1970—2019年河南省气温变化特征及其对ENSO事件的响应

孙钰蘅,张辰光,刘翼泽,邢 伟,杨 飒,刘明华*

(1. 中国城市规划设计研究院 城乡治理所, 北京100044;2. 信阳师范大学 地理科学学院/信阳市气候与环境演变重点实验室, 河南 信阳 464000;3. 三明学院 国家公园研究中心, 福建 三明 365004)

0 引言

IPCC第五次评估报告指出全球变暖已成为当前人类社会面临的重要挑战之一[1]。河南省地处亚热带向暖温带过渡的东亚季风区,横跨南北过渡带,是典型的受全球气候变暖影响最为敏感的地区之一[2]。同时,作为我国人口、农业大省和重要的商品粮生产基地,极端气候事件的发生往往给河南省农业生产和社会经济发展带来重大影响。其中,厄尔尼诺-南方涛动(El Nio-Southern Oscillation,ENSO)作为发生在横跨赤道附近太平洋的一种准周期气候事件,对中国不同区域的气候都有较显著的影响,进而引起区域地理环境的变化[3-8]。虽然已有学者对河南省气候变化开展了研究,但相关研究多集中在极端气温、降水等的空间分布特征和时间演化上[9-10],并未深入探讨ENSO事件对气候变化的影响。而据统计,仅1970—2000年间河南省出现极端高温、暴雨将近300次[11]。基于此,本研究选用河南省19个气象站点的1970—2019年逐日的气温实测资料,通过统计分析方法,从年度、季度对河南省近50年的气温时空变化特征进行分析,并对ENSO事件强度等级与气候的变化关系进行探究,以期为相关部门提供河南省极端天气预警信息,为河南省农业生产、生态环境建设、促进社会经济健康发展提供参考。

1 研究区概况

河南省位于中国中东部(114°19′E—122°43′E,34°22′N—38°23′N),境内有黄河、淮河等河流经过;西部山地多、地势高,东部为平原地区(图1)。

图1 河南省气象站选点分布示意图Fig. 1 Distribution diagram of selected meteorological stations in Henan province

河南省受东亚季风影响,全省气候四季分明,雨热同期,降水集中,多年年平均气温约为12～16 ℃;多年年平均降水量为450～600 mm,且自东南向西北递减,地区分布差异和年际变化大。

2 数据来源与研究方法

2.1 数据来源及处理

所用数据由国家气象科学数据共享服务平台提供(http://data.cma.cn),包括1970—2019年河南省19个站点逐日最高气温、最低气温和平均气温等数据(图1),各站点气象数据均经过严格的质量控制(极值、时间一致性和均一化检验等),对个别缺失数据采用相邻站点线性回归方法进行插补,保证经过处理修正后的气象数据具有很好的连续性。然后运用R编辑器、RClimdex软件对数据进一步质量控制,包括:数据记录日期是否与现实一致、错误值及异常值的筛选等,以保证分析结果的准确性和可信度。

2.2 研究方法

3 结果与分析

3.1 1970—2019年ENSO事件特征分析

对1970—2019年SST值求距平并进行标准化处理之后,得到SSTA值作为研究指标,并依据SSTA值将El Nio事件与La Nina事件分别表示为强、中、弱3个等级,其中El Nio事件的强度等级用数字3、2、1表示,而La Nina事件的强度等级用-3、-2、-1表示[14-15]。ENSO事件强度分级结果见表1。

表1 1970—2019年间ENSO事件发生时间表Tab. 1 Intensity and grade of ENSO events from 1970 to 2019

基于表1绘制了1970—2019年间的ENSO事件强度等级的变化趋势图(图2)。结果显示,近50年来发生的ENSO事件波动较大。进一步对ENSO强度进行3年滑动拟合(图2),可以看出ENSO强度变化呈波动趋势,冷暖事件发生频次大致相当。

图2 1970—2019年ENSO事件强度等级及其滑动趋势线拟合Fig. 2 ENSO events grade and its sliding trend line fitting from 1970 to 2019

20世纪70年代中期,La Nina事件发生较多且强度大,以La Nina事件为主;而20世纪80—90年代中期,ENSO等级变化幅度较大,但主要以El Nio事件为主;而2000年以后暖事件发生频次明显增多。此外,统计发现在1970—2019年间El Nio事件发生强度大于La Nina事件,强度较大的El Nio年份共出现了9个;而La Nina出现强度较大的年份有7个,这主要是由于近百年来全球气候显著变暖的影响[3,6]。

此外,统计SSTA值和SOI值的随时间变化的曲线发现(图3),过去50年以来当SSTA值为正即El Nio事件发生时,从图中可以看对应年份的SOI值为负;当SSTA值为负即La Nina事件发生时,对应该年份的SOI值为正。El Nio与La Nina强度等级的值对应的ENSO事件的强弱与SOI值相对应,即当ENSO事件强度等级的绝对值较大时,SOI的绝对值也比较大。对1970—2019年Nio 3.4区的SSTA值和SOI值进行相关性分析,其相关系数为-0.657(p=0.01),呈负相关关系,这表明本文利用Nio 3.4区的SSTA值来表征ENSO事件是可行的。

图3 Nio 3.4区SSTA和SOI随时间变化过程线图Fig. 3 Changes of SSTA and SOI with time in Nio 3.4 district

3.2 河南省气温变化特征

根据“中国气象数据网”所提供的1970—2020年河南省19个气象站点气温监测资料,绘制了河南省1970—2019年间年平均气温和季节平均气温的变化曲线(图4和5)。1970—2019年河南省年均温呈现增加趋势,配对样本t检验结果为p<0.01,说明其增加趋势显著。1970—2019年河南省年均气温在13.61～15.86 ℃之间,年平均气温在波动中呈明显上升趋势,增温速率约为0.24 ℃/10a,明显高于全球年平均气温增温速率(0.12 ℃/10a)[1],但与全国年平均气温增温速率基本持平(0.23 ℃/10a),其中在1994年左右气温开始显著上升,最高年平均气温为15.86 ℃(2019年)。

图4 1970—2019年河南省年平均气温变化趋势Fig. 4 Changes trend of annual mean temperatures in Henan province from 1970 to 2019

此外,通过分析1970—2019年河南省季节气温变化发现,河南省四季平均气温均呈上升趋势;其中春季气温增温速率最大,冬季气温增温速率最小(图5)。通过5年滑动平均曲线可以看出,河南省春季气温在波动中逐渐上升,增温趋势较为明显,对全省年均温上升贡献度最显著;而冬季气温波动较大,但其增温趋势并不明显。秋季气温波动较小,但增温趋势明显;而夏季气温波动剧烈,但增温趋势最小(图5),这与人类活动造成的温室气体排放量的增加息息相关[8-9]。总体而言,河南省年均和季节气温都呈现增加趋势,春冬季节的增温幅度大于夏秋季,其中春季增温趋势最为显著,是河南省气候变暖的主要体现。

图5 1970—2019年河南省季节性气温变化Fig. 5 Changes trend of seasonal mean temperatures in Henan province from 1970 to 2019

3.3 河南省气温变化与ENSO事件关系分析

为研究ENSO事件对河南省气温的影响,依据1970—2019年间ENSO事件强度等级定量表(表2),统计在El Nio事件与La Nina事件发生时期河南省四季和全年的气温正距平的总数,通过气温正距平的年数占气温总量的比率来分析ENSO事件对河南省气温变化的影响。从表2中可以看出,在El Nio事件时期,河南省春、秋、冬三季和全年气温均偏高,夏季显著降低;在La Nina事件时期,河南省夏、秋、冬三季和全年气温稍偏高,春季气温略有降低。

表2 ENSO事件时期河南省气温的季节性变化比率Tab. 2 Ratio of the seasonal variation of temperature in Henan province during ENSO events

由ENSO事件强度等级与河南省1970—2019年间年均温的关系可知:在过去的50年间河南省的平均气温变化较大,且整体呈现出显著上升的趋势(图6)。通过分析得出气温与ENSO等级之间的相关系数为-0.02,可以说明1970—2019年河南省的年平均气温与ENSO事件的强度等级存在一定的相关关系。由图6可以发现,河南省年均温与ENSO等级在20世纪70—90年代基本呈负相关关系,自2000年到现在呈正相关关系,这主要是由于近20年来人类活动的影响加剧了全球气候变化的进程,导致区域气温显著增加[3]。

图6 1970—2019年ENSO事件等级与河南省年平均气温的关系图Fig. 6 Relationship between ENSO event grade and annual mean temperature in Henan province from 1960 to 2016

此外,以ENSO事件发生的年份作为时间序列,利用同期月气温、滞后1～3个月的气温和1970—2019年每月的SSTA值进行相关性分析(表3)。结果表明,无论是在El Nio事件还是La Nina事件发生的年份,同期的气温与SSTA都在0.01水平上显著相关,但不同的是在El Nio事件年,气温与同期的SSTA值呈正相关关系,而在La Nina事件年,气温与同期SSTA值呈负相关关系。在El Nio事件发生年份,SSTA与滞后一个月时,河南省的气温在0.05水平上显著相关;在滞后2个月时呈负相关但不显著;在滞后3个月时呈正相关但不显著。在La Nina事件发生的年份,SSTA与河南省的气温在滞后1个月和2个月时呈不显著的负相关关系;在滞后3个月时呈不显著的正相关关系。从同期以及滞后期的结果来看,在El Nio事件发生的年份,气温与SSTA值呈正相关关系,在同期及滞后1个月时对气温的影响显著,表明El Nio事件使气温上升;在La Nina事件发生的年份,气温与SSTA值呈负相关关系,在同时期对气温的影响显著,表明La Nina事件造成气温下降。

表3 1970—2019年ENSO发生年份中河南省年均温与SSTA的相关性Tab. 3 Correlation between mean annual temperature and SSTA in Henan province during ENSO events from 1970 to 2019

4 结论

利用1970—2019年河南省气温数据与SSTA、SOI的关系来分析ENSO事件对过去50年以来河南省气温变化的影响。结果表明:

(1)1970—2019年,河南省气温呈现显著增加的趋势,气温增幅约0.24 ℃/10a,与全国年均温增温速率基本持平。其中冬春季节气温增幅大于夏秋季,且冬季气温增幅最大。

(2)1970—2019年发生的ENSO事件发生次数较多且强度波动较大,且EI Nio事件发生强度要大于La Nina事件,这种现象发生的主要原因是全球气候变暖造成的。在El Nio事件发生的年份,夏季气温降低得较为明显,在La Nina事件年,春季气温略有降低;且SSTA数据与SOI值在0.01水平上呈显著负相关关系。

(3)1970—2019年,河南省的年均温有明显增加的趋势,利用SSTA值与同期、滞后1～3个月的气温进行相关性分析发现,气温的改变与ENSO事件的强度呈现比较明显的相关关系,且存在一定的滞后性。在El Nio事件发生的年份,河南省气温变化与SSTA值呈正相关关系,即El Nio事件引起气温上升;在La Nina事件发生的年份,河南省气温变化与SSTA值呈负相关关系,即La Nina事件导致气温降低。