干旱區(qū)年平均氣溫對(duì)氣候變暖的響應(yīng)

干旱區(qū)年平均氣溫對(duì)氣候變暖的響應(yīng)

隨著世界價(jià)值鏈的日益顯著，在世界價(jià)值鏈的背景下，以氣候惡化為代表的全球環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越受到科學(xué)、公眾和國(guó)家政府的關(guān)注。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告指出,近百年(1906-2005年)全球平均氣溫已上升了O.74℃,近50年的線性增溫速率為0.13℃/10a,1850年以來(lái)最暖的12個(gè)年份中有11個(gè)出現(xiàn)在近期的1995-2006年。據(jù)估計(jì)21世紀(jì)全球氣候?qū)⒗^續(xù)變暖,到21世紀(jì)末,在多種溫室氣體排放情景下,預(yù)估全球地表平均增暖1.1至6.4℃。中國(guó)也和全球一樣,近年來(lái)出現(xiàn)了顯著的變暖,近100年來(lái)中國(guó)年平均地表氣溫明顯增加,升高幅度約為0.79℃:增溫速率約為0.08℃/10a,升溫幅度比同期全球平均值略高,但近50a來(lái)年平均地表氣溫變暖幅度約為1.1℃,增溫速率接近0.22℃/10a,比全球或半球同期平均增溫速率明顯偏高。還有許多關(guān)于地面氣溫變化的研究[7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18],使用不同的方法,揭露了氣候變暖的事實(shí)。中國(guó)東部季風(fēng)氣候區(qū)、西北干旱和半干旱氣候區(qū)及西南部青藏高原的不同氣候背景,形成了中國(guó)區(qū)域氣候特征及對(duì)全球氣候變暖區(qū)域響應(yīng)的復(fù)雜性和特殊性。有關(guān)西北干旱區(qū)地面氣溫變化的研究也很多,如李萬(wàn)源等利用1961-1997年1月的實(shí)測(cè)氣溫資料,分析了中蒙干旱半干旱區(qū)年平均氣溫的時(shí)空變化特征,指出區(qū)內(nèi)冬季增暖明顯,增暖中心在中蒙南邊界的臨河-富蘊(yùn)及拐子湖一帶,近20年平均增溫達(dá)2.5℃以上,1977年是由冷轉(zhuǎn)暖的突變年;區(qū)內(nèi)大部分地區(qū)年平均氣溫變化有3～4年周期,部分地區(qū)還有8年的變化周期。施雅風(fēng)等指出西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型。任朝霞等利用1961-2000年資料研究了近50年西北的氣候變化趨勢(shì),認(rèn)為干旱區(qū)年平均氣溫呈上升趨勢(shì),為0.22℃/10a,但1986年后氣溫明顯升高。本文選擇的中國(guó)西北干旱半干旱區(qū),是把它與東部季風(fēng)區(qū)分隔而產(chǎn)生的西風(fēng)帶氣候區(qū),使用近46年的地面觀測(cè)資料,側(cè)重于該區(qū)域氣溫轉(zhuǎn)折、突變、偏熱年等氣候變暖特征的分析,與已有的研究工作在資料、區(qū)域、方法、側(cè)重點(diǎn)等方面重復(fù)較少,并對(duì)部分結(jié)論進(jìn)行了合理性分析,旨在為有關(guān)區(qū)域響應(yīng)的研究領(lǐng)域提供西北干旱半干旱區(qū)的響應(yīng)結(jié)果。1地面月平均氣溫資料選取中國(guó)西北干旱半干旱區(qū)(73.5°～111.8°E,31.5°～49.3°N)包括陜西西部、內(nèi)蒙中西部和新疆、青海、甘肅資料完整的138個(gè)氣象站1961-2006年逐年實(shí)測(cè)地面月平均氣溫資料(圖1),資料取自中國(guó)氣象局氣象信息中心。1.1氣候要素的線性趨勢(shì)把氣候要素寫成時(shí)間t的函數(shù):其中:a、b為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),用最小二乘法通過(guò)實(shí)際資料計(jì)算得出,a表示線性函數(shù)的斜率,a值的符號(hào)反映y上升或下降的變化趨勢(shì),a值的大小反映f(t)上升或下降的速率,也就是氣候要素的線性趨勢(shì)(年際變率)。求得線性趨勢(shì)a后,須檢驗(yàn)時(shí)間t與變量y之間的相關(guān)系數(shù)r;若r通過(guò)信度檢驗(yàn),則認(rèn)為該趨勢(shì)有統(tǒng)計(jì)意義,否則認(rèn)為該趨勢(shì)沒(méi)有統(tǒng)計(jì)意義。其中,r0.05=0.2908、r0.01=0.3764、r0.001=0.4700。1.2實(shí)際資料計(jì)算用Cubic函數(shù)形式把氣候要素寫成時(shí)間t的非線性函數(shù):其中:b0,b1,b2,b3為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),用最小二乘法通過(guò)實(shí)際資料計(jì)算得出。通過(guò)Cubic函數(shù)擬合曲線可以很好地反映較短時(shí)期如幾年到十幾年尺度的氣候變化特征。根據(jù)Cubic上的階段性極值可定性分析要素變化的轉(zhuǎn)型特征,極小值對(duì)應(yīng)要素值由下降轉(zhuǎn)為上升的時(shí)間,反之為上升轉(zhuǎn)為下降的轉(zhuǎn)型時(shí)間。1.3突變分析用Mann-Kendall方法和滑動(dòng)t-檢驗(yàn)方法。1.4和譜分析使用MHAT小波[14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26]和譜分析。為客觀定量地分析該區(qū)氣溫的分布及變化特征,使用EOF、REOF方法對(duì)西部干旱半干旱區(qū)標(biāo)準(zhǔn)化的年平均氣溫資料進(jìn)行了分區(qū)。2年平均氣溫及其變化特征2.1氣溫場(chǎng)特征統(tǒng)計(jì)分析從1961-2006年期間年平均氣溫線性趨勢(shì)空間分布(圖2a)中看到,中國(guó)西北干旱半干旱區(qū)年平均氣溫普遍存在上升趨勢(shì),整個(gè)區(qū)域的平均增溫率為0.34℃/10a,95%的站增溫顯著,增溫最大的地方在柴達(dá)木盆地的茫崖0.92℃/10a,其次是內(nèi)蒙的臨河和新疆的七角井0.70℃/10a。增溫不顯著的地方主要在新疆西部,如阿勒泰、于田、巴音布魯克、阿拉爾、烏魯木齊和庫(kù)車等、青海高原東部的西寧等地方,增溫率一般在0.06～0.16℃/10a(圖2b),甚至新疆的庫(kù)車局地有不顯著的下降趨勢(shì)。大氣環(huán)流異常是影響氣溫異常的最直接因子。從歐亞西風(fēng)環(huán)流指數(shù)和西太平洋副熱帶高壓特征量來(lái)看,自20世紀(jì)80年代以來(lái),500hPa中緯度經(jīng)向環(huán)流偏弱,緯向環(huán)流偏強(qiáng),副熱帶高壓同時(shí)進(jìn)入持續(xù)偏強(qiáng)期。使南下冷空氣偏少,導(dǎo)致我國(guó)大部分地區(qū)氣溫偏高。而新疆的局部不顯著增溫或降溫可能與地形有關(guān)。新疆的西側(cè)由一系列高山環(huán)圍,中部是高大的天山,西風(fēng)越過(guò)山脈后會(huì)產(chǎn)生下沉氣流,在其東側(cè)形成焚風(fēng)效應(yīng)而增溫,西風(fēng)越強(qiáng),下沉增溫越強(qiáng)。對(duì)此,湯懋蒼等已有研究。我們?cè)诓伙@著增溫或降溫的區(qū)域選取巴音布魯克、阿拉爾和庫(kù)車3站,計(jì)算其區(qū)域平均氣溫,將該序列與亞洲緯向環(huán)流指數(shù)進(jìn)行比較分析(圖3),從圖3可以看出,兩者的振動(dòng)趨勢(shì)基本一致,相關(guān)系數(shù)0.5222,超過(guò)了99%的信度水平。20世紀(jì)60年代西風(fēng)強(qiáng),背風(fēng)下沉也強(qiáng),使氣溫升高,70年代至80年代隨著西風(fēng)減弱,背風(fēng)下沉也減弱,使氣溫降低,80年代后期以來(lái),西風(fēng)增強(qiáng),氣溫隨之升高。對(duì)區(qū)內(nèi)138站46年的氣溫場(chǎng)進(jìn)行EOF分析,其前10個(gè)空間分量或載荷向量(LV)的累積方差貢獻(xiàn)率占總方差的94.09%。其中前2個(gè)載荷向量的累積方差貢獻(xiàn)率已占79.96%(表1),即西部干旱半干旱區(qū)年平均氣溫EOF的收斂速度較快。根據(jù)North等的經(jīng)驗(yàn)判據(jù),僅截取其前2個(gè)載荷向量(LV1～LV2)及其對(duì)應(yīng)的時(shí)間分量或主成分(PC1～PC2)就能較好地解釋該區(qū)氣溫時(shí)空變化的主要特征。第一空間型方差貢獻(xiàn)率達(dá)68.50%,基本概括了氣溫場(chǎng)的主要信息(表1)。在載荷向量圖上某點(diǎn)的載荷值表明了該點(diǎn)氣溫與其對(duì)應(yīng)的主成分序列間的相關(guān)程度。若該點(diǎn)載荷值的絕對(duì)值愈大,則該點(diǎn)氣溫愈易明顯偏熱或偏涼,變化愈敏感;反之亦然。圖4a是第1載荷向量LV1,全區(qū)為一致的正值,有98%的站載荷值在0.38～0.98之間(通過(guò)α=0.01顯著水平檢驗(yàn)),全區(qū)一致的正相關(guān)。特別是蒙陜甘寧-塔里木盆地為相關(guān)系數(shù)最大區(qū),在0.85～0.98之間,是該區(qū)氣溫變化最敏感的區(qū)域。說(shuō)明全區(qū)一致變熱或變涼是西部干旱半干旱區(qū)氣溫異常最常出現(xiàn)的情況。PC1時(shí)間曲線(圖4b)一階線性趨勢(shì)的相關(guān)系數(shù)R=0.7523,反映了西北區(qū)冬季極顯著的增暖趨勢(shì)。三次多項(xiàng)式曲線擬合,PC1與其Cubic函數(shù)之間相關(guān)系數(shù)R=0.8138,超過(guò)了α=0.001的顯著水平,可見(jiàn)Cubic函數(shù)對(duì)原序列變化趨勢(shì)具有代表性。PC1的Cubic函數(shù)在1970’s初期達(dá)到極小值,表明西部干旱半干旱區(qū)從20世紀(jì)70年代初期開(kāi)始發(fā)生降溫-升溫轉(zhuǎn)型。LV1全區(qū)皆為正載荷值,對(duì)應(yīng)的PC1時(shí)間序列曲線上的峰(谷)值點(diǎn)是偏熱(偏涼)年。其中2006、1998、1999、2002、2004、2001、1997、2005、2000、1990年依次是過(guò)去46年中全區(qū)性的前10個(gè)偏熱年,全部出現(xiàn)在20世紀(jì)90年代以后;而1967、1984、1976、1970、1969、1968、1974、1964、1962、1975年依次是過(guò)去46年中全區(qū)性的前10個(gè)偏涼年。從M-K曲線圖(圖4c)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)結(jié)合圖3b來(lái)看,西北干旱半干旱區(qū)年平均氣溫表現(xiàn)出明顯的增溫趨勢(shì),從1969年開(kāi)始?xì)鉁爻试黾于厔?shì),1986年有一次顯著突變,其后氣溫達(dá)到一個(gè)更顯著的增暖時(shí)期。在對(duì)應(yīng)的子波圖上(圖4d),準(zhǔn)5年和準(zhǔn)10年左右的周期明顯,經(jīng)檢驗(yàn)在95%的信度水平上顯著。從10年左右的年代際變化來(lái)看,氣溫振幅隨時(shí)間加大,向偏暖位相增幅,有5個(gè)氣溫位相偏低期:1966-1970、1974-1977、1983-1986、1992-1996、2002-2004年。有5個(gè)氣溫位相偏高期:1961-1965、1971-1974、1978-1982、1987-1991、1997-2001年,目前處在偏高期。從15年以上的氣候變化層次來(lái)看,氣溫趨勢(shì)還在偏高的位置。2.2年際變化穩(wěn)定性差該區(qū)氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差總體偏大,一般在0.5℃～1.4℃之間,北疆-天山東段-青海西部和內(nèi)蒙最大在0.8℃以上,年際變化穩(wěn)定性差。南疆和海東-隴南一帶最小在0.6℃以下(圖略),氣溫年際變化相對(duì)穩(wěn)定。3氣溫距與pc2序列的相關(guān)性分析年平均氣溫距平第二空間型LV2的方差貢獻(xiàn)率11.46%,LV2空間分布(圖5a)主要特征是0線西南-東北走向自青藏高原北側(cè)到達(dá)內(nèi)蒙北部,蒙新區(qū)為負(fù)值,陜甘寧青為正值。即區(qū)內(nèi)西北部的氣溫距平與PC2序列呈反相關(guān)關(guān)系,東南部呈正相關(guān)關(guān)系。表明區(qū)內(nèi)西北部和東南部氣溫距平變化相反。PC2有不顯著的上升趨勢(shì),但PC2與其Cubic函數(shù)之間相關(guān)系數(shù)R=0.3964,超過(guò)了α=0.01的顯著水平,1969-1981、1998-2006年Cubic函數(shù)為正值,1961-1965、1985-1997年為負(fù)值。由此表明1961-1965、1985-1997年以蒙新區(qū)氣溫偏高而陜甘寧青區(qū)氣溫偏低為主,1969-1981、1998-2006年相反,以蒙新區(qū)氣溫偏低而陜甘寧青區(qū)氣溫偏高為主。4異常分區(qū)細(xì)節(jié)REOF能方便地分析不同區(qū)域之間要素異常的相互關(guān)系和變化響應(yīng)的敏感區(qū)域。為進(jìn)一步分析中國(guó)西北干旱半干旱區(qū)年平均氣溫異常分區(qū)細(xì)節(jié),為該區(qū)的氣候分區(qū)提供客觀依據(jù),在EOF分析的基礎(chǔ)上,對(duì)其前10個(gè)LV分量進(jìn)行了方差極大正交旋轉(zhuǎn)(REOF)。因REOF分析的前4個(gè)分量的累計(jì)方差貢獻(xiàn)率已達(dá)80.21%(表1),且第5個(gè)分量方差貢獻(xiàn)率急劇減小至4.51%,以后各分量皆<3%,因此取前4個(gè)旋轉(zhuǎn)載荷向量場(chǎng)分析,得出干旱半干旱區(qū)年平均氣溫的4個(gè)主要空間異常區(qū)域(圖6)。4.1rlv2、r超聲特征區(qū)域及區(qū)域分布第一異常區(qū)(圖6a)RLV1以負(fù)值為主,占總方差的28.62%,絕對(duì)值大值區(qū)主要包括內(nèi)蒙、寧夏北部、甘肅西部和北疆,中心位于新疆的阿勒泰(47°44′N,88°05′E),絕對(duì)值最大RLV-0.95;表明這些地方是干旱半干旱區(qū)氣溫異常的最敏感區(qū),稱之為北部區(qū)。第二異常區(qū)(圖6b)RLV2以正值為主,94%的站載荷值為正值,占總方差的24.75%。RLV>0.6的區(qū)域主要包括青海高原,以青海的達(dá)日(33°45′N,99°39′E)為最大中心,RLV值0.95。是干旱半干旱區(qū)氣溫異常的次敏感區(qū),稱之為高原區(qū)。第三異常區(qū)(圖6c)RLV3以正值為主,97%的站載荷值>0,占總方差的13.54%。RLV>0.6的區(qū)域主要在南疆。以新疆的莎車(38°26′N,77°16′E)為最大中心,RLV值0.85,稱之為南疆區(qū)。第四異常區(qū)(圖6d)RLV4以正值為主,99%的站載荷值>0,占總方差的13.30%,RLV>0.6的區(qū)域主要位于陜西西部-隴南。中心位于陜西的長(zhǎng)武(35°12′N,107°48′E),最大RLV值0.80;稱之為東部區(qū)。根據(jù)西北干旱半干旱區(qū)域異常氣溫相關(guān)程度的高低,依圖5a～d前4個(gè)RLV的0.55等值線的范圍,將干旱半干旱區(qū)分為4個(gè)區(qū)(圖1),分別叫做北部區(qū)、高原區(qū)、南疆區(qū)和東部區(qū),簡(jiǎn)稱Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)。4.2氣溫特征的變化RLV1～RLV4對(duì)應(yīng)的代表站能較好地代表該區(qū)的氣候特點(diǎn),反映了各個(gè)異常區(qū)氣溫的時(shí)間演變,因此根據(jù)代表站的氣溫標(biāo)準(zhǔn)化序列(圖6e～h)分析各區(qū)氣溫異常的時(shí)間變化。轉(zhuǎn)型特征:從Cubic曲線分析各區(qū)氣溫變化的轉(zhuǎn)折性。北部區(qū)年平均氣溫從1970s初期轉(zhuǎn)為上升,1990s末期轉(zhuǎn)為下降階段;高原區(qū)和南疆區(qū)氣溫單調(diào)上升,1970s～1980s趨勢(shì)平緩,1990s以后增溫劇烈;東部區(qū)年平均氣溫從1960s初期下降至1980s初期轉(zhuǎn)為上升。由此可以看出,西部干旱半干旱區(qū)年平均氣溫的轉(zhuǎn)折存在區(qū)域差異,高原和南疆區(qū)單調(diào)增暖,無(wú)明顯轉(zhuǎn)折,北部區(qū)的轉(zhuǎn)暖時(shí)間比較低緯度的東部大致要早5年左右。偏熱(涼)年份特征:按世界氣象組織對(duì)氣候異常的判斷標(biāo)準(zhǔn):即距平大于或等于2倍標(biāo)準(zhǔn)差者作為氣候異常:介于標(biāo)準(zhǔn)差的1.5～1.9倍者作為接近氣候異常。我們從各代表站氣溫曲線上選取標(biāo)準(zhǔn)差的1.5倍以上得到各分區(qū)氣溫異常偏熱(涼)的代表性年份(表2)。如Ⅰ區(qū)偏熱年最明顯的前3年依次為1997、1982、1962年,偏涼年最明顯的前3年依次為1969、1984、1966年。其它區(qū)的代表年份詳見(jiàn)表2。從統(tǒng)計(jì)事實(shí)看,86%的偏熱年出現(xiàn)在1990年以后。突變特征:利用M-K檢驗(yàn)和滑動(dòng)t檢驗(yàn)(圖略),結(jié)合圖6e～h,北部區(qū)1969年平均氣溫是近46年最低的一年,1970年開(kāi)始增溫,1987有一次突變,之后氣溫呈顯著偏暖時(shí)期;高原區(qū)氣溫波動(dòng)上升,1984年有一次突變,其后是一個(gè)強(qiáng)烈的增溫期;南疆區(qū)氣溫波動(dòng)上升,1977年開(kāi)始顯著增暖,1996年發(fā)生突變,其后是一個(gè)強(qiáng)烈增溫期;東部區(qū)1984年是氣溫最低的一年,1985開(kāi)始增溫,1994年有一次突變,其后增溫更加強(qiáng)烈。由此可以看出,年平均氣溫的突變先從高原開(kāi)始,依次是北部、東部、南疆區(qū),其它區(qū)的突變比高原要晚3～10年。年代際變化:早在1980年,湯懋蒼等通過(guò)對(duì)青藏高原、祁連山與我國(guó)東部的氣候變化進(jìn)行對(duì)比分析,首次提出了青藏高原可能是我國(guó)氣候變化的“啟動(dòng)區(qū)”,此后“啟動(dòng)區(qū)”的觀點(diǎn)得到了進(jìn)一步的認(rèn)可,他們認(rèn)為,10年尺度的溫度波動(dòng)從高原向東向北傳播,我國(guó)東部比高原東南部要晚4-8a。隨著時(shí)間的變化,這種啟動(dòng)效應(yīng)是否還存在,我們檢驗(yàn)了青海高原與西部其它各區(qū)氣溫的年代變化和滯后相關(guān)變化:在各代表站的氣溫子波分解圖上(圖略),分析伸縮尺度10年左右的波峰變化,皆顯示出西北其它區(qū)的氣溫要比高原區(qū)滯后1～2年;另外,計(jì)算了各區(qū)與高原代表站氣溫序列滯后1～10年的相關(guān)系數(shù)(圖7),從中可以看出,北部和南疆區(qū)與高原區(qū)在滯后1年上取得最大相關(guān)系數(shù),分別為0.38和0.36,而東部區(qū)與高原區(qū)在滯后6年上取得最大相關(guān)系數(shù)0.33,都超過(guò)了95%的置信水平。無(wú)論是突變特征還是年代際變化,高原氣溫變化超前于其它區(qū),說(shuō)明高原氣候變化的“啟動(dòng)區(qū)”效