咸阳市区近50年气候变化特征分析

2016-12-19李兴涛方永侠尹盟毅

陕西气象 2016年6期

关键词：图略咸阳市时间尺度

李兴涛，韩莹，田亮，方永侠，尹盟毅

(1.渭城区气象局，陕西咸阳 712000；2.陕西省气候中心，西安 710014；3.咸阳市气象局，陕西咸阳 712000；4.兴平市气象局，陕西兴平 713100)

咸阳市区近50年气候变化特征分析

李兴涛1，韩莹2，田亮2，方永侠3，尹盟毅4

(1.渭城区气象局，陕西咸阳 712000；2.陕西省气候中心，西安 710014；3.咸阳市气象局，陕西咸阳 712000；4.兴平市气象局，陕西兴平 713100)

利用陕西省咸阳市秦都国家基本气象站1965—2014年逐日气温、降水、日照资料，用常规统计方法、Man-Kendall非参数检验法、Morlet小波分析等方法对咸阳市区近50年的气候变化趋势、突变特征、周期特征进行分析。结果表明：近50年来咸阳市区气候变化趋势为气温显著升高、降水略微减少、光照显著减少，极端高温、强降水天气增多增强，极端低温天气逐渐减少。气温气候倾向率为0.17 ℃/10 a，气温升高突变年为1997年，气温变化主要存在6、12、 32 a冷暖交替的振荡周期；冬季明显缩短，春季增长，夏季、秋季长度基本无变化。降水变化不明显，突变特征不显著，主要存在6、11、29 a干湿交替的振荡周期。日照气候倾向率为-59.06 h/10 a，突变年为1980年，日照变化主要存在7、13、25 a高低交替的振荡周期。2014年后一段时期为干暖期。

气候变化；Man-Kendall非参数检验法；小波分析；咸阳市区

近年来，在全球气候变暖的大背景下，各类极端天气气候事件频发，气象灾害造成的损失和影响不断加重，气候变化引起了社会各界和各级政府的普遍关注和重视。为此，国内不少气象工作者对当地的降水、热量资源、旱涝气候演变等气候特征进行了研究[1-9]。咸阳市区位于关中平原腹地，地处暖温带，属大陆性季风气候，四季分明，雨热同季，气候温和。本文对咸阳市区近50年来的气候变化趋势、突变特征和振荡周期等进行分析研究，对进一步做好气候预测、气候资源开发利用和防灾减灾具有积极意义。

1 资料和方法

所用资料为陕西省咸阳市秦都国家基本气象站1965—2014年逐日气温、降水、日照资料，采用线性回归、Man-Kendall非参数检验法(简称M-K方法)和Morlet小波变换方法进行趋势分析、突变检验和周期变化分析[10]。

2 分析与结果

2.1 气温年际变化特征

2.1.1 平均气温咸阳市区近50年的平均气温为13.1 ℃，最低为12.0 ℃(1984年)，最高为14.5 ℃(2013年)。从多年变化趋势(图1a)来看，年平均气温总体呈上升趋势，气候倾向率为 0.17 ℃/10 a。利用M-K方法对年平均气温的趋势变化进行检验，表1中统计量值S>0，Z>2.32，通过了置信度99%的显著性检验，说明咸阳市区增温显著，与回归分析结果一致。M-K方法突变检验显示(图1b)，咸阳市区年平均气温1967—1996年为相对偏低阶段，其中1980—1993年偏低明显，1997年发生突变，自1998年以后呈逐年上升趋势，2007年后UF曲线超过了通过了0.01(U=2.58)显著性水平的信度线，为显著增温。

图1 1965—2014年咸阳市区年平均气温变化趋势(a)和突变特征的M-K检验(b)

统计量年平均气温年平均最高气温年平均最低气温年降水量年日照时数S366380301-15-391Z3.05*3.17*2.51*-0.12-3.26*

注：*表示通过置信度99%的显著性检验。

对咸阳市区近50年的年平均气温距平序列进行Morlet小波变换(图2)后发现，气温存在3～8、5～15、8～23、23～32 a四类尺度的振荡周期。通过小波方差确定不同尺度波动能量和气温变化的主周期，第一主周期到第四主周期的时间尺度依次为6、12、32、17 a。分析主周期小波系数趋势变化(图略)，在6 a的时间尺度上，存在着平均变化周期为4 a左右的12个冷暖交替期；在12 a的时间尺度上，存在着8 a左右的6个冷暖交替期；在32 a的时间尺度上，存在22 a左右的2个冷暖交替期。不同时间尺度在2013年以后均为继续升高的趋势，由此可以预计2014年后一个时期咸阳市区气温为偏暖期。

图2 1965—2014年咸阳市区年平均气温的小波分析

2.1.2 最高气温咸阳市区近50年的平均最高气温为18.9 ℃，总体呈上升趋势(图略)，气候倾向率为0.25 ℃/10 a。通过M-K检验分析(表1)，年平均最高气温上升趋势明显，通过了置信度99%的显著性检验。M-K突变检验得出(图略)，1967—1970、1975—1977、1981—1994年为偏低阶段，1971—1973、1979—1980、1997年以后为偏高阶段，1997年为突变年。自2007年以后UF曲线超过0.01显著性水平的信度线，表明增温趋势显著。

咸阳市区近50年的日极端最高气温出现在6—8月，以6、7月居多，日最高气温≥35 ℃的年平均高温日数为17.6 d,极端值为42.0 ℃(1966年6月21日)。20世纪70年代中期到80年代末，高温天气出现次数较少，1984年仅出现1 d，最高气温为35.4 ℃。自1997年后, 极端高温天气增多增强,年平均高温日数增至19.5 d,1997年48 d，为50年来最多，2002年也达33 d；年极端最高气温始终维持在38 ℃以上，1998、2005、2006、2014年均突破40 ℃(图略)。

2.1.3 最低气温咸阳市区近50年的平均最低气温为8.3 ℃，总体呈上升趋势(图略)，气候倾向率为0.11 ℃/10 a。从表1可知，年平均最低气温上升趋势明显，通过了置信度99%的显著性检验。M-K突变检验得出(图略)，1969—1972、1984—1987、1992—1996年为偏低阶段，1965—1967、1973—1983、1988—1991、1997年以后为偏高阶段，突变发生在1997年，之后呈逐年上升趋势，自2009年后，UF曲线超过0.01显著性水平的信度线，增温显著。

咸阳市区近50年的日极端最低气温出现在11—2月，以1月居多，日最低气温≤0 ℃的年平均低温日数为99.7 d。20世纪60年代末至90年代初，低温天气出现的频次和强度较高，1969年出现115 d,1985年出现116 d；1969、1977、1991年极端最低气温为50年第一、第二、第三低值，1969年2月5日极端最低气温达-19.7 ℃。1998年后，低温天气逐渐减少，年平均低温日数减至94.7 d，2006年出现84 d，2007年出现83 d，为50年来最少(图略)。

2.1.4 四季分布特征利用近50年的逐日平均气温资料，依据气象行业国家标准QX/T 152—2012《气候季节划分》统计得出咸阳市区的四季起止日期和长度，结果见表2。

表2 咸阳市区四季起止日期及长度

注：连续5 d滑动平均气温≥10 ℃入春，≥22 ℃入夏，<22 ℃入秋，<10 ℃入冬。

从表2可知，气象学上的四季划分与24节气四季起始日期存在明显差异，入春比立春时间晚近2个月，入夏比立夏晚近1个月，入秋比立秋晚约1个月，入冬与立冬时间基本吻合。咸阳市区冬季最长，约5个月；夏季次之，3个多月；春秋季较短，都在2个月左右。

对四季长度的年际变化趋势进行分析(图略)，冬季长度气候倾向率为-3.29 d/10 a，春季为2.22 d/10 a，说明冬季缩短，春季增长，夏季、秋季长度基本无变化。将每年各季的开始时间与常年四季平均的开始时间比较(图3)，近50年来入春时间正常的有23 a；2013年入春特早，比常年提前21 d；1996年入春特晚，比常年推迟19 d。入夏时间正常的有27 a；2007年入夏特早，比常年提前18 d；1987年入夏特晚，比常年推迟22 d。入秋时间正常的有24 a；2003年入秋特早，比常年提前24 d；2014年入秋特晚，比常年推迟16 d。入冬时间正常的有25 a；1985年入冬特早，比常年提前18 d；2006年入冬偏晚，比常年推迟11 d。入春、入夏最早年和入秋、入冬最晚年均出现在2006年以后。

图3 1965—2014年咸阳市区四季早晚年际变化

2.2 降水年际变化特征

咸阳市区近50年平均降水量为512.5 mm，从图4可以看出，降水量的年际变化较大，但回归趋势线与50年的平均值基本重合，总体变化趋势不明显；通过M-K趋势检验可知(表1)，年降水量呈略微减少趋势，变化趋势不显著。通过M-K突变检验(图略)，UF曲线和UB曲线交点较多，突变显著性水平不足0.1，表明降水没有发生突变。

图4 1965—2014年咸阳市区年降水量变化趋势

以日降水量≥0.1 mm记为一个降水日，咸阳市区近50年的年平均降水日为87.8 d；最大日降水量集中出现在5—10月，以7—9月居多，7月最多，年平均暴雨日为0.4 d。由图5可以看出，1980年以前暴雨出现较少，仅1972年有1 d。自1998年后，暴雨出现的频率和强度明显增加，年平均暴雨日增加到0.8 d，1998、2003、2007年暴雨日为2 d，2011年为4 d；2007年8月9日最大日降水量达158.5 mm，为50年之最。

图5 1965—2014年咸阳市区年最大日降水量和暴雨日年际变化

对咸阳市区近50年的年降水量距平系列进行morlet小波变换(图6)，年降水量存在3～8 a、8～15 a、8～23 a、23～32 a四类时间尺度的振荡周期。降水的第一到第四主要周期依次为29、11、6、19 a。对主周期小波系数趋势分析(图略)，在6 a时间尺度上，存在着平均变化周期为4 a左右的11个干湿交替期；在11 a时间尺度上，存在7 a左右的6个干湿交替期；在29 a时间尺度上，存在20 a左右的2个干湿交替期。在11 a和29 a时间尺度上2012年以后降水均为减少趋势，由此预测，2014年后一个时期咸阳市区降水为偏干期。

图6 1965—2014年咸阳市区年降水量的小波分析

2.3 日照时数年际变化特征

咸阳市区近50年年平均日照时数为2 071.1 h,年平均日照百分率为47%。年日照时数最多为2 376.3 h(1966年),最少1 655.4 h(2009年)。年日照时数总体呈减少趋势，气候倾向率为-59.06 h/10 a(图7)。利用M-K方法对日照趋势变化和突变情况进行检验(表1)，日照减少明显，通过了置信度99%的显著性检验。从1967年开始，日照呈逐年下降趋势，1980年发生突变。20世纪90年代初期和2003年以后减少趋势十分显著，UF曲线超过了0.01显著性水平的信度线(图略)。

图7 1965—2014年咸阳市区日照时数年际变化趋势

对咸阳市区近50年的年日照时数距平系列进行morlet小波变换(图8)，日照存在4～10 a、7～18 a、18～32 a三类时间尺度的振荡周期。第一到第三主周期依次是13、25、7 a。分析主周期小波系数趋势变化(图略)，在7 a时间尺度上，存在平均变化周期为4 a左右的8个高低交替时期；在13 a时间尺度上，存在8 a左右的5个高低交替时期；在25 a时间尺度上，存在17 a左右的3个高低交替时期。从13 a和25 a时间尺度上看，在2013年后日照时数均为增加趋势，由此预测，2014年后一个时期咸阳市区的日照为相对偏多期。

图8 1965—2014年咸阳市区年日照时数的小波分析

3 结论与讨论

(1)咸阳市区近50年气温呈显著升高趋势，气候倾向率平均气温为0.17 ℃/10 a，平均最高气温为0.25 ℃/10 a，平均最低气温为0.11 ℃/10 a。最高气温的升温幅度超过了平均气温和最低气温，对咸阳市区的增暖贡献最大。极端高温天气多出现在6、7月，自1997年后，高温天气发生的频率和强度明显增加；极端低温天气多出现在1月，自1998年以后，呈减少趋势。升温突变点出现在1997年，自2007年以后，最高气温和最低气温的增温趋势均十分明显，是近50年来最高的一段时期。气温变化主要存在6、12、32 a冷暖交替的振荡周期，2014年后一个时期咸阳市区气温处于偏暖期。

(2)咸阳市区四季中冬季最长，夏季次之，春、秋季较短。50年来季节长度的气候倾向率，冬季为-3.29 d/10 a，明显缩短；春季为2.22 d/10 a，明显增长；夏季、秋季长度基本无变化。入春、入夏最早年和入秋、入冬最晚年均出现在2006年以后。

(3)咸阳市区近50年的降水变化不明显，呈略微减少趋势；极端强降水天气多出现在7—9月，自1998年以后，暴雨发生的频率和强度明显增加。降水变化主要存在6、11、29 a干湿交替的振荡周期，2014年后一个时期咸阳市区降水处于偏干期。

(4)咸阳市区近50年的日照时数呈明显减少趋势，气候倾向率为-59.06 h/10 a。1980年为日照减少的突变年，20世纪90年代初期和2003年以后是近50年来日照时数最少的时期。日照变化主要存在7、13、25 a高低交替的振荡周期，2014年后一个时期咸阳市区日照处于相对偏多期。

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