1972—2020年衡水市气温变化特征分析

2022-08-01许俊东

河南科技 2022年13期

王磊李韬许俊东

（衡水市气象局，河北衡水 053000）

0 引言

气候是人类生存的环境因子之一，也是自然环境变化最活跃、最复杂的因子之一，影响着人类生产生活的各个方面。气候变化与灾害性天气的发生密切相关，对各种经济活动，尤其是农业生产有着直接影响［1-5］。气温变化是气候变化的重要影响因素，而全球变暖问题已成不争的事实，1880—2012年，132年的时间内地表平均气温上升了0.85℃，因此对气温变化的研究也就变得尤为重要。衡水市位于河北省东南部，属于华北冲击平原的一部分，光热资源充沛，以农业为第一产业。近年来，已有不少学者对衡水市降水、气温、地温等气候要素展开研究［6］，但目前尚无综合运用线性趋势分析、Mann-Kendall 非参数检验法［7］以及Morlet 小波分析［8］等方法展开的研究。本研究针对近49 a来衡水市气温的空间分布、变化趋势、突变性以及震荡周期作全面分析，对指导农业生产有一定的意义。

1 资料和方法

1.1 资料来源及季节划分

衡水市共有11 个国家气象观测站，自1972 年开始才全部有完整资料，故本研究采用1972—2020年的衡水市11 个国家气象观测站日气温数据。季节划分为春季3—5 月，秋季6—8 月，秋季9—11月，冬季12月—次年2月。

1.2 研究方法

1.2.1 气温空间分布研究。气温空间分布是指气温多年平均值在不同空间区域上的分布。利用上述资料求出1972—2020年衡水地区11个县市区气温的平均值，得到衡水地区近49 a的气温空间分布状况。

1.2.2 气温变化研究。气温变化是指由气温所表征的状态在一定时间段内统计特征的变化，主要包括趋势变化、气候突变、气候波动等。利用各观测站某年、某季的平均值表示衡水市该要素整体水平，采用滑动平均和线性倾向估计的方法分析近49 a 的气候变化趋势，并利用Mann-Kendall 非参数检验法对变化趋势进行突变检测，最后利用Morlet小波分析揭示气候序列的周期性震荡特征。

2 气温变化特征分析

2.1 气温空间特征分布及年均气温变化特征

表1为衡水市1972—2020年平均气温，空间分布呈东北低、西南高的特征，最高为位于西南部冀州和衡水一带13.4℃，最低为位于东北部的饶阳12.7℃，平均气温由东北向西南递增。

表1 衡水市1972—2020年平均气温单位：℃

图1为1972—2020年衡水市年平均气温变化，总体上呈上升趋势，气候倾斜率为0.33℃/10 a，通过了a = 0.01 的显著性检验。另外，衡水市气温表现出“降-升-降-升”阶段性变化特征，即20世纪70年代至80 年代中期年均气温呈平稳中略有下降，20 世纪80 年代后期至20 世纪末期年均气温上升，21 世纪初期平均气温又有所下降，21 世纪10 年代后期年均气温开始迅速上升。

图1 衡水市1972—2020年气温变化趋势

2.2 年平均气温的周期性震荡分析

分别以年份和时间尺度为横、纵坐标绘制年平均气温的小波系数实部等值线图，小波系数为正值则表示气温处于所对应的子波周期中的气温偏高区，负值则表示气温处于偏低区。从图2 可看出在25—28 a 左右的周期在整个时间区域内均有较强信号，3 个负值区与2 个正值区交替出现，表现为“负-正-负-正-负”。对于年际变化，比起年代际周期来说相对较弱，其中23 a左右的周期只在1990年以后有较明显的变化，15 a左右的周期在2007年以后有较明显的变化。

图2 1972—2020年衡水市年平均气温的小波系数实部等值线图

小波系数方差中（图3）较为明显的峰值对应着28 a 的时间尺度，说明28 a 左右的周期性震荡最强，对小波方差作用大，是衡水市平均气温变化的主周期。

图3 1972—2020年衡水市年平均气温的小波系数方差图

2.3 各季节气温变化特征分析

2.3.1 平均气温的变化特征分析。由表2 可知，各年代的年均气温均呈上升趋势，21 世纪10 年代较20 世纪70 年代上升了1.3 ℃，其中20 世纪70年代到80 年代年均气温只上升了0.1℃，20 世纪90年代年均气温比80 年代上升了0.5 ℃，上升最为明显。21 世纪10 年代年均气温均比上一年代上升0.3 ℃以上。

表2 衡水市各年代四季平均气温、气候倾向率

春季和冬季增温趋势最为明显，气候倾向率分别达到了0.4 ℃/10 a 和0.39 ℃/10 a，相关系数也都通过了a=0.01的显著性检验，其中春季的升温主要发生在21世纪以后，21世纪00年代较20世纪90年代升温达到0.8℃，其次为21世纪10年代较00年代升温0.6℃。冬季升温主要集中在20 世纪90 年代，相对80 年代升温幅度更是达到了1.1℃，而其他时期的升温并不明显。夏季和秋季增温趋势相对较弱，其中夏季的主要升温时期为20 世纪90 年代和21 世纪10 年代，升温幅度分别达到0.5℃和0.6℃，在其间的21 世纪00 年代气温有0.2℃的小幅下降，秋季的升温主要发生在进入21 世纪以后，21 世纪00年代和10年代升温幅度都达到0.3℃。对于衡水市平均气温的上升，贡献率最大的是春季，其次为冬季。而对于20 世纪90 年代年均气温的大幅上升，贡献率最大的是冬季，其次为夏季。

2.3.2 平均最高气温的变化特征分析。由表3可知，各年代的平均最高气温总体也呈上升趋势，但总上升幅度较平均气温总上升幅度小，只有0.9 ℃，气候倾向率为0.21 ℃/10 a，未通过显著性检验，说明增温并不明显，其主要升温期为21世纪10年代，上升幅度达到0.4 ℃。四季中春季升温幅度最大，气候倾向率为0.29 ℃/10 a，通过了a=0.01的显著性检验，其升温主要发生在进入21 世纪以后，其中21 世纪00 年代和10 年代升温幅度分别达到0.8℃和0.7℃。冬季升温幅度较春季略弱，气候倾向率为0.23℃/10 a，但未通过a=0.01 的显著性检验，其升温主要发生在20世90年代，升温幅度0.9℃，且气温在此时达到最高。夏季气候倾向率为0.18℃/10 a，但未通过a=0.01的显著性检验，其升温主要发生在20世纪末和21世纪10年代，升温幅度分别为0.4℃和0.7℃，在其间的21世纪00年代气温有0.3℃的下降。秋季升温趋势最弱，主要发生在20世纪80年代，升温幅度为0.3℃。说明对平均最高气温升温贡献最大的为春季。对于21世纪10年代年均最高气温的大幅上升，贡献率最大的是春季和夏季。

表3 衡水市各年代四季平均最高气温、气候倾向率

2.3.3 平均最低气温的变化特征分析。由表4可知，各年代的平均最低气温总上升1.8℃，大于平均最高气温的总体上升幅度，且上升趋势也比平均最高气温要明显得多，倾向率为0.47℃/10 a，相关系数通过了a=0.01的显著性检验，说明升温是很显著的，其最大升温发生在20世纪90年代，升温幅度达0.7℃。四季中以春季增温最为明显，气候倾向率为0.56℃/10 a，相关系数通过了a=0.01 的显著性检验，年代间的升温幅度达到0.4℃以上，较大升温过程主要发生在进入21 世纪以后，其中21 世纪00年代较20 世纪90 年代升温幅度达到0.9℃。其次为冬季，气候倾向率为0.54℃/10a，通过了a=0.01的显著性检验，其升温过程主要集中在20 世纪90 年代，升温幅度达到1.3℃，而其他年代升温幅度相对较小。秋季倾向率为0.41℃/10a，通过了a=0.01的显著性检验，升温主要发生在20世纪90年代和21世纪10年代，升温幅度分别为0.6℃和0.5℃。夏季升温幅度最小，气候倾向率0.37℃/10a，通过了a=0.01 的显著性检验，但也比平均最高气温升温幅度明显得多，其升温主要出现在21世纪10年代。升温幅度达到0.7℃。可见，在气候变暖过程中，最低气温的变化起着决定性的关键作用，而对于最低气温的上升，春季的贡献最大，其次为冬季。对于20 世纪90 年代年均最低气温的大幅上升，贡献率最大的是冬季。

表4 衡水市各年代四季平均最低气温、气候倾向率

3 气温变化的突变性分析

用Mann-Kendall 法检测1972—2020 年衡水年平均气温序列的突变，显著性水平a = 0.01，则临界值u0.01=±2.58。将UF 和UB 两条统计量序列曲线和±2.58 两条直线绘制在同一张图中。UF 大于0时，表明序列呈上升趋势，小于0 则表明序列呈下降趋势。UF 超过临界线表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围为出现突变的时间范围。如果UF和UB 在临界线之间出现交点，交点对应的时刻便是突变开始的时间。

3.1 年平均气温变化的突变性分析

由图4 可知，自20 世纪90 年代以来，衡水市年平均气温有明显的增暖趋势。2001 年以后这种增暖趋势均超过0.01显著性水平，表明衡水市气温上升趋势十分显著。根据UF和UB 曲线交点的位置，确定衡水年平均气温20世纪90年代的增暖是一突变现象，具体是从1997 年开始，这与全国年平均气温自1993年开始明显变暖［1］的结论基本一致。