咸陽市區(qū)近50年氣候變化特征分析

李興濤，韓 瑩，田 亮，方永俠，尹盟毅

(1.渭城區(qū)氣象局，陜西咸陽 712000；2.陜西省氣候中心，西安 710014；3.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000；4.興平市氣象局，陜西興平 713100)

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咸陽市區(qū)近50年氣候變化特征分析

李興濤1，韓 瑩2，田 亮2，方永俠3，尹盟毅4

(1.渭城區(qū)氣象局，陜西咸陽 712000；2.陜西省氣候中心，西安 710014；3.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000；4.興平市氣象局，陜西興平 713100)

利用陜西省咸陽市秦都國家基本氣象站1965—2014年逐日氣溫、降水、日照資料，用常規(guī)統(tǒng)計方法、Man-Kendall非參數(shù)檢驗法、Morlet小波分析等方法對咸陽市區(qū)近50年的氣候變化趨勢、突變特征、周期特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：近50年來咸陽市區(qū)氣候變化趨勢為氣溫顯著升高、降水略微減少、光照顯著減少，極端高溫、強降水天氣增多增強，極端低溫天氣逐漸減少。氣溫氣候傾向率為0.17 ℃/10 a，氣溫升高突變年為1997年，氣溫變化主要存在6、12、 32 a冷暖交替的振蕩周期；冬季明顯縮短，春季增長，夏季、秋季長度基本無變化。降水變化不明顯，突變特征不顯著，主要存在6、11、29 a干濕交替的振蕩周期。日照氣候傾向率為-59.06 h/10 a，突變年為1980年，日照變化主要存在7、13、25 a高低交替的振蕩周期。2014年后一段時期為干暖期。

氣候變化；Man-Kendall非參數(shù)檢驗法；小波分析；咸陽市區(qū)

近年來，在全球氣候變暖的大背景下，各類極端天氣氣候事件頻發(fā)，氣象災(zāi)害造成的損失和影響不斷加重，氣候變化引起了社會各界和各級政府的普遍關(guān)注和重視。為此，國內(nèi)不少氣象工作者對當(dāng)?shù)氐慕邓?、熱量資源、旱澇氣候演變等氣候特征進(jìn)行了研究[1-9]。咸陽市區(qū)位于關(guān)中平原腹地，地處暖溫帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同季，氣候溫和。本文對咸陽市區(qū)近50年來的氣候變化趨勢、突變特征和振蕩周期等進(jìn)行分析研究，對進(jìn)一步做好氣候預(yù)測、氣候資源開發(fā)利用和防災(zāi)減災(zāi)具有積極意義。

1 資料和方法

所用資料為陜西省咸陽市秦都國家基本氣象站1965—2014年逐日氣溫、降水、日照資料，采用線性回歸、Man-Kendall非參數(shù)檢驗法(簡稱M-K方法)和Morlet小波變換方法進(jìn)行趨勢分析、突變檢驗和周期變化分析[10]。

2 分析與結(jié)果

2.1 氣溫年際變化特征

2.1.1 平均氣溫 咸陽市區(qū)近50年的平均氣溫為13.1 ℃，最低為12.0 ℃(1984年)，最高為14.5 ℃(2013年)。從多年變化趨勢(圖1a)來看，年平均氣溫總體呈上升趨勢，氣候傾向率為 0.17 ℃/10 a。利用M-K方法對年平均氣溫的趨勢變化進(jìn)行檢驗，表1中統(tǒng)計量值S>0，Z>2.32，通過了置信度99%的顯著性檢驗，說明咸陽市區(qū)增溫顯著，與回歸分析結(jié)果一致。M-K方法突變檢驗顯示(圖1b)，咸陽市區(qū)年平均氣溫1967—1996年為相對偏低階段，其中1980—1993年偏低明顯，1997年發(fā)生突變，自1998年以后呈逐年上升趨勢，2007年后UF曲線超過了通過了0.01(U=2.58)顯著性水平的信度線，為顯著增溫。

圖1 1965—2014年咸陽市區(qū)年平均氣溫變化趨勢(a)和突變特征的M-K檢驗(b)

統(tǒng)計量年平均氣溫年平均最高氣溫年平均最低氣溫年降水量年日照時數(shù)S366380301-15-391Z3.05*3.17*2.51*-0.12-3.26*

注：*表示通過置信度99%的顯著性檢驗。

對咸陽市區(qū)近50年的年平均氣溫距平序列進(jìn)行Morlet小波變換(圖2)后發(fā)現(xiàn)，氣溫存在3～8、5～15、8～23、23～32 a四類尺度的振蕩周期。通過小波方差確定不同尺度波動能量和氣溫變化的主周期，第一主周期到第四主周期的時間尺度依次為6、12、32、17 a。分析主周期小波系數(shù)趨勢變化(圖略)，在6 a的時間尺度上，存在著平均變化周期為4 a左右的12個冷暖交替期；在12 a的時間尺度上，存在著8 a左右的6個冷暖交替期；在32 a的時間尺度上，存在22 a左右的2個冷暖交替期。不同時間尺度在2013年以后均為繼續(xù)升高的趨勢，由此可以預(yù)計2014年后一個時期咸陽市區(qū)氣溫為偏暖期。

圖2 1965—2014年咸陽市區(qū)年平均氣溫的小波分析

2.1.2 最高氣溫 咸陽市區(qū)近50年的平均最高氣溫為18.9 ℃，總體呈上升趨勢(圖略)，氣候傾向率為0.25 ℃/10 a。通過M-K檢驗分析(表1)，年平均最高氣溫上升趨勢明顯，通過了置信度99%的顯著性檢驗。M-K突變檢驗得出(圖略)，1967—1970、1975—1977、1981—1994年為偏低階段，1971—1973、1979—1980、1997年以后為偏高階段，1997年為突變年。自2007年以后UF曲線超過0.01顯著性水平的信度線，表明增溫趨勢顯著。

咸陽市區(qū)近50年的日極端最高氣溫出現(xiàn)在6—8月，以6、7月居多，日最高氣溫≥35 ℃的年平均高溫日數(shù)為17.6 d,極端值為42.0 ℃(1966年6月21日)。20世紀(jì)70年代中期到80年代末，高溫天氣出現(xiàn)次數(shù)較少，1984年僅出現(xiàn)1 d，最高氣溫為35.4 ℃。自1997年后, 極端高溫天氣增多增強,年平均高溫日數(shù)增至19.5 d,1997年48 d，為50年來最多，2002年也達(dá)33 d；年極端最高氣溫始終維持在38 ℃以上，1998、2005、2006、2014年均突破40 ℃(圖略)。

2.1.3 最低氣溫 咸陽市區(qū)近50年的平均最低氣溫為8.3 ℃，總體呈上升趨勢(圖略)，氣候傾向率為0.11 ℃/10 a。從表1可知，年平均最低氣溫上升趨勢明顯，通過了置信度99%的顯著性檢驗。M-K突變檢驗得出(圖略)，1969—1972、1984—1987、1992—1996年為偏低階段，1965—1967、1973—1983、1988—1991、1997年以后為偏高階段，突變發(fā)生在1997年，之后呈逐年上升趨勢，自2009年后，UF曲線超過0.01顯著性水平的信度線，增溫顯著。

咸陽市區(qū)近50年的日極端最低氣溫出現(xiàn)在11—2月，以1月居多，日最低氣溫≤0 ℃的年平均低溫日數(shù)為99.7 d。20世紀(jì)60年代末至90年代初，低溫天氣出現(xiàn)的頻次和強度較高，1969年出現(xiàn)115 d,1985年出現(xiàn)116 d；1969、1977、1991年極端最低氣溫為50年第一、第二、第三低值，1969年2月5日極端最低氣溫達(dá)-19.7 ℃。1998年后，低溫天氣逐漸減少，年平均低溫日數(shù)減至94.7 d，2006年出現(xiàn)84 d，2007年出現(xiàn)83 d，為50年來最少(圖略)。

2.1.4 四季分布特征 利用近50年的逐日平均氣溫資料，依據(jù)氣象行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)QX/T 152—2012《氣候季節(jié)劃分》統(tǒng)計得出咸陽市區(qū)的四季起止日期和長度，結(jié)果見表2。

表2 咸陽市區(qū)四季起止日期及長度

注：連續(xù)5 d滑動平均氣溫≥10 ℃入春，≥22 ℃入夏，<22 ℃入秋，<10 ℃入冬。

從表2可知，氣象學(xué)上的四季劃分與24節(jié)氣四季起始日期存在明顯差異，入春比立春時間晚近2個月，入夏比立夏晚近1個月，入秋比立秋晚約1個月，入冬與立冬時間基本吻合。咸陽市區(qū)冬季最長，約5個月；夏季次之，3個多月；春秋季較短，都在2個月左右。

對四季長度的年際變化趨勢進(jìn)行分析(圖略)，冬季長度氣候傾向率為-3.29 d/10 a，春季為2.22 d/10 a，說明冬季縮短，春季增長，夏季、秋季長度基本無變化。將每年各季的開始時間與常年四季平均的開始時間比較(圖3)，近50年來入春時間正常的有23 a；2013年入春特早，比常年提前21 d；1996年入春特晚，比常年推遲19 d。入夏時間正常的有27 a；2007年入夏特早，比常年提前18 d；1987年入夏特晚，比常年推遲22 d。入秋時間正常的有24 a；2003年入秋特早，比常年提前24 d；2014年入秋特晚，比常年推遲16 d。入冬時間正常的有25 a；1985年入冬特早，比常年提前18 d；2006年入冬偏晚，比常年推遲11 d。入春、入夏最早年和入秋、入冬最晚年均出現(xiàn)在2006年以后。

圖3 1965—2014年咸陽市區(qū)四季早晚年際變化

2.2 降水年際變化特征

咸陽市區(qū)近50年平均降水量為512.5 mm，從圖4可以看出，降水量的年際變化較大，但回歸趨勢線與50年的平均值基本重合，總體變化趨勢不明顯；通過M-K趨勢檢驗可知(表1)，年降水量呈略微減少趨勢，變化趨勢不顯著。通過M-K突變檢驗(圖略)，UF曲線和UB曲線交點較多，突變顯著性水平不足0.1，表明降水沒有發(fā)生突變。

圖4 1965—2014年咸陽市區(qū)年降水量變化趨勢

以日降水量≥0.1 mm記為一個降水日，咸陽市區(qū)近50年的年平均降水日為87.8 d； 最大日降水量集中出現(xiàn)在5—10月，以7—9月居多，7月最多，年平均暴雨日為0.4 d。由圖5可以看出，1980年以前暴雨出現(xiàn)較少，僅1972年有1 d。自1998年后，暴雨出現(xiàn)的頻率和強度明顯增加，年平均暴雨日增加到0.8 d，1998、2003、2007年暴雨日為2 d，2011年為4 d；2007年8月9日最大日降水量達(dá)158.5 mm，為50年之最。

圖5 1965—2014年咸陽市區(qū)年最大日降水量和暴雨日年際變化

對咸陽市區(qū)近50年的年降水量距平系列進(jìn)行morlet小波變換(圖6)，年降水量存在3～8 a、8～15 a、8～23 a、23～32 a四類時間尺度的振蕩周期。降水的第一到第四主要周期依次為29、11、6、19 a。對主周期小波系數(shù)趨勢分析(圖略)，在6 a時間尺度上，存在著平均變化周期為4 a左右的11個干濕交替期；在11 a時間尺度上，存在7 a左右的6個干濕交替期；在29 a時間尺度上，存在20 a左右的2個干濕交替期。在11 a和29 a時間尺度上2012年以后降水均為減少趨勢，由此預(yù)測，2014年后一個時期咸陽市區(qū)降水為偏干期。

圖6 1965—2014年咸陽市區(qū)年降水量的小波分析

2.3 日照時數(shù)年際變化特征

咸陽市區(qū)近50年年平均日照時數(shù)為2 071.1 h,年平均日照百分率為47%。年日照時數(shù)最多為2 376.3 h(1966年),最少1 655.4 h(2009年)。年日照時數(shù)總體呈減少趨勢，氣候傾向率為-59.06 h/10 a(圖7)。利用M-K方法對日照趨勢變化和突變情況進(jìn)行檢驗(表1)，日照減少明顯，通過了置信度99%的顯著性檢驗。從1967年開始，日照呈逐年下降趨勢，1980年發(fā)生突變。20世紀(jì)90年代初期和2003年以后減少趨勢十分顯著，UF曲線超過了0.01顯著性水平的信度線(圖略)。

圖7 1965—2014年咸陽市區(qū)日照時數(shù)年際變化趨勢

對咸陽市區(qū)近50年的年日照時數(shù)距平系列進(jìn)行morlet小波變換(圖8)，日照存在4～10 a、7～18 a、18～32 a三類時間尺度的振蕩周期。第一到第三主周期依次是13、25、7 a。分析主周期小波系數(shù)趨勢變化(圖略)，在7 a時間尺度上，存在平均變化周期為4 a左右的8個高低交替時期；在13 a時間尺度上，存在8 a左右的5個高低交替時期；在25 a時間尺度上，存在17 a左右的3個高低交替時期。從13 a和25 a時間尺度上看，在2013年后日照時數(shù)均為增加趨勢，由此預(yù)測，2014年后一個時期咸陽市區(qū)的日照為相對偏多期。

圖8 1965—2014年咸陽市區(qū)年日照時數(shù)的小波分析

3 結(jié)論與討論

(1)咸陽市區(qū)近50年氣溫呈顯著升高趨勢，氣候傾向率平均氣溫為0.17 ℃/10 a，平均最高氣溫為0.25 ℃/10 a，平均最低氣溫為0.11 ℃/10 a。最高氣溫的升溫幅度超過了平均氣溫和最低氣溫，對咸陽市區(qū)的增暖貢獻(xiàn)最大。極端高溫天氣多出現(xiàn)在6、7月，自1997年后，高溫天氣發(fā)生的頻率和強度明顯增加；極端低溫天氣多出現(xiàn)在1月，自1998年以后，呈減少趨勢。升溫突變點出現(xiàn)在1997年，自2007年以后，最高氣溫和最低氣溫的增溫趨勢均十分明顯，是近50年來最高的一段時期。氣溫變化主要存在6、12、32 a冷暖交替的振蕩周期，2014年后一個時期咸陽市區(qū)氣溫處于偏暖期。

(2)咸陽市區(qū)四季中冬季最長，夏季次之，春、秋季較短。50年來季節(jié)長度的氣候傾向率，冬季為-3.29 d/10 a，明顯縮短；春季為2.22 d/10 a，明顯增長；夏季、秋季長度基本無變化。入春、入夏最早年和入秋、入冬最晚年均出現(xiàn)在2006年以后。

(3)咸陽市區(qū)近50年的降水變化不明顯，呈略微減少趨勢；極端強降水天氣多出現(xiàn)在7—9月，自1998年以后，暴雨發(fā)生的頻率和強度明顯增加。降水變化主要存在6、11、29 a干濕交替的振蕩周期，2014年后一個時期咸陽市區(qū)降水處于偏干期。

(4)咸陽市區(qū)近50年的日照時數(shù)呈明顯減少趨勢，氣候傾向率為-59.06 h/10 a。1980年為日照減少的突變年，20世紀(jì)90年代初期和2003年以后是近50年來日照時數(shù)最少的時期。日照變化主要存在7、13、25 a高低交替的振蕩周期，2014年后一個時期咸陽市區(qū)日照處于相對偏多期。

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1006-4354(2016)06-0013-05

2016-05-23

李興濤(1980—)，女，漢族，云南宜良人，學(xué)士，工程師，從事氣象服務(wù)工作。

陜西省氣象局科技創(chuàng)新基金計劃項目(2014M-4)

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