王志杰, 蘇 嫄

(1.貴州大學 生命科學學院, 貴陽 550025; 2.陜西理工學院 歷史文化與旅游學院　秦嶺與蜀道地理研究所, 陜西 漢中 723000; 3.陜西理工學院 文學院, 陜西 漢中 723000)

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1951-2010年漢中市氣溫變化特征分析

王志杰1,2, 蘇 嫄3

(1.貴州大學 生命科學學院, 貴陽 550025; 2.陜西理工學院 歷史文化與旅游學院秦嶺與蜀道地理研究所, 陜西 漢中 723000; 3.陜西理工學院 文學院, 陜西 漢中 723000)

氣溫變化特征是全球氣候變化研究中的一個至關重要的問題。我國地域遼闊，受地形及季風影響，各地區(qū)氣溫變化及各季節(jié)氣溫變化趨勢各異。采用1951—2010年逐日及年平均氣溫數(shù)據(jù)作為基礎資料，運用氣候傾向率、滑動平均法、M-K趨勢檢驗和突變分析方法對漢中市年均氣溫和各季節(jié)氣溫的變化特征進行分析。結果表明：(1) 漢中市近60年來年平均氣溫呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.18℃/10 a，并經(jīng)歷冷暖兩個時期，20世紀90年代中期之前為偏冷期，之后為偏暖期；(2) 年平均氣溫的年代際變化表現(xiàn)出“平緩上升—下降—顯著上升”的趨勢，且存在明顯的突變點，突變時間為1999年，突變后年平均氣溫比突變前高0.9℃；(3) 漢中市四季平均氣溫在20世紀90年代開始明顯增溫，且高于各季節(jié)平均氣溫。冬春兩季增溫明顯，秋季次之，夏季最小，但增溫速率均小于全國同期水平；(4) 冬春兩季平均氣溫在近60年間存在明顯的突變點，突變時間分別為1999年和1997年，但夏秋兩季沒有出現(xiàn)明顯的突變。

氣溫; 趨勢分析; 突變分析; 漢中市

全球氣候變化或氣候變化，因其高度的政治、經(jīng)濟、環(huán)境意義和科學上的不確定性，引起社會各界特別是學術界相關領域學者的廣泛關注。由于近100年來，地球表面溫度顯著上升，全球氣候變暖以及由此引起的地球氣候系統(tǒng)其他圈層要素的明顯變化，促使氣候變化成為科學研究的熱點[1]。同時，判斷當前全球溫度變化的總趨勢，也已成為研究氣候變化一個至關重要的問題[2]。IPCC第4次全球氣候評估報告指出，近百年來，全球表面平均氣溫升高了0.74℃，并預測21世紀末，全球地表平均增溫1.1～6.4℃[3-5]。但從區(qū)域和季節(jié)上看，氣溫的上升速率具有明顯的差異[6]。我國由于地域遼闊，受地形及季風影響，各地區(qū)氣溫變化及各季節(jié)氣溫變化趨勢各異[7]。研究發(fā)現(xiàn)：1951—2004年，在全國范圍內的年平均地面氣溫，除四川盆地和云貴高原北部有較小的下降趨勢外，其他地區(qū)一般呈上升趨勢[8-9]。張晶晶等[2]的研究也發(fā)現(xiàn)：1951—2000年，我國大陸35°N以北地區(qū)，年平均氣溫變暖趨勢顯著大于35°N以南，35°N以北地區(qū)冬季的變暖速率顯著大于夏季和年平均氣溫的升溫速率。不同地區(qū)和季節(jié)的氣溫變化差異對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣候資源的開發(fā)利用以及生態(tài)環(huán)境等均會產(chǎn)生不同的影響。因此，在全球氣候變暖[10-11]的大背景下，研究某一地區(qū)氣溫變化的特征與趨勢，對于了解該地區(qū)氣候變化特征，進行氣候因子變化的討論，做好短期氣候和氣候災害預測，合理開發(fā)利用氣候資源，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境等方面具有重要意義[12-14]。

漢中市地處陜西西南部，北依秦嶺，南屏巴山，屬暖溫帶和亞熱帶氣候的過渡帶，四季分明，溫暖濕潤[15]。漢中盆地是陜西省水稻和油菜的主產(chǎn)區(qū)，素有陜南“糧倉”之稱。氣候變化引起的氣溫、日照和降雨等因素的變化，將對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生影響。同時，漢中屬于我國國家級重點生態(tài)功能區(qū)，也是南水北調中線水源涵養(yǎng)區(qū)，因此，研究該區(qū)氣候變化特征，可對該區(qū)城市規(guī)劃、生態(tài)環(huán)境建設與保護、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及氣象災害的防災減災等提供重要的參考依據(jù)。已有學者對漢中市的氣溫、日照和降雨等氣候變化特征進行過研究，但已有研究大都集中在年均氣溫、降水和日照特征以及旱澇災害等極端氣象災害的分析方面[16-18]，而對于漢中市年均氣溫和各季節(jié)氣溫的變化特征未有深入的分析?；诖?，本文以漢中市為研究對象，采用1951—2010年近60年逐日氣溫作為基礎資料，運用氣候傾向率、滑動平均法、M-K趨勢檢驗和突變分析等方法對漢中市年均氣溫和各季節(jié)氣溫的變化特征進行分析，以期探明近60年來漢中市氣溫的年變化和季節(jié)變化規(guī)律與趨勢。

1　材料與方法

1.1研究區(qū)概況

漢中市(33°02′—33°22′N，106°51′—107°10′E)位于陜西省西南部，地處秦巴山區(qū)西段，北靠秦嶺、南倚米倉山(即大巴山西段)，中為漢江上游谷地平壩(即漢中盆地)。全市轄漢臺區(qū)、南鄭、城固、洋縣、西鄉(xiāng)、勉縣、寧強、略陽、鎮(zhèn)巴、留壩、佛坪11個縣區(qū)，土地面積約2.7萬km2。地勢南北高，中間低，形成了“兩山夾一川”的地貌骨架。氣候類型屬內陸東亞季風氣候，由于盆地地形影響，自漢江谷地到秦嶺山地，氣候垂直差異明顯。隨著海拔高度的不同，分為3種不同的氣候類型：海拔800 m以下的北亞熱帶氣候、海拔800～1 250 m的暖溫帶濕潤氣候、海拔1 250 m以上的中溫帶濕潤氣候。多年平均氣溫14.3℃，年最高平均氣溫19.2℃，年極端最高氣溫38℃(1953年8月18日)；年平均最低溫度10.6℃，年極端最低氣溫-10.1℃(1957年1月14日)。多年平均降水量為700～1 700 mm，年平均風速為1～2.5 m/s[19]。

1.2數(shù)據(jù)來源

本文利用中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)提供的漢中市1951—2010年逐日氣溫作為基礎資料，因1968年5—8月氣象數(shù)據(jù)缺測，為保證數(shù)據(jù)序列的一致性和完整性，在研究中不包括1968年氣溫資料，運用1951—2010年(除1968年外)的59 a數(shù)據(jù)進行氣溫變化特征分析。季節(jié)的劃分按：春季為3—5月，夏季為6—8月，秋季為9—11月，冬季為12—次年2月。

1.3分析方法

采用氣候傾向率、滑動平均法、M-K趨勢檢驗和突變分析方法[20]進行漢中市年均氣溫和各季節(jié)氣溫的變化特征分析。

(1) 氣候傾向率。用xi表示樣本量為n的某一氣候變量，用ti表示xi所對應的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸：

xi=a+bti(i=1,2,3,…,n)

(1)

式中：a——回歸常數(shù)；b——回歸系數(shù)。a和b用最小二乘法進行估計。回歸系數(shù)b表示氣候變量x的趨勢傾向，當b>0時，說明隨時間t的增加，x呈上升趨勢；當b<0時，說明隨時間t的增加，x呈下降趨勢。b值的大小反映了上升或下降的速率，b×10即為氣候傾向率，單位為℃/10 a。

(2) 滑動平均法?；瑒悠骄ㄊ且环N平滑和濾波的數(shù)據(jù)處理方法，通過平均方式，消除統(tǒng)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，數(shù)學表達式如下：

(2)

(3) M-K趨勢檢驗與突變分析。Mann-Kendall法(M-K法)是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，可以明確突變開始的時間，是一種常用的突變檢測方法。計算方法如下：

對于具有n個樣本的時間序列x，構造一個秩序列：

(3)

其中：當xi>xj時，ri=1，否則，ri=0，j=1,2,3,…,i。在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量：

(4)

式中：UF1=0；E(Sk)，var(Sk)——累計數(shù)Sk的均值和方差；UFi為標準正態(tài)分布，是按時間序列x順序x1，x2，…，xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。

2　結果與分析

2.1漢中市年均氣溫變化特征

2.1.1年均氣溫的年際變化從1951—2010年漢中市年均氣溫年際變化趨勢可以看出(圖1)：近60年來漢中市年均氣溫呈升高趨勢，氣溫傾向率為0.18℃/10 a，低于中國近50年(1954—2004年)的增溫速率0.25℃/10 a[6]。從10年滑動平均曲線可以看出，20世紀50—70年代中期氣溫變化相對平穩(wěn)，70年代中期—80年代中期氣溫呈明顯下降趨勢，而在80年代中期以后，氣溫持續(xù)上升。90年代中期以前，10年滑動平均值長期處于多年平均值以下，在90年代中期以后，持續(xù)高于多年平均值，且高于平均值的幅度逐漸增大，21世紀初達到極值。按年平均氣溫的10年滑動平均值小于多年平均氣溫為偏冷期，反之為偏暖期來劃分，漢中市年平均氣溫經(jīng)歷了冷暖兩個時期，以20世紀90年代中期為界，前期為偏冷期，后期為偏暖期。其中，最低年均氣溫出現(xiàn)在1976年，為13.64℃，最高年均氣溫出現(xiàn)在2006年，為15.74℃。

圖1　1951-2010年漢中市年平均氣溫年際變化趨勢

2.1.2年均氣溫的年代際變化漢中市年平均氣溫表現(xiàn)出明顯的年代際變化特征(圖2)，從20世紀50年代—21世紀初，年平均氣溫每10年變化分別為0.11，0.01，-0.29，0.60，0.57℃。20世紀50—70年代的30年間，年均氣溫略有升高，但整體相對平穩(wěn)，80年代年均氣溫處于最低值，為14.02℃，而在80年代以后，年均氣溫持續(xù)上升。年均氣溫的年代際變化特征表現(xiàn)出“平緩上升—下降—顯著上升”的趨勢，80年代為低溫期。

圖2　漢中市不同年代年均氣溫變化趨勢

2.1.3年均氣溫的突變分析運用M-K法檢驗漢中市年平均氣溫的突變趨勢，分析結果可以看出(圖3)：20世紀50—80年代的30余年間，漢中市年均氣溫呈波動性變化，并沒有表現(xiàn)出明顯的增加或減小趨勢；20世紀80—90年代，漢中市年均氣溫呈明顯下降趨勢，1989年達到最低值，平均氣溫為13.81℃，之后，從20世紀90年代開始，年均氣溫開始持續(xù)回升，特別是21世紀以來，年均氣溫上升趨勢達到顯著水平(α=0.05)，UF曲線值明顯超過臨界值(顯著性水平α=0.05時的顯著性臨界值μa=1.96)。根據(jù)UF和UB兩條曲線在臨界值之間的交點位置，可以確定年均氣溫的突變時間從1999年開始。突變前年均氣溫14.28℃，突變后的年平均氣溫為15.18℃，較突變前上升了0.9℃。這與劉陽等[15]對1960—2009年漢中市年平均氣溫突變監(jiān)測發(fā)現(xiàn)的漢中市年均氣溫在1997年發(fā)生突變的研究結果略有不同，這可能與氣溫數(shù)據(jù)時間序列有關，但總體規(guī)律基本一致，即在20世紀90年代后期，漢中市年平均氣溫發(fā)生突變，并持續(xù)增溫變暖。

圖3　1951-2010年漢中市年平均氣溫突變分析

2.2漢中市各季節(jié)氣溫變化特征

2.2.1各季氣溫的年代際變化由圖4可知，春季氣溫的年代際變化在20世紀90年代之前基本平穩(wěn)，而在20世紀90年代略有增加，較之20世紀80年代增加約0.3℃，之后春季氣溫持續(xù)增加，21世紀漢中春季氣溫增至16.10℃，較20世紀90年代增加1.4℃(圖4A)。夏季氣溫的年代際變化呈現(xiàn)震蕩趨勢，20世紀50—70年代，夏季氣溫的年代際均值先增后減，但變化幅度不大，在±0.3℃左右，20世紀80年代出現(xiàn)低值，約為23.94℃，之后夏季氣溫的年代際均值呈持續(xù)上升趨勢，至21世紀達到25.18℃(圖4B)。秋季氣溫在20世紀90年代之前基本平穩(wěn)，之后持續(xù)增溫(圖4C)。冬季氣溫的年代際變化與春秋兩季相似，即20世紀90年代之后開始持續(xù)增溫(圖4D)?？傮w上，漢中市四季氣溫的年代際變化均表現(xiàn)出自20世紀90年代開始持續(xù)增加的趨勢。

圖4　1951-2010年漢中市各季節(jié)平均氣溫的年代際變化

2.2.2各季節(jié)氣溫的年際變化漢中市春季氣溫整體上呈上升趨勢(圖5A)，氣溫傾向率為0.24℃/10 a。從10年滑動平均曲線可以看出，20世紀90年代以前，漢中市春季氣溫相對平穩(wěn)，起伏不大，但整體上均低于春季平均氣溫(14.83℃)，屬于偏冷期，而在90年代以后，春季氣溫開始陡增，且持續(xù)增溫，至20世紀90年代中期(1995年前后)，漢中市春季氣溫連續(xù)高于春季平均氣溫，進入偏暖期。

夏季氣溫總體上呈現(xiàn)出“V”型變化特征(圖5B)，氣溫傾向率為0.07℃/10 a，是四季中升溫幅度最小的季節(jié)，對年氣溫變化的影響最小。10年滑動平均曲線顯示，20世紀70年代之前氣溫偏暖，70—90年代中期偏冷，且在70—80年代中期的10余年間，漢中市夏季氣溫表現(xiàn)出明顯的下降趨勢，并于1983年達到最低值，為22.92℃，之后夏季氣溫急劇變暖，到90年代中期開始夏季氣溫高于夏季平均氣溫，進入偏暖期，且氣溫有持續(xù)增長趨勢，進入21世紀，夏季氣溫的增長趨勢減慢，震蕩波動明顯。近60年間，漢中市2006年夏季氣溫最高，為26.54℃。

秋季氣溫呈波動上升趨勢(圖5C)，氣溫傾向率為0.16℃/10 a。10年滑動平均曲線顯示，在20世紀50—70年代，秋季氣溫呈波動性下降趨勢，但降溫趨勢不明顯，而在70年代之后，氣溫呈明顯的震蕩型升高，年際間氣溫差異較大，最高氣溫出現(xiàn)在1998年，為16.31℃，最低氣溫出現(xiàn)在1981年、1992年，分別為13.37℃和13.35℃，最高氣溫和最低氣溫相差近3℃。與春夏兩季相似，秋季氣溫在20世紀90年代之后，滑動平均值高于平均氣溫，進入偏暖期，之前為偏冷期。

冬季氣溫變化趨勢與年均氣溫的年際變化趨勢相似，也呈波動上升趨勢(圖5D)，氣溫傾向率為0.24℃/10 a。10年滑動平均曲線顯示，冬季氣溫變化大致分為兩個階段：21世紀90年代之前為偏冷期，之后則進入偏暖期，且年際間氣溫震蕩變化明顯，最低氣溫出現(xiàn)在1967年，為2.05℃，最高氣溫出現(xiàn)在2007年，為5.31℃，最高氣溫與最低氣溫相差約3.5℃。

總體上，漢中市近60年來春夏秋冬4個季節(jié)的氣溫均呈上升趨勢，且冬春兩季增溫明顯，變化速率均為0.24℃/10 a，秋季次之，夏季最小。這與我國近50年來(1951—2004年)四季平均氣溫的上升趨勢一致，但增溫速率均小于全國的平均水平[8]。另外，從20世紀90年代開始，漢中市四季的氣溫均有明顯的增溫趨勢，且高于各季節(jié)平均氣溫，為偏暖期。

2.2.3各季氣溫的突變分析M-K突變分析結果表明(圖6)，漢中市春季氣溫整體呈上升趨勢，且自21世紀初開始上升趨勢明顯，UF曲線超過臨界值，由UF與UB兩條曲線在臨界值的交點位置，可以確定春季氣溫的突變從1999年開始，突變前春季平均氣溫14.56℃，突變后為15.92℃，較突變前上升1.36℃。夏季氣溫從20世紀90年代開始呈上升趨勢，但UF曲線未超過臨界值，說明夏季氣溫增溫趨勢不顯著，且沒有明顯的突變點。1951—2010年秋季氣溫呈波動上升趨勢，并在21世紀初呈顯著上升趨勢，且UF曲線超過臨界值，但突變點不明顯，也說明秋季氣溫未發(fā)生明顯的突變。冬季氣溫在20世紀70年代之前震蕩變化明顯，氣溫忽高忽低，而在70—90年代，氣溫波動趨勢趨于平緩，整體略有上升，90年代之后冬季氣溫開始顯著上升，UF曲線明顯超過臨界值，突變時間在1997年，突變前冬季平均氣溫為3.44℃，突變后為4.56℃，較突變前上升1.02℃。

圖5　1951-2010年漢中市各季節(jié)平均氣溫的年際變化趨勢

圖6　1951-2010年漢中市各季節(jié)氣溫突變特征

3　結 論

(1) 漢中市近60年來年平均氣溫呈上升趨勢，氣溫傾向率為0.18℃/10 a，但增溫速率明顯低于全國同期平均水平。年平均氣溫在近60年間經(jīng)歷冷暖兩個時期，分界點為20世紀90年代中期，之前為偏冷期，之后為偏暖期。年均最低氣溫出現(xiàn)在1976年，為13.64℃，最高氣溫出現(xiàn)在2006年，為25.74℃。

(2) 近60年來，漢中市年平均氣溫的年代際變化特征表現(xiàn)出“平緩上升—下降—顯著上升”的趨勢，20世紀80年代為低溫期，20世紀90年代和21世紀的頭十年增溫明顯，增溫速率分別達到0.60℃/10 a和0.57℃/10 a，明顯高于全國同期平均水平。另外，近60年間，漢中市年均氣溫存在明顯的突變點，突變時間為1999年，突變后年均氣溫比突變前高0.9℃。

(3) 漢中市四季平均氣溫在近60年間均表現(xiàn)出自20世紀90年代開始明顯增溫的趨勢，且高于各季節(jié)平均氣溫，為偏暖期，但各季節(jié)氣溫變化存在明顯的差異，表現(xiàn)為：冬春兩季增溫明顯，氣溫傾向率均為0.24℃/10 a，秋季次之，夏季最小，但增溫速率均小于全國同期平均水平。另外，冬春兩季平均氣溫在近60 a間存在明顯的突變點，突變時間分別為1999年和1997年，而夏秋兩季沒有出現(xiàn)明顯的突變點。

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Characteristics of Air Temperature in Hanzhong City from 1951 to 2010

WANG Zhijie1, 2, SU Yuan3

(1.CollegeofLifeSciences,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China; 2.QinlingandIntonesGeographyResearchInstitute,SchoolofHistoryandTourism,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,Shaanxi723000,China: 3.SchoolofLiterature,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong,Shaanxi723000,China)

Air temperature change is one of important issues in the research of global climate change. The trend of annual and seasonal air temperature in different regions of China is various due to the influence of terrain and monsoon. Using the daily and annual average temperature from 1951 to 2010 as the basic data with the climate trend rate, the moving average method, and the M-K trend test and mutation analysis method, we analyzed the characteristics of the annual and seasons air temperature in Hanzhong City. The results showed that: (1) the average annual air temperature of Hanzhong City in nearly 60 years had the increasing trend, and the temperature tendency rate was 0.18℃/10 a, it experienced two periods: the cold stage before the mid-1990s is and warm stage after mid-1990s; (2) the decadal variability of annual average temperature displayed the ‘gently increasing-decreasing-significantly increasing’ trend, the temperature had the obvious mutation with the mutation time in 1999, the annual average temperature after mutation was 0.9℃ higher than that before mutation; (3) the average air temperature of the four seasons was obvious increasing since the 1990s, and the air temperature after 1990s was higher than the average temperatures of all seasons. The increasing rate of air temperature was greater in spring and winter than in autumn, and then in summer, however, it was less than the same period level in China; (4) the average air temperature of winter and spring in nearly 60 years had the obvious mutation with the mutation times in 1999 and 1997, respectively, however, it was not obvious mutation in summer and autumn.

air temperature; trend analysis; mutation analysis; Hanzhong City

2015-01-18

2015-01-28

陜西理工學院科研計劃資助項目“陜南低山丘陵區(qū)土地利用變化及其對土壤侵蝕的影響”(SLGKYQD2-32)

王志杰(1986—),男,甘肅會寧人,講師,博士,主要從事區(qū)域環(huán)境演變監(jiān)測與評價、遙感與GIS應用研究。E-mail:wzhijie@snut.edu.cn

蘇嫄(1986—),女,陜西子長人,碩士,研究方向為生態(tài)規(guī)劃與評價。E-mail:suyuangood0124@126.com

P423.3

A

1005-3409(2016)01-0169-06