长沙市1975—2015年气候演变特征分析

彭 湃， 刘 博， 邓 楠， 邓鹰鸿， 李锡泉， 田育新，马丰丰， 宋庆安

(1.湖南省林业科学院， 湖南 长沙 410004； 2.湖南省林业局， 湖南 长沙 410004)

最新气候状况监测表明，全球气候继续保持变暖趋势[1]，近10年快速引起国际社会、各行各业学者乃至普通民众的广泛关注[2-6]。IPCC第五次评估报告指出，1880—2012年全球平均气温上升了0.85 ℃，且认为1983—2012年为北半球1400年间最暖的30年[1，7]。2015—2019年是有完整气象观测记录以来最暖的5年，这5年全球平均温度与工业化前比上升了约1.0 ℃，全球平均海平面持续创历史新高；自20世纪80年代以来，每个连续10年都比前一个10年更暖[8-9]。《全球风险报告2019》指出，气候变化引起的极端天气与气候事件频发，以及气候政策无法达到预期等环境风险日益突出，造成全球气候风险加剧。如2018年全球因极端气候引起的经济损失在自然灾害经济损失中占90%以上，发生次数为1980年以来最多[1，10]。

中国作为全球气候变化的敏感区和影响显著区之一，自20世纪中叶以来，中国区域升温率明显高于同期全球平均水平[9]，1951—2017年，中国年平均气温增速为0.24 ℃·10 a-1；近20年是自20世纪初以来的最暖时期，气候风险呈现总体升高趋势。中国地大物博，气候类型多样，不同自然地理区域社会、经济条件差异显著，应对气候变化的能力均有所不同[1]。长沙市是湖南省的省会城市，是长江中游城市群和长江经济带重要的节点城市。长沙市属亚热带季风气候，具有气候温和、降水充沛、雨热同期、四季分明的气候特征。因此，本研究以处于中国华中地区的长沙市为研究对象，对其1975—2015年气候变化特征进行了初步探索，以期为该地区应对气候变化提供技术支撑。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本文所用数据来自于长沙国家基本气象站1975—2015年逐月气象资料。长沙国家基本气象站始建于1970年1月，时称长沙县气象服务站(一般站)；1980年9月更名为长沙市气象站(一般站)；1985年5月更名为长沙市望城坡气象站(一般站)；1987年1月因国家站网调整改为长沙气象站(基本站)；2007年1月因国家站网调整改为长沙国家气候观象台(基准站)；2009年1月因国家站网调整改为长沙国家基本气象站并沿用至今。

1.2 气候变化特征分析方法

利用长沙市1975—2015年的逐月气候数据(包括月降水量、月平均气温、月最低气温、月最高气温、月相对湿度、月日照时数、月平均风速、月大气压等)计算其逐年、季平均值，采用5 a滑动平均距平、气候线性倾向率法分析气候变化趋势；采用F检验、曼-肯德尔(Mann-Kendall)趋势检验法检验结果显著性[11-12]；采用滑动T检验法对序列突变点和可能突变点验证其真伪，提高突变分析结果的真实性[13-14]，并通过小波分析年均月平均气温与年降水量变化的周期性[14]。

2 结果与分析

2.1 气候演变趋势

2.1.1 平均气温 长沙市1975—2015年平均气温为17.4 ℃。最高为19.2 ℃，出现在2013年；最低为16.3 ℃，出现在1984年(图1)。从图1还可以看出，年平均气温多年趋势呈现逐年上升，通过F、Mann-Kendall非参数检验为显著增温(P<0.01)。20世纪70年代中期至2015年各个年代年平均气温也一直表现为逐年上升趋势，41 a上升了1.3 ℃，上升倾向率为0.42 ℃·10 a-1(表1、图2)，明显高于全国(0.22 ℃·10 a-1)乃至全球(0.13 ℃·10 a-1)同期的增温率，属于我国气候变暖较明显的区域之一。同期年最低气温的线性增温率同样达到0.42 ℃·10 a-1(图2)，基本与年平均气温增幅持平，且远高于年最高气温，呈现出显著的非对称性特征，表明长沙市1975—2015年气候变暖主要表现为最低气温的升高。冬季(12—2月)、夏季(6—8月)平均气温上升速度均低于全年，但总体向上，且冬季(0.34 ℃·10 a-1)明显高于夏季(0.29 ℃·10 a-1)(图3)。

图1 长沙市1975—2015年平均气温距平值年变化Fig.1 Annual variation of annual average temperature of Changsha City from 1975 to 2015

表1 长沙市各气象因子的年际变化Tab.1 Annual variation of meteorological factors in Changsha City年份年均月平均气温/℃年均降水量/mm年均月日照时数/h年均相对湿度/%年均风速/(m·s-1)年均大气压/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

图2 长沙市1975—2015年年平均气温、年最高气温、年最低气温、年降水量的线性变化Fig.2 Liner variation of annual temperature and annual precipitation of Changsha City from 1975 to 2015

图3 长沙市1975—2015年夏季、冬季平均气温及降水量的线性变化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 长沙市1975-2015年平均年降水量为1403.7mm，最高为1824.3mm，出现在1997年，最低为932.8mm，出现在2011年(图2)。多年变化趋势结果显示(图4)，年降水量呈现先增加后下降的趋势，但降水量趋势不显著(P>0.1)，而各年代降水量波动剧烈(表1)，与全国及华中地区同期年降水量变化趋势保持一致[1，9]。从20世纪70年代中期至2004年，呈现增加趋势，总体上升188.5 mm，与全国同期(1951—2004年)降水量呈现小幅增加的趋势保持一致[15]。夏季、冬季降水量增加倾向率分别为1.21 mm·10 a-1、5.50 mm·10 a-1(图3)，经F检验夏季和冬季都属于小幅不显著变化，但冬季降水量的增幅高于夏季明显，说明长沙市1975—2015年年降水量小幅增加是由冬季降水量增加所致。

图4 长沙市1975—2015年年均降水量距平值年变化Fig.4 Annual variation of annual precipitation of Changsha city from 1975 to 2015

2.1.3 年均月日照时数、年均月相对湿度、年均月平均风速、年均月大气压的变化趋势 长沙市1975—2015年年均月日照时数线性变化趋势不明显(图略)，为0.8 h·10 a-1(表1)，未通过P=0.1显著性水平检验，但各个年代变动剧烈，如1995—2004年代比1975—1984年代平均减少月日照时数13.2 h，而2005—2014年比1995—2004年增加21.9 h。不同季节表现略有不同，夏季平均月日照时数略微上升，而冬季平均月日照时数呈明显下降趋势(图略)。

长沙市年均月平均相对湿度、年均月平均风速、年均月大气压均呈显著下降趋势(P<0.01，图略)。年均相对湿度从2005年开始呈现显著下降趋势，平均线性下降率达到了2%·10 a-1；年均月平均风速从1984年开始呈现显著下降趋势，线性下降率为0.12 m·s-1·10 a-1；年均月大气压的线性下降率为0.53 Pa·10 a-1(表1)。相对湿度、年均月大气压冬季下降率均明显高于夏季，平均风速则正好相反(图略)。

2.2 气候突变特征

根据Mann-Kendall突变检验结果(图5)，长沙市1975—2015年年月均气温上升趋势显著，年均月相对湿度、年均月平均风速、年均月大气压下降趋势显著，均通过99%的突变显著性检验；而年降水量、年均月日照时数未通过Mann-Kendall突变检验。

从图5可以看出，年均月平均气温可能存在的突变点为2000年、突变时间区域为2005—2015年，对其进行滑动T检验，结果表明年均月平均气温在2000年突变显著(P<0.05)，说明2000年是长沙市气温在1975—2015年区间的突变点，是气温逐渐升高的开始。虽然年降水量在1993—2005年间超过P<0.05显著性水平的置信度线，但对该时间区域进行滑动T检验，结果显示该时间区域突变不显著。

图5 长沙市年均月平均气温、年降水量、年均月日照时数、年均月相对湿度、年均月平均风速及年均月大气压突变的曼-肯德尔趋势检验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：年均月平均气温；b：年降水量；c：年均月日照时数；，d：年均月相对湿度；e：年均月平均风速；f：年均月大气压)

对于年月均相对湿度，其UF与UB曲线有4个交叉点，1个在P<0.05显著性水平界线范围内，3个在界线范围之外，说明其存在可能的突变点为2009、2012、2013、2014年突变时间区域为1983—1984年、1992—1994年、1997—2001年，进行滑动T检验发现1992年突变显著(P<0.05)；对于年均月平均风速存在可能的突变点为1987、1996、2007、2008、2011年，突变时间区域为1975—1980年，进行滑动T检验发现1978年突变显著(P<0.05)；对于大气压存在可能的突变点为2006年，突变的时间区域为1975—1997年、2011—2015年，进行滑动T检验发现大气压1990年突变显著(P<0.05)，由此可以说明年均月平均相对湿度、年均月平均风速、年均月大气压分别从1992年、1978年、1990年开始逐渐下降。

2.3 气候变化的周期性

长沙市年平均气温、年降水量在1975—2015年周期性变化如图6所示，小波系数的大小代表图中信号的强弱，实线代表正位相(实部≥0)，虚线代表负位相(实部<0)。

图6 长沙市1975—2015年年均月平均气温的Morlet小波 分析图Fig.6 Morlet wavelet analysis of annual average temperature and annual precipitation in Changsha City form 1975 to 2015

从图6、图7可以看出，年均月平均气温、年降水量的小波变换系数的实部的波动特征，呈现出偏多和偏少交替变化的特性。年平均气温在28 a左右的时间尺度波动十分明显，正负位相交替出现，可明显观察到呈现偏多、偏少的波动变化；在整个时间尺度上出现了1986、2004年2个偏多中心，及1977、1995、2014年3个偏少中心；在25～31a的时间尺度上出现了准两次震荡。与湖南衡山地区类似[16]，年降水量在17～26 a的时间尺度上出现了三次震荡；1975—1991年在7～14a的时间尺度上出现了准两次震荡。

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

3 结论与讨论

(1)全球气候变化不一，近百年全球气温上升了0.6 ℃，我国平均气温上升了0.4～0.5 ℃；近50年来中国增温主要从20世纪80年代中期开始，此后一直明显上升[15]。长沙市1975—2015年气温整体呈上升趋势，41 a上升了1.3 ℃，上升倾向率为0.42 ℃·10 a-1，显著高于全国1951—2019年的增温速率0.24 ℃·10 a-1及华中地区1961—2019年的增温速率0.19 ℃·10 a-1[1],特别是2000年以来变暖明显，表现为显著性水平P<0.05的明显增温趋势。年最低气温增温明显，显著高于年最高气温的上升倾向率，与年均月平均气温持平，响应全国气候变暖趋势。夏季、冬季和全年的平均气温上升倾向率均高于全国平均水平，同样，远高于同为长江中下游区域的南京市[17]、宜昌市[11]，尤其是夏季上升倾向率远高于全国[17]，这跟长沙市高温天气的频发性和持续时间长相关，有研究表明长沙市多年平均高温日数>28 d[18]。然而，其年降水量变化趋势不明显，均未通过突变显著性检验，但年际变化差异大，波动大。年降水量自20世纪70年代末期至90年代，增长了309 mm，到了21世纪00年代下降了239.4 mm，再到21世纪10年代初又回升了63.2 mm，与湖南同期变化趋势略有不同[19]，但与全国、华中地区变化趋势保持一致[1]。总的来说，长沙市2001—2010年是年均气温最高、年降水量最少的10年，这一点与湖南省衡山市[16]、云南省昆明市[14]的气候变化研究结论保持一致。年平均气温、年降水量的周期性规律总体呈现出偏多和偏少交替变化的特征。年平均气温在整个时间尺度上出现了1986、2004年2个偏多中心和1977、1995、2014年3个偏少中心，而年降水量在17～26 a尺度上则出现了3次震荡。

(2)长沙市日照时数变化趋势与降水量变化规律一样，从20世纪70年代到90年代初，呈现缓慢上升的趋势，到90年代又出现了下降，2001—2015年一直处于波动上升趋势，与湖南省同期日照时数变化保持一致[19]，但与全国1961—2019年呈显著减少的趋势不同[1]。年均月平均相对湿度、年均月平均风速、年均月平均大气压均表现为显著性水平P<0.01的明显下降趋势，平均线性下降率分别为2%·10 a-1、0.12 m·s-1·10 a-1、0.53 Pa·10 a-1。从长沙市干湿两季来看，冬季平均气温、降水量上升倾向率明显高于夏季；冬季平均相对湿度、平均大气压下降倾向率明显高于夏季；冬季平均风速下降倾向率低于冬季，说明长沙市1975—2015年气候变暖主要表现为冬季最低气温的升高、冬季降水量的增加以及冬季日照时数、相对湿度、大气压的明显下降。

(3) 总体来说，长沙市1975—2015年气候演变特征表现为气温升高，降水量略微下降，日照时数略微上升，月相对湿度、月平均风速、月大气压明显下降的暖干化趋势。唐国利[15]、何云玲[14]等学者研究认为中国近50年地表气温记录不同程度受城市化或土地利用的变化。随着城市化进程的加快，由此引发的城市热岛效应对于气候变化的影响主要体现在最低气温的升高[20]，上述分析的长沙市地表气温的特点也符合这一规律。有分析表明[15，21]，全国台站城镇站资料多数可能存在城市热岛效应增强的影响，有些城市如北京、湖北区域城市化进程对记录的年平均气温影响达到增幅的20%～70%[21]。长沙气象站位于长沙市城镇区域，1975—2015年期间，年均气温每10年上升0.42 ℃，高于气象站位于高山海拔区域的湖南衡山同期的0.38 ℃[16]，间接说明长沙气象站记录的年平均气温多多少少受到了城市热岛效应的影响，至于影响多大，有待后期进一步研究确定。