近50年宣城地區(qū)氣候變化特征

楊偉 汪大林

摘要利用1961—2010年宣城地區(qū)氣象觀測(cè)資料，采用線性趨勢(shì)、滑動(dòng)平均和R/S分析等方法，對(duì)近50年來(lái)宣城地區(qū)平均氣溫、降水量和日照時(shí)數(shù)的變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明，近50年來(lái)宣城地區(qū)年平均氣溫逐漸升高，尤其是秋季氣溫異常偏高；年降水量有所增加，日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)明顯的減少趨勢(shì)；年平均氣溫、四季氣溫、夏季降水、秋季降水均存在赫斯特現(xiàn)象，未來(lái)的年平均氣溫、四季氣溫和夏、秋季的降水量將繼續(xù)保持上升趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞氣溫；降水；日照時(shí)數(shù)；變化特征；宣城地區(qū)

中圖分類(lèi)號(hào)S162文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2017）17-0159-04

AbstractUsing the meteorological observation data of Xuancheng area from 1961 to 2010， the change of the average temperature， precipitation and sunshine hours in Xuancheng area was analyzed by linear trend， sliding average and R/S analysis. The results showed that the annual average temperature in Xuancheng area had been increasing in recent 50 years， especially in autumn.Annual precipitation had increased， sunshine hours showed a significant reduction trend.Annual average temperature， four seasons temperature， summer precipitation and autumn precipitation were Hurst phenomenon，the annual average temperature， seasonal temperature，summer precipitation and autumn precipitation will continue to maintain an upward trend in the future.

Key wordsTemperature；Precipitation；Sunshine hours；Change characteristics；Xuancheng area

作者簡(jiǎn)介楊偉（1989—），男，江蘇南京人，助理工程師，從事氣象防災(zāi)減災(zāi)研究。

收稿日期2017-04-12

氣候變化是指某一地區(qū)氣候平均狀態(tài)的巨大改變或持續(xù)較長(zhǎng)一段時(shí)間（30年或更長(zhǎng)的時(shí)間）的氣候變動(dòng)[1]。自20世紀(jì)80年代以來(lái)，氣候變化成為全球關(guān)注的十大熱點(diǎn)問(wèn)題之一。林學(xué)椿等[2]研究指出，我國(guó)年平均氣溫以0.04 ℃/10 a的速率上升，年降水量以12.66 mm/10 a的速度減少。近年來(lái)，氣象要素?zé)o論在時(shí)間上、空間上都發(fā)生了很大的變化[3-4]，然而這種變化與各地氣候變化的趨勢(shì)并不完全一致，氣候變化存在著一定的地域性。宣城市位于安徽省東南部，地處皖南山區(qū)。筆者利用線性趨勢(shì)、滑動(dòng)平均等方法，對(duì)1961—2010年宣城地區(qū)各季及年的平均氣溫、降水和日照變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并用重標(biāo)極差分析法（R/S方法）對(duì)其趨勢(shì)的持續(xù)性進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以提高對(duì)宣城地區(qū)氣溫和降水的預(yù)報(bào)水平，為農(nóng)業(yè)的防災(zāi)減災(zāi)、農(nóng)業(yè)規(guī)劃等提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料選取

所用資料為宣城地區(qū)7個(gè)縣市站點(diǎn)（宣州、郎溪、廣德、涇縣、寧國(guó)、旌德和績(jī)溪）1961—2010年的各月平均氣溫、月降水量等氣候資料，根據(jù)以上資料對(duì)宣城地區(qū)的氣候變化特點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.2分析方法

1.2.1R/S分析法。

R/S分析法（Rescaled range analysis）是赫斯特（Hurst）在研究尼羅河水文資料時(shí)提出的一種能夠定量揭示時(shí)間序列變化的趨勢(shì)性成分及其強(qiáng)度的有效方法，后來(lái)Mandelbrot等[5-6]對(duì)該方法進(jìn)行了補(bǔ)充和完善。其主要原理是：設(shè){ε（t）}∞t-1為一時(shí)間序列，該序列在以t為零點(diǎn)、τ為間隔的區(qū)間（t+1，t+τ）內(nèi)的平均值〈ε〉r=1τru=1ε（t+u），而X（t，τ，s）=τ[ε（t+u）-〈ε〉r]，其中s=1，2，3，…，τ為時(shí)間序列在（t+1，t+s）內(nèi)偏離平均值的累積。R（t，τ）=max1≤s≤τ{X（t，τ，s）}-min1≤s≤τ{X（t，τ，s）}為（t+1，t+τ）內(nèi)時(shí)間序列的離均累積變幅，而此段內(nèi)的方差滿足S2（t，τ）=1ττu=1[ε（t+u）〈ε〉r]2，則比值R（t，τ）/S（t，τ）反映了此隨機(jī)序列在不同起點(diǎn)、不同尺度τ的相對(duì)離均累積變幅?？梢宰C明R（t，τ）/S（t，τ）=R（τ）/S（τ）僅僅是τ的函數(shù)，與起點(diǎn)t無(wú)關(guān)。若存在R（τ）/S（τ）∝τH，則說(shuō)明該時(shí)間序列存在赫斯特現(xiàn)象。其中0

H=0.5，表明各時(shí)間序列各量之間是完全獨(dú)立的，氣候變化是隨機(jī)性的；

0.5

1.2.2信噪比。

氣溫突變分析采用信噪比方法[7]，首先根據(jù)累積距平曲線的極低值找出可能發(fā)生突變的年份，為檢驗(yàn)這些轉(zhuǎn)折點(diǎn)是否存在突變，計(jì)算轉(zhuǎn)折年相鄰氣候段的序列平均值之差|y1-y2|與標(biāo)準(zhǔn)差之和（x1+x2）的比值記為S/N，稱(chēng)為信噪比。規(guī)定如果S/N>1時(shí)，則可以認(rèn)為時(shí)間序列在該年發(fā)生了氣候突變，否則，可認(rèn)為是一次轉(zhuǎn)折。

1.2.3趨勢(shì)系數(shù)、相關(guān)系數(shù)和線性?xún)A向估計(jì)。

采用一元線性回歸方程來(lái)描述氣溫、降水的變化趨勢(shì)，即y=a+bt。式中，b為回歸系數(shù)（即傾向值），a為回歸常數(shù)。a和b可以用最小二乘法估計(jì)。回歸系數(shù)b值的符號(hào)表示氣候變量的趨勢(shì)傾向。b>0時(shí)，說(shuō)明隨時(shí)間t的增加，y呈上升趨勢(shì)；b<0時(shí)，說(shuō)明隨時(shí)間t的增加，y呈下降趨勢(shì)。b的大小反映了上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。

在分析溫度變化的擬合值和觀測(cè)值的相關(guān)性時(shí)，所用相關(guān)系數(shù)計(jì)算式為：

式中，r為相關(guān)系數(shù)，x和y為樣本變量，和為樣本平均值。

2結(jié)果與分析

2.1氣溫變化特征

2.1.1年平均氣溫。

從圖1可看出，1961—2010年宣城地區(qū)年平均氣溫呈峰谷波動(dòng)形逐漸上升趨勢(shì)，大致可分為2個(gè)時(shí)期：第1個(gè)時(shí)期（1965—1993年）為偏冷期，平均值為15.5 ℃，低于歷年平均值（15.8 ℃）0.3 ℃；第2個(gè)時(shí)期（1994—2008年）為偏暖期，平均值為16.4 ℃，高于歷年平均值0.6 ℃。第2個(gè)時(shí)期宣城地區(qū)氣溫基本呈穩(wěn)定的上升趨勢(shì)；而第1個(gè)時(shí)期偏冷期氣溫變化幅度較大，1978—1979年呈微弱回升趨勢(shì)，但回升幅度較小，總體上該時(shí)段仍處于偏冷期，是偏冷期中的相對(duì)暖期。20世紀(jì)90年代中期氣溫開(kāi)始明顯上升，2007年是有觀測(cè)記錄以來(lái)最暖的一年（年均溫達(dá)17.2 ℃，氣溫距平1.3 ℃），而最冷年是1980年（距平為-0.8 ℃），兩者之差為2.1 ℃。近50年宣城地區(qū)增溫速率為0.1 ℃/a，年平均氣溫在近50年的前半段（1961—1990年）偏低，后20年（1991—2010年）氣溫呈明顯上升趨勢(shì)。從氣溫變率看，20世紀(jì)60年代后期—70年代中期、90年代后期至今宣城地區(qū)年平均氣溫變率小，同時(shí)氣溫變化還存在著一個(gè)20年左右的振蕩周期。

從圖2可以看出，1993年宣城地區(qū)氣溫累計(jì)距平發(fā)生了變化。根據(jù)信噪比計(jì)算方法，1961—1992年平均氣溫為15.6 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.33，1994—2008年平均氣溫為16.4 ℃，標(biāo)準(zhǔn)差為0.44，計(jì)算得到信噪比為0.997<1，可以認(rèn)為1993年是近50年宣城地區(qū)氣溫的一個(gè)轉(zhuǎn)折年。

2.1.2季、月平均氣溫。

從表1可以看出，1961—2010年宣城地區(qū)平均氣溫在各個(gè)季節(jié)均有增高趨勢(shì)，從相關(guān)系數(shù)（r）考慮，夏季平均氣溫未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，春、秋、冬季均通過(guò)顯著性檢驗(yàn)，特別是秋、冬兩季平均氣溫超過(guò)0.001的信度檢驗(yàn)?？梢?jiàn)，秋、冬季平均氣溫的線性增加趨勢(shì)最為顯著，其次是春季，夏季平均氣溫僅有弱增溫傾向。

近50年宣城地區(qū)月平均氣溫傾向率b<0的月份有7、8和11月，其余的月份均是b>0。表明1961—2010年宣城地區(qū)7、8和11月平均氣溫呈降低趨勢(shì)，其余月份平均氣溫均呈增高趨勢(shì)。

2.1.3年極端氣溫。

從圖3可以看出，近50年宣城地區(qū)極端最低氣溫有顯著的增加趨勢(shì)，而極端最高氣溫的增加趨勢(shì)不明顯，這會(huì)導(dǎo)致宣城地區(qū)氣溫的年極差值越來(lái)越小。

2.2降水量變化特征

從圖4可看出，近50年來(lái)宣城地區(qū)年降水量經(jīng)歷了低—高—低的變化趨勢(shì)，類(lèi)似正弦波的變化過(guò)程，特別在20世紀(jì)70年代前期—80年代中期波動(dòng)幅度相對(duì)較大，而90年代中期—2000年波動(dòng)最大，表明該地區(qū)降水狀況變化較大。1961年以來(lái)宣城地區(qū)降水量有增加趨勢(shì)，但程度不大，變化十分緩慢，增加傾向率為0.207 3 mm/a（通過(guò)005的顯著性檢驗(yàn)）。近50年宣城地區(qū)降水量年際間波動(dòng)很大，且很不均勻；最多年降水量2 308.2 mm（1983年），是多年平均降水量（1 530.8 mm）的1.51倍，而最少年降水量984.7 mm（2006年），是多年平均降水量的64.33%，表明宣城地區(qū)極易出現(xiàn)大澇大旱等自然災(zāi)害。

從圖5可看出，1961—2010年宣城各縣市年降水量存在一定的差異。其中以績(jī)溪的年降水量最多，為1 570.7 mm，而年降水量最少的是郎溪，為1 207.7 mm，兩者相差363.0 mm。近50年整個(gè)宣城地區(qū)降水量空間分布比較均勻，南部的縣市年降水量比北部的縣市降水量多，對(duì)于皖南山區(qū)且集水面積較小的區(qū)域來(lái)說(shuō)，區(qū)域內(nèi)各地的氣候差異和地形作用所引起的降水分布不均勻?qū)δ杲邓康挠绊懞苊黠@。

從圖6可看出，1961—2010年宣城地區(qū)降水量月分布存在著很明顯的差異，汛期（4—8月）的降水量（868.0 mm）占全年降水量（1 418.0 mm）的61.2%，其中6月份的降水量最多，達(dá)247.1 mm，占全年降水量的17.4%，表明6月份是汛期雨水最多、最容易發(fā)生大面積山洪澇漬的月份。

2.3氣溫、降水變化趨勢(shì)R/S分析

由表2可知，各要素中

有氣溫指數(shù)、夏季降水、秋季降水的H值大于0.5，說(shuō)明年平均氣溫、四季氣溫、夏季降水、秋季降水均存在赫斯特現(xiàn)象，且具有狀態(tài)持續(xù)性，也就是說(shuō)近50年宣城地區(qū)全年平均氣溫、四季氣溫、夏季降水、秋季降水均將延續(xù)過(guò)去的趨勢(shì)，即未來(lái)的年平均氣溫、四季氣溫和夏、秋季的降水量將繼續(xù)保持上升勢(shì)頭；其中秋季氣溫的H值最大（0.683 1），預(yù)示未來(lái)秋季氣溫的增暖趨勢(shì)將比過(guò)去其他季節(jié)的平均氣溫更為明顯；同理未來(lái)年和春季、冬季的降水將與過(guò)去的變化趨勢(shì)相反，即宣城地區(qū)未來(lái)的年、春季、冬季的降水趨勢(shì)也是減少的；其中降水的夏季H值最大，預(yù)示未來(lái)夏季雨水增多的趨勢(shì)將比其他季節(jié)以及全年的更為顯著。

2.4日照時(shí)數(shù)變化特征

2.4.1年變化。

從圖7可以看出，近50年宣城地區(qū)日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)明顯，1980年前后發(fā)生躍變，日照時(shí)數(shù)距平值從1979 年的317.9 mm 躍降到1980年的-34.8 mm；正距平幾乎集中在1980 年以前，負(fù)距平出現(xiàn)在1980 年之后。從逐年氣候變化上看，日照時(shí)數(shù)減少幅度為10.217 h/a，整體呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。

2.4.2季變化。

由表3可知，近50年宣城地區(qū)春季、夏季、秋季和冬季的最多日照時(shí)數(shù)均出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，；4個(gè)季節(jié)在60—90年代均發(fā)生明顯減少，減少最大幅度是冬季，2001—2010年的年日照時(shí)數(shù)相對(duì)于60年代減少了155.1 h，降幅達(dá)34.4%，而春、夏和秋季的降幅分別為5.2%、27.1%和13.7%。

2.4.3月變化。由表4可知，近50年宣城地區(qū)不同年代各個(gè)月份日照變化情況：2、3、6和7月的日照時(shí)數(shù)從20世紀(jì)60年代一直到90年代依次減少，而21世紀(jì)以來(lái)在低位振蕩，略有增加。1和8月的日照時(shí)數(shù)從60年代開(kāi)始一直持續(xù)減少。

3結(jié)論

（1）近50年來(lái)宣城地區(qū)的年平均氣溫、秋季平均氣溫呈明顯上升趨勢(shì)，夏季平均氣溫僅有弱增溫傾向，極端最低氣溫有顯著的增加趨勢(shì)，極端最高氣溫的增加趨勢(shì)不明顯；平均氣溫、四季氣溫均存在赫斯特現(xiàn)象；1993年是氣溫轉(zhuǎn)折年；7、8和11月平均氣溫呈降低趨勢(shì)，其余月份均呈增高趨勢(shì)。

（2）1961年以來(lái)宣城地區(qū)的降水量有增加趨勢(shì)，但程度不大，變化十分緩慢，增加傾向率為0.207 3 mm/a，年降水量存在一定的差異，月降水量的分布存在很明顯的差異，汛期（4—8月份）的降水量占全年降水量的61.2%。宣城地區(qū)未來(lái)的年、春季、冬季的降水趨勢(shì)也是減少的，而夏季雨水增多的趨勢(shì)將比其他季節(jié)以及全年的更為顯著。

（3）近50年宣城地區(qū)年日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)明顯，減少幅度為10.217 h/a，減少最大幅度是冬季，降幅達(dá)34.4%，2、3、6和7月的日照時(shí)數(shù)從20世紀(jì)60年代一直到90年代依次減少。

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