沈陽(yáng)近39年溫度和降水變化趨勢(shì)分析

宋冀鳳等

摘要選取沈陽(yáng)市1961～1999年1、7月和年平均溫度、降水資料，采用相關(guān)系數(shù)法和R/S法對(duì)沈陽(yáng)的氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析；同時(shí)選取新民對(duì)應(yīng)月份和年份的資料，采用城郊對(duì)比法對(duì)沈陽(yáng)城市氣候效應(yīng)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，1961～1989年沈陽(yáng)1月平均溫度和年平均溫度均呈上升趨勢(shì)，而7月平均溫度呈下降趨勢(shì)；R/S法檢驗(yàn)1990～1999年資料顯示，1990～1999年平均溫度和1月平均溫度變化趨勢(shì)與過(guò)去趨勢(shì)相同，均呈上升趨勢(shì)，7月平均溫度變化趨勢(shì)與過(guò)去相反，即呈上升趨勢(shì)，說(shuō)明R/S法對(duì)沈陽(yáng)地區(qū)較適合。分析沈陽(yáng)和新民的溫度、降水資料，沈陽(yáng)城市熱島強(qiáng)度依次為1月>年平均>7月；沈陽(yáng)1961～1989年1月降水量呈下降趨勢(shì)，7月則呈微弱的上升趨勢(shì)，年平均降水量隨機(jī)性較大；1990～1995年資料驗(yàn)證結(jié)果顯示，1月降水變化趨勢(shì)將與過(guò)去趨勢(shì)相同，仍呈下降趨勢(shì)，7月和年平均的降水變化具有較大的隨機(jī)性，R/S方法也可應(yīng)用在降水量的分析，但不如對(duì)溫度的分析效果好。

關(guān)鍵詞溫度；降水；城市效應(yīng)；變化趨勢(shì)；R/S分析

中圖分類號(hào)S161文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2015）24-170-04

近年來(lái)，隨著城市化的發(fā)展，人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響逐漸增大，城市氣候問(wèn)題越來(lái)越引起人們的關(guān)注。當(dāng)前城市氣候就是在區(qū)域氣候背景上經(jīng)城市化后，在城市特殊下墊面和人類活動(dòng)的影響下而形成的一種局地氣候。我國(guó)目前對(duì)城市氣候的研究還處在初級(jí)階段，近幾年我國(guó)一般均采用城郊對(duì)比法來(lái)研究城市氣候變化。如孫鳳華等分析了沈陽(yáng)市和郊區(qū)兩地日最高最低溫差的變化規(guī)律，并與前期的氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析，揭示出由于氣象條件變化造成城郊溫差的不規(guī)則變化[1]。在對(duì)昆明城市氣候研究方面，一些研究基本上均采用昆明與附近郊縣對(duì)比的方法，但由于昆明與各郊縣的發(fā)展很不均衡，用城郊對(duì)比法來(lái)描述昆明城市氣候存在缺陷，因此，施曉暉等對(duì)昆明城市氣候特征的研究則是采用云南大學(xué)觀測(cè)點(diǎn)與昆明國(guó)家氣候基準(zhǔn)站的資料進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)昆明的熱島強(qiáng)度干季大于雨季、冬季大于夏季，日變化則基本上具有夜間強(qiáng)、白晝?nèi)醯奶攸c(diǎn)[2]。筆者在此選取沈陽(yáng)市1961～1999年1、7月和年平均溫度、降水資料，采用相關(guān)系數(shù)法和R/S法對(duì)沈陽(yáng)的氣候變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析；同時(shí)選取新民對(duì)應(yīng)月份和年份的資料，采用城郊對(duì)比法對(duì)沈陽(yáng)城市氣候效應(yīng)進(jìn)行了分析。

1資料和方法

主要選取沈陽(yáng)市1961～1999年1、7月和年平均溫度及降水資料，并采用了新民1961～1995年相應(yīng)的氣溫、降水資料，通過(guò)相關(guān)系數(shù)法、城郊對(duì)比法和R/S法對(duì)這些溫度、降水資料進(jìn)行分析。由于1984～1988和1990年的降水資料缺失，為保證有效降水年數(shù)與氣溫圖年數(shù)一致，降水資料選取的是1961～1995和1996～1999年共33年資料。

R/S法則是國(guó)內(nèi)較新的一種統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，最早是由Hurst提出，后來(lái)Mandelbrot等在理論上對(duì)該方法進(jìn)行補(bǔ)充和完善，近些年該方法在分形研究中得到許多應(yīng)用，其主要原理為：

考慮一個(gè)時(shí)間序列{ξ（t）}（t=1，2，…），對(duì)于任意正整數(shù)τ≥1，定義均值序列（ξ）τ=1τ

τt=1ξ（t）（τ=1，2，…），則累積離差X（t，τ）=tu=1（ξ（u）-（ξ）τ）（1≤t≤τ）、極差R（τ）=max1≤t≤τX(jué)（t，τ）-min1≤t≤τX(jué)（t，τ）（τ=1，2，…），標(biāo)準(zhǔn)差

S（τ）=1τ

τt=1（ξ（t）-（ξ）τ）212

（τ=1，2，…）。令比值R（τ）/S（τ）=R/S，若存在如下關(guān)系：R/S∝τH，則說(shuō)明所分析的時(shí)間序列存在 Hurst現(xiàn)象，H稱為Hurst指數(shù)。H值可根據(jù)計(jì)算出的（τ，R/S）的值，在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)系（lnτ，lnR/S）中用最小二乘法擬合式得到。根據(jù)H的大小，可以判斷該時(shí)間序列是完全隨機(jī)還是存在某種趨勢(shì)性。趨勢(shì)性表現(xiàn)為持續(xù)性或反持續(xù)性。研究證明H=0.5，時(shí)間序列完全隨機(jī)，在氣候指標(biāo)上則表明氣候變化是隨機(jī)性的；0.5

以上分析可見(jiàn)，Hurst指數(shù)法能很好地揭示出時(shí)間序列的趨勢(shì)性，同時(shí)也反映出趨勢(shì)性的強(qiáng)度。

2結(jié)果與分析

2.1沈陽(yáng)歷年平均氣溫狀況

2.1.11月平均氣溫。

從1961～1989年沈陽(yáng)和新民1月平均氣溫（圖1）可以看出，沈陽(yáng)1961～1970年1月平均氣溫較低，均在-10 ℃以下，處于相對(duì)冷的時(shí)期；從1971年開(kāi)始，氣溫有所上升且波動(dòng)較大，最高氣溫達(dá)-8 ℃以上，最低氣溫低于-14 ℃，兩者相差6 ℃以上。從表1可以得到沈陽(yáng)1961～1989年1月氣溫與時(shí)間呈正相關(guān)，但不顯著，說(shuō)明沈陽(yáng)1月平均氣溫在波動(dòng)中有上升的趨勢(shì)。新民1月平均氣溫的變化趨勢(shì)與沈陽(yáng)的大體上相同，但1961～1989年新民1月平均氣溫為-11.9 ℃，沈陽(yáng)為-11.4 ℃，新民比沈陽(yáng)低05 ℃，表明沈陽(yáng)1月具有弱熱島效應(yīng)。

采用R/S法分析1961～1989年沈陽(yáng)1月平均氣溫的Hurst指數(shù)，結(jié)果（圖2、表2）顯示，沈陽(yáng)1月平均氣溫H值為0.64，說(shuō)明沈陽(yáng)冬季1月平均氣溫未來(lái)的變化趨勢(shì)將與過(guò)去一致，即過(guò)去29年逐漸升溫的趨勢(shì)預(yù)示1990年以后的整體趨勢(shì)依然是升溫趨勢(shì)。從表1可以看出1990～1999年氣溫與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，即氣溫是隨時(shí)間呈逐漸上升趨勢(shì)。它驗(yàn)證R/S比較適合于推算沈陽(yáng)地區(qū)的溫度演變規(guī)律。

2.1.27月平均氣溫。

從圖3可以看出，1961～1989年沈陽(yáng)7月平均氣溫的變化趨勢(shì)不是很明顯。沈陽(yáng)1961～1989年7

月平均氣溫與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為-0.138，呈微弱負(fù)相關(guān)關(guān)

系（表1），說(shuō)明沈陽(yáng)7月平均氣溫沒(méi)有明顯的下降趨勢(shì)。新民7月平均氣溫的變化趨勢(shì)與沈陽(yáng)基本一致，氣溫值普遍比沈陽(yáng)低，沈陽(yáng)7月平均氣溫為24.5 ℃，新民為24.2 ℃，僅比沈陽(yáng)低0.3 ℃，說(shuō)明沈陽(yáng)7月幾乎沒(méi)有熱島效應(yīng)。

R/S法的分析結(jié)果表明（表1～2和圖4），沈陽(yáng)7月平均氣溫的H值為0.40，表明未來(lái)的變化趨勢(shì)與過(guò)去相反，即1990年以后將呈增溫趨勢(shì)。同樣，從表1可以看到1990～1999年氣溫與時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系，與R/S法的分析結(jié)果一致。

2.1.3年平均氣溫。從圖5可以看出，沈陽(yáng)年平均氣溫在1969年出現(xiàn)了一個(gè)最低點(diǎn)，溫度<7 ℃，以后溫度呈波動(dòng)性上升趨勢(shì)，從表1也可以得到同樣的結(jié)論，1961～1989年沈陽(yáng)全年平均氣溫與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為0.471，說(shuō)明氣溫是隨時(shí)間上升的。新民年平均溫度在1969年也出現(xiàn)了一個(gè)最低點(diǎn)，其溫度比沈陽(yáng)低，且除1970、1989年外，其余年份沈陽(yáng)的溫度均比新民高。由數(shù)據(jù)可知，1961～1989年沈陽(yáng)年平均氣溫比新民高出0.4 ℃，其熱島強(qiáng)度介于冬季（1月）與夏季（7月）之間，但仍可認(rèn)為沈陽(yáng)年平均熱島效應(yīng)不明顯。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

沈陽(yáng)全年平均氣溫的H值為0.66（圖6和表2），表明未來(lái)的變化與過(guò)去的上升趨勢(shì)相同，即1990年以后溫度仍然是逐漸上升的。從表1可知，1990～1999年氣溫與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為0.688，是正相關(guān)，表明溫度隨時(shí)間是上升的，這與R/S法的分析結(jié)果一致。

以上是用R/S法對(duì)沈陽(yáng)氣溫未來(lái)變化趨勢(shì)的分析，用此法還可以定量分析未來(lái)氣溫變化趨勢(shì)的強(qiáng)度，由于1月的H值（0.64）小于年平均的H值（0.66），故年平均氣溫未來(lái)的上升趨勢(shì)將強(qiáng)于冬季，因?yàn)?月的H值與年平均的H值較接近，表明冬季氣溫變化趨勢(shì)即城市化效應(yīng)對(duì)全年氣溫的變化有較大的作用。

2.2沈陽(yáng)歷年降水狀況

2.2.11月降水量。

從沈陽(yáng)、新民1961～1995年1月降水（圖7）可看到沈陽(yáng)降水量隨時(shí)間呈波動(dòng)性下降趨勢(shì)。1961～1995年沈陽(yáng)市1月降水與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為-0.331（表3），說(shuō)明沈陽(yáng)1月降水是在逐漸減少。1964～1982年新民1月的降水量均比沈陽(yáng)少，其余年份兩地的降水量相差不大。由數(shù)據(jù)可知，沈陽(yáng)1月平均降水量（5.62 mm）比新民的降水量（2.66 mm）多2.96 mm。

應(yīng)用 R/S法來(lái)分析沈陽(yáng)降水的未來(lái)變化情況，得出1月降水量的H值為0.67（圖8和表2），表明沈陽(yáng)1月降水量的變化趨勢(shì)與過(guò)去一樣，未來(lái)降水的趨勢(shì)仍然是下降的。這個(gè)結(jié)論從表3可得到驗(yàn)證，1996～1999年1月降水與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為-0.327，為負(fù)相關(guān)，說(shuō)明降水量隨時(shí)間是減少的，這與 R/S法的分析結(jié)果一致。

2.2.27月降水量。

1961～1995年沈陽(yáng)7月降水量變化趨勢(shì)不明顯（圖9），降水量在1972年達(dá)到一個(gè)極低值，以后降水有微弱的上升趨勢(shì)。1961～1995年7月降水與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為0.012（表3），相關(guān)性很小，即降水量的上升趨勢(shì)極微弱，具有很大的隨機(jī)性。由圖9可看出新民7月降水量與沈陽(yáng)的交替上升，并由數(shù)據(jù)可知，沈陽(yáng)7月降水量（179.5 mm）與新民的（178.5 mm）差異很小。

由圖10和表2可知，沈陽(yáng)7月降水的H值為0.45，表明7月降水的未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去相反，即1995年以后降水將呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。1996～1999年7月降水與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為-0.197（表3），說(shuō)明降水隨時(shí)間呈下降趨勢(shì)，這與R/S法分析得到的結(jié)論一致。

2.2.3年降水量。1961～1995年沈陽(yáng)年平均降水量的變化無(wú)明顯上升或下降趨勢(shì)，僅在1965和1989年各出現(xiàn)了2個(gè)極低值（圖11）。由表3可知，1961～1995年沈陽(yáng)年平均降水與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)為0.112，可見(jiàn)雖為正相關(guān)，但具有較大的隨機(jī)性。從圖11還可以看到新民的降水量與沈陽(yáng)的降水量交替上升趨勢(shì)，但多數(shù)年份沈陽(yáng)的年降水量大于新民的年降水量，沈陽(yáng)的年降水平均為694.3 mm，新民為633.3 mm，兩地相差61.0 mm左右。

用R/S法來(lái)分析年平均降水的變化，得到的H值為051（圖12、表2），與0.5特別接近，表明年平均降水這個(gè)指標(biāo)基本獨(dú)立，降水變化基本上是隨機(jī)的。從表3可以看到，1961～1995年年降水與時(shí)間的相關(guān)系數(shù)（0.112）與1996～1999年的相關(guān)系數(shù)（-0.199）均比較小，說(shuō)明其相關(guān)性是

很小的。這與用R/S法來(lái)分析的結(jié)論也基本是一致的。

3結(jié)論

（1）沈陽(yáng)1961～1989年氣溫變化趨勢(shì)為冬季（1月）和

勢(shì)；沈陽(yáng)的城市熱島強(qiáng)度為1月>年平均>7月。用R/S法得到H值年平均（0.66）>1月（0.64）>7月（0.40），表明年平均和1月氣溫的未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去的趨勢(shì)相同，均呈升溫趨勢(shì)，7月未來(lái)變化趨勢(shì)與過(guò)去相反，也呈上升趨勢(shì)，同時(shí)年平均氣溫的上升趨勢(shì)強(qiáng)于冬季（1月）的上升趨勢(shì)。

（2）沈陽(yáng)1961～1995年1月降水變化趨勢(shì)是降低的，7月則呈微弱的上升趨勢(shì)，年平均的降水無(wú)明顯的上升或下降趨勢(shì)；沈陽(yáng)1月及全年的降水量均比新民多，表現(xiàn)出一定的城市效應(yīng)，7月兩地的降水量差不多，城市效應(yīng)不明顯。由1961～1995年降水的H值1月（0.67）>年平均（0.51）>7月（0.45）可知，沈陽(yáng)1月未來(lái)的降水變化趨勢(shì)將與過(guò)去趨勢(shì)相同，仍呈下降趨勢(shì)，7月未來(lái)的降水是逐漸減少的趨勢(shì)不明顯，具有一定的隨機(jī)性，年降水則具有很大的隨機(jī)性；顯然，冬季降水的未來(lái)變化趨勢(shì)強(qiáng)于年平均的趨勢(shì)。

參考文獻(xiàn)

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