聊城市1962—2011年氣溫變化特征分析

紀凡華,徐 娟,李 楠,韓風軍

(聊城市氣象局,山東聊城 252000)

聊城市1962—2011年氣溫變化特征分析

紀凡華,徐 娟,李 楠,韓風軍

(聊城市氣象局,山東聊城 252000)

運用常規(guī)統(tǒng)計方法、線性擬合方法、累積距平方法等分析了1962—2011年聊城市8個國家氣象站50a氣溫資料的變化特征。結果表明:春季、秋季、冬季平均氣溫都隨時間呈線性增加的趨勢,年平均氣溫增溫速率為0.18℃/10a,各季增溫速率從大到小依次為冬季、秋季、春季,而夏季則呈現(xiàn)一定程度的弱降溫趨勢;年極端最高氣溫變化趨勢以1994年為分界點前后分為一個降溫階段和一個升溫階段;年極端最低氣溫整體呈波動上升,分為4個降溫階段和3個升溫階段;冷指數(shù)即冷事件頻率呈減少趨勢,且從20世紀80年代中后開始顯著減少,而暖指數(shù)則以增加趨勢為主,但開始發(fā)生顯著變化的年代在90年代中期。

氣溫;極端氣溫指數(shù);氣候變化;聊城

近百年來,全球正在發(fā)生以變暖為主要特征的氣候變化[1],中國地面平均氣溫升高明顯[2],最近的50a中國大陸地區(qū)年平均氣溫升高1.3℃,增溫速率為0.25℃/10a[3]。在此背景下,極端氣溫事件由于其對自然和社會系統(tǒng)的嚴重影響,受到了越來越多的關注,周雅清等[4]分析了中國大陸1956—2008年極端氣溫事件變化特征,指出中國大陸地區(qū)霜凍日數(shù)和結冰日數(shù)明顯減少,減少顯著的區(qū)域集中在北方。Karl等[5]對全球最高、最低溫度研究結果表明,近40a全球平均溫度的變暖過程中,表現(xiàn)出明顯的日夜溫度變化的不對稱性,并使得日較差呈變小的趨勢。極端天氣和海平面上升事件發(fā)生頻率和強度的改變,將主要對自然和人類產(chǎn)生負面影響。我國專家對中國極端氣溫變化也做了大量分析[6-7],廉麗姝等[8]的研究認為,近41a山東省年平均氣溫的演變表現(xiàn)出明顯的階段性和周期性的基本特點。鄒瑾等[9]研究認為濟南近50a夏季極端最高氣溫從20世紀50年代以來呈明顯下降趨勢,又表現(xiàn)出明顯的先上升后下降的波動性。

聊城市處于華北平原東部,魯西北西部,全市為黃河沖積平原,地勢平坦,為冬小麥、夏玉米等主要糧食作物產(chǎn)區(qū),另外發(fā)展多種特色農(nóng)業(yè)。溫度對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境、城市運行等有重大影響。采用更新的資料和統(tǒng)一的氣溫指數(shù),對聊城氣溫變化趨勢進行分析研究,揭示聊城市平均氣溫的變化規(guī)律及年極端最高、最低氣溫變化的基本事實,對合理利用該地氣候資源以及對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境改善、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟結構調整和社會可持續(xù)發(fā)展等具有重要意義。

1 資料與方法

采用聊城市(35°47′～37°02′N,115°16′～116°32′E)8個縣市的氣象觀測站1962—2011年逐日氣溫觀測資料。統(tǒng)計方法:線性擬合方法分析平均氣溫資料的氣候變化趨勢,累積距平法分析極端氣溫資料的氣候變化趨勢。四季劃分:春季為3—5月,夏季為6—8月,秋季為9—11月,冬季為12月—下年2月。

采用文獻[4]的8個極端氣溫指數(shù)(見表1)分析氣溫的變化。使用統(tǒng)計方法計算逐站極端氣溫指數(shù)時間序列及線性趨勢,線性趨勢的計算采用最小二乘法。

表1 氣溫極端指數(shù)的定義

利用線性擬合方法進行傾向性分析。利用Mann-Kendal法對全年和各季節(jié)的氣溫進行檢驗。Mann-Kendal法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法,既可以用于檢驗序列的變化趨勢,也可以檢驗氣候突變,而且它是目前檢驗氣候突變的一種常用方法。

圖1 1962—2011年年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫變化 (直線為趨勢線)

2 結果與討論

2.1 平均氣溫時間變化特征

2.1.1 年平均氣溫變化趨勢 對1962—2011年氣溫資料進行統(tǒng)計,并繪制趨勢變化圖,求解其一元回歸方程 (圖1)。由統(tǒng)計結果看,總體上年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫隨時間呈線性增加趨勢。年平均氣溫增溫速率為0.18℃/10a,50a來增加了0.880℃;年平均最高氣溫增溫速率為0.10℃/10a,50a來增加了0.510℃;年平均最低氣溫增溫速率為0.32℃/10a,50a來增加了1.600℃(增溫速率均通過0.05的顯著性水平檢驗)。

2.1.2 季平均氣溫變化趨勢 從各季節(jié)變化趨勢看 (圖略),春季、秋季、冬季均呈現(xiàn)不同程度的增溫趨勢,其中冬季增溫速率最大,達0.47℃/10a,其次是秋季,增溫速率達0.25℃/10a,春季為0.18℃/10a;夏季則呈現(xiàn)一定程度的弱降溫趨勢,降溫速率0.05℃/10a,50 a來氣溫降低了0.248℃。

2.2 年平均氣溫突變特征

根據(jù)Mann-Kendall法的分析說明,超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時間區(qū)域,如果UF、UB兩條曲線出現(xiàn)交點,且交點在臨界線之間,那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。自20世紀60年代以來,聊城市年平均氣溫有明顯的增溫趨勢,這種增溫趨勢從21世紀初期開始超過了0.001顯著性水平(U0.001=2.56)的臨界值,表明升溫趨勢達到了極顯著。從兩條曲線的交點位置確定發(fā)生突變的時間點是1994年(圖2)。氣候變暖后(1995—2011年)與變暖前(1962—1994年)兩時間段年平均氣溫差值為0.6℃。

圖2 年平均氣溫M-K突變檢驗(直線為95%臨界值線,臨界值U0.05=1.96)

2.3 極端氣溫年變化

統(tǒng)計聊城市年極端最高氣溫、年極端最低氣溫50a變化(圖3)。平均年極端最高氣溫為37.9℃,年極端最高氣溫變化以1994年為分界點,分為一個降溫階段和一個升溫階段,總體呈下降趨勢,下降速率為0.257℃/10a,年極端最高氣溫最大值出現(xiàn)在1966年為40.8℃,最小值出現(xiàn)在2008年為34.1℃;平均年極端最低氣溫為-14.4℃,年極端最低氣溫整體呈波動變化,分為4個降溫階段(1962—1971年、1979—1981年、1997—2000年、2004—2011年)和3個升溫階段(1972—1978年、1982—1996、2001—2004),總體呈上升趨勢,趨勢系數(shù)為0.023℃/10a,年極端最低氣溫最大值出現(xiàn)在1996年為-9.3℃,最小值出現(xiàn)在1990年為-20.9℃。

圖3 1962—2011年聊城年極端氣溫變化

由圖4可見,聊城市近50a來年極端最高氣溫累計距平變化可劃分為一個暖期和一個冷期。1962—1981年為暖期,整體呈上升趨勢,持續(xù)時間20a,正距平年占70.0%,零距平年占5%,平均年極端最高氣溫為38.5℃,較多年平均年極端最高氣溫偏高0.6℃,其中1966年暖振幅最大,距平為2.9℃;1982—2011為冷期,整體呈下降趨勢,持續(xù)時間30a,負距平年占60.0%,平均年極端最高氣溫為37.4℃,較多年平均年極端最高氣溫偏低0.5℃,其中2008年冷振幅最大,距平為-3.8℃。

圖4 1962—2011年聊城年極端最高氣溫、年極端最低氣溫累積距平

由圖4還可以看出,聊城近50a來年極端最低氣溫累計距平變化,大體可劃分為3個冷期和2個暖期。1962—1972年為第一個冷期,整體呈下降趨勢,持續(xù)時間11a,負距平年占63.6%,平均年極端最低氣溫為-15.2℃,較多年平均年極端最低氣溫偏低0.8℃,其中1971年冷振幅最大,距平為-5.4℃;1973—1980年為第一個暖期,整體呈上升趨勢,持續(xù)時間8a,正距平年占62.5%,零距平年占25.0%,平均年極端最低氣溫為-13.5℃,較多年平均年極端最低氣溫偏高0.9℃,其中1978年暖振幅最大,距平為2.9℃;1981—1985年為第二個冷期,持續(xù)時間5a,負距平年占90.0%,平均年極端最低氣溫為-15.8℃,較多年平均年極端最低氣溫偏低1.4℃,其中1981年冷振幅最大,距平為-3.8℃;1986—1999年為第二個暖期,整體呈上升趨勢,持續(xù)時間14a,正距平年占71.4%,平均年極端最低氣溫為-13.3℃,較多年平均年極端最高氣溫偏高1.1℃,其中1999年暖振幅最大,距平為5.1℃,但是1990年出現(xiàn)聊城市歷史上氣溫極小值,距平為-6.5℃,出現(xiàn)極端氣溫冷事件;2000—2011年為第三個冷期,持續(xù)時間12 a,負距平年占58.3%。平均年極端最低氣溫為-15.1℃,較多年平均年極端最低氣溫偏低0.7℃,其中2001年冷振幅最大,距平為-3.6℃。

用Mann-Kendall、信噪比方法對最高、最低氣溫進行突變檢驗,沒有發(fā)現(xiàn)有突變現(xiàn)象。

2.4 極端氣溫指數(shù)趨勢變化特征

圖5是極端指數(shù)的時間序列曲線圖,表2是聊城極端氣溫指數(shù)的變化趨勢?？梢娝獌鋈諗?shù)在3個時期(1962—1969年、1979—1989年、1999—2011年)增加,2個時期(1970—1978年、1990—1998年)減少,1969年最多124d, 1999年、2004年最少82d,50a以2.0d/10a的速率減少。同樣,結冰日數(shù)總體表現(xiàn)為減少趨勢,50a以1.7d/10a的速率減少,前期(1962—1969年)結冰日數(shù)增加,1969年最多33d;20世紀70年代開始減少,1969—1999年發(fā)生了巨大變化,減少速率達5d/10a,顯示在此時間內(nèi)氣候變暖最為顯著。結冰日數(shù)變化較霜凍日數(shù)變化平緩。夏季日數(shù)平均每年140d, 1994年前略少于平均值,表現(xiàn)為偏冷,1994年最多167d,2009年次之163d。50a來表現(xiàn)為增多趨勢,但增速不大,為0.4d/10a。炎熱夜數(shù)以1.0d/10a速率增多,1962—2011年50a平均炎熱夜數(shù)69d,正距平年占總炎熱夜數(shù)的48.0%,1994—2011年正距平年占總數(shù)的66.7%,炎熱夜數(shù)上升趨勢較顯著,可見1994年為氣溫變化突變年,與年平均氣溫變化突變年一致,總體上其之前氣候偏冷,之后偏暖。年最低氣溫極大值和年最高氣溫極小值都呈升高趨勢,年最高氣溫極小值升高更明顯一些,速率為0.3℃/10a,年最低氣溫極大值升高速率為0.1℃/10a,沒有通過95%信度檢驗。綜上所述,從時間演變來看聊城冷指數(shù)即冷事件呈減少趨勢,且從20世紀80年代中后開始減少顯著,而暖指數(shù)即暖事件則以增加趨勢為主,但開始發(fā)生顯著變化的年代在90年代中期。

圖5 1960—2011年聊城氣溫極端指數(shù)的時間演變

___表2 聊城1962—2011年極端氣溫指數(shù)變化趨勢

3 結論

對聊城市8個國家氣象站50a的氣溫及8個極端氣溫指數(shù)的時間演變系統(tǒng)分析,得到以下結論。

(1)總體上年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫隨時間呈線性增加趨勢;從各季節(jié)變化趨勢看,春季、秋季、冬季均呈現(xiàn)不同程度的增溫趨勢,增幅從大到時小依次為冬季、秋季、春季,而夏季則呈現(xiàn)一定程度的弱降溫趨勢,年平均氣溫的突變年為1994年。

(2)年極端最高氣溫變化以1994年為分界點前后分為一個降溫階段和一個升溫階段,總體呈下降趨勢,下降速率為0.257℃/10a;年極端最低氣溫呈波動變化,分為4個降溫階段(1962—1971年、1979—1981年、1997—2000年、2004—2011年)和3個升溫階段(1972—1978年、1982—1996年、2001—2004年),總體呈上升趨勢,上升速率為0.023℃/10a。

(3)年極端最高氣溫變化具有明顯的階段性,大體可劃分為一個暖期和一個冷期,總體呈下降趨勢,1962—1981年為暖期,1982—2011年為冷期;年極端最低氣溫變化具有明顯的階段性,大體可劃分為3個冷期和2個暖期,總體呈上升趨勢,冷期為1962—1972年、1981—1985年、2000—2011年,暖期為1973—1980年、1986—1999年。

(4)從極端氣溫指數(shù)的變化來看,霜凍日數(shù)、結冰日數(shù)等冷指數(shù)即冷事件頻率都呈減少趨勢,且從20世紀80年代中后期開始顯著減少,而炎熱夜數(shù)、夏季日數(shù)等暖指數(shù)即暖事件則呈增加趨勢,但開始發(fā)生顯著變化的年代在20世紀90年代中期;年最低氣溫極大值和年最高氣溫極小值都呈升高趨勢,年最高氣溫極小值升高更明顯一些,速率為0.3℃/10a,年最低氣溫極大值升高速率為0.1℃/10a。

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P423.3

:A

紀凡華,徐娟,李楠,等.聊城市1962—2011年氣溫變化特征分析[J].陜西氣象,2014(1):9-13.

1006-4354(2014)01-0009-05

2013-08-30

紀凡華(1984—),男,漢族,山東莒縣人,助理工程師,從事天氣預報研究。