菏澤多時間尺度氣溫變化特征及其突變性*

陳 楠

(山東省菏澤市氣象局，菏澤 274000)

0 引言

全球氣候變暖已經成為一個不爭的事實，全球氣候系統正經歷著一次以氣候變暖為主要特征的變化。在過去100年的時間里，全球溫度升高了0.56～0.92℃，近50年變暖尤為明顯[1]。在全球氣候變暖的總體趨勢下，其氣候有漸變和突變的特點。近年來，一些專家和學者曾對全球及全國近100年的氣溫變化趨勢作過深入的探討，從宏觀角度分析了氣溫的增暖趨勢及時空變化特征[2]，但大多數是針對區域性比較大的范圍進行的分析，而對某一點的氣溫變化趨勢的分析還不太多，因此，文章選取菏澤作為研究對象。

目前，國內外的許多專家和學者分析了氣溫的變化趨勢。如王勁松等[3]分析了近50 年來西北地區氣溫變化的特征，得出西北地區的年和四季均表現出較為明顯的增溫趨勢。丁一匯等[4]研究發現我國的增溫趨勢與北半球的增溫大致相似，氣候變暖主要出現在華北、東北和西北西部地區。郭志梅等[5]分析發現中國北方地區近50年來平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的增溫態勢十分明顯。韓翠華等[6]以中國623個測站1951～2010年逐日氣溫觀測資料為基礎數據，增暖趨勢在1961～1990年開始出現，而其他區域則發生在1971～2000年及1981～2010年。翟獻帥等[7]研究表明，東北地區30年年均氣溫呈上升的趨勢。Prieto等[8]的研究表明西班牙半島的冬季低溫事件呈減少趨勢。竇坤等[9]分析了近53年菏澤0cm地溫的變化特征，近53年來，菏澤年平均地面溫度呈極顯著上升趨勢，平均每10年升高0.22 ℃。

菏澤屬于溫帶大陸性季風氣候，四季分明，地處華北平原的南部，位于黃河南岸，當地主要糧食作物是小麥和玉米。該文通過分析菏澤多時間尺度氣溫的變化特征及其突變性，對菏澤氣溫的中長期氣候預測及應對氣候變化具有重要意義，同時也為合理配置和布局生態環境及政府指導農業生產提供科技支撐和理論支持。

1 資料與方法

菏澤市有9個國家級氣象觀測站，菏澤站位于菏澤市的中心位置，屬國家一般氣象站，氣象資料比較具有代表性。該文利用1971～2010年菏澤地面氣象觀測站提供的逐日氣溫資料，對從年際、年代及季節等多時間尺度，研究了氣溫的變化特征。運用一元一次線性回歸法、累計距平法、變異系數法、M-K檢驗法等方法進行了分析[10]。

該文的季節劃分采用氣候學的劃分標準即3～5月為春季， 6～8月為夏季， 9～11月為秋季， 12月至次年2月為冬季。

1.1 一元線性擬合方程

假設：yt=a+bx(t=1， 2， 3， 4…n)

(1)

式(1)表示用一條直線表示y和時間x之間的關系。a為回歸常數；b為回歸系數，b表示氣溫的氣候傾向率，b>0 說明y呈上升趨勢，b<0 說明y呈下降趨勢，b的大小表明氣溫增加或減少的變化速率， 10b定義為氣溫10年的傾向率，傾向率的大小表明氣溫變化速率的大小。

1.2 累積距平法

計算距平用的平均值是以1971～2010年40年的氣溫平均值為氣候平均值。累積距平是一種用曲線來判斷氣溫變化趨勢的方法。對于序列X，其某一時刻t的累積距平可表示為：

(2)

根據式(2)求出每一年的累積距平值，即可繪制氣溫的累積距平曲線，對氣溫的變化趨勢進行分析，當曲線上升時，表明氣溫處在偏高階段，當曲線為下降趨勢，則表明氣溫處在偏低階段。

1.3 變異系數法

采用變異系數30年滑動平均方法，可以分析出1971～2010年菏澤各時段氣溫變異情況，變異系數的計算公式：

(3)

1.4 相關系數

在進行顯著性的檢驗時，給定顯著性水平α，若|r|>rα，表明各氣象要素的變化是顯著的，否則是不顯著的。

在分析氣溫變化與年代之間的關系時，采用相關分析方法，所用相關系數計算見式(4)。

(4)

1.5 Mann-Kendall檢驗法

為了解菏澤氣溫變化特征，采用M-K法(即Mann-Kendall非參數檢驗法)進行突變檢驗，用該方法來確定氣溫突變開始的時間。

Mann-Kendall法具體計算方法為[11]：對具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列Sk，見式(5)。

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，第i時刻的數值大于j時刻的數值個數的累計數為秩序列Sk。在時間序列隨機獨立假設的條件下，定義統計量UFk，見式(7)。

(7)

由式(7)可知：UF1=0;E(Sk)表示累計數Sk的均值；VAR(Sk)表示累計數Sk的方差。所有的UBk組成的1條曲線UB，依據同樣的方法可以用到反序列中，得到另一條曲線UF。在UF和UB曲線圖當中，當序列呈下降的趨勢時，則UF或UB的值小于0，； 當表明序列呈上升的趨勢時，則UF或UB的值大于0。當UF和UB超過臨界線時，表明序列上升或下降趨勢顯著。當UF和UB兩條曲線出現交點時，且交點在兩條臨界線之間，那么交點對應的時間就是突變開始的時間。當交點出現在臨界線以外時，那么就應當結合其他的檢驗方法來進一步確定該時間點是否發生突變。

2 結果與分析

2.1 年平均氣溫變化特征分析

2.1.1 年平均氣溫的基本氣候特征

菏澤的年平均氣溫為14.1℃， 1月、4月、7月、10月的月平均氣溫分別為-0.64℃、14.9℃、26.5℃、15℃，這表明菏澤4季分明。年平均氣溫的標準差夏季最小，冬季最大，春秋季居中(表1)。

表1 1971～2010年菏澤季度平均氣溫、年平均氣溫

℃

2.1.2 年平均氣溫主要特征分析

通過對菏澤40年來的年平均氣溫分析來看，由圖1a可以看出，近40年來，菏澤年平均氣溫呈明顯的上升趨勢，并以0.36℃/10年的氣候傾向率增加，高于中國年平均氣溫的增加速率(0.22℃/10年)。在1971～2010年間，年平均氣溫最高為15.3℃(出現在2006年)， 1984年平均氣溫最低為13.1℃，極差為2.2℃。經檢驗，菏澤近40年年平均氣溫與年序之間的相關系數R，通過了信度為α=0.001的顯著性檢驗，則說明年平均氣溫增加趨勢極其顯著。

以零距平為界，正距平稱之為暖期，反之為冷期。通過分析六階多項式擬合線可以看出，近40年來菏澤的年平均氣溫經歷了兩次顯著的波動，即1971～1993年氣溫以負距平為主，持續時間達23年，是相對較冷的時期，平均偏低0.15℃， 1984年是建站以來最冷的時期，其中有7年是正距平，溫度偏高幅度小。1994～2010年氣溫以正距平為主，維持了17年，平均偏高0.7℃，增溫幅度比較明顯，屬偏暖階段，其中有2年是負距平，分別出現在1996年、2003年(圖1b)。

圖1 1971～2010年菏澤年平均氣溫變化趨勢(a)、年平均氣溫距平變化(b)

表2 近40年菏澤與全國年平均氣溫變化速率對比 ℃/10年

表3 菏澤氣溫變異系數 %

2.2 季平均氣溫的變化

圖2為菏澤的四季氣溫變化曲線。從圖2可以看出，近40年來菏澤四季和全年的平均氣溫都呈上升的趨勢，這是對全球氣候變暖的響應。40年來冬季的平均氣溫上升趨勢最為明顯，線性速率為0.54℃/10年，通過了信度為α=0.001的顯著性水平檢驗，是夏季上升幅度的3倍，是年趨勢的2倍，是氣候變暖最突出的時段。春季的年升溫幅度僅次于冬季，氣候傾向率為0.41℃/10年，通過了信度為α=0.001的顯著性水平檢驗。秋季平均氣溫的氣候傾向率為0.28℃/10年，通過了0.01的信度檢驗。夏季平均氣溫的變化趨勢也不明顯，線性增暖率為0.17℃/10年，通過了0.05的顯著性水平檢驗。從圖2中看出,春季、秋季、冬季氣溫在20世紀90年代以前年際變化以波動為主，各年代年均氣溫變化并不大，主要升溫體現在20世紀90年代以后，而夏季氣溫則在20世紀50年代末到20世紀60年代升溫較明顯，其后變化不大。這表明，菏澤氣溫的變化并不是以逐漸升溫來表現，而是具有突變的特征，其中春季和冬季變暖最為顯著，其次是秋季，夏季則升溫不明顯。

從表2可以看出，菏澤的春季、夏季、秋季和冬季，均高于全國同期的增溫率，表明菏澤的增暖趨勢與全球增暖一致，且增暖幅度明顯。菏澤的氣候變暖中，冬季增溫幅度最為明顯，增溫速率比全國平均高0.15℃/10年。夏季的增溫幅度最小，增溫速率比全國平均高0.02℃/10年。

2.3 氣溫離散度分析

變異系數是衡量資料中各觀測值變異程度的一個統計量，可以客觀地衡量一個氣象要素在時間序列上的離散程度，表3是1971年以來，菏澤的春、夏、秋、冬與全年氣溫的30年滑動平均變異系數[12]。

從表3可以看出，菏澤夏季氣溫變異系數最小，冬季氣溫變異系數最大，春季和秋季氣溫變異系數居中。說明菏澤年夏季平均氣溫年際間波幅較小，夏季氣溫較為穩定； 冬季平均氣溫年際間波幅較大，氣溫不穩定，出現冷冬和暖冬的可能性較大； 同時也說明春、秋季氣溫多變，春、秋季節氣溫不穩定。就四季和全年平均氣溫變異系數的變化而言，四季的變異系數均呈增加趨勢。

圖2 1971～2010年菏澤四季平均氣溫的變化趨勢

圖3 1971～2010年菏澤年最高、最低氣溫變化趨勢

2.4 年最高、最低氣溫變化

菏澤的年最高氣溫在35.3℃(1991年)～41.1℃(2009年)之間(圖3)，多出現在6月、7月、8月。最高氣溫以平均每10年升高0.13℃的速率增加，未通過信度檢驗，故最高氣溫(白天氣溫)近40年來的變化趨勢不顯著。春季、秋季及冬季的最高氣溫均未通過信度檢驗，即變化不顯著，最高氣溫的變化幅度為秋季最大。20世紀以前的30年里大于40℃的年極值僅出現過1次， 21世紀的前10年里大于40℃的年極值出現了4次，極端最高氣溫頻現，表明進入21世紀后菏澤極端高溫天氣有所增加。

菏澤的年最低氣溫在-16.5℃(1990年)～-6.5℃(2007年)之間(圖3)，多出現在1月和12月。最低氣溫以0.59℃/10年趨勢緩慢升高，通過了信度為α=0.05的顯著性檢驗，表明菏澤的最低氣溫(夜間氣溫)有較強的增溫趨勢，其增溫趨勢大于白天的增溫趨勢，溫度日較差減小，氣溫日變化幅度縮小，氣候在變暖的同時也變得溫和。其中春季、秋季及冬季氣溫的最低氣溫均通過了信度為α=0.01的顯著性檢驗，最低氣溫的升高趨勢達到極顯著水平。最低氣溫則屬冬季變化最大，其次為春季。

2.5 高、低溫日數分析

以日最高氣溫≥35℃，為高溫天氣； 日最低氣溫≤-10℃，為低溫天氣。統計出1971～2010年菏澤的高溫日數為419d，低溫日數為111d。高溫日數一般出現在6月和7月，偶爾出現在8月； 低溫日數一般出現在1月和12月。由圖4可知，菏澤的年高溫日數呈增加的趨勢，平均每10年分別增加1.09d，未通過信度檢驗。由6階多項式擬合曲線可以看出，高溫日數經歷了3次顯著的波動，分別出現20世紀80年代以前、20世紀80年代至90年代初期、 21世紀之后[20]。

菏澤的低溫日數以0.8℃/10年呈減少趨勢。在近40年來菏澤年極端最高氣溫高于40℃的年份有4年，高溫日數多的年份集中在2000～2010年，高溫日數為148 d。極端最低氣溫低于-15℃的年份有1年，出現在1971年。極端溫度日數總體上呈增加的趨勢，極端溫度中的高溫趨高、低溫趨高。

圖4 1971～2010年菏澤高、低溫日數變化趨勢

圖5 菏澤平均氣溫的Mann-Kendall檢驗

2.6 菏澤氣溫的突變性檢驗

該文主要通過Mann-Kendall檢驗法，對菏澤的年平均氣溫，最高、最低氣溫進行突變性檢驗。

2.6.1 年平均氣溫的突變性檢驗

對近40年菏澤的年平均氣溫進行突變性檢驗，通過分析，繪制出正向的序列UF、反向的序列UB曲線圖，可計算出臨界值為1.96。由圖5可知，從菏澤年平均氣溫的M-K突變檢測中UF和UB曲線的交點位置確定，且交點在置信區間內，因此確定菏澤的平均氣溫20世紀90年代發生了突變，其突變年份是從1993開始的。1971～1987年平均氣溫較低，平均氣溫為13.7℃，屬于偏冷階段， 1987年后平均氣溫升高，平均氣溫為14.0℃，且超過0.05顯著水平線，氣溫上升趨勢顯著，則表明從1987年開始一直存在增溫的趨勢。UF曲線從1999年開始超過了0.001顯著性水平(∣U0.001∣=2.93)的臨界值，表明升溫趨勢達到了極顯著，因此菏澤的平均氣溫有明顯的增暖趨勢，且平均氣溫增暖前后兩時段年平均氣溫差值為0.9℃。

2.6.2 年最高、最低氣溫的突變性檢驗

通過分析1971～2010年菏澤年最高、最低氣溫的M-K突變檢驗曲線(圖6)。年最高氣溫在臨界值[-1.96， 1.96]之間有4個交點，分別是1973年、1974年、1979年、2008年。但只有在1979年相交后UB超過了臨界值1.96，因此可以認為年最高氣溫發生了1次突變，即1979年為突變點。

年最低氣溫在臨界值[-1.96， 1.96]之間有多個交點，但是只有1982年相交后UF超過臨界值，因此認定在年最低氣溫發生了1次突變，即1982年為突變點。

圖6 菏澤最高、最低氣溫的Mann-Kendall檢驗

2.7 菏澤氣溫變化可能的原因

近40年來菏澤的氣溫呈明顯的上升趨勢，其主要原因是由人類活動和自然變化引起的。二氧化碳等溫室氣體的增加是導致氣溫升高的主要原因。人口劇增、大氣環境污染、城市化進程的加快也是氣溫變化的主要因素。菏澤氣溫的顯著上升與全國大部分地區的升溫是一致的，這種上升與大氣環流的變化和調整具有直接的關系，許多研究表明[13]，自20世紀80年代中后期以來， 500hPa中緯度緯向環流偏強，經向環流偏弱，而副熱帶高壓自70年代末80年代初即進入持續偏強期，這種環流特征使南下冷空氣偏少、偏弱，從而導致我國大部分地區氣溫偏高。

3 結論與討論

(1)1971～2010年菏澤的年平均氣溫呈明顯的上升趨勢，線性增暖率為0.36℃/10年，高于中國年平均氣溫的增加速率(0.22℃/10年)。氣溫的變化具有階段性， 20世紀80年代以前氣溫偏低， 90年代以后氣溫偏高(其中1994年為氣溫突變點)。

(2)1971～2010年菏澤四季的年平均氣溫均呈顯著上升的趨勢，其中冬季升溫最為顯著，線性增暖為0.54℃/10年； 春季次之，氣候傾向率為0.41℃/10年； 再次是秋季，線性速率為0.28℃/10年； 夏季最小，氣候傾向率為0.17℃/10年。

(3)近40年來，菏澤年最高氣溫在35.3℃(1991年)～41.1℃(2009年)之間，以0.13℃/10年的線性傾向率增加，突變發生的時間為1979年。菏澤的年最低氣溫在-16.5℃(1990年)～-6.5℃(2007年)之間，以0.587℃/10年線性速率升高，突變發生的時間為1982年。最高氣溫的增溫趨勢明顯低于最低氣溫的增溫趨勢，其氣候傾向率和突變性存在明顯的非對稱性變化的特征。

(4)高溫日數(≥35℃)以1.09d/10年線性趨勢增加，低溫日數以0.81d/10年線性速率減少。極端溫度日數總體上呈增加的趨勢。

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