周锦阳,王恒申
(河北省石家庄市第一中学,河北石家庄 050011)
1.1资料选取资料起始年份为1955—2016年,共计62年,所用资料包括:石家庄市单站1—12月各月平均气温和降水量;国家气候中心气候系统诊断预测室编制的88项大气环流指数,时间分辨率为月,空间分辨率为2.5°×2.5°经纬度。
1.2分析方法
1.2.1线性相关系数。假设有2个变量X、Y取值分别x1,x2,…,xn和y1,y2,…,yn,n为取样个数。2个变量的相关系数为:
式中,x、y分别为变量X、Y的平均值,当r>0时,表示X、Y两变量呈正相关,当r<0时,表示X、Y两变量呈负相关。r0为给定某一显著水平α时相关系数的临界值,若|r|>r0,则可认为两变量相关显著。该研究中样本长度为62,相关系数的临界值分别为α0.05=0.25、α0.01=0.33、α0.001=0.41。
1.2.2线性趋势的计算。用x1,x2,…,xn表示时间,y1,y2,…,yn为对应的气温,建立两者之间的线性回归方程:
2.1气温变化趋势分析
2.1.1年变化。从图1可以看出,自1955年以来石家庄市年平均气温呈上升的趋势,平均上升幅度为0.34 ℃/10 a。石家庄市气温升高的趋势是全球气候变暖背景下的必然结果,此外,石家庄市自20世纪90年代以来,城市发展迅速,城区范围不断扩大,城市热岛效应越来越显著[2],这些因素也是影响气温变化的原因。
这符合自然规律,故乡总是留不住漂亮的孩子。可至少我、胡来、胡去,我们三个没有一点要走的意思。我们喜欢出海,但是前辈们再不让我们跟着出海。在电视机普及以后,他们就说:要出海,没出息。至于什么是有出息,他们还没想太明白。爷爷说:他们呀,总是觉得小孩子背井离乡,老头子衣锦还乡就叫有出息。成天看着太平洋,还觉得自己眼界不够宽;什么鱼都认识,还觉得自己见识不够多。
图1 1955—2016年石家庄市逐年平均气温变化Fig.1 Change of annual average temperature in Shijiazhuang City from 1955 to 2016
2.1.2季变化。从图2可看出,春、夏、秋、冬四季的平均气温均呈上升的趋势,这种上升趋势在统计上是显著的,上升幅度分别为0.41、0.23、0.30、0.43 ℃/10 a。近年来除了春季仍然处于增温趋势以外,其他3个季节气温增高的趋势有所减缓,甚至出现了下降的情况。2009—2016年秋季平均气
温有5年在趋势线以下,冬季有4年在趋势线以下,其中2012—2013年冬季平均气温为-2.3 ℃,创1972年以来的45年最低值。
2.2气温与降水的关系
2.2.1各月平均气温之间的相关分析。计算各月平均气温之间的相关系数,当2个月气温的相关系数r>0.25(α=0.05)时,可以认为它们之间存在相关关系。从表1可以看出,4、5、11月份气温与其前1个月的气温没有明显的关系;1、2、3、6、7月份气温与其前1个月气温的相关系数均超过了0.41,显著水平达到α=0.001;8、9、10月份与前1个月气温的相关系数分别为0.29、0.28、0.25,显著水平为α=0.01。分析结果认为,近62年石家庄市月平均气温大部分月份与其前1个月气温相关显著,说明气温的月变化可能存在一定的持续性,特别是1、2、3、7、8月份持续性更明显,持续时间可能会超过1个月。此外,2月与9月、3月与8月、3月与10月、9月与12月平均气温的相关系数均超过了0.41,在统计上相关是显著的。
图2 1955—2016年石家庄市春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)平均气温变化Fig.2 Changes of average temperature in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in Shijiazhuang City from 1955 to 2016
月份Month1月January2月February3月March4月April5月May6月June7月July8月August9月September10月October11月November11.0020.561.0030.330.481.0040.220.340.441.0050.200.170.370.221.0060.150.170.260.220.251.0070.210.200.310.280.400.491.0080.180.270.420.250.370.230.541.0090.220.460.300.380.150.270.330.291.00100.130.290.420.170.230.250.200.400.281.00110.12-0.070.120.050.100.130.180.220.130.251.00120.050.200.340.060.150.150.090.080.480.160.23
2.2.2各月平均气温与降水之间的相关分析。从图3可看出,近62年石家庄市各月气温与降水的相关系数均为负值,说明两者之间呈反相关关系,即降水偏多时往往气温偏低,降水偏少时气温偏高,这一规律在1、4—7、10月份非常显著。通常降水的出现与冷空气活动有关,降水期间日照减少,降水过后该地区常常被冷空气控制,使得气温降低。但2、3月份比较特殊,这一时期正处于冬季向春季转换的季节,冬季结束,地面开始增温,暖湿空气也开始活跃,天气逐渐变暖,降水过后降温幅度不会太大,有时还可能升高,因此气温与降水之间的相关关系不明显。
图3 1955—2016年石家庄市各月平均气温与降水量的相关系数Fig.3 Correlation coefficients of average temperature and precipitation in Shijiazhuang City from 1955 to 2016
计算前1个月的降水与当月气温的相关系数,结果发现,其他月份相关系数的绝对值都低于0.25,只有1月份降水与2月份气温的相关系数达-0.37。说明1月份降水偏多不仅引起当月气温偏低,还可能会影响2月份气温偏低。分析其主要原因是:一场大雪过后大地被冰雪覆盖,大部分太阳辐射被反射掉,使地面得不到热量。同时融雪是一个吸热过程,会造成热量损失,因此1月份降水偏多往往会引起该月气温偏低。另外1月份石家庄市正处于隆冬季节,冰雪不易融化,气温偏低的时间可能会较长,甚至会影响到下1个月。
2.3气温与大气环流的关系
2.3.1气温与环流特征量的相关分析。局地气候的形成与地理位置、地形、下垫面等因素有关,但局地气温的异常偏高或偏低一定有其特定的环流背景。为了考察石家庄市气温与大气环流的关系,选取88项大气环流指数作为因子,计算与石家庄市逐月平均气温与同期环流特征量的相关系数,当相关系数达到一定显著水平时,可以认为该项环流指数为影响石家庄市气温变化的因子,计算结果见表2。当某些月份气温的环流因子较多时,表中仅给出相关较好且有代表性的3个因子。
从表2可以看出,除了1、6、7月份外,其他各月气温与环流因子的相关系数均超过了0.41,显著水平达到了α=0.001,其中2、3、9、10、12月最显著,相关系数最大值超过了0.50。因子数量最少、相关性最差的是6月份,该月只有一个因子,相关系数仅为-0.28。影响1—6、11、12月份气温变化的环流因子中,代表北方冷空气活动的纬向环流指数、经向环流指数和极涡面积类指数的相关最显著。7—10月份则以代表暖湿气团的副热带高压类指数相关最显著。此外,青藏地区(500 hPa等压面)的高度场与9、10、12月份的气温也存在较好的相关关系。
表21955—2016年石家庄市各月平均气温与环流特征量的相关系数
Table2CorrelationcoefficientsofaveragetemperatureandcirculationcharacteristicsineachmonthofShijiazhuangCityfrom1955to2016
月份Month相关系数Correlationcoefficient环流特征量序号及名称Theserialnumberandnameofcirculationcharacteristics10.3938.西太平洋副高北界(110°~150°E)-0.3446.亚洲区极涡面积指数(1区,60°~150°E)0.3559.欧亚纬向环流指数(IZ,0~150°E)20.417.北美副高面积指数(110°~60°W)-0.4246.亚洲区极涡面积指数(1区,60°~150°E)0.6759.欧亚纬向环流指数(IZ,0~150°E)3-0.4746.亚洲区极涡面积指数(1区,60°~150°E)-0.5250.北半球极涡面积指数(5区,0~360°)0.5259.欧亚纬向环流指数(IZ,0~150°E)4-0.4446.亚洲区极涡面积指数(1区,60°~150°E)5-0.4046.亚洲区极涡面积指数(1区,60°~150°E)0.4364.东亚槽强度(CQ)-0.5073.西太平洋遥相关型指数6-0.2862.亚洲经向环流指数(IM,60°~150°E)70.3919.大西洋副高强度指数(55°~25°W)0.3721.北美大西洋副高强度指数(110°~20°W)-0.3752.太平洋区涡强度指数(2区,150°E~120°W)80.4712.北半球副高强度指数(5°E~360°)-0.4850.北半球极涡面积指数(5区,0~360°)-0.4874.北太平洋遥相关型指数90.5014.北非大西洋北美副高强度指数(110°W~60°E)0.5219.大西洋副高强度指数(55°~25°W)0.5866.西藏高原(30°~40°N,75°~105°E)100.5610.北美大西洋副高面积指数(110°~20°W)0.6166.西藏高原(30°~40°N,75°~105°E)0.5967.印缅槽(15°~20°N,80°~100°E)110.4059.欧亚纬向环流指数(IZ,0~150°E)-0.3662.亚洲经向环流指数(IM,60°~150°E)-0.4778.斯堪的纳维亚遥相关型指数120.5259.欧亚纬向环流指数(IZ,0~150°E)0.4666.西藏高原(30°~40°N,75°~105°E)-0.5278.斯堪的纳维亚遥相关型指数
2.3.2气温与前期环流特征量的相关分析。前1个月的环流可能会影响下1个月气温变化,但比起同期相关的情况,前1个月的环流特征量与当月平均气温的相关程度有所下降,相关较好的因子是1—5月份以极涡类指数为主、7—10月份以副热带高压类指数为主(表3),这些都是相对比较稳定的大气活动中心。
(1)自1955年以来石家庄市年平均气温呈上升的趋势,
表31955—2016年石家庄市各月平均气温与前1个月环流特征量的相关系数分析
Table3CorrelationcoefficientsofaveragemonthlytemperatureandcirculationcharacteristicsofthepreviousmonthinShijiazhuangCityfrom1955to2016
月份Month相关系数Correlationcoefficient环流特征量序号及名称Theserialnumberandnameofcirculationcharacteristics10.37538.西太平洋副高北界(110°~150°E)-0.36849.大西洋欧洲区极涡面积指数(4区,30°W~60°E)20.40128.东太平洋副高脊线(175°~115°W)-0.40846.亚洲区极涡面积指数(1区,60°~150°E)0.45666.西藏高原(30°~40°N,75°~105°E)30.48659.欧亚纬向环流指数(IZ,0~150°E)0.46174.北太平洋遥相关型指数4-0.46449.大西洋欧洲区极涡面积指数(4区,30°W~60°E)-0.39650.北半球极涡面积指数(5区,0~360°)50.42428.东太平洋副高脊线(175°~115°W)-0.34550.北半球极涡面积指数(5区,0~360°)60.28359.欧亚纬向环流指数(IZ,0~150°E)70.38328.东太平洋副高脊线(175°~115°W)80.3912.北非副高面积指数(20°W~60°E)-0.42055.北半球极涡强度指数(5区,0~360°)90.54412.北半球副高强度指数(5°E~360°)-0.54646.亚洲区极涡面积指数(1区,60°~150°E)100.5472.北非副高面积指数(20°W~60°E)0.52666.西藏高原(30°~40°N,75°~105°E)110.33559.欧亚纬向环流指数(IZ,0~150°E)0.40564.东亚槽强度(CQ)120.3635.西太平洋副高面积指数(110°E~180°)0.36211.太平洋副高面积指数(110°E~115°W)
上升幅度约0.34 ℃/10 a。近年(2009—2016年)除了春季仍然处于增温趋势以外,其他3个季节气温上升的趋势有所减缓。
(2)近62年石家庄市月平均气温的变化可能存在一定的持续性,特别是1、2、3、7、8月份持续性更明显,持续时间可能超过1个月。
(3)近62年石家庄市同期的气温与降水呈反相关关系,即降水偏多时气温偏低,降水偏少时气温偏高,此外1月份降水与2月份气温存在较好的反相关关系。
(4)影响石家庄市气温变化的因子主要有环流指数、极涡面积、副热带高压等,而且前1个月的极涡、副热带高压与下2个月平均气温也存在一定的关系,由此可以认为各月平均气温存在不同程度的可预测性。
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