太原市近百年气候变化特征分析

周静

太原市近百年气候变化特征分析

周静

（山西省气象科学研究所，山西 太原 030002）

通过1910—2010年太原逐日气象资料，运用小波分析和突变分析等方法对气温和降水的气候变化特征进行了分析，并对与平均风速变化密切相关的气温和降水进行了年际变化特征比较。结果表明，太原市年平均气温总体呈上升趋势，冬季气温明显升高趋势的时间早于夏季，夏季气温升高趋势的时间最晚；年平均气温存在显著的2年和4年准周期，夏、冬季气温存在显著的2年和4年准周期；年降水量呈下降趋势，年降水量存在显著的4年和8年准周期，降水量存在显著的2年准周期，夏、冬季降水量存在4年和8年准周期；20世纪40年代中期到50年代初期准2年周期震荡比较显著。研究可以看出，20世纪太原市气温总趋势在上升，而降水量在减少，干旱化趋势比较明显。

气温；降水；气候变化；突变现象

近年来，全球增暖已成为共识，并且引来中国国内外学者的广泛关注[1-4]，探讨全球增暖背景下各区域气候变化的特征已日益成为气候研究的热点之一。气候变化的表现之一就是在内陆地区出现了显著的暖干化趋势。气候暖干化的两个重要指标是气温和降水。中国北方地区气温在波动中升高，有些地区的降水在波动中减少，有些地区有微弱的增加。近年来灾害性天气、气候极端事件频繁发生，气候变化在其中起着非同一般的作用。要增强对气象灾害的抗御能力，不仅要掌握天气的变化，还要对当前大的气候背景有所认识。2001年IPCC第三次最新评估报告显示，从19世纪末到20世纪末，全球平均气温大约上升0.6～0.2 ℃，预计到2100年，全球平均气温还将上升1.0～3.5 ℃。在全球气候变暖的大背景下，中国各地区对全球气候变暖的响应并不完全相同，在时间和空间的分布上极不均匀[5]。太原地区处于北半球中纬度地理位置和山西高原的地理环境，受西风环流的控制及较高太阳辐射的影响，其气候干燥，降雨少，昼夜温差比较大，表现出较强的大陆性气候特点。冬天受西伯利亚冷空气的控制，夏天受东南海洋湿热气团影响。随着季节的推移，两大气团在太原上空交互进退，此消彼长，发生着规律性的周期更替，形成了冬季干冷漫长、夏季湿热多雨，升温急剧、降温迅速的气候特点。

1 数据来源与研究方法

1.1 资料来源与处理

太原市自1910年开始有气象资料，其中，1937-10—1938-12和1944-01—1947-12的资料缺测。对于缺测资料，拟根据北京、西安资料以及有关的一些研究成果，对缺测资料进行插补，从而得到太原市近百年较完整的逐月平均气温、降水资料。季节划分是3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12月—次年2月为冬季。

1.2 研究方法

Mann-Kendall方法是一种非参数检验方法，其优点是不用样本遵循一定的分布规律，也不受少数异常值的干扰[6-7]。本文用此方法对时间序列进行突变分析，评估不同时间尺度上的突变情况。小波分析这种方法在时域和频域上同时具有良好的局部性质，不仅能分析时间序列周期变化的局部特征，还能更清楚地反映各周期随时间的变化规律[8-11]。小波系数模、小波系数实部是Morlet小波变换得到的最重要的变量。小波系数模的大小数值表示特征时间尺度信号的强弱，其模值越大，表明其所对应的时段和尺度周期性越明显。小波变换系数的实部可以用来判别气候资料序列中所包含的不同时间尺度降水的结构。

2 结果分析

2.1 气温和降水时间变化特征

太原市年均气温和降水标准化距平序列如图1所示。根据图1可知，1910—2010年太原市年平均气温总体呈上升趋势，20世纪10年代到30年代上升，30年代到70年代下降，70年代以后上升；年降水量呈下降趋势，20世纪70年代以前呈上升趋势，70年代后期降水量偏少，呈下降趋势。

太原市夏季和冬季温度变化序列如图2所示。由图2可知，夏季平均气温呈降低趋势，夏季气温在20世纪30年代初期到50年代初期、60年代初期到90年代初期气温偏低，20世纪10年代中期、50年代中期、21世纪初期以后气温偏高；冬季平均气温呈上升趋势，20世纪20年代中期、50年代初期、90年代初期气温偏高，20年代初期、30年代中期、50年代中期、60年代末期和80年代中期气温偏低。年平均气温、夏季平均气温在20世纪90年代中期有明显升高趋势，冬季平均气温在20世纪70年代初期有明显升高趋势。

图2 太原市夏季和冬季温度变化序列

夏季和冬季降水的年际变化如图3所示。由图3可知，夏季降水量呈下降趋势，20世纪30年代以前、90年代后期降水偏少，20世纪30年代初期到40年代中期、50年期中期到70年代初期降水偏多；冬季降水量呈下降趋势，20世纪40年代以前、80年代初期到90年代初期降水偏多，20世纪50年代初到60年代末降水偏少。从以上分析得出，冬季降水量下降趋势最为明显，夏季降水量下降幅度最小。

2.2 气温和降水序列的突变检验

太原市年温度和降水序列的Mann-Kendall突变检验如图4所示。由图4可知，太原市年气温在20世纪20年代初期到30年代初期、80年代后期呈上升趋势；年降水量在20世纪40年代初期、中期，60年代中期到70年代初、80年代初UF值超过显著性水平0.05临界线，表明年降水量在该时段内上升趋势显著。在研究时段内，UF和UB曲线有多个交点，不能确定是否存在突变现象。

太原市夏季和冬季温度序列的Mann-Kendall突变检验如图5所示。由图5可知，夏季气温在20世纪10年代初期到30年代初期、90年代末期呈上升趋势；冬季平均气温在20世纪10年代初期到中期、20年代初期到30年代初期、50年代末到60年代中期、70年代初期上升趋势显著，且在80年代末气温的上升是一突变现象。

太原市夏季和冬季降水序列的Mann-Kendall突变检验如图6所示。由图6可知，夏季降水量在20世纪30年代初期到末期、40年代初期到50年代中期、60年代中期到70年代中期以及80年代末期下降趋势显著，不能确定是否存在突变；冬季降水量在20世纪20年代初期到40年代初、70年代中期以后下降趋势显著，于20世纪40年代末降水存在突变现象。

2.3 气温和降水序列的周期特征

太原市气温和降水的Morlet小波功率谱如图7所示。由图7可知，年平均气温存在显著的2年和4年准周期，20世纪30年代准4年周期震荡比较显著，80年代初期准2年周期震荡比较显著，2000年以后准4年震荡周期显著；年降水量存在显著的4年和8年准周期，准4年周期震荡显著，90年代中期到2000年准4年变化周期震荡比较显著。

图4 太原市年温度和降水序列的Mann-Kendall突变检验

图5 太原市夏季和冬季温度序列的Mann-Kendall突变检验

图6 太原市夏季和冬季降水序列的Mann-Kendall突变检验

图7 太原市气温和降水的Morlet小波功率谱

太原市夏季和冬季气温的Morlet小波功率谱如图8所示。由图8可知，夏季气温存在4年和8年准周期，20世纪20年代初到30年代末、90年代末到2000年初准4年周期震荡显著；冬季气温存在2年、4年准周期，20世纪50年代初到50年代末准2年周期震荡比较显著，20年代初到70年代到90年代初、2000年以后准4年周期震荡比较显著。

太原市夏季和冬季降水的Morlet小波功率谱如图9所示。由图9可知，夏季降水量存在4年和8年准周期，20世纪30年代初到50年代初准8年周期震荡显著，80初代初期到90年代初期准4年周期震荡显著；冬季降水量存在4年、8年和16年准周期，20世纪20年代中期到40年代末准8年周期震荡比较显著，80年代中期到到90年代末、2000年以后准4年周期震荡比较显著。

图8 太原市夏季和冬季气温的Morlet小波功率谱

3 结论

本文通过1910—2010年太原逐日气象资料，运用小波分析和突变分析等方法，对气温和降水的气候变化特征进行了分析，并对气温和降水进行了年际变化特征比较，结果表明：①太原市年平均气温总体呈上升趋势，20世纪10年代到30年代上升，30年代到70年代下降，70年代以后上升。年平均气温、夏季平均气温在20世纪90年代中期有明显升高趋势，冬季平均气温在20世纪70年代初期有升高趋势。年降水量呈下降趋势，20世纪70年代以前呈上升趋势、70年代后期降水量偏少呈下降趋势。太原市冬季降水量下降趋势最为明显，夏季降水量下降幅度最小。②年平均气温存在显著的2年和4年准周期，20世纪80年代初期准2年周期震荡比较显著，2000年以后准4年震荡周期显著。夏季气温90年代末到2000年初准4年周期震荡显著；冬季气温存在2年、4年准周期，20世纪50年代初到50年代末准2年周期震荡比较显著，20年代初到70年代到90年代初、2000年以后准4年周期震荡比较显著。③年降水量存在显著的4年和8年准周期。夏季降水量存在4年和8年准周期，20世纪80初代初期到90年代初期准4年周期震荡显著；冬季降水量存在4年、8年和16年准周期，20世纪20年代中期到40年代末准8年周期震荡比较显著，20世纪60年代初到70年代中期准8年周期震荡比较显著，20世纪80年代中期到到90年代末、2000年以后准4年周期震荡比较显著。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.011

2095－6835（2019）15－0032－04

〔编辑：王霞〕