太原市近百年氣候變化特征分析

周靜

太原市近百年氣候變化特征分析

周靜

（山西省氣象科學研究所，山西 太原 030002）

通過1910—2010年太原逐日氣象資料，運用小波分析和突變分析等方法對氣溫和降水的氣候變化特征進行了分析，并對與平均風速變化密切相關的氣溫和降水進行了年際變化特征比較。結果表明，太原市年平均氣溫總體呈上升趨勢，冬季氣溫明顯升高趨勢的時間早于夏季，夏季氣溫升高趨勢的時間最晚；年平均氣溫存在顯著的2年和4年準周期，夏、冬季氣溫存在顯著的2年和4年準周期；年降水量呈下降趨勢，年降水量存在顯著的4年和8年準周期，降水量存在顯著的2年準周期，夏、冬季降水量存在4年和8年準周期；20世紀40年代中期到50年代初期準2年周期震蕩比較顯著。研究可以看出，20世紀太原市氣溫總趨勢在上升，而降水量在減少，干旱化趨勢比較明顯。

氣溫；降水；氣候變化；突變現象

近年來，全球增暖已成為共識，并且引來中國國內外學者的廣泛關注[1-4]，探討全球增暖背景下各區域氣候變化的特征已日益成為氣候研究的熱點之一。氣候變化的表現之一就是在內陸地區出現了顯著的暖干化趨勢。氣候暖干化的兩個重要指標是氣溫和降水。中國北方地區氣溫在波動中升高，有些地區的降水在波動中減少，有些地區有微弱的增加。近年來災害性天氣、氣候極端事件頻繁發生，氣候變化在其中起著非同一般的作用。要增強對氣象災害的抗御能力，不僅要掌握天氣的變化，還要對當前大的氣候背景有所認識。2001年IPCC第三次最新評估報告顯示，從19世紀末到20世紀末，全球平均氣溫大約上升0.6～0.2 ℃，預計到2100年，全球平均氣溫還將上升1.0～3.5 ℃。在全球氣候變暖的大背景下，中國各地區對全球氣候變暖的響應并不完全相同，在時間和空間的分布上極不均勻[5]。太原地區處于北半球中緯度地理位置和山西高原的地理環境，受西風環流的控制及較高太陽輻射的影響，其氣候干燥，降雨少，晝夜溫差比較大，表現出較強的大陸性氣候特點。冬天受西伯利亞冷空氣的控制，夏天受東南海洋濕熱氣團影響。隨著季節的推移，兩大氣團在太原上空交互進退，此消彼長，發生著規律性的周期更替，形成了冬季干冷漫長、夏季濕熱多雨，升溫急劇、降溫迅速的氣候特點。

1 數據來源與研究方法

1.1 資料來源與處理

太原市自1910年開始有氣象資料，其中，1937-10—1938-12和1944-01—1947-12的資料缺測。對于缺測資料，擬根據北京、西安資料以及有關的一些研究成果，對缺測資料進行插補，從而得到太原市近百年較完整的逐月平均氣溫、降水資料。季節劃分是3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

1.2 研究方法

Mann-Kendall方法是一種非參數檢驗方法，其優點是不用樣本遵循一定的分布規律，也不受少數異常值的干擾[6-7]。本文用此方法對時間序列進行突變分析，評估不同時間尺度上的突變情況。小波分析這種方法在時域和頻域上同時具有良好的局部性質，不僅能分析時間序列周期變化的局部特征，還能更清楚地反映各周期隨時間的變化規律[8-11]。小波系數模、小波系數實部是Morlet小波變換得到的最重要的變量。小波系數模的大小數值表示特征時間尺度信號的強弱，其模值越大，表明其所對應的時段和尺度周期性越明顯。小波變換系數的實部可以用來判別氣候資料序列中所包含的不同時間尺度降水的結構。

2 結果分析

2.1 氣溫和降水時間變化特征

太原市年均氣溫和降水標準化距平序列如圖1所示。根據圖1可知，1910—2010年太原市年平均氣溫總體呈上升趨勢，20世紀10年代到30年代上升，30年代到70年代下降，70年代以后上升；年降水量呈下降趨勢，20世紀70年代以前呈上升趨勢，70年代后期降水量偏少，呈下降趨勢。

太原市夏季和冬季溫度變化序列如圖2所示。由圖2可知，夏季平均氣溫呈降低趨勢，夏季氣溫在20世紀30年代初期到50年代初期、60年代初期到90年代初期氣溫偏低，20世紀10年代中期、50年代中期、21世紀初期以后氣溫偏高；冬季平均氣溫呈上升趨勢，20世紀20年代中期、50年代初期、90年代初期氣溫偏高，20年代初期、30年代中期、50年代中期、60年代末期和80年代中期氣溫偏低。年平均氣溫、夏季平均氣溫在20世紀90年代中期有明顯升高趨勢，冬季平均氣溫在20世紀70年代初期有明顯升高趨勢。

圖2 太原市夏季和冬季溫度變化序列

夏季和冬季降水的年際變化如圖3所示。由圖3可知，夏季降水量呈下降趨勢，20世紀30年代以前、90年代后期降水偏少，20世紀30年代初期到40年代中期、50年期中期到70年代初期降水偏多；冬季降水量呈下降趨勢，20世紀40年代以前、80年代初期到90年代初期降水偏多，20世紀50年代初到60年代末降水偏少。從以上分析得出，冬季降水量下降趨勢最為明顯，夏季降水量下降幅度最小。

2.2 氣溫和降水序列的突變檢驗

太原市年溫度和降水序列的Mann-Kendall突變檢驗如圖4所示。由圖4可知，太原市年氣溫在20世紀20年代初期到30年代初期、80年代后期呈上升趨勢；年降水量在20世紀40年代初期、中期，60年代中期到70年代初、80年代初UF值超過顯著性水平0.05臨界線，表明年降水量在該時段內上升趨勢顯著。在研究時段內，UF和UB曲線有多個交點，不能確定是否存在突變現象。

太原市夏季和冬季溫度序列的Mann-Kendall突變檢驗如圖5所示。由圖5可知，夏季氣溫在20世紀10年代初期到30年代初期、90年代末期呈上升趨勢；冬季平均氣溫在20世紀10年代初期到中期、20年代初期到30年代初期、50年代末到60年代中期、70年代初期上升趨勢顯著，且在80年代末氣溫的上升是一突變現象。

太原市夏季和冬季降水序列的Mann-Kendall突變檢驗如圖6所示。由圖6可知，夏季降水量在20世紀30年代初期到末期、40年代初期到50年代中期、60年代中期到70年代中期以及80年代末期下降趨勢顯著，不能確定是否存在突變；冬季降水量在20世紀20年代初期到40年代初、70年代中期以后下降趨勢顯著，于20世紀40年代末降水存在突變現象。

2.3 氣溫和降水序列的周期特征

太原市氣溫和降水的Morlet小波功率譜如圖7所示。由圖7可知，年平均氣溫存在顯著的2年和4年準周期，20世紀30年代準4年周期震蕩比較顯著，80年代初期準2年周期震蕩比較顯著，2000年以后準4年震蕩周期顯著；年降水量存在顯著的4年和8年準周期，準4年周期震蕩顯著，90年代中期到2000年準4年變化周期震蕩比較顯著。

圖4 太原市年溫度和降水序列的Mann-Kendall突變檢驗

圖5 太原市夏季和冬季溫度序列的Mann-Kendall突變檢驗

圖6 太原市夏季和冬季降水序列的Mann-Kendall突變檢驗

圖7 太原市氣溫和降水的Morlet小波功率譜

太原市夏季和冬季氣溫的Morlet小波功率譜如圖8所示。由圖8可知，夏季氣溫存在4年和8年準周期，20世紀20年代初到30年代末、90年代末到2000年初準4年周期震蕩顯著；冬季氣溫存在2年、4年準周期，20世紀50年代初到50年代末準2年周期震蕩比較顯著，20年代初到70年代到90年代初、2000年以后準4年周期震蕩比較顯著。

太原市夏季和冬季降水的Morlet小波功率譜如圖9所示。由圖9可知，夏季降水量存在4年和8年準周期，20世紀30年代初到50年代初準8年周期震蕩顯著，80初代初期到90年代初期準4年周期震蕩顯著；冬季降水量存在4年、8年和16年準周期，20世紀20年代中期到40年代末準8年周期震蕩比較顯著，80年代中期到到90年代末、2000年以后準4年周期震蕩比較顯著。

圖8 太原市夏季和冬季氣溫的Morlet小波功率譜

3 結論

本文通過1910—2010年太原逐日氣象資料，運用小波分析和突變分析等方法，對氣溫和降水的氣候變化特征進行了分析，并對氣溫和降水進行了年際變化特征比較，結果表明：①太原市年平均氣溫總體呈上升趨勢，20世紀10年代到30年代上升，30年代到70年代下降，70年代以后上升。年平均氣溫、夏季平均氣溫在20世紀90年代中期有明顯升高趨勢，冬季平均氣溫在20世紀70年代初期有升高趨勢。年降水量呈下降趨勢，20世紀70年代以前呈上升趨勢、70年代后期降水量偏少呈下降趨勢。太原市冬季降水量下降趨勢最為明顯，夏季降水量下降幅度最小。②年平均氣溫存在顯著的2年和4年準周期，20世紀80年代初期準2年周期震蕩比較顯著，2000年以后準4年震蕩周期顯著。夏季氣溫90年代末到2000年初準4年周期震蕩顯著；冬季氣溫存在2年、4年準周期，20世紀50年代初到50年代末準2年周期震蕩比較顯著，20年代初到70年代到90年代初、2000年以后準4年周期震蕩比較顯著。③年降水量存在顯著的4年和8年準周期。夏季降水量存在4年和8年準周期，20世紀80初代初期到90年代初期準4年周期震蕩顯著；冬季降水量存在4年、8年和16年準周期，20世紀20年代中期到40年代末準8年周期震蕩比較顯著，20世紀60年代初到70年代中期準8年周期震蕩比較顯著，20世紀80年代中期到到90年代末、2000年以后準4年周期震蕩比較顯著。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.011

2095－6835（2019）15－0032－04

〔編輯：王霞〕