咸陽市近60年冬季氣溫變化趨勢(shì)及突變分析

朱瑞杰，竇 輝，王 瑾，趙 翔，房立順

(1.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000;2.武功縣氣象局，陜西武功 712200;3.秦都區(qū)氣象局，陜西咸陽 712000)

咸陽地處汾渭平原西部，由東南向西北呈階梯形，南部七縣區(qū)(市)屬渭河、涇河平原，北部五縣屬黃土高原丘陵溝壑區(qū)。冬季寒冷、夏季炎熱，冷暖空氣交替頻繁，冰雹、大風(fēng)、暴雨等多種災(zāi)害頻發(fā)，成災(zāi)比例高，是氣象災(zāi)害頻發(fā)區(qū)，也是氣候脆弱區(qū)。近年來隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人類活動(dòng)的增加，極端氣候事件頻發(fā)，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人類活動(dòng)造成一定影響。在全球氣候變暖的大背景下，中國氣候同樣存在著變暖趨勢(shì)，其中冬季增溫最明顯[1]，IPCC第5次報(bào)告指出，從多視角進(jìn)一步證實(shí)和支持了關(guān)于近百年全球氣候變暖毋庸置疑的結(jié)論,1951—2012年,全球平均地表溫度的升溫速率為0.12 ℃/10 a[2], 西北地區(qū)冬季氣溫自1960年以來為不斷升高，1980年以后出現(xiàn)冬季偏暖加劇的趨勢(shì)[3]。陜西確實(shí)存在著區(qū)域性的冬暖現(xiàn)象，且各區(qū)出現(xiàn)異常冬暖的年份不盡相同,陜北北部與陜北南部出現(xiàn)異常冬暖年的次數(shù)最多，其次為關(guān)中東部[4]。咸陽市區(qū)近50年氣溫呈顯著升高趨勢(shì)[5]。本文選取1960—2019年咸陽地面觀測(cè)站冬季氣溫資料，采用線性趨勢(shì)、5年滑動(dòng)平均、Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)等分析方法，對(duì)近60年來咸陽冬季平均氣溫，最高、最低氣溫，極端最高、最低氣溫變化特征進(jìn)行分析，探討其歷史演變趨勢(shì)及年代變化特征，為進(jìn)一步揭示咸陽冬季的氣候特征提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

氣溫資料來自中國氣象局氣象信息中心，咸陽地區(qū)12個(gè)國家氣象站點(diǎn)的年平均氣溫、月平均氣溫，常年冬季氣候值統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1981—2010年，時(shí)間序列是 1960—2019年冬季(12月至翌年2月)。北五縣為彬縣、旬邑、長武、淳化、永壽，南七縣為秦渭區(qū)、涇陽、三原、乾縣、禮泉、武功、興平。采用一元線性趨勢(shì)分析、累積距平分析等方法對(duì)冬季溫度特征進(jìn)行分析。用Mann-Kendall(簡稱M-K)方法對(duì)氣溫發(fā)生突變年進(jìn)行判斷和檢驗(yàn)。暖冬、冷冬等級(jí)采用《暖冬等級(jí)》(GB/T 21983—2020)、《冷冬等級(jí)》(GB/T 33675—2017)中的單站暖(冷)冬等級(jí)劃分指標(biāo)[6-7]，區(qū)域范圍內(nèi)暖冬站數(shù)與站點(diǎn)總數(shù)之比≥50%，定義為區(qū)域暖冬，在區(qū)域暖冬年，區(qū)域內(nèi)強(qiáng)暖冬站數(shù)與站點(diǎn)總數(shù)之比≥25%，定義為區(qū)域強(qiáng)暖冬，反之定義為區(qū)域弱暖冬。

2 結(jié)果與分析

2.1 冬季平均氣溫特征

2.1.1 時(shí)間變化特征 由圖1可知，1960-2019年咸陽冬季平均氣溫變化范圍為-3.51～1.76 ℃，年平均氣溫變化范圍為10.75～13.39 ℃，均呈現(xiàn)出波動(dòng)上升的趨勢(shì)，但冬季平均氣溫變化的波動(dòng)明顯大于年平均氣溫。通過線性擬合，近60年咸陽冬季平均氣溫、年均氣溫的線性趨勢(shì)率分別為0.348、0.232 ℃/10 a，擬合方程均通過α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。陜西省冬季平均氣溫、年均氣溫呈現(xiàn)出顯著上升的趨勢(shì)，其線性趨勢(shì)率分別為0.328、0.203 ℃/10 a[8]。由此可見，咸陽冬季平均氣溫的變化趨勢(shì)與全省的變化趨勢(shì)相似，增溫幅度高于全省。

圖1 1960—2019年咸陽市冬季平均氣溫變化(a)及年平均氣溫變化(b)

2.1.2 空間變化特征 1960—2019年咸陽冬季平均氣溫呈北低南高分布(圖2)，各縣冬季平均氣溫變化范圍在-3.29～1.07 ℃之間，北部五縣均為負(fù)值，旬邑、長武最低，在-3 ℃以下，南七縣均為正值，武功、興平最高，在1 ℃以上。冬季平均氣溫的線性趨勢(shì)率大致呈北高南低分布，淳化最大為0.481 ℃/10 a，武功最小為0.261 ℃/10 a。從咸陽北五縣和南七縣兩個(gè)地理單元冬季氣溫變化來看，北部五縣氣溫經(jīng)過了下降→上升→下降→上升的過程，氣溫的線性趨勢(shì)率為0.375 ℃/10 a， 1980年發(fā)生了突變， 南部七縣氣溫經(jīng)過了下降→上升的過程，氣溫的線性趨勢(shì)率為0.326 ℃/10 a，1989年發(fā)生了突變。由此可見，咸陽北部五縣比南部七縣氣溫突變發(fā)生時(shí)間早，線性趨勢(shì)率也大，氣溫變化波動(dòng)大。

圖2 1960—2019年咸陽市各縣冬季平均氣溫(a)及其線性趨勢(shì)率(b)

2.2 冬季平均最低、最高氣溫特征

由圖3可知，冬季平均最低氣溫變化范圍在-8.33～-2.78 ℃之間，最小出現(xiàn)在1967年，最大出現(xiàn)在2016年。冬季平均最高氣溫變化范圍在2.02～8.75 ℃之間，最小出現(xiàn)在1963年，最大值出現(xiàn)在1998年。冬季平均最低、最高氣溫線性線性趨勢(shì)率分別為0.371、0.331 ℃/10 a，擬合方程均通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。可見，冬季平均最低氣溫的線性趨勢(shì)率大于平均最高氣溫，這與宋愛紅等[9]冬季平均最低氣溫顯著升高對(duì)冬季氣溫的升高以及暖冬年的出現(xiàn)貢獻(xiàn)最大，與孔祥偉等[10]最低氣溫變化速率大于最高氣溫，冬季增溫在最低氣溫上表現(xiàn)更明顯的研究結(jié)果具有一致性。

圖3 1960—2019年咸陽市冬季平均最低(a)、最高氣溫變化(b)

2.3 冬季極端最低、最高氣溫特征

由圖4可知，冬季極端最低氣溫變化范圍為-15.1～-8.3 ℃，1976年最低，2000年最高。極端最高氣溫變化范圍為16.2～9.1 ℃，1963年和2011年最低，1977年最高。極端最低、最高氣溫線性趨勢(shì)率分別為0.257 ℃/10 a和0.297 ℃/10 a，擬合方程均通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖4 1960—2019年咸陽市冬季極端最低(a)、極端最高氣溫的年際變化(b)

可見，極端最低、最高氣溫均呈上升趨勢(shì)，其線性趨勢(shì)率與平均氣溫基本相當(dāng)，而小于平均最低、最高氣溫。

2.4 M-K突變性檢驗(yàn)

利用M-K方法對(duì)咸陽市1960—2019年冬季平均氣溫、平均最低最高氣溫、極端最低最高氣溫進(jìn)行突變分析。由圖5a可知，咸陽市冬季平均氣溫有明顯的增暖趨勢(shì)，冬季平均氣溫從1989年之后，冬季平均最低氣溫(圖5b)從1986年之后、冬季平均最高氣溫(圖5c)從2013年之后超過了0.05顯著性水平臨界值，且冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫分別在1994、1987、2016年超過0.01顯著性水平臨界值，而極端最低、最高氣溫未超過0.01顯著性水平臨界值。從圖5 中UF曲線與UB曲線在置信區(qū)間內(nèi)的交點(diǎn)可得出，冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫發(fā)生突變的時(shí)間分別在1985、1985、1995年，極端最低(圖5d)、最高氣溫(圖5e)突變發(fā)生的時(shí)間分別為1970、2006年。以上分析表明，咸陽冬季氣溫的突變特點(diǎn)為冬季平均最低氣溫與冬季平均氣溫的突變時(shí)間基本一致，而冬季平均最高氣溫的突變時(shí)間比冬季平均氣溫的突變時(shí)間偏晚約10 a，并且UF值通過置信區(qū)間(α<0.01)的時(shí)間明顯偏晚，數(shù)值偏小。咸陽冬季氣溫與西北地區(qū)冬季氣溫變化趨勢(shì)具有一致性[9-12]， 冬季平均最低氣溫與冬季氣溫的變化關(guān)系密切，對(duì)冬季氣溫的升高以及暖冬年的出現(xiàn)貢獻(xiàn)較大。

圖5 1960—2019年咸陽市冬季平均氣溫(a)、平均最低氣溫(b)、平均最高氣溫(c)、極端最低氣溫(d)、極端最高氣溫(d)的M-K突變檢驗(yàn)

2.5 累積氣溫距平分析

累積距平分析結(jié)果(圖6)顯示，1960—2019年冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫累積距平曲線均大致呈“V”字型，說明咸陽冬季氣溫經(jīng)歷了從下降到上升的過程，冬季平均和冬季平均最低氣溫在1985年累積距平達(dá)到最低點(diǎn)，而冬季平均最高氣溫累積距平曲線變化波動(dòng)較大，1976—1978年、1985—1987年兩個(gè)時(shí)段出現(xiàn)下降→上升→下降→上升的過程，1995年之后，上升趨勢(shì)一直在持續(xù)。累積距平分析的突變年與M-K突變檢驗(yàn)結(jié)果基本一致。極端最低氣溫在1976年達(dá)到最低-17.2 ℃，之后穩(wěn)定上升；極端最高氣溫在1988年達(dá)到最低-15.9 ℃，1988—2011年上升緩慢，波動(dòng)性大，2011年后穩(wěn)定上升。

圖6 1960—2019年咸陽市冬季平均氣溫(a)、平均最低氣溫(b)、平均最高氣溫(c)、極端最低氣溫(d)、極端最高氣溫(e)的距平和累積距平

2.6 冬季各月氣溫變化特征

咸陽冬季各月(12月、1月、2月)平均氣溫常年值分別為-0.63、-2.07、-1.09 ℃,即1月氣溫最低。各月平均氣溫均呈增溫趨勢(shì),線性趨勢(shì)率分別為0.29、0.23、0.50 ℃/10 a，均通過α=0.05顯著性檢驗(yàn),說明2月增溫最明顯，12月次之，1月最小。各月突變時(shí)間分別為1986、1977、1990年，1月氣溫發(fā)生突變時(shí)間較早(圖略)。統(tǒng)計(jì)各月平均氣溫距平值,發(fā)現(xiàn)各月距平累計(jì)值均呈先下降后上升的變化趨勢(shì),最低值分別為-15.85(1985年)、-12.4(1976年)、-27.19(1989年),即12月、2月最低值均出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代中后期,與冬季平均氣溫累計(jì)距平最低值出現(xiàn)年份相近,表明1月增溫較早，12月、2月增溫較晚。各月通過0.05顯著性水平臨界線的時(shí)間分別為1997、2000、1999年，與發(fā)生突變時(shí)間分別相隔11、23、9 a。1月氣溫發(fā)生突變的時(shí)間較早，但氣溫變化波動(dòng)較大，升溫速率??；因此，在分析冬季氣溫變化時(shí)應(yīng)特別引起注意。

2.7 冷冬年、暖冬年的變化。

通過對(duì)1960—2019年咸陽市冬季氣溫求標(biāo)準(zhǔn)差(常年冬季氣候值統(tǒng)計(jì)時(shí)段為1981—2010年，為咸陽市冬季氣溫平均值。),得出δ=0.907 ℃,0.43δ、1.29δ分別為0.39、1.17 ℃。對(duì)咸陽市1960—2019年進(jìn)行冷暖冬劃分(如表1),發(fā)現(xiàn)咸陽市冷冬年、暖冬年以20世紀(jì)90年代為界,之前冷冬年偏多,之后暖冬年偏多,冷冬年與暖冬年比為19∶19。

表1 咸陽市1960—2019年各年代冷暖冬年出現(xiàn)次數(shù) 單位：a

20世紀(jì)70至80年代共出現(xiàn)3次暖冬年，1976年之前未出現(xiàn)過暖冬年。90年代開始暖冬年明顯增加，共出現(xiàn)16次暖冬，其中8次強(qiáng)暖冬，8次弱暖冬；而冷冬年變化趨勢(shì)與暖冬相反，冷冬年明顯減少，1990年之后只出現(xiàn)2次。最強(qiáng)暖冬年為1998、2016、2019年；ΔT>2.3 ℃，最強(qiáng)冷冬年為1963、1967年，ΔT<-2.2 ℃?？傊?，咸陽近30年來暖冬年逐漸增加，冷冬年逐漸減少,且1986年以來未出現(xiàn)強(qiáng)冷冬年,強(qiáng)暖冬年開始出現(xiàn)并趨多。

3 結(jié)論

(1)1960—2019 年，咸陽市冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，其線性趨勢(shì)率分別為0.348、0.371、0.331 ℃/10 a，高于咸陽市年平均氣溫的線性趨勢(shì)率0.232 ℃/10 a，且高于陜西省冬季平均氣溫線性趨勢(shì)率0.328 ℃/10 a。極端最低、最高氣溫的線性趨勢(shì)率分別為0.257、0.297 ℃/10 a，其線性趨勢(shì)率與平均氣溫基本相當(dāng)，而小于平均最低、最高氣溫。平均最低氣溫的線性趨勢(shì)率最大，最低氣溫升高對(duì)冬季氣候變暖貢獻(xiàn)較大。

(2)1960—2019年，咸陽冬季平均氣溫呈北低南高分布，而線性趨勢(shì)率大致呈北高南低分布，線性趨勢(shì)率淳化最大為0.481 ℃/10 a，武功最小為0.261 ℃/10 a。北部五縣氣溫經(jīng)過了從下降→上升→下降→上升的過程，南部七縣氣溫經(jīng)過了從下降→上升的過程；北部五縣氣溫突變時(shí)間發(fā)生在1980年，南部七縣氣溫突變時(shí)間發(fā)生在1989年。咸陽北部五縣比南部七縣氣溫突變發(fā)生時(shí)間早，線性趨勢(shì)率也大，氣溫變化波動(dòng)大。

(3)利用M-K突變檢驗(yàn)法檢驗(yàn)冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫，其突變時(shí)間分別在1985、1985和1995年，冬季平均氣溫與平均最低氣溫發(fā)生突變的時(shí)間一致，而平均最高氣溫發(fā)生突變的時(shí)間滯后近10年，極端最低、最高氣溫突變發(fā)生的時(shí)間分別為1970年和2006年，極端最低氣溫發(fā)生突變時(shí)間最早。咸陽冬季氣溫與西北地區(qū)冬季氣溫變化趨勢(shì)具有一致性。

(4)冬季12、1、2月氣溫發(fā)生突變時(shí)間分別為1986、1977、1990年，其線性趨勢(shì)率分別為0.292、0.232、0.50 ℃/10 a；1月氣溫突變時(shí)間早，但線性趨勢(shì)率小，2月線性趨勢(shì)率最大，表明2月氣溫的升高對(duì)冬季變暖貢獻(xiàn)較大。

(5)1960—2019年，暖冬年與冷冬年出現(xiàn)的頻次比為19∶19，其具有明顯的階段性變化，以20世紀(jì)90年代為界，之前以冷冬年為主，之后以暖冬年為主，呈現(xiàn)由冷冬年為主轉(zhuǎn)暖冬年為主的變化。