石家莊市氣溫變化規律及影響因子分析

周錦陽，王恒申

(河北省石家莊市第一中學，河北石家莊 050011)

1 資料與方法

1.1資料選取資料起始年份為1955—2016年，共計62年，所用資料包括：石家莊市單站1—12月各月平均氣溫和降水量；國家氣候中心氣候系統診斷預測室編制的88項大氣環流指數，時間分辨率為月，空間分辨率為2.5°×2.5°經緯度。

1.2分析方法

1.2.1線性相關系數。假設有2個變量X、Y取值分別x1,x2,…,xn和y1,y2,…,yn,n為取樣個數。2個變量的相關系數為：

式中，x、y分別為變量X、Y的平均值，當r>0時，表示X、Y兩變量呈正相關，當r<0時，表示X、Y兩變量呈負相關。r0為給定某一顯著水平α時相關系數的臨界值，若|r|>r0，則可認為兩變量相關顯著。該研究中樣本長度為62，相關系數的臨界值分別為α0.05=0.25、α0.01=0.33、α0.001=0.41。

1.2.2線性趨勢的計算。用x1,x2,…,xn表示時間，y1,y2，…，yn為對應的氣溫，建立兩者之間的線性回歸方程：

2 結果與分析

2.1氣溫變化趨勢分析

2.1.1年變化。從圖1可以看出，自1955年以來石家莊市年平均氣溫呈上升的趨勢，平均上升幅度為0.34 ℃/10 a。石家莊市氣溫升高的趨勢是全球氣候變暖背景下的必然結果，此外，石家莊市自20世紀90年代以來，城市發展迅速，城區范圍不斷擴大，城市熱島效應越來越顯著[2]，這些因素也是影響氣溫變化的原因。

這符合自然規律，故鄉總是留不住漂亮的孩子。可至少我、胡來、胡去，我們三個沒有一點要走的意思。我們喜歡出海，但是前輩們再不讓我們跟著出海。在電視機普及以后，他們就說：要出海，沒出息。至于什么是有出息，他們還沒想太明白。爺爺說：他們呀，總是覺得小孩子背井離鄉，老頭子衣錦還鄉就叫有出息。成天看著太平洋，還覺得自己眼界不夠寬；什么魚都認識，還覺得自己見識不夠多。

圖1 1955—2016年石家莊市逐年平均氣溫變化Fig.1 Change of annual average temperature in Shijiazhuang City from 1955 to 2016

2.1.2季變化。從圖2可看出，春、夏、秋、冬四季的平均氣溫均呈上升的趨勢，這種上升趨勢在統計上是顯著的，上升幅度分別為0.41、0.23、0.30、0.43 ℃/10 a。近年來除了春季仍然處于增溫趨勢以外，其他3個季節氣溫增高的趨勢有所減緩，甚至出現了下降的情況。2009—2016年秋季平均氣

溫有5年在趨勢線以下，冬季有4年在趨勢線以下，其中2012—2013年冬季平均氣溫為-2.3 ℃，創1972年以來的45年最低值。

2.2氣溫與降水的關系

2.2.1各月平均氣溫之間的相關分析。計算各月平均氣溫之間的相關系數，當2個月氣溫的相關系數r>0.25(α=0.05)時，可以認為它們之間存在相關關系。從表1可以看出，4、5、11月份氣溫與其前1個月的氣溫沒有明顯的關系；1、2、3、6、7月份氣溫與其前1個月氣溫的相關系數均超過了0.41，顯著水平達到α=0.001；8、9、10月份與前1個月氣溫的相關系數分別為0.29、0.28、0.25，顯著水平為α=0.01。分析結果認為，近62年石家莊市月平均氣溫大部分月份與其前1個月氣溫相關顯著，說明氣溫的月變化可能存在一定的持續性，特別是1、2、3、7、8月份持續性更明顯，持續時間可能會超過1個月。此外，2月與9月、3月與8月、3月與10月、9月與12月平均氣溫的相關系數均超過了0.41，在統計上相關是顯著的。

圖2 1955—2016年石家莊市春季(a)、夏季(b)、秋季(c)和冬季(d)平均氣溫變化Fig.2 Changes of average temperature in spring (a), summer (b), autumn (c) and winter (d) in Shijiazhuang City from 1955 to 2016

月份Month1月January2月February3月March4月April5月May6月June7月July8月August9月September10月October11月November11.0020.561.0030.330.481.0040.220.340.441.0050.200.170.370.221.0060.150.170.260.220.251.0070.210.200.310.280.400.491.0080.180.270.420.250.370.230.541.0090.220.460.300.380.150.270.330.291.00100.130.290.420.170.230.250.200.400.281.00110.12-0.070.120.050.100.130.180.220.130.251.00120.050.200.340.060.150.150.090.080.480.160.23

2.2.2各月平均氣溫與降水之間的相關分析。從圖3可看出，近62年石家莊市各月氣溫與降水的相關系數均為負值，說明兩者之間呈反相關關系，即降水偏多時往往氣溫偏低，降水偏少時氣溫偏高，這一規律在1、4—7、10月份非常顯著。通常降水的出現與冷空氣活動有關，降水期間日照減少，降水過后該地區常常被冷空氣控制，使得氣溫降低。但2、3月份比較特殊，這一時期正處于冬季向春季轉換的季節，冬季結束，地面開始增溫，暖濕空氣也開始活躍，天氣逐漸變暖，降水過后降溫幅度不會太大，有時還可能升高，因此氣溫與降水之間的相關關系不明顯。

圖3 1955—2016年石家莊市各月平均氣溫與降水量的相關系數Fig.3 Correlation coefficients of average temperature and precipitation in Shijiazhuang City from 1955 to 2016

計算前1個月的降水與當月氣溫的相關系數，結果發現，其他月份相關系數的絕對值都低于0.25，只有1月份降水與2月份氣溫的相關系數達-0.37。說明1月份降水偏多不僅引起當月氣溫偏低，還可能會影響2月份氣溫偏低。分析其主要原因是：一場大雪過后大地被冰雪覆蓋，大部分太陽輻射被反射掉，使地面得不到熱量。同時融雪是一個吸熱過程，會造成熱量損失，因此1月份降水偏多往往會引起該月氣溫偏低。另外1月份石家莊市正處于隆冬季節，冰雪不易融化，氣溫偏低的時間可能會較長，甚至會影響到下1個月。

2.3氣溫與大氣環流的關系

2.3.1氣溫與環流特征量的相關分析。局地氣候的形成與地理位置、地形、下墊面等因素有關，但局地氣溫的異常偏高或偏低一定有其特定的環流背景。為了考察石家莊市氣溫與大氣環流的關系，選取88項大氣環流指數作為因子，計算與石家莊市逐月平均氣溫與同期環流特征量的相關系數，當相關系數達到一定顯著水平時，可以認為該項環流指數為影響石家莊市氣溫變化的因子，計算結果見表2。當某些月份氣溫的環流因子較多時，表中僅給出相關較好且有代表性的3個因子。

從表2可以看出，除了1、6、7月份外，其他各月氣溫與環流因子的相關系數均超過了0.41，顯著水平達到了α=0.001，其中2、3、9、10、12月最顯著，相關系數最大值超過了0.50。因子數量最少、相關性最差的是6月份，該月只有一個因子，相關系數僅為-0.28。影響1—6、11、12月份氣溫變化的環流因子中，代表北方冷空氣活動的緯向環流指數、經向環流指數和極渦面積類指數的相關最顯著。7—10月份則以代表暖濕氣團的副熱帶高壓類指數相關最顯著。此外，青藏地區(500 hPa等壓面)的高度場與9、10、12月份的氣溫也存在較好的相關關系。

表21955—2016年石家莊市各月平均氣溫與環流特征量的相關系數

Table2CorrelationcoefficientsofaveragetemperatureandcirculationcharacteristicsineachmonthofShijiazhuangCityfrom1955to2016

月份Month相關系數Correlationcoefficient環流特征量序號及名稱Theserialnumberandnameofcirculationcharacteristics10.3938.西太平洋副高北界(110°～150°E)-0.3446.亞洲區極渦面積指數(1區,60°～150°E)0.3559.歐亞緯向環流指數(IZ,0～150°E)20.417.北美副高面積指數(110°～60°W)-0.4246.亞洲區極渦面積指數(1區,60°～150°E)0.6759.歐亞緯向環流指數(IZ,0～150°E)3-0.4746.亞洲區極渦面積指數(1區,60°～150°E)-0.5250.北半球極渦面積指數(5區,0～360°)0.5259.歐亞緯向環流指數(IZ,0～150°E)4-0.4446.亞洲區極渦面積指數(1區,60°～150°E)5-0.4046.亞洲區極渦面積指數(1區,60°～150°E)0.4364.東亞槽強度(CQ)-0.5073.西太平洋遙相關型指數6-0.2862.亞洲經向環流指數(IM,60°～150°E)70.3919.大西洋副高強度指數(55°～25°W)0.3721.北美大西洋副高強度指數(110°～20°W)-0.3752.太平洋區渦強度指數(2區,150°E～120°W)80.4712.北半球副高強度指數(5°E～360°)-0.4850.北半球極渦面積指數(5區,0～360°)-0.4874.北太平洋遙相關型指數90.5014.北非大西洋北美副高強度指數(110°W～60°E)0.5219.大西洋副高強度指數(55°～25°W)0.5866.西藏高原(30°～40°N,75°～105°E)100.5610.北美大西洋副高面積指數(110°～20°W)0.6166.西藏高原(30°～40°N,75°～105°E)0.5967.印緬槽(15°～20°N,80°～100°E)110.4059.歐亞緯向環流指數(IZ,0～150°E)-0.3662.亞洲經向環流指數(IM,60°～150°E)-0.4778.斯堪的納維亞遙相關型指數120.5259.歐亞緯向環流指數(IZ,0～150°E)0.4666.西藏高原(30°～40°N,75°～105°E)-0.5278.斯堪的納維亞遙相關型指數

2.3.2氣溫與前期環流特征量的相關分析。前1個月的環流可能會影響下1個月氣溫變化，但比起同期相關的情況，前1個月的環流特征量與當月平均氣溫的相關程度有所下降，相關較好的因子是1—5月份以極渦類指數為主、7—10月份以副熱帶高壓類指數為主(表3)，這些都是相對比較穩定的大氣活動中心。

3 結論

(1)自1955年以來石家莊市年平均氣溫呈上升的趨勢，

表31955—2016年石家莊市各月平均氣溫與前1個月環流特征量的相關系數分析

Table3CorrelationcoefficientsofaveragemonthlytemperatureandcirculationcharacteristicsofthepreviousmonthinShijiazhuangCityfrom1955to2016

月份Month相關系數Correlationcoefficient環流特征量序號及名稱Theserialnumberandnameofcirculationcharacteristics10.37538.西太平洋副高北界(110°～150°E)-0.36849.大西洋歐洲區極渦面積指數(4區,30°W～60°E)20.40128.東太平洋副高脊線(175°～115°W)-0.40846.亞洲區極渦面積指數(1區,60°～150°E)0.45666.西藏高原(30°～40°N,75°～105°E)30.48659.歐亞緯向環流指數(IZ,0～150°E)0.46174.北太平洋遙相關型指數4-0.46449.大西洋歐洲區極渦面積指數(4區,30°W～60°E)-0.39650.北半球極渦面積指數(5區,0～360°)50.42428.東太平洋副高脊線(175°～115°W)-0.34550.北半球極渦面積指數(5區,0～360°)60.28359.歐亞緯向環流指數(IZ,0～150°E)70.38328.東太平洋副高脊線(175°～115°W)80.3912.北非副高面積指數(20°W～60°E)-0.42055.北半球極渦強度指數(5區,0～360°)90.54412.北半球副高強度指數(5°E～360°)-0.54646.亞洲區極渦面積指數(1區,60°～150°E)100.5472.北非副高面積指數(20°W～60°E)0.52666.西藏高原(30°～40°N,75°～105°E)110.33559.歐亞緯向環流指數(IZ,0～150°E)0.40564.東亞槽強度(CQ)120.3635.西太平洋副高面積指數(110°E～180°)0.36211.太平洋副高面積指數(110°E～115°W)

上升幅度約0.34 ℃/10 a。近年(2009—2016年)除了春季仍然處于增溫趨勢以外，其他3個季節氣溫上升的趨勢有所減緩。

(2)近62年石家莊市月平均氣溫的變化可能存在一定的持續性，特別是1、2、3、7、8月份持續性更明顯，持續時間可能超過1個月。

(3)近62年石家莊市同期的氣溫與降水呈反相關關系，即降水偏多時氣溫偏低，降水偏少時氣溫偏高，此外1月份降水與2月份氣溫存在較好的反相關關系。

(4)影響石家莊市氣溫變化的因子主要有環流指數、極渦面積、副熱帶高壓等，而且前1個月的極渦、副熱帶高壓與下2個月平均氣溫也存在一定的關系，由此可以認為各月平均氣溫存在不同程度的可預測性。

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