1954－2013年湖北省黄石市极值气温变化特征分析

2015-01-12张新宜周晓宇刘熠炎

气象研究与应用 2015年2期

张新宜周晓宇刘熠炎

（1．中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室，北京，100081； 2．湖北省黄石市气象局，黄石，435002；3．沈阳区域气候中心，沈阳，110016）

1 引言

第二次气候变化国家评估报告指出，1951－2009年，中国陆地表面平均气温上升1．38℃，变暖速率为 0．23℃ ／10a，与全球变暖趋势一致［1］。近年来许多学者对我国气温变化特征进行了研究和分析，卢雪勤等［2］根据广西百色站1951－2010年的气温资料，利用一元回归、Morlet小波分析等方法分析了百色气温气候变化规律。郝立生等［3］利用河北省60个气象观测站资料，对全省近50年极值气温变化特征进行了分析。贲维芬［4］利用龙胜站1961－2010年的气温、降水和日照资料，通过线性回归、多项式回归、滑动平局和距平的方法，分析了龙胜县近50a来的气候变化特征。任广成等［5］利用1951－2007年中国大陆160站和台湾地区3个代表站盛夏（7－8月）温度资料、北半球500hPa高度及北太平海温资料，通过合成分析、对比分析和相关分析等方法，研究了台湾地区及其与华南大陆地区盛夏气温的一致性，华南地区盛夏气温异常的年代际变化特征及其与北半球500hPa高度场、北太平洋海温场的关系。刘正洪等［6］利用启东市1956－2010年逐日温度观测资料，分析了启东地区平均气温、极端气温、冷积温和热积温的变化趋势和特征。利赛明和陈静林［7］根据珠海站1962－2010年逐日地面气温观测数据与1979－2010年NCEP／NCAR R1再分析资料，分析了珠海市平均气温、平均最高气温、平均最低气温的年和四季变化特征，探讨城市化对珠海气温变化的影响。史军等［8］基于华东气象站点1960－2005年逐日最高地面气温和同期西太平洋副高环流指数、赤道太平洋海温和登陆华东及我国的台风个数，分析了华东极端高温日数和高温日平均最高气温的时空动态变化特征及高温成因。凌颖和黄海洪［9］对城郊地面站常规观测及地面自动观测气温资料进行统计分析，对城市热岛效应特征进行了研究。郑祚芳等［10］应用1951－2000年的逐月平均气温和降水量资料，分析了湖北省5个代表站的年、季、月气温降水的变化情况，结果表明，近50年湖北省各地气候变化的地域性、季节性差异较大。上述学者的研究表明，由于受到气候类型、地形和城市化进程等多种因素的影响，气温的变化特征在空间上存在着较大的差异性，鉴于此，本文通过对黄石市近60年的年平均气温、年平均最高／最低气温、极端最高／最低气温、最大日较差和界限气温日数进行分析，揭示黄石市近60年的气温极值变化特征，为其他学者的研究提供参考。

2 资料和方法

2．1 资料来源与选取

资料来源于黄石市气象台1954年1月1日至2013年12月31日共60年的地面观测资料，选取逐日的平均气温、最高和最低气温做为研究对象。

2．2 研究方法

2．2．1 气候趋势分析方法

趋势分析方法是对气象要素进行气候变化趋势分析常用的方法之一［11］，用如下公式表示：y（t）＝at＋b，（t＝1，2，3，……，n），其中 t为时间，其中 y（t）为气象要素，b为回归常数，a为回归系数，表示气象要素y（t）的趋势倾向，正为增加，负为减少，通常采用a＊10 来表示 y（t）的变化速率，单位为：／10 年。

2．2．2 Mann－Kendall突变检验方法

Mann－Kendall方法［12］是世界气象组织（WMO）推荐的应用于气象要素时间序列趋势分析的非参数统计检验方法，常用来对气象要素进行突变检验，其优点是样本不需要遵从一定的分布，也不受少数异常值的干扰，计算也比较便捷。该方法的原理是，定义统计量UF为标准正态分布，给出显著性水平α，通过查表得到UF的概率分布β，若β＞α，则表明序列存在明显的趋势变化，将UF序列反向得到UB，将UB和UF绘成曲线，若UB或UF的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势，当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。进行突变性检验，需要对样本序列X构造一秩序列：

当 xi＜xj时，aji＝1，当 xi≥xj时，aji＝0，其中 1≤i≤j，定义统计变量：

按此方法对数据序列进行处理，对结果进行绘图，若UB和UF两条曲线出现交点且交点在临界线之间，则交点对应的时间便是突变开始的时间。若交叉点位于信度线之外，则不确定是否为突变点。

2．2．3 小波分析

及其相应的函数运算和内积所组成的集合，则小波就是函数空间L2（R）中满足下述条件的一个函数或者信号 Ψ（x）：

3 结果分析

3．1 平均气温变化特征

从对图 1（a）的分析可知，1954－2013 黄石市年平均气温呈显著上升的趋势，通过了99．9%的信度检验，上升趋势显著，增温速率为 0．19℃ ／10a，高于全球近 50a增温速率 0．13℃／10a，低于中国近 54年增温速率 0．25℃ ／10a［14］。年平均气温平均值为17．3℃，最高值为 18．5℃（2013 年），偏高 6．9%，最低值为 16．4 度（1956 年），偏低 5．2%，标准差 STDEV为 0．53。

年平均气温年代际距平分析的结果表明（图1b），1954－1993a的四个年代际均为负距平，分别为－0．27、－0．35、－0．24 和－0．25，1994－2013a 两个年代际为正距平，均为0．5。说明1994－2013a平均气温的显著升高（已通过99%的信度检验）是造成近60年平均气温显著升高的主要原因。

基于 M－K突变检验的结果表明（图 1c），1954—1957年UF＜0，平均气温呈下降的趋势，但不显著，从1958a开始至2013a UF＞0，平均气温呈上升的趋势，其中 1963－1966、1997－2013a UF＞1．96，上升趋势显著，UF月UB的交点位于置信区间内，发生突变的时间为1989年，这与任国玉等［15］提出的中国从20世纪80年代中后期平均增温速率呈加大趋势的研究成果是一致的。

采用标准Morlet小波变换，对1954—2013a黄石市年平均气温的周期性特征进行分析发现（图1d），近60a黄石市年平均气温值有3a和18a的变化信号存在，3a的变化信号一直存在，18a的变化信号在60－80年代最强。

3．2 平均最高气温、平均最低气温变化特征

从对图 2（a）和 2（b）的分析可知，1954－2013 黄石市年平均最高气温和年平均最低气温均波动呈上升的趋势，增温速率分别为 0．17℃ ／10a 和 0．23℃ ／10a，其中年平均最低气温通过了99．9%的信度检验，上升趋势显著。年平均最高气温的标准差STDEV 为 0．6，平均值为 21．6℃，最高值为 23．4℃（2013 年），偏高 8．3%，最低值为 20．5℃（1984 年），偏低5．1%；年平均最低气温的标准差STDEV为0．56，平均值为 13．9℃，最高值为 15．1℃（2002 年），偏高 8．6%，最低值为 12．4℃（1956 年），偏低 10．8%。

年代际距平分析的结果表明（图2c和图2d），年平均最高气温和年平均最低气温在1954－1993年的四个年代际均为负距平，在1994－2013年的两个年代际均为正距平，呈现相似的变化规律。说明1994－2013这20年平均最高气温和平均最低气温的升高导致平均气温的显著升高，其中平均最低气温的显著升高对其贡献最大。

图 1 1954－2013a 黄石市年平均气温时间序列（a）、年代际距平（b）、M－K 突变检验（c）和小波分析（d）

基于M－K突变检验的结果表明（图2e和图2f），对于年平均最高气温，1972－1996 年 UF＜0，呈下降的趋势但不显著，1954－1971a、1997－2013a UF＞0，年平均最高气温呈上升趋势，其中2004－2013a UF＞1．96，上升趋势显著；对于年平均最低气温，1956－1957a UF＜0，呈下降的趋势但不显著，从1958年开始至2013a UF＞0，年平均最低气温呈上升的趋势，其中 1965－1967、1978－2013a UF＞1．96，上升趋势显著。

采用标准Morlet小波变换，对1954—2013a黄石市年平均最高气温和年平均最低气温的周期性特征进行分析发现（图2g和图2h），3a的变化信号一直存在，18a的变化信号在60－80年代最强。

3．3 极端最高气温、极端最低气温变化特征

极端最高气温的标准差STDEV为1．0，平均值为 38．2℃，最高值为 40．7℃（2013 年），偏高 6．5%，最低值为 36．0℃（1997 年），偏低 5．8%，年极端最高气温大于等于40℃的年份有5年，大于等于37℃小于40℃的年份有52年，小于37℃的有3年，说明极端最高气温介于37℃和40℃的年份所占比例最大，达到86．7%；年极端最低气温均在0℃以下，平均值为－4．9℃，最高值为－1．2℃（1982 年），偏高 75．5%，最低值为－11．0℃（1969 年），偏低 124．5%，其标准差STDEV为2．3，说明年极端最低气温数值分布较分散，数据波动幅度大。

年代际距平分析的结果表明（图3c和图3d），对于年极端最高气温，1954－1963 年、1974－2003 年共四个年代际均为负距平，分别为－0．07、－0．08、－0．20 和－0．14，1964－1973 年和 2004－2013 年为正距平，分别为 0．16、0．41。2004－2013 年的距平绝对值明显大于其他年代际且为正距平，说明近60年极端气温呈升高趋势主要是由于2004－2013年极端最高气温的显著升高（已通过99%的信度检验）造成的；对于年极端最低气温，1954－1973a的两个年代际均为负距平，分别为－2．02 和－1．16，1974－2013a 的四个年代际均为正距平，分别为 0．02、0．93、1．81 和 0．48。2004－2013a的距平绝对值明显大于其他年代际且为正距平，说明1984－2013a极端最低气温的升高是造成近60a极端最低气温显著升高的主要原因。

图 2 1954－2013a 黄石市年平均最高（a）最低（b）气温时间序列、最高（c）最低（d）气温年代际距平、最高（e）最低（f）气温 M－K 突变检验、最高（g）最低（h）气温小波分析

采用标准Morlet小波变换，对1954—2013a黄石市年极端最高气温和极端最低气温的周期性特征进行分析发现（图3e和图3f），年极端最高气温值有3a和12a的变化信号存在，年极端最低气温值有3a的变化信号始终存在，60年代初到80年代初有18a的变化信号存在。

图 3 1954－2013年黄石市极端最高（a）最低（b）气温时间序列、极端最高（c）最低（d）气温年代际距平、极端最高（e）最低（f）气温小波分析

3．4 最大日较差年际变化

从对图 4（a）的分析可知，1954－2013 年黄石市年最大日较差呈波动下降的趋势，但不显著，下降速率为 0．16℃ ／10a，年最大日较差平均值为 16．7℃，最高值为 21．8℃（1964 年），最低值为 14．5℃（1995年），标准差 STDEV 为 1．6。

最大日较差年代际距平分析的结果表明（图4b），1974－2003年的三个年代际均为负距平，分别为－0．44、－0．85 和－0．73，1954－1973 年和 2004－2013年三个年代际均为正距平，分别为 1．08、0．42、0．62。采用标准Morlet小波变换，对1954－2013年黄石市年最大日较差的周期性特征进行分析发现（图4c），近60年黄石市年最大日较差有3a和9a的变化信号始终存在。结合前面的分析可知，平均最低气温的上升速度明显大于平均最高气温的上升速度。极端最低气温的上升速度明显大于极端最高气温的上升速度，这造成了气温日较差的不断减小。

3．5 界限气温日数年际变化

3．1－3．4 分析了年平均气温、平均最高气温和平均最低气温以及极端最高气温和极端最低气温的变化规律和特征，但是这些变化到底是哪个气温区间发生变化而引起的？气温的变化存在什么样的内在特征？为了解决上述问题，则需要对界限气温日数的年际变化进行研究。年界限气温日数是指在一年中最高或最低气温 t出现在 t＜0℃、0≤t＜10℃、10≤t＜20℃、20≤t＜30℃、t≥30℃区域内的日数，当气温超过37℃时，就超过了人体的正常体温，对人民的生产和生活产生重大的影响，而且气温达到了37℃也是发布高温橙色预警信号的标准，故对t≥30℃的高温日数分为30≤t＜37℃和t≥37℃两段来研究。

图4 1954－2013年黄石市年最大日较差时间序列（a）、年代际距平（b）和小波分析（c）

通过对图5的综合分析可知，1954－2013年，最低气温T＜0℃的天数最多为47天（1956年），最少为6天（1990年和2007年），年际差异较大，最高气温T＜0℃的天数最多为10天（1955年），最少为0天（多年）；最低气温30℃≤T的天数最多为7天（2003年），最少为0天（多年），最高气温37℃≤T的天数最多为 26 天（2013 年），最少为 0 天（1960、1996和1997年），年际差异较大。

结合表1综合分析可知，对于T（最高气温），T＜20℃的日数呈减少的趋势，T≥20℃的日数呈增加的趋势，其中T＜0℃和10≤T＜20℃的日数呈显著减少的趋势，20≤T＜30℃和37℃≤T的日数呈显著增加的趋势；对于T（最低气温），T＜10℃的日数呈减少的趋势，T≥10℃的日数呈增加的趋势，其中T＜0℃的日数呈显著减少的趋势，20℃≤T的日数呈显著增加的趋势。

从以上的分析可知，近60年黄石市气温（年平均气温、年最高＼最低气温、极端最高＼最低气温）的显著升高，与最高气温出现在20℃以上的天数增加和出现在20℃以下的天数减少有关，与最低气温出现在10℃以上的天数增加和出现在10℃以下的天数减少有关，其中T＜0℃的高温日数和低温日数的显著减少以及20≤T＜30℃的低温日数的显著增加贡献最大。

4 结论与讨论

在全球气候变暖的背景下，近60年黄石市的气温极值也发生了显著的变化，本文采用趋势分析、相关分析、M－K突变检验和小波分析等方法，对黄石市近60年气温极值变化特征进行了分析，结果表明：

图5 最高气温、最低气温在不同界限温度日数的分布特征

（1）1954－2013黄石市年平均气温、平均最高气温和平均最低气温呈波动上升的趋势，其中年平均气温和平均最低气温上升趋势显著，对于近60年黄石市年平均气温的升高，年平均最低气温的贡献是主要的；三者均有3a的变化信号存在，其中年平均最高气温和年平均最低气温在60－80年代有18a的变化信号存在。

（2）近60年黄石市极端最高气温和极端最低气温均呈波动上升的趋势，其中极端最低气温上升趋势显著，其数据分布较分散，波动幅度大，其中1984－2013年极端最低气温的升高是造成近60年极端最低气温显著升高的主要原因；年极端最高气温和年极端最低气温均有3a的变化信号存在，此外年极端最高气温还有12a的变化信号存在，年极端最低气温在60年代初到80年代初有18a的变化信号存在。

（3）近60年黄石市年最大日较差呈波动下降的趋势，但不显著，平均最低气温的上升速度明显大于平均最高气温的上升速度，极端最低气温的上升速度明显大于极端最高气温的上升速度，这造成了气温日较差的不断减小。

（4）近60年黄石市气温（年平均气温、年最高＼最低气温、极端最高＼最低气温）的显著升高，与最高气温出现在20℃以上的天数增加和出现在20℃以下的天数减少有关，与最低气温出现在10℃以上的天数增加和出现在10℃以下的天数减少有关，其中T＜0℃的高温日数和低温日数的显著减少以及20≤T＜30℃的低温日数的显著增加贡献最大。

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