1960-2013年福州地区气候变化和突变分析*

林 凌 李 岩 赖绍钧



1960-2013年福州地区气候变化和突变分析*

林 凌 李 岩 赖绍钧

福州市气象局

利用1960—2013年福州地区8个国家气象观测站的气温和降水资料，采用趋势系数法对福州地区近53年来的气候变化特征进行定量分析，采用Mann-Kendall法对气温和降水序列进行突变分析，同时利用Yamamoto法和滑动t检验法对突变点的真伪做了验证。结果表明，福州地区8站平均气温、最高和最低气温的季节年际变化均呈上升趋势，其中平均气温（除闽侯外）和最低气温都是冬季增暖幅度最大，夏季次之；最高气温春季增暖幅度最大，夏季次之。各站气温的突变点先后出现在20世纪90年代。8站降水量的年和季节变化趋势不明显，除闽清和永泰的年降水量呈下降趋势外，其他6站的年降水量均呈上升趋势。福州、长乐、福清的四季降水量均呈上升趋势，其余5站的降水量随季节有增加也有减少。但是冬季各站降水量均呈上升趋势。除福清站的年降水量在1996年存在突变外，其余7站均未发生突变。这些结果对进一步研究和预测福州地区气候有重要意义，同时也为决策者提供决策依据。

气候突变 Mann-Kendall检验 Yamamoto法 滑动t检验 福州

0 引言

气候突变是普遍存在于气候系统中的一种重要现象，是指气候从一种稳定态（或稳定持续的变化趋势）跳跃式地转变到另一稳定态（或稳定持续的变化趋势）的现象，它表现为气候在时空上从一个统计特征到另一种统计特征的急剧变化[1]。显然，如果能够把气候状态转变发生的条件、发生的原因弄清楚，从而能正确预测突变发生的时间和方式，对气候预报有重要意义[2]。

许多气象学家已经发现气候突变现象，并运用不同的研究方法对我国不同省份或地区开展了气候突变的研究。赵芳芳等[3]对黄河兰州以上气候要素突变研究表明，42年来全区平均变暖0.76℃，气温、降水量和日照时数分别在20世纪80年代的末期、中期和初期发生了突变，20世纪80年代的突变最为明显。李珍等[4]对新疆43年来气候突变分析指出，年平均最低气温上升速率明显高于年平均最高气温，年平均日较差呈显著下降趋势，年降水量为增加趋势。闵晶晶等[5]对京津冀地区近30年冰雹的气候研究表明，该地区的冰雹有明显减少趋势，北部地区比南部地区减少幅度要大，山地区域比平原地区减少幅度大；戴洋等[6]对若尔盖高原湿地的气候研究表明，该地区气候呈现较明显的暖干化趋势，总云量持续减少，日照时数上升，平均气温明显上升，气温日较差逐渐减小。

福州地区属亚热带海洋性季风气候，温暖湿润，雨量充沛。福州东临台湾海峡，北面和南面都有海拔高度不同的丘陵存在，同时闽江自西向东贯穿城市而过，这些因素构成了福州独特的地理位置和山谷地形地貌。自20世纪80年代以来，由于人类活动的加剧，大量排放的CO2、CH4等温室气体的作用，全球气候变暖越来越明显[7]。气候变暖对自然环境和人类社会环境及各种经济活动都会产生一系列的影响，改革开放以来，随着国民经济的迅速发展，福州地区的气候也发生了一定的变化。一方面城市粗糙度的改变影响了城市边界层结构，另一方面城市地表覆盖的改变造成了地表长波辐射状况的变化。然而，福州地区的气候变化究竟呈现什么特征，气温和降水是否存在突变，这是值得深入研究的问题。

1 资料与方法

1.1 资料来源与划分

本研究采用的资料来源于福州地区8个国家气象观测站的气温和降水数据（已经过质量控制），资料时段统一在1960—2013年。设定研究区域的四季分别是春季3～5月，夏季6～8月，秋季9～11月，冬季12月～次年2月。

1.2 研究方法

首先利用Mann-Kendall法对福州地区8个站点的气温和降水进行了检验，该方法具有检验范围宽、定量化程度高、人为性小等特点，是目前突变性检验方法中应用较多且理论意义最为明显的一种。具体做法是分别计算顺序气候序列的统计量UFk和逆序气候序列的统计量UBk，给定显著性水平α=0.05，若UFk>0，则表明序列呈上升趋势，UFk<0，则表明呈下降趋势，超过临界线表明趋势显著，两条线交点为突变点。Yamamoto法通过计算信噪比判断2个相邻子序列的均值是否存在差异来检验突变。信噪比定义为：，其中、和、分别为转折年份前后两个阶段要素的平均值和标准差。规定>1时，可认为该要素在这个年份存在气候突变。滑动t检验法和Yamamoto法的原理相似，都是用来检验两随机样本平均值的显著性差异，有直观、简便的特点。由于子序列长度的选择带有人为性，可能使计算结果产生漂移，带来某种程度上的困惑，为了避免这种情况的发生，在应用时结合具体的需要选择，并不断变动，以增进检查结果的可靠性。经Mann-Kendall法检验后，如某序列存在突变点，再利用滑动t检验法和Yamamoto法对突变点进行信度检验，判断其是否达到气候突变的标准，从而验证突变点的真伪，增强突变分析结果的可信度。

2 气候特征分析

2.1 气温

2.1.1 气温变化趋势

从1960—2013年福州地区8个站点春、夏、秋、冬四季及年平均气温变化趋势数据(表1)可以看出，除闽侯外，其他站点都是冬季增暖幅度最大，为0.31℃·(10a)-1（闽清）～0.22℃·(10a)-1(闽侯、连江)；夏季次之，为0.28℃·(10a)-1(长乐)～0.16℃·(10a)-1(永泰)；秋季稍弱，为0.22℃·(10a)-1(长乐)～0.12℃·(10a)-1(永泰)，春季稍弱，为0.22℃·(10a)-1(长乐)～0.10℃·(10a)-1(闽清)。

表1 1960-2013年福州地区8个站点平均气温季节和年际变化趋势数据

注：*、**、***表示线性拟合相关系数的信度分别超过0.05、0.01、0.001。

1960—2013年福州地区8站最低气温季节和年际变化趋势(表2)同样反映出冬季增暖幅度最大，为0.43℃·(10a)-1(闽清、福清)～0.25℃·(10a)-1(闽侯)；夏季次之，为0.31℃·(10a)-1(福清)～0.08℃·(10a)-1(闽侯)；秋季稍弱，为0.29℃·(10a)-1(长乐)～0.08℃·(10a)-1(闽侯)，春季稍弱，为0.22℃·(10a)-1(长乐)～0.06℃·(10a)-1(闽清、永泰)。8站点年平均最低气温增长率为0.30℃·(10a)-1(福清)～0.13℃·(10a)-1(闽侯)。

1960—2013年福州地区8站最高气温季节和年际变化趋势则反映出夏季增暖幅度最大，为0.50℃·(10a)-1(闽侯)～0.11℃·(10a)-1(永泰)；春季次之，为0.41℃·(10a)-1(闽侯)～0.01℃·(10a)-1(永泰)；秋季稍弱，为0.34℃·(10a)-1(闽侯)～0.11℃·(10a)-1(闽清)，冬季稍弱，为0.34℃·(10a)-1(闽侯)～0.04℃·(10a)-1(永泰)。8站点年平均最高气温增长率0.40℃·(10a)-1(闽侯)～0.05℃·(10a)-1(永泰)。其中闽侯最高气温的季节和年际增长率都为8站之首。

表2 1960-2013年福州地区8个站点平均最低和最高气温季节和年际变化趋势数据 单位：℃·（10a）-1

注：*、**、***表示线性拟合相关系数的信度分别超过0.05、0.01、0.001。

从1960—2013年福州地区8站平均气温的年际变化趋势可以看出，近53年来，8站年平均气温均呈上升趋势，并且相关系数在α=0.001显著性水平上是显著的。其中，长乐和福清的年平均气温倾向率分别达到0.25℃·（10a）-1和0.22℃·（10a）-1，略高于福州市区的0.21℃·（10a）-1；罗源、闽清、闽侯的气温倾向率略低于福州市区，均为0.20℃·（10a）-1；其次是连江，为0.19℃·（10a）-1；增暖幅度最小的是永泰，为0.14℃·（10a）-1。8站年平均最高和最低气温倾向率分别为0.34℃·（10a）-1（长乐）～0.04℃·（10a）-1（永泰）和0.30℃·（10a）-1（福清）～0.13℃·（10a）-1（闽侯）。

年份

（a）长乐年平均气温变化趋势

年份

2.1.2 气温突变分析

对1960—2013年福州地区8站年平均气温作Mann- Kendall检验曲线（图2）可以看出，福州站从20世纪60年代中期至80年代中前期基本上UFk<0，年平均气温呈下降趋势；之后UFk值由负值转为正值并逐渐增大，年平均气温处于上升趋势，并在90年代中期超过+1.96信度线，增温趋势显著。在±1.96临界线之间，UFk和UBk相交于1990年，是突变的开始，年平均气温向着变暖的方向变化。同理可以得到其它站点年平均气温的突变点均为1990年（部分图略）。

(a)福州

(b)长乐

(c)闽清

(d)永泰

图2 1960-2013年福州4个站点年平均气温Mann-Kendall检验曲线图

同理，对8站年平均最高和最低气温做Mann-Kendall检验可见，8站年平均最高气温的突变点分别是长乐1990年，闽侯1991年，福清、福州、连江1996年，闽清、永泰1998年，罗源1999年；年平均最低气温的突变点分别是福州1992年，长乐、永泰1993年，罗源1995年，闽清1995年，福清、闽候1996年，连江2000年。

对福州站年平均气温（1990年）、年平均最高气温（1996年）和年平均最低气温（1992年）突变点前后不同时段作滑动t检验和Yamamoto检验（表3）表明，对于福州站年平均气温序列，当n=n=8，10，17时，t>t分别通过了α=0.05，0.01，0.001的信度水平检验，且信噪比>1，表明福州站1990年平均气温突然上升，突变点是可信的。同理，福州站年平均最高气温（1996年）和年平均最低气温（1992年）的突变点也是可信的。另外对其余7站年平均气温、年平均最高和最低气温各突变点前后不同时段作滑动t检验和Yamamoto检验（表略）也表明，之前经Mann-Kendall检验出的突变点是可信的。

表3 福州站年平均气温、年平均最高和最低气温突变点信度检验

注：*、**、***表示线性拟合相关系数的信度分别超过0.05、0.01、0.001。

2.2 降水

2.2.1 降水变化趋势

从1960—2013年福州地区8站春、夏、秋、冬四季及年降水量的变化趋势数据（表4）可以看出，降水量的季节和年际变化趋势都不明显（仅福清站年降水量趋势线性拟合相关系数的信度超过0.01）。福州、长乐、福清的四季降水量均呈上升趋势，其余5站的降水量在不同季节有增加也有减少。冬季各站降水量均呈上升趋势，降水增加率为1.030mm/a（闽侯）～0.554 mm/a（长乐）。年降水量除闽清和永泰呈下降趋势外（降水量减少率分别为-1.518mm/a和-1.131mm/a），其余6站均呈上升趋势，降水量增加率为8.018mm/a（福清）～0.211 mm/a（罗源）。

表4 1960-2013年福州地区8站点降水量季节和年际变化趋势数据 （mm/a）

注：**表示线性拟合相关系数的信度超过0.01。

2.2.2 降水突变分析

对1960—2013年8站年降水量作Mann-Kendall检验曲线可以得出，除福清外，其余7站UFk曲线均没有超过置信区间，年降水量没有发生突变。福清站的UFk和UBk曲线相交于1996年，位于置信区间内，是突变的开始，且UFk曲线在2006年开始超过+1.96信度线，增加趋势显著。为进一步验证该突变点的真伪，对福清站年降水量突变点（1996年）前后不同时段作滑动t检验，发现当n=n=14，15，16，17时，t>t均通过了α=0.05的信度水平检验，该突变点可信。

3 结果与讨论

经过分析1960—2013年福州地区8站的气温和降水资料，得到以下结论：

（1）8站平均气温、最高气温和最低气温的年和季节变化均呈现上升趋势，其中平均气温（除闽侯外）和最低气温都是冬季增暖幅度最大，夏季次之；最高气温春季增暖幅度最大，夏季次之。各站气温的突变点先后出现在20世纪90年代。

（2）8站降水量的年和季节变化趋势不明显，除闽清和永泰的年降水量呈下降趋势外，其余6站的年降水量均呈上升趋势。福州、长乐、福清的四季降水量均呈上升趋势，其余5站的降水量在不同的季节有增加也有减少。但是冬季各站降水量均呈上升趋势。除福清站在1996年存在突变外，其余7站的年降水量都没有发生突变。

以上结果对进一步研究和预测福州地区气候有重要意义，但是造成福州地区气候突变的原因比较复杂，既包括全球气候变化的宏观效应，也有区域人类活动影响的成分。特别是改革开放以来，福州地区经历了一个快速的城市化过程，由此带来的城市气候和环境问题也引起人们的广泛关注。那么，福州地区的气候突变是否与城市化有关，其程度将会如何进一步变化，这些问题将在下一步研究工作中进行深入探讨。

[1] 符淙斌,王强.气候突变的定义与检测方法[J].大气科学,1992,16(4): 482-492.

[2] 符淙斌.气候突变现象的研究[J].大气科学,1994,18(3):373-384.

[3] 赵芳芳,徐宗学.黄河兰州以上气候要素长期变化趋势和突变特征分析[J].气象学报,2006,64(2):246-255.

[4] 李珍, 姜逢清.1961—2004年新疆气候突变分析[J].冰川冻土,2007,29(3): 351-359.

[5] 闵晶晶,曹晓钟,段宇辉,等.近30年“京津冀”地区冰雹的气候特征和突变分析[J].气象,2012,38(2):189-196.

[6] 戴洋, 罗勇,王长科,等.1961—2008年若尔盖高原湿地的气候变化和突变分析[J].冰川冻土,2010,32(1):35-42.

[7] 王绍武.近百年气候变化与变率的诊断研究[J].气象学报,1994,52(3): 261-274.

福州市科技局社会发展项目（2013-S-114）。