黔东南地区气候特征分析

黔东南地区气候特征分析

黔东南地区位于贵州东部，位于云贵高原与湘桂陵盆地之间的过渡地带。属中亚热带季风气候，高差为2031m。这个地区地势较低，海拔差异明显。我们研究了黔东南地区温度、降水、湿度和日照时间的分布规律，包括近49年的变化趋势和未来的预测，不仅是一项基础工作，而且对生态环境和农业生产的评价也很重要。以往对黔东南地区气候变化的分析,要素比较单一,资料相对陈旧,而且大多仅利用线性回归方法分析了因子的变化趋势,相对简单,不够全面。本文拟利用黔东南地区16个气象观测站1961-2009年的逐日气象资料,在分析变化趋势的基础上,结合小波变换方法对各气象要素的变化周期进行分析,同时确定这些变量在不同时间频率下发生转折的时间。1小波变换方法利用黔东南地区(以下简称全区)16个气象观测站1961-2009年逐日气象资料,选取平均气温、最高气温≥35.0℃日数和≤0.0℃日数、降水量、暴雨日数、降水日数、相对湿度、日照时数等指标,采用常规统计分析方法及墨西哥帽小波分析法进行分析。采用统计方法是利用全区16个站逐年平均气温、逐年平均最高(低)气温、逐年极端最高(低)气温、最高气温≥35.0℃日数和≤0.0℃日数、逐年平均降水、逐年平均暴雨日数、逐年平均降水日数、逐年平均相对湿度和逐年平均日照,计算出全区年平均气温、最高(低)气温、极端最高(低)气温、最高气温≥35.0℃日数和≤0.0℃日数、降水量、暴雨日数、降水日数、相对湿度和日照。选用墨西哥帽小波分析法,首先计算它们的距平值,再利用距平时间序列的小波变换分析方法来研究各要素气候的变化规律。关于小波变换的原理已有很多论述,本文不再重复,只给出必要的计算公式。对于时间序列f(t),其小波变换定义为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)是小波变换系数,a为伸缩尺度因子,决定小波宽度;b为平移因子,反映小波位移量,a,b∈R且a≠0;ψ*是ψ的共轭函数。文中选择的小波基函数为墨西哥帽Mexicanhat(以下简称Mexh)函数,即ψ(t)=(1-t2)e-t22(2)其Fourier变换为ψˆ(w)=w2e−w22(3)ψ^(w)=w2e-w22(3)扰动周期T与伸缩尺度a的关系为T=3.974a(4)当尺度因子a确定时,周期T也就确定了。当a取不同的尺度因子时,可计算得到一系列小波系数;小波系数极值越大,能量越强,所代表的扰动越强,对应的扰动周期也就越显著。2结果与分析2.1平均气温的时间域与时间尺度温度是影响地表植被状况的主要因子之一。统计分析显示,全区近49a各县年平均气温在14.6~18.5℃,受区域小地形和区内的地理环境的共同影响,各地的气温存在明显的差异。其中各县年平均气温多年平均值的地理分布规律是东南向西北逐渐降低(图1a),东部的等值线呈经向分布,都柳江流域、清水江及舞阳河下游地区为全区相对高温区,平均气温>16.0℃,而清水江上游的丹寨、麻江以及舞阳河上游的黄平为全区相对低温区,平均气温<15.0℃。据统计,南北向的从江、岑巩年平均气温相差2.2℃,东西向的锦屏、麻江则相差2.0℃。全区近49a年平均气温无明显的变化趋势(Cox-Stuart趋势性检验,P=0.1790>0.05)。用黔东南地区全区49a年平均气温距平建立数据集,根据(2)式对其进行小波变换,结果见图1b,由图可见,对于一个特定时间尺度的振荡,其波峰和波谷与相应尺度小波系数的正值和负值相对应,图上形成多种尺度正负相间的振荡中心,表明多年来气温包含了多个不同尺度的周期变化。图中负值中心表示冷中心,正值中心表示暖中心,零值线表示冷暖的转折点,也称突变点。由图1c、d可见,1961-2009年,全区年平均气温的各种时间尺度周期变化在时间域中的分布存在差异,最强的几个中心分别在20世纪60年代后期、70年代后期、80年代前期、90年代后期和21世纪初,周期为36a、7a和3a。在7a周期的时间尺度上,全区年平均气温在1961-2009年49a期间主要出现了5个冷暖交替的时期,4个冷暖交替突变点的具体时间位置分别在1968、1978、1988和1999年附近,与此相对应的是l968-1978年和1988-1999年的年平均气温偏冷期,1968年以前和1978-1988年以及1999年以后的偏暖期。在高频区,全区年平均气温的变化以3a周期的振动最为明显,与此相对应的突变点比较多。由于不同时间频率在1999年以后均为偏暖期,因此,全区年平均气温在2009年以后继续升高的可能性较大,由此可以预计,未来几年内黔东南地区为偏暖时期。全区近49a各县年平均最高气温在18.5~23.8℃,地理分布规律是东南向西北递减(图2a),东部的等值线呈经向分布,麻江、丹寨海拔在900m以上年平均最高气温<19.0℃,锦屏、榕江、从江海拔在300m以下年平均最高气温>23.0℃,其余县在19.0~23.0℃。全区49a年平均最高气温也无明显的变化趋势(P=0.1343>0.05)。全区近49a各县年平均最低气温为11.8~15.1℃,地理分布规律是东南向西北递减(图2b),东部的等值线呈经向分布,麻江、黄平、三穗年平均最低气温<12.0℃,榕江、从江平均最低气温>15.0℃,其它县在12.0~15.0℃。全区49a年平均最低气温变化倾向率为0.146℃·10a-1(图略),有显著的上升趋势(P=0.0491<0.05)。全区近49a各县极端最高气温为35.2~40.1℃、极端最低气温为-13.1~-4.4℃。地理分布规律是东南向西北逐渐递减,东部的等值线呈经向(图2c)和纬向(图2d)分布。从江、榕江、锦屏、岑巩、镇远低海拔地区极端最高气温>39.0℃,麻江、丹寨至雷山一带均<36.0℃。各县的极端最高气温出现在7-8月,出现极端最高气温的最近年份为2006年,其中进入21世纪以后的站次增多,而极端最低气温主要出现在1977年和1963年。统计全区近49a各县日最高气温≥35.0℃平均日数以榕江为最多21.7d,麻江无,海拔在300m以下的从江、榕江>18d,海拔在800m以上的丹寨、雷山、黄平<1d。日最低气温≤0.0℃的平均日数为4.5~28.8d,最小为从江<5d,最多为三穗>28d。地理分布规律是东南向西北逐渐递减,东部的等值线呈纬向分布(图2e、f)。2.2日降水量的日变化全区近49a来各县年平均降水量变化在1028.6~1432.9mm。受小地形和区内地理环境的共同影响,各地的降水存在明显的差异,其地理分布规律是东向南、西向北逐渐递减,东部和西部地区的平均年降水量>1320.0mm,北部地区则<1100.0mm,年平均降水以丹寨为最多,施秉为最少(图3a)。全区近49a年平均降水量的变化趋势不明显(P=0.4194>0.05)。用全区历年年降水量距平百分率建立数据集,对其进行小波变换,结果见图3b。图中负值中心表示干中心,正值中心表示湿中心,零值线表示干湿的转折点,也称突变点。图的上半部分对应的是低频区,等值线相对比较稀疏;下半部分对应的是高频区,等值线相对比较密集。由此可见,1981年之前,以3a时间周期的振动最为明显,80年代主要表现为18a时间周期的振动,90年代主要表现为48a时间周期的振动。在18a时间频率附近,全区年降水量在1961-2009年间主要出现了5个干湿交替的时期,4个干湿交替突变点的具体时间位置分别在1968、1980、1991和2003年附近,与此相对应的是1968年以前、1980-1991年和2003年以后的偏干期,1968-1980年和1991-2003年的偏湿期。在高频区,干湿的突变点比较多。由于不同时间频率在2003年以后均为偏干期,因此,黔东南地区年降水量在2009年以后继续偏干的可能性较大。统计还发现,当气温处于偏高的时期,降水量偏少,反之亦然。利用日降水量≥0.1mm作为一个降水日,全区1961-2009年各县年平均降水日数为155.4~192.8d,以全区西部的麻江为最多,南部的从江为最少,降水日数>190d的有麻江、丹寨,降水日数<160d的有施秉、榕江、从江(如图4a)。利用日降水量≥50mm作为暴雨日数标准,全区1961-2009年各县年平均暴雨日数为2.0~4.2d(次),丹寨为最多,三穗为最少(图4b)。据现有资料统计,全区暴雨日数变化倾向率为0.396d·10a-1(图略),有较为明显的增多趋势(P=0.0395<0.05)。2.3中高频区湿度变化相对湿度是表征人体舒适程度的气候基准。根据已有的资料统计分析,全区近49a各县年平均相对湿度在60%~80%。全区年平均相对湿度在78%~84%,最大相对湿度出现在1994年,最小在2007年,全区相对湿度的变化趋势不显著(P=0.9999>0.05)(如图5a)。对全区近49a平均相对湿度距平数据集进行小波变换(图5b),发现低频区时间频率在11a附近,全区年相对湿度在1961-2009年49a间主要出现了6个大小交替的时期,5个大小交替突变点的具体时间位置分别在1966、1971、1978、1985、1992和2004年附近,与此相对应的是1966年以前、1971-1978年、1985-1992年和2004年以后年相对湿度偏低期,1966-1971年、1978-1985年和1992-2004年的偏高期。中高频区全区年相对湿度的变化以8a周期和3a周期的振动较为明显,与此相对应的突变点也比较多(图5b、c)。由于不同时间频率2004年后处于偏低期,因此,全区年相对湿度在2009年以后继续减少的可能性较大。2.4高频区时段的季节性变化日照时数是指太阳直射光线照射地面的时间长度,对指导农业生产有重大意义。全区49a各县年平均日数时数为1296.2~1061.4h,以东南部日照时数为最多,向西北方向逐渐减少(图略),日照时数<1150.0h的有麻江、剑河、锦屏,日照时数在1150.0~1200.0h的有黄平、施秉、镇远、岑巩、天柱,日照时数在1200.0~1250.0h的有凯里、雷山、三穗、台江、榕江、黎平、丹寨。全区近49a年平均日照时数最大值出现在1963年,为1434.0h,最小值出现在1994年,为1019.2h,日照时数变化倾向率为-25.835h·10a-1(图6a),有明显的减少趋势(P=0.0357>0.05)。对全区近49a平均日照时数距平数据集进行小波变换(图6b),发现低频区时间频率在20a附近(图6c),全区年日照时数在1961-2009年49a间主要出现了4个大小交替的时期,3个大小交替突变点的具体时间位置分别在1973、1985和1997年附近,与此相对应的是1973年以前、1985-1997年日照时数偏高期,1973-1985年和1997年以后的偏低期(图6d)。中高频区全区年平均日照时数的变化以10a周期和4a周期的振动较为明显,与此相对应的突变点也比较多。由于不同时间频率在1997年以后均处于偏低期,因此,全区年日照时数在2009年以后将继续减少的可能性较大。3u3000降水、湿度和复温变化(1)通过近49a资料分析,黔东南地区年平均气温、平均最高(低)气温总的来说呈微弱上升趋势,与全国升温趋势一致。最低气温的升高对该地增暖的贡献最大,升幅均超过了平均气温和最高气温。同时年平均气温具有从东南向西北逐渐递减、东部的等值线呈经向分布特征。21世纪以来出现极端最高气温的年份和站次呈增多趋势,而极端最低气温保持在60年代和70年代,说明该区气温较差正在增大,极端暖事件明显增多,而极端冷事件显著减少。全区日最高气温≥35.0℃平均日数以东部多,西部少,日最低气温≤0.0℃的平均日数正好相反。近49a的气温变化中包含了36a、7a和3a的周期振荡。由于不同时间频率在1999年以后均为偏暖期,因此,全区年平均气温在2009年以后继续增加的可能性较大。(2)黔东南地区近49a各县年平均降水量变化地理分布呈东向南、西向北逐渐递减。全区年平均降水量的变化趋势不显著。这与全国和贵州局部地区的趋势不同,据研究,全国年降水量以12.66mm·10a-1的速度减少,而贵州东部丘陵地区降水量也呈减少趋势。全区每年都有暴雨发生,暴雨日数最多的为丹寨达8次,以0.396d·10a-1速率呈明显的增加趋势,说明极端强降水天气在逐渐增多。日降水量≥0.1mm年平均降水日数以全区西部为最多,南部为最少。近49a的降水量变化中包含了48a、18a和3a的周期振荡。由于不同时间频率在2003年以后均为偏干期,因此,黔东南地区年降水量在2009年以后继续偏少的可能性较大。(3)黔东南地区49a年平均相对湿度在78%~84%,最大相对湿度出现在1994年,最小在2007年。全区相对湿度的变化趋势不显著。近49a的相对湿度变化中包含了11a、8a和3a的周期振荡。由于不同时间频率2004年后处于偏低期,因此,全区年相对湿度在2009年以后继续减少的可能性较大。(4)黔东南地区49a各县年平均日照时数为1296.2~1061.4h,以东南部日照时数为最多,向西北方向逐渐减少。全区近49a来年平均日照时数以25.835h·10a-1呈明显减少趋势。与贵州为日照时数减少区相一致。近49a的日照时数变化中包含了20a、10a和4a的周期振荡。由于不同时间频率1997年后处于偏低期,因此,全区年日照时数在2009年以后继续减少的可能性较大。黔东南地区近49a来气候变化比较小,但总体在向暖干方向发展,这一结论与池再香等的研究结果相反,与龙先菊等研究结果