氣候變化背景下鄂州市近60年氣溫變化特征分析

黃思先 王保 陳正洪 翟紅楠

摘要：基于鄂州市1959-2018年逐日氣溫資料，應用一元線性回歸、Mann-Kendall突變檢驗結合累積距平法、小波分析等方法對鄂州市近60年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫變化特征進行統(tǒng)計分析。結果表明，鄂州市近60年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫都呈波動上升趨勢，平均最低氣溫和極端最低氣溫的上升趨勢相對于平均最高氣溫和極端最高氣溫的上升趨勢更為明顯;年平均氣溫無明顯突變;年平均最高氣溫在2002年發(fā)生突變;年平均最低氣溫在1989年發(fā)生突變;年極端最高氣溫在2008年發(fā)生突變;年極端最低氣溫在1981年發(fā)生突變;年平均氣溫表現(xiàn)為準18年、準10年的年代際周期和準4年尺度的年際周期;年平均最高氣溫表現(xiàn)為準16年的年代際周期和準4年尺度的年際周期;年平均最低氣溫表現(xiàn)為準30年、準18年和準10年的年代際周期以及準4年的年際周期;極端最高氣溫表現(xiàn)為準12年的年代際周期和4-6年及2-4年的年際周期;極端最低氣溫表現(xiàn)為準30年、準16年和準10年的年代際周期以及準6年和準4年的年際周期。

關鍵詞：鄂州市;波動上升;突變;小波分析

中圖分類號：P467

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020）12-0033-07

DOI：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.007

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

全球氣候變暖問題已成為各國政府共同關注的問題，IPCC第五次評估報告[1]明確指出，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℃。氣象工作者對氣溫變化特征進行了許多研究[2-8]。于淑秋等[2]在研究氣溫的年代際變化中得出中國氣溫從1978年開始進入了一個穩(wěn)定增溫的氣候階段;唐紅玉等[9]研究表明中國平均最高氣溫呈現(xiàn)北方增暖明顯、南方變化不明顯的特征，年平均最低氣溫全國各地基本一致，呈明顯的變暖趨勢;黃濟琛等[10]得出近45年常德市年平均氣溫呈明顯升高趨勢;劉永婷等[11]得出近55年安徽省氣候呈明顯的暖化趨勢，年均氣溫及春、秋、冬季氣溫均呈明顯上升趨勢，其中春季升溫幅度最顯著，年平均氣溫在20世紀90年代波動幅度最大;丁斌等[12]研究得出長江流域近50年來年平均氣溫、年平均日最低氣溫、年平均日最高氣溫在20世紀50年代明顯偏高，60-80年代波動下降，80年代中后期以后有所上升，90年代較80年代增溫0.3 -0.6℃;丁麗佳等[13]得出潮州市近53年來平均氣溫呈增加趨勢，冬季增溫最明顯。

湖北省鄂州市位于湖北省東部，長江中游南岸，武漢城市圈和長江中游城市群重要成員，鄂東水陸交通樞紐之一，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，是氣象災害易發(fā)地帶。本研究利用鄂州市1959-2018年60年氣溫資料，運用氣候?qū)W統(tǒng)計診斷方法，分析年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最高氣溫和極端最低氣溫5個氣溫要素的氣候變化特征和發(fā)展規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 資料

選用湖北省鄂州市氣象局地面氣象觀測站1959-2018年逐日氣溫資料，資料數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)過質(zhì)控檢驗，按照各氣象要素定義分別計算得出逐年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫5個氣溫要素值。

1.2方法

應用一元線性回歸分析法對5個氣溫要素值進行氣候趨勢分析，應用Mann-Kendall（ M-K）檢驗法結合累積距平法對5個氣溫要素序列進行突變檢驗，應用Morlet小波變換對5個氣溫要素進行周期分析。

Mann-Kendall檢驗法是一種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，其優(yōu)點是樣本不需要遵從特定的分布，人為干擾比較少，不受個別異常值的干擾，可以檢驗較寬的范圍，可以明確突變的區(qū)域，指出突變開始的時間。累積距平可以判斷長期顯著的演變趨勢及持續(xù)性變化，可以診斷出發(fā)生突變的大致時間，從曲線小的波動變化可以考察其短期的距平值變化[14，15]。

Morlet小波分析在時域、頻域上具有局部辨識力，可診斷出氣溫序列變化的多層次特征，進而得到周期變化在不同時間尺度上的詳細信息[16，17]。小波系數(shù)的實部、模是Morlet小波變換得到的最重要變量。實部包含所給定時間和尺度信號相對于其他時間和尺度信號的強度和位相兩方面的信息;模的大小表示特征時間尺度信號的強弱，模值越大，表明其所對應的時段和尺度的周期性越明顯;正的小波系數(shù)對應于偏多期，負的小波系數(shù)對應于偏少期18-。

2 氣溫變化特征分析

2.1 氣溫時間變化特征

2.1.1 平均氣溫及平均最高、最低氣溫 由圖l可知，近60年來鄂州市多年平均氣溫為17.4℃，年平均氣溫總體呈波動上升趨勢，以0.2140C/IO年的傾向率上升，趨勢相關系數(shù)為0.482 9，上升趨勢較顯著，自2013年以來，維持偏暖。多年平均最高氣溫為21.6℃，年平均最高氣溫總體也呈波動上升趨勢，以0.2070C/IO年的傾向率上升，趨勢相關系數(shù)為0.280 6，上升趨勢較顯著。多年平均最低氣溫為14.0℃，年平均最低氣溫總體上也呈波動上升趨勢，以0.2840C/10年的傾向率上升，趨勢相關系數(shù)為0.633 8，上升趨勢顯著。

2.1.2 極端氣溫由圖2可知，近60年來鄂州市多年極端最高氣溫平均為38.3℃，極端最高氣溫為41.0℃，出現(xiàn)在2013年，年極端最高氣溫總體呈波動上升趨勢，以0.1650C/10年的傾向率上升，自2013年以來，超過40℃的極端高溫頻次明顯增加。多年極端最低氣溫平均為-4.4℃，極端最低氣溫為一12.4℃，出現(xiàn)在1969年，年極端最低氣溫總體也呈波動上升趨勢，以0.6420C/10年的傾向率上升，趨勢相關系數(shù)為0.242 9，上升趨勢較顯著，自20世紀90年代以來，低于一5℃的極端低溫頻次明顯減少。

2.2氣溫突變特征

采用M-K突變檢驗法聯(lián)合累積距平法對鄂州市近60年氣溫進行突變檢驗，結果如圖3a至圖3f、圖4a至圖4d所示。

2.2.1 平均氣溫及平均最高、最低氣溫 由圖3a可知，鄂州市年平均氣溫UF曲線在1988年以后大于0，表明年平均氣溫自20世紀80年代末以后有明顯上升趨勢，1997年以后UF曲線超過0.05趨勢線，表明20世紀末至今鄂州市年平均氣溫上升趨勢十分顯著;UF與UB交叉點位于1998年并處于臨界線以外，結合累積距平斜率（圖3d）在1998年無明顯變化，可判斷鄂州市年平均氣溫無明顯突變。由圖3b可知，年平均最高氣溫UF曲線在1998年以后大于0，表明年平均最高氣溫自20世紀末以后有明顯上升趨勢，2006年以后UF曲線超過0.05趨勢線，表明近十年鄂州市年平均最高氣溫上升趨勢十分顯著;UF與UB交叉點位于2001年并處于臨界線以內(nèi)，結合累積距平斜率（圖3e）在2001年處明顯增大，可判斷鄂州市年平均最高氣溫在2002年發(fā)生突變。由圖3c可知，年平均最低氣溫UF曲線在1979年以后大于0，表明年平均最低氣溫自20世紀70年代末以后有明顯上升趨勢，1987年以后UF曲線超過0.05趨勢線，表明20世紀80年代末至今鄂州市年平均最低氣溫上升趨勢十分顯著;UF與UB交叉點位于1989年并處于臨界線以外，結合累積距平斜率（圖3f）在1989年明顯增大，可判斷鄂州市年平均最低氣溫在1989年發(fā)生突變。

2.2.2 極端氣溫 由圖4a可知，鄂州市年極端最高氣溫UF曲線在2000年以后大于0，表明年極端最高氣溫自21世紀初以后有明顯上升趨勢;UF與UB交叉點位于2008年和2013-2015年并處于臨界線以外，結合累積距平斜率（圖4c）在2008年處明顯增大、2013-2015年變化不明顯，可判斷鄂州市年極端最高氣溫在2008年發(fā)生突變。由圖4b可知，年極端最低氣溫UF曲線在1981年以后大于0，表明年極端最低氣溫自20世紀80年代初以后有明顯上升趨勢，1987年以后UF曲線超過0.05趨勢線，表明自20世紀80年代末至今鄂州市年極端最低氣溫上升趨勢十分顯著;UF與UB交叉點位于1981年并處于臨界線以內(nèi)，結合累積距平斜率（圖4d）在1981年明顯增大，可判斷鄂州市年極端最低氣溫在1981年發(fā)生突變。

2.3 氣溫周期變化特征

采用Morlet小波對鄂州市近60年氣溫進行周期演變分析，繪制了小波變換系數(shù)實部和小波模，小波系數(shù)實部為正值時用實線繪出，為負值時用虛線繪出，通過小波分析可以看出氣溫隨著不同時間尺度冷暖交替變化（圖5a至圖5f、圖6a至圖6d）。

2.3.1 平均氣溫及平均最高、最低氣溫 由圖Sa可知，鄂州市年平均氣溫變化過程在整個時域上存在著準30年和準18年的年代際周期變化規(guī)律，準10年的周期變化規(guī)律在1980年以后表現(xiàn)明顯，4-6年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1985年表現(xiàn)明顯，2-4年尺度的周期變化規(guī)律在1986年以后表現(xiàn)明顯。小波模（圖5d）在準18年附近在整個時間域上都相對較大，在年代際周期準10年處在2010年以后模值相對較大，在年際周期準4年處在1975-1985年和1990-2000年模值相對較大。因此，鄂州市近60年年平均氣溫主要表現(xiàn)為準18年尺度、準10年尺度的年代際周期和準4年尺度的年際周期。準18年年代際周期變化規(guī)律在整個時間域上都明顯，已持續(xù)了3個冷一暖周期，準10年年代際周期變化規(guī)律在2010年以后表現(xiàn)明顯，準4年年際周期變化規(guī)律在1975-1985年和1990-2000年最明顯。

由圖5b可知，鄂州市年平均最高氣溫變化過程在1959-2000年存在準16年的周期變化規(guī)律，準19年的周期變化規(guī)律在2001年以后表現(xiàn)明顯，準28年的周期變化規(guī)律在1990年以后表現(xiàn)明顯，8-10年尺度的周期變化規(guī)律在1980年以后表現(xiàn)明顯，4-6年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1977年表現(xiàn)明顯，2-4年尺度的周期變化規(guī)律在1970-2000年和2010-2018年表現(xiàn)明顯。小波模（圖5e）在年代際周期準16年處在1959-1988年相對較大，年際周期準4年處在1975-1985年模值相對較大，2-4年處在1993-2000年模值相對較大。因此，鄂州市近60年年平均最高氣溫主要表現(xiàn)為準16年尺度的年代際周期和準4年尺度的年際周期。準16年年代際周期變化規(guī)律在1959-1988年最明顯，已持續(xù)了2個冷一暖周期，準4年年際周期變化規(guī)律在1959-2000年以及2010-2018年最明顯。

由圖5c可知，鄂州市年平均最低氣溫變化過程在整個時間域上存在著準30年和準18年的年代際周期變化規(guī)律，準10年尺度的周期變化規(guī)律在1980年以后表現(xiàn)明顯，準4年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1993年表現(xiàn)明顯。小波模（圖5f）在年代際周期準30年處在整個時間域上模值都相對較大，在準18年處1985年之后模值相對較大，在年代際周期準10年處1994年之后模值相對較大，在年際周期準4年處在1959-1993年模值相對較大。因此，鄂州市近60年年平均最低氣溫主要表現(xiàn)為準30年尺度、準18年尺度和準10年尺度的年代際周期以及準4年的年際周期。準30年年代際周期變化規(guī)律在整個時間域上都明顯，已持續(xù)了2個冷一暖周期，準18年年代際周期變化規(guī)律在1985年之后明顯，準10年年代際周期變化規(guī)律在1994年以后最明顯，準4年年際周期變化規(guī)律在1959-1993年最明顯。

2.3.2極端氣溫由圖6a可知，鄂州市年極端最高氣溫變化過程存在準18年年代際周期變化規(guī)律，其在1989年以后表現(xiàn)明顯，準12年的年代際周期變化規(guī)律在1977-2012年表現(xiàn)明顯，4-6年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1999年表現(xiàn)明顯，2-4年尺度的周期變化規(guī)律在2000年以后表現(xiàn)明顯。小波模（圖6c）在年代際周期準12年處在1975-2007年模值較大，在年際周期準4-6年處在1963-2000年模值較大，在年際周期準2-4年處在2001年以后模值較大。因此，鄂州市近60年年極端最高氣溫主要表現(xiàn)為準12年尺度的年代際周期和4-6年尺度及2-4年尺度的年際周期變化規(guī)律。準12年年代際周期變化規(guī)律在1975-2007年最明顯，4-6年年際周期變化規(guī)律在1963-2000年最明顯，2-4年年際周期變化規(guī)律在2001年以后最明顯。

由圖6b可知，鄂州市年極端最低氣溫變化過程在整個時間域上存在著準30年的年代際周期變化規(guī)律，準16年尺度的周期變化規(guī)律在1994年以后表現(xiàn)明顯，準10年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1993年表現(xiàn)明顯，準6年尺度的周期變化規(guī)律在1979年以后表現(xiàn)明顯，準4年尺度的周期變化規(guī)律在1968-1981年和2003年以后表現(xiàn)明顯。小波模（圖6d）在年代際周期準30年處在整個時間域上模值相對較大，在年代際周期準16年處2002年以后模值較大，在年代際周期準10年處1960-1993年模值相對較大，在年際周期準6年處在1980-1998年模值相對較大，在年際周期準4年處在1966-1982年模值相對較大。因此，鄂州市近60年年極端最低氣溫主要表現(xiàn)為準30年尺度、準16年尺度和準10年尺度的年代際周期以及準6年尺度和準4年尺度的年際周期。準30年年代際周期變化規(guī)律在整個時間域上都明顯，并已持續(xù)了2個冷一暖周期，準16年年代際周期變化規(guī)律在2002年以后最明顯，準10年年代際周期變化規(guī)律在1960-1993年最明顯，準6年年際周期變化規(guī)律在1980-1998年以后最明顯，準4年年際周期變化規(guī)律在1966-1982年最明顯。

3 小結

通過對鄂州市近60年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫變化特征進行統(tǒng)計分析，得出如下結論。

1）鄂州市近60年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫都呈波動上升趨勢，上升傾向率分別為0.214、0.207、0.284、0.165和0.642℃/IO年，平均最低氣溫和極端最低氣溫的上升趨勢相對于平均最高氣溫和極端最高氣溫的上升趨勢更明顯。

2）近60年以來，鄂州市年平均氣溫自20世紀80年代末以后有明顯上升趨勢，20世紀末至今上升趨勢十分顯著，但無明顯突變;年平均最高氣溫自20世紀末以后有明顯上升趨勢，近十年上升趨勢十分顯著，在2002年發(fā)生突變;年平均最低氣溫自20世紀70年代末以后有明顯上升趨勢，20世紀80年代末至今上升趨勢十分顯著，在1989年發(fā)生突變;年極端最高氣溫自21世紀初以后有明顯上升趨勢，在2008年發(fā)生突變;年極端最低氣溫自20世紀80年代初以后有明顯上升趨勢，20世紀80年代末至今上升趨勢十分顯著，在1981年發(fā)生突變。

3）鄂州市近60年年平均氣溫主要表現(xiàn)為準18年尺度、準10年尺度的年代際周期和準4年尺度的年際周期;年平均最高氣溫主要表現(xiàn)為準16年尺度的年代際周期和準4年尺度的年際周期;年平均最低氣溫主要表現(xiàn)為準30年尺度、準18年尺度和準10年尺度的年代際周期以及準4年的年際周期;極端最高氣溫主要表現(xiàn)為準12年尺度的年代際周期和4-6年尺度及2-4年尺度的年際周期;極端最低氣溫主要表現(xiàn)為準30年尺度、準16年尺度和準10年尺度的年代際周期以及準6年尺度和準4年尺度的年際周期。

參考文獻：

[1] IPCC. Climate change 2013： The physical science basis [M/OL].Cambridge university press， Cambridge， United Kingdom and NewYork， NY， USA. https： //www. ipcc. ch/site/assets/uploads/2017/09/WCIAR5_Chapter02_FINAL.pdf.

[2]于淑秋，林學椿，徐祥德.中國氣溫的年代際振蕩及其未來趨勢[J].氣象科技，2003，31（3）：136-139，146.

[3]張明慶，劉桂蓮.我國近四十年氣溫變化時空差異研究[J].氣象科技，1999，27（1）：40-44.

[4]黃嘉佑.我國夏季氣溫、降水量場的時空特征分析[J].大氣科學，1991.15（3）： 124-132.

[5]王遵婭，周兵，王艷姣，等.2013年春季我國氣候異常特征及其可能原因[J].氣象，2013，39（10）：1374-1378

[6]楊萍，劉偉東，王啟光，等近40年我國極端溫度變化趨勢和季節(jié)特征[J].應用氣象學報，2010，21（1）：29-36.

[7]楊輝，李崇銀.2003年夏季中國江南異常高溫的分析研究[J].氣候與環(huán)境研究，2005，IO（1）：80-85

[8]鄧山，陸曉明，陸寶宏，等，南京市近53年氣溫和降水量特征分析[J].水電能源科學，2014，32（8）：14-17

[9]唐紅玉，翟盤茂，王振宇.1951-2002年中國平均最高、最低氣溫及日較差變化[J].氣候與環(huán)境研究，2005，10（4）：728-735.

[10]黃濟琛，陸寶宏，徐玲玲，等.變化條件下常德市降水氣溫特征分析[J].水文，2016，36（5）：85-91.

[11]劉永婷，徐光來，尹周祥，等，全球變化背景下安徽近55 a氣溫時空變化特征[J].自然資源學報，2017，32（4）：680-691.

[12]丁斌，顧顯躍，繆啟龍.長江流域近50年來的氣溫變化特征[J-長江流域資源與環(huán)境，2006，15（4）：531-536.

[13]丁麗佳，鄭有飛，王春林，等.潮州市近53年氣溫變化特征[J].氣象科技，2011（1）：44-47.

[14]張健，李同舁，張俊輝，等1933-2012年無定河徑流突變與周期特征診斷[J].地理科學，2016，36（3）：475-480.

[15]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預測技術[M].北京：氣象出版社.2007.99-104.

[16]康玲，楊正祥，姜鐵兵.基于Morlet小波的丹江口水庫入庫流量周期性分析[J].計算機T程與科學，2009，31（ 11）：149-152.

[17]廖雪萍，覃衛(wèi)堅，唐炳莉.廣西近50年暴雨日數(shù)變化的小波分析[J].氣象，2007，33（ 12）：39-45.

[18]韓春光，蒲云錦，朱蓉慧，新疆石河子58年氣溫特征分析[J].中國農(nóng)學通報，2014，30（8）：250-255.

基金項目：湖北省氣象局科技發(fā)展基金項目（2019JIO）

作者簡介：黃思先（1987-），男，湖北黃岡人，工程師，主要從事氣候預報預測及研究工作，（電話）15926018229（電子信箱）642126802@qq.com;通信作者，王保（1989-），女，湖北黃岡人，工程師，主要從事天氣預報工作，（電子信箱）1011897778@qq.com。