彭 湃， 劉 博， 鄧 楠， 鄧鷹鴻， 李錫泉， 田育新，馬豐豐， 宋慶安

(1.湖南省林業(yè)科學院， 湖南 長沙 410004； 2.湖南省林業(yè)局， 湖南 長沙 410004)

最新氣候狀況監(jiān)測表明，全球氣候繼續(xù)保持變暖趨勢[1]，近10年快速引起國際社會、各行各業(yè)學者乃至普通民眾的廣泛關注[2-6]。IPCC第五次評估報告指出，1880—2012年全球平均氣溫上升了0.85 ℃，且認為1983—2012年為北半球1400年間最暖的30年[1，7]。2015—2019年是有完整氣象觀測記錄以來最暖的5年，這5年全球平均溫度與工業(yè)化前比上升了約1.0 ℃，全球平均海平面持續(xù)創(chuàng)歷史新高；自20世紀80年代以來，每個連續(xù)10年都比前一個10年更暖[8-9]?！度蝻L險報告2019》指出，氣候變化引起的極端天氣與氣候事件頻發(fā)，以及氣候政策無法達到預期等環(huán)境風險日益突出，造成全球氣候風險加劇。如2018年全球因極端氣候引起的經(jīng)濟損失在自然災害經(jīng)濟損失中占90%以上，發(fā)生次數(shù)為1980年以來最多[1，10]。

中國作為全球氣候變化的敏感區(qū)和影響顯著區(qū)之一，自20世紀中葉以來，中國區(qū)域升溫率明顯高于同期全球平均水平[9]，1951—2017年，中國年平均氣溫增速為0.24 ℃·10 a-1；近20年是自20世紀初以來的最暖時期，氣候風險呈現(xiàn)總體升高趨勢。中國地大物博，氣候類型多樣，不同自然地理區(qū)域社會、經(jīng)濟條件差異顯著，應對氣候變化的能力均有所不同[1]。長沙市是湖南省的省會城市，是長江中游城市群和長江經(jīng)濟帶重要的節(jié)點城市。長沙市屬亞熱帶季風氣候，具有氣候溫和、降水充沛、雨熱同期、四季分明的氣候特征。因此，本研究以處于中國華中地區(qū)的長沙市為研究對象，對其1975—2015年氣候變化特征進行了初步探索，以期為該地區(qū)應對氣候變化提供技術支撐。

1 數(shù)據(jù)來源與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文所用數(shù)據(jù)來自于長沙國家基本氣象站1975—2015年逐月氣象資料。長沙國家基本氣象站始建于1970年1月，時稱長沙縣氣象服務站(一般站)；1980年9月更名為長沙市氣象站(一般站)；1985年5月更名為長沙市望城坡氣象站(一般站)；1987年1月因國家站網(wǎng)調整改為長沙氣象站(基本站)；2007年1月因國家站網(wǎng)調整改為長沙國家氣候觀象臺(基準站)；2009年1月因國家站網(wǎng)調整改為長沙國家基本氣象站并沿用至今。

1.2 氣候變化特征分析方法

利用長沙市1975—2015年的逐月氣候數(shù)據(jù)(包括月降水量、月平均氣溫、月最低氣溫、月最高氣溫、月相對濕度、月日照時數(shù)、月平均風速、月大氣壓等)計算其逐年、季平均值，采用5 a滑動平均距平、氣候線性傾向率法分析氣候變化趨勢；采用F檢驗、曼-肯德爾(Mann-Kendall)趨勢檢驗法檢驗結果顯著性[11-12]；采用滑動T檢驗法對序列突變點和可能突變點驗證其真?zhèn)危岣咄蛔兎治鼋Y果的真實性[13-14]，并通過小波分析年均月平均氣溫與年降水量變化的周期性[14]。

2 結果與分析

2.1 氣候演變趨勢

2.1.1 平均氣溫 長沙市1975—2015年平均氣溫為17.4 ℃。最高為19.2 ℃，出現(xiàn)在2013年；最低為16.3 ℃，出現(xiàn)在1984年(圖1)。從圖1還可以看出，年平均氣溫多年趨勢呈現(xiàn)逐年上升，通過F、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗為顯著增溫(P<0.01)。20世紀70年代中期至2015年各個年代年平均氣溫也一直表現(xiàn)為逐年上升趨勢，41 a上升了1.3 ℃，上升傾向率為0.42 ℃·10 a-1(表1、圖2)，明顯高于全國(0.22 ℃·10 a-1)乃至全球(0.13 ℃·10 a-1)同期的增溫率，屬于我國氣候變暖較明顯的區(qū)域之一。同期年最低氣溫的線性增溫率同樣達到0.42 ℃·10 a-1(圖2)，基本與年平均氣溫增幅持平，且遠高于年最高氣溫，呈現(xiàn)出顯著的非對稱性特征，表明長沙市1975—2015年氣候變暖主要表現(xiàn)為最低氣溫的升高。冬季(12—2月)、夏季(6—8月)平均氣溫上升速度均低于全年，但總體向上，且冬季(0.34 ℃·10 a-1)明顯高于夏季(0.29 ℃·10 a-1)(圖3)。

圖1 長沙市1975—2015年平均氣溫距平值年變化Fig.1 Annual variation of annual average temperature of Changsha City from 1975 to 2015

表1 長沙市各氣象因子的年際變化Tab.1 Annual variation of meteorological factors in Changsha City年份年均月平均氣溫/℃年均降水量/mm年均月日照時數(shù)/h年均相對濕度/%年均風速/(m·s-1)年均大氣壓/Pa1975—198417.01 331.9133.080.62.61 008.11985—199416.91 404.2128.581.62.21 008.11995—200417.51 520.4119.880.12.21 007.62005—201418.31 344.8141.772.02.11 007.3

圖2 長沙市1975—2015年年平均氣溫、年最高氣溫、年最低氣溫、年降水量的線性變化Fig.2 Liner variation of annual temperature and annual precipitation of Changsha City from 1975 to 2015

圖3 長沙市1975—2015年夏季、冬季平均氣溫及降水量的線性變化Fig.3 Liner variation of monthly mean temperature and precipitation in summer and winter of Changsha City from 1975 to 2015

2.1.2 降水量 長沙市1975-2015年平均年降水量為1403.7mm，最高為1824.3mm，出現(xiàn)在1997年，最低為932.8mm，出現(xiàn)在2011年(圖2)。多年變化趨勢結果顯示(圖4)，年降水量呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢，但降水量趨勢不顯著(P>0.1)，而各年代降水量波動劇烈(表1)，與全國及華中地區(qū)同期年降水量變化趨勢保持一致[1，9]。從20世紀70年代中期至2004年，呈現(xiàn)增加趨勢，總體上升188.5 mm，與全國同期(1951—2004年)降水量呈現(xiàn)小幅增加的趨勢保持一致[15]。夏季、冬季降水量增加傾向率分別為1.21 mm·10 a-1、5.50 mm·10 a-1(圖3)，經(jīng)F檢驗夏季和冬季都屬于小幅不顯著變化，但冬季降水量的增幅高于夏季明顯，說明長沙市1975—2015年年降水量小幅增加是由冬季降水量增加所致。

圖4 長沙市1975—2015年年均降水量距平值年變化Fig.4 Annual variation of annual precipitation of Changsha city from 1975 to 2015

2.1.3 年均月日照時數(shù)、年均月相對濕度、年均月平均風速、年均月大氣壓的變化趨勢 長沙市1975—2015年年均月日照時數(shù)線性變化趨勢不明顯(圖略)，為0.8 h·10 a-1(表1)，未通過P=0.1顯著性水平檢驗，但各個年代變動劇烈，如1995—2004年代比1975—1984年代平均減少月日照時數(shù)13.2 h，而2005—2014年比1995—2004年增加21.9 h。不同季節(jié)表現(xiàn)略有不同，夏季平均月日照時數(shù)略微上升，而冬季平均月日照時數(shù)呈明顯下降趨勢(圖略)。

長沙市年均月平均相對濕度、年均月平均風速、年均月大氣壓均呈顯著下降趨勢(P<0.01，圖略)。年均相對濕度從2005年開始呈現(xiàn)顯著下降趨勢，平均線性下降率達到了2%·10 a-1；年均月平均風速從1984年開始呈現(xiàn)顯著下降趨勢，線性下降率為0.12 m·s-1·10 a-1；年均月大氣壓的線性下降率為0.53 Pa·10 a-1(表1)。相對濕度、年均月大氣壓冬季下降率均明顯高于夏季，平均風速則正好相反(圖略)。

2.2 氣候突變特征

根據(jù)Mann-Kendall突變檢驗結果(圖5)，長沙市1975—2015年年月均氣溫上升趨勢顯著，年均月相對濕度、年均月平均風速、年均月大氣壓下降趨勢顯著，均通過99%的突變顯著性檢驗；而年降水量、年均月日照時數(shù)未通過Mann-Kendall突變檢驗。

從圖5可以看出，年均月平均氣溫可能存在的突變點為2000年、突變時間區(qū)域為2005—2015年，對其進行滑動T檢驗，結果表明年均月平均氣溫在2000年突變顯著(P<0.05)，說明2000年是長沙市氣溫在1975—2015年區(qū)間的突變點，是氣溫逐漸升高的開始。雖然年降水量在1993—2005年間超過P<0.05顯著性水平的置信度線，但對該時間區(qū)域進行滑動T檢驗，結果顯示該時間區(qū)域突變不顯著。

圖5 長沙市年均月平均氣溫、年降水量、年均月日照時數(shù)、年均月相對濕度、年均月平均風速及年均月大氣壓突變的曼-肯德爾趨勢檢驗Fig.5 Mann Kendall test for the abrupt change of annual mean temperature， annual precipitation， sunshine hours， relative humidity，mean wind speed， and pressure in Changsha (注：a：年均月平均氣溫；b：年降水量；c：年均月日照時數(shù)；，d：年均月相對濕度；e：年均月平均風速；f：年均月大氣壓)

對于年月均相對濕度，其UF與UB曲線有4個交叉點，1個在P<0.05顯著性水平界線范圍內，3個在界線范圍之外，說明其存在可能的突變點為2009、2012、2013、2014年突變時間區(qū)域為1983—1984年、1992—1994年、1997—2001年，進行滑動T檢驗發(fā)現(xiàn)1992年突變顯著(P<0.05)；對于年均月平均風速存在可能的突變點為1987、1996、2007、2008、2011年，突變時間區(qū)域為1975—1980年，進行滑動T檢驗發(fā)現(xiàn)1978年突變顯著(P<0.05)；對于大氣壓存在可能的突變點為2006年，突變的時間區(qū)域為1975—1997年、2011—2015年，進行滑動T檢驗發(fā)現(xiàn)大氣壓1990年突變顯著(P<0.05)，由此可以說明年均月平均相對濕度、年均月平均風速、年均月大氣壓分別從1992年、1978年、1990年開始逐漸下降。

2.3 氣候變化的周期性

長沙市年平均氣溫、年降水量在1975—2015年周期性變化如圖6所示，小波系數(shù)的大小代表圖中信號的強弱，實線代表正位相(實部≥0)，虛線代表負位相(實部<0)。

圖6 長沙市1975—2015年年均月平均氣溫的Morlet小波 分析圖Fig.6 Morlet wavelet analysis of annual average temperature and annual precipitation in Changsha City form 1975 to 2015

從圖6、圖7可以看出，年均月平均氣溫、年降水量的小波變換系數(shù)的實部的波動特征，呈現(xiàn)出偏多和偏少交替變化的特性。年平均氣溫在28 a左右的時間尺度波動十分明顯，正負位相交替出現(xiàn)，可明顯觀察到呈現(xiàn)偏多、偏少的波動變化；在整個時間尺度上出現(xiàn)了1986、2004年2個偏多中心，及1977、1995、2014年3個偏少中心；在25～31a的時間尺度上出現(xiàn)了準兩次震蕩。與湖南衡山地區(qū)類似[16]，年降水量在17～26 a的時間尺度上出現(xiàn)了三次震蕩；1975—1991年在7～14a的時間尺度上出現(xiàn)了準兩次震蕩。

圖7 長沙市1975—2015年年降水量的Morlet小波分析圖Fig.7 Morlet wavelet analysis of annual precipitation in Changsha city form 1975 to 2015

3 結論與討論

(1)全球氣候變化不一，近百年全球氣溫上升了0.6 ℃，我國平均氣溫上升了0.4～0.5 ℃；近50年來中國增溫主要從20世紀80年代中期開始，此后一直明顯上升[15]。長沙市1975—2015年氣溫整體呈上升趨勢，41 a上升了1.3 ℃，上升傾向率為0.42 ℃·10 a-1，顯著高于全國1951—2019年的增溫速率0.24 ℃·10 a-1及華中地區(qū)1961—2019年的增溫速率0.19 ℃·10 a-1[1],特別是2000年以來變暖明顯，表現(xiàn)為顯著性水平P<0.05的明顯增溫趨勢。年最低氣溫增溫明顯，顯著高于年最高氣溫的上升傾向率，與年均月平均氣溫持平，響應全國氣候變暖趨勢。夏季、冬季和全年的平均氣溫上升傾向率均高于全國平均水平，同樣，遠高于同為長江中下游區(qū)域的南京市[17]、宜昌市[11]，尤其是夏季上升傾向率遠高于全國[17]，這跟長沙市高溫天氣的頻發(fā)性和持續(xù)時間長相關，有研究表明長沙市多年平均高溫日數(shù)>28 d[18]。然而，其年降水量變化趨勢不明顯，均未通過突變顯著性檢驗，但年際變化差異大，波動大。年降水量自20世紀70年代末期至90年代，增長了309 mm，到了21世紀00年代下降了239.4 mm，再到21世紀10年代初又回升了63.2 mm，與湖南同期變化趨勢略有不同[19]，但與全國、華中地區(qū)變化趨勢保持一致[1]。總的來說，長沙市2001—2010年是年均氣溫最高、年降水量最少的10年，這一點與湖南省衡山市[16]、云南省昆明市[14]的氣候變化研究結論保持一致。年平均氣溫、年降水量的周期性規(guī)律總體呈現(xiàn)出偏多和偏少交替變化的特征。年平均氣溫在整個時間尺度上出現(xiàn)了1986、2004年2個偏多中心和1977、1995、2014年3個偏少中心，而年降水量在17～26 a尺度上則出現(xiàn)了3次震蕩。

(2)長沙市日照時數(shù)變化趨勢與降水量變化規(guī)律一樣，從20世紀70年代到90年代初，呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，到90年代又出現(xiàn)了下降，2001—2015年一直處于波動上升趨勢，與湖南省同期日照時數(shù)變化保持一致[19]，但與全國1961—2019年呈顯著減少的趨勢不同[1]。年均月平均相對濕度、年均月平均風速、年均月平均大氣壓均表現(xiàn)為顯著性水平P<0.01的明顯下降趨勢，平均線性下降率分別為2%·10 a-1、0.12 m·s-1·10 a-1、0.53 Pa·10 a-1。從長沙市干濕兩季來看，冬季平均氣溫、降水量上升傾向率明顯高于夏季；冬季平均相對濕度、平均大氣壓下降傾向率明顯高于夏季；冬季平均風速下降傾向率低于冬季，說明長沙市1975—2015年氣候變暖主要表現(xiàn)為冬季最低氣溫的升高、冬季降水量的增加以及冬季日照時數(shù)、相對濕度、大氣壓的明顯下降。

(3) 總體來說，長沙市1975—2015年氣候演變特征表現(xiàn)為氣溫升高，降水量略微下降，日照時數(shù)略微上升，月相對濕度、月平均風速、月大氣壓明顯下降的暖干化趨勢。唐國利[15]、何云玲[14]等學者研究認為中國近50年地表氣溫記錄不同程度受城市化或土地利用的變化。隨著城市化進程的加快，由此引發(fā)的城市熱島效應對于氣候變化的影響主要體現(xiàn)在最低氣溫的升高[20]，上述分析的長沙市地表氣溫的特點也符合這一規(guī)律。有分析表明[15，21]，全國臺站城鎮(zhèn)站資料多數(shù)可能存在城市熱島效應增強的影響，有些城市如北京、湖北區(qū)域城市化進程對記錄的年平均氣溫影響達到增幅的20%～70%[21]。長沙氣象站位于長沙市城鎮(zhèn)區(qū)域，1975—2015年期間，年均氣溫每10年上升0.42 ℃，高于氣象站位于高山海拔區(qū)域的湖南衡山同期的0.38 ℃[16]，間接說明長沙氣象站記錄的年平均氣溫多多少少受到了城市熱島效應的影響，至于影響多大，有待后期進一步研究確定。