黔東南地區(qū)氣候特征分析

黔東南地區(qū)氣候特征分析

黔東南地區(qū)位于貴州東部，位于云貴高原與湘桂陵盆地之間的過渡地帶。屬中亞熱帶季風氣候，高差為2031m。這個地區(qū)地勢較低，海拔差異明顯。我們研究了黔東南地區(qū)溫度、降水、濕度和日照時間的分布規(guī)律，包括近49年的變化趨勢和未來的預測，不僅是一項基礎工作，而且對生態(tài)環(huán)境和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的評價也很重要。以往對黔東南地區(qū)氣候變化的分析,要素比較單一,資料相對陳舊,而且大多僅利用線性回歸方法分析了因子的變化趨勢,相對簡單,不夠全面。本文擬利用黔東南地區(qū)16個氣象觀測站1961-2009年的逐日氣象資料,在分析變化趨勢的基礎上,結(jié)合小波變換方法對各氣象要素的變化周期進行分析,同時確定這些變量在不同時間頻率下發(fā)生轉(zhuǎn)折的時間。1小波變換方法利用黔東南地區(qū)(以下簡稱全區(qū))16個氣象觀測站1961-2009年逐日氣象資料,選取平均氣溫、最高氣溫≥35.0℃日數(shù)和≤0.0℃日數(shù)、降水量、暴雨日數(shù)、降水日數(shù)、相對濕度、日照時數(shù)等指標,采用常規(guī)統(tǒng)計分析方法及墨西哥帽小波分析法進行分析。采用統(tǒng)計方法是利用全區(qū)16個站逐年平均氣溫、逐年平均最高(低)氣溫、逐年極端最高(低)氣溫、最高氣溫≥35.0℃日數(shù)和≤0.0℃日數(shù)、逐年平均降水、逐年平均暴雨日數(shù)、逐年平均降水日數(shù)、逐年平均相對濕度和逐年平均日照,計算出全區(qū)年平均氣溫、最高(低)氣溫、極端最高(低)氣溫、最高氣溫≥35.0℃日數(shù)和≤0.0℃日數(shù)、降水量、暴雨日數(shù)、降水日數(shù)、相對濕度和日照。選用墨西哥帽小波分析法,首先計算它們的距平值,再利用距平時間序列的小波變換分析方法來研究各要素氣候的變化規(guī)律。關于小波變換的原理已有很多論述,本文不再重復,只給出必要的計算公式。對于時間序列f(t),其小波變換定義為Wf(a,b)=1a√∫f(t)ψ?(t?ba)Wf(a,b)=1a∫f(t)ψ*(t-ba)dt(1)式中,Wf(a,b)是小波變換系數(shù),a為伸縮尺度因子,決定小波寬度;b為平移因子,反映小波位移量,a,b∈R且a≠0;ψ*是ψ的共軛函數(shù)。文中選擇的小波基函數(shù)為墨西哥帽Mexicanhat(以下簡稱Mexh)函數(shù),即ψ(t)=(1-t2)e-t22(2)其Fourier變換為ψ?(w)=w2e?w22(3)ψ^(w)=w2e-w22(3)擾動周期T與伸縮尺度a的關系為T=3.974a(4)當尺度因子a確定時,周期T也就確定了。當a取不同的尺度因子時,可計算得到一系列小波系數(shù);小波系數(shù)極值越大,能量越強,所代表的擾動越強,對應的擾動周期也就越顯著。2結(jié)果與分析2.1平均氣溫的時間域與時間尺度溫度是影響地表植被狀況的主要因子之一。統(tǒng)計分析顯示,全區(qū)近49a各縣年平均氣溫在14.6~18.5℃,受區(qū)域小地形和區(qū)內(nèi)的地理環(huán)境的共同影響,各地的氣溫存在明顯的差異。其中各縣年平均氣溫多年平均值的地理分布規(guī)律是東南向西北逐漸降低(圖1a),東部的等值線呈經(jīng)向分布,都柳江流域、清水江及舞陽河下游地區(qū)為全區(qū)相對高溫區(qū),平均氣溫>16.0℃,而清水江上游的丹寨、麻江以及舞陽河上游的黃平為全區(qū)相對低溫區(qū),平均氣溫<15.0℃。據(jù)統(tǒng)計,南北向的從江、岑鞏年平均氣溫相差2.2℃,東西向的錦屏、麻江則相差2.0℃。全區(qū)近49a年平均氣溫無明顯的變化趨勢(Cox-Stuart趨勢性檢驗,P=0.1790>0.05)。用黔東南地區(qū)全區(qū)49a年平均氣溫距平建立數(shù)據(jù)集,根據(jù)(2)式對其進行小波變換,結(jié)果見圖1b,由圖可見,對于一個特定時間尺度的振蕩,其波峰和波谷與相應尺度小波系數(shù)的正值和負值相對應,圖上形成多種尺度正負相間的振蕩中心,表明多年來氣溫包含了多個不同尺度的周期變化。圖中負值中心表示冷中心,正值中心表示暖中心,零值線表示冷暖的轉(zhuǎn)折點,也稱突變點。由圖1c、d可見,1961-2009年,全區(qū)年平均氣溫的各種時間尺度周期變化在時間域中的分布存在差異,最強的幾個中心分別在20世紀60年代后期、70年代后期、80年代前期、90年代后期和21世紀初,周期為36a、7a和3a。在7a周期的時間尺度上,全區(qū)年平均氣溫在1961-2009年49a期間主要出現(xiàn)了5個冷暖交替的時期,4個冷暖交替突變點的具體時間位置分別在1968、1978、1988和1999年附近,與此相對應的是l968-1978年和1988-1999年的年平均氣溫偏冷期,1968年以前和1978-1988年以及1999年以后的偏暖期。在高頻區(qū),全區(qū)年平均氣溫的變化以3a周期的振動最為明顯,與此相對應的突變點比較多。由于不同時間頻率在1999年以后均為偏暖期,因此,全區(qū)年平均氣溫在2009年以后繼續(xù)升高的可能性較大,由此可以預計,未來幾年內(nèi)黔東南地區(qū)為偏暖時期。全區(qū)近49a各縣年平均最高氣溫在18.5~23.8℃,地理分布規(guī)律是東南向西北遞減(圖2a),東部的等值線呈經(jīng)向分布,麻江、丹寨海拔在900m以上年平均最高氣溫<19.0℃,錦屏、榕江、從江海拔在300m以下年平均最高氣溫>23.0℃,其余縣在19.0~23.0℃。全區(qū)49a年平均最高氣溫也無明顯的變化趨勢(P=0.1343>0.05)。全區(qū)近49a各縣年平均最低氣溫為11.8~15.1℃,地理分布規(guī)律是東南向西北遞減(圖2b),東部的等值線呈經(jīng)向分布,麻江、黃平、三穗年平均最低氣溫<12.0℃,榕江、從江平均最低氣溫>15.0℃,其它縣在12.0~15.0℃。全區(qū)49a年平均最低氣溫變化傾向率為0.146℃·10a-1(圖略),有顯著的上升趨勢(P=0.0491<0.05)。全區(qū)近49a各縣極端最高氣溫為35.2~40.1℃、極端最低氣溫為-13.1~-4.4℃。地理分布規(guī)律是東南向西北逐漸遞減,東部的等值線呈經(jīng)向(圖2c)和緯向(圖2d)分布。從江、榕江、錦屏、岑鞏、鎮(zhèn)遠低海拔地區(qū)極端最高氣溫>39.0℃,麻江、丹寨至雷山一帶均<36.0℃。各縣的極端最高氣溫出現(xiàn)在7-8月,出現(xiàn)極端最高氣溫的最近年份為2006年,其中進入21世紀以后的站次增多,而極端最低氣溫主要出現(xiàn)在1977年和1963年。統(tǒng)計全區(qū)近49a各縣日最高氣溫≥35.0℃平均日數(shù)以榕江為最多21.7d,麻江無,海拔在300m以下的從江、榕江>18d,海拔在800m以上的丹寨、雷山、黃平<1d。日最低氣溫≤0.0℃的平均日數(shù)為4.5~28.8d,最小為從江<5d,最多為三穗>28d。地理分布規(guī)律是東南向西北逐漸遞減,東部的等值線呈緯向分布(圖2e、f)。2.2日降水量的日變化全區(qū)近49a來各縣年平均降水量變化在1028.6~1432.9mm。受小地形和區(qū)內(nèi)地理環(huán)境的共同影響,各地的降水存在明顯的差異,其地理分布規(guī)律是東向南、西向北逐漸遞減,東部和西部地區(qū)的平均年降水量>1320.0mm,北部地區(qū)則<1100.0mm,年平均降水以丹寨為最多,施秉為最少(圖3a)。全區(qū)近49a年平均降水量的變化趨勢不明顯(P=0.4194>0.05)。用全區(qū)歷年年降水量距平百分率建立數(shù)據(jù)集,對其進行小波變換,結(jié)果見圖3b。圖中負值中心表示干中心,正值中心表示濕中心,零值線表示干濕的轉(zhuǎn)折點,也稱突變點。圖的上半部分對應的是低頻區(qū),等值線相對比較稀疏;下半部分對應的是高頻區(qū),等值線相對比較密集。由此可見,1981年之前,以3a時間周期的振動最為明顯,80年代主要表現(xiàn)為18a時間周期的振動,90年代主要表現(xiàn)為48a時間周期的振動。在18a時間頻率附近,全區(qū)年降水量在1961-2009年間主要出現(xiàn)了5個干濕交替的時期,4個干濕交替突變點的具體時間位置分別在1968、1980、1991和2003年附近,與此相對應的是1968年以前、1980-1991年和2003年以后的偏干期,1968-1980年和1991-2003年的偏濕期。在高頻區(qū),干濕的突變點比較多。由于不同時間頻率在2003年以后均為偏干期,因此,黔東南地區(qū)年降水量在2009年以后繼續(xù)偏干的可能性較大。統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn),當氣溫處于偏高的時期,降水量偏少,反之亦然。利用日降水量≥0.1mm作為一個降水日,全區(qū)1961-2009年各縣年平均降水日數(shù)為155.4~192.8d,以全區(qū)西部的麻江為最多,南部的從江為最少,降水日數(shù)>190d的有麻江、丹寨,降水日數(shù)<160d的有施秉、榕江、從江(如圖4a)。利用日降水量≥50mm作為暴雨日數(shù)標準,全區(qū)1961-2009年各縣年平均暴雨日數(shù)為2.0~4.2d(次),丹寨為最多,三穗為最少(圖4b)。據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計,全區(qū)暴雨日數(shù)變化傾向率為0.396d·10a-1(圖略),有較為明顯的增多趨勢(P=0.0395<0.05)。2.3中高頻區(qū)濕度變化相對濕度是表征人體舒適程度的氣候基準。根據(jù)已有的資料統(tǒng)計分析,全區(qū)近49a各縣年平均相對濕度在60%~80%。全區(qū)年平均相對濕度在78%~84%,最大相對濕度出現(xiàn)在1994年,最小在2007年,全區(qū)相對濕度的變化趨勢不顯著(P=0.9999>0.05)(如圖5a)。對全區(qū)近49a平均相對濕度距平數(shù)據(jù)集進行小波變換(圖5b),發(fā)現(xiàn)低頻區(qū)時間頻率在11a附近,全區(qū)年相對濕度在1961-2009年49a間主要出現(xiàn)了6個大小交替的時期,5個大小交替突變點的具體時間位置分別在1966、1971、1978、1985、1992和2004年附近,與此相對應的是1966年以前、1971-1978年、1985-1992年和2004年以后年相對濕度偏低期,1966-1971年、1978-1985年和1992-2004年的偏高期。中高頻區(qū)全區(qū)年相對濕度的變化以8a周期和3a周期的振動較為明顯,與此相對應的突變點也比較多(圖5b、c)。由于不同時間頻率2004年后處于偏低期,因此,全區(qū)年相對濕度在2009年以后繼續(xù)減少的可能性較大。2.4高頻區(qū)時段的季節(jié)性變化日照時數(shù)是指太陽直射光線照射地面的時間長度,對指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有重大意義。全區(qū)49a各縣年平均日數(shù)時數(shù)為1296.2~1061.4h,以東南部日照時數(shù)為最多,向西北方向逐漸減少(圖略),日照時數(shù)<1150.0h的有麻江、劍河、錦屏,日照時數(shù)在1150.0~1200.0h的有黃平、施秉、鎮(zhèn)遠、岑鞏、天柱,日照時數(shù)在1200.0~1250.0h的有凱里、雷山、三穗、臺江、榕江、黎平、丹寨。全區(qū)近49a年平均日照時數(shù)最大值出現(xiàn)在1963年,為1434.0h,最小值出現(xiàn)在1994年,為1019.2h,日照時數(shù)變化傾向率為-25.835h·10a-1(圖6a),有明顯的減少趨勢(P=0.0357>0.05)。對全區(qū)近49a平均日照時數(shù)距平數(shù)據(jù)集進行小波變換(圖6b),發(fā)現(xiàn)低頻區(qū)時間頻率在20a附近(圖6c),全區(qū)年日照時數(shù)在1961-2009年49a間主要出現(xiàn)了4個大小交替的時期,3個大小交替突變點的具體時間位置分別在1973、1985和1997年附近,與此相對應的是1973年以前、1985-1997年日照時數(shù)偏高期,1973-1985年和1997年以后的偏低期(圖6d)。中高頻區(qū)全區(qū)年平均日照時數(shù)的變化以10a周期和4a周期的振動較為明顯,與此相對應的突變點也比較多。由于不同時間頻率在1997年以后均處于偏低期,因此,全區(qū)年日照時數(shù)在2009年以后將繼續(xù)減少的可能性較大。3u3000降水、濕度和復溫變化(1)通過近49a資料分析,黔東南地區(qū)年平均氣溫、平均最高(低)氣溫總的來說呈微弱上升趨勢,與全國升溫趨勢一致。最低氣溫的升高對該地增暖的貢獻最大,升幅均超過了平均氣溫和最高氣溫。同時年平均氣溫具有從東南向西北逐漸遞減、東部的等值線呈經(jīng)向分布特征。21世紀以來出現(xiàn)極端最高氣溫的年份和站次呈增多趨勢,而極端最低氣溫保持在60年代和70年代,說明該區(qū)氣溫較差正在增大,極端暖事件明顯增多,而極端冷事件顯著減少。全區(qū)日最高氣溫≥35.0℃平均日數(shù)以東部多,西部少,日最低氣溫≤0.0℃的平均日數(shù)正好相反。近49a的氣溫變化中包含了36a、7a和3a的周期振蕩。由于不同時間頻率在1999年以后均為偏暖期,因此,全區(qū)年平均氣溫在2009年以后繼續(xù)增加的可能性較大。(2)黔東南地區(qū)近49a各縣年平均降水量變化地理分布呈東向南、西向北逐漸遞減。全區(qū)年平均降水量的變化趨勢不顯著。這與全國和貴州局部地區(qū)的趨勢不同,據(jù)研究,全國年降水量以12.66mm·10a-1的速度減少,而貴州東部丘陵地區(qū)降水量也呈減少趨勢。全區(qū)每年都有暴雨發(fā)生,暴雨日數(shù)最多的為丹寨達8次,以0.396d·10a-1速率呈明顯的增加趨勢,說明極端強降水天氣在逐漸增多。日降水量≥0.1mm年平均降水日數(shù)以全區(qū)西部為最多,南部為最少。近49a的降水量變化中包含了48a、18a和3a的周期振蕩。由于不同時間頻率在2003年以后均為偏干期,因此,黔東南地區(qū)年降水量在2009年以后繼續(xù)偏少的可能性較大。(3)黔東南地區(qū)49a年平均相對濕度在78%~84%,最大相對濕度出現(xiàn)在1994年,最小在2007年。全區(qū)相對濕度的變化趨勢不顯著。近49a的相對濕度變化中包含了11a、8a和3a的周期振蕩。由于不同時間頻率2004年后處于偏低期,因此,全區(qū)年相對濕度在2009年以后繼續(xù)減少的可能性較大。(4)黔東南地區(qū)49a各縣年平均日照時數(shù)為1296.2~1061.4h,以東南部日照時數(shù)為最多,向西北方向逐漸減少。全區(qū)近49a來年平均日照時數(shù)以25.835h·10a-1呈明顯減少趨勢。與貴州為日照時數(shù)減少區(qū)相一致。近49a的日照時數(shù)變化中包含了20a、10a和4a的周期振蕩。由于不同時間頻率1997年后處于偏低期,因此,全區(qū)年日照時數(shù)在2009年以后繼續(xù)減少的可能性較大。黔東南地區(qū)近49a來氣候變化比較小,但總體在向暖干方向發(fā)展,這一結(jié)論與池再香等的研究結(jié)果相反,與龍先菊等研究結(jié)果