泰安市近58年气候变化特征分析

李 瑞，郭 渠，高慧君，周春珍

(1.济南市气象局，济南 250002;2.重庆市气候中心，重庆 401147;3.山东省气象台，济南 250002)

1 引言

全球气候变暖已成为当今气象学家和广大民众普遍关注的热门话题。IPCC第4次评估报告指出，自1861年以来，全球表面温度不断上升，近100年来的上升幅度为(0.74±0.18℃)［1］。在全球气候变暖的大背景下，我国各地区对全球气候变暖的响应并不完全相同，在时间和空间的分布上是极不均匀的［2］。泰安市位于山东省中部，处于我国典型的温带大陆性半湿润季风区，其气候变化特征在半湿润季风区城市气候资源的研究中具有代表性。然而，目前关于泰安市气候变化特征的文章还很少见到，因此有必要在全球气候变暖的大背景下详细分析泰安市的气候变化特征，这为本地区气候变化的诊断和预测以及合理利用气候资源提供理论依据。

2 资料和方法

2.1 资料

选取国家气候中心整编的泰安市1951～2008年逐日气温和降水资料，计算出春(3～5月)、夏(6～8月)、秋(9～11月)、冬(12月～次年2月)及年平均气温和降水量。

2.2 方法

2.2.1 倾向分析方法 采用线性拟合方法进行倾向分析。把气候要素写成时间t的线性函数y=at+b，a、b为经验常数。通过实际资料，利用最小二乘法计算出a和b，其中a为线性函数的斜率，也就是气候要素的线性趋势。a为正(负)表示增加(减少)趋势，0表示无变化趋势。

2.2.2 突变分析方法 利用Mann-Kendall法进行突变点检验。对于具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列

ri表示第i个样本xi大于xj(1≤j≤i)的累计值。

在时间序列随机独立的假设下，定义统计量

给定显著性水平α=0.05，即U0.05=(1.96，当(UFk(＞Uα时，表明序列存在明显的上升或下降趋势。将所有UFk组成一条曲线UF。把同样的方法引用到反序列中，得到另一条曲线UB。将统计量曲线UF、UB和(1.96两条直线均绘在一张图上，如果UF大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著。超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UF和UB两条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间。

2.2.3 周期分析方法 利用小波分析进行周期分析。目前关于小波分析的文献有很多［3-9］，这里只将本文中用到的Morlet小波及有关计算公式作一说明。

Morlet小波的形式为:

当c取较大值时，(5)式中第2项远小于第1项，省略第2项。本文取c=2π，其子小波为:

对于时间序列f(t)［f(t)∈L2(R)］的小波变换为:

Wf(a，b)能同时反映时域参数b和频域参数a的特征，它是时间序列f(t)通过单位脉冲响应滤波器的输出。a为尺度收缩因子，反映小波的周期长度，b为平移因子，反映相对于t的时间平移，在实际计算中相当于时间坐标。当分析检测高频分量时，时间窗口自动变窄，频率窗口高度增加;分析检测低频特性时，时间窗口自动变宽，频率窗口高度减小，从而达到时频窗口的和谐变化。

3 气候变化趋势

3.1 气温变化趋势

从泰安市近58年各季及年平均气温变化曲线(图1，各季图略)及倾向率(表1)可见:年及各季平均气温均呈上升趋势。四季中，冬季气温升高最显著(倾向率为每10年上升0.366℃)，小于中国近50年来冬季0.39℃/10 a的增温率［11］;其次是春季(倾向率为0.303℃/10 a)和秋季(倾向率为0.100℃/10 a);夏季气温上升最不明显(倾向率为0.007℃/10 a)，远远小于中国近50年来夏季0.15℃/10 a的变化速率［11］。年平均气温变化倾向率为0.196℃/10 a，小于近50年来中国年平均气温变化倾向率(0.25℃/10 a)［11］。说明近58年泰安市冬、春季特别是冬季气温的显著上升对年平均气温上升所做的贡献最大。这与任国玉等［10］研究的全国气温变化规律基本一致。

气候变化既包括自然变化过程，也有人类活动的影响。一地气温变化的影响因素既包括大气环流、太阳辐射、降水及日照条件，也包括局地地形以及城市化效应引起的热岛环流等。在全球变暖的气候背景下，环流异常和人类活动的影响是气温变化的主要原因。众所周知，经济活动增加使城市的能源使用增加，加暖了城市大气而形成城市热岛效应。改革开放以来，泰安市经济发展迅速，城市人口增加，至2008年末城镇常住人口已达258.2万人，人类活动对气候变化的影响日益增加。泰安市气温显著增暖，可能是在全球变暖的气候背景下，大气环流因响应而出现的变异与调整，从而导致区域气候的变化;也可能与泰安市所处的发展阶段、经济类型和发展速度以及人口的相对集中度等许多因素有关。总之，气候变化是气候系统内部和外部众多因子相互影响、相互作用的复杂过程，泰安市气温的变化机理今后需进一步进行深入的研究。

图1 泰安市年平均气温变化趋势图Fig.1 Annual mean temperature trend in Taian City

表1 泰安市各季及年平均气温、降水量变化倾向率Table 1 Trend slope of seasonal and yearly temperature or precipitation in Taian City

3.2 降水变化趋势

由泰安市近58年各季及年降水量变化曲线(图2，各季图略)及倾向率(表1)可以看出:泰安市年降水量呈减少趋势。四季中，春季降水量呈增加趋势(倾向率为4.371 mm/10 a);夏季和秋季呈减少趋势，其中夏季减少较快(倾向率为-4.726 mm/10 a);冬季呈微弱增加趋势。说明近58年泰安市年降水量减少是由于夏、秋季特别是夏季降水减少所致。这与王绍武等［12］分析的华北地区降水量变化趋势基本一致。

图2 泰安市年降水变化趋势图Fig.2 Annual precipitation trend in Taian City

4 年平均气温及降水量的突变检验

对泰安市近58年年平均气温及降水量序列做突变检验，结果如图3所示。可见，在0.05的显著性水平下，泰安市年平均气温从50年代末开始持续上升，1993年发生突变，1998年开始显著上升。泰安市年降水量从50年代中期至60年代中期呈增加趋势，60年代末期至今呈减少趋势，但其变化趋势不显著，没有明显的突变点。

图3 泰安市年平均气温(a)及降水量(b)Mann-Kendall突变检验曲线(实线为UF，虚线为UB)Fig.3 Mann-Kendall test curve of Annual mean temperature(a)and precipitation(b)in Taian City(solid line indicated UF，broken line indicated UB)

5 周期分析

5.1 年平均气温变化的周期分析

图4(a)为泰安市近58年年平均气温距平序列Morlet小波变换的实部。图中正值用实线表示，反映年均气温偏高的时期;负值用虚线表示，反映年均气温偏低的时期;零表示气温偏高和偏低的转折。小波系数绝对值越大，该周期变化越显著。从图中可以看出泰安市年均气温存在着准4、6、14、20及准29年的周期性变化。

从泰安市近58年年均气温距平序列Morlet小波变换模平方(图4(b))可以清楚地看出不同时段各周期信号强弱的分布:准4年周期变化主要发生在1980～2003年，振荡中心在1997年;准6年周期变化主要发生在1952～1972年，振荡中心在1962年;准14年周期变化主要发生在1957～1981年，振荡中心在1970年;准20年周期变化在1961～2008年有所表现，但强度较弱;准29年周期变化主要发生在1972～2008年，振荡中心在1997年。

图4(c)为泰安市近58年年均气温距平序列Morlet小波变换的方差。由于小波方差不仅可以揭示序列内部的频率结构，而且还可以给出序列中包含不同周期振荡相对贡献的完整描述，所以从图4(c)可以看出准6和准29年周期变化在整个气温变化中的相对贡献相当并且比准4、14、20年的相对贡献大得多。

图4 泰安市年平均气温距平序列Morlet小波变换的实部(a)、模平方(b)及方差(c)Fig.4 Real part(a)，square module(b)and variance(c)of wavelet analysis of annual mean temperature in Taian City

5.2 年降水变化的周期分析

由泰安市近58年年降水距平序列Morlet小波变换的实部(图5(a))可以看出，泰安市年降水存在着准 3、5、7、10、16 年的周期性变化。

图5 泰安市年降水距平序列Morlet小波变换的实部(a)、模平方(b)及方差(c)Fig.5 Real part(a)，square module(b)and variance(c)of wavelet analysis of annual precipitation in Taian City

图5(b)给出了降水距平序列Morlet小波变换的模平方。从图中可以看出:准3年周期变化主要发生在1959～1966年及1985～1994年，振荡中心分别在1963年与1990年;准5年周期变化主要发生在1984～2005年，振荡中心在1993年;准7年周期变化主要发生在1953～1980年，振荡中心在1965年;准10、16年周期振荡则相对比较弱。

从小波变换的方差(图5(c))可以看出准5、7年周期在整个降水变化中的相对贡献比准3、10、16年周期大得多。

6 结论

(1)1951-2008年，泰安市年平均气温呈显著上升趋势，倾向率为每10年上升0.196℃，而降水量相反，呈减少趋势，年降水量每10年减少2.838 mm。

(2)近58年来，泰安市各季平均气温、降水的变化趋势存在明显的差异。就气温而言，冬季气温升高最显著，其次是春季和秋季，夏季气温上升最不明显。说明近58年泰安市冬、春季特别是冬季气温的显著上升对年平均气温上升所做的贡献最大。就降水而言，春季降水量呈增加趋势;夏季和秋季呈减少趋势，其中夏季减少较快;冬季呈微弱增加趋势。说明泰安市年降水量减少是由于夏、秋季特别是夏季降水减少所致。

(3)对泰安市近58年年平均气温及降水量序列做突变检验，结果发现:泰安市年平均气温从50年代末开始持续上升，1993年发生突变，1998年开始显著上升。泰安市年降水量从50年代中期至60年代中期呈增加趋势，60年代末期至今呈减少趋势，但其变化趋势不显著，没有明显的突变点。

(4)通过小波分析可以得出，泰安市近58年年平均气温存在准4、6、14、20、29年的周期性变化，其中准6、29年周期振荡最为强烈。泰安市年降水存在准3、5、7、10、16年的周期性变化，其中准5、7年周期振荡最为强烈。

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