龙岩市1960—2013年气候变化特征及未来趋势分析

赵嘉阳, 郭福涛, 王文辉, 丘永杭, 靳全锋, 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)

龙岩市1960—2013年气候变化特征及未来趋势分析

赵嘉阳1, 郭福涛2, 王文辉2, 丘永杭1, 靳全锋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)

应用线性回归R/S法，分析龙岩市1960—2013年的气温及降水的变化趋势.结果表明：龙岩市四季和年均气温呈上升趋势，年均气温上升显著，线性趋势为0.014 ℃·a-1，未来变化趋势具有持续增长的趋势.四季和年均气温平均循环时间长度分别为6、5、8、8、11 a.龙岩市年降水量线性趋势为0.877 mm·a-1，春季、夏季降水量保持持续递增，秋季降水量持续递减，冬季降水量和年降水量则呈持续递增.四季和年降水量均循环长度分别为8、14、8、7、5 a.气温的持续升高抑制了降水量的减少.

气温; 降水量; 线性回归;R/S分析法

气候变化已成为各国关注的重大问题之一.气候变化导致的气象灾害可能会对社会经济发展和人民生命安全造成严重危害.农业和林业是受气候变化影响最大的行业，因此了解气候变化特征、趋利避害、减少农林业损失一直是气候领域研究的热点问题[1].

龙岩大部分地区属热带季风气候，部分区域具有南亚热带气候特色，气候受海洋影响较大，四季分明，夏无酷暑，冬无严寒，夏长冬短，光热资源丰富.近年来龙岩市充分发挥资源丰富的优势，以茶、果、菜、菌为四大支柱产业，用工业化的理念发展农业[2]，发展效果显著.龙岩市的林业产业除了传统的人造板业、林产化工、木材工业外，一批新兴的林业产业蓬勃发展，如花卉、竹叶[3].刘传奇[4]研究表明龙岩市的林业综合竞争力在全省排名第三.综上所述，气候对龙岩农林业发展的影响显而易见.

但由于全球温室效应及特有的地形等因素的作用[5]，龙岩市频繁发生的极端气候事件对林业、农业生产、经济发展的影响日趋严重.如2005年龙岩市的烤烟连遭低温、冰雹、飑线、暴雨的袭击，受损严重[5]；2003年12月26—27日的寒潮和2010年6月中旬的洪涝灾害，对龙岩市农业生产造成严重损失[6-7]；2011年3—4月龙岩市降水偏少引起的旱情对春播作物的生长带来不利影响[8]；2014年和2015年5月中下旬龙岩市普降大雨到暴雨[9]，2016年再次遭遇寒潮，农业和林业生产均遭受不同程度的损失.

鉴于此，本研究综合采用线性回归法、重标极差法对龙岩市历史上(1960—2013年)气温、降水量(年际、季节)的变化特征和未来变化趋势进行分析，旨在为该市应对气候变化做好气象灾害防御提供依据.

1 研究区概况

龙岩市位于北纬24°23′—26°02′，东经115°51′—117°45′，地处武夷山脉和博平岭山脉之间，区域内地势东高西低，北高南低，地形主要有山地、丘陵、河谷盆地，由于流水切割强烈，以致地形破碎，岭谷相间，丘陵、河谷平地交错分布.现辖新罗区、永定区和长汀县、连城县、上杭县、武平县四县.气候属亚热带海洋性季风气候，全年气候温和，无霜期长，雨量充沛，适宜亚热带作物和林木的生长.境内溪河众多，分别属于汀江、九龙江北溪、闽江沙溪、梅江水系.集水面积达到或超过50 km2的溪河共有110条.区域内年平均气温为14.2～20.7 ℃，地区南部的年平均气温明显高于北部.全年最冷月为1月，极端最低气温为-4.8～6.5 ℃；最热月为7月，极端最高气温为38～41.2 ℃.区域内各地的年平均降水量大多为1 450～2 200 mm，降水量随海拔的升高而增加.

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/)[10]，气象数据涵盖龙岩市区及其它县5个气象站(长汀、上杭、漳平、龙岩、永定)的每日气象数据.本研究从每日气象数据中提取5个气象站的2个气象因子(气温、降水量)的季节和年度数据进行研究，其中，3—5月份为春季，6—8月份为夏季，9—11月份为秋季，12月份至翌年2月份为冬季.所选用的2个气象因子具有数据完整、时间跨度长、可靠性强的特点.

2.2 线性回归

线性回归是一种参数估计方法.假定一个样本时间序列x1,x2,…,xn对应的时序值为t1,t2,…,tn，建立变量xi与ti之间的一元线性回归方程：

xi=a+bti+εi(i=1,2,…,n)

(1)

(2)

2.3 重差极标法

基于重标极差(R/S)分析方法的Hurst指数是定量描述时间序列信息长期依赖性的有效方法.

(1)给定一个长度为N的时间序列xi，将这个序列平均分为A个长度为n的相邻子区间，则A×n=N.任一子区间表示为Iα，α=1,2,…,A.在Iα中的元素表示为N(k,m),k=1,2,…,A;m=1,2,…,n.Iα的均值为：

(3)

(2)Iα对于均值的累积截距定义为：

(4)

(3)极差定义为：

(5)

(4)子区间Iα的标准差为：

(6)

(5)每一个RIa均由对应的SIa进行标准化.则R/S定义为：

(7)

(6)n从3开始，并重复1～5步，直到n=N，得到序列(R/S)n，n=3,…,N.

以Logn为解释变量，以log(R/S)为被解释变量，进行线性回归：

log(R/S)=logc+H·logn+ε

(8)

计算得到的方程斜率就是赫斯特指数H的估计值.

Hurst指数主要有3种形式：(1)0.5

通过R/S分析计算的Hurst指数可以揭示时间序列中的未来趋势，但是不知道这种趋势能持续多久.多数现实的、复杂系统的自相似行为是有界的，超过一定的时间尺度，系统就表现出不相关的随机行为[10].通过统计量V可以判断序列是否有非周期性循环，且能测定出平均循环长度，即过去的趋势影响将来的时间长度，统计量V的计算公式为:

(9)

在Vn-lnn的曲线上，若时间序列是随机的(H=0.5)，V统计量应该为一条水平线；若时间序列是反持续的(H<0.5)，图形则是向下倾斜；时间序列若是持续的(H>0.5)，图形应该是向上倾斜[15-16].曲线出现明显转折时，历史状态对未来状态的影响消失，此时对应的时间长度就是系统的平均循环长度.

3 结果与分析

3.1 变化趋势

从图1可知，1960—2013年龙岩气温整体波动呈上升趋势，年均气温上升速率为0.014 ℃·a-1，低于我国平均地面气温变暖线性速率(0.025 ℃·a-1)[6].季节的变化幅度并不相同，夏季增温速度最快(0.022 5 ℃·a-1)，春季增温速度最慢(0.005 5 ℃·a-1).t检验结果显示龙岩市年均气温呈极显著上升趋势，秋季气温呈显著上升趋势.图2显示54 a来龙岩年降水量呈增长趋势，增长速率为0.877 mm·a-1.图1、2显示1964年的年均、冬季气温以及冬季降水量为异常值，可能是因为1965年之前主要发展重工业，生态环境破坏严重，导致极端气候事件的发生；之后对国民经济进行调整，平衡轻重工业比例，保护生态环境，气候趋于正常.春季、夏季和冬季的降水量呈增长趋势，夏季增长速率最大(1.301 6 mm·a-1)，秋季呈减少趋势，减少速率为0.943 2 mm·a-1.t检验结果表明，龙岩季节和年际降水量的变化趋势均不显著.从表1可知，夏季气温波动区间宽度和标准差最大，说明夏季气温时间序列波动大于其它季节；同理可知春季降水量波动大于其它季节.

3.2 未来趋势

应用R/S法测定1960—2013年龙岩市气温和降水量序列的季节和年际未来变化趋势.表3结果显示：龙岩市四季和年均气温序列的Hurst指数均大于0.5，表明气温序列未来趋势持续过去的变化趋势，即未来四季和年均气温在一定时间内呈上升趋势.年均气温Hurst指数最大，说明年均气温未来增温的持续性最强；四季中只有夏季气温的未来增温为弱持续性，说明夏季未来增温的持续性比其它季节弱.年降水量和冬季降水量的Hurst指数小于0.5，表明未来年降水量和冬季降水量的变化趋势与过去的相反，即未来一段时间内年降水量和冬季降水量将呈减少趋势.同理可知，未来一段时间内春季、夏季和秋季降水量的变化持续过去的变化趋势，即春季、夏季仍呈增长趋势，秋季仍呈减少趋势.夏季Hurst指数最大，说明夏季降水量持续性强、时间长，与过去的变化趋势相同.

A.春季；B.秋季；C.夏季；D.冬季；E.年际.图1 1960—2013年龙岩气温线性变化趋势Fig.1 Linear changes in temperature of Longyan city during 1960-2013

A.春季；B.秋季；C.夏季；D.冬季；E.年际.图2 1960—2013年龙岩降水量的变化趋势Fig.2 Linear changes in precipitation of Longyan city during 1960-2013

气温/℃春季夏季秋季冬季年均降水量/mm春季夏季秋季冬季年际最小值 18.06617.45019.4389.33918.140215.920319.82058.36030.6201118.460最大值 21.54827.60622.37614.47720.6011029.600933.080470.500665.1982298.086平均 19.80026.71121.12111.62719.808614.985624.778218.043197.5931655.399标准差 0.7201.3290.5991.0470.390169.298147.82488.769119.502274.657波动区间宽度3.48210.1562.9385.1382.461813.680613.260412.140634.5781179.626

表2 1960—2013年龙岩气温、降水量的t检验结果1)Table 2 The result of t test on temperature and precipitation changes of Longyan city during 1960-2013

1)*表示趋势显著，**表示趋势极显著.

表3 1960—2013年龙岩气温、降水量季节和年际的Hurst指数1)Table 3 Seasonal and annual Hurst index of temperature and precipitation in Longyan city during 1960-2013

1)*表示弱持续或弱反持续，**表示强持续或强反持续.

为验证上述结果，从天气后报网查到龙岩2014年和2015年气温数据，与过去54 a平均气温作比较，由表4可知，未来2 a的四季和年均气温均大于过去平均值，并且2011—2015年四季呵年均气温的回归系数大于零，呈上升趋势.这在一定程度上验证了本研究的结果.

表4 未来2 a的季节和年均气温与过去值的比较 Table 4 Comparison on seasonal and annual temperature for next two years and the past ℃

3.3 非周期性循环的平均循环长度

从图3可知，气温的季节、年际V统计量整体呈上升趋势，5个时间序列都具有持续趋势，这与Hurst指数的结果一致.曲线越倾斜持续性越强，其中年均气温V统计量倾斜率最大，持续性最强，气温持续性表现为冬季>春季>夏季，这也与Hurst指数特征一致.在图3A中，第1个拐点是在lnn=1.791,对应的时间长度n=e1.791≈6，即春季气温的时间序列平均循环长度为6 a，说明过去对未来的有效影响时间可达6 a，超过6 a持续性将逐渐消失.同理可得，夏季、秋季、冬季气温和年均气温的时间序列的循环周期分别为5、8、8、11 a.表明年均气温时间序列的平均循环时间最长；夏季最短，即持续性越强，过去趋势对未来的影响时间长度也就越长.

A.春季；B.秋季；C.夏季；D.冬季；E.年际.图3 龙岩市季节和年际气温V-lnn变化曲线Fig.3 V-lnn curve based on seasonal and annual temperature in Longyan city

图4结果显示，春季、夏季、秋季降水量V统计量呈增加趋势(H>0.5)，冬季和年降水量呈减少趋势(H<0.5).说明未来春季和夏季的降水量持续递增；秋季降水量持续递减，持续性较强；冬季降水量和年降水量反持续递减，反持续性较弱.平均循环长度年降水量为5 a，春季、夏季、秋季、冬季分别为8、14、8、7 a.与气温相比，降水量总体上过去对未来的影响时间较长.

A.春季；B.秋季；C.夏季；D.冬季；E.年际.图4 龙岩市季节和年际降水量V-lnn变化曲线Fig.4 V-lnn curve based on seasonal and annual precipitation in Longyan city

4 小结

本文应用线性回归、R/S法对龙岩市1960—2013年气温和降水量的过去和未来的变化趋势进行分析，得到以下结论：

(1)龙岩市四季和年均气温整体上呈上升趋势，其中秋季和年均气温呈显著上升趋势；秋季降水量呈减少趋势，春季、夏季、冬季和年降水量呈增长趋势.

(2)龙岩市四季和年气温H>0.5，未来四季和年均气温将呈上升趋势，四季和年均气温平均循环长度分别为6、5、8、8、11 a.

(3)龙岩市春季、夏季、秋季降水量H>0.5，冬季降水量和年降水量H<0.5，未来春季、夏季降水量持续递增，秋季降水量持续递减，冬季和年降水量反持续递减.四季和年降水量均循环长度分别为8、14、8、7、5 a.

(4)年均气温持续性最强，但在降水量上年降水量反持续性最弱.说明龙岩市未来气温变化趋势与过去气温有很强的相关性；降水量未来变化趋势与过去的相关性不大；且气温增长的持续性在一定程度上抑制了降水量的减少，持续性越强，抑制力越强.

[1] 郭建平.气候变化对中国农业生产的影响研究进展[J].应用气象学报,2015,26(1):1-11.

[2] 李双芳.龙岩市主要农产品市场竞争力研究[D].福州:福建农林大学,2012.

[3] 袁永亮.龙岩市林业新兴产业发展与对策[J].闽西职业技术学院学报,2011,13(1):10-13.

[4] 刘传奇.福建省九地市林业竞争力比较研究[D].福州:福建农林大学,2010.

[5] 童以长,吴荣娟.龙岩烟草气象防灾体系的现状及对策[J].闽西职业技术学院学报,2006,8(4):7-8.

[6] 邱赠东,张治洋,吴荣娟.闽西寒潮的气候特征及农业灾害防御[J].闽西职业技术学院学报,2007,9(2):12-14.

[7] 王法健,胡思明,崔大伟.洪涝灾害对龙岩市农业生产的影响与对策[J].安徽农学通报(下半月刊),2011,17(16):155-197.

[8] 胡思明,王法健,郑秀兰.干旱对龙岩市春播作物的影响及防御措施[J].现代农业科技,2011(19):311-322.

[9] 江帆,卢芸芸,张红梅.2014年5月龙岩市一次暴雨过程诊断分析[J].水利科技,2014,36(3):13-16.

[10] 熊安元.中国地面和高空气候变化数据产品研发技术[M].北京:气象出版社,2015.

[11] 赵嘉阳,郭福涛,梁慧玲,等.福建长汀红壤区1965—2013年气温和降水量的变化趋势[J].福建农林大学学报(自然科学版),2016,45(1):77-83.

[12] 吴拥政.重标极差法及其应用[J].统计与决策,2004,20(8):23-24.

[13] 李洪良,邵孝侯,黄鑫.应用重标极差法预测农业气候干旱[J].人民黄河,2007,29(3):46-47.

[14] 徐浩杰,杨太保.柴达木盆地植被生长时空变化特征及其对气候要素的响应[J].自然资源学报,2014,29(3):398-409.

[15] 陈春晖,李正辉.重标极差法在上海股票市场有效性分析中的应用[J].统计与决策,2005,21(8):140-143.

[16] 李国栋,张俊华,王乃昂,等.基于重标极差分析和非周期循环分析的气候变化趋势预测——以兰州市为例[J].干旱区研究,2013,30(2):299-307.

(责任编辑:叶济蓉)

Changes in temperature and precipitation of Longyan city during 1960-2013 and future prediction

ZHAO Jiayang1, GUO Futao2, WANG Wenhui2, QIU Yonghang1, JIN Quanfeng2, LIN Yurui1

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

Linear regression and rescaled range analysis were used to analyze changes in temperature and precipitation of Longyan during 1960-2013. The result showed increases in seasonal and annual temperature. Linear trend for annual temperature was 0.014 ℃·a-1, indicating a continuous increase in the future. Average cycle durations for 4 seasons and annual temperature were 6， 5，8，8 and 11 a respectively. Linear trend for annual precipitation was 0.877 mm·a-1. Precipitation in spring and summer continuously increased but decrease in autumn. While winter and annual precipitation increase, which was contrary to the past. Average cycle durations for annual and 4 seasons temperature were 8, 14, 8, 7 and 5 a respectively. The decreased precipitation was attributed to increased air temperature.

air temperature; precipitation; linear regression; rescaled range analysis

2016-04-27

2016-06-15

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)；保险精算实验室资助项目(118310010)；基于信息技术的复合型创新人才培养平台建设项目(117-612014047).

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：应用数学.Email：yrlin@fafu.edu.cn.

P40

A

1671-5470(2017)01-0095-08

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.01.015