基于Mann-Kendall方法的1954—2015年临汾市气候变化特征分析

2019-08-23王念田庆春

现代农业科技 2019年13期

王念　田庆春

摘要以臨汾市1954—2015年的气象资料为研究对象，通过回归分析、M-K趋势检验和突变性分析等方法对数据进行处理。结果表明，临汾年均温在10.90～14.38 ℃之间波动，总体呈现增长趋势。与我国平均气温增长率相比，临汾温度增幅较大，特别是自1985年以来年平均气温的升高速率更为明显;2006年后临汾年均温略有下降。在此基础上，对数据进行M-K突变分析，得到的UF和UB曲线交点在检验范围内，从而可认为临汾市年均温上升现象属于突变。对近60年来临汾降水量以及日照时数进行回归分析、M-K突变性检验，数据显示，临汾市年降水量波动次数较多，下降幅度小，在若干年份出现突变性上升或下降，但总体呈下降趋势;年日照时数也呈现出整体下降趋势，近几年出现增多，个别年份经检验为突变，其中以冬季日照时数下降最为显著。个别季节日照时数下降可能与临汾近年冬季大气污染严重有一定关系。本文通过多变量趋势性法对气候变化特征进行分析，对该区域环境质量的改善具有指导性意义。

关键词气候变化;回归分析;M-K突变性检验;山西临汾;1954—2015年

中图分类号 P467 文献标识码 A

文章编号 1007-5739（2019）13-0175-04 开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Analysis on Climate Change Characteristics in Linfen City from 1954 to 2015 Based on Mann-Kendall Method

WANG Nian TIAN Qing-chun *

（College of Geographic Sciences，Shanxi Normal University，Linfen Shanxi 041000）

Abstract Based on the meteorological data of Linfen City during 1954-2015，through regression analysis，M-K trend test and sudden change analysis were carried out. The results showed that the annual average temperature of Linfen City fluctuated between 10.90 ℃ and 14.38 ℃，presenting an overall growth trend. Compared with rise rate of temperature in China，it was more obvious in Linfen，especially since 1985. After 2006，the annual average temperature decreased slightly in Linfen. On this basis，the M-K sudden change analysis showed that the intersection points of UF and UB curves were within the test range，so it was concluded that the rise of annual average temperature in Linfen City was a sudden change. The regression analysis and M-K sudden change test of precipitation and sunshine hours showed that annual precipitation in Linfen City fluctuated frequently and decreased slightly，with a sudden increase or decrease in several years，but the overall trend was downward. The annual sunshine hours also showed an overall downward trend，which increased in recent years，and sudden changed in a few years. The annual sunshine hours decreased significantly in winter，which might be related to the serious air pollution in Linfen City in winter.The analysis of climate change characteristics by multivariate trend analysis method is instructive for the improvement of environmental quality in LinFen City.

Key words climate change;regression analysis;M-K sudden change test;Linfen Shanxi;1954-2015

IPCC[1]第四次评估报告认为，受人类活动变化和自然环境影响，全球气温在20世纪90年代增温最为明显。在过去近100年间，中国的地表温度上升了0.74 ℃，并保持了与全球气候基本一致的趋势[2];气候具有明显的区域性特征，各区域间存在明显的差异[3-4]。气候学中从“气候”概念发展为气候学中的“全球气候系统”标志着科学的发展[5]，而气候作为一个重要的衡量因素会影响一个地区自然环境以及人类生活环境的变化。局地小气候很大程度上决定着区域和自然环境的状况[6]，因而对临汾小气候进行深度探讨和研究，与研究自然地理环境的基本思路相吻合。近年来，临汾部分区域（市、区）冬季二氧化硫和颗粒物污染物高于国家二级标准[7]，改善该区环境空气污染问题刻不容缓。冬季变暖是年均温上升的主要输出源，区域气温变化趋势的检测是气候变化检测研究的核心问题之一[8]。分析区域的气候特征，对改善临汾环境空气质量具有重要意义。

1 资料与方法

1.1 资料来源

临汾地处半干旱、半湿润区域，四季分明，属温带季风气候。由于其特有的地形特征，加上盆地四周地势较高，使得临汾的空气对流不旺盛，形成了特有的局地小气候且相对于山西省同纬度其他地区温度较高（图1）。

选用的数据为临汾市1954—2015年历年逐月气象资料，数据来自国家气象信息中心。为了对临汾市近年来气候变化特征更好地开展研究，以年为单位，求取每月平均值对气象资料数据进行分析。本文选用的数据较为完整，能较好地反映近几年来临汾市气象特征的变化。

1.2 分析方法

1.2.1 多变量数据趋势分析与回归分析。用于处理数据的回归分析法主要是对2个地理要素建立起联系。相关分析揭示了2个要素之间的相关程度，而回归分析是以函数形式表达某一要素与其他要素之间的联系，其实质是建立具体数量之间的回归模型，基本结构形式为Y=a+bXα。马玉鑫[9]对回归分析方法进行了详细解释。本文主要采用回归分析中的线性模型来反映地理要素之间具体定量关系，以获得2个要素之间的线性相关性。

1.2.2 突变性分析。时间序列在研究元素变化特征中起着重要作用，而通过时间序列变化的突变检验分析可以了解事物变化发展规律。对于时间序列X，M-K趋势检验对其统计量进行定义[10]。在目前检测趋势和突变的方法中，M-K法已被广泛用于分析降水、径流、气温和水质等方面。这种方法的优点是其不必遵循一定的分布，也不受少数异常值的干扰[11]。陆阳等[12]在研究淮河流域近50年来气候特征时使用到了这一方法，并对此方法原理进行了详细阐述。

2 结果与分析

2.1 气温特征分析

2.1.1 年均气温回归分析。通过线性拟合研究区近60年年均温，计算得出其趋势方程为y=0.034x+11.689（R2=0.561），得出临汾年均温每年约以0.034 ℃的增长幅度上升，其线性变化倾向率为0.34 ℃/10 a。从图2可以得出，临汾市年均温在58年来总体呈现出上升趋势，尤其是在1985—2012年，临汾市气温上升较为明显。其中，在2006年年均温达到14.38 ℃，达到近60年来的最高值;在增长过程中，2002—2003年间有一明显下降变化，并且达到了自2000年以来的最低值（13.1 ℃）。这个变化可能与临汾市政府所采取的措施有关，临汾市政府通过对能源结构进行多方面调整、多家工厂积极采用无污染能源或低污染能源、使用污染处理技术降低部分污染物对环境的污染指数，从而达到了缓解环境污染的目的[13]。近50年来，我国气温上升了1.1 ℃，其增温速率接近0.22 ℃/10 a[14]。张春林等[15]通过气象站的地面资料以及国家基准气候站资料，使用统计以及线性趋势等方法得出，山西省近60年年均温波动上升，暖干化特征更为明显，与本文的研究结果相同。

将临汾市气温增长速率和山西省数据进行比较，得出临汾的增温幅度较大。众多学者对这个问题进行深度探讨之后得出，我国属于全球气候变化最显著的国家之一，气候因素的变化将对社会经济产生影响;与100年前相比，我国年平均气温上升了0.5～0.8 ℃，冬季气温显著上升[16]。众多学者对此进行了研究，其中王劲松等[17]认为，位于我国西北东部到华北地区的区域处于东亚季风区内且位于季风北边缘地带，其中大多为干旱半干旱区，对气候变化较敏感，是我国气候变率最大的地区之一。临汾市自1994年以来，冬季年均温的增长幅度较大，这对临汾市年均温的增长也起到了推动的作用;其气温升高现状也与我国城市与工业化发展所处阶段息息相关，临汾市正处在城镇化和工业化发展的关键时期，能量需求缺口较大。因此，应对气候变化对于我国和世界而言都是一项长期而艰巨的任务。

对年份与年均气温数据回归结果进行检验处理得出，U=18.831 103 57，Q=14.738 212 76，F=71.551 538 62，置信水平F0.01（1，51）=7.31。由于F>>F0.01，表明F在置信水平α=0.01下達到显著，即年份与平均气温成正相关，年平均气温随年份呈上升趋势。通过回归分析验证了本文对于近60年来临汾市气温变化特征所得出的结论。

2.1.2 Mann-Kendall趋势性检验。利用Mann-Kendall方法进行趋势检验，结果得出Z=5.856。由于Z=5.856>2.32>0，所以山西省临汾市的年平均气温近60年来呈上升趋势。数据结果均通过了0.01和0.05的显著性检验，证明气温升高显著，这与本文回归分析的结果一致。

2.1.3 Mann-Kendall突变性检验。从UF曲线（图3）可以看出，自1955年起，除个别年份（1969年、1970年、1971年）外，数值都>0;1971年之后，UF值都>0，说明年均温呈现持续上升状态。在20世纪90年代中期至21世纪10年代的年均温增长通过了0.05的趋势性检验（U0.05=1.96），甚至通过了0.01显著检验（U0.01=2.58）。以增长趋势为基础，进一步观察UF和UB曲线的交点在置信水平内，并且确定1970年的年平均温度升高时突然变化，呈现突变性升温状态。在1971年UF（K）曲线大致呈下降趋势，但在1971年之后UF（K）曲线基本逐年上升。由此可以得出结论：临汾市近60年来年均温存在冷、暖2个阶段，并且自1971年以来，年均气温呈逐渐上升趋势，总体来说就是前期偏冷而后期较暖的变化趋势。张丽花等[18]应用M-K法对山西省气候进行突变检验发现，1992年之前山西省基本处于一个低温期;而自1992年之后，山西省气温逐渐回暖，并出现上升趋势，这与本文得出的结论一致。

2.2 降水量特征分析

2.2.1 年降水量回归分析。降水量的变化会导致区域气候有最敏感、最直接的变化[19]，因而研究过去60年来我国在全球气候变化背景下降水变化的区划和变化特征极为重要[20]。从图4可以看出，临汾市年降水量在过去60年呈下降趋势，降水量年均以-1.29 mm下降，气候倾向率为-12.865 mm/10 a;该结果与以往的研究结果基本一致[21]。其中，在1958年、1964年、1971年、2003年降水丰沛，在1957年、1960年、1965年、1967年4年中降水量减少、气候干燥。总体而言，年降水量变化大，波动幅度较大，个别年份涨落较为明显。其中，1978年、2001年符合M-K突变性减少的检验结果，而1997年、2003年符合下文M-K突变性增加的检验结果。

2.2.2 Mann-Kendall趋势性检验。使用M-K趋势检验法对临汾市近60年来年降水量数据进行分析，并将检验结果与回归分析结果相联系。分析得出，临汾市近60年来年均降水量Z=-1.59，其绝对值>1.28，证明Z通过置信度为90%的显著性检验，但绝对值<1.64，证明Z未通过95%置信度测试，也可以说明，近60年来降水量下降趋势较为明显，与本文通过回归分析得出的结果相同。

2.2.3 Mann-Kendall突变性检验。时间统计数列有正序时间和逆序时间之分。其中，UF（K）表示正序时间，UB（K）表示逆序时间，若在置信度范围之内UF（K）与UB（K）存在交点，即可证明某地区在这一段时间内，研究对象存在着突变，而交点位置即代表突变时刻的开始。从图5可以看出，UB与UK相交且存在11个交点，分别出现在1978年、1981年、1983年、1986年、1992年、1994年、1995年、1996年、1997年、2001年、 2003年，其中在1978年、1983年、1986年、1994年、1996年、2001年、2003年，年均降水量呈突变性上升，有些年份在交点之后年均降水量呈突变性下降（1978年、1981年、1992年、1995年、1997年）。这11个交点均通过了a=0.05（+1.96）上限以及a=0.05（-1.96）下限的检验，数据证明，临汾市近60年来的降水量发生了较大的变化。此外，交替最频繁的年份出现在20世纪初，即1992—1997年间，年均降水量出现频繁的突变上升或下降，然而，总体上降水量下降趋势显著。

根据前文得出的结论，临汾市年均气温逐年上升，使得空气中水汽含量相对减少，在一定程度也影响了临汾市成云致雨的条件，而临汾市降水量的逐年减少，也导致了空气中污染物沉降扩散的难度增加。因此，逐年降雨量的减少也成为了临汾长期雾霾且雾霾较难扩散的原因之一。临汾市年均降水量减少幅度较小，并不是临汾市冬季雾霾严重的决定性因素，但不可否认的是临汾市冬季降水量的减少也加剧了临汾市雾霾的严重程度。

2.3 日照时数特征分析

2.3.1 年日照时数回归分析。任国玉等[22]认为，过去50年我国的日照时数具有东部减少幅度大于西部、平原的减少幅度大于山区的特征，同时春、秋两季减少幅度小于冬、夏两季。对1954—2015年临汾市年均日照时数进行处理，以日照时数为因变量、年份为自变量，通过回归分析建立2个变量之间的一元回归方程，其线性变化倾向率为-54.297 h/10 a，并且临汾的冬季日照时数每年以-5.429 7 h的数值逐年减少。1964年、2013年年均日照时数呈现出突变性上升趋势，在2013年达到了近60年来的峰值（图6）。

日照时数在山西省空间差异明显。四季日照时数中，冬季最少。在过去的48年中临汾年、季、月日照时数逐年减少[23]。其中，冬季日照时数减少是最重要的[24]，减少速率为-48.47 h/10 a，而冬季日照时数的减少与临汾市冬季严重的雾霾有密不可分的联系。临汾污染问题日益严峻，使得空气中尘埃、颗粒物质增多，其对太阳辐射的吸收、折射能力增强，也成为了冬季年日照时数逐年减少的原因之一。此外，冬季日照时数的减少也在一定程度上抑制空气中颗粒因子的活跃程度;加之地形因素的影响，導致在临汾上空形成了较厚的逆温层，大气污染物浓度不宜降低，使临汾市冬季污染程度加剧。近几年临汾市政府根据市区地理位置和气象特点对临汾市大型工厂、中小型企业等进行治理和调整[25]，使得自2013年后日照时数出现大幅增长。

2.3.2 Mann-Kendall趋势性检验。通过对临汾市近60年来年均日照时数进行M-K趋势性检验，得出Z=-4.9，绝对值 >2.32，通过了99%置信度测试，可以得出，年均日照时数下降趋势更为明显。这与前文对年均日照时数的回归分析结果相一致，证明年均日照时数的下降趋势较为明显，同时也证明了数据处理结果的可靠性。

2.3.3 Mann-Kendall突变性检验。对临汾近60年来年均日照时数进行M-K突变性检验，从图7可以看出，UF（K）和UB（K）有2个交点，分别出现在1958年和2011年。其中，只有1958年的交点位于检验范围内，而2011年的交点没有通过0.05的检验，所以2011年日照时数突变性上升不具有突变性。根据对近60年的日照时数的回归结果进行数据分析，自20世纪50年代以来，年日照时数基本呈现下降趋势。

3 结论与讨论

结果表明，以大区域气候背景为基础，临汾形成了独特局地小气候，经数据分析，其平均气温呈明显的增长趋势;增长速度快于全国趋势，年均降水量和日照时数总体减少。

使用M-K趋势检验法检验年均温、年降水量、年日照时数，临汾市年平均气温的增暖现象较为显著，并且通过了99%置信度检验;年降水量及日照时数的下降趋势分别通过了90%和95%的置信度测试。

对近60年临汾市年均温、降水以及日照时数进行M-K突变性检验处理之后，发现年均温在1970年出现交点，这表明临汾气象站的气候变暖变化趋势属于突变现象。此外，降水量有略微下降趋势，日照时数也逐年减少，由于气候因素的变化，对冬季雾霾加重也起到了推动作用。

临汾市形成的独特小气候导致了空气污染情况加剧。在考虑其他因素的同时，应以小气候因素的特征为基础从多方面思考临汾近年来气候敏感问题，积极控制与调节局地小气候，并对此采取相对应的措施。

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