段為1958-1990年，氣溫短期波動(dòng)幅度主要呈下降趨勢(shì)；第二階段為1990-2018年，氣溫短期波動(dòng)幅度主要呈上升趨勢(shì).

(2)1958-1990年間流域內(nèi)氣溫短期波動(dòng)幅度在年、季、月等不同時(shí)間尺度上不完全一致.年尺度上氣溫波動(dòng)幅度以下降為主；季尺度上春季和冬季波動(dòng)幅度下降，但夏季波動(dòng)幅度呈上升趨勢(shì).1990-2018年間氣溫波動(dòng)幅度在不同時(shí)間尺度上均呈現(xiàn)上升趨勢(shì).

(3)不同時(shí)間尺度上MaxT波動(dòng)幅度均大于MeanT和MinT波動(dòng)幅度，1990-2018年間MaxT增長(zhǎng)趨勢(shì)大于MinT波動(dòng)幅度的增加趨勢(shì)，大于MeanT波動(dòng)幅度的增加趨勢(shì).

(4)1958-1990年間流域內(nèi)氣溫波動(dòng)幅度整體呈下降趨勢(shì)，由東向西波動(dòng)幅度下降趨勢(shì)增大；1990-2018年間，流域內(nèi)氣溫波動(dòng)幅度整體呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，從南至北呈波動(dòng)幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)變大.

附 錄

附圖見電子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.06.017).