1951年～2013年南寧市氣溫和 降水量變化特征分析

莫崇勛，劉 朋，朱新榮，阮俞理，覃俊凱，孫桂凱

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧530004；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；3.廣西大學(xué)廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004)

近年來，在溫室效應(yīng)和城市化進(jìn)程快速發(fā)展的大背景下，全球變暖趨勢(shì)日益顯著[1]。隨著全球平均溫度的升高、降水變率空間分布的改變，區(qū)域性的氣候變化特征受到越來越多的關(guān)注[2]。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，1951年～2012年全球平均地表溫度升高了0.72 ℃(0.49～0.89 ℃)，1980年～2012年為工業(yè)革命以來最暖的30年[3]。我國(guó)氣候變化趨勢(shì)與全球基本一致，降水除少數(shù)地區(qū)外，均呈減少趨勢(shì)[4]；根據(jù)《第三次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告》， 1909年～2011年，中國(guó)陸地區(qū)域平均增溫0.9 ℃～1.5 ℃，變暖速率高于全球平均值，約為0.22 ℃/10 a[5]。

氣溫和降水作為氣候變化的兩大重要因素，對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響巨大。研究氣溫和降水的變化規(guī)律具有重要的意義，因而很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究[6]。如賀偉等采用線性傾向率法，累積距平法，Mann-Kendall法和Morlet小波分析等方法，對(duì)東北地區(qū)近45年來的氣候變化進(jìn)行了研究[7]；羅棟梁等采用線性趨勢(shì)分析、累積距平、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)及Morlet復(fù)小波分析法，對(duì)黃河源區(qū)氣溫和降水特征與突變規(guī)律進(jìn)行了分析[8]；邸擇雷等應(yīng)用線性傾向估計(jì)法、累積距平分析法、M-K檢驗(yàn)法和Mrolet小波分析等方法分析了1958年～2016年呼倫貝爾草原新巴爾虎右旗氣溫和降水變化特征[9]；王銀花等采用線性趨勢(shì)分析、Mann-Kendall、小波分析和功率譜分析等方法對(duì)景泰縣近50 年來氣溫和降水變化進(jìn)行研究[10]。本文基于南寧市1951年～2013年氣溫和降水時(shí)間序列數(shù)據(jù)，采用線性趨勢(shì)法、滑動(dòng)平均、Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法、pettitt檢驗(yàn)法、累積距平檢驗(yàn)法、有序聚類、滑動(dòng)秩和、滑動(dòng)游程、Lee-Heghinan、滑動(dòng)t檢驗(yàn)法和Morlet小波分析法分析了南寧市年平均氣溫、降水量的趨勢(shì)、突變和周期，并利用Hurst指數(shù)法對(duì)其未來變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以期為南寧市氣候資源利用和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)指導(dǎo)提供參考，同時(shí)也為氣溫和降水的短期預(yù)測(cè)提供依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

南寧市位于廣西壯族自治區(qū)西南部，屬濕潤(rùn)的亞熱帶季風(fēng)氣候，陽(yáng)光充足，雨量充沛，霜少無雪，氣候溫和，夏長(zhǎng)冬短，年平均氣溫21.6 ℃左右，極端最高氣溫40.4 ℃，極端最低氣溫-2.4 ℃，冬季最冷的1月平均12.8 ℃，夏季最熱的7、8月平均28.2 ℃，年均降水量達(dá)1 304.2 mm，平均相對(duì)濕度為79%，氣候炎熱潮濕。南寧市河流眾多，水資源豐富，珠江干流左江、右江在市區(qū)西部匯合形成邕江，并自西向東穿過市轄區(qū)；其地勢(shì)自東北向西南傾斜，四面山丘環(huán)繞，形成以邕江廣大河谷為中心的盆地形態(tài)。論文研究數(shù)據(jù)來源于廣西南寧市1951年～2013年共63 a的逐月平均氣溫和降水量資料，該數(shù)據(jù)資料完整，對(duì)于南寧市氣候變化研究具有良好的代表性，同時(shí)利用excel、SPSS和MATLAB等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、分析和繪圖。

2 研究方法

本文對(duì)南寧市降水量和氣溫的季節(jié)變化和年際變化進(jìn)行研究，在統(tǒng)計(jì)季度數(shù)據(jù)時(shí)，季節(jié)的劃分方法為：以3月～5月為春季，6月～8月為夏季，9月～11月為秋季，12月～次年2月為冬季。考慮到單一檢測(cè)方法有其適用區(qū)域的局限性，采用線性趨勢(shì)法和滑動(dòng)平均[11]進(jìn)行趨勢(shì)分析；通過Mann-Kendall(M-K)檢驗(yàn)法、pettitt檢驗(yàn)法、累積距平檢驗(yàn)法、有序聚類、滑動(dòng)秩和、滑動(dòng)游程、Lee-Heghinan]和滑動(dòng)t檢驗(yàn)法[12]進(jìn)行突變檢驗(yàn)；應(yīng)用Morlet小波分析法[13]進(jìn)行周期分析；最后，基于R/S分析法計(jì)算Hurst指數(shù)[14]預(yù)測(cè)未來變化趨勢(shì)。通過對(duì)南寧市近63 a氣溫和降水變化的總體特征的研究，揭示出近年來南寧市氣溫和降水的變化規(guī)律。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溫

3.1.1 變化趨勢(shì)

圖1 年平均氣溫變化過程曲線

研究發(fā)現(xiàn)，南寧市四季平均氣溫均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，其中春季增暖速率最大，為0.083 ℃/10 a；冬季最小，為0.016 ℃/10 a；夏季和秋季分別為0.068 ℃/10 a和0.019 ℃/10 a；其增溫速率與全國(guó)四季均溫變化趨勢(shì)有所不同[15]，可能與南寧市所處地理位置以及地形地勢(shì)對(duì)當(dāng)?shù)貧鉁刈兓a(chǎn)生影響有關(guān)。

3.1.2 突變檢驗(yàn)

采用M-K檢驗(yàn)、pettitt檢驗(yàn)、累積距平、有序聚類、滑動(dòng)秩和、滑動(dòng)游程、Lee-Heghinan和滑動(dòng)t檢驗(yàn)等8種方法對(duì)南寧市近63 a的年平均氣溫序列進(jìn)行綜合突變檢驗(yàn)，將可能變異點(diǎn)中權(quán)重最高的年份作為最終變異點(diǎn)(見表1)。

表1 氣溫序列變異點(diǎn)綜合診斷結(jié)果

綜合八種突變檢測(cè)的分析結(jié)果可知，南寧市近63 a年平均氣溫發(fā)生變異，按照變異點(diǎn)確定綜合權(quán)重的方法計(jì)算得到變異點(diǎn)1985年的綜合權(quán)重為0.875(見表1)，大于其他變異年份的權(quán)重，由此確定序列最有可能的變異點(diǎn)為1985年。年平均氣溫的水文序列變異點(diǎn)被多種方法同時(shí)檢測(cè)出，增加了變異點(diǎn)存在的可信度。

3.1.3 周期分析

采用Morlet小波分析法對(duì)南寧市近63 a年平均氣溫進(jìn)行多時(shí)間尺度周期分析，計(jì)算得到小波系數(shù)和小波方差，繪出小波系數(shù)實(shí)部等值線圖以及小波方差圖(見圖2)。南寧市年平均氣溫的各種時(shí)間尺度周期變化具有差異性。從圖2a可以看出，年平均氣溫小波系數(shù)實(shí)部等值線密集期主要集中在4～7、7～10 a和10～15 a左右，此期間小波系數(shù)高、低值中心發(fā)生波動(dòng)變化，而小波方差的極值出現(xiàn)在6、9 a 和14 a。綜上所述，可以得出南寧市年平均氣溫存在14 a的強(qiáng)顯著周期，此外還有6 a和9 a的尺度變化周期。因此，南寧市年平均氣溫變化的第一主周期約為14 a，第二主周期約為6 a，第三主周期約為9 a。

圖2 年平均氣溫變化小波分析

3.1.4 未來變化

運(yùn)用R/S分析法計(jì)算Hurst指數(shù)判別南寧市未來年平均氣溫的變化趨勢(shì)，經(jīng)過最小二乘法線性擬合的直線斜率即為該水文序列的Hurst指數(shù)(見圖3)。由圖3分析結(jié)果可知，Hurst指數(shù)H=0.806 8>0.5；故可預(yù)測(cè)年平均氣溫序列呈現(xiàn)顯著的持續(xù)性，與1951年～2013年整體趨勢(shì)保持一致，呈上升趨勢(shì)。依據(jù)Hurst指數(shù)可以看出，若全球氣候變化依舊保持現(xiàn)在發(fā)展趨勢(shì)或者變化更為激烈；那么，南寧市未來年平均氣溫將繼續(xù)呈現(xiàn)升高的趨勢(shì)，且短時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)。

糖化血紅蛋白水平對(duì)急性ST段抬高型心肌梗死患者住院期間及近期預(yù)后的影響………………… 程昭棟 楊體霞 周利民 等（3）345

圖3 Hurst指數(shù)分析結(jié)果(氣溫)

3.2 降水

3.2.1 變化趨勢(shì)

圖4 年降水量變化過程曲線

1951年～2013年南寧市年降水量序列、線性擬合及5年滑動(dòng)平均曲線(見圖4)。由圖4可看出：1951年～2013年南寧市年降水量在827.9～1 987.5 mm之間變化，其中多年平均降水量為1 294.6 mm；年最大降水量為1 987.5 mm，出現(xiàn)在2001年；年最小降水量為827.9 mm，出現(xiàn)在1989年。年降水量最大值是年平均降水量的1.54倍，是最小年降水量的2.4倍。63 a來年降水量整體呈減少趨勢(shì)，傾向率為-3.312 mm/10 a，63 a間減少了20.9 mm，年降水量減少并不顯著。符合全國(guó)平均年降水量總波動(dòng)趨勢(shì)[16]。

研究發(fā)現(xiàn)，南寧市各季降水量的傾向率由大到小依次為春季(9.7 mm/10 a)>夏季(3.6 mm/10 a)>秋季(1.9 mm/10 a)>冬季(0.5 mm/10 a)。可見，近63 a間南寧市春季降水量主導(dǎo)年降水量的下降趨勢(shì)。

南寧市降水量的年內(nèi)分配四季分明，不均勻性較強(qiáng)，從降水量年內(nèi)分配過程顯示，全年降水主要集中在春(3月～5月)、夏(6月～8月)兩季，占全年的74.2%；秋(9月～11月)、冬(12月～次年2月)兩季降水量?jī)H占全年的25.8%。

3.2.2 突變檢驗(yàn)

同氣溫一樣，采用M-K檢驗(yàn)、pettitt檢驗(yàn)、累積距平、有序聚類、滑動(dòng)秩和、滑動(dòng)游程、Lee-Heghinan和滑動(dòng)t檢驗(yàn)對(duì)南寧市近63 a的年降水量序列進(jìn)行突變綜合檢驗(yàn)，將可能變異點(diǎn)中權(quán)重最高的年份作為最終變異點(diǎn)(見表2)。

表2 降水量序列變異點(diǎn)綜合診斷結(jié)果

綜合8種突變檢測(cè)的分析結(jié)果可知，南寧市近63 a年降水量未發(fā)生變異，按照變異點(diǎn)確定綜合權(quán)重的方法計(jì)算得到未發(fā)生變異的綜合權(quán)重為0.50(見表2)，且遠(yuǎn)大于其他變異年份的權(quán)重；由此確定，年平均氣溫序列未發(fā)生變異。文中同時(shí)運(yùn)用多種方法對(duì)降水序列是否發(fā)生變異進(jìn)行檢測(cè)，增加了年降水量水文序列未發(fā)生變異的可信度。

3.2.3 周期分析

圖5 年降水量變化小波分析

小波分析法能夠準(zhǔn)確識(shí)別水文時(shí)間序列的多時(shí)間尺度演變特征。本文采用Morlet小波分析法對(duì)南寧市近63 a的降水量進(jìn)行周期分析，計(jì)算得到小波系數(shù)和小波方差，繪出小波系數(shù)實(shí)部等值線圖以及小波方差圖(見圖5)。由圖5a可以清楚地看到，年降水量變化過程中存在著2～4、4～7 a和7～15 a的3類尺度的周期變化規(guī)律。降水序列的能量中心分別位于特征時(shí)間尺度3、6 a以及12 a左右，表明在這3年左右的信號(hào)振蕩最為強(qiáng)烈。以上3個(gè)尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，具有全域性。由圖5b可進(jìn)一步得到，1951年～2013年南寧市年降水量第一主周期為12 a，第二主周期為6 a，第三主周期為3 a。

3.2.4 未來變化

運(yùn)用Hurst指數(shù)判別南寧市未來年降水量的變化趨勢(shì)。圖6繪出了南寧市年降水量的Hurst指數(shù)分析結(jié)果，得到Hurst指數(shù)H=0.546 7>0.5(見圖6)，故可預(yù)測(cè)降水序列呈現(xiàn)正持續(xù)性，變化趨勢(shì)與過去一致，即呈減少趨勢(shì)。

圖6 Hurst指數(shù)分析結(jié)果(降水)

4 結(jié) 論

(1)南寧市近63 a來年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，氣溫傾向率0.046 ℃/10 a，63 a間的年平均氣溫上升了0.29 ℃；降水呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，降水傾向率為-3.3 mm/10 a，63 a來年平均降水量減少了20.9 mm。

(2)通過M-K檢驗(yàn)、pettitt檢驗(yàn)、累積距平、有序聚類、滑動(dòng)秩和、滑動(dòng)游程、Lee-Heghinan和滑動(dòng)t檢驗(yàn)等8種檢測(cè)方法對(duì)年平均氣溫和年降水量序列的突變點(diǎn)進(jìn)行識(shí)別，結(jié)果顯示：南寧市年均氣溫在1985年發(fā)生突變；年降水量63 a來未發(fā)生突變。

(3)通過Morlet小波分析可知，南寧市年平均氣溫第一主周期為14 a，第二、三主周期分別為6、9 a；南寧市年降水量的第一主周期為12 a，第二、三主周期分別為6 a、3 a；可以看出南寧市年平均氣溫與年降水量在周期演變上存在一定程度的吻合。

(4)R/S分析結(jié)果表明，1951年～2013年南寧市年平均氣溫的Hurst指數(shù)為0.860 8>0.5，表明南寧市年平均氣溫具有顯著的持續(xù)性，與1951年～2013年整體趨勢(shì)保持一致，呈上升趨勢(shì)，短時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)；年降水量的hurst指數(shù)為0.546 7>0.5，表明南寧市年降水量具有較顯著的持續(xù)性，與1951年～2013年整體趨勢(shì)保持一致，呈下降趨勢(shì)。