基于Mann-Kendall方法的1954—2015年臨汾市氣候變化特征分析

王念　田慶春

摘要 ? ?以臨汾市1954—2015年的氣象資料為研究對(duì)象，通過(guò)回歸分析、M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)和突變性分析等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)果表明，臨汾年均溫在10.90～14.38 ℃之間波動(dòng)，總體呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)。與我國(guó)平均氣溫增長(zhǎng)率相比，臨汾溫度增幅較大，特別是自1985年以來(lái)年平均氣溫的升高速率更為明顯;2006年后臨汾年均溫略有下降。在此基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K突變分析，得到的UF和UB曲線交點(diǎn)在檢驗(yàn)范圍內(nèi)，從而可認(rèn)為臨汾市年均溫上升現(xiàn)象屬于突變。對(duì)近60年來(lái)臨汾降水量以及日照時(shí)數(shù)進(jìn)行回歸分析、M-K突變性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示，臨汾市年降水量波動(dòng)次數(shù)較多，下降幅度小，在若干年份出現(xiàn)突變性上升或下降，但總體呈下降趨勢(shì);年日照時(shí)數(shù)也呈現(xiàn)出整體下降趨勢(shì)，近幾年出現(xiàn)增多，個(gè)別年份經(jīng)檢驗(yàn)為突變，其中以冬季日照時(shí)數(shù)下降最為顯著。個(gè)別季節(jié)日照時(shí)數(shù)下降可能與臨汾近年冬季大氣污染嚴(yán)重有一定關(guān)系。本文通過(guò)多變量趨勢(shì)性法對(duì)氣候變化特征進(jìn)行分析，對(duì)該區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的改善具有指導(dǎo)性意義。

關(guān)鍵詞 ? ?氣候變化;回歸分析;M-K突變性檢驗(yàn);山西臨汾;1954—2015年

中圖分類(lèi)號(hào) ? ?P467 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）13-0175-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

Analysis ?on ?Climate ?Change ?Characteristics ?in ?Linfen ?City ?from ?1954 ?to ?2015 ?Based ?on ?Mann-Kendall ?Method

WANG Nian ? ?TIAN Qing-chun *

（College of Geographic Sciences，Shanxi Normal University，Linfen Shanxi 041000）

Abstract ? ?Based on the meteorological data of Linfen City during 1954-2015，through regression analysis，M-K trend test and sudden change analysis were carried out. The results showed that the annual average temperature of Linfen City fluctuated between 10.90 ℃ and 14.38 ℃，presenting an overall growth trend. Compared with rise rate of temperature in China，it was more obvious in Linfen，especially since 1985. After 2006，the annual average temperature decreased slightly in Linfen. On this basis，the M-K sudden change analysis showed that the intersection points of UF and UB curves were within the test range，so it was concluded that the rise of annual average temperature in Linfen City was a sudden change. The regression analysis and M-K sudden change test of precipitation and sunshine hours showed that annual precipitation in Linfen City fluctuated frequently and decreased slightly，with a sudden increase or decrease in several years，but the overall trend was downward. The annual sunshine hours also showed an overall downward trend，which increased in recent years，and sudden changed in a few years. The annual sunshine hours decreased significantly in winter，which might be related to the serious air pollution in Linfen City in winter.The analysis of climate change characteristics by multivariate trend analysis method is instructive for the improvement of environmental quality in LinFen City.

Key words ? ?climate change;regression analysis;M-K sudden change test;Linfen Shanxi;1954-2015

IPCC[1]第四次評(píng)估報(bào)告認(rèn)為，受人類(lèi)活動(dòng)變化和自然環(huán)境影響，全球氣溫在20世紀(jì)90年代增溫最為明顯。在過(guò)去近100年間，中國(guó)的地表溫度上升了0.74 ℃，并保持了與全球氣候基本一致的趨勢(shì)[2];氣候具有明顯的區(qū)域性特征，各區(qū)域間存在明顯的差異[3-4]。氣候?qū)W中從“氣候”概念發(fā)展為氣候?qū)W中的“全球氣候系統(tǒng)”標(biāo)志著科學(xué)的發(fā)展[5]，而氣候作為一個(gè)重要的衡量因素會(huì)影響一個(gè)地區(qū)自然環(huán)境以及人類(lèi)生活環(huán)境的變化。局地小氣候很大程度上決定著區(qū)域和自然環(huán)境的狀況[6]，因而對(duì)臨汾小氣候進(jìn)行深度探討和研究，與研究自然地理環(huán)境的基本思路相吻合。近年來(lái)，臨汾部分區(qū)域（市、區(qū)）冬季二氧化硫和顆粒物污染物高于國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[7]，改善該區(qū)環(huán)境空氣污染問(wèn)題刻不容緩。冬季變暖是年均溫上升的主要輸出源，區(qū)域氣溫變化趨勢(shì)的檢測(cè)是氣候變化檢測(cè)研究的核心問(wèn)題之一[8]。分析區(qū)域的氣候特征，對(duì)改善臨汾環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要意義。

1 ? ?資料與方法

1.1 ? ?資料來(lái)源

臨汾地處半干旱、半濕潤(rùn)區(qū)域，四季分明，屬溫帶季風(fēng)氣候。由于其特有的地形特征，加上盆地四周地勢(shì)較高，使得臨汾的空氣對(duì)流不旺盛，形成了特有的局地小氣候且相對(duì)于山西省同緯度其他地區(qū)溫度較高（圖1）。

選用的數(shù)據(jù)為臨汾市1954—2015年歷年逐月氣象資料，數(shù)據(jù)來(lái)自國(guó)家氣象信息中心。為了對(duì)臨汾市近年來(lái)氣候變化特征更好地開(kāi)展研究，以年為單位，求取每月平均值對(duì)氣象資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文選用的數(shù)據(jù)較為完整，能較好地反映近幾年來(lái)臨汾市氣象特征的變化。

1.2 ? ?分析方法

1.2.1 ? ?多變量數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析與回歸分析。用于處理數(shù)據(jù)的回歸分析法主要是對(duì)2個(gè)地理要素建立起聯(lián)系。相關(guān)分析揭示了2個(gè)要素之間的相關(guān)程度，而回歸分析是以函數(shù)形式表達(dá)某一要素與其他要素之間的聯(lián)系，其實(shí)質(zhì)是建立具體數(shù)量之間的回歸模型，基本結(jié)構(gòu)形式為Y=a+bXα。馬玉鑫[9]對(duì)回歸分析方法進(jìn)行了詳細(xì)解釋。本文主要采用回歸分析中的線性模型來(lái)反映地理要素之間具體定量關(guān)系，以獲得2個(gè)要素之間的線性相關(guān)性。

1.2.2 ? ?突變性分析。時(shí)間序列在研究元素變化特征中起著重要作用，而通過(guò)時(shí)間序列變化的突變檢驗(yàn)分析可以了解事物變化發(fā)展規(guī)律。對(duì)于時(shí)間序列X，M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)對(duì)其統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行定義[10]。在目前檢測(cè)趨勢(shì)和突變的方法中，M-K法已被廣泛用于分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等方面。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是其不必遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[11]。陸 ?陽(yáng)等[12]在研究淮河流域近50年來(lái)氣候特征時(shí)使用到了這一方法，并對(duì)此方法原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?氣溫特征分析

2.1.1 ? ?年均氣溫回歸分析。通過(guò)線性擬合研究區(qū)近60年年均溫，計(jì)算得出其趨勢(shì)方程為y=0.034x+11.689（R2=0.561），得出臨汾年均溫每年約以0.034 ℃的增長(zhǎng)幅度上升，其線性變化傾向率為0.34 ℃/10 a。從圖2可以得出，臨汾市年均溫在58年來(lái)總體呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，尤其是在1985—2012年，臨汾市氣溫上升較為明顯。其中，在2006年年均溫達(dá)到14.38 ℃，達(dá)到近60年來(lái)的最高值;在增長(zhǎng)過(guò)程中，2002—2003年間有一明顯下降變化，并且達(dá)到了自2000年以來(lái)的最低值（13.1 ℃）。這個(gè)變化可能與臨汾市政府所采取的措施有關(guān)，臨汾市政府通過(guò)對(duì)能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方面調(diào)整、多家工廠積極采用無(wú)污染能源或低污染能源、使用污染處理技術(shù)降低部分污染物對(duì)環(huán)境的污染指數(shù)，從而達(dá)到了緩解環(huán)境污染的目的[13]。近50年來(lái)，我國(guó)氣溫上升了1.1 ℃，其增溫速率接近0.22 ℃/10 a[14]。張春林等[15]通過(guò)氣象站的地面資料以及國(guó)家基準(zhǔn)氣候站資料，使用統(tǒng)計(jì)以及線性趨勢(shì)等方法得出，山西省近60年年均溫波動(dòng)上升，暖干化特征更為明顯，與本文的研究結(jié)果相同。

將臨汾市氣溫增長(zhǎng)速率和山西省數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出臨汾的增溫幅度較大。眾多學(xué)者對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深度探討之后得出，我國(guó)屬于全球氣候變化最顯著的國(guó)家之一，氣候因素的變化將對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響;與100年前相比，我國(guó)年平均氣溫上升了0.5～0.8 ℃，冬季氣溫顯著上升[16]。眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，其中王勁松等[17]認(rèn)為，位于我國(guó)西北東部到華北地區(qū)的區(qū)域處于東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)且位于季風(fēng)北邊緣地帶，其中大多為干旱半干旱區(qū)，對(duì)氣候變化較敏感，是我國(guó)氣候變率最大的地區(qū)之一。臨汾市自1994年以來(lái)，冬季年均溫的增長(zhǎng)幅度較大，這對(duì)臨汾市年均溫的增長(zhǎng)也起到了推動(dòng)的作用;其氣溫升高現(xiàn)狀也與我國(guó)城市與工業(yè)化發(fā)展所處階段息息相關(guān)，臨汾市正處在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，能量需求缺口較大。因此，應(yīng)對(duì)氣候變化對(duì)于我國(guó)和世界而言都是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。

對(duì)年份與年均氣溫?cái)?shù)據(jù)回歸結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)處理得出，U=18.831 103 57，Q=14.738 212 76，F(xiàn)=71.551 538 62，置信水平F0.01（1，51）=7.31。由于F>>F0.01，表明F在置信水平α=0.01下達(dá)到顯著，即年份與平均氣溫成正相關(guān)，年平均氣溫隨年份呈上升趨勢(shì)。通過(guò)回歸分析驗(yàn)證了本文對(duì)于近60年來(lái)臨汾市氣溫變化特征所得出的結(jié)論。

2.1.2 ? ?Mann-Kendall趨勢(shì)性檢驗(yàn)。利用Mann-Kendall方法進(jìn)行趨勢(shì)檢驗(yàn)，結(jié)果得出Z=5.856。由于Z=5.856>2.32>0，所以山西省臨汾市的年平均氣溫近60年來(lái)呈上升趨勢(shì)。數(shù)據(jù)結(jié)果均通過(guò)了0.01和0.05的顯著性檢驗(yàn)，證明氣溫升高顯著，這與本文回歸分析的結(jié)果一致。

2.1.3 ? ?Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)。從UF曲線（圖3）可以看出，自1955年起，除個(gè)別年份（1969年、1970年、1971年）外，數(shù)值都>0;1971年之后，UF值都>0，說(shuō)明年均溫呈現(xiàn)持續(xù)上升狀態(tài)。在20世紀(jì)90年代中期至21世紀(jì)10年代的年均溫增長(zhǎng)通過(guò)了0.05的趨勢(shì)性檢驗(yàn)（U0.05=1.96），甚至通過(guò)了0.01顯著檢驗(yàn)（U0.01=2.58）。以增長(zhǎng)趨勢(shì)為基礎(chǔ)，進(jìn)一步觀察UF和UB曲線的交點(diǎn)在置信水平內(nèi)，并且確定1970年的年平均溫度升高時(shí)突然變化，呈現(xiàn)突變性升溫狀態(tài)。在1971年UF（K）曲線大致呈下降趨勢(shì)，但在1971年之后UF（K）曲線基本逐年上升。由此可以得出結(jié)論：臨汾市近60年來(lái)年均溫存在冷、暖2個(gè)階段，并且自1971年以來(lái)，年均氣溫呈逐漸上升趨勢(shì)，總體來(lái)說(shuō)就是前期偏冷而后期較暖的變化趨勢(shì)。張麗花等[18]應(yīng)用M-K法對(duì)山西省氣候進(jìn)行突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1992年之前山西省基本處于一個(gè)低溫期;而自1992年之后，山西省氣溫逐漸回暖，并出現(xiàn)上升趨勢(shì)，這與本文得出的結(jié)論一致。

2.2 ? ?降水量特征分析

2.2.1 ? ?年降水量回歸分析。降水量的變化會(huì)導(dǎo)致區(qū)域氣候有最敏感、最直接的變化[19]，因而研究過(guò)去60年來(lái)我國(guó)在全球氣候變化背景下降水變化的區(qū)劃和變化特征極為重要[20]。從圖4可以看出，臨汾市年降水量在過(guò)去60年呈下降趨勢(shì)，降水量年均以-1.29 mm下降，氣候傾向率為-12.865 mm/10 a;該結(jié)果與以往的研究結(jié)果基本一致[21]。其中，在1958年、1964年、1971年、2003年降水豐沛，在1957年、1960年、1965年、1967年4年中降水量減少、氣候干燥?？傮w而言，年降水量變化大，波動(dòng)幅度較大，個(gè)別年份漲落較為明顯。其中，1978年、2001年符合M-K突變性減少的檢驗(yàn)結(jié)果，而1997年、2003年符合下文M-K突變性增加的檢驗(yàn)結(jié)果。

2.2.2 ? ?Mann-Kendall趨勢(shì)性檢驗(yàn)。使用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)臨汾市近60年來(lái)年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將檢驗(yàn)結(jié)果與回歸分析結(jié)果相聯(lián)系。分析得出，臨汾市近60年來(lái)年均降水量Z=-1.59，其絕對(duì)值>1.28，證明Z通過(guò)置信度為90%的顯著性檢驗(yàn)，但絕對(duì)值<1.64，證明Z未通過(guò)95%置信度測(cè)試，也可以說(shuō)明，近60年來(lái)降水量下降趨勢(shì)較為明顯，與本文通過(guò)回歸分析得出的結(jié)果相同。

2.2.3 ? ?Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)。時(shí)間統(tǒng)計(jì)數(shù)列有正序時(shí)間和逆序時(shí)間之分。其中，UF（K）表示正序時(shí)間，UB（K）表示逆序時(shí)間，若在置信度范圍之內(nèi)UF（K）與UB（K）存在交點(diǎn)，即可證明某地區(qū)在這一段時(shí)間內(nèi)，研究對(duì)象存在著突變，而交點(diǎn)位置即代表突變時(shí)刻的開(kāi)始。從圖5可以看出，UB與UK相交且存在11個(gè)交點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1978年、1981年、1983年、1986年、1992年、1994年、1995年、1996年、1997年、2001年、 2003年，其中在1978年、1983年、1986年、1994年、1996年、2001年、2003年，年均降水量呈突變性上升，有些年份在交點(diǎn)之后年均降水量呈突變性下降（1978年、1981年、1992年、1995年、1997年）。這11個(gè)交點(diǎn)均通過(guò)了a=0.05（+1.96）上限以及a=0.05（-1.96）下限的檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)證明，臨汾市近60年來(lái)的降水量發(fā)生了較大的變化。此外，交替最頻繁的年份出現(xiàn)在20世紀(jì)初，即1992—1997年間，年均降水量出現(xiàn)頻繁的突變上升或下降，然而，總體上降水量下降趨勢(shì)顯著。

根據(jù)前文得出的結(jié)論，臨汾市年均氣溫逐年上升，使得空氣中水汽含量相對(duì)減少，在一定程度也影響了臨汾市成云致雨的條件，而臨汾市降水量的逐年減少，也導(dǎo)致了空氣中污染物沉降擴(kuò)散的難度增加。因此，逐年降雨量的減少也成為了臨汾長(zhǎng)期霧霾且霧霾較難擴(kuò)散的原因之一。臨汾市年均降水量減少幅度較小，并不是臨汾市冬季霧霾嚴(yán)重的決定性因素，但不可否認(rèn)的是臨汾市冬季降水量的減少也加劇了臨汾市霧霾的嚴(yán)重程度。

2.3 ? ?日照時(shí)數(shù)特征分析

2.3.1 ? ?年日照時(shí)數(shù)回歸分析。任國(guó)玉等[22]認(rèn)為，過(guò)去50年我國(guó)的日照時(shí)數(shù)具有東部減少幅度大于西部、平原的減少幅度大于山區(qū)的特征，同時(shí)春、秋兩季減少幅度小于冬、夏兩季。對(duì)1954—2015年臨汾市年均日照時(shí)數(shù)進(jìn)行處理，以日照時(shí)數(shù)為因變量、年份為自變量，通過(guò)回歸分析建立2個(gè)變量之間的一元回歸方程，其線性變化傾向率為-54.297 h/10 a，并且臨汾的冬季日照時(shí)數(shù)每年以-5.429 7 h的數(shù)值逐年減少。1964年、2013年年均日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)出突變性上升趨勢(shì)，在2013年達(dá)到了近60年來(lái)的峰值（圖6）。

日照時(shí)數(shù)在山西省空間差異明顯。四季日照時(shí)數(shù)中，冬季最少。在過(guò)去的48年中臨汾年、季、月日照時(shí)數(shù)逐年減少[23]。其中，冬季日照時(shí)數(shù)減少是最重要的[24]，減少速率為-48.47 h/10 a，而冬季日照時(shí)數(shù)的減少與臨汾市冬季嚴(yán)重的霧霾有密不可分的聯(lián)系。臨汾污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，使得空氣中塵埃、顆粒物質(zhì)增多，其對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收、折射能力增強(qiáng)，也成為了冬季年日照時(shí)數(shù)逐年減少的原因之一。此外，冬季日照時(shí)數(shù)的減少也在一定程度上抑制空氣中顆粒因子的活躍程度;加之地形因素的影響，導(dǎo)致在臨汾上空形成了較厚的逆溫層，大氣污染物濃度不宜降低，使臨汾市冬季污染程度加劇。近幾年臨汾市政府根據(jù)市區(qū)地理位置和氣象特點(diǎn)對(duì)臨汾市大型工廠、中小型企業(yè)等進(jìn)行治理和調(diào)整[25]，使得自2013年后日照時(shí)數(shù)出現(xiàn)大幅增長(zhǎng)。

2.3.2 ? ?Mann-Kendall趨勢(shì)性檢驗(yàn)。通過(guò)對(duì)臨汾市近60年來(lái)年均日照時(shí)數(shù)進(jìn)行M-K趨勢(shì)性檢驗(yàn)，得出Z=-4.9，絕對(duì)值 >2.32，通過(guò)了99%置信度測(cè)試，可以得出，年均日照時(shí)數(shù)下降趨勢(shì)更為明顯。這與前文對(duì)年均日照時(shí)數(shù)的回歸分析結(jié)果相一致，證明年均日照時(shí)數(shù)的下降趨勢(shì)較為明顯，同時(shí)也證明了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的可靠性。

2.3.3 ? ?Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)。對(duì)臨汾近60年來(lái)年均日照時(shí)數(shù)進(jìn)行M-K突變性檢驗(yàn)，從圖7可以看出，UF（K）和UB（K）有2個(gè)交點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1958年和2011年。其中，只有1958年的交點(diǎn)位于檢驗(yàn)范圍內(nèi)，而2011年的交點(diǎn)沒(méi)有通過(guò)0.05的檢驗(yàn)，所以2011年日照時(shí)數(shù)突變性上升不具有突變性。根據(jù)對(duì)近60年的日照時(shí)數(shù)的回歸結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，自20世紀(jì)50年代以來(lái)，年日照時(shí)數(shù)基本呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

3 ? ?結(jié)論與討論

結(jié)果表明，以大區(qū)域氣候背景為基礎(chǔ)，臨汾形成了獨(dú)特局地小氣候，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，其平均氣溫呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì);增長(zhǎng)速度快于全國(guó)趨勢(shì)，年均降水量和日照時(shí)數(shù)總體減少。

使用M-K趨勢(shì)檢驗(yàn)法檢驗(yàn)?zāi)昃鶞?、年降水量、年日照時(shí)數(shù)，臨汾市年平均氣溫的增暖現(xiàn)象較為顯著，并且通過(guò)了99%置信度檢驗(yàn);年降水量及日照時(shí)數(shù)的下降趨勢(shì)分別通過(guò)了90%和95%的置信度測(cè)試。

對(duì)近60年臨汾市年均溫、降水以及日照時(shí)數(shù)進(jìn)行M-K突變性檢驗(yàn)處理之后，發(fā)現(xiàn)年均溫在1970年出現(xiàn)交點(diǎn)，這表明臨汾氣象站的氣候變暖變化趨勢(shì)屬于突變現(xiàn)象。此外，降水量有略微下降趨勢(shì)，日照時(shí)數(shù)也逐年減少，由于氣候因素的變化，對(duì)冬季霧霾加重也起到了推動(dòng)作用。

臨汾市形成的獨(dú)特小氣候?qū)е铝丝諝馕廴厩闆r加劇。在考慮其他因素的同時(shí)，應(yīng)以小氣候因素的特征為基礎(chǔ)從多方面思考臨汾近年來(lái)氣候敏感問(wèn)題，積極控制與調(diào)節(jié)局地小氣候，并對(duì)此采取相對(duì)應(yīng)的措施。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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