营口市百年气温变化特征研究

李黎 崔研 王浩宇 吴国振 杨明 张运芝 赵晓川

(1.营口市气象局，辽宁 营口 115002； 2.沈阳区域气候中心，辽宁 沈阳 110166)

引言

近百年来，地球正在经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化[1]，变暖不仅会对中国，甚至全球的环境都会产生重要影响。IPCC第五次全球气候评估报告指出，近100 a来全球表面平均温度升高了0.85 ℃[2]。因此，越来越多的学者关注并研究了该问题[3-5]。唐国利等[6]通过建立中国近100 a的地表气温序列，发现自1905年以来中国地表年平均气温明显增暖，且主要发生在冬季和春季；Cao等[7]合成了19世纪以来中国的月平均地表气温(SAT)观测资料，并分区域讨论了中国各地区温度的变化趋势；孙凤华等[8]建立了中国东北地区近百年来季、年的气温序列，并发现东北近百年的增温趋势明显，而年降水则呈减少的趋势。

在全球气候变暖背景下，辽宁地区的气候特征也同样发生了显著变化。任国玉等[9]发现1905—1988年辽东半岛冬、 夏和年平均气温呈明显的冷暖波动变化，其中年平均气温同北半球的阶段性波动情况大体一致；周薇等[10]研究发现，1905—1988年辽东半岛4个气象站(丹东、熊岳、营口和大连)冬季平均温度皆明显上升，除营口外夏季平均温度一般呈变冷趋势；纪然[11]发现1960—2016年辽宁省具有一致的增温变化趋势；龚强等[12]分析发现辽宁各地的气温、积温普遍为增高趋势，且具有阶段性和突变性的特征；周晓宇等[13]认为1961—2012年辽宁省年平均极端气温事件空间分布存在地区差异，其中极端暖事件增加，极端冷事件减少；赵春雨[14]研究表明，辽宁省降水量的长期变化呈略减少趋势，气温的长期变化呈全省性的增暖趋势，其中冬季气温增暖最为明显。也有一些学者针对辽宁省各市气候变化进行了研究。马明敏等[15]发现，1959—2005年沈阳市平均气温上升显著，其中冬季、春季增暖幅度最大；金巍等[16]发现，1951—2005年营口市年平均气温呈递增趋势，其中平均最低气温的增温趋势最强、平均气温次之、平均最高气温最弱。以上研究表明，关于东北区域及辽宁省的大区域范围或者对单站几十年资料的气候研究较为丰富，而对局部地区的长期气候变化研究相对匮乏，其中对单站气温近百年的温度变化特征，尤其是对营口单站长达116 a气温资料的研究较少。

营口市位于辽东半岛西北部，大辽河入海口的左岸，地处121 °56 ′—123 °02 ′E、39 °55 ′—40 °56 ′N之间，具有独特的暖温带大陆性季风气候，本文拟通过利用近116 a营口气象观测站资料来分析营口市气温变化的气候特征，这有利于加深对小区域气候变率的认识，且对进一步揭示小区域气候变化与大区域乃至全球气候变化的响应程度和规律具有非常重要的意义。

1 资料及方法

1.1 营口气象观测站简介

1.1.1 营口气象观测站站址沿革

营口气象观测站于2017年5月17日被世界气象组织(WMO)认定为全球首批百年气象站，是中国的8个百年站之一，也是辽宁省第一座百年气象观测站。它始建于1904年9月30日，同年10月开始气象观测，1945年8月15日日本无条件投降后，停止气象观测。东北解放后，于1949年3月27日恢复观测。

由表1可以看出，营口气象观测站前三次迁址水平距离皆小于1 km，垂直距离小于0.5 m，且第三次为原址重建，对气温的影响均可忽略不计；之后于1955年和1973年各发生一次迁址，分别为原址向西南移动3.5 km以及向东移动4 km，观测高度变化为1 m左右，迁址前后地理条件近似，均为平坦地形，因此经纬度、地形、水体环境对气温变化产生影响不大。2005年12月，营口气象观测站进行了最后一次迁址，为原址西8.5 km处，观测高度上调0.5 m，周边环境及地理条件类似，且迁址前进行了为期一年的同步对比观测，消除了仪器等误差。此外基于M-K检验和t检验法，年平均气温的突变点出现在1987年，其他各季的突变点分别出现在1988年、2015年、1991年和1979年(后文)，迁址前后并没有出现数据资料的突变，连贯性较好。

1.1.2 观测仪器变更情况

营口气象观测站在1985年12月31日前皆采用人工观测；1986年1月1日在地面观测业务中正式引进SHARP PC-1500袖珍计算机计算观测数据，自动编制地面气象报告；1988年1月1日采用APPLE-Ⅱ型微机制作地面气象记录月报表；1999年10月建成DYYZ-Ⅱ型自动气象站，实现了气温等要素的自动观测；2013年5月，DYYZ-Ⅱ型自动气象站转为备用，以DZZ5新型自动气象站自动观测为主。

1.2 资料介绍

1.2.1 资料来源

本文采用营口气象观测站提供的1904—2019年营口市月平均气温资料，由于战乱及资料散失等原因，造成部分资料缺失。1904年1—9月、1910年和1923年4—12月部分采用距营口气象观测站5 km的牛庄海关测候所(122 °29 ′E、40 °57 ′N)资料替代，两站符合水平距离小于50 km，高度差低于100 m的替代条件，1925—1932年、1943年3月至1949年4月的部分来源于曹丽娟[17]月平均地表气温(SAT)系列，此外1937年4—11月、1941年5月、1942年5月至1943年2月的部分，采用中央气象局沈阳中心气象台1955年8月编印的《营口气象资料》替代。均一化采用的解放前的资料来源于国家气象信息中心搜集的71个东北地区站点资料。

1.2.2 营口市气温资料均一化检验说明

为了进一步验证本文使用的气温资料均一性及质量，对资料进行均一化处理。采用惩罚最大F检验(PMF)法对拼接和插补后的逐月平均气温资料进行均一化检验，该方法在前人的工作中已经得到了较好的验证[18-19]，且其可适用于无参考序列条件下的气候序列非均一性检验。由于1904年1—9月，1910年，1923年4—12月部分使用牛庄海关测候所资料进行拼接，因此将3个时段的拼接时间作为“Type-0”类断点(即只有在元数据支持下才有意义的断点)进行检验，结果表明拼接后的营口市逐月气温资料不存在明显断点，资料质量和连续性均较好。

1.3 研究方法

利用线性倾向估计，7 a滑动平均，Mann-Kendall检验，Morlet小波分析等方法对营口市全年及各季平均气温进行了诊断分析，其中小波分析方法是通过Torrence and Compo[20]提供的小波分析程序实现，其余方法则参考魏凤英推荐的统计分析技术[21]。

文中的季节划分标准为：3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至翌年2月为冬季。

2 结果分析

2.1 营口市平均气温的变化趋势

2.1.1 年平均气温的变化趋势

图1为1904—2019年营口市年平均气温变化曲线，1904—2019年整体呈现出上升的变化趋势，其气候倾向率为0.17 ℃·(10 a)-1，采用t检验法检验年平均气温倾向趋势的显著性，统计量t=10.53，通过了信度0.001的显著性检验，说明营口市年平均气温上升趋势显著。由7 a滑动平均曲线可以看出，20世纪80年代前，营口市年平均气温7 a滑动平均值长期处于多年平均值之下，而80年代初开始，则整体高于多年平均值。按照7 a滑动平均值大于或小于多年平均值，将营口市年平均气温分为偏暖期或偏冷期，20世纪80年代初之前为偏冷期，之后则为偏暖期。其中2007年和2019年最高，为10.9 ℃，而1947年最低，为7.2 ℃，此外2009年气温呈突然下降的现象，这与2009年夏季东北冷涡活动异常强等有关[22-23]。

图1 1904—2019年营口市年平均气温变化Fig.1 Variation of annual average temperature from 1904 to 2019 in Yingkou city

目前有很多学者对东北地区年平均气温序列的变化趋势进行了分析，得出了许多结论[8，24-25]。营口市年平均气温序列的变化趋势与之相比较为一致，在20世纪10年代初均处于低温时段，20年代为上升期，30年代为略高于平均值的高温期，50年代中期至70年代中期均为低温期，70年代中期开始为上升期，且80年代中后期开始稳定超过平均线，但是东北地区在40—50年代并没有表现为低温时期，而是表现为围绕平均值的波动性变化，这大概与其他站点的贡献有关。孙凤华等[8]研究1905—2001年沈阳、大连、营口、黑河、哈尔滨、长春6个代表站年平均气温发现东北地区的增温趋势为0.143 ℃·(10 a)-1，营口在同时段内的增温趋势为0.15 ℃·(10 a)-1，略高于前者，而姜晓艳等[24]研究与之相近时段(1905—2005年)内沈阳、大连、哈尔滨、长春的平均增温趋势为0.165 ℃·(10 a)-1，营口的增温趋势虽然低于该值，但是要远高于同为沿海城市的大连(0.12℃·(10 a)-1)。

2.1.2 各季平均气温的变化趋势

1904—2019年，营口市春季平均气温(图2a)的气候倾向率为0.25 ℃·(10 a)-1，采用t检验法检验春季平均气温倾向趋势的显著性，统计量t= 9.15，通过了信度0.001的显著性检验，说明春季平均气温呈现出显著的上升趋势。春季平均气温在20世纪70年代中期以前为偏冷期，之后则进入偏暖期。1904—2019年，营口市夏季平均气温气候倾向率为0.06 ℃·(10 a)-1(图2b)，统计量t=3.11，通过了信度0.01的显著性检验，整体同样呈现出上升的趋势，为四个季节中增温最为缓慢的。7 a滑动平均曲线显示，与东北近百年夏季平均气温变化[8]类似，20世纪20—40年代末，夏季平均气温处于偏暖期，且波动明显，80年代中后期之后气温急剧变暖，同样处于偏暖期，略有差别的是营口市平均气温在20世纪50年代初至80年代中期，转为偏冷期。1904—2019年，营口市秋季平均气温(图2c)变化趋势以上升为主，气候倾向率为0.13 ℃·(10 a)-1，统计量t= 5.34，通过了信度0.001的显著性检验。由7 a滑动平均曲线可以看出，除20世纪30年代中期至40年代中期、20世纪80年代中期至今明显处于秋季平均气温偏暖期外，其余皆以偏冷期为主。1904—2019年，营口市冬季平均气温与其他三个季节类似，整体呈现出上升的变化趋势，其气候倾向率为0.26 ℃·(10 a)-1，统计量t=6.92，通过了信度0.001的显著性检验，上升速度在四个季节中最快，对年平均气温变化贡献最大。综上所述，营口市各季平均气温在近116 a以来均呈现出上升的变化趋势，其中冬季平均气温上升最快，春季、秋季次之，夏季上升最为缓慢。

图2 1904—2019 年营口市春季(a)、夏季(b)、秋季(c)及冬季(d)平均气温变化Fig.2 Variation of average temperature in spring (a),summer (b),autumn (c),and winter (d) from 1904 to 2019 in Yingkou city

2.2 营口市平均气温距平的年代际变化特征

由图3可知，营口市年平均气温具有明显的年代际变化特征，大致经历了“冷—暖—冷—暖”的变化过程。其中，20世纪初期年平均气温的距平均为-0.91℃，年平均气温最低，属于偏冷期，而2011—2019年年平均气温距平为1.09 ℃，年平均气温最高，属于偏暖期，这与上文中的研究结果一致。20世纪60年代开始，营口市年平均气温连续上升，且1961—2019年平均气温的平均值为9.62 ℃，比1904—1960年平均气温的平均值(8.61 ℃)上升了1.01 ℃，在20世纪80年代上升趋势最为显著，90年代后，趋势逐渐放缓。考虑到城市化在一定程度上加剧了营口市的增温趋势，如果剔除它的影响，那么20世纪中后期的增温趋势将会有所减弱。

图3 1904—2019年营口市年平均气温及各季平均气温距平的年代际变化Fig.3 Interdecadal variation of annual mean temperature anomaly and seasonal mean temperature anomalies from 1904 to 2019 in Yingkou city

营口市春季平均气温大致呈现出“冷—暖—冷—暖”的变化过程，春季平均气温的低值出现在20世纪10年代，高值出现在2011—2019年。其在20世纪60年代开始明显上升，且幅度最大，比50年代上升0.88 ℃。营口市夏季平均气温年代际变化波动明显，夏季平均气温最低出现在20世纪50年代，最高与春季相同，出现在2011—2019年。20世纪70年代之前呈现出先上升后下降的变化特征，之后则开始明显上升。营口市秋季平均气温前期同样呈波动变化，20世纪70年代才开始持续上升，21世纪之后略有下降，最低值出现在20世纪10年代，最高值出现在21世纪初期。营口市冬季平均气温年代际变化上升趋势明显，20世纪40—90年代持续上升，其中90年代上升的幅度最大，较80年代上升1.06 ℃。

2.3 营口市平均气温的突变及周期变化

2.3.1 年平均气温的突变分析

用Mann-Kendall检验的方法对1904—2019年营口市年平均气温序列的变化趋势进行检验，给定显著性水平α = 0.05，u0.05=±1.96，由图4的UF曲线可以看出，20世纪20年代中前期，营口市年平均气温有上升趋势，但UF值在1.96线以内，说明前期上升不显著，从20世纪60年代初开始，这种趋势稳定超过显著性水平0.05临界线，表明60年代初开始营口市年平均气温的上升趋势显著。图中UF和UB两条序列曲线交于1986—1987年，由于处于置信区间外，无法确定是否为突变年份，但由于上文中可以看出(图1),80年代末存在突变，所以进一步采用滑动t检验确定突变年份，选定子序列n1=n2=10，给定0.01的显著性水平，分别以UF与UB交点及滑动t检验峰值点为界，比较前后多年平均值之差，可以确定突变年份为1987年。

图4 1904—2019年营口市年平均气温突变分析Fig.4 Variation of the mutation analysis of annual average temperature from 1904-2019 in Yingkou city

2.3.2 各季平均气温的突变分析

运用Mann-Kendall检验的方法对各季平均气温进行检验，由春季平均气温突变分析可以看出(图5a)，20世纪20年代初开始，营口市春季平均气温呈现出波动上升的趋势，到60年代初，则大大超过显著性水平0.05的临界线，说明春季平均气温的上升趋势明显，由交点位置无法确定突变年份，同样采用与滑动t检验相结合的方式，分别以UF与UB交点及滑动t检验峰值点为界，比较前后多年平均值之差，确定突变年份为1988年。夏季平均气温(图5b)总体呈现上升趋势，但2017年之前UF值都在1.96线以内，说明趋势并不显著，2017年之后，UF值稳定超过1.96线，上升趋势显著，由交点位置可以确定2015年为夏季平均气温的突变点。秋季平均气温的突变分析表明，20世纪30年代初开始有上升的趋势，在90年代中后期开始，这种上升趋势大大超过了显著性水平0.05临界线，表明秋季平均气温上升趋势显著，根据UF和UB曲线交点位置，确定秋季平均气温的具体突变年份为1991年。冬季平均气温在20世纪30年代初开始呈现出上升的趋势，这种趋势在20世纪70年代中后期变得显著，根据两序列曲线交点位置可以判断出突变年份为1979年。

图5 1904—2019年营口市春季(a)、夏季(b)、秋季(c)及冬季(d)平均气温突变分析Fig.5 Variations of mutation analysis of average temperature in spring (a),summer (b),autumn (c),and winter (d) from 1904-2019 in Yingkou city

2.3.3 年平均气温的周期变化

图6为1904—2019年营口市年平均气温的距平序列标准化后的Morlet小波变换，其符号反映震荡的位相，正负中心值反映不同尺寸振幅最大值。其中正值代表年平均气温增暖期，负值代表年平均气温变冷期。小波方差图能反映平均温度时间序列的波动能量随年际尺度的分布情况，可用来确定平均气温演化过程中存在的主周期。

由图6可知，由116 a年平均气温在多个特征时间尺度的周期变化特征及其在时间域中的分布情况来看，时间尺度为6 a、20 a、37 a及64 a左右的周期时间变化特征较为明显，其中尺度为6 a、20 a、37 a的周期震荡阶段性明显，6 a左右的年周期集中出现在20世纪40—50年代、80年代至21世纪初，出现次数频繁，突变线密集，冷暖交替现象复杂；20 a左右的年周期在20世纪80年代前较明显，共出现9次冷暖循环交替；尺度为37 a的年周期在20世纪20—90年代表现较为明显，出现3次冷暖交替现象，气候上表现为两次暖期和两次冷期；64 a尺度的年周期在时域中具有全域性，周期稳定且对应小波方差最大峰值，将其确定为主周期，其中20世纪20年代之前、50年代中期至70年代末为变冷期，而20年代中期至50年代中期、80年代中期至今为增暖期。

图6 1904—2019年营口市年平均气温周期小波分析Fig.6 Result of wavelet analysis of annual average temperature from 1904 to 2019 in Yingkou city

2.3.4 各季平均气温的周期变化

从116 a间营口市各季平均气温在多个时间尺度的周期变化特征及其在时间域中的分布来看(图7)，各季周期变化并不相同，春季平均气温在时间尺度为5 a、11 a、20 a、62 a左右的周期变化特征上较为明显，其中5 a左右的年周期集中出现在20世纪30—50年代；11 a左右的年周期在20世纪50年代前较明显；20 a左右的年周期在时域中具有全域性，共出现11次冷暖交替现象；62 a左右的年周期也具有全域性，且小波方差最大峰值对应着62 a的时间尺度，说明其周期震荡最强，为春季平均气温变化的第一主周期，其中20世纪20年代中期之前、50年代中期至80年代初为变冷期，20年代中期至50年代中期、80年代中期至今为增暖期。

图7 1904—2019年营口市春季(a)、夏季(b)、秋季(c)及冬季(d)平均气温周期小波分析Fig.7 Graphs of wavelet analysis of average temperature in spring (a),summer (b),autumn (c),and winter (d) from 1904-2019 in Yingkou city

夏季平均气温存在时间尺度为3 a、20 a、67 a左右的周期变化特征，其中3 a左右的年周期出现次数频繁，突变线密集，冷暖交替现象复杂；20 a左右的年周期在时域中具有全域性，共出现11次冷暖交替现象，由6个增暖期和6个变冷期组成；67 a左右的年周期也具有全域性，且对应小波方差最大峰值，属于主周期，在该特征时间尺度上，夏季平均气温有4个时期的交替变化，分别为20世纪20年代初期之前、50年代中期至80年代中期的变冷期，20年代初至50年代中期、80年代中期至今的增暖期。

秋季平均气温则以6 a、37 a及63 a左右的周期变化特征时间尺度最为明显，6 a左右特征时间尺度的周期震荡存在于20世纪30年代中期之前及40年代中期至今，具有一定的阶段性；37 a及63 a左右的周期震荡则具有全域性，在该二者的时间变化特征尺度上，秋季平均气温分别经历了7个和4个时期的交替变化，其中37 a对应的小波方差最大，为主周期。

冬季平均气温存在6 a、10 a、19 a及59 a左右时间尺度的周期震荡，6 a左右特征时间尺度的周期震荡出现在20世纪40年代初至60年代末，70年代中期至21世纪初；10 a的特征时间尺度几乎贯穿了全域，共经历了24个时期的交替变化，变换频繁且复杂；19 a左右的特征时间尺度的周期震荡在20世纪90年代前较明显；59 a的周期震荡存在于整个时间域内，由两个变冷期和两个增暖期组成，其对应小波方差峰值，为主周期。

综上所述，营口市各季平均气温周期变化明显，但并不相同，春季平均气温存在62 a左右主周期；夏季平均气温存在时间尺度为67 a左右的主周期；秋季平均气温以37 a为主周期；冬季平均气温则存在59 a左右的主周期。

3 结论与讨论

(1)1904—2019年，营口市年平均气温呈明显的上升趋势，其气候倾向率为0.17 ℃·(10 a)-1，以20世纪80年代初为界，之前为偏冷期，之后则为偏暖期；营口市各季平均气温变化均呈上升趋势，其中冬季平均气温上升最快，春季、秋季次之，夏季上升最为缓慢。

(2)营口市年平均气温具有明显的年代际变化特征，大致经历了“冷—暖—冷—暖”的变化过程，春季平均气温也大致呈现出“冷—暖—冷—暖”的变化过程，夏季及秋季平均气温年代际变化呈波动变化特征，而冬季则呈较明显的上升变化特征。

(3)1904—2019年，营口市年平均气温、春季、夏季、秋季及冬季平均气温均发生了突变，突变的年份分别为1987年、1988年、2015年、1991年和1979年。营口市年平均气温存在尺度为6 a、20 a、37 a、64 a的周期震荡，其中64 a为主周期，其余各季周期变化明显，但并不相同，春季平均气温存在62 a左右主周期；夏季平均气温存在时间尺度为67 a左右的主周期；秋季平均气温以37 a为主周期；冬季平均气温则存在59 a左右的主周期。

本文利用116 a营口气象观测站气温资料，研究了营口市气温的变化特征，资料年限较长且时效较新，对加深小区域气候变率的认识具一定意义。不过由于历史原因造成的资料空白难以完全填补，同时台站迁移、观测环境变化也会带来一定的不确定性。由于城市化对气温变化的影响较为复杂，同时受缺乏参考站等限制，所以未剔除掉其影响，如何定量化剔除掉城市化对气温变化的影响还需进一步研究。

(致谢：感谢沈阳区域气候中心赵春雨研究员的悉心指导。)