昆明市1951-2019年氣候變化特征及趨勢預測分析

楊勝勇，史雯雨，高劍飛，李增永，鐘 馨

(四川水利職業技術學院，611231，成都)

0 引言

近年來，氣候變化是各國政府和科學界廣泛關注的熱門話題，隨著全球性氣候變暖將引發全球性和區域性水汽循環變化，從而導致氣溫和降水發生改變[1-3]。氣溫和降水是氣候的兩個重要要素，氣溫和降水的變化將改變水資源的分布特征，從而對人民生活與社會經濟造成重大影響[4-5]。昆明市地處中國西南地區、云貴高原中部，由于地處低緯高原而形成“四季如春”的氣候，享有“春城”的美譽。目前國內關于昆明市氣候變化已有較多研究，何云玲[6]等利用線性傾向率、Mann-Kendall非參數檢驗、滑動T檢驗(MTT法)和小波分析等數理統計分析方法，分析昆明市近60 a氣候變化趨勢和氣候突變特征。魏康洪[7]等對昆明1999-2013年氣溫和降水資料進行氣候趨勢分析和異常統計分析。吳利華[8]等對昆明市16個極端氣溫指數和11個極端降水指數的變化趨勢、突變特性和周期特征進行了分析和研究。

本文對昆明市1951-2019年氣溫及降水的線性趨勢、周期及趨勢進行分析預測，所用資料時間序列長，且對未來趨勢進行了預測，研究成果對昆明市氣候和水資源合理開發利用以及生態建設具有一定的意義和應用價值。

1 數據來源與研究方法

1.1 數據來源

本文數據選自國家氣象科學數據共享服務網平臺提供的昆明氣象站點1951-2019年逐月氣溫和降水資料。

1.2 研究方法

本文選用昆明市氣溫及降水數據，分別采用線性趨勢法、5 a滑動距平法、Mann-Kendall檢驗法、年代距平法進行趨勢分析；利用Morlet小波分析法進行周期分析；采用Hurst指數法進行趨勢預測。文中昆明市四季分別按照春季(3-5月)，夏季(6-8月)，秋季(9-11月)，冬季(12月-次年2月)進行劃分。

1.2.1 Mann-Kendall檢驗法 Mann-Kendall檢驗(以下稱M-K檢驗)是經世界氣象組織推薦，目前已經廣泛應用到氣溫、降水等氣象要素中的非參數檢驗方法。M-K檢驗的優勢是樣本系列不需要服從一定分布，可以很好地反映時間序列的趨勢變化[9-11]。

M-K檢驗方法的基本原理為：假設某時間序列為X1，X2，…，Xn，則

(1)

(2)

(3)

(4)

Z為標準正態分布統計值，Z值為正表明具有上升或增加趨勢，Z值為負則意味著下降或者減少趨勢。當|Z|>1.64、1.96、2.58時，分別表示時間系列通過了90%、95%、99%的置信度檢驗。

1.2.2 小波分析法 小波分析是一種具有時-頻多分辨率功能的方法，可以準確詳細地揭示出時間序列中的多種周期變化，目前已經廣泛應用于氣象要素時間序列的周期性分析。小波分析不僅可以顯示出氣候時間序列周期變化的尺度，還可以確定出變化出現的時間位置[9,12-14]。選用復數小波研究方法，該方法在頻域和時域內具有較好的聚集性，復數小波母函數為：

(5)

子函數為：

(6)

式中：a為伸縮尺度，b為平移距離。T與a關系為：

(7)

1.2.3 Hurst指數法 Hurst指數揭示了時間序列過去與未來變化趨勢的相互關系，從而利用該序列的過去變化特征預測未來變化趨勢。目前廣泛應用于判別氣象或水文要素時間序列變化趨勢的持續性或反持續性的強度。

當0

表1 Hurst指數分級表

2 結論與分析

2.1 氣候趨勢變化特征分析

2.1.1 氣溫趨勢變化特征分析 由昆明市年平均氣溫變化趨勢(圖1)可以看出：1)1951-2019年昆明市年平均氣溫為15.18℃，年平均氣溫最大值為16.70℃(2019年)，年平均氣溫最小值為13.62℃(1971年)，年平均氣溫傾向率為0.293 ℃/10a，氣溫總體呈現震蕩上升的趨勢；2)從昆明市年平均氣溫5 a滑動平均線上可以看出，昆明市年氣溫20世紀50年代至70年代中后期呈下降趨勢，20世紀80年代至21世紀初呈現顯著的上升趨勢，21世紀后氣溫變化相對平穩；3)昆明市1951-2019年的年平均氣溫累計距平曲線呈現“U”形，氣溫變化基本可以分為2個階段，在1993年以前，累計距平曲線呈現下降趨勢，且距平值基本為負值，說明1993年之前的氣溫低于多年平均值15.18℃，并在1993年左右累計距平值達到最小值；1993年以后，累計距平曲線呈現明顯的上升趨勢，說明該時段平均氣溫高于多年平均值。

圖1 昆明市年平均氣溫變化曲線

從昆明市氣溫傾向率及M-K檢驗值(表1)可以看出：昆明市年及四季的氣溫傾向率大于0，表明近69 a昆明市年、季尺度的氣溫均呈上升趨勢，尤其以冬季氣溫傾向率最大；氣溫M-K統計值均通過了99%顯著性檢驗，氣溫升高顯著。

2.1.2 降水趨勢變化特征分析 由昆明市年降水變化趨勢(圖2)可以看出：1)1951-2019年多年平均降水量為990.18 mm，最大降水量1 449.9 mm(1999年)，最小降水量565.8 mm(2009年)，年降水傾向率為-3.879 mm/10a，年降水呈不顯著的下降趨勢；2)根據年降水5 a滑動平均曲線，20世紀50年代到20世紀90年代，降水量在多年平均值附近上下震蕩波動；20世紀90年代至21世紀20年代昆明市降水經歷了“上升-下降-上升”的變化過程；20世紀90年代至21世紀初降水量呈明顯的增長趨勢；21世紀初至10年代，降水量呈明顯下降趨勢，之后至20年代年降水又呈增長趨勢；3)根據昆明市年降水量累積距平曲線，20世紀50年代至60年代中期，累計距平曲線曲線呈現震蕩狀態，20世紀60年代中期至70年代中期，曲線呈顯著上升趨勢，20世紀70年代初到70年代中期累計距平呈現上升趨勢，且多為正距平，為降水量相對偏多階段；20世紀80年代中期至90年代中期曲線呈顯著下降趨勢；20世紀90年代中期至21世紀初呈現顯著下降的趨勢；21世紀初至21世紀10年代初期呈顯著下降趨勢；21世紀10年代初期后又呈顯著上升趨勢。

圖2 昆明市年降水量變化趨勢

從昆明市降水傾向率及M-K檢驗值(表2)可以看出：昆明市年及夏季、秋季降水傾向率小于0，降水量呈下降趨勢，且未通過顯著性檢驗；春季、冬季降水傾向率大于0，表明降水量呈上升趨勢，且冬季降水量通過了90%顯著性檢驗。

表2 昆明市氣溫及降水傾向率及M-K檢驗值

注：*表示通過了90%顯著性檢驗，***表示通過了99%顯著性檢驗。

2.2 氣候年代際變化特征分析

2.2.1 氣溫年代際變化特征分析 從昆明市年及四季氣溫年代距平值(表3)可以看出：1)20世紀50年代至80年代昆明市年氣溫及四季氣溫均低于平均值，此時段昆明市氣溫整體偏低，20世紀70年代距平值最低，為昆明市近69 a的偏冷期；2)20世紀90年代之后，年及四季氣溫距平值均為正，表明昆明市氣溫進入偏暖期，其中年、春季、夏季年代距平值在21世紀10年代距平值最大，秋季、冬季年代距平值在21世紀初期達到最大；3)昆明市冬季氣溫年代際差異最大，最小為-1.01℃，最大為1.39℃，20世紀90年代至21世紀初冬季氣溫出現最大增幅，增幅為1.05℃。

表3 昆明市年及四季氣溫、降水的年代距平值

2.2.2 降水年代際變化特征分析 從昆明市年及四季降水量年代距平值(表3)可以看出：1)昆明市年及四季降水量年代變化不盡相同，年降水量經歷了“上升-下降-上升-下降”的變化過程；2000s降水量距平值最小，為-51.57 mm，距平百分率為-5.2%；1990s降水量距平值最大，為68.68 mm，距平百分率達到6.9%；2)昆明市四季的降水量以夏季降水量最多，為579.96 mm，占全年的59%；秋季降水量次之，為240.95 mm，占全年的24%；冬季降水量最少，為40.87 mm，占全年降水量的4%；3)春季降水量年代際距平值在1960s最小，為-31.96 mm，距平百分率為-24.9%；春季降水量年代距平值在1970s最大，為43.99 mm，距平百分率為34.0%，說明春季降水在1960s偏少，在1970s偏多；4)夏季降水量年代際距平值在2010s最小，為-50.58 mm，距平百分率為-8.7%；夏季降水量年代距平值在1990s最大，為49.82 mm，距平百分率為8.6%；5)秋季降水量年代際距平值在2000s最小，為-60.04 mm，距平百分率為-24.9%；秋季降水量年代距平值在1960s最大，為29.54 mm，距平百分率為12.3%；6)冬季降水量年代際距平值在1960s最小，為-9.43 mm，距平百分率為-23.1%；冬季降水量年代距平值在1980s最大，為9.80 mm，距平百分率為24.0%。

2.3 氣候周期分析

2.3.1 氣溫周期分析 由昆明市年氣溫圖3(a)小波變化圖，可以看出：近69 a來，昆明市年氣溫小波等值線圖在30 a、24 a左右時間尺度上分布較為密集，周期震蕩較為明顯，其中30 a左右時間尺度的能量最強，峰值最大，為第1主周期，24 a第2主周期。

(a)氣溫

(b)降水

2.3.2 降水周期分析 由昆明市年降水圖3(b)小波變化圖，可以看出：近69 a來，昆明市年降水小波等值線圖在4 a、7 a、16 a、24 a、30 a左右時間尺度上分布較為密集，周期震蕩明顯。其中30 a左右時間尺度的能量最強，峰值最大，為第1主周期；其次是24 a、16 a、7 a、4 a分別為第2、第3、第4主周期。

2.4 氣候未來趨勢預測分析

2.4.1 氣溫未來趨勢預測分析 根據昆明市年氣溫Hurst指數(圖4)可知：昆明市年氣溫H值0.992 2，表明昆明市年氣溫變化具有持續性，未來與過去69 a變化趨勢相同，仍呈上升趨勢，持續性強度很強。

根據昆明市四季的氣溫H值(表4)可知：昆明市四季氣溫H值均大于0.5，說明未來昆明市四季氣溫變化具有持續性，未來與過去69 a變化趨勢相同，仍呈上升趨勢；四季氣溫H值均大于0.8，氣溫持續性強度等級為5級，持續性強度很強。

2.4.2 降水未來趨勢預測分析 根據昆明市年降水Hurst指數(圖4)可知：昆明市年降水H值0.540 1，表明年降水量變化趨勢與過去69 a變化趨勢一致，呈減少趨勢，持續性強度很弱。

根據昆明市四季的降水H值(表4)可知：1)昆明市秋季降水H值0.494小于0.5，但接近0.5，表明未來秋季降水變化較為隨機，不易判斷未來秋季降水量的變化趨勢；2)昆明市春季、夏季、冬季降水H值均大于0.5，具有持續性，表明未來降水量變化趨勢與過去69 a變化趨勢一致。其中春季、冬季降水未來仍呈增加趨勢，持續性強度較弱；夏季降水量未來呈減少趨勢，持續性強度較弱。

圖4 昆明市年氣溫、年降水Hurst指數

表4 昆明市氣溫、年降水Hurst指數及強度等級

4 結論

1)昆明市年平均氣溫及四季氣溫均呈顯著性上升趨勢，且通過了99%顯著性檢驗；昆明市年、夏季和秋季降水量呈現減少趨勢，春季、冬季降水呈增加趨勢，并且冬季降水的增加趨勢通過了90%顯著性檢驗。

2)昆明市年代氣溫最冷出現在20世紀70年代，氣溫距平值最小，屬于偏冷期，21世紀后氣溫距平值最大，為偏暖期；昆明市年及四季降水年代變化均有所不同。

3)昆明市年氣溫具有28-30 a左右的周期特征；年降水具有28-30 a時間尺度的主周期，具有24 a、16 a、7 a、4 a左右的次主周期。

4)昆明市年及四季氣溫未來仍呈上升趨勢，且持續性強度很強；昆明市年及春季、夏季、冬季未來降水量未來仍將呈現減少趨勢，但持續性強度很弱，秋季降水變化較為隨機。