1961—2018年黃岡氣溫日較差變化特征及其影響因子分析

郭 黎，嚴(yán)凱琳

（1.浠水縣氣象局，湖北 浠水 438200；2.黃岡市氣象局，湖北 黃岡 438000）

近百年來(lái)，全球正在經(jīng)歷一次明顯的氣候變暖，IPCC 在第五次的評(píng)估報(bào)告中指出，過(guò)去的100年，全球地表平均溫度大約升高了0.85 ℃［1］。眾多研究表明，全球平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，而最低氣溫的上升幅度更為顯著［2-5］，而中國(guó)氣溫變化趨勢(shì)與全球大致相似。這種氣溫的非對(duì)稱性變化已受到廣泛關(guān)注，由于最高氣溫和最低氣溫增幅的不對(duì)稱性，使得氣溫日較差（Diurnal tem?perature range，DTR）表現(xiàn)出明顯的減小趨勢(shì)。氣溫日較差是表征氣候變化的一項(xiàng)重要指標(biāo)，與最高、最低氣溫都密不可分，因此，在氣候變化研究中分析DTR比單獨(dú)分析平均氣溫能夠獲得更多信息［6-9］。DTR能夠體現(xiàn)全球和區(qū)域性的溫度變幅特征，對(duì)生態(tài)學(xué)研究有非常重要的意義，同時(shí)DTR的變化對(duì)人類生存環(huán)境的改變、氣候異常的影響、農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及可持續(xù)發(fā)展研究都具有特殊的研究?jī)r(jià)值［10-14］。

目前中國(guó)開(kāi)展氣溫日較差的研究已有很多。陳鐵喜等［15］研究表明，近50年來(lái)中國(guó)年平均氣溫日較差整體表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，不同地區(qū)及同一地區(qū)的DTR季節(jié)變化特征也不相同。華麗娟等［16］分析了中國(guó)不同區(qū)域的氣溫月較差、季較差和年較差的變化趨勢(shì)，表示北方氣溫月較差的降幅比南方更為明顯，夏季季較差的下降趨勢(shì)表現(xiàn)顯著，又以內(nèi)蒙古到西南一帶以及華北地區(qū)最顯著，東部年較差下降趨勢(shì)比西部顯著。王凱等［17］分析了華中區(qū)域的氣溫日較差特征，指出平均氣溫日較差在夏、冬季下降趨勢(shì)較為明顯，其中以冬季降幅最大。曹言等［18］對(duì)云南省氣溫日較差變化及影響因子進(jìn)行了討論，發(fā)現(xiàn)云南省年平均、春季、夏季和冬季DTR均表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，秋季DTR表現(xiàn)為上升趨勢(shì)；同時(shí)發(fā)現(xiàn)云南省年平均DTR與平均氣溫、日照時(shí)數(shù)、潛在蒸散量、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)。劉強(qiáng)吉等［19］分析了新疆額爾齊斯河流域氣溫日較差的變化，表明額爾齊斯河流域各地年、年代DTR整體上表現(xiàn)為減小趨勢(shì)；年均最高、最低氣溫都為升高趨勢(shì)，但最低氣溫的增幅快于最高氣溫是導(dǎo)致額爾齊斯河流域DTR減小的直接原因。周宇等［20］研究了上海氣溫日較差的變化，發(fā)現(xiàn)上海年、四季氣溫日較差均表現(xiàn)為顯著下降趨勢(shì)；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)城市化發(fā)展和人類活動(dòng)對(duì)氣溫日較差變化有明顯影響。

本研究主要對(duì)黃岡市氣溫日較差進(jìn)行探究，了解其變化趨勢(shì)及可能影響因子，為深入探討黃岡市的氣候變化規(guī)律提供參考，為促進(jìn)做好本地化氣象服務(wù)工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 資料與方法

選用黃岡市國(guó)家氣象觀測(cè)站1961—2018年逐日平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫資料，計(jì)算氣溫日較差并主要分析其年際、季節(jié)性的變化趨勢(shì)特征。同時(shí)選用1961—2018年黃岡站日照時(shí)數(shù)、總云量、降水量、相對(duì)濕度、水汽壓等資料，采取相關(guān)系數(shù)方法分析氣溫日較差與氣象因子間的關(guān)系，探討引起黃岡市氣溫日較差變化的影響因子情況。季節(jié)上采用北半球常規(guī)劃分方式，即春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月、冬季為12月至來(lái)年2月。

定義氣溫日較差為日最高氣溫與最低氣溫之差，表示為DTR=Tmax-Tmin，年平均氣溫日較差表示為年平均最高氣溫減去年平均最低氣溫，季平均氣溫日較差同理求得。采用線性傾向估計(jì)法計(jì)算氣溫日較差的變化趨勢(shì)，采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法與小波分析法分別計(jì)算氣溫日較差的突變特征及周期特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃岡市氣溫日較差變化趨勢(shì)

2.1.1年變化特征及趨勢(shì) 1961—2018年黃岡市年平均氣溫日較差的年變化如圖1a 所示。近58年黃岡市年平均氣溫日較差整體上呈顯著下降趨勢(shì)（通過(guò)α=0.01的顯著性檢驗(yàn)），氣候傾向率為-0.127 ℃/10年，1980—1991年下降較為明顯，1964、1980、2012年波動(dòng)最大，而2013年之后日較差出現(xiàn)上升趨勢(shì)。近58年的年平均氣溫日較差為7.6 ℃，氣溫日較差的最大值為8.8 ℃，出現(xiàn)在1961、1963年，氣溫日較差的最小值為6.7 ℃，出現(xiàn)在2012年。

圖1 1961—2018年黃岡市年平均氣溫日較差年際變化（a）和年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫年際變化（b）

由圖1b可知，近58年黃岡市年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫均呈顯著增加趨勢(shì)（均通過(guò)α=0.01 的顯著性檢驗(yàn)），氣候傾向率分別為0.201、0.154、0.281 ℃/10年。其中，年平均最低氣溫的增幅顯著快于最高氣溫，這種氣溫增幅的不對(duì)稱變化，使得年平均氣溫日較差表現(xiàn)為顯著下降的趨勢(shì)。

2.1.2年代際變化特征 黃岡市年及四季平均氣溫日較差與年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的年代際變化特征見(jiàn)表1。由表1 可以看出，20 世紀(jì)60—80年代年平均氣溫日較差持續(xù)下降，20 世紀(jì)80年代至21 世紀(jì)00年代氣溫日較差變化不大，2011年后氣溫日較差略有回升。四季平均氣溫日較差的年代際變化顯示，春季氣溫日較差在20 世紀(jì)60—70年代呈下降趨勢(shì)，20 世紀(jì)70—90年代變化不明顯，2000年后春季氣溫日較差明顯回升；夏季氣溫日較差自20 世紀(jì)60年代開(kāi)始持續(xù)下降，2011年后略有回升；秋季氣溫日較差在20 世紀(jì)60—80年代呈下降趨勢(shì)，且在20 世紀(jì)80年代下降幅度最大，20 世紀(jì)90年代氣溫日較差略有回升，之后呈緩慢下降趨勢(shì)；冬季氣溫日較差在20 世紀(jì)60—80年代呈下降趨勢(shì)，20 世紀(jì)80年代至21 世紀(jì)10年代呈波動(dòng)狀態(tài)?？梢钥闯觯?0 世紀(jì)60—80年代四季平均氣溫日較差均呈下降趨勢(shì)，造成年平均氣溫日較差下降；20 世紀(jì)90年代后夏、秋、冬季氣溫日較差均處于波動(dòng)狀態(tài)，但春季氣溫日較差的明顯上升是影響年平均氣溫日較差上升的主要原因。

表1 黃岡市年及四季平均氣溫日較差與年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的年代際變化特征 （單位：℃）

從年平均日較差與年平均最高、最低氣溫日較差的年代際變化可以看出，年平均最高氣溫在20 世紀(jì)60—80年代呈下降趨勢(shì)，20 世紀(jì)90年代后明顯上升；年平均最低氣溫自20 世紀(jì)60年代起一直處于上升趨勢(shì)，二者在2010年后相對(duì)維持穩(wěn)定。20 世紀(jì)60—80年代，由于年平均最高氣溫下降，最低氣溫上升，使得年平均日較差出現(xiàn)下降的年代際特征，20 世紀(jì)90年代后，由于最高、最低氣溫均上升，年平均日較差處于穩(wěn)定、回升狀態(tài)。

2.1.3 季節(jié)變化特征及趨勢(shì) 黃岡市1961—2018年四季平均氣溫日較差的年際變化趨勢(shì)如圖2 所示。結(jié)果（圖2）表明，春季平均氣溫日較差為7.8 ℃，最大日較差為9.6 ℃，出現(xiàn)在2011年，最小日較差為6.3 ℃，出現(xiàn)在1973年，春季氣溫日較差的變化率為0.067 ℃/10年，呈緩慢增長(zhǎng)的趨勢(shì)，且主要在21 世紀(jì)00年代后有較明顯增長(zhǎng)；夏季平均氣溫日較差為7.6 ℃，最大日較差為10.5 ℃，出現(xiàn)在1961年，最小日較差為6.0 ℃，出現(xiàn)在1980年，夏季氣溫日較差變化率為-0.240 ℃/10年；秋季平均氣溫日較差為8.0 ℃，最大日較差為10.0 ℃，出現(xiàn)在1979年，最小日較差為6.6 ℃，出現(xiàn)在1981年，秋季氣溫日較差變化率為-0.159 ℃/10年；冬季平均氣溫日較差為7.0 ℃，最大日較差為10.0 ℃，出現(xiàn)在1962年，最小日較差為4.8 ℃，出現(xiàn)在2018年，冬季氣溫日較差變化率為-0.196 ℃/10年。

圖2 1961—2018年黃岡市四季平均氣溫日較差年際變化

黃岡市四季最高氣溫、最低氣溫和氣溫日較差變化趨勢(shì)的顯著性分析如表2 所示。從表2 可以看出，季平均最高氣溫除夏季略降低外，其余三季均呈增加趨勢(shì)，僅有春季平均最高氣溫通過(guò)了α=0.01 的顯著性檢驗(yàn)；各季節(jié)平均最低氣溫都呈顯著增加趨勢(shì)，增加幅度表現(xiàn)為春季>冬季>秋季>夏季。黃岡市四季平均氣溫日較差除了春季呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)外，夏、秋、冬季均呈顯著減小趨勢(shì)，下降趨勢(shì)表現(xiàn)為夏季>冬季>秋季。春季平均最低氣溫增幅最大，同時(shí)最高氣溫增幅也大，導(dǎo)致季平均氣溫日較差呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；夏季平均最高氣溫下降，平均最低氣溫上升，因此日較差顯著減少；秋、冬季兩季最低氣溫增幅比平均最高氣溫增幅要大，平均氣溫日較差也顯著減少。各季節(jié)平均最低氣溫的顯著升高與平均氣溫日較差的減少密切相關(guān)，這是導(dǎo)致黃岡市平均氣溫日較差顯著下降的主要原因。

表2 黃岡市四季平均氣溫日較差與平均最高、最低氣溫的變化趨勢(shì) （單位：℃/10年）

2.2 黃岡市年平均氣溫日較差的突變特征

利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)近58年黃岡市年平均氣溫日較差進(jìn)行突變檢驗(yàn)。此處n=58，分別取兩子序列長(zhǎng)度n1=n2=5 和n1=n2=10，給定α=0.05，查表可得顯著性水平分別為2.306 和2.101。結(jié)果如圖3 所示，在0.05 的顯著性水平下，當(dāng)子序列步長(zhǎng)為5 時(shí)，年平均氣溫日較差在1969、1978年左右出現(xiàn)了超過(guò)臨界值的點(diǎn)；當(dāng)調(diào)整子序列步長(zhǎng)為10 時(shí)，年平均氣溫日較差在1978年左右出現(xiàn)了超過(guò)臨界值的點(diǎn)，因此，在1978年左右有突變發(fā)生。1961—1978年年平均氣溫日較差的變化率為-0.449 ℃/10年，1978—2018年為0.033 ℃/10年，表明在1961—2018年，1978年前后年平均氣溫日較差先顯著減少后緩慢增加，整體上仍表現(xiàn)為減少趨勢(shì)。

圖3 黃岡市年平均氣溫日較差滑動(dòng)t檢驗(yàn)

同樣利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)法對(duì)各季節(jié)平均氣溫日較差的突變規(guī)律分別進(jìn)行分析，選擇子序列步長(zhǎng)為10，結(jié)果如圖4 所示。春季在1998、2003年左右有突變發(fā)生（圖4a）；夏季在1979年左右有突變發(fā)生（圖4b）；秋季在1980年左右有突變發(fā)生（圖4c）；冬季在1982年左右有突變發(fā)生（圖4d）。結(jié)果表明，除春季外，其余三季出現(xiàn)突變點(diǎn)的時(shí)間比較相近，同時(shí)在突變點(diǎn)發(fā)生前后，各季節(jié)平均氣溫日較差都表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢(shì)，與年平均氣溫日較差的變化趨勢(shì)一致，且整體上除了春季表現(xiàn)為增加外，其余三季都表現(xiàn)為減少的趨勢(shì)。

圖4 黃岡市季平均氣溫日較差滑動(dòng)t檢驗(yàn)

2.3 黃岡市年平均氣溫日較差的周期變化

對(duì)黃岡市近58年的年平均氣溫日較差進(jìn)行Morlet 小波分析，如圖5 所示。由圖5 可以看出，1961—2018年黃岡市年平均氣溫日較差的小波系數(shù)呈波動(dòng)變化，周期特征明顯，大體上有13年低頻振蕩和3～7年高頻振蕩。其中，13年低頻振蕩周期在58年時(shí)間尺度變化中為最大峰值，周期振蕩最強(qiáng)，表現(xiàn)為第一主周期，對(duì)應(yīng)有4 個(gè)高值區(qū)和3 個(gè)低值區(qū)，其中，高值區(qū)分別為1961—1966年、1967—1980年、1988—1992年、2003—2007年；低值區(qū)分別為1967—1975年、1981—1987年、1993—2001年。

圖5 黃岡市年平均氣溫日較差周期變化特征

2.4 黃岡市平均氣溫日較差的影響因子分析

分析黃岡市平均氣溫日較差的變化特征可以看出，近58年黃岡市平均氣溫日較差表現(xiàn)為顯著下降趨勢(shì)。溫度的變化直接影響氣溫日較差的改變，而最高、最低氣溫增幅的不對(duì)稱是導(dǎo)致氣溫日較差下降的根本原因，但導(dǎo)致氣溫日較差改變的間接原因則比較復(fù)雜。為了進(jìn)一步研究氣溫日較差和氣象因子之間的聯(lián)系，統(tǒng)計(jì)分析了1961—2018年黃岡站年平均氣溫日較差與5 個(gè)氣象要素（降水量、日照時(shí)數(shù)、總云量、平均水汽壓和平均相對(duì)濕度）之間的相關(guān)系數(shù)，結(jié)果如表3 所示。

表3 黃岡市年平均氣溫日較差與同期氣象要素的相關(guān)系數(shù)

黃岡市年平均氣溫日較差與年降水量呈顯著負(fù)相關(guān)，除冬季外，與其余季節(jié)也均呈顯著負(fù)相關(guān)；平均氣溫日較差與日照時(shí)數(shù)除冬季外，與其余季節(jié)和全年均呈顯著正相關(guān)；年平均氣溫日較差與總云量呈顯著負(fù)相關(guān)，同時(shí)，與春季、秋季也呈顯著負(fù)相關(guān)；平均氣溫日較差在全年和秋季與平均水汽壓呈顯著負(fù)相關(guān)，在全年、春季、秋季與平均相對(duì)濕度呈顯著負(fù)相關(guān)。

各氣象要素通過(guò)影響最高、最低氣溫，進(jìn)而影響年平均氣溫日較差發(fā)生變化。通常降水天氣白天最高氣溫會(huì)降低，而降水云系發(fā)展使得最低氣溫偏高，則日較差偏小，所以降水量增多，日較差減小。日照時(shí)數(shù)增加，即白天接收到太陽(yáng)照射的時(shí)間長(zhǎng)，會(huì)讓最高氣溫快速上升，氣溫日較差相應(yīng)增大。而云量的增加使得白天接收到的太陽(yáng)輻射減少，導(dǎo)致最高氣溫?zé)o法升高，而夜間則相反，云量增加形成“保溫層”，使最低氣溫升高，從而氣溫日較差減小。水汽壓與相對(duì)濕度增大，易產(chǎn)生降水天氣，對(duì)氣溫的作用與云相似，讓白天的最高氣溫降低，而在夜間讓最低氣溫升高，使得氣溫日較差減小。

3 小結(jié)

通過(guò)分析黃岡市平均氣溫、最高氣溫、最低氣溫以及氣溫日較差的變化特征以及影響氣溫日較差變化的相關(guān)氣象因子，得出以下主要結(jié)論。

1）1961—2018年，黃岡市年平均氣溫日較差整體上表現(xiàn)為顯著下降趨勢(shì)，氣候傾向率為-0.127 ℃/10年，1980—1991年下降較為明顯。黃岡市年平均氣溫、年平均最高氣溫和年平均最低氣溫都呈顯著增加趨勢(shì)，但年平均最低氣溫的增幅明顯高于年平均最高氣溫，氣溫增幅的非對(duì)稱變化，導(dǎo)致了黃岡市年平均氣溫日較差顯著下降。

2）黃岡市四季平均氣溫日較差中，除春季呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)外，夏、秋、冬季均呈顯著減小趨勢(shì)，下降趨勢(shì)表現(xiàn)為夏季>冬季>秋季。四季平均氣溫日較差的減少與最低氣溫的明顯升高有密切聯(lián)系，這是導(dǎo)致黃岡市平均氣溫日較差顯著下降的主要原因。

3）黃岡市年平均氣溫日較差在1978年左右出現(xiàn)了一次突變，并在突變點(diǎn)前后表現(xiàn)為先減少后增加的變化趨勢(shì)。各季節(jié)平均氣溫日較差均有突變出現(xiàn)，但出現(xiàn)突變的時(shí)間不同，在突變點(diǎn)前后，除春季外，夏、秋、冬季平均氣溫日較差均表現(xiàn)為先減少后增加的趨勢(shì)；近58年黃岡市年平均氣溫日較差有13年左右的低頻振蕩周期和3～7年的高頻振蕩周期。

4）黃岡市年平均氣溫日較差與日照時(shí)數(shù)表現(xiàn)為顯著正相關(guān)，與降水量、總云量、平均水汽壓和平均相對(duì)濕度均表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)，各氣象要素通過(guò)影響最高、最低氣溫進(jìn)而使氣溫日較差發(fā)生變化。