昆明市1951-2019年气候变化特征及趋势预测分析

杨胜勇，史雯雨，高剑飞，李增永，钟 馨

(四川水利职业技术学院，611231，成都)

0 引言

近年来，气候变化是各国政府和科学界广泛关注的热门话题，随着全球性气候变暖将引发全球性和区域性水汽循环变化，从而导致气温和降水发生改变[1-3]。气温和降水是气候的两个重要要素，气温和降水的变化将改变水资源的分布特征，从而对人民生活与社会经济造成重大影响[4-5]。昆明市地处中国西南地区、云贵高原中部，由于地处低纬高原而形成“四季如春”的气候，享有“春城”的美誉。目前国内关于昆明市气候变化已有较多研究，何云玲[6]等利用线性倾向率、Mann-Kendall非参数检验、滑动T检验(MTT法)和小波分析等数理统计分析方法，分析昆明市近60 a气候变化趋势和气候突变特征。魏康洪[7]等对昆明1999-2013年气温和降水资料进行气候趋势分析和异常统计分析。吴利华[8]等对昆明市16个极端气温指数和11个极端降水指数的变化趋势、突变特性和周期特征进行了分析和研究。

本文对昆明市1951-2019年气温及降水的线性趋势、周期及趋势进行分析预测，所用资料时间序列长，且对未来趋势进行了预测，研究成果对昆明市气候和水资源合理开发利用以及生态建设具有一定的意义和应用价值。

1 数据来源与研究方法

1.1 数据来源

本文数据选自国家气象科学数据共享服务网平台提供的昆明气象站点1951-2019年逐月气温和降水资料。

1.2 研究方法

本文选用昆明市气温及降水数据，分别采用线性趋势法、5 a滑动距平法、Mann-Kendall检验法、年代距平法进行趋势分析；利用Morlet小波分析法进行周期分析；采用Hurst指数法进行趋势预测。文中昆明市四季分别按照春季(3-5月)，夏季(6-8月)，秋季(9-11月)，冬季(12月-次年2月)进行划分。

1.2.1 Mann-Kendall检验法 Mann-Kendall检验(以下称M-K检验)是经世界气象组织推荐，目前已经广泛应用到气温、降水等气象要素中的非参数检验方法。M-K检验的优势是样本系列不需要服从一定分布，可以很好地反映时间序列的趋势变化[9-11]。

M-K检验方法的基本原理为：假设某时间序列为X1，X2，…，Xn，则

(1)

(2)

(3)

(4)

Z为标准正态分布统计值，Z值为正表明具有上升或增加趋势，Z值为负则意味着下降或者减少趋势。当|Z|>1.64、1.96、2.58时，分别表示时间系列通过了90%、95%、99%的置信度检验。

1.2.2 小波分析法 小波分析是一种具有时-频多分辨率功能的方法，可以准确详细地揭示出时间序列中的多种周期变化，目前已经广泛应用于气象要素时间序列的周期性分析。小波分析不仅可以显示出气候时间序列周期变化的尺度，还可以确定出变化出现的时间位置[9,12-14]。选用复数小波研究方法，该方法在频域和时域内具有较好的聚集性，复数小波母函数为：

(5)

子函数为：

(6)

式中：a为伸缩尺度，b为平移距离。T与a关系为：

(7)

1.2.3 Hurst指数法 Hurst指数揭示了时间序列过去与未来变化趋势的相互关系，从而利用该序列的过去变化特征预测未来变化趋势。目前广泛应用于判别气象或水文要素时间序列变化趋势的持续性或反持续性的强度。

当0

表1 Hurst指数分级表

2 结论与分析

2.1 气候趋势变化特征分析

2.1.1 气温趋势变化特征分析 由昆明市年平均气温变化趋势(图1)可以看出：1)1951-2019年昆明市年平均气温为15.18℃，年平均气温最大值为16.70℃(2019年)，年平均气温最小值为13.62℃(1971年)，年平均气温倾向率为0.293 ℃/10a，气温总体呈现震荡上升的趋势；2)从昆明市年平均气温5 a滑动平均线上可以看出，昆明市年气温20世纪50年代至70年代中后期呈下降趋势，20世纪80年代至21世纪初呈现显著的上升趋势，21世纪后气温变化相对平稳；3)昆明市1951-2019年的年平均气温累计距平曲线呈现“U”形，气温变化基本可以分为2个阶段，在1993年以前，累计距平曲线呈现下降趋势，且距平值基本为负值，说明1993年之前的气温低于多年平均值15.18℃，并在1993年左右累计距平值达到最小值；1993年以后，累计距平曲线呈现明显的上升趋势，说明该时段平均气温高于多年平均值。

图1 昆明市年平均气温变化曲线

从昆明市气温倾向率及M-K检验值(表1)可以看出：昆明市年及四季的气温倾向率大于0，表明近69 a昆明市年、季尺度的气温均呈上升趋势，尤其以冬季气温倾向率最大；气温M-K统计值均通过了99%显著性检验，气温升高显著。

2.1.2 降水趋势变化特征分析 由昆明市年降水变化趋势(图2)可以看出：1)1951-2019年多年平均降水量为990.18 mm，最大降水量1 449.9 mm(1999年)，最小降水量565.8 mm(2009年)，年降水倾向率为-3.879 mm/10a，年降水呈不显著的下降趋势；2)根据年降水5 a滑动平均曲线，20世纪50年代到20世纪90年代，降水量在多年平均值附近上下震荡波动；20世纪90年代至21世纪20年代昆明市降水经历了“上升-下降-上升”的变化过程；20世纪90年代至21世纪初降水量呈明显的增长趋势；21世纪初至10年代，降水量呈明显下降趋势，之后至20年代年降水又呈增长趋势；3)根据昆明市年降水量累积距平曲线，20世纪50年代至60年代中期，累计距平曲线曲线呈现震荡状态，20世纪60年代中期至70年代中期，曲线呈显著上升趋势，20世纪70年代初到70年代中期累计距平呈现上升趋势，且多为正距平，为降水量相对偏多阶段；20世纪80年代中期至90年代中期曲线呈显著下降趋势；20世纪90年代中期至21世纪初呈现显著下降的趋势；21世纪初至21世纪10年代初期呈显著下降趋势；21世纪10年代初期后又呈显著上升趋势。

图2 昆明市年降水量变化趋势

从昆明市降水倾向率及M-K检验值(表2)可以看出：昆明市年及夏季、秋季降水倾向率小于0，降水量呈下降趋势，且未通过显著性检验；春季、冬季降水倾向率大于0，表明降水量呈上升趋势，且冬季降水量通过了90%显著性检验。

表2 昆明市气温及降水倾向率及M-K检验值

注：*表示通过了90%显著性检验，***表示通过了99%显著性检验。

2.2 气候年代际变化特征分析

2.2.1 气温年代际变化特征分析 从昆明市年及四季气温年代距平值(表3)可以看出：1)20世纪50年代至80年代昆明市年气温及四季气温均低于平均值，此时段昆明市气温整体偏低，20世纪70年代距平值最低，为昆明市近69 a的偏冷期；2)20世纪90年代之后，年及四季气温距平值均为正，表明昆明市气温进入偏暖期，其中年、春季、夏季年代距平值在21世纪10年代距平值最大，秋季、冬季年代距平值在21世纪初期达到最大；3)昆明市冬季气温年代际差异最大，最小为-1.01℃，最大为1.39℃，20世纪90年代至21世纪初冬季气温出现最大增幅，增幅为1.05℃。

表3 昆明市年及四季气温、降水的年代距平值

2.2.2 降水年代际变化特征分析 从昆明市年及四季降水量年代距平值(表3)可以看出：1)昆明市年及四季降水量年代变化不尽相同，年降水量经历了“上升-下降-上升-下降”的变化过程；2000s降水量距平值最小，为-51.57 mm，距平百分率为-5.2%；1990s降水量距平值最大，为68.68 mm，距平百分率达到6.9%；2)昆明市四季的降水量以夏季降水量最多，为579.96 mm，占全年的59%；秋季降水量次之，为240.95 mm，占全年的24%；冬季降水量最少，为40.87 mm，占全年降水量的4%；3)春季降水量年代际距平值在1960s最小，为-31.96 mm，距平百分率为-24.9%；春季降水量年代距平值在1970s最大，为43.99 mm，距平百分率为34.0%，说明春季降水在1960s偏少，在1970s偏多；4)夏季降水量年代际距平值在2010s最小，为-50.58 mm，距平百分率为-8.7%；夏季降水量年代距平值在1990s最大，为49.82 mm，距平百分率为8.6%；5)秋季降水量年代际距平值在2000s最小，为-60.04 mm，距平百分率为-24.9%；秋季降水量年代距平值在1960s最大，为29.54 mm，距平百分率为12.3%；6)冬季降水量年代际距平值在1960s最小，为-9.43 mm，距平百分率为-23.1%；冬季降水量年代距平值在1980s最大，为9.80 mm，距平百分率为24.0%。

2.3 气候周期分析

2.3.1 气温周期分析 由昆明市年气温图3(a)小波变化图，可以看出：近69 a来，昆明市年气温小波等值线图在30 a、24 a左右时间尺度上分布较为密集，周期震荡较为明显，其中30 a左右时间尺度的能量最强，峰值最大，为第1主周期，24 a第2主周期。

(a)气温

(b)降水

2.3.2 降水周期分析 由昆明市年降水图3(b)小波变化图，可以看出：近69 a来，昆明市年降水小波等值线图在4 a、7 a、16 a、24 a、30 a左右时间尺度上分布较为密集，周期震荡明显。其中30 a左右时间尺度的能量最强，峰值最大，为第1主周期；其次是24 a、16 a、7 a、4 a分别为第2、第3、第4主周期。

2.4 气候未来趋势预测分析

2.4.1 气温未来趋势预测分析 根据昆明市年气温Hurst指数(图4)可知：昆明市年气温H值0.992 2，表明昆明市年气温变化具有持续性，未来与过去69 a变化趋势相同，仍呈上升趋势，持续性强度很强。

根据昆明市四季的气温H值(表4)可知：昆明市四季气温H值均大于0.5，说明未来昆明市四季气温变化具有持续性，未来与过去69 a变化趋势相同，仍呈上升趋势；四季气温H值均大于0.8，气温持续性强度等级为5级，持续性强度很强。

2.4.2 降水未来趋势预测分析 根据昆明市年降水Hurst指数(图4)可知：昆明市年降水H值0.540 1，表明年降水量变化趋势与过去69 a变化趋势一致，呈减少趋势，持续性强度很弱。

根据昆明市四季的降水H值(表4)可知：1)昆明市秋季降水H值0.494小于0.5，但接近0.5，表明未来秋季降水变化较为随机，不易判断未来秋季降水量的变化趋势；2)昆明市春季、夏季、冬季降水H值均大于0.5，具有持续性，表明未来降水量变化趋势与过去69 a变化趋势一致。其中春季、冬季降水未来仍呈增加趋势，持续性强度较弱；夏季降水量未来呈减少趋势，持续性强度较弱。

图4 昆明市年气温、年降水Hurst指数

表4 昆明市气温、年降水Hurst指数及强度等级

4 结论

1)昆明市年平均气温及四季气温均呈显著性上升趋势，且通过了99%显著性检验；昆明市年、夏季和秋季降水量呈现减少趋势，春季、冬季降水呈增加趋势，并且冬季降水的增加趋势通过了90%显著性检验。

2)昆明市年代气温最冷出现在20世纪70年代，气温距平值最小，属于偏冷期，21世纪后气温距平值最大，为偏暖期；昆明市年及四季降水年代变化均有所不同。

3)昆明市年气温具有28-30 a左右的周期特征；年降水具有28-30 a时间尺度的主周期，具有24 a、16 a、7 a、4 a左右的次主周期。

4)昆明市年及四季气温未来仍呈上升趋势，且持续性强度很强；昆明市年及春季、夏季、冬季未来降水量未来仍将呈现减少趋势，但持续性强度很弱，秋季降水变化较为随机。