2019, Vol. 38 
2. 中国气象局广州热带海洋气象研究所广东省区域数值天气预报重点实验室, 广州 510641
2. Institute of Tropical and Marine Meteorology/Guangdong Provincial Key Laboratory of Regional Numerical Weather Prediction, CMA, Guangzhou 510641
IPCC第五次评估报告(AR5)第一工作组报告(秦大河等, 2014)进一步确认人类活动影响是造成20世纪中叶以来气候变暧的主要原因(概率大于95%), 采用CMIP5模式和RCP情景对未来气候变化的预估结果表明, 温室气体浓度增加将加剧变暧, AR5明确指出全球采取应对气候变化的紧迫性。第二工作组(WGII)报告(张存杰等, 2014)指出气候变化对人类健康、人类安全、生计与贫困的影响日益凸显, 而这三方面是人类福祉的重要内容。气候变化对全球和区域经济发展有重大的影响, 因此一直是气候工作者关注的焦点之一。
粤港澳大湾区(以下简称大湾区)包括香港特别行政区、澳门特别行政区和广东省珠三角九市:广州市、深圳市、珠海市、佛山市、惠州市、东莞市、中山市、江门市、肇庆市, 总面积5.6×103 km2, 总人口约7 000万, 是我国开放程度最高、经济活力最强的区域之一。分析大湾区的气候变化特征, 有助于认识和了解大湾区的气候变化规律与探讨气候变化的原因, 是科学应对气候变化的基础。
对华南、广东、香港、澳门、深圳、佛山等的气候变化特征, 气象学者进行了很多有意义的研究。胡文志等(2009)分析指出香港气温上升是由温室效应增强所导致的全球变暖及香港高密度城市发展的共同影响。张润润(2017)分析了1947-2006年香港降水量变化趋势后指出, 香港地区降水变化趋势不显著。谢菲等(2017)指出香港地区1968-2014年低能见度时数总体呈上升趋势。冯瑞权等(2009)分析了澳门地面气温变化, 指出澳门近107 a (1901-2007年)的升温率为0.066℃·(10 a)-1, 明显低于IPCC第四次评估报告给出的全球平均增温率(0.074℃·(10 a)-1), 仅是其近邻香港(0.12℃·(10 a)-1)的一半左右。冯瑞权等(2010)分析指出澳门的年平均气温和年降雨量的变化普遍存在2~ 5 a的周期显著振荡。梁嘉静等(2007)利用3种统计预报模型对澳门的降水量及温度的变化进行分析及预测, 指出气候场的主分量逐步回归法效果最好。陈新光(2006)分析指出1955-2004年广东省陆面气温增暖率为0.16℃·(10 a)-1, 低于全国和全球陆面增暖率。张恩洁(2007)等分析了深圳1953-2004年候变化特征后指出1980年后城市化的快速发展对深圳气候变化有重要影响。司鹏等(2010)分析城市化对深圳气温变化的贡献后指出城市化的快速发展是导致深圳城市气候增暖的重要因子之一。丁丽佳等(2011)分析广东1960-2009年逐年平均气温的变化后指出广东各地气温变化存在差异, 珠江三角洲及东南部沿海是广东升温最明显区域, 增温速率为(0.25~0.40)℃·(10 a)-1。朱铁才等(2011)分析指出珠三角地区在1970-2008年冬半年降水量变化分布具有很高的同步性, 并具有明显的6~7 a周期变化特征。罗云等(2014)对1981- 2010年佛山地区气温、降水量和灾害性天气进行分析, 指出佛山年平均气温和高温日数呈上升趋势, 降雨日数有减少趋势, 而2007年之后, 灰霾日数逐年缓慢减少。黄宏涛等(2016)分析了城市化对珠三角气温和日较差的可能影响, 指出城市化对广州、佛山、惠州年平均气温和平均最低气温的影响为正值, 对日较差的影响为负值, 日较差的减小是由城市化造成。王志春等(2017)分析了珠三角城市集群化发展对热岛强度的影响后指出, 珠三角城市集群化发展指标增长率在2000年后比2000年前增长了5~9倍。
可见由于研究区域不同、资料长度不同, 导致研究的结果存在差异, 但研究结论基本存在共识:即城市化的快速发展是导致香港、深圳、广州等城市气候变暖的一个重要原因。那么包括香港、澳门和珠三角九个地市组成的粤港澳大湾区的降水量、气温、日照有何总体特征?大湾区26个气象观测站的气候变化特征是否一致?大湾区和广东、全国以及亚洲相比, 气象要素变化速率如何?目前这些问题还不能回答。因此, 有必要把大湾区作为一个整体, 针对长序列的气温、降水量和日照时数的气候变化特征进行研究, 旨在为深入了解大湾区气候变化规律和成因提供一定的科学依据。
1 资料与方法 1.1 资料及处理考虑观测站的资料时间系列长度和完整性, 分析资料采用1961-2018年香港天文台本站(简称香港), 澳门地球物理暨气象局主站(简称澳门)以及珠三角9个地市的24个国家气象观测站的年平均气温、降水量、日照时数资料。香港天文台本站资料来自香港天文台网站(http://www.weather.gov.hk/cis/climat_c.htm), 澳门资料来自澳门地球物理暨气象局网站(http://www.smg.gov.mo/smg/introduction/centenary2/index.htm)。珠三角24个国家气象观测站资料来自广东省气候中心整理的资料。
1961-2018年大湾区26个观测站的年降水量、气温、日照时数资料中有4个观测站存在缺测数据, 分别是:珠海(缺1961年)、斗门(缺1961-1966年)、惠东(缺1961-1966年)、东莞(缺1967-1969年)。采用参证站方法来推算观测站的缺测数据, 参证站的选择满足距离较近, 气候特征一致, 这里选的参证站观测年限都达到50 a以上。表 1为存在缺测数据的观测站针对年降水量、年平均气温和年日照时数系列选取的参证站情况。如对1962-2018年珠海站年降水量系列和珠海站周边几个距离较近、气候特征一致的气象站的长序列资料进行相关分析, 得到珠海站与澳门站的相关系数最高, 达0.89, 可以把澳门站作为参证站, 建立珠海站和参证站气象要素的回归方程, 利用统计关系式得到了珠海站1961年的降水量资料。同理得到其他观测站的缺测数据。
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表 1 参证站选取情况 Table 1 Selection of reference stations. |
任国玉等(2005)指出, 观测站的搬迁是引起温度资料非均一性的一个重要原因, 我国多数台站迁移次数在2次以上。大湾区26个观测站在1961-2018年除博罗、恩平、新会、台山、顺德未发生搬迁外, 其余站点搬迁1~3次, 大部分站点都是搬迁到相对城市中心更远的地方, 搬迁后平均气温存在不同程度降低的情况。采用Easterling et al.(1995)的气候资料均一性检验和订正方法, 对大湾区的年平均气温序列中的明显断点进行排查, 并根据排查结果进行了订正。订正前大湾区大湾区平均的升温速率为0.217℃·(10 a)-1, 订正后为0.224℃·(10 a)-1, 总体平均高0.007℃·(10 a)-1, 差异较小。但对单站订正前后存在变化大的情况, 如广州订正前后的平均气温升温速率分别是0.13℃·(10 a)-1和0.24℃·(10 a)-1, 订正后升温更加显著。可见单站对数据是否均一化处理差距明显, 但区域平均差异很小。
气候平均值(即常年值)取1981-2010年平均。
1.2 分析方法文中采用Morlet小波分析、Mann-Kendall突变分析、相关系数等方法分析大湾区气温、降水量和日照的时空变化特征, 方法具体见文献(魏凤英, 2007)。采用计算气候趋势系数等方法对大湾区气温、降水量和日照时数的变化进行研究, 方法详见施能等(1995, 1996)。
2 研究结果与分析 2.1 大湾区的区域特征冯瑞权等(2009)指出, 澳门气象观测站成立以来虽然经过3次搬迁, 但并没有对气温资料的均一性造成明显破坏。所以澳门气象观测站的气温资料能比较真实地反映出大湾区背景大气的年代际演变规律。广州、香港受城市化发展影响, 增温速率较澳门明显。
计算1961-2018年澳门年降水量、平均气温与日照时数系列与其余25个观测站的对应序列的相关系数, 得出年降水量系列的相关系数为0.42~0.84, 平均0.59;年平均气温系列的相关系数为0.70~0.87, 平均0.81;年日照时数系列的相关系数为0.58~0.93, 平均0.75。可见相关系数都通过了0.001的显著性水平检验, 相关非常显著, 所以可以把大湾区视为一个整体来分析。这与广东全省气温、降水量和日照时数的一致性变化是其最主要的特征(刘黎明, 1996)吻合。
2.2 大湾区气温变化特征 2.2.1 1961-2018年大湾区年平均气温变化图 1为1961-2018年大湾区年平均气温的逐年变化, 线性趋势说明大湾区平均气温近58 a来以0.22℃·(10 a)-1的速率增加, 通过0.001显著性水平检验, 增温趋势非常显著, 升温速率高于同期广东省平均气温升温速率0.18℃·(10 a)-1 (广东省气候中心, 2019)及华南地区升温速率0.17℃·(10 a)-1, 低于全国平均升温速率0.26℃·(10 a)-1和亚洲平均气温升温速率0.23℃·(10 a)-1 (中国气象局气候变化中心, 2019)。
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图 1 1961—2018年大湾区平均气温年变化 Fig. 1 Annual average temperature change in the Greater Bay Area from 1961 to 2018. |
近58 a来大湾区年平均气温存在明显的年际变化, 最高的前三年分别为2015年(23.3℃)、1998年(23.2℃)、2002年(23.1℃), 平均气温前10位高年份都是出现在1998年以来; 最低的年份为1984年(21.3℃)、1976年(21.4℃)、1969年(21.5℃), 平均气温最低的前10位均出现在1985年及以前。大湾区常年平均气温22.5℃, 比广东平均气温21.9℃偏高0.6℃。
2.2.2 1961-2018年香港、澳门、广州年平均气温变化1961-2018年, 香港、澳门、广州年平均气温呈上升趋势, 升温速率分别为0.15℃·(10 a)-1、0.11℃·(10 a)-1和0.24℃·(10 a)-1 (表 2), 可见升温速率广州最高, 其次是香港, 澳门最低, 但三个观测站的升温趋势均通过了0.001显著性水平检验, 升温都很显著。广州、香港受城市化发展影响, 增温速率较澳门明显(冯瑞权等, 2009)。三个观测站年平均气温的最高值均出现在2015年, 最低值香港、澳门出现在1976年, 广州出现在1969年。从图 2年平均气温的逐年变化可见, 香港年平均气温最高, 而澳门和广州的年平均气温变化存在差异。在1961-1995年澳门高于广州, 而1996- 2018年的23 a中, 有11 a广州高于澳门, 特别是2008年以来这种情况更加明显, 这与广州城市化的快速发展有关。
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表 2 1961—2018年香港、澳门、广州的年平均气温变化要素比较 Table 2 Feature comparison of annual average temperature change in Hong Kong, Macau and Guangzhou from 1961 to 2018. |
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图 2 1961—2018年香港、澳门、广州平均气温年变化 Fig. 2 Annual average temperature change in Hong Kong, Macau and Guangzhou from 1961 to 2018 |
前面分析得出近58 a来大湾区年平均气温总体呈显著增温的趋势, 下面具体分析大湾区26个气象观测站年平均气温的变化趋势系数分布(图 3), 可见, 大湾区26个站气温变化趋势系数为0.42~0.83, 均通过0.001显著性水平检验, 升温趋势非常显著。其中顺德、番禺、斗门、深圳、广州、南海, 趋势系数达到0.79以上, 是大湾区年平均气温上升最明显的地区, 最大出现在佛山的顺德(趋势系数0.83)。趋势系数最小的三个观测站为惠东(0.42)、澳门(0.43)、增城(0.48)。其余观测站趋势系数为0.52~0.77, 香港0.59。
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图 3 1961—2018年大湾区观测站气温变化趋势系数分布(色标中的0.259、0.336和0.421分别代表通过0.05、0.01和0.001显著性水平检验) Fig. 3 Distribution of temperature variation trend coefficient of observatory in the Greater Bay Area from 1961 to 2018(0.259, 0.336, and 0.421 represent significant tests by 0.05, 0.01, and 0.001 level confidence, respectively.) |
胡文志等(2009)研究指出香港气候受城市化影响显著, 增暖明显。冯瑞权等(2009)指出城市化快速发展引起的热岛效应对香港、珠三角国家基本站的气温观测记录有相当大的影响, 而澳门气象观测站特殊的地理环境, 其观测记录受城市化的影响程度比较小, 可见年平均气温的变化趋势系数澳门(0.43)仅为顺德(0.83)的一半。张恩洁等(2007)、司鹏等(2010)、吴婕等(2015)、王志春等(2017)研究指出在城市化影响下, 珠三角增暖明显。
2.3 大湾区降水量变化特征 2.3.1 1961-2018年大湾区平均年降水量变化图 4为1961-2018年大湾区平均年降水量的逐年变化。可见大湾区平均年降水量以30.5 mm·(10 a)-1的速率增加, 但没有通过0.05显著性水平检验, 增加趋势不显著。这与向辽元等(2007)分析指出1951- 2003年降水量变化趋势在长江中下游及其以南地区呈增加趋势相一致。大湾区平均年降水量存在明显的年际变化, 排名前三位的降水量高值年是2016年(2 489.8 mm)、2001年(2 456.8 mm)、2008年(2 443.5 mm), 均出现在2000年以来。降水量低值年前三位是: 1963年(1 157.8 mm)、1977年(1 366.8 mm)、1991年(1 408.5 mm), 均出现在1991年以前。说明极端降水量在2000年以来更加突出。
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图 4 1961—2018年大湾区平均年降水量变化 Fig. 4 Annual average precipitation change in the Greater Bay Area from 1961 to 2018. |
图 5为1961-2018年香港、澳门和广州年降水量逐年变化, 表 3为对应的要素变化统计。可见近58 a来香港、澳门、广州年降水量分别以59.9 mm·(10 a)-1、14.2 mm·(10 a)-1和83.1 mm·(10 a)-1的速率上升, 其中广州通过0.01显著性水平检验, 增加趋势明显, 而香港和澳门未通过0.05显著性水平检验, 增加趋势不明显。这与张润润等(2017)指出香港地区降水趋势不显著相一致。从图 5年降水量的逐年变化可见, 香港年降水量最多, 而澳门和广州的逐年降水量变化存在差异, 在1961年代前期和2010-2018年广州高于澳门, 其他年份主要是澳门多于广州。1961-2018年香港、澳门和广州的降水量的年际变化明显。从表 3可见, 年降水量最大值和最小值均出现在香港1997年(3 343.0 mm)和1963年(901.1 mm)。对1961-2018年的香港、澳门、广州的年降水量序列求相关系数, 香港和澳门为0.82, 香港和广州为0.51, 澳门与广州为0.42, 均通过了0.001显著性水平检验, 相关非常显著。说明近58 a来香港、澳门、广州年降水量变化很相似, 其中香港和澳门最相似。
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图 5 1961—2018年香港、澳门、广州年降水量变化 Fig. 5 Annual average precipitation change in Hong Kong, Macau and Guangzhou from 1961 to 2018. |
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表 3 1961—2018年香港、澳门、广州的年平均降水量变化要素比较 Table 3 Feature comparison of annual average precipitation change in Hong Kong, Macau and Guangzhou from 1961 to 2018. |
1981-2010年气候平均年降水量, 香港最多(2398.5mm), 澳门(2 059.5 mm)其次, 广州最少(1 801.3 mm)。
2.3.3 大湾区观测站降水变化趋势从大湾区26个气象观测站年降水量的变化趋势系数分布(图 6)可, 其中色标间隔为0.259、0.336和0.421, 分别对应通过0.05、0.01和0.001显著性水平检验, 可见变化趋势系数除澳门为-0.05, 为微弱的减少趋势外, 其余25个观测站的趋势系数介于0.01~ 0.36, 说明年降水量有增加趋势, 其中广州年降水量的趋势系数最大(0.36), 其次是南海、东莞、花都这3站, 趋势系数都在0.28~0.35, 这4个站通过0.05显著性水平检验, 增加趋势明显。而其余21个站增加趋势不显著。
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图 6 1961—2018年大湾区观测站降水量变化趋势系数分布 Fig. 6 The same as Fig. 3, but for precipitation. |
图 7为1961-2018年大湾区平均年日照时数的变化。可见, 1961-2018年, 大湾区平均年日照时数以60.1 h·(10 a)-1的速率减少, 趋势系数达0.58, 通过0.001显著性水平检验, 减少趋势非常显著。减少速率远高于同期广东省平均(39.1 h·(10 a)-1) (广东省气候中心, 2019)和中国平均(33.2 h·(10 a)-1) (中国气象局气候变化中心, 2019), 也高于1961-2008年的华南区域平均(40.9·(10 a)-1)(伍红雨等, 2011)。在1960-1990年代初大湾区平均年日照时数以偏多为主, 1990年代中期到2018年处于偏少的背景下, 呈波动下降的趋势。大湾区年日照时数和广东(伍红雨等, 2011)、全国(李慧群等, 2013)一样, 近58 a来呈显著减少的趋势。
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图 7 1961—2018年大湾区平均年日照时数变化 Fig. 7 Annual average sunshine hours change in the Greater Bay Area from 1961 to 2018. |
图 8同图 6, 但为近58 a的年日照时数变化趋势系数分布。由图可见, 观测站趋势系数介于-0.12~ -0.76, 说明年日照时数均为减少趋势。其中有21个观测站趋势系数介于-0.28~-0.76, 通过了0.05显著性水平检验, 年日照时数减少趋势明显; 其中番禺、博罗、惠阳、山水、澳门、广州、香港等15个观测站趋势系数-0.45~-0.76, 通过了0.001显著性水平检验, 减少趋势非常显著。只有中山、鹤山、新会、台山、东莞这5个观测站的趋势系数为-0.12~-0.24, 未通过0.05显著性水平检验, 减少趋势不明显。气溶胶的增加、温室效应、人类活动、城市化的发展等导致了年日照时数明显减少(李慧群等, 2013; 谢菲等, 2017)。
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图 8 1961—2018年大湾区观测站日照时数变化趋势系数分布 Fig. 8 The same as Fig. 3, but for sunshine hours. |
从1961-2009年大湾区主要气候要素的Morlet小波功率谱图(略), 得到大湾区年平均气温、降水量和日照时数在近58 a均具有2~5 a的显著周期, 年降水量还具有2~7 a显著周期。这一结论也被其他一些研究所发现, 如冯瑞权等(2010)分析指出澳门年平均气温和年降水量都具有2~5 a的显著周期。
3.2 突变分析对1961-2018年大湾区平均气温、降水量和日照时数进行Mann-Kendall突变分析(图 9)可见, 大湾区平均气温在1993年发生增加的突变(图 9a)。丁丽佳等(2011)指出广东年平均气温在20世纪80年代末-90年代普遍出现增温突变, 向辽元和陈星(2006)指出我国中南部地区年平均气温在20世纪90年代前期发生突变, 罗云等(2014)分析指出佛山年平均气温在1994年发生增温的突变。可见我国中南部地区气温变化具有同步性, 大多在1990年代前期发生增温的突变。而大湾区平均降水量的Mann-Kendall突变分析中UF和UB多次相交(图 9b), 说明大湾区近58 a降水量无突变发生。大湾区平均年日照时数在1970年代末发生减少的突变(图 9c), 这与华南平均年日照时数在1970年代后期有一个减少的突变时间一致(伍红雨等, 2011)。
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图 9 1961—2018年大湾区平均气温(a)、降水量(b)、日照时数(c)的Mann-Kendall突变检验(实线：UF，虚线：UB，水平线：M-K检验0.05显著水平) Fig. 9 Mann-Kendall test of annual mean for (a) temperature, (b) precipitation, and (c) sunshine hours in the Greater Bay Area from 1961 to 2018.(Straight solid line is UF, dashed line is UB, the level lines indicate the 0. 05 significance level critical of the M-K test). |
大湾区气温明显上升, 日照显著减少, 这与全球变化的趋势一致。气候变化是自然因素和人类活动共同作用的结果, 特别是20世纪后期, 人类活动是全球变暖的主因(丁一汇和王会军, 2016), 全球气候变暖与城市化发展、温室效应等密切相关(张家诚, 1999; 肖祥, 2000), 城市化发展是大湾区气候变暖的主因。
4 结论通过对大湾区年平均气温、降水量以及日照时数的气候变化特征进行分析, 得出以下结论:
(1) 1961-2018年大湾区观测站的气温、降水量和日照时数总体一致变化是其最主要的特征, 可将大湾区作为一个整体来研究。
(2) 1961-2018年大湾区年平均气温以0.22℃· (10 a)-1的速率显著上升, 高于同期广东省年平均气温升温速率0.18℃·(10 a)-1, 低于全国同期平均升温速率。1993年大湾区平均气温发生了增加的突变。从观测站变化趋势看, 顺德、番禺、斗门、深圳、广州、南海是大湾区年平均气温上升速率最明显的地区, 而惠东、澳门、增城升温速率最低。
(3) 1961-2018年大湾区平均年降水量呈微弱的增加趋势, 且年际变化明显。从观测站变化趋势看, 广州、南海、东莞、花都这4个站年降水量增加趋势明显, 其余观测站变化不明显。
(4) 1961-2018年, 香港、澳门、广州年平均气温呈上升趋势, 升温速率分别为0.15℃·(10 a)-1、0.11℃· (10 a)-1和0.24℃·(10 a)-1, 升温速率广州最高, 其次是香港, 澳门最低。广州年降水量增加明显, 而香港、澳门变化不明显。
(5) 1961-2018年, 大湾区平均年日照时数以60.1 h·(10 a)-1的速率显著减少, 减少速率远高于同期中国平均(33.2 h·(10 a)-1)和广东省平均(39.1 h·(10 a)-1)。大湾区平均年日照时数在1970年代末发生减少的突变。
(6) 大湾区平均气温呈显著升温趋势、日照时数显著减少趋势与全球变化的趋势一致。气候变化是自然因素和人类活动共同作用的结果, 城市化发展是大湾区气候变暖的主因。
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