无锡气温变化特征分析

无锡气温变化特征分析

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无锡市气温变化特征和城市化的影响分析

摘要利用无锡市1959-2003年的逐日平均气温和逐日最高、最低气温资料，采用线性拟合和谐波分析等方法分析了无锡气温和气温变化的基本特征。针对气温异常的冬季和夏季，给出了典型距平场。经过分析认为，形势场异常在一定程度上决定了气温演变。在分析气温变化原因时，着重比较了城市化和观测环境恶化对气温的影响。

关键词无锡市气温变化城市化影响

中图分类号P423.3+4 文献标识码 A

引言

IPCC2001完成出版的第三次评估报告中指出，根据地面气象仪器观测结果，1860年以来，全球平均温度升高了0.6±0.2 ℃，这种变暖是由自然的气候波动和人类活动共同引起的。我国增暖趋势与全球增暖大体一致[1-4]，但是具有明显的季节变化特征和不同的地域特征[5-6]。1

有不少文献研究了江苏冬夏气温特征。文献[7-8]经EOF分析发现,江苏省11个地级市的冬夏气温距平场第一主分量的方差贡献达91%和95%，说明江苏省冬夏气温异常有相当的同步性，但还不是完全一致。文献[9]分析了南京地区50 a冬夏的气温特征，指出南京盛夏高温减少，冷冬几率降低。这些文献对于了解江苏气温变化特征具有重要意义。但是，他们仅仅讨论了冬夏的演变情况，

对于气温年内的连续变化特别是春秋季节的变化没有分析。而且对于苏南地区的气温特征也没有专门研究。苏南地处南京和上海之间，经济发达。作为长三角地区的重要组成部分，苏南经济区的区域性气候特征值得关注。无锡市地处江苏南部的苏锡常经济区中部，北临长江下游，南靠太湖，无锡市的气温变化特征在一定程度上可以代表苏南区域特征。

IPCC2001的第三次评估报告中还指出，最近50 a的气候变化，很可能主要是人类活动造成的。有些文章[11-13]对我国城市化对气温的影响作了分析，赵宗慈[11]指出大城市增暖明显；冬季增暖，而夏季变冷。任福民[5]等指出，最低气温上升明显，特别是冬季的最低气温上升幅度最大。本文分析了无锡市气温增暖的特点，讨论了城市化和环境恶化对气温的影响。

1 资料和方法

本文使用的资料为1959-2003年无锡市及其所辖的江阴市和宜兴市共三个站逐日平均气温、日极端最高气温、日极端最低气温。500 hPa高度场为NCEP/NCAR提供的全球再分析2.5??2.5?逐月平均格点值，时间长度为1959－2003。

本文所谓的“平均”，是指将每个时间段（例如年）的逐日值（例如最高温度）累加后除以该时段的总天数得到的值。使用谐波分析检查无锡气温在整个时段上的主要周期。

2 气温的时间序列及变化特点

2.1 方差

为了了解年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温对于气候状况的

偏离程度，根据方差计算公式计算出无锡市1959 -2003年的年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温的方差，结果见表1。

表1 1959-2003年无锡市年平均气温和年平均最高、年最低气温及其方差Table 1 Annual mean temperature, high and low temperatures of WuXi and their

square differences

温度值/℃方差

年平均气温15.7 0.37

年平均最高20.1 0.32

年平均最低12.0 0.51

由表1可见：平均最高气温的方差最小，表明最高气温的变化最靠近平均值，无锡地区的最高气温在45 a中变化小；而平均最低气温的方差最大，表明最低气温的变化离开平均值较远，无锡地区的最低气温在45 a中变化大。2.2 气温变化的线性趋势

2.2.1 年平均气温变化趋势

图1给出了无锡市气温变化、线性拟合和谐波拟合图。

其中曲线（〇）为无锡市1959-2003年的年平均气温变化。可见，60年代中期以前和90年代以后，温度偏高。而60年代中期以后到80年代，气温偏低。研究时间内的气温呈现前后高、中间低的分布，与文献[10]中苏中和苏南区同期的气温分布特征一致。

直线（□）为线性拟合线。拟合直线T= -33.0+0.025 t，其中T为气温（单位：℃），t为年份（1959-2003年）。即无锡市45 a的年平均气温的线性上升

率为0.025 ℃/a，远远大于文献[10]的1951-1990年江苏中南部百年平均上升率0.006 ℃/a，与文献[11]全国大城市1951-1989年增暖趋势0.012 ℃/a相比，也比较明显。这是因为文献[10][11]研究的时间段是1990年前，和本文研究的时间段不一样。同时推测，90年代以后气温上升率可能比90年代前大得多。计算无锡1990-2003年线性上升率为0.066 ℃/a，是总时段内气温上升率的两倍多。可见，90年代以后气温增暖幅度比90年代前要大。

〇原始气温序列□线性拟合●谐波拟合

Fig.1 Temperature changing of WuXi in recent forty-five years, it’s linearity trend and it’s wave simulating

2.2.2 季节平均气温变化趋势

为了了解不同季节的气温变化趋势有什么不同，分析了春、夏、秋、冬四季气温变化及线性拟合趋势，发现冬季气温线性增幅最大，夏季增幅最小，冬季线性增长率为每年增加0.040 ℃，而夏季每年增加0.017 ℃。春季和秋季气温增长率介于冬夏之间，分别为每年增加0.031 ℃和0.024 ℃。可见，气候变暖最大的贡献者是冬季变暖。夏季同样表现为增暖的趋势。

值得注意的是，夏季增暖这个结论和文献[10]的结论不同，文献[10]的夏季平均气温是下降的趋势。结论不同的原因也是所取时间段不同。这实际上反映了90年代以来，不仅是平均气温和冬季气温明显上升，原先处于下降趋势的夏季气温，也呈现上升趋势。

2.2.3 日较差变化趋势

和年平均气温一样，45 a来，年平均最高气温和年平均最低气温的线性趋势也是上升的。从气温日较差可以反映出极端最高和极端最低的相对变化。气温日较差是指日极端最高和日极端最低气温的差值。结果显示，45 a来，气温日较差的线性趋势呈下降趋势，平均每年下降0.015 ℃。可见，最低气温的增温量大于最高气温。因为最低气温大多出现在夜间，最高气温大多出现在白天，也可以说，夜间的增温量大于白天。

2.3 无锡年平均气温序列谐波分析

做谐波分析是在时间域上分析整个气温序列中的最主要周期。用正弦波的叠加，拟合无锡45 a平均气温变化，其中波数为1，2，11，12，21（周期分别为45，22.5，4.1，3.8，2.1 a）五个波的方差贡献达到80.3%，见图1中谐

波拟合曲线（●）。但是这些周期都没有通过显著性检验。所以，无锡气温变化中非周期性趋势占主导地位，即气温变化中有很大部分是由线性增长趋势所决定。

2.4 冬夏气温异常时，相应的环流场特征

气温和气温的异常变化受天气系统的直接影响。气温异常的月份，大气环流场的表现应该不同于气温正常的月份。那么，气温异常时，大气环流场到底有什么特征呢？考虑到冬季和夏季影响苏南地区的天气系统不同，并且冬季和夏季气温异常对人们生活影响大，这里分别讨论无锡冬季（12月、1月和2月）和夏季（6月、7月和8月）气温异常情况下，大气环流场的特征。

45个冬季分为暖冬，冷冬和正常冬三种。其中暖冬按照高出常年冬季平均气温0.5 ℃确定，共有16 a；冷冬按照低于常年冬季平均气温0.5 ℃确定，共12 a；正常冬气温在常年冬季平均气温±0.5 ℃及以内，有17 a。同样方法确定炎夏，凉夏和正常夏。45 a中，炎夏11 a，凉夏15 a，正常夏19 a。对同时段的500 hPa环流形势进行合成分析，结果表明：

暖冬时，在南北半球极区高度场均比正常年份偏低。表明极区冷空气堆积不向南扩散。在北半球中高纬度，同样表现为三槽三脊形势，但是东亚大槽比原来的偏东、偏浅，北美大槽偏东，欧洲槽偏浅。从暖冬的距平形势场看（图2b），出现了三高三低的偏差中心，这三高三低区域正好位于正常场的槽后槽南和槽前槽北，从而使得正常场的槽东移、减弱。距平场偏差中心最大为20-30位势米，槽后偏差大于槽南的偏差，即槽的东移比减弱更明显。东亚大槽西南

部的位势偏高区域包括了我国所有地区。可见，在冬季，从全球环流形势看，低槽位置偏东、偏浅使得无锡地区气温偏暖；从东亚形势看，500 hPa高度场的位势高度值比正常年份高时，无锡地区气温偏暖。

考察冷冬500 hPa高度场的特征，与暖冬时的特征相反。极区位势高度偏高，中高纬度的三槽比正常年份偏西、偏深。冷冬距平场（图2a）中，三高三低的偏差区域位于正常场的槽前槽北和槽后槽南，从而使得正常场的低槽西移、加深。值得注意的是，与暖冬不同，冷冬时，东亚大槽的加深和偏西同样明显。暖冬和冷冬形势场上的相反特征正好说明了环流形势场对于暖冬和冷冬的决定性意义。

炎夏时，极区高度场普遍偏高。这与暖冬时极区高度场偏低不同。中高纬度表现为四高四低形势。太平洋中部槽比正常场偏浅。从偏差场(图2d)看，太平洋槽的槽前槽后均表现为偏高。

凉夏时，距平场(图2c)在极区表现为一高一低。偏低区域位于东半球，偏高区域位于西半球。太平洋槽前槽后均表现为偏低。这与炎夏时也相反。苏南地区位于太平洋北部偏低区域范围内。

从以上分析可见，暖冬和冷冬的形势场特征是，西风带大槽包括东亚大槽减弱、东移（暖冬）和加深、西移（冷冬）；炎夏和凉夏的形势场特征是，太平洋北部区域高度场偏高和偏低，也可以说，是太平洋副热带高压的北部偏强北伸和偏弱南退。

形势场对于冷暖冬夏具有决定性意义，也可以说，冷暖冬夏的主要决定性因素是大范围形势场。

图2 无锡市异常冬夏500 hpa距平场

(a)冷冬(b)暖冬(c)凉夏(d)炎夏

Fig. 2 The 500 hPa height-anomaly in WuXi

(a)cold winter (b)warm winter (c)cold summer (d)hot summer

为了了解形势场对气温的决定性意义有多大，本文进一步计算了冬季和夏季特征区域高度距平和冬夏气温距平的相关。

根据以上异常冬夏距平场的形势特征，冬季特征区域取(20 o～50 oN，60 o～150 oE)，夏季取(30 o～60 oN ,120 oE～150 oW)。计算结果表明，冬季相关系数为0.77，通过了显著性水平为0.01的t检验。而夏季相关系数0.27,关系较差。可以认为，形势场的异常至少部分决定了气温的异常演变。

3 无锡气温变化的原因分析