云南高原楚雄市近50年气温、降水变化特征分析

何 萍，敖成寅

（楚雄师范学院 区域气候与环境变化研究所，云南 楚雄 675000）

气温变化会对降水量产生一定的影响，我国地势由西向东逐渐递减，使东西部气候存在巨大差异，造成区域气候变化复杂多样，各地气温和降水变化存在一定的规律。研究气温和降水的变化特征，可以让我们更好地了解和掌握气候的变化规律，为气候预测提供参考，减少气象灾害的损失。

国外，使用HadRT和探空资料对比后发现，高空温度都在变冷，地面到300 hpa间存在变暖过程［1］。在人类活动的影响下全球气候逐渐变暖，处在平流层、对流层温度和对流层顶高度等气象参数在一定程度上发生改变，这些改变导致平流层区域的温度下降，对流层区域的温度升高［2］。城市的降雨量受城市热岛的影响很大，在城市中心和下风方向受到的影响最为显著［3］。对印度东北部16个不同雨量站119年的降雨量测量数据进行分析，得出印度洋温度的变化对该地区的降雨量有着深远的影响，人类对气候变化的影响越来越显著［4］。

国内，对锡林河流域近56 a降水数据和平均气温数据进行分析，揭示了降水和均温的年内、年际和年代际的变化特征，并预测其变化趋势［5］。近年来厦门市和内蒙古乌兰浩特市的气温呈整体上升趋势，但是研究区域内的降水突变并不明显［6，7］。四川省合江县的气温在近61a内整体上升，但是降水量在研究区间内整体减少，且变化幅度大［8］。陕西省商洛地区气温和降水量都呈上升趋势，相对湿度和降水量呈负相关，气候总体为暖湿型，空间差异大［9］。通过对比分析楚雄市城区气象数据和郊区气象数据，发现楚雄市雨岛效应越来越明显，特别是在城市及其下风向，城区面积和日照时数对雨岛效应影响最为密切［10，11］。通过对昆明地区降水量的研究表明，区域内年降水量呈递减趋势［12］。西南地区夏季降水量随着蒙古高压以及印缅槽的增强而增多，随水汽通量散度和涡度减小而增大［13］。将西南地区分为东、西两个区域，研究表明东部秋季降水主要受低纬度环流影响，热带海温异常也对降水有一定的影响，西部降水则与中南半岛反气旋、高原以东反气旋、孟加拉湾低槽和高纬环流异常有关［14，15］。

针对云南高原楚雄市气候环境的研究主要集中在城市热岛和雨岛效应方面，对气温与降水长时间尺度变化和相关性的研究偏少，所采用的研究方法各有其优点及侧重点。本文主要对楚雄市气温和降水气候环境的变化特征及相关性进行分析，对掌握云南高原中小城市气候环境变化具有科学参考价值。

1 研究区域概况

楚雄市位于云南省中部，境内最高海拔为2916 m，最低海拔691 m，100°35′～101°48′E、24°30′～25°15′N。东距昆明152公里，西距大理179公里，区位优越，交通便利，人民政府驻地为鹿城镇，如图1所示。楚雄市的建成区面积从2000年的15.4平方公里增长到2019年的57.63平方公里，城市人口从2000年的12.96万人增长到2019年的37.24万人，GDP从2000年的40.1亿元增长到2019年的460.63亿元，城镇化率从2000年的27.31%增长到2019年的58.43%。楚雄市属于亚热带季风气候区，主要受南亚季风影响。

图1 云南楚雄市区位图Fig.1 Location map of Chuxiong City in Yunnan Province

2 资料来源及研究方法

2.1 资料来源本文数据来自云南省气象局信息中心，选取气温和降水数据，统计出1971～2020年50年的月平均气温（℃）、年平均气温（℃）和降水量（mm）。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall检验法Mann—Kendall检验法可以判断气候序列中气候突变的情况，其表达式为：

式中n为研究样本的总量，S k为秩序列，E（sk），Var（sk）分别是sk的均值和方差。

给定显著性水平为0.05，若UFk或UBk的值大于0，序列为上升趋势，小于0序列则呈下降趋势。超过临界线时，说明趋势显著。若UFk曲线和UBk曲线存在交点，且交点在临界线之间，说明此交点对应的时间为突变开始的时间。

2.2.2 小波分析法小波分析经常用于研究气候序列变化的尺度和周期。本文通过利用Morlet小波分析从而得出楚雄市的气温和降水变化周期。选用的Morlet小波函数表达式为：

i表示虚数，c为常数，t反映时间上的平移。Morlet小波函数的变换连续形式为：

小波方差为：

a是频率参数，b是时间参数。其中小波系数变换实部等值线相对稀疏对应长尺度周期的震荡，等值线密集对应短周期的震荡。小波变换系数实部等值线图中红黄色表示上升阶段，而青蓝色表示下降阶段；周期内曲线未闭合表明未来将持续当前的状态。小波方差可以确定气温与降水的主周期和次周期。

3 结果与分析

3.1 气温和降水的变化趋势分析

3.1.1 气温和降水的年变化从图2可以看出，1971～2020年的平均气温为16.4℃，气温高于16.4℃的年份共有23年，低于16.4℃的有27年。50年间气温的最大值为2019年的18.0℃，最小值为1971年的14.9℃，极差为3.1℃。从图2可以看出1971～2020年间楚雄市的年平均气温波动上升，上升趋势明显，变化幅度较大，这也符合全球气候变暖的趋势。

图2 年平均气温变化趋势图Fig.2 Annual variation trend of average temperature

由图3可以看出，近50年楚雄市多年平均年降水量为854.6 mm，大于854.5 mm的共有21年，小于854.6 mm的共有29年。年降水量最高值为2001年（1342.8 mm），最低值为1979年（485.8 mm），极差为857 mm，年度降水量差异较大。由年降水量变化曲线可以看出，近50年的降水量波动明显，在整体呈下降趋势。

图3 降水量年变化趋势图Fig.3 Annual variation trend of precipitation

3.1.2 气温和降水的月变化图4显示，楚雄市的降水量在7月份出现最大值（185.7 mm），其次是8月降水量最大；在2月份出现最小降水量（9.7 mm），其次是12月份，降水量年较差为176 mm。综合分析：楚雄市四季中夏季降水量最多，冬季降水最少，5月至10月为楚雄市的雨季，11月至4月为干季，年内降水量差异显著。

图4 降水量月变化趋势图Fig.4 Monthly variation trend of precipitation

由图5可见楚雄市年均气温为16.4℃，在6月份出现最高均温（21.6℃），在1月份出现最低均温（9.2℃），极差为12.4℃，气温变化显著。近50年内夏季温度最高、冬季最低，夏季气温高变化幅度小，日常需要做好避暑和防晒的工作，而秋季的气温变化最为剧烈，昼夜温差大，需注意及时调整衣物。

图5 气温月变化趋势图Fig.5 Monthly variation trend of temperature

3.2 气温和降水的变化周期分析

3.2.1 气温小波分析对楚雄市1971～2020年的年平均气温数据进行小波分析，如图6所示，由图可以看出楚雄市的平均气温在近50年间呈现强烈的周期交替变化，年平均气温呈现出不同尺度的周期性震荡。近50 a楚雄市的年平均气温包括多个不同尺度的时间周期，22 a和30 a的时间尺度最为明显，30 a时间尺度的周期震荡最强烈，为第一主周期，年均气温经历了上升→下降→上升→下降→上升5个阶段的增减交替变化：1972～1980年气温上升；1981－1992年气温下降；1993～2002年气温上升；2003－2012年气温下降；2013～2020年气温上升，并且2013～2020年的等值线没有闭合，未来几年的气温会有上升的趋势。

图6 楚雄市气温小波分析图（a：年均温小波系数图；b：楚雄市年均温小波方差图）Fig.6 Wavelet analysis diagram of temperature in Chuxiong City

3.2.2 降水小波分析通过对楚雄市1971～2020年的年降水量数据进行小波分析，结果如图7所示，近50a楚雄市的年降水量表现为7a、13a、22a和32a的周期变化，32a的周期变化幅度最大，为第一主周期，年降水量经历了增多→减少→增多→减少→增多5个阶段的增减交替变化：1971～1982年降水量增多：1983～1993年降水量减少；1994～2003年降水量增多；2004～2012年降水量减少；2013～2020年降水量增多，并且本阶段的等值线没有闭合，所以预测在未来几年内降水量还会增多。

图7 楚雄市降水小波分析图（a：年降水小波系数图；b：降水小波方差图）Fig.7 Wavelet analysis diagram of precipitation in Chuxiong City

3.3 气温和降水的突变分析

3.3.1 气温突变分析通过对楚雄市1971～2020年的年均温数据进行突变检验，结果见图8。从图8可以看出1971～1978年UF曲线以1973年为转折点先上升后下降，1987年UF曲线超过了显著水平临界线，上升趋势越来越明显，图中UF曲线与UB曲线相交于置信区间之外，说明楚雄市的气温在1971至2020年间没有突变。

图8 楚雄市年均温M-K突变检验Fig.8 M-K mutation test of annual average temperature in Chuxiong City

3.3.2 降水突变分析由图9楚雄市1971～2020年的降水量突变检验图可以看出，UF曲线呈现出明显的波动变化的趋势，在临界线之间UF和UB曲线共出现了6个交点，在2002年UF值超过了临界值，在1989年UB值超过了临界值范围，在此之前的交点为1983年，所以楚雄市降水量的突变点在1983年。

图9 楚雄市年降水量M-K突变检验Fig.9 M-K catastrophe test of annual precipitation in Chuxiong City

3.4 气温和降水的相关性分析由图10可以看出，楚雄市6月为最高气温，7月为降水量最大值，降水量最大值出现时间比气温最大值出现的时间落后一个月。

图10 气温和降水的月变化关系图Fig.10 Monthly variation relationship between temperatureand precipitation

3.5 楚雄市雨热不同期的原因分析随着太阳直射点向北回归线靠近，太阳高度角逐渐变大，气温升高，地面升温需要一定的时间过程来完成，我国大部分地区最高气温出现在7月份；但云南7月正逢雨季，密云暴雨会削弱太阳辐射，使近地层气温降低，再加上蒸发需要耗热，所以就造成了楚雄市气温最大值出现时间在雨季来临前的6月，7月正是楚雄市的雨季，降水量最大；气温最高比降水最大的时间落后一个月，雨热不同期，跟我国大多数地区不一致，体现了云南楚雄独有的气候特点，所以适合夏季避暑。

4 结论

通过对楚雄市1971～2020年的气温和降水变化特征进行分析，得出以下结论：

第一，近50年来楚雄市年平均气温波动上升，平均气温周期交替变化强烈，研究区气温从1987年开始呈持续的上升趋势。近50年来夏季温度最高、冬季最低，最高温出现在6月（21.6℃），最低气温出现在1月（9.2℃）。气温具有不同尺度的周期性震荡，第一主周期为30a时间尺度，经历了5个阶段的增减交替变化，2013～2020年的等值线没有闭合，预计未来几年的气温会持续上升。

第二，近50年来楚雄市降水量年度差异较大，降水量波动明显，整体呈下降趋势。年内降水主要集中于雨季（5～10月），干季（11月至次年4月）降水少，楚雄市的降水量在7月份出现最大值（185.7 mm），在2月份出现最小降水量（9.7 mm）；降水量在1983年发生突变；小波分析表明有32a的主周期变化，主周期内降水量经历了5个阶段的增减交替变化，并且在2013～2020年阶段的等值线没有闭合，所以预测在未来几年内降水量还会增多。

第三，50年来最高月均温出现在6月，而降水量的峰值出现在7月，雨热不同期，降水量峰值比气温落后一个月。