海口市近60a气候变化研究

2016-05-30侯伟马明明胡德强施思官满元

热带作物学报 2016年10期

侯伟马明明胡德强施思官满元

摘要利用1951～2010年海口市国家基准气候站逐月平均气温、降水量、日照时数等数据，采用线性倾向率、Mann-Kendall非参数检验、滑动T检验、累积距平法和Morlet小波分析等数理统计方法，分析了海口市1951～2010年的气候变化特征。结果表明：海口市近60 a气候变化表现为气温显著上升、日照时数显著减少，但降水量变化不明显。20世纪90年代是气温升高、降水量增多、日照时数减少的显著变化稳定期，2000年以后气候变化波动最强烈。旱季气温增幅明显大于雨季，但降水量变化较小。此外，旱季气候要素波动大于雨季。气候突变和小波分析得出，1986年是气温由低到高的突变点，1967～1978、1998～2010年分别是冷期和暖期；1976年是降水量发生由多到少的突变点，1993年是日照时数发生由多到少的突变点。海口市气温和降水量变化均存在5～10 a左右的周期，日照时数存在5～8 a、25～28 a左右的周期。

关键词气候变化；Mann-Kandall非参数检验；滑动T检验；累积距平；Morlet小波；海口市

中图分类号 P467 文献标识码 A

Abstract Haikou is one of the most important ecological tourist city in China， even throughout the World. The ecological environment and climate is the most precious natural resources. Carrying out the research of climate change characteristics in Haikou could be used to enhance its ability to adapt to the long-term effects of climate change， and delay or avoid the threats caused by climate change to regional ecological security. This paper used the data of monthly mean temperature， precipitation and sunshine duration during the period from 1951-2010 observed by national benchmark climate station and combined with some mathematical statistics methods such as linear regression method， Mann-Kendall nonparametric test， moving T-test， cumulative anomaly method and Morlet wavelet to analyze climate change characteristics in Haikou City. The results indicated that the climate change presented increasing annual mean temperature， decreasing annual sunshine duration， and climate tendency rate was 0.18 ℃/（10 a）and -83.1 h/（10 a）at the significance level α=0.01 respectively， the increasing rate of annual mean temperature was distinctly lower than that in whole China， and decreasing rate of annual sunshine duration significantly higher than in whole China. Moreover， no significant long-term change was observed in annual precipitation in the past 60 a. The stable period of climate changed significantly appeared in 1990s， mainly showed that increasing annual mean temperature and annual precipitation， decreasing annual sunshine duration， and fluctuations in climate change became the strongest since 2000 years. This indicated that the frequency and intensity of extreme weather events such as heat damage， floods and droughts will increase in the near future. In addition， the increasing rate of temperature in dry season was significantly higher than that in rainy season， but the change rate of precipitation was more obvious in rainy season than that in dry season. In addition， the fluctuation of climatic elements was more obvious in dry season than that in rainy season. The study of abrupt climate change and Morlet wavelet revealed that 1986 was an abrupt change point of annual mean temperature increasing， 1976 was an abrupt change point of annual precipitation reduction， 1993 was an abrupt change point of annual sunshine duration reduction， 1967～1978 and 1998～2010 correspond to cold period and warm period in Haikou respectively. Annual mean temperature and annual precipitation of Haikou existed evident characteristic time scale with 5-10 a， the periodic oscillation of annual sunshine duration were in 5-8 and 25-28 a.

Key words Climate change； Mann-Kendall test； Moving T-test； Cumulative anomaly method； Morlet wavelet； Haikou

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.10.028

气候变化是21世纪全球面临的一个重大问题[1]，IPCC在第五次评估报告（AR5）中指出，全球气候系统变暖的事实毋庸置疑，1880～2012年全球平均温度已升高0.85 ℃（0.65～1.06 ℃），在过去30 a中，每10 a温度增幅均高于1850年以来任何时期，在北半球，1983～2012年可能是最近1 400 a气温最高的30 a。越来越多地区强降水频率、强度和降水量在增加[2]。与全球气候变暖相应，中国近100 a来平均温度上升了0.79 ℃，尤其近50 a（1956～2005年）的增幅最明显，气候变暖对中国南涝北旱的分布格局产生了显著影响[3-4]。

中国气候类型多样，时间和空间上的较大差异，气候变化背景下的区域气候响应差异性很大[3]。深入研究区域性长时间序列的气候变化背景、特征、原因及影响不仅对目标区域自然生态保育和社会经济发展提供参考，更是对应对未来气候变化的适应和应急能力，最大限度避免或减轻极端天气气候事件有重大意义。相较国外，中国在气候变化研究方面起步较晚，观测设备性能、观测资料序列、研究结果可靠性等方面普遍不理想[3]，研究实力与国外发达国家仍有距离。目前，中国在区域性气候变化方面的研究已较多，如叶正伟等[5]利用Mann-Kendall方法对庐山旅游区的气温和降水进行了变化趋势分析和突变检验；张立伟等[6]应用Mann-Kendall突变检验和Kinging插值法分析了南岭南北地区气温的时空变化特征；任永建等[7]考虑到气温序列的非均一性，通过对资料进行插补后对武汉区域近百年地表气温变化趋势进行了研究；李淼等[8]对北京地区近300 a降水变化进行了趋势和突变检验，并采用Morlet小波函数开展了降水变化的多时间尺度周期性变化分析；何萍等[9]利用常规距平法、三阶多项式拟合趋势法、5 a滑动平均法分析了云南楚雄市气候年代际变化特征。目前针对海口市气候变化研究报道较少，研究内容多采用累积距平和线性倾向估计方法对气温、降水和日照等要素进行简单变化趋势分析，而对多要素的气候突变多途径验证和多时间尺度周期性变化研究还属空白。本文利用海口市国家气象基准站自1951～2010年逐月气温、降水量、日照时数等气象资料，采用线性倾向率、Mann-Kendall非参数检验、滑动T检验、累积距平和Morlet小波分析等统计方法对海口市近60 a来气候变化特征进行初步研究，了解其气候变化趋势和周期规律，以期对区域自然生态保育、社会经济发展和气象防灾减灾有指导作用。

1 材料与方法

1.1 资料来源

海口气象观测站是国家气象基准观测站，具有完整的气象观测资料序列，能代表海口市的气候状态和变化趋势。本文所用1951～2010年逐月平均气温、降水量、日照时数等资料来自海南省气象局，所有数据经过均一性检验和质量控制。海口市地处低纬度热带北缘，属热带海洋性季风气候，一年中降水变化显著，干湿分明，雨季降水量占全年的83.2%左右，故本文又分雨季（5～10 月）和旱季（11～次年4月）进行统计。

1.2 分析方法

利用海口气象观测站近60 a的年平均气温、年降水量、年日照时数等资料，采用滑动平均、气候倾向率分析其气候变化趋势，对结果的显著性使用F检验和Mann-Kendall（简称M-K）非参数趋势检验。气候突变采用M-K非参数突变检验[10]、滑动T检验[10]和累积距平法对时间序列突变点和突变区域进行分析，并检验突变点真伪，提高结论的可信度，在进行气候要素年代际变化趋势分析中用到的变异系数（CV）是采用统计年代内要素的标准差与平均数比值的百分率来计算，变异系数越大，表明统计年代的气候要素波动越大。此外，本文采用Morlet小波分析[11]对海口市气候变化的周期性规律进行了分析。

1.3 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2007对气象数据资料进行统计分析。使用Compaq Visual Fortran 6.6进行M-K非参数突变检验和小波分析。Excel 2007和Adobe Illustrator CS5用于图形制作。

2 结果与分析

2.1 气候变化趋势分析

海口市年平均气温、年降水量和年日照时数的变化趋势见图1。由图1可看出，海口市1951～2010年的年平均气温呈逐渐上升趋势，其中最高出现在1998年（25.4 ℃），最低出现在1967、1968、1971、1974年（均为23.2 ℃），通过线性拟合的气候倾向率为0.18 ℃/（10 a）。经过F显著性检验和M-K检验得知，近60 a来海口市年均气温增温趋势通过了α=0.01的显著水平。

与气温变化不同，海口市年降水量变化趋势不明显，波动有逐渐增大的趋势，特别是2000年以后波动更为剧烈。降水量最多在2009年（2 628.2 mm），最少在1977年（871.5 mm），线性拟合的年降水量气候倾向率为10.5 mm/（10 a）。年降水量增加趋势未通过F检验，而在M-K趋势检验中得知年降水量是减少的趋势，同样未通过α=0.05的水平。这说明海口市年降水量变化趋势不明显，且波动较大的特征。

通过对日照时数的变化趋势分析得出，海口市近60 a年来日照时数明显下降，最高值在1963年（2 553.8 h），最低值在1953年（1 316.9 h），通过线性拟合的气候倾向率为-83.1 h/（10 a）。由F检验和M-K检验得知，年日照时数增长趋势通过了α=0.01的显著水平。

从年代际变化来看（表1），20世纪70年代开始气温呈现上升趋势，而变异系数则表现为下降（2000～2010年例外），90年代气温上升幅度最大，相比80年代上升0.57 ℃，但其变异系数较小，2000年以后变异系数最大，表明90年代是海口市气候显著增暖的平稳期，而2000年以后气温开始出现较大波动。雨季、旱季气温变化与年代际气温变化趋势类似，但旱季增温幅度大于雨季。此外，旱季气温变异系数相比雨季大，但总体有减小趋势。这表明旱季气温变化逐渐稳定。

由表2看出，从20世纪90年代开始降水量显著增加，但其变异系数较小，而2000年以后的10 a降水量增幅最大，相比90年代降水量增加124.33 mm，且变异系数最大，说明90年代降水量增加稳定，2000年以后降水量变化异常。雨季和旱季降水量变化趋势相反，即雨季降水量增加的年代正好是旱季降水量减少的年代。此外，雨季降水量变化幅度大于旱季，但波动有增大趋势。

由表3看出，从20世纪70年代开始日照时数呈减少趋势，变异系数略微增大，90年代减少幅度最大，相比80年代减少了193.91 h，其变异系数较小，说明90年代是日照时数减少稳定期。雨季、旱季日照时数均减少，旱季日照时数波动明显大于雨季，且波动有减缓趋势。

2.2 气候突变特征分析

海口市年平均气温突变的M-K和滑动T检验曲线见图2。由图2可知，经M-K突变检验显示，UF曲线分别在1967～1978年和1998～2010年超过了α=0.05的临界线（2000～2010年超过了0.001的显著水平），且UF与UB在1992～1993年有一个交点，交点位于α=0.05的临界线范围内，说明其可能是突变点，1963～1978年和1998～2010年是可能的突变时间。为检验结果的可靠性，本文先后选取5、10、15 a滑动步长进行滑动T检验。5 a滑动检验结果为1978、1986和1997年均出现由低到高的突变，1981年出现由高到低的突变；10 a滑动检验得出，1971、1978、1986、1997年各出现由低到高的突变；15 a滑动检验得出，1986、1990年出现由低到高的突变。根据累积距平分析得出（图略），60 a海口市年均气温累积距平呈现先降后升的“V”字形趋势，以1986年为转折点，其中1967～1978年、1998～2010年分别出现了明显的下降和上升趋势。综合分析来看，1986年气温发生了由低向高的突变，1967～1978年、1998～2010年均通过α=0.05的检验，证实其为相应冷期和暖期。

海口市年降水量突变的M-K和滑动T检验曲线见图3。由图3看出，M-K突变检验得出海口近60 a降水量变化呈下降趋势，但未达到α=0.05的显著水平，UF与UB在1953年存在交点。经过滑动T检验后得知，5 a滑动下的降水量在1976和2002年出现由多到少的突变；10 a滑动在1976年发生由多到少突变，15 a滑动没有突变点。这也表明了降水量数值波动较大。经累积距平分析得出，1951～1976年降水量累积距平大部分为正值，而1977～2010年大部分为负值，由此断定1976年是降水量变化的突变点。综合分析可知，海口市年降水量在1976年发生了由多到少的突变。

海口市年日照时数突变的M-K和滑动T检验曲线见图4。由图4可知，M-K突变检验中UF与UB在1990年有1个交点，但落在α=0.05的临界线之外，故1990年是否为突变点需进一步检验，1982～1986年、1988～2010年是可能的突变时间。经滑动T检验可知，5 a滑动在1965、1993年均发生由多到少的突变；10 a滑动结果与5 a滑动一致；15 a滑动下1969、1993年出现了由多到少突变。根据累积距平分析得出，1951～1993年日照时数呈现增加趋势，1994～2010年转为减少，1993年为转折点。综合分析，海口市年日照时数在1993年发生了由多到少的突变，仅1988～2010年突变时间顺利通过0.05水平检验。

2.3 小波分析

基于海口市年平均气温、降水量、日照时数时间序列，本文进行了连续Morlet小波变换，分析得到气温、降水量和日照时数的多时间尺度结构（图5），图中信号的强弱用小波系数的大小表示，正值区表示偏高或增多，负值区表示偏低或偏少。从各气候要素的Morlet小波变换系数实部时频变化分析来看，年平均气温小波系数等值线在5～10 a时间尺度上较为密集；降水量的小波系数等值线同样在5～10 a时间尺度上密集，特别是在2000年以后最为显著；日照时数的小波系数等值线在5～8、25～28 a时间尺度密集。

3 讨论与结论

近60 a来海口市年平均气温显著上升，线性拟合气候倾向率为0.18 ℃/（10 a），气温上升速率明显低于全国的0.25 ℃/（10 a）[12]和其他地区[3，13-18]，这可能与海口处于低纬度热带区域有关，史培军等[19]对全国气候开展区划研究认为，近50 a中国气温上升速率与纬度分布有关，高纬度地区增温大，低纬度地区增温小。从年代际来看，20世纪90年代是海口气候增暖最显著的稳定期，且1998年是最暖的一年，这与任玉国等[12]研究所得出的中国20世纪后半叶最暖的十年及记录中最暖的一年结论一致，这表明海口气温上升趋势与全国同步。雨季、旱季气温变化与年代际气温变化趋势类似，但旱季气温增暖明显大于雨季，这表明海口冬春季节气温升高的潜力较大。经突变分析得出，1986年是气温突变点，1967～1978、1998～2010年对应海口的冷期和暖期，气候变化经历了一次先变冷再变暖的过程[20]。海口市年平均气温波动逐渐增大，这造成未来气温变化异常风险性增大，极端天气气候事件发生频率和强度也会越来越高。此外，海口市气温近60 a存在5～10 a左右的周期震荡。

海口市年降水量变化趋势不明显，但其波动逐渐增大。任国玉等[12]研究1951～2000年全国降水量几乎没有变化；史培军等[19]对中国1961～2010年气候变化区划中将海口划为华东-华中湿暖趋势带，认为海口是降水增多地区，本文若以1961～2010年统计降水量可得到与他一致的结论。年代际变化分析显示，最近20 a降水量明显增加，这与中国在90年代以来降水量增多的结论一致[12]，这表明海口降水量增加趋势与全国趋势的同步性较好。此外，2000年以后降水量波动最不稳定，这是未来降水量变动异常的表现，也可能是未来发生异常涝灾和旱灾的表征。雨季降水量变化幅度大于旱季，但波动明显较小。经突变和小波分析得出，海口市降水量在1976年发生由多到少的突变，存在5～10 a的周期震荡。

海口市年日照时数显著减少，线性拟合气候倾向率为-83.1 h/10 a，这与虞海燕等[21]研究的59 a来海口区域日照时数变化速率结论类似。但其减少速率要大于全国平均水平[12]。日照时数年代际波动表现轻微增大，这同吴名杰等[22]研究海口近50 a日照时数变化特征结论一致，这表明海口年日照时数变化趋势相对平稳。此外，旱季日照时数波动大于雨季。突变和小波分析得出，海口市年日照时数在1993年发生由多到少的突变，且存在5～8 a、25～28 a的周期震荡。

综上分析，海口市近60 a来气候变化特征表现为年平均气温升高，年日照时数减少，年降水量变化趋势不明显。20世纪90年代是气温和日照时数显著变化的稳定期，这可能是全国气候变化大背景和海南建省办经济特区（1988年）的共同结果。海口市作为以旅游发展为支柱产业的生态城市，应树立起绿色、低碳的发展理念，在工业化和城镇化快速发展过程中更进一步大力开展节能减碳和生态建设，以加强应对和适应气候变化的能力。

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