1980—2021年廉江市气温与降水的气候特征

2022-12-27刘付永在吴杰冯明亮司徒仕尧

广东气象 2022年6期

刘付永在，吴杰，冯明亮，司徒仕尧

（廉江市气象局，广东廉江 524400）

IPCC第六次评估报告指出，2011—2020年全球地表温度比1850—1900年（工业化前）高1.09℃，在全球变暖的背景下，气温和降水极端事件逐渐增多，高温和暴雨事件持续增加，但不同区域对全球气候变化的敏感性不同［1-3］。廉江市位于广东省西南部，处于对全球气候变化敏感的南海季风区，作为沿海重要的港口城市和北部湾中心之一，也处于城市化和工业化快速发展时期，因此许多学者研究了全球气候变化背景下湛江地区的气候变化［4-7］，但对气候变化事实和未来趋势联合开展的研究鲜有报道。本研究以廉江国家气象观测站1980—2021年逐月气温降水资料为基础，采用线性估计、Mann-Kendall突变检验、重标极差分析、集合模态经验分解等方法分析气候和降水变化特征及演变规律，以期推动廉江市城市建设和防洪抗旱工作。

1 资料与方法

本研究使用廉江气象站1980—2021年逐月平均气温、降水量观测资料，其中气温和降水量资料经过了严格的质量控制。季节的划分采用气象季节，即3—5月为春季、6—8月为夏季、9—11月为秋季、12月至次年2月为冬季。华南汛期分前汛期和后汛期。

采用线性趋势分析和滑动方法研究气象要素的长期和阶段性变化［8-9］；采用联合国推荐的非参数检验法Mann-Kendall检验，研究气象要素的突变特征［10］；集合模态经验分解（EEMD）研究气象的周期和周期贡献率［10］，将气象要素分解为有限个本征模函数（IMFi），分解出来的各IMF分量包含了原信号的不同时间尺度局部特征信息；重标极差（R／S）分析气象要素的未来变化趋势［10-11］。

2 结果与分析

2.1 气温与降水长期和阶段性变化

图1是1980—2021年廉江市平均气温逐年变化，由图1可以看出，改革开放以来廉江市气温呈微弱增加的变化趋势，气温倾向率为每10年增加0.183℃，未通过置信度95%检验，表明增温趋势不显著。统计可知，1980—2021年多年平均气温为23.34℃，年平均最高气温出现在2019年，为24.38℃；年平均最低气温为22.13℃，出现在2008年，极值差为2.25℃。从5年滑动平均可以看出，廉江市气温经历了“增加-减少-增加”演变过程，第1阶段1980—2003年气温呈上升趋势，第2阶段2004—2010年呈下降趋势，第3阶段2011—2021年呈上升趋势，滑动平均结果与刘付永在［4］和杨彩福等［12］的结果基本一致。

图1 1980—2021年廉江市平均气温、5年滑动平均、线性趋势分布

从1980—2021年廉江市平均降水变化（图2）可以看出，20世纪80年代后，廉江市年降水以每10年21.70 mm的速率减少，与气温倾向率相反，虽然本研究对时间序列进行了延长，但气温和降水变化趋势与肖仕鼎等［13］研究结果一致。此外，廉江市1980—2021年以来多年平均降水量为1 725 mm，年平均最多降水量出现在1985年，为2 540 mm；年平均最少降水量为1 107 mm，出现在2021年，极值差为1 433 mm，极值比为2.29。从5年滑动平均过程曲线（图2）可以看出，廉江市年降水量经历了“枯-丰-枯”交替的演变过程，呈“W”型，这与气温变化相反，经历了多个阶段变化：第1阶段1980—1991年年降水量呈下降趋势；第2阶段1991—1999年呈上升趋势；第3阶段2000—2008年呈下降趋势；2009—2017年呈上升趋势；2018年后进入枯水期，研究时段内平均以8～10年的周期交替变化。年降水倾向率与5年滑动平均倾向率一致，说明廉江市年降水下降趋势明显。

图2 1980—2021年廉江市降水、5年滑动平均、线性趋势分布

由1980—2019年廉江市4季平均气温、降水量分布（表略）可以看出，春秋两季气温变化速率变化较为明显，平均每10年分别增加0.7、0.4℃；前汛期和后汛期降水则表现为每10年增加0.8 mm和减少8.7 mm。其主要原因是冬季和秋季冷空气活动频繁，冷暖空气交汇，廉江市受到变性高压脊影响造成前汛期增加。后汛期减少主要是由东风波等热带天气系统造成的，虽然后汛期的降水强度大于前汛期，但是本研究表明后汛期总体降雨量小于前汛期。

2.2 突变特征

分析廉江市平均气温和降水量的Mann-Kendall突变检验结果（图略）可以看出，20世纪80年代到21世纪初，气温呈持续上升趋势，1999年超过显著水平0.05临界线，甚至超过0.001显著性水平（U0.001＝2.56），说明该时段内气温上升趋势非常显著。到2005年又呈下降趋势，在显著水平内，1992、1994、2015年有交点，结合图1变化趋势和M-K检验原理，确定1994年为气温的突变点，突变后呈上升趋势，说明气温变化幅度较大，这和廉江市地理位置紧密相关。同理，降水在20世纪80年代呈减少趋势，进入枯水期，20世纪90年代到21世纪初呈增多趋势，此后从21世纪初经历了丰枯交替后又呈非显著上升趋势，可以看出降水在0.05显著水平内，交点分别在1986、1990、1998、2001、2008、2009和2021年，结合图2确定2008年为突变点，突变后呈上升趋势，进入丰水期，这与罗松英等［14］1986到2016年的研究结果相近，但本研究指出了具体丰枯时期变化。

2.3 周期特征

从图3可以看出，廉江市年平均气温IMF1、IMF2分量在20世纪90年代末和21世纪初振幅最大。这和改革开放城市快速发展，城市面积显著扩大、碳排放量增加、人口增加密不可分。各分量反映了序列中固有的不同特征尺度的振荡变化，从高频到低频，相同时段内的变化频率各不相同，趋势项R表明廉江市年平均气温呈现增长趋势，这与2.1节研究结论互相印证。

图3 廉江市年平均气温的EEMD分解

由气温分解周期及其贡献率（表略）可以看出，年平均气温变化中IMF1分量方差贡献率最大，达43.45%，说明廉江市平均气温最大主周期为3.5年；年平均气温变化中IMF3分量方差贡献率次之，为41.81%，说明廉江市年平均气温第2主周期为11年；同理得第2、4主周期分别为9、41年，说明廉江市气温主要以小尺度周期变化为主，波动变化趋势较为稳定，这有利于农业管理。

图4反映了廉江市年降水IMF1、IMF2分量在20世纪80年代末到21世纪初振幅最大。改革开放城市快速发展，碳排放量增加、人口增加、人类活动改变了降水变化幅度。IMF3分量的振幅呈现出先减后增的趋势，代表100次分解满足周期分解需求。各分量反映了序列中固有的不同特征尺度的振荡变化，从高频到低频，相同时段内的变化频率各不相同，趋势项R表明廉江市年平均降水呈现减少趋势，这与2.1节研究结论一致。

图4 廉江市年降水量的EEMD分解

由年降水量分解周期及其贡献率（表略）可以看出，年降水量变化中IMF1分量方差贡献率最大，达62.04%，说明廉江市降水最大主周期为3年；IMF2分量方差贡献率次之，为22.39%，说明廉江市年平均气温第2主周期为7年；同理得第2、3、4主周期分别为7、17、20年。

2.4 未来变化趋势

研究根据Hurst指数对廉江市42年年平均气温和年降水量进行了进一步分析，结果见图5。由图5a可以看出，年平均流量的Hurst指数为0.83，＞0.5，结合2.1节线性趋势法得出“年平均气温整体以0.018 3℃的速率呈缓慢增加趋势”的结论，进一步说明在未来一段时间内会继续保持这种变化趋势。由图5b可以看出，年平均流量的统计量在ln N＝2.08位置第一次开始出现明显波动，由此推求出N＝8.0，由此认为未来8年内廉江市气温将继续保持0.018 3℃／年的年增长速率。同理，图5c-d可以看出，降水在未来7.5年仍以2.17 mm／年的速率呈下降趋势，说明气温在未来一段时间内对人类活动影响较小，降水影响较大。