安康氣象站1953-2016年氣溫變化特征研究

王 朋, 張蓓蓓

(寶雞文理學院 地理與環境學院，陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室， 陜西 寶雞 721013)

1 研究背景

氣侯變化是指氣候在過去百年或千年時間尺度內波動變化，氣溫是氣候變化的重要指標之一[1-2]。自工業革命以后，隨著科學技術的進步和人口急劇增加，人類對地球資源開發力度進一步加大，氣候系統發生了前所未有的變化[3]。IPCC第五次評估報告指出，1880-2012年全球平均溫度升高了0.85℃，2016-2035年全球平均溫度將會升高 0.3～0.7℃[4-5]。全球氣溫升高使得局地降水等氣候要素發生變化，對人類社會發展和生態系統平衡構成潛在威脅。

在全球氣候變暖的背景下，區域氣溫年代際變化特征及其成因是當前學術界熱點研究問題[6-7]。姚俊強等[8]認為過去的130年里中亞干旱區各主要河流平均溫度上升趨勢明顯，而CO2等溫室氣體增溫效應是其溫度變化的重要因素。商沙沙等[9]認為西北地區近54年年均氣溫上升趨勢明顯，四季中冬季增溫幅度最大。李雙雙等[10]認為1970-2015年秦嶺南北地區氣溫具有上升的一致性，在空間變化上，氣溫呈現南北分異的特征。劉永婷等[11]認為安徽省近55年氣候呈現暖化趨勢，春季升溫最顯著，年平均氣溫存在6、11 a變化周期。張宏芳等[12]認為過去112年陜西平均氣溫空間變化具有一致性，存在2～4 a和16 a左右的年際變化周期。

本文依據安康氣象站1953-2016年逐月氣溫數據，利用滑動平均法、Mann-Kendall突變檢驗法、Morlet小波分析法，分析安康地區年均氣溫、四季氣溫以及年極端氣溫的變化特征，以期為該地合理利用氣候資源發展農業生產和氣候分析預測等提供參考依據。

2 材料與方法

安康地處陜西省東南部，秦巴山地東段。位于108°01′～110°01′E與31°42′～33°49′N之間，北依秦嶺，南靠巴山。轄1區9縣，面積約為24 500 km2。其地貌呈現南北高山夾峙，河谷盆地居中的特點，以漢江為界，分為兩大地域，北為秦嶺，南為大巴山地，境內群山疊嶂，河流密布，溝谷縱橫，山間盆地星羅棋布。屬亞熱帶大陸性季風氣候，四季分明，夏季高溫多雨，冬季寒冷少雨，無霜期長。年平均降水量1 050 mm，降雨集中每年6-9月，多年平均氣溫15～17℃，多山地形分布使得垂直地域性氣候明顯。

文中數據資料來自“中國氣象科學數據共享服務網”( http://cdc.cma.gov.cn) 中安康站的氣象觀測數據。本文采用了 1953-2016年近 64 年逐月氣溫作為基礎數據進行統計分析。季節時段按氣象部門標準劃分， 3、4、5 月為春季,6、7、8 月為夏季,9、10、11 月為秋季， 12、1、 2 月為冬季。利用滑動平均法、Mann-Kendall突變法檢驗法、Morlet小波法等方法對安康地區近64年氣溫變化特征進行了分析。滑動平均法是以平均方式消除統計序列中的隨機波動，用平均值來顯示時間序列的變化趨勢[13]；Mann-Kendall突變檢驗通過分析統計序列UFk和UBk，揭示時間序列x的趨勢變化和突變特征，若UFk值大于0并超過臨界直線時，則表明序列呈顯著上升趨勢，反之呈下降趨勢；在臨界直線之間UFk和UBk出現交點，則認為序列發生突變，交點就是突變的開始時間[14-15]；Morlet小波通過計算時間序列的頻率特征，從而揭示隱藏在時間序列中的多種變化周期，反映序列在不同時間尺度中的變化趨勢。小波方差隨時間尺度的變化過程稱為小波方差圖，可用來確定序列中不同尺度擾動的相對強度和在時間尺度上的周期變化[16]。

3 結果分析

3.1 氣溫年代際變化

由圖1安康地區近64年年均氣溫和5 a滑動平均曲線可知，近64年多年平均氣溫為15.8℃，年均最高氣溫在2016年，為17.1℃，年均最低氣溫在2005年，為14.9℃。年均氣溫在1953-1959年、1968-1977年、1986-1998年、2004-2016年間呈波動上升趨勢，1960-1967年、1978-1985年、1999-2003年間呈波動下降趨勢。由年均氣溫擬合趨勢線可知，年均氣溫線性趨勢傾向率為0.089℃/10a，表明安康地區近64年年均氣溫上升趨勢顯著。

圖1 安康地區近64年年均氣溫變化

3.2 不同季節氣溫年代際變化

由圖2安康地區近64年不同季節平均氣溫和5年滑動平均曲線可知，春季多年平均氣溫為16.0℃，最高氣溫發生在2000年，為18.1℃，最低氣溫在1993年，為14.8℃。春季氣溫在1953-1978年、1990-2016年間呈波動上升趨勢，在1979-1989年間呈波動下降趨勢。夏季多年平均氣溫為26.3℃，最高氣溫發生在1959年，為28.7℃，最低氣溫在1983年，為24.2℃。夏季氣溫在1953-1966年、1990-1998年、2006-2016年間呈波動上升趨勢，在1967-1989年、1999-2005年間呈波動下降趨勢。秋季多年平均氣溫為16.0℃，最高氣溫發生在1998年，為17.9℃，最低氣溫在1981年，為14.3℃。秋季氣溫在1968-1975年、1982-1987年、1993-2016年間呈波動上升趨勢，1953-1967年、1976-1981年、1988-1992年間呈波動下降趨勢。冬季多年平均氣溫為4.8℃，最高氣溫發生在1979年，為6.5℃，最低氣溫發生在1969年，為3.1℃。冬季氣溫在1953-1963年、1985-1999年、2006-2016年間呈波動上升趨勢，1964-1984年、2000-2005年間呈波動下降趨勢。由擬合趨勢線可知，春季氣溫線性趨勢傾向率為0.156℃/10a，夏季氣溫線性趨勢傾向率為-0.076℃/10a，秋季氣溫線性趨勢傾向率為0.105℃/10a，冬季氣溫線性趨勢傾向率為0.169℃/10a，表明安康地區近64年春季和冬季平均氣溫上升趨勢明顯，秋季呈微弱上升趨勢，夏季呈微弱下降趨勢。

3.3 極端氣溫年代際變化

由圖3安康地區近64年年極端氣溫和5a滑動平均曲線可知，極端最高氣溫多年平均值為39℃，極大值出現在1966年，為41.7℃，極小值出現在1987年，為35.7℃。極端最高氣溫在1953-1966年、1988-1995年、2009-2016年間呈波動上升趨勢，在1967-1987年、1996-2008年間呈波動下降趨勢。極端最低氣溫多年平均值為-5.3℃，極大值出現在1996年，為-2.7℃，極小值出現在1991年，為-9.7℃。極端最低氣溫在1953-1968年、1978-1986年、1992-1996年間呈波動上升趨勢，1969-1977年、1987-1991年、1997-2016年間呈波動下降趨勢。由擬合趨勢線可知，年極端最高氣溫線性趨勢傾向率為-0.064℃/10a, 年極端最低氣溫線性趨勢傾向率為0.217℃/10a，表明安康地區近64年極端最高氣溫呈微弱下降趨勢，極端最低氣溫上升趨勢明顯。

圖2 安康地區近64年不同季節平均氣溫變化

圖3 安康地區近64年年極端氣溫變化

3.4 氣溫突變分析

3.4.1 年均溫突變分析 由圖4安康地區近64年年均氣溫Mann-Kendall突變曲線可知，UF曲線自2000年開始大于0(α=0.05顯著水平，置信區間在 ±1.96)，并快速上升超過臨界曲線+1.96，表明該時段氣溫上升趨勢顯著。在置信區間內UF和UB曲線交于2012年，UF值曲線在2015年超過臨界曲線+1.96，表明安康地區年均溫在2012開始突變上升。

圖4 安康地區近64年年均氣溫Mann-Kendall突變分析

3.4.2 不同季節氣溫突變分析 由圖5安康地區近64年不同季節氣溫Mann-Kendall突變曲線可知，春季平均氣溫UF值曲線自2000年以后大于0，并快速上升，在2013年超過臨界曲線+1.96，在置信區間內交于2006年、2008年、2011年，表明安康地區春季平均氣溫自2006年開始突變上升。夏季平均氣溫UF值曲線自1976以后小于0，并且呈波動下降，在1986年超過臨界曲線-1.96，在置信區間內交于1973年，表明安康地區夏季平均氣溫自1973年開始突變下降。秋季平均氣溫UF值曲線自1998年開始大于0，并波動上升，在2016年超過臨界曲線+1.96，在置信區間內交于2010年，表明安康地區秋季平均氣溫自2010年開始突變上升。冬季平均氣溫UF值曲線自1958年開始大于0，并波動上升，在1999年超過臨界曲線+1.96，在置信區間內交于1992年，表明安康地區冬季平均氣溫自1992開始突變上升。

3.4.3 極端氣溫突變分析 由圖6安康地區近64年極端氣溫Mann-Kendall突變曲線可知，年極端最高氣溫UF值曲線自1974年后小于0，并波動下降，未超過臨界曲線，在置信區間內交于1971年，表明安康地區極端最高氣溫自1971年開始突變下降。年極端最低氣溫UF值曲線自1960年開始大于0，并快速上升，在1989年超過臨界值曲線+1.96，在置信區間內交于1963年，表明安康地區極端最低氣溫自1963年開始突變上升。

圖5 安康地區近64年不同季節氣溫Mann-Kendall突變分析

3.5 氣溫周期分析

小波分析能夠較好地揭示地學中時間序列降水和氣溫多種變化周期以及不同時間尺度中的變化趨勢。利用MATlab軟件中的Morlet小波分析模塊，對安康地區氣溫變化周期進行了分析。由圖7(a)和7(b)年均溫小波實部等值線圖和小波方差圖可知，安康地區近64年年均溫存在兩個振蕩周期，分別是18～25 a和28～32 a。18～25 a對應小波方差峰值是23 a，28～32 a對應小波方差峰值是31 a。表明安康地區近64年年均氣溫存在23 a和31 a兩個時間尺度的變化周期。

由圖7(c)和7(d)年極端最高溫小波實部等值線圖和小波方差圖可知，安康地區近64年年極端最高溫存在29～32 a一個振蕩周期，對應小波方差峰值是31 a，表明安康地區近64年年極端最高溫存在31 a一個時間尺度的變化周期。

由圖7(e)和7(f)年極端最低溫小波實部等值線圖和小波方差圖可知，安康地區近64年年極端最低溫存在3個振蕩周期，分別是5～9、10～15、25～32 a，其中5～9 a對應小波方差峰值是6 a，10～15 a對應小波方差峰值是13 a，25～32 a對應小波方差峰值是30 a，表明安康地區近64年極端最低氣溫存在6、13、30 a三個時間尺度的變化周期。31 a左右的周期是安康地區近64年年均氣溫、年極端最高氣溫和年極端最低氣溫的共振周期。

圖6 安康地區近64年年極端氣溫Mann-Kendall突變分析

圖7 安康地區近64年年均溫和極端氣溫小波分析

4 結 論

(1)安康地區近64年年均氣溫、秋季平均氣溫、年極端最低氣溫呈微弱上升趨勢，變化率分別為0.089 ℃/10 a、0.105 ℃/10 a、0.217℃/10 a，春季和冬季平均氣溫上升趨勢顯著， 變化率分別為0.156℃/10 a、0.169℃/10 a，夏季平均氣溫和年極端最高氣溫均呈微弱下降趨勢，變化率分別為-0.076℃/10 a、-0.064℃/10a。

(2)安康地區近64年年均溫自2012開始突變上升，春季氣溫自2006年開始突變上升，夏季氣溫自1973年開始突變下降，秋季氣溫自2010年開始突變上升，冬季氣溫自1992開始突變上升，極端最高氣溫自1971年開始發生下降，極端最低氣溫自1963年開始突變上升。

(3)安康地區近64年年均溫存在23、31 a變化周期，極端最高溫存在31 a變化周期，極端最低氣溫存在6、13、30 a變化周期。31 a左右的周期是安康地區近64年年均氣溫、年極端最高氣溫和年極端最低氣溫的共振周期。