气候与环境研究  2018, Vol. 23 Issue (5): 513-523   PDF    
1951~2010年云贵高原大理和丽江气温、降水的气候特征分析
刘翔卿1 , 王雷2 , 刘阳2,3 , 孙绩华4     
1 云南省腾冲机场气象台, 云南腾冲 679100;
2 中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室, 北京 100029;
3 中国科学院研究生院, 北京 100049;
4 云南省气象科学研究所, 昆明 650034
摘要: 利用大理和丽江气象站1951~2010年的逐日气象资料,分析了横断山脉东部气温、降水的气候特征。结果表明,1991年以后,大理和丽江地区均存在显著增温的趋势(0.58和0.55℃/10 a),明显高于同时期中国平均气温的增加幅度;而在1991年之前,大理和丽江的年平均气温呈现下降或微弱上升的趋势(-0.14和0.07℃/10 a)。与夏季平均气温的增温幅度相比,冬季平均气温的增温更显著,且其变化趋势与年均气温的气候特征是一致的。大理和丽江年总降水及各季节降水量在1951~2010年并没有明显增加或减少的趋势。大理和丽江雨季开始的时间分别为第28候和第30候,持续时间分别约为5.5和4.5个月。20世纪80年代以后,丽江年平均风速的减小强度明显大于大理,这是因为丽江站地处城区,城市化剧烈,地表粗糙度增加显著。日照时数与云量呈反相的季节变化,降水量的多年平均的逐候变化与日照时数、总云量、尤其是低云云量相关,随风速增大而减小。
关键词: 气温      降水      大理      丽江      云贵高原     
Climatological Characteristics of Air Temperature and Precipitation at Dali and Lijiang in the Yunnan-Guizhou Plateau from 1951 to 2010
LIU Xiangqing1, WANG Lei2, LIU Yang2,3, SUN Jihua4     
1 Meteorological office of Tengchong Airport of Yunnan Province, Tengchong, Yunnan Province 679100;
2 State key laboratory of Atmospheric Boundary Layer Physics and Atmospheric Chemistry, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029;
3 University of Chinese Academy of Science, Beijing 100049;
4 Yunnan Research Institute of Meteorology, Kunming 650034
Abstract: Using daily meteorological observations collected at Dali and Lijiang stations from 1951 to 2010, we analyze the climatological characteristics in the eastern part of Hengduan Mountains. The results show that the annual mean surface air temperature obviously has been increasing after 1991 (0.58 and 0.55℃/10 a at Dali and Lijiang, respectively), and the increase is significantly larger than that for the entire China. However, the annual mean surface air temperature decreased at Dali and increased slightly at Lijiang (-0.14 and 0.07℃/10 a at Dali and Lijiang, respectively) before 1991. Compared with the range of mean temperature increase in the summer, the mean temperature increase in the winter is more significantly, and the trend of mean temperature change in the winter is consistent with that of annual mean temperature. There are no obvious changing trends of annual total precipitation and seasonal precipitation at Dali and Lijiang from 1951 to 2010. The rainy season for Dali and Lijiang starts from Pentad 28 and 30, respectively. The rainy season lasts for 5.5 and 4.5 months at Dali and Lijiang, respectively. Since the 1980s, the increase in annual mean wind speed at Lijiang is larger than that at Dali. This is because the Lijiang meteorological station is located at the urban area of Lijiang and the urbanization has led to large increase in the surface roughness. The seasonal variations of sunshine duration and cloud cover (including total cloud and low cloud) are opposite. The pentad-mean precipitation is correlated with sunshine duration and total cloud, especially low cloud, and decreases with increasing wind speed.
Keywords: Air temperature     Precipitation     Dali     Lijiang     Yunnan-Guizhou Plateau    

1 引言

横断山脉位于青藏高原东南缘,是四川、云南两省西部和西藏自治区东部的南北向山脉的总称。大理和丽江位于云南省西北部,横断山脉东侧和云贵高原的交接处,均属于高海拔地区。根据全球地表温度资料,1906~2005年的100年间,全球地表温度平均增加0.074 ℃/10 a,并且增温正在加剧,近50年的增温幅度几乎是近100年的两倍(0.13 ℃/10 a)(IPCC,2007)。过去20年间,中国平均气温的增加幅度(0.3 ℃/10 a)明显高于同时期全球增温的幅度(0.19 ℃/10 a)(Wang et al., 2004Hansen et al., 2006)。有研究表明,与平原地区相比,高海拔地区(高原、山地等)的气温升高更为显著(Fan et al., 2011),例如瑞士阿尔卑斯山(Beniston and Rebetez, 1996)和青藏高原(Liu et al., 2006)。Saito et al.(2009)指出,温度是高寒草甸生态系统净CO2交换的主要控制因子,气温升高可能对高寒草甸生态系统的碳收支造成很大的影响。事实上,在这样的增温背景下,高海拔地区的气候变暖已有明显的反应。例如,作为对气候变化响应最敏感的季风温冰川类型,丽江玉龙雪山的冰川变化具体表现为冰舌位置后退、冰川面积减小、雪线上升等特征(何元庆和章典,2004)。另一方面,东亚大气环流,包括季风环流的演变中,高原作用十分重要;青藏高原构成了长江流域季风水汽输送源地或转运站,影响着中国干旱、洪涝异常气候的季风水汽输送(徐祥德等,2002)。作为青藏高原东南缘的横断山脉,其西部是海拔较低的平原地区,受西南风影响多地形雨,在春季,会形成全年第一个降水峰值,当地称之为“桃花汛”(鲁亚斌等,2008),当地有的台站甚至观测到春季降水量超过了夏季降水量(比如贡山站)。该地区雨季从第10候左右开始,到第60候结束,持续时间长达8个月(肖潺等,2013)。而横断山脉东部,云南省中北部在春季存在一个季节性的干旱(Li et al., 2011)。横断山脉地区,降水的季节特征存在东西方向上显著的差异,但东部地区降水的季节演变特征并不完全明确。同样位于山脉东部,大理和丽江雨季的开始、持续时间以及降水的频率分布也有待进行量化的比较。

本文拟利用横断山脉东部大理和丽江站的逐日气象资料,分析大理、丽江1951~2010年气温、土壤温度、降水、风速、日照时数、云量的季节及年际变化特征,确定降水量和日照时数、云量、风速的关系以及其对水汽压、相对湿度的影响。

2 资料介绍

本文所用数据来自于大理观象台(25°42′N,100°10′E;海拔高度1982 m)和丽江市气象局气象观测站(26°52′N,100°13′E;海拔高度2400 m)1951~2010年逐日的气象资料。分析变量包括平均气温、最大气温、最小气温、地表土壤温度、降水量、平均风速、日照时数、总云量、低云量、平均水气压、平均相对湿度。其中,地表土壤温度的完整观测由1959年开始。

3 结果与讨论 3.1 气温与土壤温度

1951~1990年,大理年平均气温有逐年减少的趋势,平均降低0.14 ℃/10 a,而1991~2010年,大理增温趋势明显,平均增加0.58 ℃/10 a。大理夏季(6~9月)在1951~2010年逐年增加,但增温不明显,仅平均增加0.05 ℃/10 a;而冬季平均气温的变化趋势与年平均气温一致,而且其变化更为剧烈,尤其在1991年后,增加值为0.95 ℃/10 a(图 1)。

图 1 1951~2010年大理(a)年平均气温、(b)夏季平均气温和(c)冬季平均气温的变化趋势,图中k为温度变化率(单位:℃/a),R为拟合的相关系数 Fig. 1 (a) Annual mean temperature, (b) summertime mean temperature, and (c) wintertime mean temperature at Dali from 1951 to 2010, where k (℃/ a) is the increase rate of air temperature, and R is the correlation coefficient

丽江年平均气温在1951~2010年呈现增加的趋势,但与1951~1990年比,1991年后的增加幅度更大,为0.55 ℃/10 a。大理夏季平均气温的变化趋势在1951~2010年没有明显变化,均为缓慢增温。冬季平均气温与年平均气温的变化趋势一致。大理与丽江年平均气温的变化趋势有所差异,前者先减少后增加,后者始终逐年增加,但是二者在1991年后均增温剧烈,均在0.55 ℃/10 a以上(图 2),这一数值明显高于同时期中国平均升温幅度(Wang et al., 2004)。

图 2图 1,但为丽江情况 Fig. 2 Same as Fig. 1, but at Lijiang

大理各月平均气温、最高气温和最低气温的变化趋势如图 3所示。除了1月和6月有所增加之外,其余各月在1951~1990年间均呈下降趋势,其中4月的降温最为剧烈。1991年后,各月的平均气温、最高和最低气温均有所下降,其中12月至4月的增温趋势更为显著,且最低气温的增温幅度高于最高气温的,而5~9月则正好相反。

图 3 (a)1951~1990年和(b)1991~2010年大理月平均气温(TEM)、月最高温度(Tmax)和月最低温度(Tmin)逐月的历史变化趋势 Fig. 3 Trends of monthly mean air temperature (TEM), monthly maximum air temperature (Tmax), and monthly minimum air temperature (Tmin) at Dali during (a) 1951-1990 and (b) 1991-2010

丽江各月的平均气温、最高和最低气温在1951~1990年间增加或减少的趋势较小,这与同期年平均气温增温幅度很小是一致的。1991年以后,月平均气温的增加可达到1 ℃以上,冬季的增温幅度显著高于夏季的。另外,最低气温的增加较少,主要以最高气温的增加为主,这种和大理的差异,可能与丽江的气温较低有关(图 4)。

图 4图 3,但为丽江情况 Fig. 4 Same as Fig. 3, but at Lijiang

图 5图 6显示的是大理和丽江月最高、最低气温和月平均日较差的变化。大理月最高气温和最低气温的变化趋势与年平均气温相同,都是先下降,后以更大的幅度升温。丽江月最高气温的变化趋势与年平均气温相同,1951~1991年的增温幅度与1991年后的有明显差异,而月最低气温则没有,在60年间均以相对较小的幅度升温。另外,大理和丽江月平均日较差没有明显的变化趋势。

图 5 1951~2010年大理(a)月平均最高气温、(b)月平均最低气温和(c)月平均的气温日较差(DTR)的逐月变化 Fig. 5 (a) Monthly maximum air temperature, (b) monthly minimum air temperature, and (c) diurnal temperature range (DTR) at Dali from 1951 to 2010

图 6图 5,但为丽江情况 Fig. 6 Same as Fig. 5, but at Lijiang

大理和丽江年地表土壤温度的变化趋势与年平均气温的变化是一致的,1991年后大理、丽江土壤温度与年平均气温的增温幅度相近(图 127)。大理和丽江气温和土壤温度多年平均的逐候变化如图 8所示。两个站均为全年土壤温度高于气温。气温和土壤温度的差异在夏季较大,冬季较小,其中大理站冬季气温和土壤温度的差异很小。

图 7 1959~2010年(a)大理和(b)丽江年平均土壤温度(Ts,0 cm)的变化 Fig. 7 Annual mean soil temperature (Ts, 0 cm) at (a) Dali and (b) Lijiang from 1959 to 2010

图 8 1951~2010年(a)大理和(b)丽江气温(Ta)和土壤温度(Ts)平均的逐候季节变化 Fig. 8 Seasonal variations of pentadic mean air temperature (Ta) and soil temperature (Ts) from 1951 to 2010 at (a) Dali and (b) Lijiang
3.2 降水量

大理和丽江的多年平均年降水量(1951~2010年)分别为1066.1 mm和964.8 mm。两个站的年降水量在1951~2010年并无明显增加或减小的趋势(图 9)。通常,将降水大于多年平均降水量的时段定义为雨季(肖潺等,2013)。大理和丽江地区分别在第28侯和第30候进入雨季,即5月中旬和5月底。这说明横断山脉东部春季存在季节性的干旱(Li et al., 2011)。两地雨季分别在第61和57候结束。大理和丽江的雨季分别持续约5.5月和4.5月。大理有两个降水峰值时期,进入雨季后迅速增加,在第33候即6月中旬达到第一个峰值,之后降水量减少,直至第45候迎来第二个降水峰值时期。丽江全年只有一个降水峰值,出现在第42候左右,即7月底。与横断山脉西部地区相比,地处横断山脉东部地区的大理、丽江降水量的季节分布明显不同,雨季开始的时间较晚,持续时间更短(肖潺等,2013)。

图 9 1951~2010年(a)大理和(b)丽江年总降水量(PPT)的变化 Fig. 9 Changes in annual total precipitation (PPT) at (a) Daliand (b) Lijiang from 1951 to 2010

大理和丽江全年有接近40%的天数出现降水,在5~10月,大理的这一比例达到了50%以上,而丽江则达到了接近60%。另外,丽江日降水量超过30 mm的天数的比例少于大理的,这说明与大理相比,丽江的降水分布更为均匀。

3.3 风速、日照时数和云量

大理和丽江年平均风速在20世纪80年代以后均存在明显减小的趋势,减小速率分别为0.16 m s-1 (10 a) -1和0.46 m s-1 (10 a) -1图 13)。丽江站年平均风速减小的更多,原因是丽江站地处城区,当地旅游热带来的城市化建设造成丽江城区面积急剧扩大,城市冠层的地表粗糙度增大,而大理站为农田和少量建筑物所围绕,其周围环境改变相对较小。大理和丽江站的日照时数在雨季较少,最低在20~25 h (5 d) -1,干季日照时数,最高在40 h (5 d) -1左右。与此对应,总云量和低云量在雨季较大,干季较少。大致上,丽江的日照时数、总云量和低云量均大于大理的(图 14)。

图 13 1951~2010年(a)大理和(b)丽江年平均风速在的逐年变化 Fig. 13 Annual mean wind speeds from 1951 to 2010 at (a) Dali and (b) Lijiang, where slope is the increase rate of wind speed (m s-1 a-1), and R is the correlation coefficient

图 14 1951~2010年大理和丽江(a)日照时数、(b)总云量和(c)低云量平均的逐候季节变化 Fig. 14 Seasonal variations of pentadic (a) sunshine duration, (b) total cloud, and (c) low cloud averaged from 1951 to 2010 at Dali and Lijiang
3.4 降水量的控制因子

基于多年平均的逐候数据,降水量随着日照时数的增加而减少,随着云量的增加而增加,并且主要受到低云量的控制(图 15a15b15c)。降水量随着风速的增加而减少(15d),这与横断山脉西部迎风坡的降水随着西南风的增强而迎来降水峰值时期正好相反(肖潺等,2013),这说明横断山脉西部的降水受到地形的作用较少。另外,水汽压和相对湿度均随着降水量的增加而增加(图 16)。

图 15 1951~2010年平均的逐候降水量和(a)日照时数、(b)总云量、(c)低云量和(d)风速的关系。R2为物理量之间的决定系数 Fig. 15 Relationship between pentadic precipitation and (a) sunshine duration, (b) total cloud, (c) low cloud, and (d) wind speed averaged from 1951 to 2010. R2 is the determination coefficient between variables

图 16 1951~2010年平均的逐候(a)水汽压、(b)相对湿度和降水量的关系。R2为物理量之间的决定系数 Fig. 16 Relationship of pentadic (a) vapor pressure and (b) relative humidity with precipitation averaged from 1951 to 2010. R2 is the determination coefficient between variables
4 结论

1951~2010年,以1990年为界,大理的年均气温呈现先下降后升高的趋势(-0.14和0.58 ℃/10 a),丽江在1990年以后有加速增温的趋势(0.07和0.55 ℃/10 a)。年均气温的气候变化特征与冬季平均气温的变化趋势是一致的,且冬季的增温强度更强,而夏季的增温强度较小。1991~2010年月尺度上,丽江Tmax的升温强度明显高于Tmin升温强度;而大理并无此差异。大理丽江年及各季节降水量没有明显增加或减少的趋势。大理雨季为5月16日至10月27日,丽江雨季为5月26日至10月7日,大理雨季比丽江的约长30 d。20世纪80年代以后,丽江年平均风速的减小强度明显大于大理,这与丽江站地处城区,城市化剧烈,而大理站周围是农田有关。日照时数与云量呈反相的季节变化,降水量的多年平均的逐候变化与日照时数、总云量、尤其是低云云量相关,随风速增大而减小。

图 10 1951~2010年(a)大理和(b)丽江降水量平均的逐候季节变化,图中虚线位置是多年平均降水量 Fig. 10 Seasonal variations of pentadic total precipitation from 1951 to 2010 at (a) Dali and (b) Lijiang. The dashed line represents multi-year mean precipitation

图 11 1951~2010年大理(a、b)全年日降水量和(c、d)5~10月日降水量的频率分布:(a、c)日降水以10 mm为一格点;(b、d)日降水以2 mm为一格点 Fig. 11 Frequency distribution of daily precipitation (a, b) for the whole year and (c, d) from May to October at Dali from 1951 to 2010: (a, c) With a precipitation bins of 10 mm; (b, d) with a precipitation bins of 2 mm

图 12图 11,但为丽江 Fig. 12 Same as Fig. 11, but at Lijiang
参考文献
[] Beniston M, Rebetez M. 1996. Regional behavior of minimum temperatures in Switzerland for the period 1979-1993[J]. Theor. Appl. Climatol., 53: 231–243. DOI:10.1007/BF00871739
[] Fan Z X, Bräuning A, Thomas A, et al. 2011. Spatial and temporal temperature trends on the Yunnan Plateau (Southwest China) during 1961-2004[J]. International Journal of Climatology, 31: 2078–2090. DOI:10.1002/joc.2214
[] Hansen J, Sato M, Ruedy R, et al. 2006. Global temperature change[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 103(39): 14288–14293. DOI:10.1073/pnas.0606291103
[] 何元庆, 章典. 2004. 气候变暖是玉龙雪山冰川退缩的主要原因[J]. 冰川冻土, 26: 230–231. He Yuanqing, Zhang Dian. 2004. Climatic warming is the major reason for glacier retreat on Mt. Yulong, China[J]. Journal of Glaciology and Geocryology (in Chinese), 26: 230–231. DOI:10.3969/j.issn.1000-0240.2004.02.020
[] IPCC. 2007. Summary for policymakers[C]//Solomon S, Qin D, Manning M, et al. Climate Change 2007: The Physical Science Basis, Contribution of Working Group Ⅰ to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge, New York: Cambridge University Press, 1-18.
[] Li J, Yu R C, Yuan W H, et al. 2011. Early spring dry spell in the southeastern margin of the Tibetan plateau[J]. J. Meteor. Soc. Japan, 89(1): 1–13. DOI:10.2151/jmsj.2011-101
[] Liu X D, Yin Z Y, Shao X M, et al. 2006. Temporal trends and variability of daily maximum and minimum, extreme temperature events, and growing season length over the eastern and central Tibetan Plateau during 1961-2003[J]. J. Geophys. Res., 111: D19109. DOI:10.1029/2005JD006915
[] 鲁亚斌, 解明恩, 范菠, 等. 2008. 春季高原东南角多雨中心的气候特征及水汽输送分析[J]. 高原气象, 27(6): 1189–1194. Lu Yabin, Xie Ming'en, Fan Bo, et al. 2008. Analyses on climatic features and water vapour transportation of rainy center in southeast corner of Qinghai-Tibetan Plateau in Spring[J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 27(6): 1189–1194.
[] Saito M, Kato T, Tang Y H. 2009. Temperature controls ecosystem CO2 exchange of an alpine meadow on the northeastern Tibetan Plateau[J]. Global Change Biology, 15: 221–228. DOI:10.1111/j.1365-2486.2008.01713.x
[] Wang S W, Zhu J H, Cai J N. 2004. Interdecadal variability of temperature and precipitation in China since 1880[J]. Advances in Atmospheric Sciences, 21(3): 307–313. DOI:10.1007/BF02915560
[] 肖潺, 宇如聪, 原韦华, 等. 2013. 横断山脉中西部降水的季节演变特征[J]. 气象学报, 71(4): 643–651. Xiao Chan, Yu Rucong, Yuan Weihua, et al. 2013. Characteristics of the seasonal evolution of precipitation over the central western part of the Hengduan Mountain[J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 71(4): 643–651. DOI:10.11676/qxxb2013.054
[] 徐祥德, 陶诗言, 王继志, 等. 2002. 青藏高原-季风水汽输送"大三角扇型"影响域特征与中国区域旱涝异常的关系[J]. 气象学报, 60: 257–267. Xu Xiangde, Tao Shiyan, Wang Jizhi, et al. 2002. The relationship between water vapor transport features of Tibetan Plateau-Monsoon "Large Triangle" affecting region and drought-flood abnormality of China[J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 60: 257–267. DOI:10.3321/j.issn:0577-6619.2002.03.001