菏泽多时间尺度气温变化特征及其突变性*

陈 楠

(山东省菏泽市气象局，菏泽 274000)

0 引言

全球气候变暖已经成为一个不争的事实，全球气候系统正经历着一次以气候变暖为主要特征的变化。在过去100年的时间里，全球温度升高了0.56～0.92℃，近50年变暖尤为明显[1]。在全球气候变暖的总体趋势下，其气候有渐变和突变的特点。近年来，一些专家和学者曾对全球及全国近100年的气温变化趋势作过深入的探讨，从宏观角度分析了气温的增暖趋势及时空变化特征[2]，但大多数是针对区域性比较大的范围进行的分析，而对某一点的气温变化趋势的分析还不太多，因此，文章选取菏泽作为研究对象。

目前，国内外的许多专家和学者分析了气温的变化趋势。如王劲松等[3]分析了近50 年来西北地区气温变化的特征，得出西北地区的年和四季均表现出较为明显的增温趋势。丁一汇等[4]研究发现我国的增温趋势与北半球的增温大致相似，气候变暖主要出现在华北、东北和西北西部地区。郭志梅等[5]分析发现中国北方地区近50年来平均气温、日最高气温和日最低气温的增温态势十分明显。韩翠华等[6]以中国623个测站1951～2010年逐日气温观测资料为基础数据，增暖趋势在1961～1990年开始出现，而其他区域则发生在1971～2000年及1981～2010年。翟献帅等[7]研究表明，东北地区30年年均气温呈上升的趋势。Prieto等[8]的研究表明西班牙半岛的冬季低温事件呈减少趋势。窦坤等[9]分析了近53年菏泽0cm地温的变化特征，近53年来，菏泽年平均地面温度呈极显著上升趋势，平均每10年升高0.22 ℃。

菏泽属于温带大陆性季风气候，四季分明，地处华北平原的南部，位于黄河南岸，当地主要粮食作物是小麦和玉米。该文通过分析菏泽多时间尺度气温的变化特征及其突变性，对菏泽气温的中长期气候预测及应对气候变化具有重要意义，同时也为合理配置和布局生态环境及政府指导农业生产提供科技支撑和理论支持。

1 资料与方法

菏泽市有9个国家级气象观测站，菏泽站位于菏泽市的中心位置，属国家一般气象站，气象资料比较具有代表性。该文利用1971～2010年菏泽地面气象观测站提供的逐日气温资料，对从年际、年代及季节等多时间尺度，研究了气温的变化特征。运用一元一次线性回归法、累计距平法、变异系数法、M-K检验法等方法进行了分析[10]。

该文的季节划分采用气候学的划分标准即3～5月为春季， 6～8月为夏季， 9～11月为秋季， 12月至次年2月为冬季。

1.1 一元线性拟合方程

假设：yt=a+bx(t=1， 2， 3， 4…n)

(1)

式(1)表示用一条直线表示y和时间x之间的关系。a为回归常数；b为回归系数，b表示气温的气候倾向率，b>0 说明y呈上升趋势，b<0 说明y呈下降趋势，b的大小表明气温增加或减少的变化速率， 10b定义为气温10年的倾向率，倾向率的大小表明气温变化速率的大小。

1.2 累积距平法

计算距平用的平均值是以1971～2010年40年的气温平均值为气候平均值。累积距平是一种用曲线来判断气温变化趋势的方法。对于序列X，其某一时刻t的累积距平可表示为：

(2)

根据式(2)求出每一年的累积距平值，即可绘制气温的累积距平曲线，对气温的变化趋势进行分析，当曲线上升时，表明气温处在偏高阶段，当曲线为下降趋势，则表明气温处在偏低阶段。

1.3 变异系数法

采用变异系数30年滑动平均方法，可以分析出1971～2010年菏泽各时段气温变异情况，变异系数的计算公式：

(3)

1.4 相关系数

在进行显著性的检验时，给定显著性水平α，若|r|>rα，表明各气象要素的变化是显著的，否则是不显著的。

在分析气温变化与年代之间的关系时，采用相关分析方法，所用相关系数计算见式(4)。

(4)

1.5 Mann-Kendall检验法

为了解菏泽气温变化特征，采用M-K法(即Mann-Kendall非参数检验法)进行突变检验，用该方法来确定气温突变开始的时间。

Mann-Kendall法具体计算方法为[11]：对具有n个样本量的时间序列x，构造一秩序列Sk，见式(5)。

(5)

(6)

由式(5)和(6)可知，第i时刻的数值大于j时刻的数值个数的累计数为秩序列Sk。在时间序列随机独立假设的条件下，定义统计量UFk，见式(7)。

(7)

由式(7)可知：UF1=0;E(Sk)表示累计数Sk的均值；VAR(Sk)表示累计数Sk的方差。所有的UBk组成的1条曲线UB，依据同样的方法可以用到反序列中，得到另一条曲线UF。在UF和UB曲线图当中，当序列呈下降的趋势时，则UF或UB的值小于0，； 当表明序列呈上升的趋势时，则UF或UB的值大于0。当UF和UB超过临界线时，表明序列上升或下降趋势显著。当UF和UB两条曲线出现交点时，且交点在两条临界线之间，那么交点对应的时间就是突变开始的时间。当交点出现在临界线以外时，那么就应当结合其他的检验方法来进一步确定该时间点是否发生突变。

2 结果与分析

2.1 年平均气温变化特征分析

2.1.1 年平均气温的基本气候特征

菏泽的年平均气温为14.1℃， 1月、4月、7月、10月的月平均气温分别为-0.64℃、14.9℃、26.5℃、15℃，这表明菏泽4季分明。年平均气温的标准差夏季最小，冬季最大，春秋季居中(表1)。

表1 1971～2010年菏泽季度平均气温、年平均气温

℃

2.1.2 年平均气温主要特征分析

通过对菏泽40年来的年平均气温分析来看，由图1a可以看出，近40年来，菏泽年平均气温呈明显的上升趋势，并以0.36℃/10年的气候倾向率增加，高于中国年平均气温的增加速率(0.22℃/10年)。在1971～2010年间，年平均气温最高为15.3℃(出现在2006年)， 1984年平均气温最低为13.1℃，极差为2.2℃。经检验，菏泽近40年年平均气温与年序之间的相关系数R，通过了信度为α=0.001的显著性检验，则说明年平均气温增加趋势极其显著。

以零距平为界，正距平称之为暖期，反之为冷期。通过分析六阶多项式拟合线可以看出，近40年来菏泽的年平均气温经历了两次显著的波动，即1971～1993年气温以负距平为主，持续时间达23年，是相对较冷的时期，平均偏低0.15℃， 1984年是建站以来最冷的时期，其中有7年是正距平，温度偏高幅度小。1994～2010年气温以正距平为主，维持了17年，平均偏高0.7℃，增温幅度比较明显，属偏暖阶段，其中有2年是负距平，分别出现在1996年、2003年(图1b)。

图1 1971～2010年菏泽年平均气温变化趋势(a)、年平均气温距平变化(b)

表2 近40年菏泽与全国年平均气温变化速率对比 ℃/10年

表3 菏泽气温变异系数 %

2.2 季平均气温的变化

图2为菏泽的四季气温变化曲线。从图2可以看出，近40年来菏泽四季和全年的平均气温都呈上升的趋势，这是对全球气候变暖的响应。40年来冬季的平均气温上升趋势最为明显，线性速率为0.54℃/10年，通过了信度为α=0.001的显著性水平检验，是夏季上升幅度的3倍，是年趋势的2倍，是气候变暖最突出的时段。春季的年升温幅度仅次于冬季，气候倾向率为0.41℃/10年，通过了信度为α=0.001的显著性水平检验。秋季平均气温的气候倾向率为0.28℃/10年，通过了0.01的信度检验。夏季平均气温的变化趋势也不明显，线性增暖率为0.17℃/10年，通过了0.05的显著性水平检验。从图2中看出,春季、秋季、冬季气温在20世纪90年代以前年际变化以波动为主，各年代年均气温变化并不大，主要升温体现在20世纪90年代以后，而夏季气温则在20世纪50年代末到20世纪60年代升温较明显，其后变化不大。这表明，菏泽气温的变化并不是以逐渐升温来表现，而是具有突变的特征，其中春季和冬季变暖最为显著，其次是秋季，夏季则升温不明显。

从表2可以看出，菏泽的春季、夏季、秋季和冬季，均高于全国同期的增温率，表明菏泽的增暖趋势与全球增暖一致，且增暖幅度明显。菏泽的气候变暖中，冬季增温幅度最为明显，增温速率比全国平均高0.15℃/10年。夏季的增温幅度最小，增温速率比全国平均高0.02℃/10年。

2.3 气温离散度分析

变异系数是衡量资料中各观测值变异程度的一个统计量，可以客观地衡量一个气象要素在时间序列上的离散程度，表3是1971年以来，菏泽的春、夏、秋、冬与全年气温的30年滑动平均变异系数[12]。

从表3可以看出，菏泽夏季气温变异系数最小，冬季气温变异系数最大，春季和秋季气温变异系数居中。说明菏泽年夏季平均气温年际间波幅较小，夏季气温较为稳定； 冬季平均气温年际间波幅较大，气温不稳定，出现冷冬和暖冬的可能性较大； 同时也说明春、秋季气温多变，春、秋季节气温不稳定。就四季和全年平均气温变异系数的变化而言，四季的变异系数均呈增加趋势。

图2 1971～2010年菏泽四季平均气温的变化趋势

图3 1971～2010年菏泽年最高、最低气温变化趋势

2.4 年最高、最低气温变化

菏泽的年最高气温在35.3℃(1991年)～41.1℃(2009年)之间(图3)，多出现在6月、7月、8月。最高气温以平均每10年升高0.13℃的速率增加，未通过信度检验，故最高气温(白天气温)近40年来的变化趋势不显著。春季、秋季及冬季的最高气温均未通过信度检验，即变化不显著，最高气温的变化幅度为秋季最大。20世纪以前的30年里大于40℃的年极值仅出现过1次， 21世纪的前10年里大于40℃的年极值出现了4次，极端最高气温频现，表明进入21世纪后菏泽极端高温天气有所增加。

菏泽的年最低气温在-16.5℃(1990年)～-6.5℃(2007年)之间(图3)，多出现在1月和12月。最低气温以0.59℃/10年趋势缓慢升高，通过了信度为α=0.05的显著性检验，表明菏泽的最低气温(夜间气温)有较强的增温趋势，其增温趋势大于白天的增温趋势，温度日较差减小，气温日变化幅度缩小，气候在变暖的同时也变得温和。其中春季、秋季及冬季气温的最低气温均通过了信度为α=0.01的显著性检验，最低气温的升高趋势达到极显著水平。最低气温则属冬季变化最大，其次为春季。

2.5 高、低温日数分析

以日最高气温≥35℃，为高温天气； 日最低气温≤-10℃，为低温天气。统计出1971～2010年菏泽的高温日数为419d，低温日数为111d。高温日数一般出现在6月和7月，偶尔出现在8月； 低温日数一般出现在1月和12月。由图4可知，菏泽的年高温日数呈增加的趋势，平均每10年分别增加1.09d，未通过信度检验。由6阶多项式拟合曲线可以看出，高温日数经历了3次显著的波动，分别出现20世纪80年代以前、20世纪80年代至90年代初期、 21世纪之后[20]。

菏泽的低温日数以0.8℃/10年呈减少趋势。在近40年来菏泽年极端最高气温高于40℃的年份有4年，高温日数多的年份集中在2000～2010年，高温日数为148 d。极端最低气温低于-15℃的年份有1年，出现在1971年。极端温度日数总体上呈增加的趋势，极端温度中的高温趋高、低温趋高。

图4 1971～2010年菏泽高、低温日数变化趋势

图5 菏泽平均气温的Mann-Kendall检验

2.6 菏泽气温的突变性检验

该文主要通过Mann-Kendall检验法，对菏泽的年平均气温，最高、最低气温进行突变性检验。

2.6.1 年平均气温的突变性检验

对近40年菏泽的年平均气温进行突变性检验，通过分析，绘制出正向的序列UF、反向的序列UB曲线图，可计算出临界值为1.96。由图5可知，从菏泽年平均气温的M-K突变检测中UF和UB曲线的交点位置确定，且交点在置信区间内，因此确定菏泽的平均气温20世纪90年代发生了突变，其突变年份是从1993开始的。1971～1987年平均气温较低，平均气温为13.7℃，属于偏冷阶段， 1987年后平均气温升高，平均气温为14.0℃，且超过0.05显著水平线，气温上升趋势显著，则表明从1987年开始一直存在增温的趋势。UF曲线从1999年开始超过了0.001显著性水平(∣U0.001∣=2.93)的临界值，表明升温趋势达到了极显著，因此菏泽的平均气温有明显的增暖趋势，且平均气温增暖前后两时段年平均气温差值为0.9℃。

2.6.2 年最高、最低气温的突变性检验

通过分析1971～2010年菏泽年最高、最低气温的M-K突变检验曲线(图6)。年最高气温在临界值[-1.96， 1.96]之间有4个交点，分别是1973年、1974年、1979年、2008年。但只有在1979年相交后UB超过了临界值1.96，因此可以认为年最高气温发生了1次突变，即1979年为突变点。

年最低气温在临界值[-1.96， 1.96]之间有多个交点，但是只有1982年相交后UF超过临界值，因此认定在年最低气温发生了1次突变，即1982年为突变点。

图6 菏泽最高、最低气温的Mann-Kendall检验

2.7 菏泽气温变化可能的原因

近40年来菏泽的气温呈明显的上升趋势，其主要原因是由人类活动和自然变化引起的。二氧化碳等温室气体的增加是导致气温升高的主要原因。人口剧增、大气环境污染、城市化进程的加快也是气温变化的主要因素。菏泽气温的显著上升与全国大部分地区的升温是一致的，这种上升与大气环流的变化和调整具有直接的关系，许多研究表明[13]，自20世纪80年代中后期以来， 500hPa中纬度纬向环流偏强，经向环流偏弱，而副热带高压自70年代末80年代初即进入持续偏强期，这种环流特征使南下冷空气偏少、偏弱，从而导致我国大部分地区气温偏高。

3 结论与讨论

(1)1971～2010年菏泽的年平均气温呈明显的上升趋势，线性增暖率为0.36℃/10年，高于中国年平均气温的增加速率(0.22℃/10年)。气温的变化具有阶段性， 20世纪80年代以前气温偏低， 90年代以后气温偏高(其中1994年为气温突变点)。

(2)1971～2010年菏泽四季的年平均气温均呈显著上升的趋势，其中冬季升温最为显著，线性增暖为0.54℃/10年； 春季次之，气候倾向率为0.41℃/10年； 再次是秋季，线性速率为0.28℃/10年； 夏季最小，气候倾向率为0.17℃/10年。

(3)近40年来，菏泽年最高气温在35.3℃(1991年)～41.1℃(2009年)之间，以0.13℃/10年的线性倾向率增加，突变发生的时间为1979年。菏泽的年最低气温在-16.5℃(1990年)～-6.5℃(2007年)之间，以0.587℃/10年线性速率升高，突变发生的时间为1982年。最高气温的增温趋势明显低于最低气温的增温趋势，其气候倾向率和突变性存在明显的非对称性变化的特征。

(4)高温日数(≥35℃)以1.09d/10年线性趋势增加，低温日数以0.81d/10年线性速率减少。极端温度日数总体上呈增加的趋势。

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