基于序列分解的近50年韶关地区气温变化特征

罗烨泓，罗威，余冬文，沙国兴，陈柽涛

（1.成都信息工程大学，四川成都 610225；2.韶关市气象局，广东韶关 512028；3.兴宁市气象局，广东兴宁 514500；4.乳源瑶族自治县气象局，广东乳源 512700）

IPCC5评估报告指出1880到2012年的全球气温升高了0.85℃，尤其近30年升温趋势最为显著［1］。丁一汇等［2］指出我国年平均气温以0.04℃／年的速率上升，并伴随着1.26 mm／年的降水递减速率；陈隆勋等［3］针对我国近40年以来气温变化的研究发现，我国气候变化特点和全球增暖趋势有许多不一致，存在显著的区域与季节性差异。对华南地区气候变化的研究表明［4］，近50年来华南地区气候变暖显著，并且存在着显著的时空差异，其中广东地区的气温偏冷期大致为20世纪60—70年代，相对偏暖期为90年代，并于80年代发生突变［5］。此外，在当前气候变暖背景下，广东地区干旱、暴雨、高温、台风等极端气候灾害频发，并对当地生态环境和社会经济的发展造成了极大的危害［6］。为此，围绕气温变化在农业、水文以及气象等领域的防灾减灾预测方面也开展了许多研究［7-9］。

韶关地区地处南岭山脉南麓，生态与旅游资源丰富，是广东省重要的粮食蔬菜供应地、农业大市，为此，围绕韶关等以农业、旅游业为主要特色的城市在气候变化方面的研究具有重要现实意义［9］。为此，本研究利用韶关地区1965—2017年8个站点的日平均温度观测资料，在线性趋势法［10］与M-K突变检验法［10］的基础上，进一步结合STL时间序列分解算法［11］，以期从气温变化的趋势性、周期性、波动性以及突变点等方面系统地分析该地区年平均气温、年平均最高气温以及年平均最低气温的变化特征，为当地生态环境的改善、社会经济的发展提供科学决策依据，并为后续气温短期气候预测算法的研究提供理论支撑。

1 资料和方法

本研究基于国家气象信息中心气象资料室整理的1965—2017年韶关地区8个台站（南雄、曲江、乐昌、仁化、乳源、始兴、翁源和新丰）的日平均气温数据，通过求取8个站点日平均气温的平均值，计算获得韶关地区的年平均气温、年平均最低气温和年平均最高气温。1.2 STL时间序列分解算法［11］基于局部加权回归的周期趋势分解算法（Seasonal-Trend decomposition procedure based on Loess，STL）是基于LOESS将某时刻的数据样本Yv分解趋势性分量Tv、周期性分量Sv以及波动性分量Rv，这样不仅能够探索历史数据的规律，还可将其分解的分量用于预测，适用于任何周期的数据，并且具有较好的稳定性，目前STL算法已被广泛应用于海洋研究［12］和气候领域［13］，STL分解式如下：

其中，l为待分解数据的样本量长度。本研究基于STL时间序列分解算法，分别将年平均气温、年平均最低气温与年平均最高气温的时间序列分解为上述3种分量，其中各分量的数值大小代表了各分量本身对气温原始序列的数值影响程度。STL算法的设计流程详见文献［14］。

2 年平均气温序列

考虑影响气温变化的因素较为复杂，本研究在传统线性趋势法与M-K突变检验法的基础上，进一步结合了STL时间序列分解算法对年平均气温、年平均最低与最高气温的时间序列数据进行综合分析，以从客观角度分析出某些确定性因素影响下气温时间序列分布规律，从而挖掘出其中潜在的关键信息。

2.1 年平均气温

图1分别是韶关地区年平均气温原始序列及其经STL算法分解后获得的趋势性、周期性、波动性分量的时间序列图。

从图1a可见，年平均气温的时间变化存在一定的周期性与较强的波动性，结合STL算法所分解得到的年平均气温序列各分量（图1b-d）可见，韶关地区年平均气温的变化周期约为8年（图1c），其于1983—2000年存在较显著的波动性（图1d）。从年平均气温的原始序列（图1a）与趋势性分量（图1b）均可以看出，近50年以来，韶关地区年平均气温呈现出较明显的线性增暖趋势，其气候倾向率约为0.014℃／年（通过了α＝0.05的显著性水平检验），这与广州地区［5］以及韶关曲江地区气温［9］的气候倾向率（0.012℃／年）基本一致。

图1 韶关地区年平均气温的原始时间序列（a）和经STL算法分解后的趋势性（b）、周期性（c）、波动性分量（d）的时间序列

另外，年平均气温的原始序列在1984—1987和1996—1998年的年际变化相对最为明显（图1a），其中1984和1996年分别低至19℃左右，而1987和1998年则分别高达约21℃左右，这与薛宇峰等［15］针对韶关曲江站点年平均气温距平的研究结论也基本一致。

2.2 年平均最低气温和最高气温

图2和图3分别是韶关地区（8站平均）年平均最低气温和最高气温原始序列及其经STL算法分解后获得的趋势性、周期性、波动性分量的时间序列图。

图2 韶关地区年平均最低气温时间序列特征

从图2a和图3a可见，年平均最低气温与最高气温的时间变化同样存在一定的周期性与较强的波动性。从图2c和图3c可见，年平均最低气温与年平均最高气温的周期性与年平均气温基本一致，均为8年左右。此外，年平均最低气温与年平均最高气温在1983—2000年均呈现出了较显著的波动性，但年平均最高气温还于1974年之前也存在较大的波动性。综合2.1节的分析与杨万春等［16］研究结论发现，年平均气温、年平均最低气温与最高气温的波动性特征与曲江站［9］的年平均气温、极端最低气温与最高气温的波动性特征较为接近。

结合图2a和图3a可知，较年平均最高气温而言，近50余年以来，韶关地区年平均最低气温的线性增暖趋势更为显著，其中年平均最低气温的气候倾向率约为0.042℃／年（通过了α＝0.05的显著性水平检验）。另外，年平均最低气温的原始序列于1977—1982年的年际变化相对最为显著，于1977年低至-0.3℃左右，而于1982年高达5.1℃左右（图2a）。但年平均最高气温的气候倾向率则约为0.006 5℃／年（通过了α＝0.05的显著性水平检验），并且于1997—2003年的年际变化相对最为显著（图3a），于1997年低至29.8℃左右，而2003年高达32.2℃左右。值得注意的是，年平均最高气温原始序列的显著变化常发生于相邻两年，如1969—1970年（-1.48℃）、1995—1996年（-1.36℃）、1997—1998年（1.64℃）、2001—2002年（1.43℃）以及2013—2014年（1.23℃）。

图3 韶关地区年平均最高气温时间序列特征

另外，20世纪80年代以前韶关地区年平均气温、年平均最低气温与最高气温的原始序列总体低于各自的均值，即总体处于偏冷期，之后三者均存在一定程度的冷暖交替现象，并且差异显著，其中年平均气温的偏冷期还将持续到1997（图1a），而年平均最低气温与最高气温则存在更明显的冷暖期交替现象，这一交替现象也恰好对应于STL算法所分解的各分量。

3 气温的突变

本研究分别对1965—2017年的年平均气温、年平均最低气温与最高气温时间序列进行M-K突变检验，结果如图4所示。从图4可见，年平均气温（图4a）与年平均最低气温（图4b）均存在显著的突变点，年平均气温的突变点位于1997—1998年之间，较广东大部分地区1980—1990年的突变点要偏晚［5］。年平均最低气温的突变点则位于1987年前后，与广东大部分地区相近，但晚于华南地区（1978年）［4］。年平均最高气温（图4c）则不存在突变点，表明气温突变点存在显著的差异。进一步结合第2章的研究可知，年平均最高气温的变化总体较为平稳（图3d），而年平均气温（图1）与年平均最低气温（图2）不仅存在较显著的线性增暖趋势，同时也伴随着较强烈的波动性，这可能是造成上述突变点特征的重要因素，由于年平均最低气温在趋势性、周期性以及波动性上均要大于年平均气温，因此结合相关研究可推测造成年平均气温气候变化特征的主要因素很可能是年平均最低气温的气候变化特征。

图4 韶关地区年平均气温（a）、年平均最低气温（b）、年平均最高气温（c）的M-K突变检验

4 结论

1）近50年来韶关地区气候增暖显著，年平均气温、年平均最低气温与年平均最高气温的气候倾向率分别为0.014、0.042与0.006 5℃／年，并且三者出现最显著年际变化的时间各不相同。

2）结合STL算法所分解得到的各原始序列的周期性与波动性分量发现，年平均气温、年平均最低气温和年平均最高气温的变化周期均为8年左右，三者变化的波动性于1980—2010年期间最为显著，但年平均最高气温于1974年之前也存在较大的波动性。

3）韶关地区年平均气温的突变点为1997年，年平均最低气温为1987年，而年平均最高气温则没有突变发生。

4）总体而言，导致年平均气温气候变化特征的主要因素很可能是年平均最低气温的变化，年平均最低气温、最高气温的变化速率呈现显著的非对称性，年平均最低气温的升温速率明显高于年平均最高气温。