福建长汀红壤区1965—2013年气温和降水量的变化趋势

赵嘉阳, 郭福涛, 梁慧玲, 苏漳文, 王文辉, 林玉蕊

(1.福建农林大学计算机与信息学院；2.福建农林大学林学院，福建 福州 350002)



福建长汀红壤区1965—2013年气温和降水量的变化趋势

赵嘉阳1, 郭福涛2, 梁慧玲1, 苏漳文2, 王文辉2, 林玉蕊1

(1.福建农林大学计算机与信息学院；2.福建农林大学林学院，福建 福州 350002)

摘要:采用线性回归、Daniel和Mann-Kendall检验法，分析长汀地区1965-2013年的气温及降水变化趋势，并选取屏南地区做对比研究，解释长汀地区气象因子变化的原因.结果表明采用这3种方法进行气温、降水量变化趋势分析，得出的结论基本一致，即长汀地区1965—2013年气温呈增长趋势，且增长显著；1965—1989年降水量处于持续减少状态，从1990年开始增加，2000年以后增加趋势趋于缓慢.Mann-Kendall突变检验显示：长汀地区在2005年发生气温突变，2005年以后气温呈上升趋势，并于2008年达到显著增加水平；而对照地区屏南的气温突变发生在1994年，并在2000年以后气温呈显著上升状态.表明整体上长汀地区的温度和降水的变化趋势与对照地区(屏南)相近，但存在突变点提前或滞后的现象.说明人为因素对当地植被和生态环境造成了影响，进而影响了当地的温度和降水等区域气象因子.

关键词:气温; 降水量; 线性回归; Daniel及M-K检验法; 突变检验

气候变化与人类的生活和社会经济发展有着密切的联系，已经成为世界各国政府部门、科学家共同关注的重大问题[1].气候变化直接影响地球森林、生物、水、土地资源的变化，工业革命以后这种影响一直在不断加剧[2].准确了解某一区域气候变化的规律是进行该地区林业、农业、生态系统恢复等方面研究的基础[3].因此近年来，如何对气象因子进行趋势分析和变异点检验一直是学者们关注的重要内容.

郭红霞、胡刚等[4-5]利用兰州市的气温和降水资料，运用线性回归分析法和5 a趋势滑动法进行了气候变化的趋势分析.刘娟等[6]应用Daniel和Mann-Kendall趋势检验法对西北地区降雨量进行对比分析.张明洁等[7]采用Mann-Kendall突变检验法对海南岛1961-2011年的年平均气温和四季平均气温等要素进行突变检验.王利盈[8]选用线性趋势分析、M-K突变检验分析对华南2个亚区各个气象要素的时间和空间变化特征和未来变化趋势进行研究.

但由于气候因子尤其是区域的气候因子往往受到区域其它因素(包括地形、植被、人为活动等因素)的影响，因此想要准确判断某一区域的气象因子变化趋势并分析其原因是一个综合性工作，不仅需要多种统计方法相互验证，而且需要选择对照区域.本研究以福建长汀地区(水土流失严重)为例，并以屏南地区(无明显水土流失)的分析结果为参照，分析影响长汀温度、降水量变化的因素.

1研究区概况

长汀县位处福建省西部，南邻广东省，西接江西省，地理坐标116°00′45″E—116°39′20″E, 25°18′40″N—26°02′05″N.长汀县地处中亚热带季风区，年均气温17.5~18.8 ℃.平均降雨天数为156.7 d，降水分布不均，3~6月降水量占全年降水量的60%.

长汀地区土壤侵蚀发生于20世纪初，至今将近一百年，流失区主要分布于县域中部，即以河田盆地为中心的三洲、河田、策武、濯田等乡镇.20世纪以来多次发生林地滥垦、森林滥发事件，植被遭严重破坏，光山秃岭面积越来越大，植被覆盖率极低.虽然1940年福建土壤包肥试验区就已经开始研究治理方法，但由于人口增长速度过快、经济落后、治理不力等原因，到20世纪80年代这种状况还没有得到明显改善[9].

屏南县位于福建省东北部，地处北纬26°44—27°10′、东经118°41′—119°13′.屏南境内属中亚热带海洋性季风气候，四季分明，冬无严寒，夏无酷暑，雨量充沛，年降水量达1842.3 mm，年平均气温13~18 ℃.全县平均森林覆盖率75.6%，绿化程度达91.1%，2004年被评为全省“林业工作十佳县”[10].

2研究方法

2.1数据来源

气象数据来源于中国气象数据共享网络(http://cdc.cma.gov.cn/)[11]，气象数据涵盖福建省内包括长汀、屏南在内的22个国家级气象站的每日气象数据.本研究从每日气象数据中提取长汀、屏南地区气温和降水量2个气象因子的年际数据进行对比研究，对于个别年份数据缺失采用时间序列模型进行拟合补充.

2.2研究方法

(1)

2.2.2Daniel趋势检验法Daniel趋势检验法是基于Spearman秩相关系数进行统计分析的一种方法.在Spearman秩相关检验中，不需考虑时间序列的真实数据，只需将时间序列数据转化为依次排名，数据量一般要求4个以上.

将时间序列按照时间周期进行排序，得到Y1,Y2,…,Yn(按年排列的序号)，将时间序列数据按数值从小到大进行排序，得到相应序号X1,X2,…,Xn，统计检验所应用的秩相关系数为：

(2)

式中：di=Xi-Yi；N为数据量.

将秩相关系数rs与Spearman秩相关系数统计表中的临界值进行比较，当rs≤-wp或rs≥wp时，气象因子变化趋势显著；当-wp0时，变化呈上升趋势；反之，呈下降趋势[7].

2.2.3Mann-Kendall趋势检验法Mann-Kendall趋势检验法是世界气象组织(WMO)推荐并已经得到广泛应用的一种非参数统计检验方法.非参数检验方法也称无分布检验，其优点是不需要样本服从某种分布，也不受少数异常值的干扰，定量化程度高，检测范围广，计算方便，更适用于顺序变量和类型变量.对于样本个数为n的时间序列x，构造一秩序列：

(3)

式中ri取值如下：

(4)

可见秩序列Sk是第i时刻数值大于j时刻数值个数的累计数.在时间序列随机独立的假定下定义统计量：

(5)

在x1,x2,…，xn相互独立，且具有相同连续分布时，可由下式算出：

(6)

UKk为标准正太分布，它是按时间序列顺序x1,x2,…，xn计算得到的统计量序列.再按时间序列逆序xn,xn-1,…x1，重复上述过程，同时使UBk=-UFk(k=n,n-1,…1),UB1=0.给定显著性水平α，如α=0.05，临界值u0.05=±1.96，将UFk和UBk2个统计量序列曲线和±1.96两条直线均绘在同一个图上.

检验曲线图中，若UFk线在临界线内变动，表明变化曲线趋势和突变不明显；UFk值大于零，表明序列呈上升趋势，反之呈下降趋势；UFk值超过临界线表明上升或下降趋势显著.如果UFk和UBk2条曲线在临界线之间出现交点，则交点对应的时刻即为突变开始的时间；若交点出现在临界线外或出现多个交点，可结合其他检验方法进一步判定其是否为突变点[8].

2.2.4滑动t检验法是通过考察2组样本平均值的差异是否显著来检验突变.即将一气候序列中两段子序列均值有无显著差异看作来自2个总体均值有无显著差异的问题来检验.如果两段子序列的均值差异超过给定显著性水平，认为有突变发生.

(7)

3结果与分析

3.1线性回归分析

图1显示，1965-2013年长汀和屏南地区年均气温总体上呈上升趋势，2000年以前气温低于平均值.长汀每年线性增温速率为0.017 ℃·a-1，比我国平均地面气温变暖线性速率(0.025 ℃·a-1)低[13]，也低于屏南的气温变暖线性速率(0.020 ℃·a-1).t检验结果显示长汀和屏南的气温均呈现显著的上升趋势.长汀降水量总体呈减少趋势，减幅为0.83mm·a-1；屏南降水量呈增加趋势，增幅为1.718mm·a-1.采用t检验，结果表明两者变化趋势均不显著.从表1可知，长汀气温和降水量的标准差均低于屏南，波动区间宽度均大于屏南.为了分析各时段降水量的变化趋势，将样本序列分为5个时段，见表2、3.从表、3可知，2000年以前长汀和屏南的气温均呈下降趋势，但下降程度不显著；2000年后，两地区的气温变化情况相反，长汀地区温度显著提高，而屏南地区温度呈不显著下降趋势.这2个地区整体的降水量变化不显著.1990年以前两地降水量变化趋势明显相反，长汀地区降水量增加而屏南地区降水量下降.1990年以后，两地降水量变化趋势相同，但变化不显著.

表1　1965—2013年长汀、屏南年均气温、降水量统计量

表2　1965—2013年长汀与屏南年均气温分段序列变化线性回归趋势分析表1)

1)*表示差异显著.

表3　1965—2013年长汀与屏南年降水量分段序列变化线性回归趋势分析表

3.2Daniel趋势法分析

先以样本数量为周期，再以各阶段年份数为周期，分别计算秩相关系数.在置信度为0.05的水平上，wp值通过Spearman等级相关系数临界值表可查.由表4可知：采用Daniel趋势法和线性回归法计算的气温变化结果基本相同；采用这2种方法计算的1965—2013年和1990—1999年的长汀降水量变化趋势不同，而其他年份的降水量变化趋势相同.在Daniel系数中显示趋势与线性回归检验不同，其他年份的趋势方向完全相同，显著性检验也一致.说明应用这2种方法可以得到相似的结论(表5).

表4　1965—2013年长汀与屏南年均气温分段序列Daniel趋势分析表1)

1)*表示差异显著.

3.3基于Mann-Kendall法的趋势分析与突变检测

应用Mann-Kendall法，在给定显著性水平α=0.05下检测1965-2013年长汀、屏南年均气温和年降水量序列的变化趋势和突变.结果表明：长汀70年代到90年代的年均气温一直处于下降趋势，但下降趋势不显著；2000年以后年均气温呈上升趋势，在2005年时产生突变点，并在2008年达到置信度临界值.说明2005年以后长汀地区出现增温突变，并于2008以后温度呈显著上升趋势.对比长汀，屏南的气温突变发生在1994年.而在2000年后气温呈显著上升状态(图2).

表5　1965—2013年长汀与屏南年降水量分段序列Daniel趋势分析表

运用Mann-Kendall法对长汀和屏南1965-2013年降水量进行趋势分析和突变检验，结果显示两地在研究时间尺度内均有多次突变点，说明两地的降水量在某一时期存在明显增加或降低现象.但由于Mann-Kendall法无法确定出现多个交点的突变点，这里辅以滑动t检验对两地降水量进行突变点判定.进行滑动检验时分别取步长n1=n2=2，…，15，对降水量数据进行突变检验.结果显示步长为2时，长汀和屏南的降水滑动统计量均通过显著性检验(图3)，其他步长的降水量没有通过显著性检验.长汀和屏南的降水显著变化年份分别为2002、2004年和1981、1995、2003、2005年.

4小结

应用线性回归、Daniel趋势检验以及M-K检验分别对长汀地区1965-2013年的气温和降水量的变化趋势进行分析，并选择屏南地区作对比研究，得到以下结论.

(1)整体上长汀地区的温度和降水变化趋势与对照地区(屏南)的相近，但存在突变点提前或滞后的现象.说明长汀地区与对照区域相比，人为因素对当地植被和生态环境造成了破坏，进而影响了当地的温度和降水等区域气象因子的变化.

(2)长汀和屏南地区降水量在1990年以前呈现相反的变化趋势，长汀地区降水量减少而屏南地区降水增加，而2000年以后长汀和屏南的温度和降水变化趋势没有明显差异.

(3)Mann-Kendall突变检验显示，长汀地区在2005年发生气温突变，2005年以后气温呈上升趋势，并于2008年达到显著上升水平.而对照地区屏南的气温突变发生在1994年，并在2000年以后气温呈显著上升趋势.

(4)采用滑动t检验对两地降水量进行突变点判定.结果显示步长为2时，长汀和屏南的降水滑动统计量均通过显著性检验，其他步长的降水量没有通过显著性检验.长汀的降水显著变化年份分别为2002(上升)和2004(下降);屏南的降水显著变化年份分别为2003(下降)和2005(上升).

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[7] 张明洁,张京红,刘少军,车秀芬,李文韬.海南岛1961—2011年气候变化特征分析[J].热带作物学报,2014(12):2 488-2 495.

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(责任编辑:叶济蓉)

Changes in temperature and precipitation in Changting, Fujian Province during 1965-2013

ZHAO Jiayang1, GUO Futao2, LIANG Huiling1, SU Zhangwen2, WANG Wenhui2, LIN Yurui1

(1.College of Computer and Information Science; 2.College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

Abstract:In order to predict local climate for agriculture and ecosystem restoration in long run, linear regression analysis, Daniel trend test and Mann-Kendall mutation test were applied to analyze data on temperature and precipitation during 1965-2013 in Changting (a typical erosive county in West Fujian) and Pingnan (a forested county in Northeast Fujian). Pingnan was used as a control region to reveal the possible reason for climate change in Changting. In contrast with an uprising trend on temperature in Changting during 1965-2013, local precipitation continously dropped from 1965 to 1989, increased after 1990 then slowed down after 2000. According to Mann-Kendall test, Changting temperature increased since 2005 and at a higher rate after 2008. On the contrary, temperature mutation of Pingnan occurred in 1994, then the temperature increased faster after 2000. It could be moderately indicated that trend of temperature and precipitation was similar between Changting and Pingnan but the mutation time shifted between two regions. Differences in mutation time was very likely attributed to human activities that altered local vegetation condition and ecology environment, which indirectly affect local temperature and precipitation.

Key words:temperature and precipitation; linear regression analysis; Daniel trend test; Mann-Kendall mutation test ; mutation test

DOI:10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.01.013

中图分类号:P40

文献标识码:A

文章编号:1671-5470(2016)01-0077-07

作者简介:赵嘉阳(1991-)，男，硕士研究生.研究方向：统计信息技术与数据挖掘.Email：j_y_zhao@126.com.通讯作者林玉蕊(1963-)，女，教授，硕士生导师.研究方向：统计学、数值代数.Email：yrlin@fafu.edu.cn.

基金项目:福建省自然科学基金资助项目(2015J05049)；福建省教育厅资助项目(JK2014012)；保险精算实验室基金资助项目(118310010).

收稿日期：2015-05-13修回日期：2015-09-01