1956—2020年西昌气候变化特征分析
2024-06-20余宇首张淑丽杨丹廖琪华吴林蓬
余宇首 张淑丽 杨丹 廖琪华 吴林蓬
DOI：10.16246/j.issn.1673-5072.2024.04.008
收稿日期：2022-06-09 基金项目：国家自然科学基金项目（41807075）；西华师范大学教学改革项目
作者简介：余宇首（1997—），男，硕士研究生，主要从事土壤侵蚀与水土保持方面研究。
通信作者：杨丹（1989—），女，博士，副教授，主要从事土壤侵蚀与水土保持方面研究。
E-mail： danyang_mh@cwnu.edu.cn
引文格式：余宇首，张淑丽，杨丹，等.1956—2020年西昌气候变化特征分析［J］.西华师范大学学报（自然科学版），2024，45（4）：394-403.［YU Y S，ZHANG S L，YANG D，et al.Analysis on the characteristics of climate change in Xichang from 1956 to 2020［J］.Journal of China West Normal University （Natural Sciences），2024，45（4）：394-403.］
摘 要：基于西昌1956—2020年降水量、平均气温和日照时数等气候要素资料，采用线性回归、加权滑动平均法、Mann-Kendall突变检验和小波分析等方法分析西昌近65 a的气候变化特征。结果表明：（1）年降水量呈上升趋势，显著性较低，趋势率为8.75 mm·（10 a）-1。在1998年发生突变，自1964年后降水量持续增加。降水量在57 a尺度上存在周期性变化。春季和夏季降水量呈持续增加的趋势，而秋季和冬季呈减小的趋势。（2）年平均气温呈显著上升趋势，趋势率为0.17 ℃·（10 a）-1。在2004、2006和2008年均存在突变点，自2009年持续呈显著增加的趋势。四季年平均气温也均呈上升的趋势，冬季趋势率最大为0.24 ℃·（10 a）-1。平均气温在56 a尺度上存在周期性变化。（3）年日照时数呈显著下降趋势，趋势率为-53.76 h·（10 a）-1。在1982年存在突变点，自1991年持续呈显著减小的趋势。四季的日照时数均呈减小的趋势，夏季下降最快，趋势率为-20.00 h·（10 a）-1。日照时数在57 a尺度上存在周期性变化。预计未来西昌年际和季节的平均气温将呈现出持续性较强的上升趋势，日照时数将呈现出持续性较强的下降趋势。
关键词：气候变化；平均气温；降水量；日照时数；西昌
中图分类号：P467 文献标志码：A 文章编号：1673-5072（2024）04-0394-10
气候变化作为全球性的热点话题，已经成为多学科的重点研究对象，对人类的生产生活、经济社会的发展都有着极为重要的影响［1］。IPCC第六次评估报告指出，预估在未来几十年里，所有地区的气候变化将会加剧，全球升温预计将达到或超过1.5 ℃［2］。气候变化改变水资源在时空上的分布格局，造成洪涝、干旱等极端天气，导致自然环境、经济发展和人类生活受到持续影响［3］。了解气候变化整体的趋势，才有利于合理地开展各项生产活动［4］。
近年来，国内外学者在不同的时空尺度下对全球各区域的气候变化情况进行分析研究［5］。在1956—2002年，中国近47 a平均降水量呈现增加趋势，并存在明显的区域差异，在未来20～100 a地表气温和降水量将明显增加［6］。王荣等［7］对国家气象观测站长序列日最高气温资料进行分析，发现在1961—2020年我国区域性高温过程已发生了显著变化，高温灾害趋于严重。在1966—2015年，伊朗的平均气温不断上升，降水量逐渐减少［8］。Chen等［9］利用经验正交函数研究了亚洲中部干旱区在1901—2003年气温变化特征，指出区域平均增温率为0.18 ℃·（10 a）-1，冬季达到0.21 ℃·（10 a）-1，远高于全球的增温率。王明田等［10］基于1959—2008年相对湿润指数的年际变化分析研究，中国西南地区近十年干旱强度明显增大，且年尺度干旱频率呈西高东低的带状分布。在1916—2020年，北京的5 a滑动平均气温呈波动上升，年降水量则呈波动下降的趋势［11］。在1961—2014年，蒙古高原降水总体呈减少趋势，夏季和秋季降水持续减少，冬季和春季降水逐渐增加［12］。在1971—2014年，广西桂平市平均气温、年降水量均呈显著的上升趋势［13］。可以看出，中国近代气候变化总体上与全球气候变化方向一致，但区域内气候变化存在明显的时空差异。
西昌水能资源富集，农业光热资源丰富，是国家农业综合开发重点地区。西昌将成为攀西地区的经济、文旅、教育、金融等中心，发挥要素与资源配置的牵引和辐射作用，带动周边城市和区域共同体协同发展。在全球气候变化加剧的背景下，还鲜有综合降水、气温、日照等多种要素对西昌气候变化的研究［14-15］。气候变化对农业发展至关重要，因而亟需了解当地气候变化特征。本文针对西昌1956—2020年降水量、平均气温和日照时数等气象数据，采用线性回归［16］、加权滑动平均、Mann-Kendall趋势分析和突变分析以及小波分析等方法，对其气候要素进行了年际和季节尺度的变化趋势以及突变特征分析，以期为政府在农业生产、规划和布局以及生态农业建设方面提供科学参考。
1 资料与方法
1.1 研究区概况
西昌气象站位于邛海盆地西北部，海拔为1 591 m，邻近安宁河谷，该站能较好地代表邛海盆地及安宁河谷西昌段主要农区的气象实况。西昌属于热带高原季风气候区，年降水量为1 010.3 mm，年平均气温17.2 ℃，雨热同期，雨季降水量占全年降水量的85%以上。西昌冬无严寒，夏无酷暑，有“小春城”之称，日照时间长达2 348.2 h，阳光充足、光热资源丰富，又称“阳光城”。西昌处于成都、重庆、昆明三大城市交叉辐射区域，是内陆辐射西南和东南亚的重要通道，是攀西城市群中心地区。
1.2 研究数据
基于数据来源的准确性与可靠性原则，本研究选取西昌气象站的1956—2020年的逐月气温、降水量、日照时数等气候要素数据进行研究。数据来源于国家气象网（https：//data.cma.cn）等官方网站。
1.3 研究方法
采用线性回归法和加权滑动平均法计算西昌气温、降水量、日照时数等气象要素变化趋势及其幅度，结合Mann-Kendall检验分析各要素趋势和突变特征，运用小波分析找出气候要素的震荡周期。其中季节划分标准采用3—5月为春季，6—8月为夏季，9—11月为秋季，12—2月为冬季。
1.3.1 加权滑动平均法
本研究采用加权滑动平均法以5 a为滑动长度对气象数据进行分析。由数据中第一年气象数据开始，按照 5 a周期序列加权后求得平均值，得到由滑动平均值构成的新时间数列［17］。权重按2-3-5-3-2进行分配，即第一年到第五年权重依次为2/15、3/15、5/15、3/15、2/15，仅损失首尾两年数据，提高了当年要素值所占权重，并兼顾前后两年的值。加权滑动平均可以消除不稳定波动，使其变化更平滑，趋势倾向显示更直观。加权滑动平均序列表示为
yt=∑Lk=-Lwk xt+k， t=L+1，…，n-L，
式中：yt为加权滑动平均后的系列值；wk为权重系数；滑动长度为5，L=2；n为年份跨度（本文n=65），xt+k为序列中第t+k的气象数据。
1.3.2 Mann-Kendall检验
Mann-Kendall方法是一种非参数统计检验法，该方法无需事先设定数据分布特征，且不受少数缺失数值和异常值干扰，适用于气象、水文时间序列趋势和突变分析［18］。其中，UFk是标准正态分布，是按照时间序列计算出的统计量，将时间序列逆序，再重复上述过程，同时使UBk=-UFk，则称UBk为序列UFk的反序列。将UBk和UFk绘于同一坐标轴下，给定显著水平α对应的置信曲线，若UBk和UFk在置信曲线之间相交，则相交点所对年份则为突变发生时间。给定显著水平α=0.05和极显著水平α=0.001，即U0.05=±1.96，U0.001=±2.58。若UFk>0，表示序列呈上升趋势；若UFk<0，表示序列呈下降趋势；若UFk<1.96，变化趋势不显著；若1.96
1.3.3 小波分析
小波分析在图像和信号等非稳定信息处理方面应用广泛。在Matlab 2016b软件中利用Wavelet Toolbox Main Menu工具中Signal Extension对序列数据进行延伸处理，利用Morlet负小波函数对延伸后的数据序列做小波变换处理，其中小波函数类型选择cmor，用以分析多时间尺度特征［19］。在一定的时间尺度下，小波方差表示时间序列在该尺度中周期波动的强弱，对应峰值处的尺度即为该序列的主要时间尺度，即主要周期［20］。
2 结果与分析
2.1 降水量变化特征分析及突变分析
2.1.1 降水量年际变化特征及突变分析
如图1a所示，西昌近65 a的平均年降水量为1 010.3 mm。年降水量最大值出现在1998年，达到1 549.2 mm；最小值出现在2011年，为558.2 mm。西昌近65 a降水量年变化呈现略微的增加，趋势率为8.75 mm·（10 a）-1，R2为0.009，显著性极低。由5 a滑动平均看出，在1962—1966年、1977—2000年和2005—2020年均表现出波动上升的趋势。
由图1b看出，降水量在1956—1998年呈减少趋势，从1999年开始呈增加趋势。UF时间序列在1957—1964年通过0.05置信水平线（UFk<-1.96），其中1957、1958、1960—1964年通过0.001显著性检验（UFk<-2.32），说明在该时间序列上降水量呈显著下降趋势，而在1964年后变化趋势不显著。同时，西昌年降水量从1998年存在突变点。
2.1.2 降水量年际变化周期
由图2a看出，在降水量演变过程中主要存在37～58 a，28～37 a和18～28 a三类尺度的周期变化规律。其中，在37～58 a尺度上出现涝-旱交替的准两次震荡；在28～37 a尺度上出现旱-涝交替的准三次震荡；在18～28 a尺度上出现涝-旱交替的准四次震荡。由图2b所示，降水小波方差最大峰值对应57 a的时间尺度，说明57 a左右的周期震荡性最强，为西昌降水变化的第一主周期，其次42 a为第二主周期，23 a为第三主周期，以上3个周期直观体现了西昌降水量的年际变化特征。
2.1.3 降水量季节变化特征及突变分析
西昌近65 a降水量随季节的变化差异明显，其中夏季降水量最多，平均值为612.4 mm；冬季降水量最少，平均值仅有16.5 mm。由图3中各季节a图所示，春季和夏季降水量呈持续增加的趋势，而秋季和冬季呈减小的趋势，趋势均不显著。由图3中各季节b图所示，春季在1956—1965年降水量呈持续显著减小的趋势；夏季在1956—1985年降水量呈持续显著减小的趋势，但在1969年、1971年和1973年不显著；秋季降水量总体呈不显著的减小趋势；冬季在1960—1978年、1988—1994年和2002—2020年均呈显著减小的趋势。在春季、夏季和秋季降水量均不存在突变点，冬季在1956年存在突变点。
2.2 平均气温变化特征分析及突变分析
2.2.1 平均气温年际变化特征及突变分析
如图4a所示，年平均气温波动幅度在1 ℃左右，呈显著增加趋势，趋势率为0.17 ℃·（10 a）-1，R2为0.352。5 a滑动平均显示，在1991—2019年年平均气温持续波动增加，变幅达到1.7 ℃。
由图4b所示，平均气温在1957年和1962—1997年呈减小趋势，在1998年之后呈增加趋势。其中2009—2011年和2012—2020年年平均气温呈显著上升趋势。平均气温在2004年、2006年和2008年均存在突变点。
2.2.2 平均气温年际变化周期
由图5a可以看出，在平均气温演变过程中主要存在47～61 a和38～47 a两类尺度的周期变化规律。其中，在47～61 a尺度上出现低高交替的准二次震荡；在38～47 a尺度上出现高低交替的准二次震荡。由图5b看出，平均气温小波方差最大峰值对应56 a的时间尺度，说明56 a左右的周期震荡性最强，为西昌平均气温变化的第一主周期，43 a为第二主周期，以上2个周期直观体现了西昌地区平均气温的年际变化特征。
2.2.3 平均气温季节变化特征及突变分析
西昌近65 a春、夏、秋、冬的平均气温分别为19.0、22.2、16.7、10.7 ℃。由图6中各季节（a）图可以看出，四季平均气温均呈增加的趋势，其中冬季趋势率最大，为0.24 ℃·（10 a）-1。由滑动平均看出，西昌近30 a四季平均气温呈波动递增的趋势。由图6中各季节（b）图可以看出，春、夏及秋季UF曲线分别在1958—1997年、1957—1980年及1965—1997年平均气温呈显著性减小；冬季在1958—1971年个别年份呈显著性减小。春季在2020存在突变点；夏和秋季均在2018年存在突变点；冬季在2008年和2011年均存在突变点。
2.3 日照时数变化特征分析及突变分析
2.3.1 日照时数年际变化特征及突变分析
由图7a所示，西昌近65 a平均年日照时数为2 348.20 h，最大值出现在1980年，达2 660.5 h，最小值出现在2007年，为1 971.6 h。西昌年日照时数波动幅度大，整体呈明显减小趋势，趋势率为-53.76 h·（10 a）-1，R2为0.384。滑动平均显示，在1980—1992年呈断崖式下降，下降幅度达569.2 h。
图7b所示，西昌年际日照时数在1957—1958年、1960年、1964—1971年、1973—1979年和1990—2020年均呈显著减小趋势。同时，西昌年日照时数在1982年存在突变点。
2.3.2 日照时数年际变化周期
由图8a所示，在日照时数演变过程中主要存在47～64 a和25～47 a两类尺度的周期变化规律。其中，在47～64 a尺度上出现低高交替的准二次震荡；在25～47 a尺度上出现高低交替的准二次震荡。由图8b看出，日照时数小波方差最大峰值对应57 a的时间尺度，说明57 a左右的周期震荡性最强，为西昌日照时数变化的第一主周期，43 a为第二主周期，以上2个周期直观体现了西昌地区日照时数年际的变化特征。
2.3.3 日照时数季节变化特征及突变分析
西昌近65 a春、夏、秋、冬四季的日照时数分别为 717.3、492.0、481.6、657.3 h。由图9中各季节（a）图可以看出，四季的日照时数均呈减小的趋势，其中夏季下降最快，趋势率为-20 h·（10 a）-1。春季和秋季近7 a日照时数均下降，分别减少151.1 h和197.8 h；夏季和冬季近13 a日照时数均上升，分别增加21.4 h和147.3 h。由图9中各季节（b）图可以看出，春季在1959—1979年和1990—2020年日照时数呈显著性减小；夏季在1957—1970年和1992—2020年日照时数呈显著性减小；秋季在1960年日照时数呈显著性减小；冬季在1957—1963年和2007—2020年日照时数呈显著性减小。其中，夏季在1980年和1981年存在突变点；秋季在1958年存在突变点；冬季在1979年和1981年存在突变点。
3 讨论与结论
在全球气候变暖的背景下，气温升高，降水分布发生变化，西昌年平均气温和年降水量也表现出相似变化，同时极端天气频次有所增加［21］。玉米是西昌的主要农作物之一，发育期在春季，春季年平均气温持续增加，促进玉米的出苗速度［22］。夏季是玉米需水量最高的时期，也是生长最旺盛的时期，降水量处于增加的趋势，对其生长和发育均有利［23］。同时，葡萄与玉米生长和发育所需条件相似［24］，昼夜温差大、年温差小、无霜期长的独特气候促进西昌杂交玉米制种和葡萄产业的快速发展。不容忽视的是，持续显著的增温与降水也会制约农业的发展。年际和季节日照时数均处于下降趋势，不利于农作物的光合作用，可能会降低产量。在气温、降水量和日照时数3个气象因素中，日照时数的降低对玉米产量下降的影响更大［25］。
总体来看，西昌近65 a气候呈现较为明显的暖湿化趋势，预计未来年平均气温依然处于上升趋势，而日照时长将会处于下降趋势，且持续性较强。本文对西昌近65 a降水量、平均气温和日照时数的变化规律进行定量分析，有助于了解区域气候变化特征，同时对协助区域进行社会经济及生产生活活动等提供科学参考。后续研究中将加入湿度、蒸发量等气象要素进行综合分析，进一步提升西昌年际气候变化特征分析的准确性。
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Analysis on the Characteristics of Climate Changein Xichang from 1956 to 2020
YU Yu-shou，ZHANG Shu-li，YANG Dan，LIAO Qi-hua，WU Lin-peng
（a.School of Geographical Sciences，b.Sichuan Provincial Engineering Laboratory of Monitoring
and Control for Soil Erosion on Dry Valleys，China West Normal University，Nanchong Sichuan 637009，China）
Abstract：Based on the data of climate factors such as precipitation，average temperature and sunshine hours in Xichang from 1956 to 2020，the characteristics of its climate change in recent 65 years are analyzed by linear regression，weighted moving average method，Mann-Kendall mutation test and wavelet analysis.The results are as follows： （1） The annual precipitation had maintained an upward trend with a low significance，and the trend rate was 8.75 mm· （10 a）-1;the mutation occurred in 1998，and the precipitation had continued to increase since 1964；the precipitation had periodic changes on the 57-year scale and presented a continous increase in spring and summer but a decrease in autumn and winter.（2） The annual average temperature had maintained a significant rising trend，with a trend rate of 0.17 ℃· （10 a）-1;there were mutation points in 2004，2006 and 2008，and there had been a continous significant increase since 2009;the annual average temperature of the four seasons had also presented an upward trend，and the maximum trend rate in winter was 0.24 ℃· （10 a）-1;the average temperature had periodic changes on the 56-year scale.（3） The annual sunshine hours had shown a significant declining trend，with a trend rate of -53.76 h· （10 a）-1;there was a mutation point in 1982，and it had continued to decrease significantly since 1991;the sunshine hours in the four seasons had presented a decreasing trend，with the fastest decline in summer，and the trend rate was -20.00 h· （10 a）-1;sunshine hours had periodic changes on the 57-year scale.The annual and seasonal average temperature in Xichang is expected to maintain a strong upward trend，but the sunshine hours will present a strong downward trend in the future.
Keywords：climate change；average temperature；precipitation；sunshine hours；Xichang
