1961—2018年黄冈气温日较差变化特征及其影响因子分析

郭 黎，严凯琳

（1.浠水县气象局，湖北 浠水 438200；2.黄冈市气象局，湖北 黄冈 438000）

近百年来，全球正在经历一次明显的气候变暖，IPCC 在第五次的评估报告中指出，过去的100年，全球地表平均温度大约升高了0.85 ℃［1］。众多研究表明，全球平均气温、最高气温、最低气温均表现为上升趋势，而最低气温的上升幅度更为显著［2-5］，而中国气温变化趋势与全球大致相似。这种气温的非对称性变化已受到广泛关注，由于最高气温和最低气温增幅的不对称性，使得气温日较差（Diurnal tem⁃perature range，DTR）表现出明显的减小趋势。气温日较差是表征气候变化的一项重要指标，与最高、最低气温都密不可分，因此，在气候变化研究中分析DTR比单独分析平均气温能够获得更多信息［6-9］。DTR能够体现全球和区域性的温度变幅特征，对生态学研究有非常重要的意义，同时DTR的变化对人类生存环境的改变、气候异常的影响、农作物的生长发育及可持续发展研究都具有特殊的研究价值［10-14］。

目前中国开展气温日较差的研究已有很多。陈铁喜等［15］研究表明，近50年来中国年平均气温日较差整体表现为下降趋势，不同地区及同一地区的DTR季节变化特征也不相同。华丽娟等［16］分析了中国不同区域的气温月较差、季较差和年较差的变化趋势，表示北方气温月较差的降幅比南方更为明显，夏季季较差的下降趋势表现显著，又以内蒙古到西南一带以及华北地区最显著，东部年较差下降趋势比西部显著。王凯等［17］分析了华中区域的气温日较差特征，指出平均气温日较差在夏、冬季下降趋势较为明显，其中以冬季降幅最大。曹言等［18］对云南省气温日较差变化及影响因子进行了讨论，发现云南省年平均、春季、夏季和冬季DTR均表现为减少趋势，秋季DTR表现为上升趋势；同时发现云南省年平均DTR与平均气温、日照时数、潜在蒸散量、平均风速呈正相关，与降雨量和相对湿度呈负相关。刘强吉等［19］分析了新疆额尔齐斯河流域气温日较差的变化，表明额尔齐斯河流域各地年、年代DTR整体上表现为减小趋势；年均最高、最低气温都为升高趋势，但最低气温的增幅快于最高气温是导致额尔齐斯河流域DTR减小的直接原因。周宇等［20］研究了上海气温日较差的变化，发现上海年、四季气温日较差均表现为显著下降趋势；同时还发现城市化发展和人类活动对气温日较差变化有明显影响。

本研究主要对黄冈市气温日较差进行探究，了解其变化趋势及可能影响因子，为深入探讨黄冈市的气候变化规律提供参考，为促进做好本地化气象服务工作提供科学指导。

1 资料与方法

选用黄冈市国家气象观测站1961—2018年逐日平均气温、最高气温、最低气温资料，计算气温日较差并主要分析其年际、季节性的变化趋势特征。同时选用1961—2018年黄冈站日照时数、总云量、降水量、相对湿度、水汽压等资料，采取相关系数方法分析气温日较差与气象因子间的关系，探讨引起黄冈市气温日较差变化的影响因子情况。季节上采用北半球常规划分方式，即春季为3—5月、夏季为6—8月、秋季为9—11月、冬季为12月至来年2月。

定义气温日较差为日最高气温与最低气温之差，表示为DTR=Tmax-Tmin，年平均气温日较差表示为年平均最高气温减去年平均最低气温，季平均气温日较差同理求得。采用线性倾向估计法计算气温日较差的变化趋势，采用滑动t检验法与小波分析法分别计算气温日较差的突变特征及周期特征。

2 结果与分析

2.1 黄冈市气温日较差变化趋势

2.1.1年变化特征及趋势 1961—2018年黄冈市年平均气温日较差的年变化如图1a 所示。近58年黄冈市年平均气温日较差整体上呈显著下降趋势（通过α=0.01的显著性检验），气候倾向率为-0.127 ℃/10年，1980—1991年下降较为明显，1964、1980、2012年波动最大，而2013年之后日较差出现上升趋势。近58年的年平均气温日较差为7.6 ℃，气温日较差的最大值为8.8 ℃，出现在1961、1963年，气温日较差的最小值为6.7 ℃，出现在2012年。

图1 1961—2018年黄冈市年平均气温日较差年际变化（a）和年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温年际变化（b）

由图1b可知，近58年黄冈市年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温均呈显著增加趋势（均通过α=0.01 的显著性检验），气候倾向率分别为0.201、0.154、0.281 ℃/10年。其中，年平均最低气温的增幅显著快于最高气温，这种气温增幅的不对称变化，使得年平均气温日较差表现为显著下降的趋势。

2.1.2年代际变化特征 黄冈市年及四季平均气温日较差与年平均最高气温、年平均最低气温的年代际变化特征见表1。由表1 可以看出，20 世纪60—80年代年平均气温日较差持续下降，20 世纪80年代至21 世纪00年代气温日较差变化不大，2011年后气温日较差略有回升。四季平均气温日较差的年代际变化显示，春季气温日较差在20 世纪60—70年代呈下降趋势，20 世纪70—90年代变化不明显，2000年后春季气温日较差明显回升；夏季气温日较差自20 世纪60年代开始持续下降，2011年后略有回升；秋季气温日较差在20 世纪60—80年代呈下降趋势，且在20 世纪80年代下降幅度最大，20 世纪90年代气温日较差略有回升，之后呈缓慢下降趋势；冬季气温日较差在20 世纪60—80年代呈下降趋势，20 世纪80年代至21 世纪10年代呈波动状态。可以看出，20 世纪60—80年代四季平均气温日较差均呈下降趋势，造成年平均气温日较差下降；20 世纪90年代后夏、秋、冬季气温日较差均处于波动状态，但春季气温日较差的明显上升是影响年平均气温日较差上升的主要原因。

表1 黄冈市年及四季平均气温日较差与年平均最高气温、年平均最低气温的年代际变化特征 （单位：℃）

从年平均日较差与年平均最高、最低气温日较差的年代际变化可以看出，年平均最高气温在20 世纪60—80年代呈下降趋势，20 世纪90年代后明显上升；年平均最低气温自20 世纪60年代起一直处于上升趋势，二者在2010年后相对维持稳定。20 世纪60—80年代，由于年平均最高气温下降，最低气温上升，使得年平均日较差出现下降的年代际特征，20 世纪90年代后，由于最高、最低气温均上升，年平均日较差处于稳定、回升状态。

2.1.3 季节变化特征及趋势 黄冈市1961—2018年四季平均气温日较差的年际变化趋势如图2 所示。结果（图2）表明，春季平均气温日较差为7.8 ℃，最大日较差为9.6 ℃，出现在2011年，最小日较差为6.3 ℃，出现在1973年，春季气温日较差的变化率为0.067 ℃/10年，呈缓慢增长的趋势，且主要在21 世纪00年代后有较明显增长；夏季平均气温日较差为7.6 ℃，最大日较差为10.5 ℃，出现在1961年，最小日较差为6.0 ℃，出现在1980年，夏季气温日较差变化率为-0.240 ℃/10年；秋季平均气温日较差为8.0 ℃，最大日较差为10.0 ℃，出现在1979年，最小日较差为6.6 ℃，出现在1981年，秋季气温日较差变化率为-0.159 ℃/10年；冬季平均气温日较差为7.0 ℃，最大日较差为10.0 ℃，出现在1962年，最小日较差为4.8 ℃，出现在2018年，冬季气温日较差变化率为-0.196 ℃/10年。

图2 1961—2018年黄冈市四季平均气温日较差年际变化

黄冈市四季最高气温、最低气温和气温日较差变化趋势的显著性分析如表2 所示。从表2 可以看出，季平均最高气温除夏季略降低外，其余三季均呈增加趋势，仅有春季平均最高气温通过了α=0.01 的显著性检验；各季节平均最低气温都呈显著增加趋势，增加幅度表现为春季>冬季>秋季>夏季。黄冈市四季平均气温日较差除了春季呈缓慢增长趋势外，夏、秋、冬季均呈显著减小趋势，下降趋势表现为夏季>冬季>秋季。春季平均最低气温增幅最大，同时最高气温增幅也大，导致季平均气温日较差呈增长趋势；夏季平均最高气温下降，平均最低气温上升，因此日较差显著减少；秋、冬季两季最低气温增幅比平均最高气温增幅要大，平均气温日较差也显著减少。各季节平均最低气温的显著升高与平均气温日较差的减少密切相关，这是导致黄冈市平均气温日较差显著下降的主要原因。

表2 黄冈市四季平均气温日较差与平均最高、最低气温的变化趋势 （单位：℃/10年）

2.2 黄冈市年平均气温日较差的突变特征

利用滑动t检验对近58年黄冈市年平均气温日较差进行突变检验。此处n=58，分别取两子序列长度n1=n2=5 和n1=n2=10，给定α=0.05，查表可得显著性水平分别为2.306 和2.101。结果如图3 所示，在0.05 的显著性水平下，当子序列步长为5 时，年平均气温日较差在1969、1978年左右出现了超过临界值的点；当调整子序列步长为10 时，年平均气温日较差在1978年左右出现了超过临界值的点，因此，在1978年左右有突变发生。1961—1978年年平均气温日较差的变化率为-0.449 ℃/10年，1978—2018年为0.033 ℃/10年，表明在1961—2018年，1978年前后年平均气温日较差先显著减少后缓慢增加，整体上仍表现为减少趋势。

图3 黄冈市年平均气温日较差滑动t检验

同样利用滑动t检验法对各季节平均气温日较差的突变规律分别进行分析，选择子序列步长为10，结果如图4 所示。春季在1998、2003年左右有突变发生（图4a）；夏季在1979年左右有突变发生（图4b）；秋季在1980年左右有突变发生（图4c）；冬季在1982年左右有突变发生（图4d）。结果表明，除春季外，其余三季出现突变点的时间比较相近，同时在突变点发生前后，各季节平均气温日较差都表现为先下降后上升的趋势，与年平均气温日较差的变化趋势一致，且整体上除了春季表现为增加外，其余三季都表现为减少的趋势。

图4 黄冈市季平均气温日较差滑动t检验

2.3 黄冈市年平均气温日较差的周期变化

对黄冈市近58年的年平均气温日较差进行Morlet 小波分析，如图5 所示。由图5 可以看出，1961—2018年黄冈市年平均气温日较差的小波系数呈波动变化，周期特征明显，大体上有13年低频振荡和3～7年高频振荡。其中，13年低频振荡周期在58年时间尺度变化中为最大峰值，周期振荡最强，表现为第一主周期，对应有4 个高值区和3 个低值区，其中，高值区分别为1961—1966年、1967—1980年、1988—1992年、2003—2007年；低值区分别为1967—1975年、1981—1987年、1993—2001年。

图5 黄冈市年平均气温日较差周期变化特征

2.4 黄冈市平均气温日较差的影响因子分析

分析黄冈市平均气温日较差的变化特征可以看出，近58年黄冈市平均气温日较差表现为显著下降趋势。温度的变化直接影响气温日较差的改变，而最高、最低气温增幅的不对称是导致气温日较差下降的根本原因，但导致气温日较差改变的间接原因则比较复杂。为了进一步研究气温日较差和气象因子之间的联系，统计分析了1961—2018年黄冈站年平均气温日较差与5 个气象要素（降水量、日照时数、总云量、平均水汽压和平均相对湿度）之间的相关系数，结果如表3 所示。

表3 黄冈市年平均气温日较差与同期气象要素的相关系数

黄冈市年平均气温日较差与年降水量呈显著负相关，除冬季外，与其余季节也均呈显著负相关；平均气温日较差与日照时数除冬季外，与其余季节和全年均呈显著正相关；年平均气温日较差与总云量呈显著负相关，同时，与春季、秋季也呈显著负相关；平均气温日较差在全年和秋季与平均水汽压呈显著负相关，在全年、春季、秋季与平均相对湿度呈显著负相关。

各气象要素通过影响最高、最低气温，进而影响年平均气温日较差发生变化。通常降水天气白天最高气温会降低，而降水云系发展使得最低气温偏高，则日较差偏小，所以降水量增多，日较差减小。日照时数增加，即白天接收到太阳照射的时间长，会让最高气温快速上升，气温日较差相应增大。而云量的增加使得白天接收到的太阳辐射减少，导致最高气温无法升高，而夜间则相反，云量增加形成“保温层”，使最低气温升高，从而气温日较差减小。水汽压与相对湿度增大，易产生降水天气，对气温的作用与云相似，让白天的最高气温降低，而在夜间让最低气温升高，使得气温日较差减小。

3 小结

通过分析黄冈市平均气温、最高气温、最低气温以及气温日较差的变化特征以及影响气温日较差变化的相关气象因子，得出以下主要结论。

1）1961—2018年，黄冈市年平均气温日较差整体上表现为显著下降趋势，气候倾向率为-0.127 ℃/10年，1980—1991年下降较为明显。黄冈市年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温都呈显著增加趋势，但年平均最低气温的增幅明显高于年平均最高气温，气温增幅的非对称变化，导致了黄冈市年平均气温日较差显著下降。

2）黄冈市四季平均气温日较差中，除春季呈缓慢增长趋势外，夏、秋、冬季均呈显著减小趋势，下降趋势表现为夏季>冬季>秋季。四季平均气温日较差的减少与最低气温的明显升高有密切联系，这是导致黄冈市平均气温日较差显著下降的主要原因。

3）黄冈市年平均气温日较差在1978年左右出现了一次突变，并在突变点前后表现为先减少后增加的变化趋势。各季节平均气温日较差均有突变出现，但出现突变的时间不同，在突变点前后，除春季外，夏、秋、冬季平均气温日较差均表现为先减少后增加的趋势；近58年黄冈市年平均气温日较差有13年左右的低频振荡周期和3～7年的高频振荡周期。

4）黄冈市年平均气温日较差与日照时数表现为显著正相关，与降水量、总云量、平均水汽压和平均相对湿度均表现为显著负相关，各气象要素通过影响最高、最低气温进而使气温日较差发生变化。