廊坊市近50年氣溫的時空變化特征

周玉都，史華峰，張文軍

（1.廊坊市氣象局，河北廊坊 065000；2.解放軍93601部隊氣象中心，山西大同 037006，3.酒泉市氣象局，甘肅酒泉 735000）

廊坊市近50年氣溫的時空變化特征

周玉都1，史華峰2，張文軍3

（1.廊坊市氣象局，河北廊坊 065000；2.解放軍93601部隊氣象中心，山西大同 037006，3.酒泉市氣象局，甘肅酒泉 735000）

采用1964—2013年廊坊市9個氣象站的氣溫觀測資料，分析廊坊市日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫的時空變化特征，并利用Morlet小波變化和Mann—Kendall突變檢驗等方法對廊坊市日平均、日最高、日最低氣溫進行周期分析和突變檢驗。結(jié)果表明：（1）平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和高溫極值變暖趨勢顯著，年際增長率分別為0.38℃／10a、0.28℃／10a、0.38℃／10a、0.36℃／10a；（2）平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)均具有4～6a的短周期、9a的較長周期和一個年代際的長周期；（3）20世紀(jì)80年代中期到90年代中期平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)均存在一個顯著突變；（4）平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)在空間分布上均呈現(xiàn)南高北低趨勢。

廊坊市；氣溫；Morlet小波變化；M?K突變檢驗

0 引言

近年來，全球氣候變暖成為全社會廣泛關(guān)注的焦點。IPCC第五次評估報告中指出，從1983到2012年這30年可能是北半球自1400年以來最熱的30年；1880—2012年，全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢，升高了0.85℃；2003—2012年平均溫度比1850—1900年平均溫度上升了0.78℃［1］。Jacoby等通過蒙古樹輪分析發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)中期以來亞洲中部的干旱地區(qū)的氣溫大幅上升［2］。國內(nèi)學(xué)者們也通過各個地區(qū)長序列氣溫觀測分析了溫度的時間變化特征。張愛英等［3］采用任國玉等［4］發(fā)展的綜合指標(biāo)和客觀標(biāo)準(zhǔn)，從2400個國家氣象站網(wǎng)中遴選地面氣溫參考站，應(yīng)用經(jīng)過均一化訂正的月平均氣溫數(shù)據(jù)，通過對比分析中國614個國家基準(zhǔn)氣候站、基本氣象站與參考站地面氣溫變化趨勢，發(fā)現(xiàn)1961—2004年國家基準(zhǔn)、基本站年平均地面氣溫序列中的城市化增溫率0.076℃／10a，占同期全部增溫速率的27.3%。張靜等通過分析山東省內(nèi)4個代表測站的氣溫資料，表明山東同陸地區(qū)的年平均氣溫整體呈上升趨勢［5］。陸杰英等基于增城國家基準(zhǔn)氣候站1960—2009年50年氣溫資料分析了增城市近50年來氣溫變化特征，指出增城市年平均氣溫每10年上升0.12℃［6］。張梅對1961—2013年石家莊市氣溫變化特征進行了分析，研究表明石家莊年平均最高氣溫增溫率0.107℃／10a，年平均最低氣溫增溫率為0.594℃／10a，最高氣溫和最低氣溫差異較大［7］。郝玲玲和蘇春生則分析了1961—2013年威海市氣溫變化特征，與石家莊觀測結(jié)果不同，威海的年平均最高最低氣溫增溫率分別為0.2℃／10a、0.3℃／10a，最高氣溫和最低氣溫差異較?。?］。郝曉陽等分析了昆明市的年平均氣溫增溫率為0.29℃／10a［9］。王志杰等分析安康市氣溫變化特征時得出的年平均增溫率較小，為0.05℃／10a［10］。

以往研究表明，不同地區(qū)因下墊面和氣候差異，其溫度的時間變化趨勢差異較大。溫度升高導(dǎo)致全球降水量重新分配，不但危害自然生態(tài)系

統(tǒng)的平衡，影響人們的生產(chǎn)生活。了解一個地區(qū)的歷史溫度變化特征，有助于人們應(yīng)對未來溫度變化造成的影響。本文全面分析了廊坊市日平均、日最高、日最低氣溫的時空變化特征，并利用Morlet小波變化分析廊坊市日平均、日最高、日最低氣溫時間序列中蘊含的氣候周期，同時利用Mann?Kendall方法對時間序列中的溫度突變予以分析。

1 數(shù)據(jù)和方法介紹

1.1 數(shù)據(jù)介紹

本文使用的日平均、日最高、日最低氣溫數(shù)據(jù)為廊坊市9個氣象站（三河、香河、大廠、廊坊、固安、永清、霸州、文安、大城）1964—2013年的連續(xù)氣溫觀測。

1.2 Morlet小波變換

小波變換的基本思想是用一簇小波函數(shù)系來表示或逼近某一信號或函數(shù)，其關(guān)鍵在于用于分析的小波函數(shù)。小波函數(shù)具有震蕩性，能夠迅速衰減到零，且滿足：

其中ψ（t）為基小波函數(shù)，它可通過尺度的伸縮和時間軸上的平移構(gòu)成一簇函數(shù)系：

其中ψa，b（t）為子小波，a為尺度因子，反映小波的周期長度；b為平移因子，反應(yīng)時間上的平移。

對于給定的能量有限信號f（t）∈L2（R），其連續(xù)小波變換（Continue Wavelet Transform，簡寫為CWT）為

由式（3）或（4）可知小波分析的基本原理，即通過增加或減小伸縮尺度a來得到信號的低頻或高頻信息，然后分析信號的概貌或細節(jié)，實現(xiàn)對信號不同時間尺度和空間局部特征的分析。

1.3 Mann?Kendall突變檢驗

Mann?Kendall方法是一種非參數(shù)方法。對于由n個樣本組成的時間序列X：

秩序列sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量

式中UF1＝0，E（sk），Var（sk）是累計數(shù)sk的均值和方差，在x1，x2，…，xn相互獨立，且有相同連續(xù)分布時，由下式算：

UFk為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，它是按時間序列x順序x1，x2，… ，xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若 ｜UFk｜＞Ua，則表明序列存在明顯的趨勢變化。

按時間序列x逆序xn，xn－1，…，x1，再重復(fù)上述過程，同時使UBk＝－UFk，（k＝n，n－1，… ，1），UB1＝0。

這一方法計算簡便，可明確突變開始的時間，并指出突變區(qū)域。

2 廊坊市氣溫時間變化特征

2.1 廊坊市氣溫年變化特征分析

對廊坊市近50年的逐年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)進行一元線性回歸分析，結(jié)果如圖1所示。圖1中平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和高溫極值有著明顯的增大，變暖趨勢顯著［11－12］，其中平均氣溫和平均最低氣溫的年際增長率為0.38℃／10a，低溫極值的年際增長率為0.36℃／10a，平均最高氣溫的年際增長率為0.26℃／10a，而高溫極值和高溫日數(shù)的年際變化呈弱增長趨勢。平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫保持較為一致的變化趨勢，從年變化趨

勢可以看出進入20世紀(jì)90年代中期后，氣溫迅速變暖，維持在較高的水平，近幾年又略有降低；對應(yīng)的高溫極值和高溫日數(shù)也有所響應(yīng)，不同的是高溫極值和高溫日數(shù)的高值維持時間較短；而低溫極值的顯著增大是從90年代初開始的，持續(xù)到90年代末。

2.2 廊坊市氣溫的周期分析

利用Morlet小波變化方法對廊坊市近50年的逐年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)進行分析，結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，平均溫度具有20～26a的長周期震蕩、9a的較長周期震蕩和4～6a的短周期震蕩。其中長周期震蕩具有明顯的變長趨勢，20世紀(jì)60年代中期到70年代初期震蕩周期是20a，70年代初期到80年代中期震蕩周期是22a，到90年代末的時候變?yōu)?4a，之后延長為26a；9a的較長震蕩周期主要分布在60年代中期到70年代中期和90年代之后；80年代之后還存在5a的震蕩周期。平均最高氣溫的長周期震蕩由開始的22a緩慢變長為24a，9a的周期震蕩在80年代之前和21世紀(jì)更為明顯，4～6a的短周期震蕩主要在80年代中期到90年代后期。平均最低氣溫有較為穩(wěn)定的16a的長周期震蕩，90年代之后有9a的周

期震蕩，4～6a的短周期震蕩主要出現(xiàn)在80年代之后。低溫極值和高溫極值存在14～18a的長周期震蕩，周期隨著時間變短，極值溫度出現(xiàn)的越來越頻繁，它們9a的周期震蕩主要分布在90年代中期之前，4～6a的周期震蕩在80年代之后更為明顯。高溫天數(shù)存在16a的長周期震蕩，9a的周期震蕩主要分布在70年代初期到90年代末期，70年代之后5a的周期震蕩較為明顯。

對比不同溫度指標(biāo)的周期分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，它們普遍存在3個周期震蕩，其中9a的較長周期震蕩和4～6a的短周期震蕩較為相似，而年

代際的長周期差異較大，從14a到26a不等。

2.3 廊坊市氣溫的突變分析

利用Mann?Kendall突變檢驗法對廊坊市近50年的逐年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)進行分析，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，各個溫度指標(biāo)均存在異常突變。其中平均氣溫、平均最低氣溫、高溫日數(shù)的突變發(fā)生在1985年左右，平均最高氣溫、高溫極值的突變發(fā)生在1990年前后，而低溫極值的突變則發(fā)生在1996年。

3 廊坊市氣溫空間變化特征

圖4給出了廊坊市多年平均的日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)。從圖中可以看出：多年平均日平均氣溫總體上呈南高北低的趨勢，北部的三河市平均溫度最低，為11.6℃；南部的文安縣平均溫度最高，為12.6℃；中南部地區(qū)又呈西高東低的趨勢。多年平均日最高氣溫的空間分布總體上呈南高北低的趨勢，三河市平均最高氣溫最低，為17.7℃，文安縣和大城縣平均最高氣溫最高，為18.6℃。多年平均日最低氣溫的空間分布總體上呈中北部低南部高的趨勢，有一個大值中心和兩個低值中心，大值中心位于中南部的文安縣，低值中心一個位于北部的三河市，另一個位于中部的永清縣。多年平均日最高氣溫的極大值和極小值差為0.9℃，而多年平均最低氣溫的極大值和極小值的差值為1.2℃，測站之間最低溫度的溫差要高于最高溫度的溫差。多年平均高溫極值總體上呈南高北低的趨勢，大城縣平均最高溫度極值最大，為38.5℃；大廠縣最小，為37.1℃。多年平均低溫極值存在兩個大值中心和兩個低值中心，大值中心分別位于北部的香河縣和南部的文安縣，小值中心分別位于中部的永清縣和南部的大城縣，永清縣平均最低氣溫極值最小，為－17.7℃，香河平均最低溫度極值最大，為－16.0℃。多年平均高溫日數(shù)總體上呈南多北少的分布，最多高溫日數(shù)分布在南部的文安，為13.6d／年；最少天數(shù)分布在北部的三河，為6d／年。

4 結(jié)論

本文利用廊坊市近50年9個氣象站的氣溫觀測數(shù)據(jù)，分析了廊坊市日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫的時空變化特征。并利用Morlet小波分析和Mann?Kendall法對廊坊市日平均、日最高、日最低氣溫進行周期分析和突變檢驗。得到以下結(jié)論：

（1）平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫和高溫極值變暖趨勢顯著，年際增長率分別為0.38℃／10a、0.28℃／10a、0.38℃／10a、0.36℃／10a，而高溫極值和高溫日數(shù)的年際變化呈弱增長趨勢。

（2）平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)均具有4～6a的短周期、9a的較長周期和一個年代際的長周期，其中長周期差異較大，從14a到26a不等。

（3）20世紀(jì)80年代中期到90年代中期平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)均存在一個顯著突變。

（4）平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、高溫極值、低溫極值和高溫日數(shù)在空間分布上均呈現(xiàn)南高北低趨勢。

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Spatial and Temporal Variations of Temperature in Langfang during 1964－2013

Zhou Yudu1，Shi Huafeng2，Zhang Wenjun3
（1．Langfang Meteorological Bureau，Langfang，Hebei 065000；2．PLA 93601 army Meteorological Center，Datong，Shanxi 037006；3．Jiuquan Meteorological Bureau，Jiuquan 735000，China）

In this paper，the temperature observation data of 9 meteorological stations in Langfang city during 1964－2013 are used to analyze the temporal and spatial variation characteristics of daily average temperature，daily maximum temperature，daily minimum temperature and daily minimum temperature in Langfang city.And Morlet wavelet transform and Kendall?Mann mutation test are used to analyze the daily average，daily maximum and minimum temperature in Langfang city.The results are as follows：（1）the average temperature，average maximum temperature，average minimum temperature and extreme warming trend are significant，and the annual growth rate is 0.38／10a，0.28／10a，0.38／10a，0.36 C／10a.（2）Mean air temperature，mean maximum temperature，mean minimum temperature，maximum temperature，low temperature and high temperature days all have short period of 4～6a，longer period of 9a and long period of time.（3）The average temperature，average maximum temperature，average minimum temperature，maximum temperature，low temperature and high temperature days in the middle of the 1980‘s to the 1990’s，there was a significant mutation.（4）Average temperature，average maximum temperature，average minimum temperature，extreme high temperature，extreme low temperature and high temperature，number in the space distribution showed a high trend in the south and low in the north.

Langfang City；temperature；Morlet wavelet transform；M?K mutation

P423.1

A

1673－8047（2016）03－0081－08

2016－04－07

廊坊市氣象局科研基金（201405）

周玉都（1987—），男，本科，助理工程師，主要從事短期預(yù)報工作及溫度預(yù)報研究。