于田近50年来平均气温和极端气温的变化特征

迪丽达尔·艾再提约麦尔 俞永慧

摘 要：本文利用新疆于田县气象站1968—2018年的逐月气温数据，使用线性倾向估计、滑动平均、Mann-Kendall检验以及Morlet小波分析等方法对年平均气温和极端气温事件进行分析。结果表明：于田年平均气温、极端最低气温、极端最高气温均呈上升趋势，倾向率大小排列为：年均极端最低气温（0.42 ℃/10 a）>年均极端最高气温（0.36 ℃/10 a）>年平均气温（0.24 ℃/10 a）。四季气温都呈上升趋势，年平均气温和极端最高气温增减速率保持一致，冬季增温最快，夏季最慢;极端最低气温夏季最快，春季最慢。年平均气温、极端最低气温、极端最高气温突变点分别出现在2000年、2002年和2001年。气温存在5～7 a和9～11 a的周期变化，其中极端最高气温10 a周期变化特征最显著。

关键词：极端气温;变化趋势;突变检测;于田

中图分类号：P468.021文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）04-0137-05

Abstract： Based on the monthly temperature data of Yutian meteorological station from 1968 to 2018， this paper analyzed the annual average temperature and extreme temperature events by using linear tendency estimation， moving average， Mann-Kendall test and Morlet wavelet analysis. The results showed that： the annual average temperature， extreme minimum and maximum temperature in Yutian were all on the rise， and the tendency rate was arranged as follows： annual extreme minimum temperature （0.42℃/10a）>annual extreme maximum temperature （0.36℃/10a）>annual average temperature （0.24℃/10a）. The annual average temperature and the extreme maximum temperature increase and decrease rate were consistent. The temperature increase was the fastest in winter and the slowest in summer; the extreme minimum temperature was the fastest in summer and the slowest in spring. The annual average temperature， extreme minimum temperature and maximum temperature mutation point appeared in 2000， 2002 and 2001 respectively. There were 5～7a and 9～11a periodic changes in air temperature， among which the 10-year periodic changes of extreme maximum air temperature were the most significant.

Keywords： extreme temperature;change trend;mutation detection;Yutian

1 研究背景

IPCC第五次評估报告中指出：在过去的半个多世纪以来，全球几乎所有地区都经历了升温过程，变暖最快的区域为北半球中纬度地区。气候变化引起的极端天气气候事件导致气象灾害频发，如高温干旱、低温冻害、暴雨洪涝等，不仅导致人类的热相关疾病和死亡风险增加，而且对人们的生活和整个社会的经济发展都产生了很大的负面影响。尤其是对于农业经济的发展，因为农业经济对大自然的依赖性很强。

目前，极端天气气候事件的研究主要包括对极端气温和极端降水的研究。近年来，气温变化尤其是极端气温变化特征的研究逐渐受到学术界的广泛关注。任福民等[6]对中国1951—1990年极端温度变化的研究表明，季极端最低温度的变率在春、秋两季表现最大，极端最高温度在冬季的变率明显高于其他季节。施雅风等[7]的研究得出，全球变暖导致水循环加快，使中国西北主要是新疆地区的气候从1987年开始向暖湿转变。唐小英等[8]对1961—2008年新疆南疆地区的气温数据进行研究，发现极端气温事件整体上呈显著增加的趋势。武胜利等[9]对新疆和田地区1960—2013年的极端气温进行研究，得出极端低温、高温四季呈显著的上升趋势，其中秋季的变化速率最大，对年变化的贡献值最大。中国西北干旱区地处全球中纬度地带的欧亚大陆腹地，对全球的气候变化响应很敏感。新疆于田绿洲以农业为主要经济基础，气候是影响其经济发展的重要因子。本文通过研究以进一步了解全球气候变暖背景下于田县的气候变化规律，以期为该地区今后预防极端气候灾害和促进经济发展提供参考。

2 资料与方法

2.1 数据来源

本文采用的气象数据来自中国气象数据网（https：//data.cma.cn/）中国地面气候资料月值数据集。选用的资料是新疆和田地区于田县气象站1968—2018年的地面气温月值数据，包括平均气温、极端最高气温和极端最低气温。

2.2 研究方法

本文对于田平均气温、极端最高气温和极端最低气温的季节、年和年代际变化进行了研究，采用气象学标准进行四季划分，即春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—次年2月）。

①气候倾向率。气象要素[y]的长期变化趋势采用线性回归方法来描述，计算公式为：

式中，[t]为年份序列号（[i]=1，2，…，[n]）。[a]为回归常数。[b]为回归系数：当[b]>0时，呈上升趋势;当[b]<0时，呈下降趋势，[b]值通常称为倾向值。[yi]表示气象要素的拟合值。[bt10]称为气候倾向率，用来表示气象要素每10年的变化率[12]。

②滑动平均。滑动平均是用确定时间序列的平均值来显示其变化趋势，分析时主要从滑动平均曲线图来看其变化趋势[13]。

③突变检测。本文中采用Mann-Kendall检验方法，这一方法的优点是计算简便，可以明确突变开始的时间，并指出突变区域。相关公式和基本原理请参考郭靖的研究[14]。

④小波分析法。小波分析具有时、频多分辨率分析的特征[12]，是一种很好的多时间尺度周期分析方法。

3 结果分析

3.1 年际变化

1968—2018年于田平均气温（[Tmean]）为11.87 ℃，其中年平均气温最高为13.30 ℃（2016年），最低为10.72 ℃（1989年）。从年平均气温的线性变化趋势[见图1（a）]得知，近50年來平均气温呈上升趋势，其变化趋势系数为0.3，气温倾向率为0.24 ℃/10 a，高于全国的气温倾向率0.23 ℃/10 a，低于新疆的气温倾向率0.32 ℃/10 a。于田平均气温5 a滑动平均曲线表明，气温在波动中上升，其中，1968—1980年气温小波动上升，年平均气温为11.74 ℃，气温倾向率为0.27 ℃/10 a;1981—1996年呈明显下降趋势，年平均气温为11.25 ℃，倾向率为-0.21 ℃/10 a;1997—2018年呈上升趋势，年平均气温为12.39 ℃，倾向率为0.28 ℃/10 a。除20世纪80年代到90年代中期气温倾向率为负值，呈下降趋势外，其他年份均呈上升趋势，其中1997年增温最明显，21世纪以来的均值最大为12.44 ℃。

1968—2018年于田年均极端最低气温（[Tmin]）为-0.49 ℃，其最高值为1.69 ℃（2016年），最低值为-2.46 ℃（1984年）。从总的趋势[见图1（b）]来看，极端最低气温呈上升趋势，变化趋势系数为0.5，上升趋势显著，气温倾向率为0.42 ℃/10 a。于田年均极端最低气温5 a滑动平均曲线表明，1968—1980年极端最低气温均值为-0.99 ℃，倾向率为0.14 ℃/10 a，呈上升趋势，这与年平均气温的变化趋势一致。1981—1994年极端最低气温均值为-1.20 ℃，倾向率为-0.047 ℃/10 a，呈下降趋势。1995—2018年极端最低气温均值为0.2 ℃，倾向率为0.56 ℃/10 a，呈上升趋势。可见，极端最低气温从20世纪90年代中期开始增温显著，尤其是21世纪以后出现的最大值较多，其均值最大为0.33 ℃。

由图1（c）可知，1968—2018年于田年均极端最高气温（[Tmax]）为26.72 ℃，其最高值为28.90 ℃（2016年），最低值为24.98 ℃（1982年）。从总的趋势来看，极端最高气温呈上升趋势，其变化趋势系数为0.3，倾向率为0.36 ℃/10 a。于田年均极端最高气温5 a滑动平均曲线表明，1968—1971年极端最高气温均值为26.83 ℃，呈上升趋势;1972—1995年极端最高气温均值为26.04 ℃，倾向率为-0.03 ℃/10 a，呈下降趋势;1996—2018年极端最高气温均值为27.42 ℃，倾向率为0.33 ℃/10 a，呈显著的上升趋势。可见，极端最高气温从1996年开始明显上升，尤其是从21世纪以来增温显著，其均值最大为27.51 ℃。

3.2 季节变化

3.2.1 四季年均气温。1968—2018年于田各个季节气温都呈上升趋势（见图2），春季气温倾向率为0.28℃/10a，夏季为0.12 ℃/10 a，秋季为0.204 ℃/10 a，冬季为0.37 ℃/10 a。于田四季气温的5 a滑动平均曲线表明，春季、夏季和秋季气温1968—1979年小波动上升，从20世纪80年代开始呈明显的下降趋势，从90年代开始呈上升趋势，尤其是90年代晚期上升趋势明显，21世纪以来除2012和2014年以外均呈小波动上升趋势。冬季气温除1977和2007年出现两个谷值以外，其余年份均呈明显上升趋势。1968—2018年于田县各季节气温增温幅度总体表现为冬>春>秋>夏，其中冬季的增温速率最大，夏季的最小。

3.2.2 四季极端最低气温。1968—2018年，于田四季极端最低气温都呈上升趋势（见图3），春季倾向率为0.29 ℃/10 a，夏季为0.51 ℃/10 a，秋季为0.49 ℃/10 a，冬季为0.44 ℃/10 a。于田四季极端最低气温的5 a滑动平均曲线表明，春季极端最低气温一开始呈上升趋势，从20世纪70年代中期到80年代晚期呈下降趋势，90年代开始出现明显的上升趋势;夏季和秋季极端最低气温呈下降-上升-下降-上升的变化趋势，80年代呈明显下降趋势，90年代增温显著;冬季极端最低气温除1977和2007年出现两个谷值以外，其余年份均呈明显上升趋势，这与年平均气温变化趋势保持一致。1968—2018年于田各季节极端最低气温增温幅度总体表现为夏>秋>冬>春，其中夏季的增温速率最大，春季最小。

3.2.3 四季极端最高气温。1968—2018年于田四季极端最高气温都呈上升趋势（见图4），春季倾向率为0.40 ℃/10 a，夏季为0.04 ℃/10 a，秋季为0.37 ℃/10 a，冬季为0.63 ℃/10 a。于田四季极端最低气温的5a滑动平均曲线表明，春季极端最高气温呈上升-下降-上升-下降的变化趋势，20世纪80年代中期到90年代初期呈明显的下降趋势，从90年代中期开始呈明显的上升趋势;夏季呈上升-降低-上升的变化趋势;秋季和冬季呈相对稳定的上升趋势。1968—2018年于田各季节极端最高气温增温幅度总体表现为冬>春>秋>夏，其中冬季的增温速率最大，夏季的最小，这与年平均气温的增温速率变化保持一致。

3.3 Mann-Kendall突变检验结果分析

采用M-K突变检验方法对于田年均气温、极端最低气温和极端最高气温进行突变检验。由图5可知，1968—2018年于田气温呈上升趋势，其中，年均气温2000年之前除了1973和1980年出现两个峰值以外总体表现为负值，表明该段时间平均气温较低，2000年以后总体表现为正值，表明该段时间平均气温较高。正序列和反序列曲线在临界值±2之间有一个明显的交叉点，之后正序列曲线持续上升，并在2006年突破临界值2，这说明1968—2018年于田年均气温发生了明显的突变增高，突变点出现在2000年。极端最低气温正反序列曲线有一个明显的交叉点，并在2003年突破临界值2，这说明1968—2018年极端最低气温发生了明显的突变增高，突变点出现在2002年。极端最高气温正反序列曲线出现两次交叉，第一次在1999年，但没有突破临界值2;第二次在2001年，并在2009年突破临界值2，这说明1968—2018年極端最高气温发生了明显的突变增高，突变点出现在2001年。

3.4 气温周期变化特征分析

从图6可以看出，1968—2018年于田年均气温、极端最低气温、极端最高气温存在2个较明显的特征时间尺度，分别为5～7 a和9～11 a。其中，年均气温在1970—1980年的周期变化明显，极端最低气温、极端最高气温在1970—1990年的周期变化较明显，尤其是极端最高气温10 a周期特征最显著，但总体上于田气温周期变化连续性较弱。

4 结论

①从以上分析可以看出，近50年来于田年均气温、极端最低气温、极端最高气温均呈上升趋势，20世纪90年代晚期，尤其是从21世纪开始增温趋势更加显著，其幅度大小总体表现为[Tmin>Tmax>Tmean]，极端最低气温的线性上升趋势最显著，而平均气温的上升趋势低于极端最低和极端最高气温。由此可见，气温变暖是明显的，而极端最低气温的升高是气候变暖的主要原因，其贡献率较大，其次是极端最高气温，平均气温的贡献率较小。

②四季年均气温、极端最低气温、极端最高气温都呈明显的上升趋势。其中，年均气温和极端最高气温的增温幅度变化保持一致，表现为冬季>春季>秋季>夏季，冬季增温最显著，其贡献率最大，而夏季贡献率最小;极端最低气温增温幅度变化为夏季>秋季>冬季>春季，其中，夏季增温最显著，贡献率最大，这与年均气温和极端最高气温增温速率相反，春季贡献率最小。

③通过M-K检验得出，年均气温、极端最低气温、极端最高气温都发生了明显的突变增高，其中年均气温突变点出现在2000年，极端最低气温突变点出现在2002年，而极端最高气温突变点出现在2001年。

④通过Morlet小波分析发现，气温存在5 a和10 a的周期，其中极端最高气温10 a的周期变化特征最显著，其余周期变化特征不显著且连续性较弱。

参考文献：

[1]任福民，翟盘茂.1951—1990年中国极端气温变化分析[J].大气科学，1998（2）：89-96，98-99.

[2]施雅风，沈永平，李栋梁，等.中国西北气候由暖干向暖湿转型的特征和趋势探讨[J].第四纪研究，2003（2）：152-164.

[3]唐小英，唐湘玲.新疆南疆地区近50年来极端气候事件分析[J].石河子大学学报（自然科学版），2015（2）：230-238.

[4]武胜利，刘强吉，胡雪瑛，等.全球变化背景下新疆和田地区近半个世纪极端气温变化特征分析[J].水土保持研究，2017（5）：209-214.

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[7]郭靖.气候变化对流域水循环和水资源影响的研究[D].武汉：武汉大学，2010.