近57年來和豐縣氣溫和降水量的趨勢(shì)性及突變特征近

作者簡(jiǎn)介:傅麗昕（1978），女，新疆烏魯木齊人，工程師，主要從事水利工程規(guī)劃方面研究工作.Email:flxflyng@163.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.

摘要：對(duì)和豐縣1954年-2010年近57年的年均氣溫以及降水量的資料，在進(jìn)行距平分析和MK非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用MK突變檢測(cè)法和Pettitt突變檢測(cè)法分別計(jì)算和分析了年均氣溫和降水量的突變特征。結(jié)果顯示：1988年2010年，有20年的氣溫距平值大于0，說明氣溫自1988年起呈現(xiàn)顯著增加趨勢(shì)，MK趨勢(shì)性檢驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)；突變檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)氣溫突變年份。年降水量總體呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，最小值出現(xiàn)在1977年，最大值出現(xiàn)在2007年，總體變化趨勢(shì)不顯著，豐枯降水年交錯(cuò)分布；突變檢測(cè)確定2007年為降水量突變年份。

關(guān)鍵詞：MannKendall；Pettitt；趨勢(shì)性；顯著性檢驗(yàn)；突變點(diǎn)

中圖分類號(hào)：P467文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：16721683（2014）04003804

Tendency and Mutation Analysis of Annual Temperature

and Precipitation ofHefeng County in Recent 57 Years

FU Lixin

(Xinjiang Investigation,Design and Research Institute of

Water Conservancy and Hydropower,Urumqi 830000,China)

Abstract:Based on the MannKendall nonparametric test and cumulative departure curve analysis on the annual temperature and precipitation of Hefeng County from 1954 to 2010,the mutation characteristics of annual temperature and precipitation were detected using the MannKendall and Pettitt mutation tests.The results showed that thecumulative departure of temperature of 20 years is positive from 1988 to 2010,which indicated that the temperature has a significantly increasing trend from 1988 and it is verified by the MannKendall nonparametric test.The mutation time of temperature was not detected.Annual precipitation had a gradually increasing trend with the lowest precipitation occurring in 1977 and the highest in 2007,but the trend was not significant and the occurrence of dry and wet years had an interlaced distribution.The mutation time of precipitation was detected as 2007.

Key words:MannKendall;Pettitt;tendency;mutation test;mutation point

氣候變化作為一個(gè)全球性問題，受到國(guó)際社會(huì)的普遍關(guān)注。為此，政府間氣候變化專門委員會(huì)(IPCC)已經(jīng)發(fā)布了4次科學(xué)評(píng)估報(bào)告，內(nèi)容涉及氣候變化趨勢(shì)、對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的影響以及人們適應(yīng)與減緩氣候變化的對(duì)策等［1］。很多資料表明，極端氣候變化對(duì)水土流失、沙塵暴、農(nóng)業(yè)生態(tài)等影響很大［2］。氣候變化疊加人類活動(dòng)對(duì)水文循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生影響時(shí)，部分水文氣象要素在時(shí)間和空間上會(huì)發(fā)生某些變異，使得這些要素的一些統(tǒng)計(jì)特征規(guī)律發(fā)生變化，這個(gè)發(fā)生變化的時(shí)刻稱為突變或突變點(diǎn)［3］。

近年來，不同領(lǐng)域的專家和學(xué)者正在不斷揭示各種時(shí)空尺度上水文循環(huán)要素突變的事實(shí)、性質(zhì)、規(guī)律及其形成的機(jī)制，不斷完善突變理論在水文和氣候科學(xué)中的應(yīng)用。從近百年時(shí)間尺度來看，Yamamoto［45］指出了20世紀(jì)50年代日本的氣候跳躍及其與北半球海平面氣壓場(chǎng)的關(guān)系；葛全勝等［6］指出在冷暖變化幅度上，東部季風(fēng)區(qū)的變化幅度小于西北區(qū)和青藏區(qū)。氣候系統(tǒng)是一個(gè)非線性的動(dòng)力系統(tǒng)，它既有周期性，也表現(xiàn)突變性。王海軍等［7］分析中國(guó)北方近57年氣溫特征指出：華北有22年的周期，東北有21年、6年和11年的主周期，西北西區(qū)周期為12年，東區(qū)為15年、8年和5.5年的周期。李珍等［8］對(duì)新疆的北疆、天山山區(qū)和南疆氣溫、日較差和降水年序列進(jìn)行了突變分析，并采用兩種不同的方法對(duì)突變點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。

新疆位于歐亞大陸腹地，距海遙遠(yuǎn)，戈壁、沙漠廣布，各種天氣系統(tǒng)活動(dòng)頻繁，山脈與盆地相間排列。天山山脈橫亙中間，將新疆分成氣候差異非常顯著的南疆和北疆。近些年新疆氣候在全球變暖和水分循環(huán)加快的大背景下，也受到了一定程度的影響，有研究指出［910］新疆近40年氣候變暖、變濕，尤其20世紀(jì)90年代以來阿克蘇、北疆區(qū)域降水量增多明顯，與我國(guó)北方其它地區(qū)變?yōu)榕刹煌Ｐ陆靥幐珊禋夂騾^(qū)，河川和下墊面滲透力較差、生態(tài)環(huán)境極其脆弱，大雨、暴雨、大雪和暴雪往往會(huì)造成洪水、泥石流、山體滑坡和暴風(fēng)雪等災(zāi)害，對(duì)生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活造成巨大影響。

降水量作為反映氣候特征最重要的指標(biāo)之一，其變化的時(shí)空分布受氣候、緯度等因子的影響，具有明顯的年際和年內(nèi)變化特點(diǎn)，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)建設(shè)影響突出［11］。為進(jìn)一步了解新疆不同地區(qū)的降水量變化特征，本文以位于北疆塔城地區(qū)和豐縣的氣溫和降水量時(shí)間序列的趨勢(shì)特征和突變特征進(jìn)行探討，為該區(qū)域氣候變化研究進(jìn)一步提供基礎(chǔ)。

1研究區(qū)及數(shù)據(jù)資料

和豐縣位于準(zhǔn)噶爾盆地西北部，新疆維吾爾自治區(qū)塔城地區(qū)東北部，地理坐標(biāo)為東經(jīng)84°37′-87°20′，北緯45°20′-47°12′?？h境東西長(zhǎng)210 km，南北寬207 km，總面積為306×104m2，占新疆維吾爾自治區(qū)總面積的19%。其大氣降水主要來自西方的冷濕氣流。大氣降水有垂直地帶性變化規(guī)律，從山區(qū)向平原逐漸遞減，其中北部山地氣候區(qū)平均年降水量為1456 mm，南部平原氣候區(qū)為900 mm。

本文選用和豐縣氣象站1954年-2010年57年的年均氣溫和年降水量數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，在計(jì)算前，對(duì)數(shù)據(jù)的完整性、一致性進(jìn)行了檢驗(yàn)，并且進(jìn)行了極值篩選工作，以確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性、準(zhǔn)確性、可靠性。

2研究方法

21趨勢(shì)分析和顯著性檢驗(yàn)

211累積距平

endprint

累積距平是一種由曲線直觀判斷氣候變化趨勢(shì)的方法。對(duì)于氣候要素序列，其某一時(shí)刻t的累積距平表示為：

D=∑ti=1（Xi-X）（t=1,2，…，n）（1）

D1n∑ni=1Xi（2）

計(jì)算出n個(gè)時(shí)刻的累積距平值后，即可繪制出累積距平曲線進(jìn)行趨勢(shì)分析。

212MannKendaⅡ非參數(shù)檢驗(yàn)

MannKendaⅡ（以下簡(jiǎn)稱MK）非參數(shù)統(tǒng)計(jì)［1213］是由世界氣象組織推薦的應(yīng)用于環(huán)境數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)分析的方法，已經(jīng)廣泛用于檢驗(yàn)流量、氣溫和降雨序列等水文氣象資料的趨勢(shì)分析。其優(yōu)勢(shì)是不需要樣本遵從一定的分部，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算比較簡(jiǎn)便。

對(duì)于具有n個(gè)樣本的時(shí)間序列x，構(gòu)造變量S：

S=∑n-1i=1∑nj=i+1sgn(Xi-Xj)（3）

式中：Xi和Xj分別為第i年和第j年的數(shù)值，i>j，n為系列的記錄長(zhǎng)度（個(gè)數(shù)）；sgn(Xi-Xj)為表征函數(shù)。

sgn(θ)=1xi-xj>0

0xi-xj=0

-1xi-xj<0（4）

ZCs-1var(S)S>0

0S=0

s+1var(S)S<0（5）

式中：Z為正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量；var（S）為S的方差。

考慮到分析的時(shí)間序列可能出現(xiàn)上升也可能出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，因此，MK趨勢(shì)檢驗(yàn)中采用雙邊檢驗(yàn)。在給定的α=005顯著性水平上，如果|Z|>Zɑ則認(rèn)為該時(shí)間序列存在顯著的變化趨勢(shì)，反之，則認(rèn)為該時(shí)間序列不存在顯著的變化趨勢(shì)；Z大于0則表示時(shí)間序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表示時(shí)間序列呈下降趨勢(shì)。顯著性水平為005時(shí)，Z005=018。此次研究分析選取顯著性水平為005時(shí)，對(duì)和豐縣近57 年來氣溫和降水的變化趨勢(shì)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

22突變分析

對(duì)一些物理機(jī)制目前還不甚明確的突變現(xiàn)象，若使用的檢測(cè)方法不當(dāng)，可能會(huì)得出錯(cuò)誤結(jié)論，因此在確定某氣候系統(tǒng)或過程發(fā)生突變現(xiàn)象時(shí)，通常使用多種方法進(jìn)行比較［14］。本文采用MK和pettitt兩種方法進(jìn)行突變分析，互相驗(yàn)證。

221MK突變檢驗(yàn)

該方法的優(yōu)點(diǎn)在于不僅計(jì)算簡(jiǎn)便，而且可以明確突變開始的時(shí)間，指出突變區(qū)域，是一種常用的突變檢測(cè)方法。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定條件下，計(jì)算統(tǒng)計(jì)量：

UFk=Sk-E（Sk）var（Sk）(k=1,2,…,n)（6）

式中：E（Sk）和var（Sk）分別為Sk的均值與方差。

按時(shí)間序列x的逆序xn，xn-1，…，x1重復(fù)上述過程，獲得統(tǒng)計(jì)變量UBk（k=n，n-1，…，1），同時(shí)使：UBk=-UFk。將UBk與UFk繪制成曲線，如果2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且該點(diǎn)處的U值滿足<196，則認(rèn)為該點(diǎn)為序列的突變點(diǎn)，檢驗(yàn)置信水平α=005。

222Pettitt突變檢驗(yàn)

采用Pettitt方法檢測(cè)研究區(qū)域氣溫和降水量長(zhǎng)時(shí)間序列中的突變現(xiàn)象不僅能夠判斷出突變點(diǎn)的位置及數(shù)量，還可判斷這些變點(diǎn)是否在統(tǒng)計(jì)意義上顯著［15］。

定義統(tǒng)計(jì)量Ut,N:

Ut,N=Ut1+∑njsng(Xt-Xj),(t=2,3,…,N)（7）

sgn(θ)1,θ>0

0,θ=0

-1，θ<0（8）

式中：Xi,Xj為欲進(jìn)行假設(shè)檢驗(yàn)的隨機(jī)變量；N代表數(shù)據(jù)系列的長(zhǎng)度；Ut,N為新序列，由根據(jù)第一個(gè)樣本序列超過第二個(gè)樣本序列次數(shù)的統(tǒng)計(jì)組成新的序列。Pettitt法原假設(shè)H0為序列不存在突變點(diǎn)。若t時(shí)刻滿足：k(t)=max|Ut,N|(1≤t≤N),則t點(diǎn)處為突變點(diǎn)。同時(shí)計(jì)算統(tǒng)計(jì)量：

P=2exp{-6(KN)2/(N3+N2)},如果P≤05，則認(rèn)為檢驗(yàn)出的突變點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的。

3分析結(jié)果

31氣溫和降水序列的趨勢(shì)性分析

根據(jù)圖1中年均氣溫變化曲線及距平曲線分析可知，1997年的距平值最大，超過57 年平均氣溫的206 ℃，其年均氣溫為571 ℃；1954年的距平值最小，低于57 年平均氣溫的216 ℃，其年均氣溫為149 ℃；共有30 年的氣溫距平值為正，約占統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列的526%，尤為突出的是：從1988年-2010年的22 年中，除1993年和1996年以外，其余20 年氣溫的距平值均大于0，可見，自1988年，氣溫呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)，這一現(xiàn)象和李珍［8］分析的新疆北疆氣溫變化趨勢(shì)是相一致的。年均氣溫的變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果見表1，分析可知，和豐縣自1954年-2010年，57年的年均氣溫均通過α=005的顯著性檢驗(yàn)，表明其年均氣溫呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且增加趨勢(shì)表現(xiàn)顯著。

表1年均氣溫和年降水量趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果

Table 1Trend test results of annual temperature and precipitation

項(xiàng)目Zc趨勢(shì)性Z005顯著性年均氣溫1166增加018顯著年降水量004增加018不顯著注：“+”表示通過顯著性檢驗(yàn)，“”表示未通過顯著性檢驗(yàn)

由圖1中年降水量變化曲線及距平曲線可知，57年來，和豐縣年降水量略有增加的趨勢(shì)，但總體變化趨勢(shì)不顯著。偏枯和偏豐年份分別占統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列的491%和509%，各為28 a和29 a，說明近57年來，豐枯降水年交錯(cuò)分布，這和黃海云［16］、陳洪濤［17］分析的結(jié)果基本是一致的。年降水量最小值出現(xiàn)在1977年，為695 mm，低于平均降水量約7609 mm；年降水量最大值出現(xiàn)在2007年，為2856 mm，超出平均降水量約14001 mm。降水量在57年中有三次增長(zhǎng)幅度較大的階段，分別是：1957年-1958年，降水量從939 mm經(jīng)過短短一年的時(shí)間增加到278 mm，年增加幅度為1844 mm/a；1991年-1993年，降水量從915 mm增加至257 mm，年增加幅度為828 mm/a；2006年-2007年，降水量從801mm增加至2856 mm，年增加幅度為2052 mm/a；這三個(gè)階段降水量距平值出現(xiàn)較大幅度增長(zhǎng)，說明這幾個(gè)增長(zhǎng)幅度較大的年份可作為豐水年的代表年份。由表1分析可知年降水量的變化趨勢(shì)，和豐縣自1954年-2010年，Zc=004，大于0，但未通過α=005顯著性檢驗(yàn)，說明近57年來，和豐縣年降水量呈增加趨勢(shì)，但增加趨勢(shì)表現(xiàn)不具有顯著性。

32氣溫和降水序列的突變分析

在圖2氣溫突變分析的MK曲線中，UF曲線除了在1958年-1961年出現(xiàn)小于0的情況之外，其余時(shí)刻UF曲線均大于0，說明年均氣溫自1961年之后呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢(shì)，自1978年上升趨勢(shì)顯著；UF和UB曲線在20世紀(jì)80年代-20世紀(jì)90年代之間出現(xiàn)交叉3個(gè)交叉點(diǎn)，分別為1981年、1983年和1984年，但這幾個(gè)交叉點(diǎn)均在臨界值=196的臨界線之外，因而并不能以此判斷這三個(gè)交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的年份就是突變開始的時(shí)間。根據(jù)Pettitt方法（圖2）計(jì)算分析可知，k(t)=max|Ut,N|=57，對(duì)應(yīng)年份為1997年，但是P=0536>05，因此該點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義中并不顯著。

圖1和豐縣年均氣溫和年降水量變化曲線及距平曲線

Fig.1Variation curves and cumulative departure curves of

annual temperature and precipitation in Hefeng County

endprint

圖2和豐縣年均氣溫序列的突變分析曲線

Fig.2Mutation analysis curves of annual

temperature time series in Hefeng County

根據(jù)圖3降水量突變分析的MK曲線中，UF曲線除了在2000年和2003年出現(xiàn)小于0的情況之外，其余時(shí)刻UF曲線均大于0，說明年降水量在近57年的統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列中呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢(shì)；UF和UB曲線在2000年-2010年之間出現(xiàn)3個(gè)交叉點(diǎn)，分別為2006年、2007年和2009年，且這幾個(gè)交叉點(diǎn)均在臨界值=±196的臨界線之內(nèi)，因而可以判斷這三個(gè)交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的年份就是突變開始的時(shí)間。再根據(jù)Pettitt方法（圖2）計(jì)算分析可知，k(t)=max|Ut,N|=286，對(duì)應(yīng)年份為2007年，這正好和2007年7月和豐縣城區(qū)特大暴雨洪水的實(shí)際情況相吻合，另外計(jì)算得出P=0049<05，因此該點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義中顯著。

圖3年降水量序列的突變分析曲線

Fig.3Mutation analysis curves of annual

precipitation time series in Hefeng County

4結(jié)論

（1）對(duì)和豐縣1954年-2010年近57年年均氣溫和年降水量?jī)蓚€(gè)氣象因素的時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)性和突變性檢驗(yàn)，結(jié)果表明：和豐縣近57年來的年均氣溫呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，且增加趨勢(shì)表現(xiàn)顯著。年降水量略有增加的趨勢(shì)，但總體變化趨勢(shì)不顯著；豐枯降水年交錯(cuò)分布。

（2）氣溫突變分析的MK檢測(cè)結(jié)果表明年均氣溫自1961年之后呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢(shì)，自1978年上升趨勢(shì)顯著，但無(wú)突變年份出現(xiàn)；Pettitt方法檢測(cè)則發(fā)現(xiàn)有氣溫突變年份，對(duì)應(yīng)年份為1997年，但是該點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義中并不顯著。

（3）降水量突變分析的MK分析檢測(cè)結(jié)果表明，降水量在近57年的統(tǒng)計(jì)時(shí)間序列中呈現(xiàn)平穩(wěn)上升趨勢(shì)，且有2006年、2007年和2009年3個(gè)突變點(diǎn)；Pettitt方法檢測(cè)的突變年份為2007年，該點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義中顯著，未來降水量呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

目前，突變統(tǒng)計(jì)分析的方法還不成熟，本文采用MK方法和Pettitt方法進(jìn)行突變檢測(cè)，可以相對(duì)增加突變分析的可靠性。但這兩種方法均屬于非參數(shù)檢驗(yàn)方法，且Pettitt方法的檢測(cè)結(jié)果還會(huì)在遇到多個(gè)突變點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生影響。因而，在以后進(jìn)行相應(yīng)的研究工作中，還需多增加檢驗(yàn)方法并剔除不平穩(wěn)樣本序列后才能進(jìn)一步得到更為可靠的分析結(jié)論。

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endprint

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［17］陳洪濤,湯英.新疆塔城地區(qū)近55年降水變化特征分析［J］水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010,21(4):6569.(CHEN Hongtao,TANG Ying.Analysis on Precipitation change Characteristics During Recent 55 Years in Tacheng prefecture of Xinjiang.［J］Journal of Water Resources and Water Engineering 2010,21(4):6569.(in Chinese))

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