曹 言, 王 杰, 柴素盈, 戚 娜

(1.云南省水利水電科學(xué)研究院, 昆明 650228; 2.云南省環(huán)境科學(xué)研究院, 昆明 650034)

隨著全球氣候變暖的加劇，從不同角度探討氣溫變化特征已成為當(dāng)今氣候變化研究的熱點(diǎn)。氣溫日較差(DTR)是表征氣候變化的一個(gè)重要指標(biāo)[1]，其不僅能夠反映出區(qū)域性氣溫變化幅度特征，還能夠影響到地區(qū)氣候干濕狀況和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[2-5]。因此DTR時(shí)空變化特征、變化原因及其與諸多氣象因子的相關(guān)分析等研究受到諸多學(xué)者的關(guān)注[5-9]。如石巖[6]、白松竹[5]等、周宇等[7]、楊曉玲等[8]及劉強(qiáng)吉等[9]分別對(duì)中國(guó)區(qū)域、阿勒泰地區(qū)、額爾齊斯河流域、上海市及武威市氣溫日較差DTR變化特征及其影響因子進(jìn)行了研究，結(jié)果表明各地區(qū)DTR基本上呈減小趨勢(shì)，但減小幅度差異較大，但由于不同區(qū)域氣候條件和地形地貌特征存在差異性，影響DTR的因子各不相同，如中國(guó)區(qū)域小時(shí)平均降水量與DTR呈負(fù)相關(guān)關(guān)；阿勒泰地區(qū)年均DTR與降水量和水汽壓相關(guān)性最大；額爾齊斯河流域年DTR與平均氣溫和降水量關(guān)聯(lián)性最強(qiáng)；上海市年均DTR與日照時(shí)數(shù)呈正相關(guān)，與降水量呈負(fù)相關(guān)；武威市年均DTR的主要影響因子依次是蒸發(fā)量、平均氣溫、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)。因此開(kāi)展不同尺度氣溫日較差變化特征及其影響因子的研究是必不可少。

云南省氣候?qū)儆趤啛釒Ц咴撅L(fēng)型，氣候類型復(fù)雜多樣，且立體氣候顯著，雨季和旱季分明，年溫差小，日氣溫差大。近年來(lái)云南省年平均氣溫明顯上升[10-11]，而目前針對(duì)云南省氣溫日較差DTR時(shí)空變化的研究還相對(duì)較少，且已有的研究還主要集中在年/季平均氣溫、最高氣溫和最低氣溫變化特征的研究[12-16]，如羅燕等[12]研究表明1961—2008年云南極端高溫閾值大于36℃的中心主要分布在低海拔的金沙江河谷、紅河河谷及昭通和西雙版納地區(qū)；卜明等[13]研究表明1960—2012年云南省年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，且冬季升溫最顯著，升溫幅度較大地區(qū)主要分布在滇西和滇西南；張萬(wàn)誠(chéng)等[14]研究表明1961—2012年云南省年平均和四季最高(最低)氣溫呈現(xiàn)北低南高的分布特征，且整體呈現(xiàn)出由滇西北向南隨緯度的降低而增加的趨勢(shì)；楊曉靜等[15]研究表明1958—2013年云南省極端高溫事件發(fā)生頻率及持續(xù)時(shí)間均顯著大于低溫事件，且最低氣溫增溫幅度高于最高氣溫；程清平等[16]研究表明1960—2013年云南省年平均地溫、年平均最低地溫整體呈南高北低，年平均最高地溫呈西北、東北低，中南部高的分布特征，且與緯度和海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)。而與平均氣溫變化相比較，氣溫日較差不僅可以反映出最高、最低氣溫的非對(duì)稱性變化特征，還能夠反映出氣候變化中的人類活動(dòng)效應(yīng)。因此本文利用1970—2014年云南省30個(gè)氣象站點(diǎn)的逐日觀測(cè)資料，計(jì)算并分析DTR的時(shí)空變化特征，探討DTR的影響因子，從而為掌握地區(qū)氣候變化規(guī)律、改善生態(tài)環(huán)境和促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供參考。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)資料

選取由中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供1970—2014年云南省30個(gè)氣象站點(diǎn)的最高氣溫、最低氣溫、平均氣溫、降水量、平均風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度等逐日觀測(cè)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了一致性檢驗(yàn)和質(zhì)量控制。根據(jù)氣候、地理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件及農(nóng)業(yè)種植分區(qū)等因素，以縣級(jí)行政區(qū)位基本單元，將云南省分為滇西北、滇西南、滇中、滇東北和滇東南5個(gè)分區(qū)[17]，其中滇西北包括6個(gè)站點(diǎn)、滇西南包括11個(gè)站點(diǎn)、滇中地區(qū)包括9個(gè)站點(diǎn)、滇東北和滇東南均包括2個(gè)站點(diǎn)，具體分布如圖1所示。

圖1云南省氣象站點(diǎn)分布

1.2 氣溫日較差

氣溫日較差是日最高氣溫與日最低氣溫之差，具體公式如下：

DTR=Tmax-Tmin

(1)

式中：DTR為氣溫日較差(℃)；Tmax為日最高氣溫(℃)；Tmin為日最低氣溫(℃)。

1.3 潛在蒸散量

潛在蒸散量ET0根據(jù)Penman-Monteith[18]公式計(jì)算而得，具體公式如下：

(2)

式中：ET0是參考作物蒸發(fā)蒸騰量(mm/d)；Δ是飽和水汽壓與溫度曲線的斜率(kPa/℃)；Rn是作物冠層表面的凈輻射[MJ/(m2·d)]；G是土壤熱通量[MJ/(m2·d)]，在逐日估算時(shí)取G=0；T是日平均氣溫(℃)，按最高氣溫(Tmax)和最低氣溫(Tmin)的算術(shù)平均值計(jì)算；u2是2 m高度處的風(fēng)速(m/s)；ea是飽和水汽壓(kPa)；ed是實(shí)際水汽壓(kPa)；γ是干濕表常數(shù)(kPa/℃)。

1.4 分析方法

采用Mann-Kendall檢驗(yàn)[19]和小波分析[20]對(duì)氣溫日較差的序列進(jìn)行趨勢(shì)分析和周期分析，其中顯著性水平α為0.05，0.01，當(dāng)α≤0.01，即|Z|>2.58時(shí)，說(shuō)明檢驗(yàn)具有高度顯著性水平，當(dāng)0.01<α≤0.05，即|Z|>1.96時(shí)，說(shuō)明檢驗(yàn)是顯著的，當(dāng)α計(jì)算結(jié)果滿足上述二條件時(shí)，統(tǒng)計(jì)量Z為正則說(shuō)明具有顯著(或極顯著性)上升趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)量Z為負(fù)則說(shuō)明具有顯著(或極顯著性)下降趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)量Z為零則無(wú)趨勢(shì)。當(dāng)α>0.05，即-1.96

2 結(jié)果與分析

2.1 氣溫日較差時(shí)間變化特征

2.1.1 DTR年際變化特征 通過(guò)計(jì)算云南省各站點(diǎn)氣溫日較差，分析各區(qū)年平均氣溫日較差DTR、最高氣溫和最低氣溫的變化趨勢(shì)(圖2)?？芍?970—2014年云南各區(qū)DTR主要介于7.99～12.36℃，其中滇東南年平均DTR最低，僅為8.60℃，滇西南年平均DTR最高，達(dá)到11.36℃，其次分別為滇中、滇西北和滇東北，年平均DTR分別為11.25，11.06，10.60℃。1970—2014年滇西南(Z=2.2402)DTR呈顯著(0.05的顯著水平)減少趨勢(shì)，減小幅度為0.104℃/10 a，滇中(Z=4.1771)和滇東北(Z=3.3162)DTR均呈極顯著(0.01的顯著水平)減少趨勢(shì)，其減小幅度分別為0.153，0.113℃/10 a，滇西南(Z=0.4793)DTR呈弱減少趨勢(shì)，減少幅度為0.013℃/10 a，滇西北(Z=1.3989)DTR呈上升趨勢(shì)，上升幅度為0.126℃/10 a。1970—2014年云南省各區(qū)最高氣溫和最低氣溫均呈上升趨勢(shì)，其中滇西北(Z=2.5141)最高氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，上升幅度為0.19℃/10 a，滇西南(Z=4.3923)、滇中(Z=3.189)、滇東北(Z=3.4336)和滇東南(Z=2.6706)最高氣溫均呈極顯著上升趨勢(shì)，上升幅度分別為0.263，0.181，0.257，0.193℃/10 a；滇西北(Z=1.575)最低氣溫呈弱上升趨勢(shì)，上升幅度為0.064℃/10 a，滇西南(Z=6.8965)、滇中(Z=4.0792)、滇東北(Z=5.5857)和滇東南(Z=3.9618)最低氣溫均呈極顯著上升趨勢(shì)，上升幅度分別為0.366，0.216，0.37，0.206℃/10 a，可見(jiàn)云南省大部分地區(qū)最低氣溫增溫幅度明顯高于最高氣溫，DTR受最高氣溫和最低氣溫的非對(duì)稱變化影響顯著。

2.1.2 DTR周期變化特征 通過(guò)計(jì)算小波交換系數(shù)和小波方差，分析云南各區(qū)DTR周期變化特征，正負(fù)值的交替出現(xiàn)，能夠清楚地反映出研究時(shí)間段內(nèi)DTR上升和減小的波動(dòng)變化，其中波幅閉合中心值的絕對(duì)值越大說(shuō)明該時(shí)間尺度下的DTR變化越顯著。由圖3A—3E可知，1970—2014年云南各區(qū)DTR普遍存在明顯的22 a和28 a左右的震蕩周期，不存在短周期變化，DTR在22 a經(jīng)歷了低—高—低—高—低—高—低7個(gè)循環(huán)交替變化，DTR在28 a尺度上振蕩最為顯著且貫穿整個(gè)研究時(shí)序，經(jīng)歷了低—高—低—高—低5個(gè)循環(huán)交替變化，變換周期為7～8 a，且截至2014年等值線均未完全閉合，說(shuō)明在2014年以后DTR仍將呈減小趨勢(shì)。由云南各區(qū)DTR小波方差(圖3F)也可知，滇西南、滇西北、滇中和滇東北均具有明顯的28 a左右長(zhǎng)周期，滇東南具有明顯的28 a左右的第一主周期和22 a左右的第二主周期。DTR變化主要由于最高氣溫和最低氣溫的非對(duì)稱變化導(dǎo)致，尤其是最低氣溫的顯著上升，而云南省年平均最高(低)地溫存在20～30 a左右的周期變化[16]，與云南省各區(qū)DTR的變化基本一致，此外云南省干濕變化周期也與DTR的變化周期一致[21]。

圖21970-2014年云南省各分區(qū)氣溫日較差年際變化

從云南各區(qū)不同季節(jié)日較差的周期變化來(lái)看(表1)，春季和夏季普遍存在3 a短周期變化和28 a長(zhǎng)周期變化，其中春季普遍還存在6～8 a和11～15 a的周期變化，夏季普遍還存在6～8 a和10～14 a的周期變化；秋季普遍存在3～5 a的短周期、12～15 a的中長(zhǎng)周期和28 a的長(zhǎng)周期變化；冬季普遍存在4 a的短周期、13 a的中長(zhǎng)周期和28 a的長(zhǎng)周期變化。綜上所述，云南各區(qū)各季節(jié)均以28 a長(zhǎng)周期變化為第一周期，也與云南省各季節(jié)平均最低地溫的變化周期一致[16]。

2.1.3 DTR季節(jié)變化特征 以常用的3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—翌年2月為冬季劃分四季，在此基礎(chǔ)上分析云南省各區(qū)最高、最低氣溫和氣溫日較差的季節(jié)變化特征。由表2可知，春季DTR基本呈減小趨勢(shì)，其中滇西南、滇中和滇東北DTR均呈極顯著(顯著水平0.01)減少趨勢(shì)，減少幅度分別為0.341 5，0.374 3，0.280 4℃/10 a，僅滇西北呈上升趨勢(shì)，上升幅度為0.122 8℃/10 a；夏季DTR基本呈減少趨勢(shì)，但減少幅度較小，其中滇中DTR呈顯著(顯著水平0.05)減小趨勢(shì)，減少幅度為0.146 2℃/10 a，滇西南和滇東南DTR呈微上升趨勢(shì)，上升幅度分別為0.022 3，0.030 6℃/10 a；秋季DTR基本呈上升趨勢(shì)，滇西北上升幅度最大，為0.188 0℃/10 a，僅滇東北呈減少趨勢(shì)，減小幅度為0.006 8℃/10 a；冬季DTR基本呈減少趨勢(shì)，滇中DTR呈顯著(顯著水平0.05)減少趨勢(shì)，減少幅度達(dá)到0.294 7℃/10 a，僅滇西北呈上升趨勢(shì)，上升幅度為0.244 8℃/10 a。云南各區(qū)四季Tmax和Tmin基本上呈上升趨勢(shì)，其中春季滇東南Tmax、滇西南Tmin上升幅度最大，達(dá)到0.172 8，0.450 7℃/10 a；夏季Tmax和Tmin基本上呈極顯著(顯著水平0.01)上升趨勢(shì)，滇西南Tmax、滇東北Tmin上升幅度最大，達(dá)到0.250 2，0.313 6℃/10 a；秋季滇東北Tmax和Tmin上升幅度最大，達(dá)到0.377 9，0.359 0℃/10 a；冬季滇中Tmax、滇西南Tmin上升幅度最大，達(dá)到0.395 2，0.555 4℃/10 a。由此可見(jiàn)，云南省大部分地區(qū)春季、夏季和冬季DTR呈減少趨勢(shì)，減小幅度基本表現(xiàn)出春季>冬季>夏季，秋季DTR呈上升趨勢(shì)；Tmax上升幅度基本表現(xiàn)為冬季>秋季>夏季>春季；Tmin上升幅度基本表現(xiàn)為冬季>春季>夏季>秋季，可見(jiàn)四季DTR變化受Tmin影響較大。

2.2 氣溫日較差空間變化特征

2.2.1 DTR空間分布特征 從云南各區(qū)DTR空間分布情況(圖4)可知，年平均DTR整體呈現(xiàn)出中間高，東西低的分布特征，其中東部屏邊站和西部瀘水站DTR相對(duì)較小，分別為7.18，7.98℃，中部華坪站DTR最大，達(dá)到13.40℃。由圖4B—4E可知，春季DTR基本也呈現(xiàn)出中間高，東西低的分布特征，屏邊和瀘水站DTR相對(duì)較小，分別為8.3，9.2℃，瀾滄站DTR最大，達(dá)到15.92℃；夏季DTR基本呈現(xiàn)出北高南低的分布特征，瀘水和騰沖站DTR相對(duì)較低，僅為6.09，6.43℃，維西和華坪站DTR相對(duì)較大，分別為10.09，10.28℃；秋季和冬季DTR基本上呈現(xiàn)出西北高東南低的分布特征，最小值均出現(xiàn)在屏邊站，為6.63，6.89℃，最大值出現(xiàn)在香格里拉和華坪站，分別達(dá)到13.13，16.65℃。綜上所述，DTR高值區(qū)主要集中在瀾滄江、金沙江、元江等河谷地區(qū)，DTR低值區(qū)主要集中在東南部和西部。

圖3云南省各分區(qū)氣溫日較差周期變化及小波方差

表1 云南不同地區(qū)氣溫日較差季節(jié)周期變化 a

注：下劃線為主周期。

2.2.2 DTR空間變化趨勢(shì) 根據(jù)M-K法計(jì)算各氣象站點(diǎn)氣溫日較差DTR的變化傾斜度β，采用克里金(Kriging)將不同研究時(shí)段DTR的變化傾斜度β進(jìn)行空間內(nèi)插值。從云南各區(qū)DTR空間變化趨勢(shì)(圖5)可知，1970—2014年云南各區(qū)年平均DTR變化趨勢(shì)不一致，76%的站點(diǎn)DTR呈減小趨勢(shì)，其中楚雄、昆明、蒙自、香格里拉等11個(gè)站點(diǎn)DTR呈顯著(0.05的顯著水平)減小趨勢(shì)，中部的楚雄和蒙自站DTR減小幅度最大，分別達(dá)到0.566 3，0.460 7℃/10 a，元謀和德欽站DTR呈顯著上升趨勢(shì)，上升幅度分別為0.317 6，0.507 2℃/10 a。由圖5B—5E可知，春季、夏季和冬季云南大部分地區(qū)DTR呈減小趨勢(shì)，其中春季83%站點(diǎn)呈減小趨勢(shì)，楚雄、昆明、玉溪、蒙自等17個(gè)站點(diǎn)DTR呈顯著減小趨勢(shì)，楚雄站DTR減小幅度最大，達(dá)到0.905 6℃/10 a，德欽、元謀、華坪和昭通站DTR呈顯著上升趨勢(shì)，德欽站DTR上升幅度最大，達(dá)到0.415 5℃/10 a；夏季63%站點(diǎn)DTR呈減小趨勢(shì)，蒙自、香格里拉、華坪和貢山站DTR呈顯著減小趨勢(shì)，香格里拉站DTR減小幅度最大，達(dá)到0.382 4℃/10 a，元謀、元江和保山站DTR呈顯著上升趨勢(shì)，元江站DTR上升幅度最大，達(dá)到0.197 4℃/10 a；冬季67%的站點(diǎn)DTR呈減小趨勢(shì)，楚雄、昆明、蒙自、玉溪等9個(gè)站點(diǎn)DTR呈顯著減小趨勢(shì)，楚雄站DTR減小幅度最大，達(dá)到0.960 2℃/10 a；德欽、元謀和景洪站DTR呈顯著上升趨勢(shì)，德欽站DTR上升幅度最大，達(dá)到0.930 2℃/10 a；秋季60%的站點(diǎn)DTR呈上升趨勢(shì)，德欽、元江、元謀和景洪站DTR呈顯著上升趨勢(shì)，德欽站DTR上升幅度最大，達(dá)到0.514 2℃/10 a，楚雄、香格里拉、蒙自和瀘水站DTR呈顯著減小趨勢(shì)，楚雄站DTR減小幅度最大，達(dá)到0.316 0℃/10 a。

表2 云南各地區(qū)四季平均DTR，Tmax，Tmin的變化趨勢(shì)

注:*和**分別表示通過(guò)0.05和0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。

2.3 氣溫日較差影響因子分析

為全面探討DTR的影響因子，利用SPSS 17.0分析DTR與熱力因素、水分因素和動(dòng)力因素的相關(guān)性。由表3可以看出，云南各區(qū)年平均DTR與熱力因素的平均氣溫和日照時(shí)數(shù)、水分因素中的ET0，動(dòng)力因素中的平均風(fēng)速呈正相關(guān)，與水分因素中的降雨量和動(dòng)力因素中的相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。

圖4云南省年、春季、夏季、秋季和冬季氣溫日較差空間分布特征

圖5云南省年、春季、夏季、秋季和冬季氣溫日較差空間變化特征

其中滇中DTR與平均氣溫和相對(duì)濕度基本呈負(fù)相關(guān)，DTR與日照時(shí)數(shù)相關(guān)性最強(qiáng)，且相關(guān)系數(shù)最大，大理、昆明、楚雄等6個(gè)站點(diǎn)日照時(shí)數(shù)與DTR呈極顯著(顯著水平0.0.1)正相關(guān)，大理站的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0.698；滇西南降雨量與DTR相關(guān)性最強(qiáng)，景東、江城、勐臘等7個(gè)站點(diǎn)降雨量與DTR呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，其中江城站的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到-0.713，其次分別是日照時(shí)數(shù)、ET0和平均風(fēng)速。均有6個(gè)站點(diǎn)與DTR呈極顯著或顯著正相關(guān)；滇西北ET0，相對(duì)濕度與DTR相關(guān)性最強(qiáng)，均有4個(gè)站點(diǎn)與DTR呈極顯著相關(guān)關(guān)系，其中瀘水站的ET0，貢山站的相對(duì)濕度與DTR相關(guān)系數(shù)最大，分別為0.923和-0.729；滇東南平均氣溫、ET0與DTR相關(guān)性最強(qiáng)，其次分別為相對(duì)濕度、日照時(shí)數(shù)和平均風(fēng)速，均有2個(gè)站點(diǎn)與DTR呈極顯著相關(guān)，其中屏邊站平均氣溫、ET0與DTR相關(guān)系數(shù)最大，分別為0.971，0.970；滇東北平均氣溫與DTR相關(guān)性最強(qiáng)，其次為ET0，均有2個(gè)站點(diǎn)與DTR呈極顯著正相關(guān)，其中昭通站的平均氣溫與DTR相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0.739。由此可知，影響云南中東部DTR變化的主要因子是平均氣溫和ET0，其次是日照時(shí)數(shù)、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速，降雨量的影響相對(duì)較弱，影響云南西部DTR變化的主要因子是降雨量和ET0，其次分別是日照時(shí)數(shù)、平均風(fēng)速和相對(duì)濕度，平均溫度的影響相對(duì)較弱。

3 結(jié) 論

(1) 受氣溫非對(duì)稱變化的影響，特別是最低氣溫的顯著上升，1970—2014年云南省年平均、春季、夏季和冬季DTR整體呈減少趨勢(shì)，其中滇中減少幅度均是最大，減小幅度分別為0.153 0，0.374 3，0.146 2，0.294 7℃/10 a，秋季DTR整體呈上升趨勢(shì)，滇西北上升幅度最大，為0.188 0℃/10 a。云南各區(qū)各季節(jié)DTR普遍存在28 a左右的強(qiáng)震蕩周期，其中DTR年變化主要存在28 a長(zhǎng)周期變化，春季和夏季普遍存在3 a短周期變化和28 a長(zhǎng)周期變化，秋季普遍存在3～5 a的短周期、12～15 a的中長(zhǎng)周期和28 a的長(zhǎng)周期變化；冬季普遍存在4 a的短周期、13 a的中長(zhǎng)周期和28 a的長(zhǎng)周期變化。

(2) DTR高值區(qū)主要集中在河谷地區(qū)，DTR低值區(qū)主要集中在東南部和西部；年平均、春季、秋季和冬季DTR減小幅度較大的地區(qū)主要集中在中南部和西部，上升幅度較大的地區(qū)主要集中在西北部和滇中北部，夏季DTR減少幅度較大的地區(qū)主要集中在西北部，上升幅度較大的地區(qū)主要集中在中部。

表3 云南省各地區(qū)氣溫日較差與各氣象因子的相關(guān)性分析結(jié)果

(3) 年平均DTR與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、ET0、平均風(fēng)速呈正相關(guān)，與降雨量和相對(duì)濕度呈負(fù)相關(guān)。影響云南各地DTR的主要影響因子也有所不同，中東部DTR主要受平均氣溫和ET0影響，而西部DTR則主要受降雨量和ET0影響。此外，影響DTR的因素諸多，因此今后需進(jìn)一步探討其他因素(如太陽(yáng)輻射、云量、氣溶膠以及下墊面的變化等)對(duì)DTR的影響，從而更加客觀地反映出云南各區(qū)DTR的變化特征。