?？谑薪?0a氣候變化研究

侯偉 馬明明 胡德強(qiáng) 施思 官滿元

摘 要 利用1951～2010年?？谑袊?guó)家基準(zhǔn)氣候站逐月平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等數(shù)據(jù)，采用線性傾向率、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)、累積距平法和Morlet小波分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，分析了海口市1951～2010年的氣候變化特征。結(jié)果表明：海口市近60 a氣候變化表現(xiàn)為氣溫顯著上升、日照時(shí)數(shù)顯著減少，但降水量變化不明顯。20世紀(jì)90年代是氣溫升高、降水量增多、日照時(shí)數(shù)減少的顯著變化穩(wěn)定期，2000年以后氣候變化波動(dòng)最強(qiáng)烈。旱季氣溫增幅明顯大于雨季，但降水量變化較小。此外，旱季氣候要素波動(dòng)大于雨季。氣候突變和小波分析得出，1986年是氣溫由低到高的突變點(diǎn)，1967～1978、1998～2010年分別是冷期和暖期；1976年是降水量發(fā)生由多到少的突變點(diǎn)，1993年是日照時(shí)數(shù)發(fā)生由多到少的突變點(diǎn)。?？谑袣鉁睾徒邓孔兓嬖?～10 a左右的周期，日照時(shí)數(shù)存在5～8 a、25～28 a左右的周期。

關(guān)鍵詞 氣候變化；Mann-Kandall非參數(shù)檢驗(yàn)；滑動(dòng)T檢驗(yàn)；累積距平；Morlet小波；?？谑?/p>

中圖分類號(hào) P467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

Abstract Haikou is one of the most important ecological tourist city in China， even throughout the World. The ecological environment and climate is the most precious natural resources. Carrying out the research of climate change characteristics in Haikou could be used to enhance its ability to adapt to the long-term effects of climate change， and delay or avoid the threats caused by climate change to regional ecological security. This paper used the data of monthly mean temperature， precipitation and sunshine duration during the period from 1951-2010 observed by national benchmark climate station and combined with some mathematical statistics methods such as linear regression method， Mann-Kendall nonparametric test， moving T-test， cumulative anomaly method and Morlet wavelet to analyze climate change characteristics in Haikou City. The results indicated that the climate change presented increasing annual mean temperature， decreasing annual sunshine duration， and climate tendency rate was 0.18 ℃/（10 a）and -83.1 h/（10 a）at the significance level α=0.01 respectively， the increasing rate of annual mean temperature was distinctly lower than that in whole China， and decreasing rate of annual sunshine duration significantly higher than in whole China. Moreover， no significant long-term change was observed in annual precipitation in the past 60 a. The stable period of climate changed significantly appeared in 1990s， mainly showed that increasing annual mean temperature and annual precipitation， decreasing annual sunshine duration， and fluctuations in climate change became the strongest since 2000 years. This indicated that the frequency and intensity of extreme weather events such as heat damage， floods and droughts will increase in the near future. In addition， the increasing rate of temperature in dry season was significantly higher than that in rainy season， but the change rate of precipitation was more obvious in rainy season than that in dry season. In addition， the fluctuation of climatic elements was more obvious in dry season than that in rainy season. The study of abrupt climate change and Morlet wavelet revealed that 1986 was an abrupt change point of annual mean temperature increasing， 1976 was an abrupt change point of annual precipitation reduction， 1993 was an abrupt change point of annual sunshine duration reduction， 1967～1978 and 1998～2010 correspond to cold period and warm period in Haikou respectively. Annual mean temperature and annual precipitation of Haikou existed evident characteristic time scale with 5-10 a， the periodic oscillation of annual sunshine duration were in 5-8 and 25-28 a.

Key words Climate change； Mann-Kendall test； Moving T-test； Cumulative anomaly method； Morlet wavelet； Haikou

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.10.028

氣候變化是21世紀(jì)全球面臨的一個(gè)重大問(wèn)題[1]，IPCC在第五次評(píng)估報(bào)告（AR5）中指出，全球氣候系統(tǒng)變暖的事實(shí)毋庸置疑，1880～2012年全球平均溫度已升高0.85 ℃（0.65～1.06 ℃），在過(guò)去30 a中，每10 a溫度增幅均高于1850年以來(lái)任何時(shí)期，在北半球，1983～2012年可能是最近1 400 a氣溫最高的30 a。越來(lái)越多地區(qū)強(qiáng)降水頻率、強(qiáng)度和降水量在增加[2]。與全球氣候變暖相應(yīng)，中國(guó)近100 a來(lái)平均溫度上升了0.79 ℃，尤其近50 a（1956～2005年）的增幅最明顯，氣候變暖對(duì)中國(guó)南澇北旱的分布格局產(chǎn)生了顯著影響[3-4]。

中國(guó)氣候類型多樣，時(shí)間和空間上的較大差異，氣候變化背景下的區(qū)域氣候響應(yīng)差異性很大[3]。深入研究區(qū)域性長(zhǎng)時(shí)間序列的氣候變化背景、特征、原因及影響不僅對(duì)目標(biāo)區(qū)域自然生態(tài)保育和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供參考，更是對(duì)應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化的適應(yīng)和應(yīng)急能力，最大限度避免或減輕極端天氣氣候事件有重大意義。相較國(guó)外，中國(guó)在氣候變化研究方面起步較晚，觀測(cè)設(shè)備性能、觀測(cè)資料序列、研究結(jié)果可靠性等方面普遍不理想[3]，研究實(shí)力與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家仍有距離。目前，中國(guó)在區(qū)域性氣候變化方面的研究已較多，如葉正偉等[5]利用Mann-Kendall方法對(duì)廬山旅游區(qū)的氣溫和降水進(jìn)行了變化趨勢(shì)分析和突變檢驗(yàn)；張立偉等[6]應(yīng)用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和Kinging插值法分析了南嶺南北地區(qū)氣溫的時(shí)空變化特征；任永建等[7]考慮到氣溫序列的非均一性，通過(guò)對(duì)資料進(jìn)行插補(bǔ)后對(duì)武漢區(qū)域近百年地表氣溫變化趨勢(shì)進(jìn)行了研究；李淼等[8]對(duì)北京地區(qū)近300 a降水變化進(jìn)行了趨勢(shì)和突變檢驗(yàn)，并采用Morlet小波函數(shù)開(kāi)展了降水變化的多時(shí)間尺度周期性變化分析；何萍等[9]利用常規(guī)距平法、三階多項(xiàng)式擬合趨勢(shì)法、5 a滑動(dòng)平均法分析了云南楚雄市氣候年代際變化特征。目前針對(duì)?？谑袣夂蜃兓芯繄?bào)道較少，研究?jī)?nèi)容多采用累積距平和線性傾向估計(jì)方法對(duì)氣溫、降水和日照等要素進(jìn)行簡(jiǎn)單變化趨勢(shì)分析，而對(duì)多要素的氣候突變多途徑驗(yàn)證和多時(shí)間尺度周期性變化研究還屬空白。本文利用?？谑袊?guó)家氣象基準(zhǔn)站自1951～2010年逐月氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等氣象資料，采用線性傾向率、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)、累積距平和Morlet小波分析等統(tǒng)計(jì)方法對(duì)?？谑薪?0 a來(lái)氣候變化特征進(jìn)行初步研究，了解其氣候變化趨勢(shì)和周期規(guī)律，以期對(duì)區(qū)域自然生態(tài)保育、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣象防災(zāi)減災(zāi)有指導(dǎo)作用。

1 材料與方法

1.1 資料來(lái)源

?？跉庀笥^測(cè)站是國(guó)家氣象基準(zhǔn)觀測(cè)站，具有完整的氣象觀測(cè)資料序列，能代表海口市的氣候狀態(tài)和變化趨勢(shì)。本文所用1951～2010年逐月平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)等資料來(lái)自海南省氣象局，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)均一性檢驗(yàn)和質(zhì)量控制。?？谑械靥幍途暥葻釒П本?，屬熱帶海洋性季風(fēng)氣候，一年中降水變化顯著，干濕分明，雨季降水量占全年的83.2%左右，故本文又分雨季（5～10 月）和旱季（11～次年4月）進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.2 分析方法

利用?？跉庀笥^測(cè)站近60 a的年平均氣溫、年降水量、年日照時(shí)數(shù)等資料，采用滑動(dòng)平均、氣候傾向率分析其氣候變化趨勢(shì)，對(duì)結(jié)果的顯著性使用F檢驗(yàn)和Mann-Kendall（簡(jiǎn)稱M-K）非參數(shù)趨勢(shì)檢驗(yàn)。氣候突變采用M-K非參數(shù)突變檢驗(yàn)[10]、滑動(dòng)T檢驗(yàn)[10]和累積距平法對(duì)時(shí)間序列突變點(diǎn)和突變區(qū)域進(jìn)行分析，并檢驗(yàn)突變點(diǎn)真?zhèn)危岣呓Y(jié)論的可信度，在進(jìn)行氣候要素年代際變化趨勢(shì)分析中用到的變異系數(shù)（CV）是采用統(tǒng)計(jì)年代內(nèi)要素的標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)比值的百分率來(lái)計(jì)算，變異系數(shù)越大，表明統(tǒng)計(jì)年代的氣候要素波動(dòng)越大。此外，本文采用Morlet小波分析[11]對(duì)海口市氣候變化的周期性規(guī)律進(jìn)行了分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2007對(duì)氣象數(shù)據(jù)資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用Compaq Visual Fortran 6.6進(jìn)行M-K非參數(shù)突變檢驗(yàn)和小波分析。Excel 2007和Adobe Illustrator CS5用于圖形制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣候變化趨勢(shì)分析

海口市年平均氣溫、年降水量和年日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1。由圖1可看出，海口市1951～2010年的年平均氣溫呈逐漸上升趨勢(shì)，其中最高出現(xiàn)在1998年（25.4 ℃），最低出現(xiàn)在1967、1968、1971、1974年（均為23.2 ℃），通過(guò)線性擬合的氣候傾向率為0.18 ℃/（10 a）。經(jīng)過(guò)F顯著性檢驗(yàn)和M-K檢驗(yàn)得知，近60 a來(lái)?？谑心昃鶜鉁卦鰷刳厔?shì)通過(guò)了α=0.01的顯著水平。

與氣溫變化不同，海口市年降水量變化趨勢(shì)不明顯，波動(dòng)有逐漸增大的趨勢(shì)，特別是2000年以后波動(dòng)更為劇烈。降水量最多在2009年（2 628.2 mm），最少在1977年（871.5 mm），線性擬合的年降水量氣候傾向率為10.5 mm/（10 a）。年降水量增加趨勢(shì)未通過(guò)F檢驗(yàn)，而在M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)中得知年降水量是減少的趨勢(shì)，同樣未通過(guò)α=0.05的水平。這說(shuō)明海口市年降水量變化趨勢(shì)不明顯，且波動(dòng)較大的特征。

通過(guò)對(duì)日照時(shí)數(shù)的變化趨勢(shì)分析得出，?？谑薪?0 a年來(lái)日照時(shí)數(shù)明顯下降，最高值在1963年（2 553.8 h），最低值在1953年（1 316.9 h），通過(guò)線性擬合的氣候傾向率為-83.1 h/（10 a）。由F檢驗(yàn)和M-K檢驗(yàn)得知，年日照時(shí)數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)通過(guò)了α=0.01的顯著水平。

從年代際變化來(lái)看（表1），20世紀(jì)70年代開(kāi)始?xì)鉁爻尸F(xiàn)上升趨勢(shì)，而變異系數(shù)則表現(xiàn)為下降（2000～2010年例外），90年代氣溫上升幅度最大，相比80年代上升0.57 ℃，但其變異系數(shù)較小，2000年以后變異系數(shù)最大，表明90年代是?？谑袣夂蝻@著增暖的平穩(wěn)期，而2000年以后氣溫開(kāi)始出現(xiàn)較大波動(dòng)。雨季、旱季氣溫變化與年代際氣溫變化趨勢(shì)類似，但旱季增溫幅度大于雨季。此外，旱季氣溫變異系數(shù)相比雨季大，但總體有減小趨勢(shì)。這表明旱季氣溫變化逐漸穩(wěn)定。

由表2看出，從20世紀(jì)90年代開(kāi)始降水量顯著增加，但其變異系數(shù)較小，而2000年以后的10 a降水量增幅最大，相比90年代降水量增加124.33 mm，且變異系數(shù)最大，說(shuō)明90年代降水量增加穩(wěn)定，2000年以后降水量變化異常。雨季和旱季降水量變化趨勢(shì)相反，即雨季降水量增加的年代正好是旱季降水量減少的年代。此外，雨季降水量變化幅度大于旱季，但波動(dòng)有增大趨勢(shì)。

由表3看出，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始日照時(shí)數(shù)呈減少趨勢(shì)，變異系數(shù)略微增大，90年代減少幅度最大，相比80年代減少了193.91 h，其變異系數(shù)較小，說(shuō)明90年代是日照時(shí)數(shù)減少穩(wěn)定期。雨季、旱季日照時(shí)數(shù)均減少，旱季日照時(shí)數(shù)波動(dòng)明顯大于雨季，且波動(dòng)有減緩趨勢(shì)。

2.2 氣候突變特征分析

?？谑心昶骄鶜鉁赝蛔兊腗-K和滑動(dòng)T檢驗(yàn)曲線見(jiàn)圖2。由圖2可知，經(jīng)M-K突變檢驗(yàn)顯示，UF曲線分別在1967～1978年和1998～2010年超過(guò)了α=0.05的臨界線（2000～2010年超過(guò)了0.001的顯著水平），且UF與UB在1992～1993年有一個(gè)交點(diǎn)，交點(diǎn)位于α=0.05的臨界線范圍內(nèi)，說(shuō)明其可能是突變點(diǎn)，1963～1978年和1998～2010年是可能的突變時(shí)間。為檢驗(yàn)結(jié)果的可靠性，本文先后選取5、10、15 a滑動(dòng)步長(zhǎng)進(jìn)行滑動(dòng)T檢驗(yàn)。5 a滑動(dòng)檢驗(yàn)結(jié)果為1978、1986和1997年均出現(xiàn)由低到高的突變，1981年出現(xiàn)由高到低的突變；10 a滑動(dòng)檢驗(yàn)得出，1971、1978、1986、1997年各出現(xiàn)由低到高的突變；15 a滑動(dòng)檢驗(yàn)得出，1986、1990年出現(xiàn)由低到高的突變。根據(jù)累積距平分析得出（圖略），60 a海口市年均氣溫累積距平呈現(xiàn)先降后升的“V”字形趨勢(shì)，以1986年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，其中1967～1978年、1998～2010年分別出現(xiàn)了明顯的下降和上升趨勢(shì)。綜合分析來(lái)看，1986年氣溫發(fā)生了由低向高的突變，1967～1978年、1998～2010年均通過(guò)α=0.05的檢驗(yàn)，證實(shí)其為相應(yīng)冷期和暖期。

海口市年降水量突變的M-K和滑動(dòng)T檢驗(yàn)曲線見(jiàn)圖3。由圖3看出，M-K突變檢驗(yàn)得出?？诮?0 a降水量變化呈下降趨勢(shì)，但未達(dá)到α=0.05的顯著水平，UF與UB在1953年存在交點(diǎn)。經(jīng)過(guò)滑動(dòng)T檢驗(yàn)后得知，5 a滑動(dòng)下的降水量在1976和2002年出現(xiàn)由多到少的突變；10 a滑動(dòng)在1976年發(fā)生由多到少突變，15 a滑動(dòng)沒(méi)有突變點(diǎn)。這也表明了降水量數(shù)值波動(dòng)較大。經(jīng)累積距平分析得出，1951～1976年降水量累積距平大部分為正值，而1977～2010年大部分為負(fù)值，由此斷定1976年是降水量變化的突變點(diǎn)。綜合分析可知，海口市年降水量在1976年發(fā)生了由多到少的突變。

海口市年日照時(shí)數(shù)突變的M-K和滑動(dòng)T檢驗(yàn)曲線見(jiàn)圖4。由圖4可知，M-K突變檢驗(yàn)中UF與UB在1990年有1個(gè)交點(diǎn)，但落在α=0.05的臨界線之外，故1990年是否為突變點(diǎn)需進(jìn)一步檢驗(yàn)，1982～1986年、1988～2010年是可能的突變時(shí)間。經(jīng)滑動(dòng)T檢驗(yàn)可知，5 a滑動(dòng)在1965、1993年均發(fā)生由多到少的突變；10 a滑動(dòng)結(jié)果與5 a滑動(dòng)一致；15 a滑動(dòng)下1969、1993年出現(xiàn)了由多到少突變。根據(jù)累積距平分析得出，1951～1993年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，1994～2010年轉(zhuǎn)為減少，1993年為轉(zhuǎn)折點(diǎn)。綜合分析，?？谑心耆照諘r(shí)數(shù)在1993年發(fā)生了由多到少的突變，僅1988～2010年突變時(shí)間順利通過(guò)0.05水平檢驗(yàn)。

2.3 小波分析

基于海口市年平均氣溫、降水量、日照時(shí)數(shù)時(shí)間序列，本文進(jìn)行了連續(xù)Morlet小波變換，分析得到氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)的多時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)（圖5），圖中信號(hào)的強(qiáng)弱用小波系數(shù)的大小表示，正值區(qū)表示偏高或增多，負(fù)值區(qū)表示偏低或偏少。從各氣候要素的Morlet小波變換系數(shù)實(shí)部時(shí)頻變化分析來(lái)看，年平均氣溫小波系數(shù)等值線在5～10 a時(shí)間尺度上較為密集；降水量的小波系數(shù)等值線同樣在5～10 a時(shí)間尺度上密集，特別是在2000年以后最為顯著；日照時(shí)數(shù)的小波系數(shù)等值線在5～8、25～28 a時(shí)間尺度密集。

3 討論與結(jié)論

近60 a來(lái)海口市年平均氣溫顯著上升，線性擬合氣候傾向率為0.18 ℃/（10 a），氣溫上升速率明顯低于全國(guó)的0.25 ℃/（10 a）[12]和其他地區(qū)[3，13-18]，這可能與?？谔幱诘途暥葻釒^(qū)域有關(guān)，史培軍等[19]對(duì)全國(guó)氣候開(kāi)展區(qū)劃研究認(rèn)為，近50 a中國(guó)氣溫上升速率與緯度分布有關(guān)，高緯度地區(qū)增溫大，低緯度地區(qū)增溫小。從年代際來(lái)看，20世紀(jì)90年代是海口氣候增暖最顯著的穩(wěn)定期，且1998年是最暖的一年，這與任玉國(guó)等[12]研究所得出的中國(guó)20世紀(jì)后半葉最暖的十年及記錄中最暖的一年結(jié)論一致，這表明?？跉鉁厣仙厔?shì)與全國(guó)同步。雨季、旱季氣溫變化與年代際氣溫變化趨勢(shì)類似，但旱季氣溫增暖明顯大于雨季，這表明海口冬春季節(jié)氣溫升高的潛力較大。經(jīng)突變分析得出，1986年是氣溫突變點(diǎn)，1967～1978、1998～2010年對(duì)應(yīng)?？诘睦淦诤团冢瑲夂蜃兓?jīng)歷了一次先變冷再變暖的過(guò)程[20]。?？谑心昶骄鶜鉁夭▌?dòng)逐漸增大，這造成未來(lái)氣溫變化異常風(fēng)險(xiǎn)性增大，極端天氣氣候事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度也會(huì)越來(lái)越高。此外，?？谑袣鉁亟?0 a存在5～10 a左右的周期震蕩。

?？谑心杲邓孔兓厔?shì)不明顯，但其波動(dòng)逐漸增大。任國(guó)玉等[12]研究1951～2000年全國(guó)降水量幾乎沒(méi)有變化；史培軍等[19]對(duì)中國(guó)1961～2010年氣候變化區(qū)劃中將海口劃為華東-華中濕暖趨勢(shì)帶，認(rèn)為海口是降水增多地區(qū)，本文若以1961～2010年統(tǒng)計(jì)降水量可得到與他一致的結(jié)論。年代際變化分析顯示，最近20 a降水量明顯增加，這與中國(guó)在90年代以來(lái)降水量增多的結(jié)論一致[12]，這表明?？诮邓吭黾于厔?shì)與全國(guó)趨勢(shì)的同步性較好。此外，2000年以后降水量波動(dòng)最不穩(wěn)定，這是未來(lái)降水量變動(dòng)異常的表現(xiàn)，也可能是未來(lái)發(fā)生異常澇災(zāi)和旱災(zāi)的表征。雨季降水量變化幅度大于旱季，但波動(dòng)明顯較小。經(jīng)突變和小波分析得出，海口市降水量在1976年發(fā)生由多到少的突變，存在5～10 a的周期震蕩。

?？谑心耆照諘r(shí)數(shù)顯著減少，線性擬合氣候傾向率為-83.1 h/10 a，這與虞海燕等[21]研究的59 a來(lái)海口區(qū)域日照時(shí)數(shù)變化速率結(jié)論類似。但其減少速率要大于全國(guó)平均水平[12]。日照時(shí)數(shù)年代際波動(dòng)表現(xiàn)輕微增大，這同吳名杰等[22]研究?？诮?0 a日照時(shí)數(shù)變化特征結(jié)論一致，這表明?？谀耆照諘r(shí)數(shù)變化趨勢(shì)相對(duì)平穩(wěn)。此外，旱季日照時(shí)數(shù)波動(dòng)大于雨季。突變和小波分析得出，?？谑心耆照諘r(shí)數(shù)在1993年發(fā)生由多到少的突變，且存在5～8 a、25～28 a的周期震蕩。

綜上分析，?？谑薪?0 a來(lái)氣候變化特征表現(xiàn)為年平均氣溫升高，年日照時(shí)數(shù)減少，年降水量變化趨勢(shì)不明顯。20世紀(jì)90年代是氣溫和日照時(shí)數(shù)顯著變化的穩(wěn)定期，這可能是全國(guó)氣候變化大背景和海南建省辦經(jīng)濟(jì)特區(qū)（1988年）的共同結(jié)果。?？谑凶鳛橐月糜伟l(fā)展為支柱產(chǎn)業(yè)的生態(tài)城市，應(yīng)樹(shù)立起綠色、低碳的發(fā)展理念，在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化快速發(fā)展過(guò)程中更進(jìn)一步大力開(kāi)展節(jié)能減碳和生態(tài)建設(shè)，以加強(qiáng)應(yīng)對(duì)和適應(yīng)氣候變化的能力。

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