陳 楠

(山東省菏澤市氣象局，菏澤 274000)

0 引言

全球氣候變暖已經(jīng)成為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，全球氣候系統(tǒng)正經(jīng)歷著一次以氣候變暖為主要特征的變化。在過(guò)去100年的時(shí)間里，全球溫度升高了0.56～0.92℃，近50年變暖尤為明顯[1]。在全球氣候變暖的總體趨勢(shì)下，其氣候有漸變和突變的特點(diǎn)。近年來(lái)，一些專家和學(xué)者曾對(duì)全球及全國(guó)近100年的氣溫變化趨勢(shì)作過(guò)深入的探討，從宏觀角度分析了氣溫的增暖趨勢(shì)及時(shí)空變化特征[2]，但大多數(shù)是針對(duì)區(qū)域性比較大的范圍進(jìn)行的分析，而對(duì)某一點(diǎn)的氣溫變化趨勢(shì)的分析還不太多，因此，文章選取菏澤作為研究對(duì)象。

目前，國(guó)內(nèi)外的許多專家和學(xué)者分析了氣溫的變化趨勢(shì)。如王勁松等[3]分析了近50 年來(lái)西北地區(qū)氣溫變化的特征，得出西北地區(qū)的年和四季均表現(xiàn)出較為明顯的增溫趨勢(shì)。丁一匯等[4]研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)的增溫趨勢(shì)與北半球的增溫大致相似，氣候變暖主要出現(xiàn)在華北、東北和西北西部地區(qū)。郭志梅等[5]分析發(fā)現(xiàn)中國(guó)北方地區(qū)近50年來(lái)平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫的增溫態(tài)勢(shì)十分明顯。韓翠華等[6]以中國(guó)623個(gè)測(cè)站1951～2010年逐日氣溫觀測(cè)資料為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，增暖趨勢(shì)在1961～1990年開(kāi)始出現(xiàn)，而其他區(qū)域則發(fā)生在1971～2000年及1981～2010年。翟獻(xiàn)帥等[7]研究表明，東北地區(qū)30年年均氣溫呈上升的趨勢(shì)。Prieto等[8]的研究表明西班牙半島的冬季低溫事件呈減少趨勢(shì)。竇坤等[9]分析了近53年菏澤0cm地溫的變化特征，近53年來(lái)，菏澤年平均地面溫度呈極顯著上升趨勢(shì)，平均每10年升高0.22 ℃。

菏澤屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，地處華北平原的南部，位于黃河南岸，當(dāng)?shù)刂饕Z食作物是小麥和玉米。該文通過(guò)分析菏澤多時(shí)間尺度氣溫的變化特征及其突變性，對(duì)菏澤氣溫的中長(zhǎng)期氣候預(yù)測(cè)及應(yīng)對(duì)氣候變化具有重要意義，同時(shí)也為合理配置和布局生態(tài)環(huán)境及政府指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科技支撐和理論支持。

1 資料與方法

菏澤市有9個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站，菏澤站位于菏澤市的中心位置，屬國(guó)家一般氣象站，氣象資料比較具有代表性。該文利用1971～2010年菏澤地面氣象觀測(cè)站提供的逐日氣溫資料，對(duì)從年際、年代及季節(jié)等多時(shí)間尺度，研究了氣溫的變化特征。運(yùn)用一元一次線性回歸法、累計(jì)距平法、變異系數(shù)法、M-K檢驗(yàn)法等方法進(jìn)行了分析[10]。

該文的季節(jié)劃分采用氣候?qū)W的劃分標(biāo)準(zhǔn)即3～5月為春季， 6～8月為夏季， 9～11月為秋季， 12月至次年2月為冬季。

1.1 一元線性擬合方程

假設(shè)：yt=a+bx(t=1， 2， 3， 4…n)

(1)

式(1)表示用一條直線表示y和時(shí)間x之間的關(guān)系。a為回歸常數(shù)；b為回歸系數(shù)，b表示氣溫的氣候傾向率，b>0 說(shuō)明y呈上升趨勢(shì)，b<0 說(shuō)明y呈下降趨勢(shì)，b的大小表明氣溫增加或減少的變化速率， 10b定義為氣溫10年的傾向率，傾向率的大小表明氣溫變化速率的大小。

1.2 累積距平法

計(jì)算距平用的平均值是以1971～2010年40年的氣溫平均值為氣候平均值。累積距平是一種用曲線來(lái)判斷氣溫變化趨勢(shì)的方法。對(duì)于序列X，其某一時(shí)刻t的累積距平可表示為：

(2)

根據(jù)式(2)求出每一年的累積距平值，即可繪制氣溫的累積距平曲線，對(duì)氣溫的變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，當(dāng)曲線上升時(shí)，表明氣溫處在偏高階段，當(dāng)曲線為下降趨勢(shì)，則表明氣溫處在偏低階段。

1.3 變異系數(shù)法

采用變異系數(shù)30年滑動(dòng)平均方法，可以分析出1971～2010年菏澤各時(shí)段氣溫變異情況，變異系數(shù)的計(jì)算公式：

(3)

1.4 相關(guān)系數(shù)

在進(jìn)行顯著性的檢驗(yàn)時(shí)，給定顯著性水平α，若|r|>rα，表明各氣象要素的變化是顯著的，否則是不顯著的。

在分析氣溫變化與年代之間的關(guān)系時(shí)，采用相關(guān)分析方法，所用相關(guān)系數(shù)計(jì)算見(jiàn)式(4)。

(4)

1.5 Mann-Kendall檢驗(yàn)法

為了解菏澤氣溫變化特征，采用M-K法(即Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，用該方法來(lái)確定氣溫突變開(kāi)始的時(shí)間。

Mann-Kendall法具體計(jì)算方法為[11]：對(duì)具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列Sk，見(jiàn)式(5)。

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，第i時(shí)刻的數(shù)值大于j時(shí)刻的數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)為秩序列Sk。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立假設(shè)的條件下，定義統(tǒng)計(jì)量UFk，見(jiàn)式(7)。

(7)

由式(7)可知：UF1=0;E(Sk)表示累計(jì)數(shù)Sk的均值；VAR(Sk)表示累計(jì)數(shù)Sk的方差。所有的UBk組成的1條曲線UB，依據(jù)同樣的方法可以用到反序列中，得到另一條曲線UF。在UF和UB曲線圖當(dāng)中，當(dāng)序列呈下降的趨勢(shì)時(shí)，則UF或UB的值小于0，； 當(dāng)表明序列呈上升的趨勢(shì)時(shí)，則UF或UB的值大于0。當(dāng)UF和UB超過(guò)臨界線時(shí)，表明序列上升或下降趨勢(shì)顯著。當(dāng)UF和UB兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)時(shí)，且交點(diǎn)在兩條臨界線之間，那么交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間就是突變開(kāi)始的時(shí)間。當(dāng)交點(diǎn)出現(xiàn)在臨界線以外時(shí)，那么就應(yīng)當(dāng)結(jié)合其他的檢驗(yàn)方法來(lái)進(jìn)一步確定該時(shí)間點(diǎn)是否發(fā)生突變。

2 結(jié)果與分析

2.1 年平均氣溫變化特征分析

2.1.1 年平均氣溫的基本氣候特征

菏澤的年平均氣溫為14.1℃， 1月、4月、7月、10月的月平均氣溫分別為-0.64℃、14.9℃、26.5℃、15℃，這表明菏澤4季分明。年平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差夏季最小，冬季最大，春秋季居中(表1)。

表1 1971～2010年菏澤季度平均氣溫、年平均氣溫

℃

2.1.2 年平均氣溫主要特征分析

通過(guò)對(duì)菏澤40年來(lái)的年平均氣溫分析來(lái)看，由圖1a可以看出，近40年來(lái)，菏澤年平均氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，并以0.36℃/10年的氣候傾向率增加，高于中國(guó)年平均氣溫的增加速率(0.22℃/10年)。在1971～2010年間，年平均氣溫最高為15.3℃(出現(xiàn)在2006年)， 1984年平均氣溫最低為13.1℃，極差為2.2℃。經(jīng)檢驗(yàn)，菏澤近40年年平均氣溫與年序之間的相關(guān)系數(shù)R，通過(guò)了信度為α=0.001的顯著性檢驗(yàn)，則說(shuō)明年平均氣溫增加趨勢(shì)極其顯著。

以零距平為界，正距平稱之為暖期，反之為冷期。通過(guò)分析六階多項(xiàng)式擬合線可以看出，近40年來(lái)菏澤的年平均氣溫經(jīng)歷了兩次顯著的波動(dòng)，即1971～1993年氣溫以負(fù)距平為主，持續(xù)時(shí)間達(dá)23年，是相對(duì)較冷的時(shí)期，平均偏低0.15℃， 1984年是建站以來(lái)最冷的時(shí)期，其中有7年是正距平，溫度偏高幅度小。1994～2010年氣溫以正距平為主，維持了17年，平均偏高0.7℃，增溫幅度比較明顯，屬偏暖階段，其中有2年是負(fù)距平，分別出現(xiàn)在1996年、2003年(圖1b)。

圖1 1971～2010年菏澤年平均氣溫變化趨勢(shì)(a)、年平均氣溫距平變化(b)

表2 近40年菏澤與全國(guó)年平均氣溫變化速率對(duì)比 ℃/10年

表3 菏澤氣溫變異系數(shù) %

2.2 季平均氣溫的變化

圖2為菏澤的四季氣溫變化曲線。從圖2可以看出，近40年來(lái)菏澤四季和全年的平均氣溫都呈上升的趨勢(shì)，這是對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)。40年來(lái)冬季的平均氣溫上升趨勢(shì)最為明顯，線性速率為0.54℃/10年，通過(guò)了信度為α=0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，是夏季上升幅度的3倍，是年趨勢(shì)的2倍，是氣候變暖最突出的時(shí)段。春季的年升溫幅度僅次于冬季，氣候傾向率為0.41℃/10年，通過(guò)了信度為α=0.001的顯著性水平檢驗(yàn)。秋季平均氣溫的氣候傾向率為0.28℃/10年，通過(guò)了0.01的信度檢驗(yàn)。夏季平均氣溫的變化趨勢(shì)也不明顯，線性增暖率為0.17℃/10年，通過(guò)了0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。從圖2中看出,春季、秋季、冬季氣溫在20世紀(jì)90年代以前年際變化以波動(dòng)為主，各年代年均氣溫變化并不大，主要升溫體現(xiàn)在20世紀(jì)90年代以后，而夏季氣溫則在20世紀(jì)50年代末到20世紀(jì)60年代升溫較明顯，其后變化不大。這表明，菏澤氣溫的變化并不是以逐漸升溫來(lái)表現(xiàn)，而是具有突變的特征，其中春季和冬季變暖最為顯著，其次是秋季，夏季則升溫不明顯。

從表2可以看出，菏澤的春季、夏季、秋季和冬季，均高于全國(guó)同期的增溫率，表明菏澤的增暖趨勢(shì)與全球增暖一致，且增暖幅度明顯。菏澤的氣候變暖中，冬季增溫幅度最為明顯，增溫速率比全國(guó)平均高0.15℃/10年。夏季的增溫幅度最小，增溫速率比全國(guó)平均高0.02℃/10年。

2.3 氣溫離散度分析

變異系數(shù)是衡量資料中各觀測(cè)值變異程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量，可以客觀地衡量一個(gè)氣象要素在時(shí)間序列上的離散程度，表3是1971年以來(lái)，菏澤的春、夏、秋、冬與全年氣溫的30年滑動(dòng)平均變異系數(shù)[12]。

從表3可以看出，菏澤夏季氣溫變異系數(shù)最小，冬季氣溫變異系數(shù)最大，春季和秋季氣溫變異系數(shù)居中。說(shuō)明菏澤年夏季平均氣溫年際間波幅較小，夏季氣溫較為穩(wěn)定； 冬季平均氣溫年際間波幅較大，氣溫不穩(wěn)定，出現(xiàn)冷冬和暖冬的可能性較大； 同時(shí)也說(shuō)明春、秋季氣溫多變，春、秋季節(jié)氣溫不穩(wěn)定。就四季和全年平均氣溫變異系數(shù)的變化而言，四季的變異系數(shù)均呈增加趨勢(shì)。

圖2 1971～2010年菏澤四季平均氣溫的變化趨勢(shì)

圖3 1971～2010年菏澤年最高、最低氣溫變化趨勢(shì)

2.4 年最高、最低氣溫變化

菏澤的年最高氣溫在35.3℃(1991年)～41.1℃(2009年)之間(圖3)，多出現(xiàn)在6月、7月、8月。最高氣溫以平均每10年升高0.13℃的速率增加，未通過(guò)信度檢驗(yàn)，故最高氣溫(白天氣溫)近40年來(lái)的變化趨勢(shì)不顯著。春季、秋季及冬季的最高氣溫均未通過(guò)信度檢驗(yàn)，即變化不顯著，最高氣溫的變化幅度為秋季最大。20世紀(jì)以前的30年里大于40℃的年極值僅出現(xiàn)過(guò)1次， 21世紀(jì)的前10年里大于40℃的年極值出現(xiàn)了4次，極端最高氣溫頻現(xiàn)，表明進(jìn)入21世紀(jì)后菏澤極端高溫天氣有所增加。

菏澤的年最低氣溫在-16.5℃(1990年)～-6.5℃(2007年)之間(圖3)，多出現(xiàn)在1月和12月。最低氣溫以0.59℃/10年趨勢(shì)緩慢升高，通過(guò)了信度為α=0.05的顯著性檢驗(yàn)，表明菏澤的最低氣溫(夜間氣溫)有較強(qiáng)的增溫趨勢(shì)，其增溫趨勢(shì)大于白天的增溫趨勢(shì)，溫度日較差減小，氣溫日變化幅度縮小，氣候在變暖的同時(shí)也變得溫和。其中春季、秋季及冬季氣溫的最低氣溫均通過(guò)了信度為α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，最低氣溫的升高趨勢(shì)達(dá)到極顯著水平。最低氣溫則屬冬季變化最大，其次為春季。

2.5 高、低溫日數(shù)分析

以日最高氣溫≥35℃，為高溫天氣； 日最低氣溫≤-10℃，為低溫天氣。統(tǒng)計(jì)出1971～2010年菏澤的高溫日數(shù)為419d，低溫日數(shù)為111d。高溫日數(shù)一般出現(xiàn)在6月和7月，偶爾出現(xiàn)在8月； 低溫日數(shù)一般出現(xiàn)在1月和12月。由圖4可知，菏澤的年高溫日數(shù)呈增加的趨勢(shì)，平均每10年分別增加1.09d，未通過(guò)信度檢驗(yàn)。由6階多項(xiàng)式擬合曲線可以看出，高溫日數(shù)經(jīng)歷了3次顯著的波動(dòng)，分別出現(xiàn)20世紀(jì)80年代以前、20世紀(jì)80年代至90年代初期、 21世紀(jì)之后[20]。

菏澤的低溫日數(shù)以0.8℃/10年呈減少趨勢(shì)。在近40年來(lái)菏澤年極端最高氣溫高于40℃的年份有4年，高溫日數(shù)多的年份集中在2000～2010年，高溫日數(shù)為148 d。極端最低氣溫低于-15℃的年份有1年，出現(xiàn)在1971年。極端溫度日數(shù)總體上呈增加的趨勢(shì)，極端溫度中的高溫趨高、低溫趨高。

圖4 1971～2010年菏澤高、低溫日數(shù)變化趨勢(shì)

圖5 菏澤平均氣溫的Mann-Kendall檢驗(yàn)

2.6 菏澤氣溫的突變性檢驗(yàn)

該文主要通過(guò)Mann-Kendall檢驗(yàn)法，對(duì)菏澤的年平均氣溫，最高、最低氣溫進(jìn)行突變性檢驗(yàn)。

2.6.1 年平均氣溫的突變性檢驗(yàn)

對(duì)近40年菏澤的年平均氣溫進(jìn)行突變性檢驗(yàn)，通過(guò)分析，繪制出正向的序列UF、反向的序列UB曲線圖，可計(jì)算出臨界值為1.96。由圖5可知，從菏澤年平均氣溫的M-K突變檢測(cè)中UF和UB曲線的交點(diǎn)位置確定，且交點(diǎn)在置信區(qū)間內(nèi)，因此確定菏澤的平均氣溫20世紀(jì)90年代發(fā)生了突變，其突變年份是從1993開(kāi)始的。1971～1987年平均氣溫較低，平均氣溫為13.7℃，屬于偏冷階段， 1987年后平均氣溫升高，平均氣溫為14.0℃，且超過(guò)0.05顯著水平線，氣溫上升趨勢(shì)顯著，則表明從1987年開(kāi)始一直存在增溫的趨勢(shì)。UF曲線從1999年開(kāi)始超過(guò)了0.001顯著性水平(∣U0.001∣=2.93)的臨界值，表明升溫趨勢(shì)達(dá)到了極顯著，因此菏澤的平均氣溫有明顯的增暖趨勢(shì)，且平均氣溫增暖前后兩時(shí)段年平均氣溫差值為0.9℃。

2.6.2 年最高、最低氣溫的突變性檢驗(yàn)

通過(guò)分析1971～2010年菏澤年最高、最低氣溫的M-K突變檢驗(yàn)曲線(圖6)。年最高氣溫在臨界值[-1.96， 1.96]之間有4個(gè)交點(diǎn)，分別是1973年、1974年、1979年、2008年。但只有在1979年相交后UB超過(guò)了臨界值1.96，因此可以認(rèn)為年最高氣溫發(fā)生了1次突變，即1979年為突變點(diǎn)。

年最低氣溫在臨界值[-1.96， 1.96]之間有多個(gè)交點(diǎn)，但是只有1982年相交后UF超過(guò)臨界值，因此認(rèn)定在年最低氣溫發(fā)生了1次突變，即1982年為突變點(diǎn)。

圖6 菏澤最高、最低氣溫的Mann-Kendall檢驗(yàn)

2.7 菏澤氣溫變化可能的原因

近40年來(lái)菏澤的氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，其主要原因是由人類(lèi)活動(dòng)和自然變化引起的。二氧化碳等溫室氣體的增加是導(dǎo)致氣溫升高的主要原因。人口劇增、大氣環(huán)境污染、城市化進(jìn)程的加快也是氣溫變化的主要因素。菏澤氣溫的顯著上升與全國(guó)大部分地區(qū)的升溫是一致的，這種上升與大氣環(huán)流的變化和調(diào)整具有直接的關(guān)系，許多研究表明[13]，自20世紀(jì)80年代中后期以來(lái)， 500hPa中緯度緯向環(huán)流偏強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流偏弱，而副熱帶高壓自70年代末80年代初即進(jìn)入持續(xù)偏強(qiáng)期，這種環(huán)流特征使南下冷空氣偏少、偏弱，從而導(dǎo)致我國(guó)大部分地區(qū)氣溫偏高。

3 結(jié)論與討論

(1)1971～2010年菏澤的年平均氣溫呈明顯的上升趨勢(shì)，線性增暖率為0.36℃/10年，高于中國(guó)年平均氣溫的增加速率(0.22℃/10年)。氣溫的變化具有階段性， 20世紀(jì)80年代以前氣溫偏低， 90年代以后氣溫偏高(其中1994年為氣溫突變點(diǎn))。

(2)1971～2010年菏澤四季的年平均氣溫均呈顯著上升的趨勢(shì)，其中冬季升溫最為顯著，線性增暖為0.54℃/10年； 春季次之，氣候傾向率為0.41℃/10年； 再次是秋季，線性速率為0.28℃/10年； 夏季最小，氣候傾向率為0.17℃/10年。

(3)近40年來(lái)，菏澤年最高氣溫在35.3℃(1991年)～41.1℃(2009年)之間，以0.13℃/10年的線性傾向率增加，突變發(fā)生的時(shí)間為1979年。菏澤的年最低氣溫在-16.5℃(1990年)～-6.5℃(2007年)之間，以0.587℃/10年線性速率升高，突變發(fā)生的時(shí)間為1982年。最高氣溫的增溫趨勢(shì)明顯低于最低氣溫的增溫趨勢(shì)，其氣候傾向率和突變性存在明顯的非對(duì)稱性變化的特征。

(4)高溫日數(shù)(≥35℃)以1.09d/10年線性趨勢(shì)增加，低溫日數(shù)以0.81d/10年線性速率減少。極端溫度日數(shù)總體上呈增加的趨勢(shì)。

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