孫鈺蘅,張辰光,劉翼澤,邢 偉,楊 颯,劉明華*

(1. 中國城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 城鄉(xiāng)治理所, 北京100044;2. 信陽師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院/信陽市氣候與環(huán)境演變重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河南 信陽 464000;3. 三明學(xué)院 國家公園研究中心, 福建 三明 365004)

0 引言

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出全球變暖已成為當(dāng)前人類社會(huì)面臨的重要挑戰(zhàn)之一[1]。河南省地處亞熱帶向暖溫帶過渡的東亞季風(fēng)區(qū),橫跨南北過渡帶,是典型的受全球氣候變暖影響最為敏感的地區(qū)之一[2]。同時(shí),作為我國人口、農(nóng)業(yè)大省和重要的商品糧生產(chǎn)基地,極端氣候事件的發(fā)生往往給河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來重大影響。其中,厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)作為發(fā)生在橫跨赤道附近太平洋的一種準(zhǔn)周期氣候事件,對(duì)中國不同區(qū)域的氣候都有較顯著的影響,進(jìn)而引起區(qū)域地理環(huán)境的變化[3-8]。雖然已有學(xué)者對(duì)河南省氣候變化開展了研究,但相關(guān)研究多集中在極端氣溫、降水等的空間分布特征和時(shí)間演化上[9-10],并未深入探討ENSO事件對(duì)氣候變化的影響。而據(jù)統(tǒng)計(jì),僅1970—2000年間河南省出現(xiàn)極端高溫、暴雨將近300次[11]?；诖?本研究選用河南省19個(gè)氣象站點(diǎn)的1970—2019年逐日的氣溫實(shí)測(cè)資料,通過統(tǒng)計(jì)分析方法,從年度、季度對(duì)河南省近50年的氣溫時(shí)空變化特征進(jìn)行分析,并對(duì)ENSO事件強(qiáng)度等級(jí)與氣候的變化關(guān)系進(jìn)行探究,以期為相關(guān)部門提供河南省極端天氣預(yù)警信息,為河南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展提供參考。

1 研究區(qū)概況

河南省位于中國中東部(114°19′E—122°43′E,34°22′N—38°23′N),境內(nèi)有黃河、淮河等河流經(jīng)過;西部山地多、地勢(shì)高,東部為平原地區(qū)(圖1)。

圖1 河南省氣象站選點(diǎn)分布示意圖Fig. 1 Distribution diagram of selected meteorological stations in Henan province

河南省受東亞季風(fēng)影響,全省氣候四季分明,雨熱同期,降水集中,多年年平均氣溫約為12～16 ℃;多年年平均降水量為450～600 mm,且自東南向西北遞減,地區(qū)分布差異和年際變化大。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源及處理

所用數(shù)據(jù)由國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)提供(http://data.cma.cn),包括1970—2019年河南省19個(gè)站點(diǎn)逐日最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫等數(shù)據(jù)(圖1),各站點(diǎn)氣象數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制(極值、時(shí)間一致性和均一化檢驗(yàn)等),對(duì)個(gè)別缺失數(shù)據(jù)采用相鄰站點(diǎn)線性回歸方法進(jìn)行插補(bǔ),保證經(jīng)過處理修正后的氣象數(shù)據(jù)具有很好的連續(xù)性。然后運(yùn)用R編輯器、RClimdex軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步質(zhì)量控制,包括:數(shù)據(jù)記錄日期是否與現(xiàn)實(shí)一致、錯(cuò)誤值及異常值的篩選等,以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可信度。

2.2 研究方法

3 結(jié)果與分析

3.1 1970—2019年ENSO事件特征分析

對(duì)1970—2019年SST值求距平并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理之后,得到SSTA值作為研究指標(biāo),并依據(jù)SSTA值將El Nio事件與La Nina事件分別表示為強(qiáng)、中、弱3個(gè)等級(jí),其中El Nio事件的強(qiáng)度等級(jí)用數(shù)字3、2、1表示,而La Nina事件的強(qiáng)度等級(jí)用-3、-2、-1表示[14-15]。ENSO事件強(qiáng)度分級(jí)結(jié)果見表1。

表1 1970—2019年間ENSO事件發(fā)生時(shí)間表Tab. 1 Intensity and grade of ENSO events from 1970 to 2019

基于表1繪制了1970—2019年間的ENSO事件強(qiáng)度等級(jí)的變化趨勢(shì)圖(圖2)。結(jié)果顯示,近50年來發(fā)生的ENSO事件波動(dòng)較大。進(jìn)一步對(duì)ENSO強(qiáng)度進(jìn)行3年滑動(dòng)擬合(圖2),可以看出ENSO強(qiáng)度變化呈波動(dòng)趨勢(shì),冷暖事件發(fā)生頻次大致相當(dāng)。

圖2 1970—2019年ENSO事件強(qiáng)度等級(jí)及其滑動(dòng)趨勢(shì)線擬合Fig. 2 ENSO events grade and its sliding trend line fitting from 1970 to 2019

20世紀(jì)70年代中期,La Nina事件發(fā)生較多且強(qiáng)度大,以La Nina事件為主;而20世紀(jì)80—90年代中期,ENSO等級(jí)變化幅度較大,但主要以El Nio事件為主;而2000年以后暖事件發(fā)生頻次明顯增多。此外,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)在1970—2019年間El Nio事件發(fā)生強(qiáng)度大于La Nina事件,強(qiáng)度較大的El Nio年份共出現(xiàn)了9個(gè);而La Nina出現(xiàn)強(qiáng)度較大的年份有7個(gè),這主要是由于近百年來全球氣候顯著變暖的影響[3,6]。

此外,統(tǒng)計(jì)SSTA值和SOI值的隨時(shí)間變化的曲線發(fā)現(xiàn)(圖3),過去50年以來當(dāng)SSTA值為正即El Nio事件發(fā)生時(shí),從圖中可以看對(duì)應(yīng)年份的SOI值為負(fù);當(dāng)SSTA值為負(fù)即La Nina事件發(fā)生時(shí),對(duì)應(yīng)該年份的SOI值為正。El Nio與La Nina強(qiáng)度等級(jí)的值對(duì)應(yīng)的ENSO事件的強(qiáng)弱與SOI值相對(duì)應(yīng),即當(dāng)ENSO事件強(qiáng)度等級(jí)的絕對(duì)值較大時(shí),SOI的絕對(duì)值也比較大。對(duì)1970—2019年Nio 3.4區(qū)的SSTA值和SOI值進(jìn)行相關(guān)性分析,其相關(guān)系數(shù)為-0.657(p=0.01),呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,這表明本文利用Nio 3.4區(qū)的SSTA值來表征ENSO事件是可行的。

圖3 Nio 3.4區(qū)SSTA和SOI隨時(shí)間變化過程線圖Fig. 3 Changes of SSTA and SOI with time in Nio 3.4 district

3.2 河南省氣溫變化特征

根據(jù)“中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)”所提供的1970—2020年河南省19個(gè)氣象站點(diǎn)氣溫監(jiān)測(cè)資料,繪制了河南省1970—2019年間年平均氣溫和季節(jié)平均氣溫的變化曲線(圖4和5)。1970—2019年河南省年均溫呈現(xiàn)增加趨勢(shì),配對(duì)樣本t檢驗(yàn)結(jié)果為p<0.01,說明其增加趨勢(shì)顯著。1970—2019年河南省年均氣溫在13.61～15.86 ℃之間,年平均氣溫在波動(dòng)中呈明顯上升趨勢(shì),增溫速率約為0.24 ℃/10a,明顯高于全球年平均氣溫增溫速率(0.12 ℃/10a)[1],但與全國年平均氣溫增溫速率基本持平(0.23 ℃/10a),其中在1994年左右氣溫開始顯著上升,最高年平均氣溫為15.86 ℃(2019年)。

圖4 1970—2019年河南省年平均氣溫變化趨勢(shì)Fig. 4 Changes trend of annual mean temperatures in Henan province from 1970 to 2019

此外,通過分析1970—2019年河南省季節(jié)氣溫變化發(fā)現(xiàn),河南省四季平均氣溫均呈上升趨勢(shì);其中春季氣溫增溫速率最大,冬季氣溫增溫速率最小(圖5)。通過5年滑動(dòng)平均曲線可以看出,河南省春季氣溫在波動(dòng)中逐漸上升,增溫趨勢(shì)較為明顯,對(duì)全省年均溫上升貢獻(xiàn)度最顯著;而冬季氣溫波動(dòng)較大,但其增溫趨勢(shì)并不明顯。秋季氣溫波動(dòng)較小,但增溫趨勢(shì)明顯;而夏季氣溫波動(dòng)劇烈,但增溫趨勢(shì)最小(圖5),這與人類活動(dòng)造成的溫室氣體排放量的增加息息相關(guān)[8-9]。總體而言,河南省年均和季節(jié)氣溫都呈現(xiàn)增加趨勢(shì),春冬季節(jié)的增溫幅度大于夏秋季,其中春季增溫趨勢(shì)最為顯著,是河南省氣候變暖的主要體現(xiàn)。

圖5 1970—2019年河南省季節(jié)性氣溫變化Fig. 5 Changes trend of seasonal mean temperatures in Henan province from 1970 to 2019

3.3 河南省氣溫變化與ENSO事件關(guān)系分析

為研究ENSO事件對(duì)河南省氣溫的影響,依據(jù)1970—2019年間ENSO事件強(qiáng)度等級(jí)定量表(表2),統(tǒng)計(jì)在El Nio事件與La Nina事件發(fā)生時(shí)期河南省四季和全年的氣溫正距平的總數(shù),通過氣溫正距平的年數(shù)占?xì)鉁乜偭康谋嚷蕘矸治鯡NSO事件對(duì)河南省氣溫變化的影響。從表2中可以看出,在El Nio事件時(shí)期,河南省春、秋、冬三季和全年氣溫均偏高,夏季顯著降低;在La Nina事件時(shí)期,河南省夏、秋、冬三季和全年氣溫稍偏高,春季氣溫略有降低。

表2 ENSO事件時(shí)期河南省氣溫的季節(jié)性變化比率Tab. 2 Ratio of the seasonal variation of temperature in Henan province during ENSO events

由ENSO事件強(qiáng)度等級(jí)與河南省1970—2019年間年均溫的關(guān)系可知:在過去的50年間河南省的平均氣溫變化較大,且整體呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì)(圖6)。通過分析得出氣溫與ENSO等級(jí)之間的相關(guān)系數(shù)為-0.02,可以說明1970—2019年河南省的年平均氣溫與ENSO事件的強(qiáng)度等級(jí)存在一定的相關(guān)關(guān)系。由圖6可以發(fā)現(xiàn),河南省年均溫與ENSO等級(jí)在20世紀(jì)70—90年代基本呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,自2000年到現(xiàn)在呈正相關(guān)關(guān)系,這主要是由于近20年來人類活動(dòng)的影響加劇了全球氣候變化的進(jìn)程,導(dǎo)致區(qū)域氣溫顯著增加[3]。

圖6 1970—2019年ENSO事件等級(jí)與河南省年平均氣溫的關(guān)系圖Fig. 6 Relationship between ENSO event grade and annual mean temperature in Henan province from 1960 to 2016

此外,以ENSO事件發(fā)生的年份作為時(shí)間序列,利用同期月氣溫、滯后1～3個(gè)月的氣溫和1970—2019年每月的SSTA值進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)。結(jié)果表明,無論是在El Nio事件還是La Nina事件發(fā)生的年份,同期的氣溫與SSTA都在0.01水平上顯著相關(guān),但不同的是在El Nio事件年,氣溫與同期的SSTA值呈正相關(guān)關(guān)系,而在La Nina事件年,氣溫與同期SSTA值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。在El Nio事件發(fā)生年份,SSTA與滯后一個(gè)月時(shí),河南省的氣溫在0.05水平上顯著相關(guān);在滯后2個(gè)月時(shí)呈負(fù)相關(guān)但不顯著;在滯后3個(gè)月時(shí)呈正相關(guān)但不顯著。在La Nina事件發(fā)生的年份,SSTA與河南省的氣溫在滯后1個(gè)月和2個(gè)月時(shí)呈不顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系;在滯后3個(gè)月時(shí)呈不顯著的正相關(guān)關(guān)系。從同期以及滯后期的結(jié)果來看,在El Nio事件發(fā)生的年份,氣溫與SSTA值呈正相關(guān)關(guān)系,在同期及滯后1個(gè)月時(shí)對(duì)氣溫的影響顯著,表明El Nio事件使氣溫上升;在La Nina事件發(fā)生的年份,氣溫與SSTA值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,在同時(shí)期對(duì)氣溫的影響顯著,表明La Nina事件造成氣溫下降。

表3 1970—2019年ENSO發(fā)生年份中河南省年均溫與SSTA的相關(guān)性Tab. 3 Correlation between mean annual temperature and SSTA in Henan province during ENSO events from 1970 to 2019

4 結(jié)論

利用1970—2019年河南省氣溫?cái)?shù)據(jù)與SSTA、SOI的關(guān)系來分析ENSO事件對(duì)過去50年以來河南省氣溫變化的影響。結(jié)果表明:

(1)1970—2019年,河南省氣溫呈現(xiàn)顯著增加的趨勢(shì),氣溫增幅約0.24 ℃/10a,與全國年均溫增溫速率基本持平。其中冬春季節(jié)氣溫增幅大于夏秋季,且冬季氣溫增幅最大。

(2)1970—2019年發(fā)生的ENSO事件發(fā)生次數(shù)較多且強(qiáng)度波動(dòng)較大,且EI Nio事件發(fā)生強(qiáng)度要大于La Nina事件,這種現(xiàn)象發(fā)生的主要原因是全球氣候變暖造成的。在El Nio事件發(fā)生的年份,夏季氣溫降低得較為明顯,在La Nina事件年,春季氣溫略有降低;且SSTA數(shù)據(jù)與SOI值在0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(3)1970—2019年,河南省的年均溫有明顯增加的趨勢(shì),利用SSTA值與同期、滯后1～3個(gè)月的氣溫進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),氣溫的改變與ENSO事件的強(qiáng)度呈現(xiàn)比較明顯的相關(guān)關(guān)系,且存在一定的滯后性。在El Nio事件發(fā)生的年份,河南省氣溫變化與SSTA值呈正相關(guān)關(guān)系,即El Nio事件引起氣溫上升;在La Nina事件發(fā)生的年份,河南省氣溫變化與SSTA值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,即La Nina事件導(dǎo)致氣溫降低。