榆林市1951—2012年气温变化特征

榆林市1951—2012年气温变化特征

胡亚飞1，包 光1,2，王红桃1

1.陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，宝鸡文理学院 地理与环境学院，宝鸡 721013

2.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安710061

榆林位于我国北方农牧交错带中部，生态环境脆弱，是全球变化响应的敏感地区。基于榆林市气象站1951 — 2012年历年逐日气温数据，运用线性回归分析、滑动平均、小波分析和M-K非参数检验的方法分析了该地区气温变化的特征和突变现象。结果表明：榆林市1951 — 2012年平均气温有增温趋势，线性倾向率为0.27℃·(10a)-1。四季均在增温，其线性倾向率分别为0.26℃·(10a)-1、0.07℃·(10a)-1、0.21℃·(10a)-1、0.56℃·(10a)-1，冬季增温最为明显，增加了2.8℃。年平均气温存在准3 — 7 a和25 —28 a的周期变化，并在1994年前后发生突变。春季、秋季、冬季平均气温与年平均气温一致，增温趋势明显，而夏季相对较晚。

气温；小波分析；突变分析；榆林市

工业革命以来，随着城市化、工业化的快速发展，加之人类的不合理活动，促使气候变化尤其是气温变化受到广泛关注。IPCC第五次评估报告（AR5）指出：1880 — 2012年全球平均地表温度升高了0.85℃（IPCC，2013） 。许多学者对我国近百年的气温做了研究，西北地区年和季节均有增温趋势，20世纪80年代到20世纪90年代为增暖期，主要表现在冬季较为明显（任国玉等，2005；王劲松等，2008；晏利斌，2015）。而气候变化也随之产生了一些生态和环境问题，如水土流失，沙漠化严重等。榆林市位于中国西北农牧交错带中部，生态环境脆弱，也是全球变化响应的敏感地区。气温作为气候要素重要的影响因子，对气候波动、生态变化和农业生产有着非常重要的影响（王遵娅等，2004）。目前对榆林地区气候学术论文较多，但大多集中在区域水资源和旱、涝灾害分析等方面，对榆林市气候的研究大都截止在20世纪末，对近十几年的气温变化研究不足（李琰等，2011；方兰和延军平，2012；杨强等，2012）。王晓冬和延军平（2002）分析了陕甘宁老区近30年气候变化，发现榆林地区有显著的变暖趋势。本文选取1951 — 2012年的日平均气温数据，系统地分析榆林市近60年来气温的变化趋势，以期对该地区未来气温变化趋势的预测和生态环境的响应有深刻的认识。

1 研究区概况与数据来源

1.1 研究区概况

榆林市位于陕西省的最北部，黄土高原和毛乌素沙地交界处，是黄土高原与内蒙古高原的过渡区。地理坐标：北纬36°57′ — 39°35′，东经107°28′ — 111°15′。属于典型的温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温为8.23℃，气温四季明显，春温大于秋温，春季升温快而不稳定，秋季降温迅速，冬季受北方冷气团控制气温低、气压高、天气晴朗。

1.2 资料与方法

选用榆林市气象局提供的榆林气象站1951 — 2012年逐日地面气温的观测资料。文中季节的划分采用通用的气象标准：以3 — 5月为春季，6 — 8月为夏季，9 — 11月为秋季，12月 — 次年的2月为冬季。

本文利用一元线性回归分析方法和5 a滑动平均法对榆林市1951 — 2012年间年（季及单月）平均气温进行了趋势分析，并采用复值Morlet小波分析（魏凤英，2007）对气温的周期进行了研究。最后采用Mann-Kendall非参数检验法对气温进行了突变分析（显著性水平取α = 0.05）（王体健和万静，2008）。

2 结果与分析

2.1 气温的年代际变化及距平分析

由图1和图2可知，从20世纪50年代中期至20世纪90年代中期，多数年份的年平均气温在平均值以下。但是在20世纪90年代后期却呈逐渐上升趋势，1951 — 2012年平均气温为8.23℃，其中1956年平均气温最低5.88℃，而2006年平均气温最高10.35℃。总体来说榆林市1951 — 2012年平均气温增温比较明显。

图1 榆林市1951 — 2012年平均气温趋势Fig.1 Variation of annual mean temperature in Yulin during 1951 — 2012

图2 年平均气温距平图Fig.2 Changes of temperature anomaly

（1）当年份与年平均气温的线性相关系数通过α = 0.05的显著性检验，一元线性回归y = 0.02691x - 44.943有意义，回归系数大于0，则说明榆林市气温整体呈上升趋势，线性倾向率为0.27℃·(10a)-1。

（2）5 a滑动平均曲线反映年平均气温的多年尺度变化，图1结果显示：从20世纪50年代到20世纪80年代气温变化波动比较平稳，处于相对稳定时期；而从20世纪90年代开始气温显著上升，近20年来气温平均升高0.89℃，上升幅度0.49℃·(10a)-1。

（3）表1和图2表明：20世纪60年代、20世纪70年代、20世纪80年代的平均气温非常接近（7.9℃），比近60年的平均气温低0.33℃，出现负距平；但是自20世纪90年代后期，气温距平值呈现上升趋势。其中21世纪初期增加最为明显，约增加1.22℃；其中1956年是近60年来最冷的一年，平均气温为5.88℃，比常年平均气温低了2.35℃，2006年为最暖的一年，平均气温为10.35℃。

2.2 各季节平均气温的分析

由表1可知，榆林市近60年各个季节多年平均气温分别为10.12℃、22.20℃、8.44℃、-6.99℃，各季平均气温的变化趋势见图3 a — d，从中看出，榆林市四季的气温呈现上升趋势，但是不同季节平均气温变化与气温倾向率均不相同。四季平均气温线性趋势拟合冬季最好（R2= 0.336），春季次之（R2= 0.25），均通过95%的置信度检验，秋季年份与平均气温的线性相关系数通过了α = 0.05的显著性检验，回归方程有意义。夏季线性相关不明显，则不具有研究价值。近60年，以冬季增温最为明显（0.556℃·(10a)-1），其次为春季（0.257℃·(10a)-1），秋季（0.205℃·(10a)-1），夏季增温幅度最小（0.07℃·(10a)-1）。由表1可知，20世纪90年代起季节平均气温均高于多年均值。2000 — 2009年冬季平均气温为-4.75℃，比常年均值要高2.24℃，处于一个暖冬时期；2004年春季平均气温高达11.8℃，比常年偏高1.68℃，是近60年来春季最暖的一年。

表1 气温的年代变化（单位：℃）Tab.1 Decadal change of temperature (unit: ℃)

以上这些变化说明，近60年榆林市春、秋、冬季增温大于年增温，这是由于不同季节气温变化不同所导致。榆林市暖冬的趋势越来越明显，且冬季增温趋势仍在上升，与全球气候变暖明显加速的结论一致。

2.3 最冷月（1月）、最热月（7月）的平均气温分析

近60年来，榆林市1月平均气温为-9.38℃，其中最高气温为-4℃（2002年）、最低气温为-14.38℃（1993年），相差10.4℃；7月平均气温为23.47℃，最高为25.92℃、最低为21.25℃，相差4.67℃。图4为榆林市1951 — 2012年1月和7月平均气温变化趋势图，1月平均气温呈现上升趋势，气温倾向率为0.33℃·(10a)-1，小于冬季升温率（0.556℃·(10a)-1），近60年来约上升了1.5℃。从5年滑动平均曲线可以看出，图4b和图3c中7月平均气温变化趋势和历年夏季平均气温变化趋势相似。

表2反映了1月和7月气温年代际变化特征。1月份平均气温总体上呈现逐年上升趋势，尤其是在20世纪80年代以来，逐年代1月平均气温均高于历年1月平均气温，最低气温呈现“降 — 升 — 降”的趋势，其中2000 — 2009年的平均最低气温为-4℃，是近60年来1月各年代的最高平均气温，比历年平均气温高了5.38℃；从上文可知7月各年代平均气温的变化趋势和夏季趋同，随着全球气温进入暖干时期，20世纪80年代为气温的转折点（袁新田，2015），平均气温先降低后升高，由20世纪50年代的25.92℃降到20世纪80年代的23.54℃，再上升到21世纪初的25.71℃，其中20世纪50年代最高气温为各年代最大，比7月常年平均气温高2.45℃。结合图4和表2中的标准差，可以看出夏季7月份气温变化比较大，而1月份气温相对稳定。

2.4 年平气温的小波分析

本文中用到的气温数据均为实测有限时间序列，因此，序列两端可能会出现“边界效应”（吴国曾，2010）。为了消除或减少这种效应，需对两端数据进行延伸。文中采用Matlab R2013a小波工具箱中的信号延伸功能，对年平均气温距平两端进行对称性扩展，在进行完小波变换后，去掉两端延伸的数据，保留原数据序列时段内的小波系数。

图3 1951 — 2012年榆林市平均气温季节变化趋势Fig.3 Seasonal variation trend of mean temperature in Yulin during 1951 — 2012

图4 榆林市1951 — 2012年1月（a）和7月（b）平均气温变化趋势Fig.4 Variations of mean temperature of January (a) and July (b) in Yulin during 1951 — 2012

表2 榆林市1951—2012年1月和7月平均气温、最低及最高气温年代变化、标准差Tab.2 January and July average temperature, minimum and maximum temperature change and standard deviation in Yulin during 1951—2012

由图5可以看出榆林市气温变化存在多时间尺度特征（卢爱刚和王瑛，2012），总体上，气温变化存在3 — 7 a和25 — 29 a 2个尺度的周期变化。其中25 — 29 a尺度上出现了2次高 — 低气温交替变换，同时，可以看出25 — 29 a尺度周期变化范围大致为20世纪60年代到20世纪90年代；而在3 — 7 a尺度上存在准12次的震荡，并且3 — 7 a尺度周期变化相对比较稳定。

小波方差能反映出信号波动的能量随尺度年份的分布（卢爱刚和王瑛，2012）。图6年平均气温的小波方差图存在4个较为明显的波峰，分别对应6 a、12 a、18 a和28 a的时间尺度。其中，最大峰值为28 a的时间尺度，说明28 a左右周期震荡强烈，对小波方差贡献大，为榆林市平均气温变化的第1主周期；而第4峰值为6 a的时间尺度，其能量震荡较弱，对小波方差贡献小。从而说明了以上4个周期的波动控制着榆林市年平均气温在63年时间段的主要变化特征。

图5 Morlet小波变换系数实部等值线图Fig.5 Contour map of the real part of Morlet wavelet transform coeffi cients

图6 年平均气温距平序列小波方差Fig.6 Annual mean temperature anomaly sequence wavelet variance

2.5 气温变化的突变性分析

2.5.1 年平均气温的突变分析

采用Mann-Kendall检验方法绘制了榆林市年平均气温时间序列的M-K统计量曲线显著性水平α = 0.05（上下限临界值Z = ±1.96）（图7）。当UF值大于0时，该序列呈现上升趋势。当UF值小于0时，该序列呈现下降趋势；而通过计算得出Z = 4.92＞2.56＞1.96，也表明榆林市气温呈现显著上升的趋势。由Mann-Kendall的突变分析方法可知：若UF和UB两曲线出现交点，且交点在上下限临界值之间，则该点对应的时间就是突变开始的时间（张涵丹等，2015）。

从图7可知，榆林市气温从1994年开始发生突变（通过了显著性水平α = 0.05的检验），1951 — 1994年平均气温为7.81℃，而1994 — 2012年平均气温为9.19℃，相差1.38℃。此后，气温出现了明显的递增趋势。1994年之前UF曲线呈现波动，没有显著的上升和下降趋势，但从1994年之后呈现上升趋势，2000 — 2012年升温超过了显著性水平界限α = 0.05，甚至超过了显著性水平界限α = 0.01（±2.56），更进一步说明了榆林市年平均气温显著上升。

2.5.2 各季节平均气温的突变分析

由图8可知，榆林市春季UF值从2000年开始大于1.96，说明榆林市春季气温在2000年后显著上升；UF线和UB线在1994年相交，交点在±1.96的置信区间内，则2000年榆林市春季气温突变上升。夏季UF线和UB线在2011年相交于置信区间内，说明榆林市夏季气温出现突变上升。秋季UF值从2000年开始大于0，2005年开始大于1.96，说明榆林市秋季气温在2005年后显著上升；UF线和UB线在20世纪90年代末相交于置信区间内，说明20世纪90年代末榆林市秋季气温出现突变，且突变点为1999年。冬季UF值从1987年开始大于0，1997年开始大于1.96，说明近20年榆林市冬季变暖趋势明显；UF线和UB线相交于置信区间内，突变点为1990年，说明榆林市冬季变暖的突变从1990年开始。春季、秋季、冬季平均气温与年平均气温突变均发生在20世纪90年代，但是夏季平均气温上升的突变点比年平均气温突变要晚7年。

图7 榆林市年平均气温的Mann-Kendall检测曲线Fig.7 Mann-Kendall statistical analysis curve of the annual mean temperature in Yulin during 1952 — 2012

图8 榆林市各季节平均气温的Mann-Kendall检测曲线Fig.8 Mann-Kendall statistical analysis curve of the seasonal mean temperature in Yulin during 1951 — 2012

2.5.3 最冷月和最暖月平均气温的突变分析

从榆林市最冷月（1月）和最暖月（7月）平均气温的Mann-Kendall检测曲线（图9）可以看出，最冷月UF值从1980年开始大于0，从2000年开始大于1.96，说明榆林市最冷月平均气温从2000年开始明显上升；UF线和UB线 1986年相交于置信区间内，说明榆林市最冷月平均气温从1986年开始突变上升。最暖月UF值从1998年开始大于0，说明榆林市从21世纪初开始增温；UF线和UB线1994年相交于置信区间内，说明榆林市最暖月平均气温从1994年开始突变上升。

图9 榆林市最冷月（1月）和最暖月（7月）平均气温的Mann-Kendall检测曲线Fig.9 Mann-Kendall statistical analysis curve of January and July in Yulin during 1952 — 2012

3 讨论与结论

由于榆林市所处的地理位置，易发生干旱，生态环境脆弱。在城市化、工业化和经济发展迅速的人口密集区，气候变化将增加对自然资源和环境的压力（秦大河等，2007）。总的来说，从图1中可以看出，从21世纪初开始，在未来榆林市气温维持温度偏高的基础上呈下降趋势。气温除了受大气环流、厄尔尼诺和拉尼娜（李黎黎和赵景波，2012）等自然因素的影响之外，同时也存在人为因素的影响，但后者研究较少。因此，对榆林市气温特征变化的分析，不仅为该地区农牧业的发展提供了理论基础，也对科学认识毛乌素沙漠及其周边地区的环境变化、荒漠化和气候演变等提供了理论依据。

在全球变暖背景下，通过对榆林市近60年气温变化的分析，可初步得出以下结论：

（1）榆林市年平均气温增温趋势较明显，气温倾向率为0.27℃·(10a)-1。以1990年为界，后期增温显著，其中2000 — 2009年气温升幅最大，比多年平均气温增加1.22℃。

（2）四季平均气温变化均呈上升趋势，但表现不同步，尤以冬季最为显著。冬、春、秋三季平均气温倾向率分别为0.556℃·(10a)-1、 0.257℃·(10a)-1、0.205℃·(10a)-1。其中冬季和春季在20世纪90年代后期升温较明显，而夏季则以20世纪80年代为转折点，平均气温先降低再升高。

（3）1月平均气温呈现上升趋势，气温倾向率为0.33℃·(10a)-1，小于冬季升温率（0.556℃·(10a)-1），在20世纪80年代以来，逐年代1月平均气温均高于历年1月平均气温，最低气温呈现“降 — 升 — 降”的趋势。7月平均气温变化趋势和历年夏季平均气温变化趋势相似，呈现“降 — 升 — 降”的变化。

（4）榆林市年平均气温存在准3 — 7 a和25 — 28 a的周期变化，其中25 — 28 a为主周期；而在3 — 7 a尺度上存在准12次的震荡，并且3 — 7 a尺度周期变化相对比较稳定。

（5）Mann-Kendall检验显示，榆林市1951 — 2012年平均气温在1994年左右发生突变，且此后气温上升明显。春季、秋季、冬季平均气温与年平均气温一致，增温趋势明显，但是夏季相对较晚；冬季对气候变暖响应最为敏感，夏季对气候变暖响应较缓慢。

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Analysis on air temperature variation trend in Yulin from 1951 to 2012

HU Yafei1, BAO Guang1,2, WANG Hongtao1
1. Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulation, School of Geography and Environment, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721013, China
2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710061, China

Background, aim, and scope Yulin is located in the middle of the patterns in northern China, with a fragile ecological environment, is a sensitive area of global change responses. Materials and methods Based on meteorological stations in Yulin, 1951 — 2012 calendar year daily air temperature data, using linear regression analysis, moving average, wavelet analysis, and Mann-Kendall to analyze the characteristics of temperature changes in the region and mutation phenomena. Results The results show that the average temperature was increasing during 1951 — 2012, and the linear tendency rate was 0.27℃·(10a)-1. The annual average temperature has revealed the 3 to 7 and 25 to 28 quasi-periodic variation in the past 60 years, and the abrupt change has occurred in 1994. In temperature, the four seasons in linear trend rate were 0.26℃·(10a)-1,0.07℃·(10a)-1, 0.21℃·(10a)-1, 0.56℃·(10a)-1. Spring, autumn, winter mean temperature and annual average temperature, warming trend is obvious, but relatively late in summer. Discussion Due to the geographical position of Yulin, prone to drought, fragile ecological environment, in addition to the temperature affected by the atmospheric circulation, El Niño and La Niña and other natural factors, but also the existence of manmade factors. Conclusions In general, from the beginning of twenty-first century, a downward trend in the basis of temperature in the city of Yulin will maintain the high temperature, The annual average temperature has revealed the 3 to 7 and 25 to 28 quasi-periodic variation, and the abrupt change has occurred in 1994. The four seasons are in increasing temperature, the most obvious increase in winter temperature, increase of 2.8℃. Recommendations and perspectives Analysis on the characteristics of temperature variation in Yulin, not only provides a theoretical basis for the development of agriculture and animal husbandry industry in the region, provide a theoretical basis for understanding the Maowusu Desert and its surrounding areas of environmental change, desertifi cation and climate change science. In order to have a deep understanding of the forecast of the future temperature change and the response of the ecological environment in the region.

temperature; wavelet analysis; abrupt change; Yulin

BAO guang, E-mail: baoguang23@163.com

2016-10-28；录用日期：2016-12-24

Received Date: 2016-10-28; Accepted Date: 2016-12-24

陕西省青年科技新星计划项目（2016KJXX-41）；陕西省自然科学基础研究计划项目（2014JQ5192）；国家自然科学基金项目（41301101）；黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金项目（SKLLQG1505，SKLLQG1302）

Foundation Item: Young Scientist Project of Shaanxi Province (2016KJXX-41); Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China (2014JQ5192); National Natural Science Foundation of China (41301101); Project of State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology (SKLLQG1505, SKLLQG1302)

包 光，E-mail: baoguang23@163.com

胡亚飞，包 光，王红桃, 等. 2017. 榆林市1951—2012年气温变化特征[J]. 地球环境学报, 8(2): 127 – 136.

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