昆明地区近40a气温变化特征及其突变检验

梅媛媛，李 毅，龙荣华

(1.云南省昆明市农业气象试验站，云南 昆明 650091;2.云南省昆明市东川区气象局 东川 654100;3.云南省农业科学院园艺作物研究所，云南 昆明 650205)

1 引言

近年来，气候变化已引起了各国政府、科学家和普通民众的高度重视。气候变化最显著的特点是气候变暖［1］，而气候变化最敏感、最重要的指标就是气温变化，政府间气候变化专门委员会(IPCC)第三次评估报告认为:全球平均地面气温20世纪升高了0.6℃。在全球变暖的大背景下，近100 a中国地表年平均气温明显增加，升温幅度约为 0.5 ～0.8℃。［2］云南的许多气象学者也对云南的气候变化进行了多方面的研究。尤卫红等利用1901—1996年的气象资料研究表明，云南在20世纪90年代的气温变化处于较强的偏暖期［3］。姚愚等利用1961—2004年的气象资料研究表明，滇中地区是1994—2004年全省升温最显著的地区［1］。而在研究中加入最近10 a(2001—2010年)的气象资料等专门研究气温变化的文章则较少，这正是撰写本文的重要原因之一。

另一方面，昆明位居滇中，地理座标为102°10'～103°40'E，24°23'～26°22'N，市区海拔1 891 m，是云南省省会，中国首批历史文化名城，是云南省政治、经济、文化中心;是我国重要的旅游、商贸城市、西部地区重要的中心城市之一;亦是滇中城市群的核心圈;昆明同时也是全国十大旅游热点城市之一。此外，它还是中国面向东南亚、南亚开放的门户枢纽，是中国唯一面向东盟的“桥头堡”大都市。因而，昆明地区也自然成为滇中乃至云南的重要组成部分。然而，昆明地区的气候变化如何?特别是近些年来，气象灾害、极端气候事件频繁发生，给昆明地区各行各业都带来了很大影响。因此，在全球气候变暖的大背景下，撰写本文旨在研究昆明地区的温度变化特征、为昆明可持续发展的合理规划、为政府决策提供气候学的科学依据、为气候资源的科学开发利用提供重要依据、为气象预灾减灾提供科学参考、为未来气候趋势的预测等诸多方面都具有重要的现实意义和学术价值。

2 资料和方法

2.1 资料

使用昆明地区11站点(昆明、禄劝、富民、嵩明、宜良、石林、呈贡、晋宁、安宁、太华山、寻甸)1971—2010年整40 a的平均气温、平均最高气温、平均最低气温年值和月值气象资料。

2.2 方法

2.2.1 气候趋势分析 本文中以平均气温、平均最高气温、平均最低气温等年值为因变量，年序为自变量，进行一元线性回归分析，以直线斜率(回归系数)作为趋势指标(趋势系数)［4］来表达线性增温速率。根据气温逐年变化曲线和拟合趋势线来描述气温的时间变化和年际变化特征。

2.2.2 标准差S 标准差是描述变量样本序列中样本数据与其平均值差异的平均状况的统计量，它衡量资料围绕平均值的平均振动幅度。为了解平均气温、平均最高气温、平均最低气温年值对于其气候平均态的偏离程度［5］。本文使用标准差公式计算昆明地区历年年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温的标准差，计算公式如下:

其中，S、xi分别是标准差、样本值、样本平均值，n为样本数。

2.2.3 信噪比 SNR法(Yamamoto法) 天气过程的突变常用气候状态分布特征量随不同时段的变化来衡量，Yamamoto等人(1986)提出把几十年作为气候阶段，以相邻气候阶段的平均值的显著差异定义为气候突变。方法是选择某个参考年，分别计算两个气候阶段的平均值之差和标准差S1和S2，定义信噪比SNR作为相邻两个气候阶段差异的统计量，其计算公式为:

一般SNR＞1.0时，认为存在气候突变;若SNR＞2.0 则认为存在强突变［6］。

3 结果及讨论

3.1 气温的基本统计特征分析

由表1可见，昆明地区11站40 a年平均气温为15.1℃。其中，南部县区宜良、石林的年均温相对较高，分别为 16.5℃、16.1℃;北部县区嵩明、寻甸的年均温相对较低，分别为 14.2℃、14.8℃;太华山站属高山气象站(海拔2 358.3 m)，年均温最低，为12.5℃。经统计，40 a来，11站年平均气温从1971 年的14.0 上升到2010 年的16.5℃(表略)，40 a来共升高了2.5℃。

表1 1971—2010年昆明地区11站气温要素的基本统计特征量 (单位:℃)

从表1可知，昆明11站40 a年年平均最高气温为21.6℃、年平均最低气温为10.7℃;从气温的波动上看，平均最低气温标准差＞平均最高气温标准差＞平均气温标准差。这表明，40 a来昆明地区气温总体上呈波动上升趋势，最低气温的年际波动振幅最大，平均气温的年际波动相对较小。

3.2 气温年值的趋势变化

由图1可见，近40 a来昆明地区年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温的变化趋势总体上比较一致，都呈线性增高、波动上升趋势。年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温分别在14.5 ～16.8℃、20.7 ～23.1℃、8.8 ～11.8℃之间，其线性增温速率分别为 0.32℃ /10 a、0.3℃ /10 a、0.484℃/10 a。其中，年平均最低气温的线性增温速率最高，年平均最高气温的线性增温速率最低;年平均最低气温的线性增温速率比年平均最高气温的线性增温速率高0.184℃/10 a;年平均最低气温的线性升温率是年平均最高气温的线性升温率的1.6倍。三要素的线性增温趋势都通过了信度为0.001的显著性检验。

3.3 昆明地区1971—1990年和1991—2010年前后20a平均气温的年际变化对比

根据图2的分析结果，1971—1990年昆明地区平均气温线性升温率为0.177℃/10 a，而1991—2010年的线性升温率为0.557℃/10 a，后20 a的线性升温率是前20 a的3.15倍。从气温线性升温趋势的显著性来看，1971—1990年相关系数为0.305 1(显著性水平接近 0.05)，1991—2010 年相关系数为0.651 8(显著性水平为0.001)。由此可见，1971—1990年昆明地区气温升温趋势相对平缓，不太明显;而进入1990年以来，气候变暖明显加剧。

图1 1971—2010年昆明地区气温年值的逐年变化

3.4 春夏秋冬四季平均气温变化特征

从图3和各季平均气温的统计值(表略)可见，40 a来昆明地区春、夏、秋、冬四季的季平均气温分别为 16.5℃、19.8℃、14.8℃、8.5℃，四个季节的平均气温分别在 15.1 ～ 18.0℃、19.0 ～ 20.7℃、13.4～16.2℃ 和 6.7 ～10.5℃之间变化;四季的线性增温率分别为 0.254℃ /10 a、0.199℃ /10 a、0.317℃ /10 a和0.467℃/10 a;线性增温率是冬季＞秋季＞春季＞夏季，其中冬季线性增温率最大，夏季线性增温率最小，冬季的线性增温率是夏季线性增温率的2.3倍。秋季平均气温的线性增温率也较大，为0.317℃/10 a;而夏季平均气温升温幅度最小，为0.254℃/10 a。这与多数文献关于夏季气候变暖趋势不如冬季明显的结论一致［7］。因此，冬季、秋季变暖对年平均气温增温作用最大，尤其是冬季增温对昆明地区40 a来气候变暖的贡献最大。

图3 昆明地区1971—2010年四季平均气温变化曲线(a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季)

3.5 气温突变检验分析

气候突变是普遍存在于气候系统中的一个重要现象。气候突变是指气候要素从一个平均值状态到另一平均值状态的急剧变化，即从一种稳定态(或稳定的持续变化趋势)跳跃式地转变到另一种稳定态(或稳定的持续变化趋势)的现象。最基本的气候突变有4种类型，即:均值突变、方差突变、跷跷板突变和转折突变［8］，实际的突变往往是它们的组合。对于气候突变这一现象，研究的人很多，周浩等用小波分析和Mann-Kendall突变检验法对重庆市气候变化进行分析［9］。王宇等曾经利用 Mann-Kendall、MTT和SNR法对1921—1994昆明的年均温进行过趋势突变检验［6］，经过检验确定1957年为昆明年均温的突变点。但最近40 a来，在全球气候变化的大背景下，昆明地区是否也存在气温突变?本文用SNR法进行气温趋势突变检验(见表3)。

根据图1～图3、表2、表3以及11站点气温的多方面的综合分析，最近40 a中1997—1998年昆明平均气温跳跃幅度最大，11站年平均气温由1997年的15.3℃上升到16.3℃，各站点年平均气温升高幅度在0.8～11℃之间，气温跳跃式突增趋势明显(见表2)。为进一步研究其是否存在气候突变，本文用信噪比SNR法(Yamamoto法)，进行检验，计算结果见表3。

表2 1997—1998年昆明地区各站年平均气温对比(℃)

表3 指定1998年为突变年时昆明地区各站点气温年值信噪比(SNR值)

由表3可见，①昆明地区11站点年平均气温的SNR值为1.09，说明在1998年昆明地区年平均气温确实存在突变现象，其中昆明、嵩明、宜良、石林、呈贡、寻甸6站年平均气温通过突变检验。②对11站点年平均最高气温进行检验，只有昆明、晋宁2个站点的SNR值＞1，显然最高气温的突变基本不存在;③检验年平均最低气温的突变，得出昆明地区11站点年平均最低气温的SNR为1.52，比年平均气温的SNR高0.427，比年平均最高气温高0.672;11站点中除富民、晋宁、太华山3站的年平均最低气温未通过信噪比检验外，其余73%的站点都通过检验，说明昆明地区年平均最低气温存在突变;④比较年平均气温、年平均最低气温、年平均最高气温3者的SNR值，可知昆明地区低温突变比高温更激烈，这与前文中所得出的低温增温幅度大，对气候变暖贡献更大的结论相一致。

4 主要结论

①1971—2010年，昆明地区11站点年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温年际变化和变化趋势特征总体上比较一致，都表现为线性增高、波动上升趋势;最低气温的年际波动振幅最大，年平均气温的波动相对较小。

②近40 a来昆明地区年平均气温线性增温速率为0.32℃/10 a，高于全国平均气温线性升温率0.25℃ /10 a［10］;同时也高于云南省(1980—2004年)的平均升温率(0.24 ℃ /10 a)［1］。年平均最高气温、年平均最低气温的线性升温率分别为0.267℃ /10 a、0.459℃ /10 a。气温 3 要素中平均最低气温线性升温率最大，平均最高气温线性升温率最小。即在昆明气候变暖中，低温升高趋势更显著，低温增幅对气候变暖贡献率最大。

③昆明地区各季节都有气候变暖趋势，四个季节的线性增温率大小排序为:冬季＞秋季＞春季＞夏季，冬季线性增温率最大(0.467℃/10 a)，夏季线性增温率最小(0.254℃/10 a)，冬季增温对昆明地区气候变暖贡献最大。

④1971—2010年的40 a里，昆明地区确实发生了气温突变，突变年份为1998年。其中，年平均最低气温、年平均气温都存在显著的突变现象(区域平均信噪比SNR值分别为1.52、1.09)，年最高气温无显著的突变。

致谢:在本论文写作过程中得到了云南省气象局气象学会黄忠艳正研高工的鼎力指教和帮助。在此特表示感谢。

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