降水及氣溫變化特征分析

王遷 李丹丹 趙玲

摘 要 基于懷集地區(qū)1958-2016年年降水量和年平均溫度資料，本文應(yīng)用均值-標準差分級法、線性回歸法、移動平均法及Mann-Kendall檢驗法等統(tǒng)計方法，分析總結(jié)了懷集地區(qū)近59年以來的氣候變化特征。結(jié)果研究表明：近59年以來，懷集地區(qū)年降水量呈緩慢下降趨勢，但不顯著，且未出現(xiàn)明顯氣溫冷暖突變現(xiàn)象;而年平均溫度呈上升顯著趨勢，從1985年開始突變明顯變暖。

關(guān)鍵詞 年降水量;年平均溫度;Mann-Kendall檢驗法

引言

隨著肇慶經(jīng)濟迅速發(fā)展，越來越多的企業(yè)公司紛紛前往肇慶懷集地區(qū)投資，研究如何能夠提供精細和準確的專業(yè)氣象服務(wù)[1]，更好地為企業(yè)建設(shè)提供精準的氣候資料分析，地區(qū)性年降水和氣溫變化特征分析顯得尤為重要[2]。氣候分析所采用的方法有很多，其中統(tǒng)計方法仍是比較有效的[3]，即通過尋找各年份氣象數(shù)據(jù)之間的相關(guān)規(guī)律來擬合計算，得出模型方程，從而進一步分析和反映氣候要素隨時間的變化的狀態(tài)或程度。目前在國內(nèi)具有效果的統(tǒng)計方法是Mann-Kendall檢測法，其應(yīng)用于降水和氣溫等頗為廣泛[4]。例如胡剛等[5]利用Mann-Kendall法對濟南市氣溫變化進行了趨勢和突變檢驗分析;張麗[6]等則綜合考慮多年降水和氣溫的變化特征，利用Mann-Kendall法分析鄭州1951-2011年氣候特征;簡虹[4]等結(jié)合小波法和Mann-Kendall法分析出重慶沙坪壩地區(qū)年降水主要受汛期降水的控制。這些研究方法具有單一性。

本文利用均值-標準差分級法、線性回歸法、滑動平均法及Mann-Kendall突變檢驗法等統(tǒng)計方法綜合性得對懷集縣1958-2016年近59年年降水量和年平均溫度變化特征進行分析，以期為企業(yè)投資建設(shè)和專業(yè)氣象服務(wù)在氣候分析方面做出參考。

1統(tǒng)計模型建立

統(tǒng)計法，即尋找各隨機變量之間的相關(guān)規(guī)律來定量描述，通過對內(nèi)在發(fā)現(xiàn)進行精確判斷和預(yù)測的數(shù)學(xué)工具。

1.1 移動平均分析模型

對序列{xt}的幾個前期值和后期值取平均，得到一個新序列{yt}，使得原序列光滑，這就是移動平均法[7]。數(shù)學(xué)表達式為

當(dāng)k=1時，就是3點滑動平均。移動平均能夠清晰直觀的顯示出序列的某種趨勢并且能減弱隨機的因素。

1.2 Mann-Kendall趨勢檢驗

設(shè)H0為時間序列數(shù)據(jù)為x1，x2...xn，是n個獨立的樣本;對于所有i，j≤n，且i≠j，xi和xj獨立不同，定義統(tǒng)計量S：

當(dāng)Xi-Xj小于、等于或大于零時，sign（Xi-Xj）分別為-1、0或1。S為正態(tài)分布，均值為0，方差Var（S）=n（n-1）（2n+5）/18。M-K統(tǒng)計量如下：

雙邊檢驗時，Z值絕對值大于等于1.28、1.64、2.32時分別通過置信度90%、95%、99%顯著性檢驗。

1.3 非參數(shù)Mann-Kendall突變檢驗

氣候時間序列隨機且獨立的，適用于非參數(shù)Mann-Kendall法。設(shè)氣候序列為x1，x2...xn，Sk表示第i個樣本xi>xj（1≤j≤i）的累計數(shù)，統(tǒng)計量定義為

其中UF1=0。顯著性水平α，若|UFk|>Uα，則表明序列存在明顯趨勢變化。設(shè)立反序列xn，xn-1...x1表示為x1，x2...xn。ri表示第i個樣本xi>xj（i≤j≤n）的累計數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1 懷集地區(qū)年降水量特征

表1為懷集縣1958-2016年年降水量數(shù)據(jù)，經(jīng)過三次多項式擬合，結(jié)果如圖1 所示。圖中可知，1958-2016年懷集的年降水分布較散，平穩(wěn)性差，波動較大，存在極端降水的情況。本文通過采用均值-標準差分級法[8]，對懷集縣年1958-2016年年降水量進去狀態(tài)分級，將年降水狀態(tài)分為特多、偏多、正常、偏少、特少等5個等級，方法如表2所示。經(jīng)計算，懷集地區(qū)降水量均值x=1753.5，標準差S=270.8。由表1和表2分級中可以看出，懷集縣（1958-2016年）年降水整體呈穩(wěn)定趨勢，均在1753.5mm上下波動，其中1958年，1991年，2003年，2004年和2011年降水特少，降水量在1446.83mm以下屬于枯水年景;1959年，1973年，1981年，1983年，1997年和2016年降水特多，降水量在2042.63mm以上屬于豐水年景。

2.2 懷集地區(qū)年降水量趨勢

圖2為懷集縣（1958-2016年）年降水量一元線性回歸和3a移動平均圖。年降水量序列是時間序列，具有有一定的時間規(guī)律性[9]，但地區(qū)的年降水量由于存在相依性和獨立性，從而導(dǎo)致序列中隨機因素容易被忽略。本文通過數(shù)理統(tǒng)計的方法先對原有年降水量序列進行3a移動平均分析，（令k=1）得到新的年降水量序列，從而減弱初始降水序列中隨機因素的影響[9]，降低誤差，以新序列進行一元線性回歸模型擬合，如圖2光滑曲線所示得到一元線性回歸方程。由表1和表2分級中可以看出，懷集縣（1958-2016年）年降水整體呈穩(wěn)定趨勢。但根據(jù)圖2線性分析得到，懷集縣年降水量50多年來有著緩慢減少的趨勢，從1958開始，每10年約減少12.77mm。

2.3 懷集地區(qū)年平均氣溫變化特征分析

由圖3可知，懷集地區(qū)年平均溫度呈波動上升的趨勢，1958-2016年年平均溫度為21.1℃。從1958年開始，總體上是由低到高的過程。與平均值相比，1958-1973年溫度上升相對緩慢，1978-1983年溫度與歷史平均值持平，屬于氣溫穩(wěn)定期，1984年是個轉(zhuǎn)折點，之前的溫度大部分都在21.1℃以下，因此將1958-1984年這一段稱為近59年的低溫時期;1984-2007年多數(shù)時間高于平均溫度，上升趨勢明顯，以0.05℃/年的速度上升，因此將1984-2007年這一段稱為近59年的高溫時期。2008-2016年平均溫度又重新陷入緩慢升速。近59年，最暖年份為1998、2003和2006年，年平均氣溫是22℃，最冷年份為1976和1984年，年平均氣溫是20.2℃。

2.4 Mann-Kendall在年降水量和年平均氣溫特征分析中的應(yīng)用

（1）基于Mann-Kendal方法對懷集地區(qū)1958-2016年的氣候數(shù)據(jù)進行趨勢檢驗

如表3所示：懷集地區(qū)1958-2016年年降水量多年呈緩慢減少趨勢，但沒有通過0.1的顯著性檢驗，表明懷集地區(qū)的年降水量減少趨勢不明顯。懷集地區(qū)近59年降水量增加趨勢趨于明顯，且通過了0.001水平的極顯著性檢驗，表明氣溫升高的趨勢非常顯著，這與線性回歸的結(jié)果是一致的。

（2）基于Mann-Kendal方法對1958-2016年的氣候數(shù)據(jù)進行突變檢驗

如圖4所示，根據(jù)UFk和UBk兩條曲線顯示懷集地區(qū)1958-2016年呈上升趨勢，其中1958-1961年、1963-1968年和1996-2016年增加趨勢明顯，通過0.05顯著性檢驗。根據(jù)兩條曲線的交點位置，即1959年、1961年、1964年、1966年、1985年均存在突變，其中1985年交點突變趨勢顯著，表明懷集地區(qū)氣溫增暖現(xiàn)象主要是從1985年開始的。

如圖5所示，根據(jù)UFk和UBk兩條曲線，加上|UFk|

3結(jié)束語

本文先把年降水量時間序列進行3a移動平均，削弱初始時間序列的隨機性和偶然性，降低了干擾因素，增加降水時間序列的規(guī)律性，在新的序列基礎(chǔ)上，再利用線性回歸建立模型。因此，在今后應(yīng)用氣候分析，移動平均可以有效降低干擾因素，提高規(guī)律性。

本文通過基本統(tǒng)計學(xué)方法與Mann-Kendal法，綜合性得研究了懷集地區(qū)近59年以來氣候數(shù)據(jù)分析，結(jié)果研究表明：從1958年到2016年，懷集地區(qū)年降水量呈緩慢下降趨勢，但不顯著，且未出現(xiàn)明顯氣溫冷暖突變現(xiàn)象;而年平均溫度呈上升顯著趨勢，從1985年開始突變明顯變暖，多種方法的結(jié)果具有統(tǒng)一性。因此，綜合性運用多種方法應(yīng)用于氣候分析，在今后可為企業(yè)建設(shè)和專業(yè)氣象服務(wù)能夠提供更精確和精細的參考性。

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作者簡介：

王遷（1991-），男;學(xué)歷：碩士，職稱：助理工程師，現(xiàn)就職單位：肇慶市氣象局，研究方向：專業(yè)氣象服務(wù)。