太湖流域近60年气温多时间尺度波动幅度的长期变化特征

何昶，邓建明，李雪纯，王毛兰

(1.南昌大学 资源与环境学院;鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室，南昌 330031；2.中国科学院 南京地理与湖泊研究所，南京 210008；3.南京水利科学研究院 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029)

随着人们对全球变暖的认识增加，已有学者针对气温的长期变化趋势进行了研究.根据联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第六次评估报告(AR6)，在低排放情境下，全球表面升温幅度在2021-2040年将达到1.5 ℃，2081-2100年升温幅度将达到1.4 ℃[1].有研究指出，1983-2012年可能是北半球最近1 400年来气温最高的30年[2].我国的气温变化与全球气温变化趋势具有一致性，近54年来我国平均气温上升了约0.8 ℃[3].长江流域90年代增温幅度较80年代高，增温幅度在0.3～0.6 ℃之间[4].

上述关于气候变暖的研究主要针对平均气温长期趋势变化开展，然而气温往往是波动变化的，如气温的日变化在不同尺度上的波动.一项对全球的陆地气温数据的研究表明，气温日变化在所有的季节以及大部分地区均存在波动[5].我国北方地区的平均日最高气温和平均日最低气温也表现出明显的日变化[6].东北地区1959-2002年间气温日变化也存在明显的波动[7].但是目前关于不同时间尺度下气温短期波动变化趋势研究较少.相比于气温的平稳变化，短期的气温波动对不同生态系统都会产生显著的影响[8].例如,有研究表明，在温度波动条件下，绿桃蚜虫的生长更快、繁殖力更大[9].温度波动对软壳海龟(Apalonemutica)的孵化也可能产生影响，导致其潜伏期和游泳速度与恒温的孵化结果差异很大.通过对温度波动对单蜂(Osmiabicornis)发育的研究表明，在温度波动条件下单蜂的发育会加快[10].ZHAO等[11]发现夜间升温使得英国谷物蚜虫存活率从75%降低至37%，可能是由于夜间升温影响了种群动态而导致了一些物种的减少.CROZIER[12]发现一种名为Atalopedescampestris的蝴蝶的范围扩大受到日最低气温的限制，进一步证实了气温日变化对生态系统可能会产生一定的影响.

然而如何定量表征气温短期的波动，目前尚无统一的方法.彭凯等[13]以隔日温差为例，分析了1957-2015年我国春季短期温度波动频率与波动幅度的时空分布与长期变化趋势，结果表明1990年以后我国大部分地区(约70%)春季短期温度波动呈上升趋势.但是，通过隔日温差来判断温度短期波动存在一定的局限性，因为温度产生波动不仅仅出现在相邻的两天，所以该方法可能会低估不同时间尺度的波动状况.近年来，均方根(root-mean-square，RMS)方法[14-15]在水文以及气象上已经得到了广泛应用.因此本文尝试使用RMS方法来衡量太湖流域气温的短期波动幅度，并分析不同时间尺度下气温短期波动幅度的长期变化规律.

太湖流域地处长江三角洲，是我国举足轻重的经济核心区和城市密集区,在地理上和经济上都具有重要的意义，生态系统较为脆弱，受人类活动和气候变化的影响强烈[16].近年来关于太湖流域气温变化的研究主要集中在年代际尺度气候趋势分析[17]，目前还没有重点针对气温波动规律的长期变化趋势开展研究.因此本文通过对近60年太湖流域10个气象站点的逐日最高气温(Maximum Temperature,MaxT)、平均气温(Mean Temperature,MeanT)和最低气温(Minimum Temperature,MinT)，使用RMS方法评估气温的波动幅度及长期变化趋势，以期为研究太湖流域气温变化与对生态的影响提供背景资料.

1 资料与方法

1.1 数据介绍

本文所使用气象数据来自中国气象数据网(http://data.cma.cn/)经过数据质量审核的地面气象站点整理资料.选取了太湖流域内丹徒站、常州站、溧阳站、无锡站、昆山站、东山站、平湖站、湖州站、临安站和宝山站共10个气象站点1958-2018年MaxT，MeanT和MinT，其中丹徒站的记录年份从1980年开始.

1.2 气温波动的计算

为了衡量不同时间尺度的温度波动情况，本文使用RMS方法在年尺度、季节尺度和月尺度来衡量太湖流域气温的波动幅度.在季节尺度讨论波动情况中，根据太湖流域气候特征，将3至5月划分为春季、6至8月为夏季、9至11月为秋季、12月至次年2月为冬季[18].为避免气温年内自然变动的影响，首先将原始气温数据进行距平计算，得到逐日气温距平值后进行下一步分析.使用Mann-Kendall趋势检验[19]的方法来分析不同时间尺度上气温波动的长期变化特征.

本文的数据分析和作图使用R-4.0.5软件[20]，包括以下R语言包：数据处理使用data.table包,cmdcr包，绘图使用tidyverse包,空间分布使用automap包的克里金插值分析.

2 结果与分析

2.1 年尺度气温波动

太湖流域1958-2018年各站点MaxT，MeanT和MinT波动趋势图如图1所示.太湖流域各个站点的MaxT整体波动幅度最大，年内平均波动为3.7 ℃；其次是MinT，平均波动幅度为3.0 ℃；MeanT波动幅度最小，平均波动幅度为2.9 ℃.1958-1990年MaxT波动幅度趋势平稳，年内平均波动幅度为3.7 ℃.而MeanT和MinT波动幅度呈减小趋势，年内平均波动幅度分别为2.7 ℃，2.9 ℃.但在1990-2018年间，MaxT，MeanT和MinT的回归系数均呈正值(相关系数r2分别为0.013，0.178和0.232)，说明太湖流域1990-2018年气温年内波动幅度趋势呈增加趋势，年内MeanT和MinT波动幅度增加趋势更明显，年内平均波动幅度分别为MaxT：3.7 ℃，MeanT：2.9 ℃，MinT:3.2 ℃.

2.2 季节尺度气温波动

太湖流域1958-2018年各季节气温波动趋势如图2所示.在季节尺度上，春季气温波动幅度最高，其次是冬季和秋季，夏季气温波动幅度最小.春季、夏季和冬季MaxT波动幅度明显高于MeanT和MinT的波动幅度，秋季三种气温波动幅度基本一致，说明太湖流域春季和冬季气温波动幅度较大，并且MaxT的波动幅度最大.

1958-1990年，春季和冬季波动幅度呈下降趋势、夏季呈上升趋势；1990-2018年春季(r2=0.212)和冬季(r2=0.128)气温波动幅度呈显著上升趋势(p<0.05)，夏季和秋季波动幅度增加趋势不明显(p>0.05).

2.3 月尺度气温波动

太湖流域1958-2018年各月份气温波动幅度如图3所示.根据多年平均值来看，1月至8月气温波动幅度呈现逐月降低的趋势，9月至次年2月气温波动幅度逐月上升.MaxT波动幅度在2月和3月最大，MinT波动幅度在11月和12月最大，MeanT波动幅度在12月至次年2月最大.月份的波动幅度与季节的波动幅度相对应，9月至12月气温波动幅度相近，而其他月份最高气温波动幅度较高，波动范围在2.7～4.6 ℃.

Mann-Kendall趋势检验的结果表明：太湖流域1958-1990年MaxT,MeanT波动幅度在6月和7月呈显著增加趋势(p<0.05)，MeanT和MinT波动幅度在1月和3月呈显著降低趋势(p<0.05).此外，MeanT和MinT大部分月份波动幅度呈下降趋势.1990-2018年间除6月、11月和12月以外，各月份的气温波动幅度基本呈上升趋势，尤其是在1月和4月(p<0.05).

2.4 气温波动的空间分布

太湖流域1958-1990年及1990-2018年MaxT,MeanT和MinT波动变化空间分布如图4所示.1958-1990年间，流域内气温波动幅度整体呈下降趋势，MinT波动幅度下降趋势最明显，由东向西波动幅度下降趋势增大；1990-2018年间，流域内气温波动幅度整体呈增长趋势，MaxT波动幅度的增长趋势大于MinT波动幅度的趋势，从南至北气温波动幅度增长趋势变大.

3 讨 论

本文通过搜集太湖流域10个气象站点的逐日观测资料，以1990年为分界分析了过去60年间气温(日最高、日平均和日最低气温)在年、季、月3个不同时间尺度下波动幅度长期变化趋势.结果表明：1990-2018年间太湖流域不同时间尺度下的气温波动幅度均呈现明显的上升趋势，其中春季日最高气温波动幅度的上升趋势最明显.太湖流域春季温度波动幅度上升与人们的认知和日常生活经验相符合同时，我们使用RMS方法计算得到的结论与彭凯等[13]使用隔日温差得到的结论类似.研究表明：1990年前后，全国气温增长趋势出现显著突变[21].具体表现为，春、夏两季气温增长趋势由快变缓，而冬季气温增长趋势则由慢变快，秋季气温增长趋势在不同地区出现不同的变化[22].

引起气候变化的原因可以概括为自然的气候波动和人类活动影响两大类型.前者是气候系统内部以及气候系统与其他外界强迫相互作用的结果，后者是人类活动作用于气候系统的结果.在气候系统内部各因子相互作用的过程中，最直接的影响是大气与海洋环流的变化或脉动，大气和海洋是造成区域尺度气候要素自然变化的主要原因[23-24].很多研究指出：海洋热力状况的异常变化与我国气候有着密切的关系[25-26].GUEMAS等[27]指出海洋吸收热量对气温波动上升的速率有所影响.由于海洋表层水温升高，向大气释放大量的感热和潜热能量，使得大气环流产生异常，最终会导致气温产生变化.日最高气温在各气温中波动幅度最大，与近年来关于日气温变化的研究一致.史军等[28]的研究表明，近年来在上海城市化的影响下，最高气温日间升温幅度增加.黄宏涛等[29]的研究也表明日最高气温受城市化的影响最大.说明日最高气温波动幅度增加有可能与城市化有关.

太湖流域地处长江三角洲，是我国举足轻重的经济核心区和城市密集区，流域内城市化的不断发展，势必会对该区域内气候变化产生影响[17].气温的短期波动会对生物产生许多影响，在水域生态系统中同样如此.比如短期温度波动过大会抑制海藻生长[30]，也可能会通过影响微囊藻固着多糖的积累而影响其生长优势的维持等[31].因此太湖流域气温的短期波动幅度的长期变化也可能会对湖泊生态系统造成影响.但目前关于气候变化对生态系统影响的研究中，尚无温度短期波动规律长期变化对湖泊生态系统影响的报道，同时也不清楚短期温度波动对太湖蓝藻水华优势建立是否有贡献以及贡献大小如何.因此，在后续关于气候变化对生态系统影响的研究中，除考虑平均气温升高因素外，还应考虑气温短期波动长期变化趋势的影响.

4 结 论

(1)太湖流域地区近60年来气温短期波动幅度变化趋势可分为两个阶段：第一阶段为1958-1990年，气温短期波动幅度主要呈下降趋势；第二阶段为1990-2018年，气温短期波动幅度主要呈上升趋势.

(2)1958-1990年间流域内气温短期波动幅度在年、季、月等不同时间尺度上不完全一致.年尺度上气温波动幅度以下降为主；季尺度上春季和冬季波动幅度下降，但夏季波动幅度呈上升趋势.1990-2018年间气温波动幅度在不同时间尺度上均呈现上升趋势.

(3)不同时间尺度上MaxT波动幅度均大于MeanT和MinT波动幅度，1990-2018年间MaxT增长趋势大于MinT波动幅度的增加趋势，大于MeanT波动幅度的增加趋势.

(4)1958-1990年间流域内气温波动幅度整体呈下降趋势，由东向西波动幅度下降趋势增大；1990-2018年间，流域内气温波动幅度整体呈增长趋势，从南至北呈波动幅度增长趋势变大.

附 录

附图见电子版(DOI:10.16366/j.cnki.1000-2367.2022.06.017).