1956-2015年高郵市氣溫和降水量變化特征研究

王雨斐， 方國華， 聞 昕， 張 鈺

(河海大學(xué) 水利水電學(xué)院， 江蘇 南京 210098)

1 研究背景

根據(jù)IPCC第五次評估報告，全球地表持續(xù)升溫，1880-2012年全球平均溫度升高0.85℃(0.65～1.06℃)；在北半球，1983-2012年達(dá)到近1400年來氣溫最高的30年[1]。中國氣候變暖趨勢與全球一致。近百年來中國地表增溫率為0.12℃/10a，20世紀(jì)80年代中期后增溫明顯，最近50年增溫率約為0.22℃/10a，明顯高于全球同期增溫率[2]。近100年和近60年全國年降水量無明顯趨勢性變化，但20世紀(jì)70年代后存在年代際變化[3]。不同區(qū)域應(yīng)對氣候變化響應(yīng)存在差異。比如王珂清等[4]根據(jù)170多個氣象觀測站數(shù)據(jù)分析了淮河流域氣溫和降水的時空變化趨勢，結(jié)果表明全流域增溫顯著，年平均氣溫氣候傾向率為0.21℃/10a，空間上東部增幅高于西部，年降水量變化趨勢未通過統(tǒng)計檢驗，但2000年之后明顯增加。夏露等[5]引入氣候趨勢系數(shù)進行了氣溫、降水與時間序列的相關(guān)性的研究，結(jié)果表明江蘇地區(qū)有明顯變暖趨勢且年降水量與年代呈正相關(guān)，空間上江南較江北氣候因素變幅更大，更加暖濕。

高郵市地處江淮平原南端，位于江蘇中部，隸屬揚州，處在南水北調(diào)東線工程源頭段，是水稻的重要產(chǎn)區(qū)。包云軒等[6]選取高郵作為江淮稻區(qū)的代表性測站研究了近30年氣候異常對農(nóng)業(yè)病蟲害發(fā)生程度的影響，胡玉玲等[7]利用高郵市1953-2007年地面觀測資料對極端氣溫與降水事件分強度等級研究其四季演變特征，并揭示出本世紀(jì)以來高級別旱澇災(zāi)害呈多發(fā)狀態(tài)，自20世紀(jì)90年代開始極端氣溫值上升明顯且高溫日數(shù)增多、低溫日數(shù)減少，表現(xiàn)為增暖趨勢。總的來說現(xiàn)有關(guān)于高郵市氣溫、降水量特征的研究很少。本文采用多種統(tǒng)計分析方法，通過對高郵市1956-2015年氣溫降水這兩個重要氣候要素時間序列的研究，分析氣候變化特征，以期為該地區(qū)及周邊地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉、病蟲害防治、城市防洪減災(zāi)、能源供給提供決策支持和參考依據(jù)。

2 研究方法與資料來源

2.1 研究方法

基于對氣候要素氣溫與降水量時間序列的研究，分析氣候的變化特征，分別對氣溫與降水量進行趨勢分析、突變檢測、周期分析。采用線性回歸、滑動平均、小波分解[8]考察時間序列的趨勢特征，結(jié)合Mann-Kendall(M-K)趨勢分析法[9-10]對其進行信度水平檢驗；由M-K突變檢驗[11]尋找突變的年份，并用滑動T檢驗(Moving T-Test)[12]進行驗證；采用Morlet小波變換[13-15]進行多時間尺度的周期分析。

(1)

(2)

若|ti|>tα/2，則認(rèn)為突變發(fā)生(α為顯著性水平)。2.1.2Mann-Kendall檢驗M-K檢驗是非參數(shù)檢驗的一種，它不對變量的分布作嚴(yán)格假定，廣泛應(yīng)用于水文、氣候、化學(xué)、礦物成分檢驗等方面。序列Xi=(x1,x2,…,xn)，趨勢檢驗的M-K統(tǒng)計量為：

(3)

其中：

(4)

(5)

Var(s)=n(n-1)(2n+5)/18

(6)

式中：UFk統(tǒng)計量符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，若存在|-UFk|>Uα/2(α為顯著性水平)，表明在該時段內(nèi)序列變化趨勢顯著。

將時間序列X按逆序排序，再按式(3)進行計算，同時令UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1。),通過對比統(tǒng)計序列UFk和UBk。可進一步識別序列X的趨勢和突變點。將UFk、UBk。曲線以及兩條顯著性水平線繪制在同一張圖上，若UFk為正值，表明序列呈上升趨勢；UFk為負(fù)值，表明序列呈下降趨勢；若UFk和UBk兩條曲線相交于兩條顯著性水平線之間的區(qū)域，則交點對應(yīng)的時刻即為突變發(fā)生的時間。

2.1.3 小波分析 小波分析能夠同時從時域和頻域揭示時間序列的局部特性，適合于研究具有多時間尺度變化特性的非平穩(wěn)信號。各種氣象因子、水文過程都可以看作是隨時間有周期性變化的信號。本文利用Morlet小波對高郵市年平均氣溫和年降水時間序列進行多時間尺度特性分析，把時間序列分解為不同尺度(低頻和高頻成分)的小波系數(shù)和尺度系數(shù)，再根據(jù)時間序列低頻和高頻成分，分析序列的變化趨勢和周期組成。

(1)趨勢分析：大于實測序列長度的周期成分可以表征趨勢，因此時間序列在不同尺度下的變化趨勢可以用該尺度下的低頻成分來表示。水文序列的低頻系數(shù)可由小波分解得到，最后通過低頻系數(shù)的變化過程便可識別出該尺度下的變化趨勢。

(2)周期分析：Morlet小波是一種復(fù)數(shù)小波，其實部等值線圖可以反映時間序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布，其系數(shù)模等值線圖可以反映不同時間尺度變化周期所對應(yīng)的能量密度在時間域中的分布，其方差圖可以反映時間序列的波動能量隨時間尺度的分布情況，因此能夠確定時間序列中存在的主要時間尺度，即主周期。

2.2 資料來源

本文所用高郵市1956-2015年近60年逐月平均氣溫、降水量以及年平均氣溫、降水量資料均來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)中的高郵市氣象臺站，數(shù)據(jù)來源可靠度高，并通過一致性檢驗。

3 氣溫、降水變化特征分析

3.1 趨勢分析

對高郵站1956-2015年的氣溫、降水資料采用線性傾向估計、5年滑動平均、小波分解多種統(tǒng)計方法分析氣候變化趨勢特征，再由Mann-Kendall趨勢檢驗對其進行置信水平分析。

3.1.1 氣溫趨勢特征分析 高郵市1956-2015年氣溫變化序列及5年滑動平均變化過程見圖1。

圖1 年平均氣溫特征趨勢線

整體而言，高郵市近60年氣溫上升趨勢顯著，線性遞增率約為0.30℃/10a。由圖1可知：(1)在研究時段內(nèi)，1956-1961年氣溫有一個上升階段，之后一直平穩(wěn)波動，1968-1972年經(jīng)歷小幅下降過程，從1984年開始?xì)鉁孛黠@波動上升，至2007年達(dá)到最高溫16.6℃，2007-2015年氣溫略有下降。(2)由5年滑動平均線可看出，自20世紀(jì)90年代中期以來年平均氣溫明顯高于多年平均水平15.1℃，1994年以前年平均氣溫基本低于多年平均水平。

對氣溫時間序列進行小波多層分解，逐漸濾除高頻成分可獲得代表時間序列發(fā)展趨勢的低頻分量。本文通過MATLAB實現(xiàn)小波類型db3，分解尺度為5的小波分解。以近似分量a3為例(圖2)，可以看出年平均氣溫在20世紀(jì)50年代后期有小幅上升，之后呈小幅下降趨勢，總體而言1983年以前變化趨勢較為平緩；1983以后增溫趨勢顯著，至1998年氣溫穩(wěn)定在近60年較高位處變化。

圖2 氣溫小波分解圖(a3)

通過M-K趨勢分析法對高郵市年平均氣溫趨勢作顯著性檢驗，其中M-K趨勢指標(biāo)U=5.0513，|U|>Uα/2，由此可知高郵市近60年年平均氣溫上升明顯，通過了α= 0.01顯著性檢驗。

3.1.2 降水趨勢特征分析 整體而言，高郵市近60年降水量變幅不明顯，略有上升，線性遞增率約為2.2mm/10a。由圖3可知：(1) 除個別年份外，高郵市年降水量平穩(wěn)波動，無明顯上升或下降趨勢。1978年年降水量是近60年最小，為482.1mm；1991年年降水量達(dá)到近60年最大，為1823.9mm；極值比為3.8。(2)由5年滑動平均線可看出，高郵市年降水量曲線圍繞多年平均年降水量線上下波動，無明顯的上升或下降趨勢。

圖3 年降水量特征趨勢線

對降水量時間序列進行小波多層分解，逐漸濾除高頻成分可獲得代表年降水量時間序列發(fā)展趨勢的低頻分量。以近似分量a3為例(圖4)，可以看出高郵市年降水量近60年大致經(jīng)歷了3次明顯波動，具體來說20世紀(jì)50年代中期至60年代中期總體呈下降趨勢，60年代后期至70年代中期上升，之后下降，80年代中期開始呈上升趨勢，進入90年代后下降，90年代末開始呈上升趨勢。

圖4 年降水量小波分解圖(a3)

通過M-K趨勢分析法對高郵市年降水量趨勢作顯著性分析，其中M-K趨勢指標(biāo)U=-0.1403，|U|

3.2 突變檢測

結(jié)合滑動T檢驗與Mann-Kendall突變檢測同時對1956-2015年高郵市年平均氣溫和年降水量進行突變檢驗，以獲取突變年份，置信水平取95%。3.2.1 氣溫序列突變檢測 如圖5所示，當(dāng)子序列長度n=10時，由滑動T檢驗可大致判斷突變發(fā)生在兩個時段，分別為1967-1970年和1986-2003年(不包含端點)。

圖5 氣溫滑動t檢驗統(tǒng)計量曲線(n=10)

如圖6所示，當(dāng)子序列長度n=7時，可大致判斷突變發(fā)生于兩個時段，分別是1965-1970年和1986-1999年，這兩個時段基準(zhǔn)點前后子序列均值存在明顯差異。

圖6 氣溫滑動t檢驗統(tǒng)計量曲線(n=7)

根據(jù)M-K突變檢測(圖7)，年平均氣溫的正序列曲線UF和反序列曲線UB在1998年交于0.05顯著性水平線范圍內(nèi)，符合滑動T檢驗判斷的突變時間區(qū)域，因此1998年為突變點。同時由UF曲線看出，自20世紀(jì)90年代中期開始，UF統(tǒng)計量由負(fù)變正，表明氣溫時間序列進入上升階段，進入21世紀(jì)以來UF統(tǒng)計量超過0.05顯著性水平值，說明2000年后增溫顯著。綜合上述分析，高郵市年平均氣溫在1998年左右發(fā)生轉(zhuǎn)暖突變，之后明顯上升。

圖7 氣溫Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量曲線

3.2.2 降水序列突變檢測 對高郵市近60年年降水量進行滑動T檢驗。為避免由于子序列長度選擇的主觀性引起突變點偏移，選取多個子序列長度進行計算并比較，且一般基準(zhǔn)點前后兩個子序列選取相同長度，即n=n1=n2。結(jié)果表明，當(dāng)n=7、9、10、12時，均未檢測到前后兩個子序列均值差異超過0.05顯著性水平，即未發(fā)現(xiàn)可能的突變時間區(qū)域。圖8為子序列長度為10時的突變檢測情況，統(tǒng)計量曲線保持在信度水平線內(nèi)波動，可以看出無明顯突變特征。

圖8 1966-2006年降水量滑動t檢驗統(tǒng)計量曲線(n=10)

結(jié)合M-K突變檢驗分析，UB和UF統(tǒng)計量曲線波動穩(wěn)定均未超過臨界線，表明無明顯上升或下降趨勢，不存在突變時間區(qū)域(圖9)。兩曲線交點所對應(yīng)年份的t統(tǒng)計量均未通過0.05顯著性水平檢驗，因此交點處并非突變年份。綜合上述分析，高郵市近60年年降水量未發(fā)生突變。

3.3 周期分析

通過Morlet小波進行高郵市近60年氣溫、降水時間序列的周期性分析。小波系數(shù)實部等值線圖能夠反映氣候要素在整個分析時域上不同時間尺度下的周期變化規(guī)律；從小波系數(shù)模等值線圖可以看出隨時間尺度周期震蕩的強弱變化，小波系數(shù)模值越大，則該尺度下周期能量越大；小波方差圖反映不同時間尺度上波動能量的分布，可以看出包含在時間序列中的主周期，進一步驗證小波系數(shù)模等值線圖。

圖9 降水量Mann-Kendall檢驗統(tǒng)計量曲線

3.3.1 氣溫序列周期分析 高郵市年平均氣溫的Morlet小波系數(shù)實部等值線如圖10。圖10中小波系數(shù)正值用實線標(biāo)出，表征氣溫偏高，小波系數(shù)負(fù)值用虛線標(biāo)出，表征氣溫偏低。可以發(fā)現(xiàn)高郵市年平均氣溫的變化周期主要存在55、43、36、27a左右這4類時間尺度，其中55a左右的時間尺度周期在整個研究時段上表現(xiàn)穩(wěn)定，其震蕩最明顯存在明顯的震蕩中心，具有全域性；43a時間尺度主要存在于20世紀(jì)70年代至20世紀(jì)末；36a左右的時間尺度主要存在于70年代中期以前及2000年以后；27a左右的時間尺度在20世紀(jì)50年代中期至70年代中期較明顯。

圖10 氣溫小波系數(shù)實部等值線圖

由Morlet小波系數(shù)模等值線圖(圖11)可知，55a左右的特征時間尺度對應(yīng)的小波系數(shù)模值最大，震蕩能量最強、周期最顯著，其余3類時間尺度43、36、27a在研究時段初期和末期表現(xiàn)為能量較弱的震蕩。

氣溫的小波方差圖(圖12)表明高郵市氣溫時間序列的波動能量隨尺度變化過程中存在一個明顯的峰值，對應(yīng)55a的時間尺度，表明該尺度下周期震蕩最為強烈，進一步表明年平均氣溫變化存在55a的主周期。

圖11 氣溫小波系數(shù)模等值線圖

圖12 氣溫的小波方差圖

3.3.2 降水序列周期分析 高郵市年降水量的Morlet小波系數(shù)實部等值線如圖13。圖中小波系數(shù)正值用實線標(biāo)出，表征降水量偏多期，小波系數(shù)負(fù)值用虛線標(biāo)出，表征降水量偏少期。

可以發(fā)現(xiàn)高郵市年降水量周期變化存在56、43、20～30、9a左右這4類較明顯的時間尺度。總的來說，這4類時間尺度的周期變化在整個時域中表現(xiàn)穩(wěn)定、震蕩明顯。

圖13 年降水量小波系數(shù)實部等值線圖

由Morlet小波系數(shù)模等值線圖(圖14)可知，56、43、9a左右的特征時間尺度對應(yīng)的小波系數(shù)模值較大，周期較為顯著，其中56a左右的時間尺度的震蕩能量最強。20～30a時間尺度周期震蕩能量相對較弱。

圖14 年降水量小波系數(shù)模等值線圖

年降水量的小波方差圖(圖15)表明高郵市近60年年降水量時間序列的波動能量隨尺度變化過程中存在5個較明顯的峰值，分別為9、21、29、43、56a，其中56a左右的時間尺度對應(yīng)峰值最大，該尺度下周期震蕩最強，為高郵市年降水量變化的第一主周期，43和9a分別對應(yīng)第二、第三周期。

圖15 年降水量的小波方差圖

4 結(jié) 論

基于高郵市1956-2015年氣溫和降水量資料，通過線性回歸、滑動平均、小波分解分析氣溫與降水量的變化趨勢；采用滑動T檢驗結(jié)合Mann-Kendall檢驗的方法檢測突變年份；根據(jù)Morlet小波變換掌握氣溫及降水量的周期變化規(guī)律，可得出以下結(jié)論：

(1)高郵市近60年年平均氣溫以0.01的顯著性水平呈明顯上升趨勢，平均增溫率達(dá)0.30℃/10a，年平均氣溫在1998年左右發(fā)生突變，存在55a左右的主周期。

(2)高郵市近60年年降水量變幅不明顯，有微弱升高，上升傾向率為2.2mm/10a，近60年未發(fā)生突變，年降水量存在56a左右的第一主周期。

(3)從周期性來看，近60年高郵市年平均氣溫存在一個明顯的主周期55a；年降水量的第一主周期為56a，第二、三主周期分別為43、9a；顯然年平均氣溫與年降水量主周期波動規(guī)律具有相似性，時間序列的演變過程中存在一定聯(lián)系。

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