张金峰,张丽娟,李文亮,郑 红

(1.哈尔滨师范大学地理科学学院,黑龙江哈尔滨 150025;2.黑龙江省气候中心,黑龙江哈尔滨 150080)

哈尔滨市高空气候变暖变化分析＊

张金峰1,张丽娟1,李文亮1,郑 红2

(1.哈尔滨师范大学地理科学学院,黑龙江哈尔滨 150025;2.黑龙江省气候中心,黑龙江哈尔滨 150080)

依据哈尔滨市1970-2005年的探空资料,采用线性模拟、相关和回归等分析方法,对哈尔滨市35年来地面及高空气候的变化进行分析和预测。研究结果认为:①哈尔滨市对流层中下层、平流层下层气候变化明显,对流层中下层气候变暖变湿,且对流层下层经向风速变小,年平均风速也变小,其中值得关注的是温度升高可延伸到400 hPa,比湿增加也从地面延伸到400 hPa;②建立了二氧化碳与水汽之间的关系方程,二氧化碳增加,水汽含量也随之增加,二氧化碳每增加一个单位,水汽就增加0.011 g/kg;③各层次温度与比湿存在线性关系,水汽对各层次温度所起到的增加作用,随高度的增加增温效果越明显。

高空气候;变暖趋势;哈尔滨

伴随着对气候变暖研究的深入,对高空气候的研究也越来越受到关注,尤其是对高空温度变化的研究,国内外已出现了一些研究成果。由于使用不同的资料,其空间样本和时间样本的差别,对高空温度变化趋势分析结论不尽相同。Melissa等[1]用LKS探空资料发现地面到300 hPa变暖,以上变冷,而用HadRT资料发现高空温度都在变冷。Oorl等[2]利用全球1958-1989年800多个探空站资料,发现平流层温度呈下降趋势。国内这方面的研究很少,米季德等[3]用北京单站1961-1994年自地面至高空20 hPa的温度资料,发现对流层下层温度显著上升,对流层上层及平流层呈下降趋势。而王绍武等[4]根据等压面之间的厚度建立了1958-1993年中国上空对流层下半部及平流层的温度序列,发现温度均呈下降趋势。薛德强等[5]利用中国28个高空探空站1961-2000年间地面至高空10 hPa的温度资料进行了统计分析,结果表明年平均变化趋势自地面至700 hPa层,绝大部分地区温度上升,尤其是地面增温最为显著,而西南地区有降温趋势;对流层上层、平流层的温度在降低,尤其是50 hPa降温最为明显。此外马瑞平、陈芳、郭艳君等也对高空温度变化进行了研究[6-8]。

本研究利用哈尔滨市1970-2005年的高空探测资料,对哈尔滨市高空气候多要素变化进行了分析,探讨了温度与二氧化碳和水汽的关系。

1 材料与方法

1.1 资料来源

采用哈尔滨市探空站1971-2005年两时次(07时、19时)全球交换的月平均探测记录,选取资料较全的10个层次,分别是地面、850hPa、700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa、200 hPa、100 hPa、50 hPa和30 hPa,包括气温、风速、气压、比湿、经向风速和纬向风速。资料由黑龙江省气象台提供。

1.2 分析方法

月平均要素计算方法,采用两时次(07时、19时)气象要素的月平均资料再平均后,作为月平均要素。采用线性拟合方法、相关和回归方法,分析各层及各季气象要素变化趋势及关系。

2 结果与分析

2.1 哈尔滨市高空气象要素年均值变化趋势

2.1.1 各层年平均气温变化趋势

对哈尔滨市地面到高空年平均气温的线性变化趋势分析认为,不同层次上平均气温的变化趋势不同(图1、图2为对流层和平流层的代表层次)。从地面到300 hPa年平均气温呈上升趋势,从200 hPa开始,气温呈下降趋势。以0.05概率水平(R2=0.130 3)检验,地面到400 hPa、100～50 hPa年平均气温上升达到显著水平。即对流层中下层和平流层下层升温明显。地面气温线性趋势系数为0.764℃/10a。与全国已有研究相比,哈尔滨市地面增温趋势是最明显的,线性趋势最大。500～400 hPa哈尔滨增温显著,而我国的西北、华东是微弱增温,其它地区是微弱降温[5]。说明我国高纬度地区对流层中下层增温明显。

图1 地面年平均温度变化

图2 100 hPa年平均温度变化

2.1.2 各层年平均风速变化趋势

哈尔滨市地面年平均风速呈下降趋势(图3),且达到极显著水平,地面风速的线性趋势系数为-0.538 m/(s·10a)。850～20 hPa年平均风速均呈上升趋势,但未达到显著水平。说明哈尔滨市地面年平均风速下降明显,100 hPa平均风速上升达到显著水平,其它层次年平均风速变化不明显。

图3 地面年平均风速变化

2.1.3 各层年平均比湿变化趋势

哈尔滨市年平均比湿变化从地面(图4)到300 hPa(其它层次图略)均呈上升趋势,地面到400 hPa平均比湿上升均达到显著水平。说明哈尔滨市对流层中下层年平均比湿上升趋势明显。各层次线性趋势系数以地面平均比湿上升速率最快,为0.093g/10a,依次是850hPa、700hPa、500 hPa、400 hPa,比湿随高度增加趋势变小。

图4 地面年平均比湿变化

2.1.4 各层年平均纬向风速变化趋势

哈尔滨市从地面(图5)到20 hPa高空年平均纬向风均为西风。其中负风速表示西风,正风速表示东风。可以看出哈尔滨市从地面到20 hPa高空年平均纬向风均为西风。地面到850 hPa平均西风呈减少趋势,700 hPa以上平均西风呈增大趋势。只有100 hPa平均西风增大显著,其它层次西风减少或增大趋势不显著。说明哈尔滨市平均纬向风速在不同层次上虽然具有减少或增大趋势,但变化不明显。

图5 地面年平均纬向风速变化

2.1.5 各层年平均经向风速变化趋势

哈尔滨市地面为北风(图6),平流层从50 hPa以上也为北风,850 hPa到100 hPa各层均为南风。地面北风分量呈减少趋势,850 hPa、500 hPa、200 hPa、100 hPa平均南风呈减少趋势,700 hPa和400 hPa平均西风呈增大趋势。地面北风风速减小达到极显著水平,其它层次南风减少或增大趋势不显著。说明哈尔滨市平均经向风速只有地面北风风速减少明显,其它层次虽然具有减少或增大趋势,但变化不明显。

图6 地面年平均经向风速变化

2.2 哈尔滨市高空气候变化及原因分析

2.2.1 哈尔滨市高空气候变化

如上分析,哈尔滨市近地面年平均气温、气压、湿度35年来呈上升显著,年平均风速呈下降趋势显著,平均西风风速变化不明显,平均北风风速下降趋势显著,因此近地面气候变暖变湿;对流层中层平均气温、比湿、气压上升显著,年平均风速、年平均纬向风速、经向风速变化不明显,因此哈尔滨市对流层中层气候变暖变湿,风速变化不大;对流层上层年平均气温、风速、比湿、纬向风速、经向风速变化均不明显,说明对流层上层气候变化不明显;平流层下层温度下降,西风风速明显增大,其它要素变化不明显。

2.2.2 哈尔滨市高空气候变化原因分析

2.2.2.1 大气环流的变化

HadRT得到赤道地区对流层下部和中部温度变化趋势分别为-0.132℃/10a和-0.013 2℃/ 10a,说明低纬地区温度在下降[9]。从平均情况而言,低纬地区温度下降,高纬地区温度升高,会影响经圈环流的强度,直接表现为高纬度地表经向风速的减弱。导致高纬温度升高,尤其是冬季温度升高。这一结论已经被证实。

2.2.2.2 风速、二氧化碳和水汽的影响

哈尔滨市地面年平均温度升高基于两个直接的原因,一是经向风速在变小;二是比湿即大气湿度在增加。它们之间的相关系数如表1所示。

表1 温度、风速、比湿之间的相关系数

从表1中可看出,年平均温度与年平均经向风速呈负相关,与比湿呈正相关。年平均温度与年平均比湿相关更密切。为了进一步分析温度与二氧化碳和比湿之间的关系,计算了三者之间年均值及年均增量之间的相关系数(表2)。

表2 温度与二氧化碳和比湿之间的相关系数

从表2中可看出,就地面而言,地面年平均温度年平均二氧化碳体积分数呈极显著相关,与年平均比湿呈显著相关;地面年平均温度增量与年平均二氧化碳体积分数增量呈极显著相关,与年平均比湿增量呈显著相关。说明温度变化与二氧化碳和水汽有关,但与二氧化碳体积分数更为密切。

2.3 哈尔滨市高空气候预测

2.3.1 二氧化碳与比湿之间的关系方程

由于水汽本身就是一种温室气体,湿度的增加又加强了二氧化碳全球变暖效应[10]。建立二氧化碳与比湿之间的关系方程:

式中:Δq为比湿变化值,ΔCO2为二氧化碳变化值。

方程(1)的Sig=0.012,F=7.129,方程通过了0.05水平检验。依据方程(1)可得出,二氧化碳每增加一个单位,水汽就增加0.011 g/kg,即水汽中有11%是二氧化碳增加而引起的水汽的增加[11]。因为据此可预测未来二氧化碳排放模式下的哈尔滨地面温度的变化趋势。

2.3.2 哈尔滨市高空温度预测

本研究建立了各层温度与比湿的关系方程:

可见,只有850 hPa方程没有通过0.05水平的检验,其它层次均通过0.05水平的检验,说明各层次温度与比湿的线性关系成立,同时从方程中可看出,水汽对各层次温度所起到的增加作用,随高度的增加增温效果越明显。因此可根据比湿推测各层次的温度。

依据方程(1)也适应高空,当二氧化碳排放减少到当前体积分数的75%,各层次水汽会减少0.002 75 g/kg,700hPa、500hPa、400hPa、300 hPa的温度分别降低0.01℃/10a、0.02℃/10a、0.03℃/10a、0.10℃/10a,即越到高空降低越多;如果二氧化碳排放减少到50%,各层次水汽会减少0.005 5 g/kg,700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa的温度分别降低0.02℃/10a、0.04℃/10a、0.06℃/ 10a、0.19℃/10a;如果二氧化碳排放减少到25%,各层次水汽会减少0.008 25g/kg,700 hPa、500 hPa、400 hPa、300 hPa的温度分别降低0.03℃/ 10a、0.06℃/10a、0.10℃/10a、0.29℃/10a。

3 结论与讨论

依据哈尔滨市高空探测资料,对哈尔滨市高空气象要素的变化及高空气候变化进行了研究,尤其针对二氧化碳和水汽对高空气候的影响也进行了研究,此类的研究报道还较少。主要结论如下:

(1)哈尔滨市对流层中下层、平流层下层气候变化明显;对流层中下层气候变暖变湿;且对流层下层经向风速变小,年平均风速也变小。平流层下层温度下降,西风风速明显增大,其它要素变化不明显。其中值得关注的是温度升高可延伸到400 hPa,比湿增加也从地面延伸到400 hPa。

(2)建立了二氧化碳与水汽之间关系方程,二氧化碳增加,水汽含量也随之增加。二氧化碳每增加一个单位,水汽就增加0.011 g/kg。

(3)各层次温度与比湿存在线性关系,水汽对各层次温度所起到的增加作用,随高度的增加增温效果越明显。

由于本研究只采用哈尔滨一个探空站的资料,因此结论受到局限,有待于利用更多的探空资料去检验和扩展。

[1] Melissa F,D J Seidel.Causes of differing temperature trends in radiosonde upper air data sets[J].JGeophys Res,2005,110: 7101-7115.

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[11]盖均镒.试验统计方法[M].北京:中国农业出版社,1999.

Analysis on Changes of Upper-air Cl imateWarm ing in Harb in

Zhang Jinfeng1,Zhang Lijuan1,LiWenliang1and Zheng Hong2

(1.College of Geographical Sciences,Harbin N or m al University,Harbin150025,China; 2.Heilongjiang Clim ate Center,Harbin150080,China)

According to sounding data(1970～2005)in Harbin,the ground and upper-air cl imate changes of the city in 35 years(1970～2005)are analyzed and predicted by using the methods of linear simulation, correlation and regression.The results are as follows:(1)Climate change is obvious in the middle and lower troposphere and the lower stratosphere.It becomeswar mer and wetter in the middle and lower troposphere and the meridionalwind becomes weaker in the lower troposphere.The annual mean wind speed also decreases.The temperature increase can extend to 400 hPa,and specific humidity extends to 400 hPa.(2)Quantitative equation between the carbon dioxide and water vapor is established.Water vapor increases with the increase of carbon dioxide.The carbon dioxide increase one unit as the water vapor increase 0.011 g/kg.(3)There exist a linear relation between temperatures of different levels and specific humidity.The water vapor is of a warming effectwith increase of altitude.

upper-air climate;warming trend;Harbin

P463.3

A

1000-811X(2010)02-0041-04

2009-10-14

黑龙江省科技攻关项目(GC06C10302 S8);哈尔滨市科技创新项目(2007RFXXS029)

张金峰(1982-),男,黑龙江海伦人,硕士研究生,主要从事生态系统模拟研究.E-mail:hanlinger818@sina.com

张丽娟(1965-),女,河北唐山人,教授,博士,主要从事气象灾害系统模拟研究.E-mail:zlj19650205@163.com