長春市近56 年氣溫變化特征分析

解彥維 姚宏偉

（吉林省農(nóng)安縣氣象局，吉林 長春130200）

1 研究區(qū)概況及方法

長春位于北緯43°05 ～ 45°15 '，東經(jīng)124°18 ～ 127°05 年，東部山地濕潤和西部平原之間的半干旱地區(qū)，濕潤的溫帶大陸性氣候類型之間的過渡區(qū)，位于中國東北平原松遼平原腹地，是東北的一個自然地理中心。本文采用線性趨勢分析的方法,累積距平等方法分析氣溫變化趨勢，利用m-k 檢驗方法進行溫度突變分析，利用MATLAB 小波工具箱中的復小波分析，分析溫度的周期性變化。

2 氣溫年代、季節(jié)變化

1962-2017 年長春市年均溫呈增加趨勢（表1），配對樣本t檢驗結(jié)果為p<0.01，表示其增加優(yōu)勢顯著。

具體來說，1962-2017 年長春市平均氣溫為5.85℃，年均溫在波動中逐漸上升，增溫率為0.37℃/10a，明顯高于全球年均溫增溫率0.12℃/10a。

長春市四季均溫均呈上升趨勢，其中冬季氣溫增溫率最大；夏季增溫率最小，主要是春季和冬季的增溫率對年增溫率的貢獻率最大。長春市四季的日最高氣溫呈上升趨勢，增溫率普遍比平均氣溫的增溫率小，表明日高氣溫的增溫率對平均溫度的上升貢獻率較小。長春市年均日最底氣溫的增溫率為0.52℃/10a，表明日最低氣溫的增溫率對平均溫度的上升貢獻率較大。

表1 長春市的氣溫季節(jié)變化（℃）和季節(jié)年代增溫率（℃/10a）

1962-2017 年長春市氣溫年代際變化基本呈現(xiàn)增長趨勢（表2），長春市全年以及四季均表示1962-1969、1970-1979、1980-1989 屬于冷期，氣溫均比平均氣溫低，之后逐漸轉(zhuǎn)暖，均高于平均氣溫。

3 氣溫的突變檢驗

利用M-K 突變點分析方法，繪制了年平均氣溫正向統(tǒng)計量Uf 和反向統(tǒng)計量Ub 曲線，如圖1 長春市平均氣溫的M-K 統(tǒng)計量的曲線超過了1.96 的信度線，表明溫度上升明顯。長春市近56 年平均氣溫變化從M-K 統(tǒng)計曲線看出，在信度線間，兩曲線在1989 年左右相交，說明該點氣溫上升發(fā)生了突變。表明長春市區(qū)年平均氣溫在近56 年中逐漸上升，并且1989 年發(fā)生了突變。

表2 長春市季節(jié)、年氣溫累積距平年代際變化

圖1 長春市年平均氣溫的M-K 統(tǒng)計量曲線

4 長春市氣溫的周期變化

所謂年平均溫度時間序列的多重時間尺度，是指在年平均溫度的演變過程中沒有真正的變化周期，但其變化周期隨不同的研究尺度而相應地變化，這通常表明變化小規(guī)模的周期通常嵌套在大規(guī)模的變化周期中。換句話說，年平均溫度變化的時域具有多級時間尺度結(jié)構(gòu)和局部變化特征。

因為本文中測得的年平均溫度數(shù)據(jù)是一個有限的時間數(shù)據(jù)序列，所以在時間序列的兩端都可能存在“邊界效應”，首先利用MATLAB 小波工具箱的信號擴展功能來對稱地擴展數(shù)據(jù)，將56 年研究數(shù)據(jù)前后分別延伸4 年得到連續(xù)64 年的年平均溫度數(shù)據(jù)，然后選擇CMOR（1-1.5），采樣周期為1，最大刻度為32（擴展時間序列的一半）的Morlet 復數(shù)小波函數(shù)計算小波系數(shù)，最后去除兩端的擴展數(shù)據(jù)的小波系數(shù)，并計算Morlet 復數(shù)小波系數(shù)的實部。年平均溫度小波系數(shù)實部等值線圖（圖2a）。實部等值線可以反映年平均溫度序列不同時間尺度上的周期性變化及其在時域中的分布，進而可以判斷不同時間尺度上年平均溫度的未來趨勢，從1962 年到2017 年的年平均溫度在5-32a的時間尺度變化過程中有多個明顯振蕩周期，是多個振蕩周期的矢量和。并且，在20a 的時間尺度上，周期性振蕩最為明顯，貫穿整個研究區(qū)域。

圖2 長春市年均氣溫復Morlet 小波實部圖（a）、模圖（b）

第二步，計算小波系數(shù)的模量（圖2（b））和模量平方值（圖略），可以反應小波變化的實部和虛部，從立體方向上分析，長春市氣溫的周期性變化，如圖可以看出，5-55a 的時間尺度模量是平均溫度演化過程中最大的，表明這一時期的周期性變化非常明顯。15-25a 的時間尺度模量相對較大，但并未涵蓋整個研究時期，因此這一時期的周期性變化不是很顯著。

最后確定氣溫變化的周期是通過繪制小波方差圖，小波方差圖中（圖3（a））存在3 個較為明顯的峰值，它們依次從小至大對應著20a、13a 和9a 的時間尺度。其中，最大峰值對應著32a的時間尺度，說明32a 時間尺度的周期震蕩最強，為年氣溫連續(xù)變化的第一主周期，其他次之。

根據(jù)小波方差檢驗的結(jié)果，繪制小波實部變化圖（圖3（b））年平均氣溫變化存在的平均周期及峰- 谷變化特征，在20a 特征時間尺度上，大約經(jīng)歷了2.5 個周期峰谷變化；而在9a 特征時間尺度上大約9 個周期的峰谷變化。而在6a 特征時間尺度上，大約13 個周期的峰谷變化。

圖3 長春市年均氣溫復Morlet 小波方差圖（a）、峰值實部變化圖（b）

5 結(jié)論

1962-2017 年長春市年均溫呈增加趨勢，平均氣溫為5.85℃，年均溫在波動中逐漸上升，增溫率為0.37℃/10a，明顯高于全球年均溫增溫率0.12℃/10a。長春市四季均溫均呈上升趨勢，其中冬春季氣溫增溫率大；夏、秋季增溫率小，另外，日高氣溫的增溫率小于日最低氣溫增溫率。

1962-2017 年長春市氣溫年代際變化基本呈現(xiàn)增長趨勢，前期偏冷，明顯突變年出現(xiàn)在1989 年，1990-1999 年開始變暖，之后氣溫逐年升高，2010-2017 年的增溫幅度減小，季節(jié)的氣溫年代際變化與全年年代際變化呈現(xiàn)出基本相同的趨勢，偏冷期與轉(zhuǎn)暖的時間基本一致。

Morlet 小波分析長春市所氣溫周期變化，結(jié)論是年平均氣溫的變化的第一主周期為20a 時間尺度，大約經(jīng)歷了2.5 個峰～谷轉(zhuǎn)換期，大約為13 年。