黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫演變規(guī)律分析

朱江 張白云

摘要 利用黃岡地區(qū)氣象站1971—2010年日平均氣溫資料，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Morlet小波分析等方法，分析了近40年黃岡地區(qū)≥0 ℃年積溫時(shí)空分布和突變特征。結(jié)果表明：在空間分布上，黃岡地區(qū)日穩(wěn)定通過0 ℃的初日、終日分布規(guī)律不同，初日由南向北推遲，終日由南向北提前；在時(shí)間分布上，黃岡地區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定通過0 ℃的初、終日有共同分布規(guī)律，黃岡市和黃岡地區(qū)北部、中南部隨年代變化趨勢一致，初日在各年代呈現(xiàn)一致的提前趨勢，終日在各年代大致呈現(xiàn)推遲趨勢，但20世紀(jì)80年代均比70年代略有提前。近40年黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫具有突變特征，1993年為突變年。黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫的變化在線性增、減的基礎(chǔ)上疊加了不同周期的波動(dòng)變化。近40年來≥0 ℃積溫變化存在27年和22年2個(gè)尺度振蕩周期信號，其中以27年的尺度趨勢較強(qiáng)，周期相對比較顯著，22年的尺度周期性較弱。

關(guān)鍵詞 ≥0 ℃積溫；變化規(guī)律；Mann-Kendall檢驗(yàn)；小波分析；黃岡地區(qū)

Analysis on the Evolution Rule of ≥0 ℃ Accumulated Temperature in Huanggang Area

ZHU Jiang，ZHANG Bai-yun

（Huanggang City Meteorological Bureau，Huanggang，Hubei 438000）

Abstract Using the daily average temperature data of the Huanggang area during 1971-2010， the Mann-Kendall test， the sliding t test and the Morlet wavelet analysis were used to analyze the spatiotemporal distribution and mutation characteristics of ≥0 ℃ annual accumulated temperature in Huanggang area in recent 40 years.The results showed that in the spatial distribution， the distribution rule of first-day and last-day of day average temperature stabilized by 0 ℃ in Huanggang area was different.The first-day postponed from south to north，the last-day advanced from south to north.In the time distribution，the first-day and last-day of day average temperature stabilized by 0 ℃ in Huanggang area had a common law of distribution，the change trend of Huanggang City and Huanggang area in the north and south-central was consistent，the first-days in each age was consistent trend ahead；the last-day generally showed a delay trend， but that of 1980s was slightly ahead of 1970s.≥ 0 ℃ accumulated temperature in Huanggang area in nearly 40 years had a mutation characteristics， 1993 was the mutation year.The change of ≥0 ℃ accumulated temperature in Huanggang area was superimposed on the fluctuation of different cycles on the basis of linear increase and decrease.There were two scales of oscillation period signal in the past 40 years， and there was a strong trend in the 27-year scale， the period was relatively significant， and the 22-year scale was weaker.

Key words ≥0 ℃ accumulated temperature；Change rule；Mann-Kendall test；Wavelet analysis；Huanggang area

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對自然條件尤其是氣候條件依賴程度很強(qiáng)，熱量資源是農(nóng)業(yè)氣候資源的重要組成部分[1]，是農(nóng)作物生命活動(dòng)不可缺少的環(huán)境因子。作物的生長發(fā)育需要在一定的溫度條件下進(jìn)行，而且只有當(dāng)熱量累積到一定程度，作物才能完成其全生育期過程并獲得產(chǎn)量。積溫是農(nóng)業(yè)氣象中熱量資源的重要指標(biāo)之一，因此，積溫的研究對指導(dǎo)農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。衡量某地區(qū)農(nóng)業(yè)熱量資源的主要指標(biāo)是大于等于某一界限溫度的積溫及其相應(yīng)的持續(xù)日數(shù)。積溫的多少可以確定某作物在某地區(qū)能否成熟，并預(yù)計(jì)能否高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)。黃岡地區(qū)的多數(shù)研究主要集中在溫度、降水等氣候特征方面[2-3]，在全球氣候變暖的背景下，我國各地對全球變暖的響應(yīng)并不完全相同[4]。因此研究由于氣候變化引起的積溫變化對農(nóng)業(yè)的影響意義重大。

筆者在分析了黃岡地區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定≥0 ℃的初日、終日變化特征的基礎(chǔ)上，采用了2種檢驗(yàn)方法對近40年黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫進(jìn)行時(shí)間序列突變檢驗(yàn)，以增強(qiáng)突變分析結(jié)果的可信度；同時(shí)利用小波變換方法進(jìn)一步分析了黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫的多尺度周期變化情況，并確立了該時(shí)間域的主要周期，為黃岡地區(qū)適應(yīng)氣候變化、采取趨利避害的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

選取了黃岡地區(qū)9個(gè)氣象站1971—2010年的地面氣象觀測資料，采用Mann-Kendall檢驗(yàn)、滑動(dòng)t檢驗(yàn)和Morlet小波等分析方法，研究了黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫的年際變化趨勢，并對其進(jìn)行突變檢驗(yàn)，最后對近40年黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫的周期變化規(guī)律進(jìn)行了分析。

Mann-Kendall非參數(shù)統(tǒng)計(jì)方法是世界氣象組織推薦并且已經(jīng)廣泛使用的一種方法，它比較適用于分析水文、氣象等非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)趨勢變化[5]。具體方法為：設(shè)原始序列為y1，y2，…，yn；mi表示第i個(gè)樣本yi>yj（1≤j≤i）的累積數(shù)，定義統(tǒng)計(jì)量dk=ki=1mi（2≤k≤n）。在原序列隨機(jī)獨(dú)立等假設(shè)下，dk的均值和方差分別為：E（dk）=k（k-1）/4、var（dk）=k（k-1）（2k+5）/72，將以上2個(gè)公式的dk標(biāo)準(zhǔn)化，得UFk=dk-E（dk）var（dk）。UFk組成一條UF曲線，通過信度檢驗(yàn)可得出其是否有明顯的變化趨勢。然后將此方法引用至反序列中，計(jì)算得到另一條曲線UB，這2條曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)確定為突變點(diǎn)。給定顯著性水平α=0.05，則統(tǒng)計(jì)量UF和UB的臨界值為±1.96。UF>0，表示序列呈上升趨勢；反之，表明呈下降趨勢；大于或小于±1.96，表示上升或下降趨勢明顯。

由于Mann-Kendall方法有時(shí)會(huì)產(chǎn)生虛假突變點(diǎn)或同時(shí)存在多個(gè)交點(diǎn)的情況[6]，從而難以判斷真正的突變點(diǎn)位置。因此該研究采取Mann-Kendall方法和滑動(dòng)t檢驗(yàn)相結(jié)合的方法，來克服單一方法的局限性，從而驗(yàn)證突變點(diǎn)的真?zhèn)危鞔_序列真正的突變開始時(shí)間和突變區(qū)域，增強(qiáng)突變分析結(jié)果的可信度。該研究滑動(dòng)t檢驗(yàn)滑動(dòng)步長n為5，給定α為通過0.05顯著性水平。

氣候變化具有多時(shí)間尺度和多空間尺度的特性，包含了多層次的突變。研究表明，將小波應(yīng)用于氣候變化分析，小波系數(shù)的變化趨勢與氣候信號的起伏是基本一致的[7]。小波分析基于平移和伸縮的不變性，具有正則性、局部性等良好性質(zhì)，它對于時(shí)頻特征的描述，特別適合于對信號進(jìn)行多尺度分析，為研究氣候變化的多層次結(jié)構(gòu)和突變特征提供了新方法。該研究選擇Morlet小波，其母小波函數(shù)形式為ψ（t）=eiω0te-t22，式中，ω0為常數(shù)（≥5），i為虛數(shù)，t為時(shí)間。函數(shù)f（x）的小波變換系數(shù)為Tab（f）=a-12∫（x-ba）dx，Morlet小波函數(shù)是一個(gè)周期性函數(shù)經(jīng)過Gaussian函數(shù)平滑得到的，所以它的伸縮尺度與Fourier分析中的周期T的關(guān)系為T=4πc+2+c2a。可以通過觀察信號f（x）的小波能量密度隨頻率的變化以及各頻率能量密度隨時(shí)間或位置的變化，來分析氣候趨勢變化。該研究在進(jìn)行小波變換之前，為消除邊界效應(yīng)，對資料序列向兩端進(jìn)行了對稱性延拓。

2 結(jié)果與分析

2.1 ≥0 ℃積溫的空間分布特征

黃岡地區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定通過0 ℃的初日平均為1月11日，終日平均為12月29日，≥0 ℃的初終日間隔日數(shù)平均為353 d。由于受緯度以及北高南低地形影響，穩(wěn)定通過0 ℃的初日由南向北推遲，北部紅安、麻城最晚，為1月中旬后期，其他縣市為1月上旬后期。穩(wěn)定通過0 ℃的終日和初日相反，由北向南推遲。

從表1可以看出，≥0 ℃的初日及終日黃岡市和黃岡地區(qū)北部、中南部隨年代變化趨勢一致，初日在各年代呈現(xiàn)一致的提前趨勢；終日各年代總體呈現(xiàn)推遲趨勢，但20世紀(jì)80年代與70年代相比略有提前。在氣候變暖背景下，≥0 ℃的初終日間隔日數(shù)，20世紀(jì)80年代略有縮短，但總體呈延長趨勢。

2.2 ≥0 ℃積溫的突變特征

從圖1可看出，黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫UF曲線在20世紀(jì)70年代表現(xiàn)為緩慢升高趨勢，80年代前期呈緩慢下降趨勢，80年代中期開始一直呈上升趨勢，90年代中后期至2010年上升趨勢顯著；UF和UB 2條曲線在1992和1993年存在明顯的交匯點(diǎn)，并且2條曲線的交點(diǎn)位于置信區(qū)間內(nèi)，可知1992、1993年為黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫升高的突變年，且突變顯著。因此，近40年黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫突變時(shí)間主要集中在1992、1993年，≥0 ℃積溫1971—1992年的年均值6 003.7 ℃·d，上升至1993—2010年的年均值6 290.3 ℃·d，上升了286.6 ℃·d，均值突變較明顯。

為進(jìn)一步研究黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫的突變特征，利用滑動(dòng)t檢驗(yàn)的方法對近40年≥0 ℃積溫進(jìn)行突變分析。在此取2個(gè)子序列長度n1=n2=5。從圖2可以看到，t統(tǒng)計(jì)量在1979、1985、1993、1996年超過了0.05顯著性水平，其中1979年為正值，其他為負(fù)值。說明黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫在近40年出現(xiàn)2次明顯突變，即在20世紀(jì)70年代末黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫經(jīng)歷了由多到少的轉(zhuǎn)變，在80年代中后期及90年代中期均經(jīng)歷了由少到多的轉(zhuǎn)變。

通過Mann-Kendall檢驗(yàn)，UF、UB曲線在1992、1993年存在2個(gè)交點(diǎn)，再經(jīng)過滑動(dòng)t檢驗(yàn)得出的突變年份中可知，1993年在2種檢驗(yàn)方法中均為突變點(diǎn)。綜上分析，近40年黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫具有突變特征，1993年為突變年。

2.3 ≥0 ℃積溫的周期特征

由圖3a可知，1971—2010年黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫的變化并不是簡單的單調(diào)遞減或遞增，而是在線性增、減的基礎(chǔ)上疊加了不同周期的波動(dòng)變化；近40年來黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫變化存在2個(gè)尺度振蕩周期信號，即存在27和22年的周期性變化，其中以27年的尺度趨勢較強(qiáng)，周期相對比較顯著，22年的尺度周期性較弱。

由圖3b可知，在25～30年的時(shí)間尺度上，周期振蕩非常顯著，黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫經(jīng)歷了低—高—低—高—低5個(gè)循環(huán)交替，并且在2010年等值線仍未閉合，可知未來一段時(shí)間黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫仍將繼續(xù)處于偏低時(shí)期。

3 結(jié)論

（1）在空間分布上，1971—2010年黃岡地區(qū)日穩(wěn)定通過0 ℃的初日、終日分布規(guī)律不同，初日由南向北推遲，終日由南向北提前；在時(shí)間分布上，黃岡地區(qū)日平均氣溫穩(wěn)定通過0 ℃的初、終日有共同分布規(guī)律，黃岡市和黃岡地區(qū)北部、中南部隨年代變化趨勢一致，初日在各年代呈現(xiàn)一致的提前趨勢，終日各年代大致呈現(xiàn)推遲趨勢，但20世紀(jì)80年代均比70年代略有提前。

（2）近40年黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫具有突變特征，1993年為突變年。

（3）1971—2010年黃岡地區(qū)≥0 ℃積溫的變化在線性增、減的基礎(chǔ)上疊加了不同周期的波動(dòng)變化。近40年來≥0 ℃積溫變化存在2個(gè)尺度振蕩周期信號，其中以27年的尺度趨勢較強(qiáng)，周期相對比較顯著，22年的尺度周期性較弱。

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