1972—2020年衡水市氣溫變化特征分析

王 磊 李 韜 許俊東

（衡水市氣象局，河北 衡水 053000）

0 引言

氣候是人類生存的環(huán)境因子之一，也是自然環(huán)境變化最活躍、最復(fù)雜的因子之一，影響著人類生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。氣候變化與災(zāi)害性天氣的發(fā)生密切相關(guān)，對(duì)各種經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著直接影響［1-5］。氣溫變化是氣候變化的重要影響因素，而全球變暖問題已成不爭(zhēng)的事實(shí)，1880—2012年，132年的時(shí)間內(nèi)地表平均氣溫上升了0.85℃，因此對(duì)氣溫變化的研究也就變得尤為重要。衡水市位于河北省東南部，屬于華北沖擊平原的一部分，光熱資源充沛，以農(nóng)業(yè)為第一產(chǎn)業(yè)。近年來，已有不少學(xué)者對(duì)衡水市降水、氣溫、地溫等氣候要素展開研究［6］，但目前尚無綜合運(yùn)用線性趨勢(shì)分析、Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)法［7］以及Morlet 小波分析［8］等方法展開的研究。本研究針對(duì)近49 a來衡水市氣溫的空間分布、變化趨勢(shì)、突變性以及震蕩周期作全面分析，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有一定的意義。

1 資料和方法

1.1 資料來源及季節(jié)劃分

衡水市共有11 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站，自1972 年開始才全部有完整資料，故本研究采用1972—2020年的衡水市11 個(gè)國(guó)家氣象觀測(cè)站日氣溫?cái)?shù)據(jù)。季節(jié)劃分為春季3—5 月，秋季6—8 月，秋季9—11月，冬季12月—次年2月。

1.2 研究方法

1.2.1 氣溫空間分布研究。氣溫空間分布是指氣溫多年平均值在不同空間區(qū)域上的分布。利用上述資料求出1972—2020年衡水地區(qū)11個(gè)縣市區(qū)氣溫的平均值，得到衡水地區(qū)近49 a的氣溫空間分布狀況。

1.2.2 氣溫變化研究。氣溫變化是指由氣溫所表征的狀態(tài)在一定時(shí)間段內(nèi)統(tǒng)計(jì)特征的變化，主要包括趨勢(shì)變化、氣候突變、氣候波動(dòng)等。利用各觀測(cè)站某年、某季的平均值表示衡水市該要素整體水平，采用滑動(dòng)平均和線性傾向估計(jì)的方法分析近49 a 的氣候變化趨勢(shì)，并利用Mann-Kendall 非參數(shù)檢驗(yàn)法對(duì)變化趨勢(shì)進(jìn)行突變檢測(cè)，最后利用Morlet小波分析揭示氣候序列的周期性震蕩特征。

2 氣溫變化特征分析

2.1 氣溫空間特征分布及年均氣溫變化特征

表1為衡水市1972—2020年平均氣溫，空間分布呈東北低、西南高的特征，最高為位于西南部冀州和衡水一帶13.4℃，最低為位于東北部的饒陽12.7℃，平均氣溫由東北向西南遞增。

表1 衡水市1972—2020年平均氣溫 單位：℃

圖1為1972—2020年衡水市年平均氣溫變化，總體上呈上升趨勢(shì)，氣候傾斜率為0.33℃/10 a，通過了a = 0.01 的顯著性檢驗(yàn)。另外，衡水市氣溫表現(xiàn)出“降-升-降-升”階段性變化特征，即20世紀(jì)70年代至80 年代中期年均氣溫呈平穩(wěn)中略有下降，20 世紀(jì)80 年代后期至20 世紀(jì)末期年均氣溫上升，21 世紀(jì)初期平均氣溫又有所下降，21 世紀(jì)10 年代后期年均氣溫開始迅速上升。

圖1 衡水市1972—2020年氣溫變化趨勢(shì)

2.2 年平均氣溫的周期性震蕩分析

分別以年份和時(shí)間尺度為橫、縱坐標(biāo)繪制年平均氣溫的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖，小波系數(shù)為正值則表示氣溫處于所對(duì)應(yīng)的子波周期中的氣溫偏高區(qū)，負(fù)值則表示氣溫處于偏低區(qū)。從圖2 可看出在25—28 a 左右的周期在整個(gè)時(shí)間區(qū)域內(nèi)均有較強(qiáng)信號(hào)，3 個(gè)負(fù)值區(qū)與2 個(gè)正值區(qū)交替出現(xiàn)，表現(xiàn)為“負(fù)-正-負(fù)-正-負(fù)”。對(duì)于年際變化，比起年代際周期來說相對(duì)較弱，其中23 a左右的周期只在1990年以后有較明顯的變化，15 a左右的周期在2007年以后有較明顯的變化。

圖2 1972—2020年衡水市年平均氣溫的小波系數(shù)實(shí)部等值線圖

小波系數(shù)方差中（圖3）較為明顯的峰值對(duì)應(yīng)著28 a 的時(shí)間尺度，說明28 a 左右的周期性震蕩最強(qiáng)，對(duì)小波方差作用大，是衡水市平均氣溫變化的主周期。

圖3 1972—2020年衡水市年平均氣溫的小波系數(shù)方差圖

2.3 各季節(jié)氣溫變化特征分析

2.3.1 平均氣溫的變化特征分析。由表2 可知，各年代的年均氣溫均呈上升趨勢(shì)，21 世紀(jì)10 年代較20 世紀(jì)70 年代上升了1.3 ℃，其中20 世紀(jì)70年代到80 年代年均氣溫只上升了0.1℃，20 世紀(jì)90年代年均氣溫比80 年代上升了0.5 ℃，上升最為明顯。21 世紀(jì)10 年代年均氣溫均比上一年代上升0.3 ℃以上。

表2 衡水市各年代四季平均氣溫、氣候傾向率

春季和冬季增溫趨勢(shì)最為明顯，氣候傾向率分別達(dá)到了0.4 ℃/10 a 和0.39 ℃/10 a，相關(guān)系數(shù)也都通過了a=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其中春季的升溫主要發(fā)生在21世紀(jì)以后，21世紀(jì)00年代較20世紀(jì)90年代升溫達(dá)到0.8℃，其次為21世紀(jì)10年代較00年代升溫0.6℃。冬季升溫主要集中在20 世紀(jì)90 年代，相對(duì)80 年代升溫幅度更是達(dá)到了1.1℃，而其他時(shí)期的升溫并不明顯。夏季和秋季增溫趨勢(shì)相對(duì)較弱，其中夏季的主要升溫時(shí)期為20 世紀(jì)90 年代和21 世紀(jì)10 年代，升溫幅度分別達(dá)到0.5℃和0.6℃，在其間的21 世紀(jì)00 年代氣溫有0.2℃的小幅下降，秋季的升溫主要發(fā)生在進(jìn)入21 世紀(jì)以后，21 世紀(jì)00年代和10年代升溫幅度都達(dá)到0.3℃。對(duì)于衡水市平均氣溫的上升，貢獻(xiàn)率最大的是春季，其次為冬季。而對(duì)于20 世紀(jì)90 年代年均氣溫的大幅上升，貢獻(xiàn)率最大的是冬季，其次為夏季。

2.3.2 平均最高氣溫的變化特征分析。由表3可知，各年代的平均最高氣溫總體也呈上升趨勢(shì)，但總上升幅度較平均氣溫總上升幅度小，只有0.9 ℃，氣候傾向率為0.21 ℃/10 a，未通過顯著性檢驗(yàn)，說明增溫并不明顯，其主要升溫期為21世紀(jì)10年代，上升幅度達(dá)到0.4 ℃。四季中春季升溫幅度最大，氣候傾向率為0.29 ℃/10 a，通過了a=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其升溫主要發(fā)生在進(jìn)入21 世紀(jì)以后，其中21 世紀(jì)00 年代和10 年代升溫幅度分別達(dá)到0.8℃和0.7℃。冬季升溫幅度較春季略弱，氣候傾向率為0.23℃/10 a，但未通過a=0.01 的顯著性檢驗(yàn)，其升溫主要發(fā)生在20世90年代，升溫幅度0.9℃，且氣溫在此時(shí)達(dá)到最高。夏季氣候傾向率為0.18℃/10 a，但未通過a=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其升溫主要發(fā)生在20世紀(jì)末和21世紀(jì)10年代，升溫幅度分別為0.4℃和0.7℃，在其間的21世紀(jì)00年代氣溫有0.3℃的下降。秋季升溫趨勢(shì)最弱，主要發(fā)生在20世紀(jì)80年代，升溫幅度為0.3℃。說明對(duì)平均最高氣溫升溫貢獻(xiàn)最大的為春季。對(duì)于21世紀(jì)10年代年均最高氣溫的大幅上升，貢獻(xiàn)率最大的是春季和夏季。

表3 衡水市各年代四季平均最高氣溫、氣候傾向率

2.3.3 平均最低氣溫的變化特征分析。由表4可知，各年代的平均最低氣溫總上升1.8℃，大于平均最高氣溫的總體上升幅度，且上升趨勢(shì)也比平均最高氣溫要明顯得多，傾向率為0.47℃/10 a，相關(guān)系數(shù)通過了a=0.01的顯著性檢驗(yàn)，說明升溫是很顯著的，其最大升溫發(fā)生在20世紀(jì)90年代，升溫幅度達(dá)0.7℃。四季中以春季增溫最為明顯，氣候傾向率為0.56℃/10 a，相關(guān)系數(shù)通過了a=0.01 的顯著性檢驗(yàn)，年代間的升溫幅度達(dá)到0.4℃以上，較大升溫過程主要發(fā)生在進(jìn)入21 世紀(jì)以后，其中21 世紀(jì)00年代較20 世紀(jì)90 年代升溫幅度達(dá)到0.9℃。其次為冬季，氣候傾向率為0.54℃/10a，通過了a=0.01的顯著性檢驗(yàn)，其升溫過程主要集中在20 世紀(jì)90 年代，升溫幅度達(dá)到1.3℃，而其他年代升溫幅度相對(duì)較小。秋季傾向率為0.41℃/10a，通過了a=0.01的顯著性檢驗(yàn)，升溫主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)10年代，升溫幅度分別為0.6℃和0.5℃。夏季升溫幅度最小，氣候傾向率0.37℃/10a，通過了a=0.01 的顯著性檢驗(yàn)，但也比平均最高氣溫升溫幅度明顯得多，其升溫主要出現(xiàn)在21世紀(jì)10年代。升溫幅度達(dá)到0.7℃?？梢?，在氣候變暖過程中，最低氣溫的變化起著決定性的關(guān)鍵作用，而對(duì)于最低氣溫的上升，春季的貢獻(xiàn)最大，其次為冬季。對(duì)于20 世紀(jì)90 年代年均最低氣溫的大幅上升，貢獻(xiàn)率最大的是冬季。

表4 衡水市各年代四季平均最低氣溫、氣候傾向率

3 氣溫變化的突變性分析

用Mann-Kendall 法檢測(cè)1972—2020 年衡水年平均氣溫序列的突變，顯著性水平a = 0.01，則臨界值u0.01=±2.58。將UF 和UB 兩條統(tǒng)計(jì)量序列曲線和±2.58 兩條直線繪制在同一張圖中。UF 大于0時(shí)，表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0 則表明序列呈下降趨勢(shì)。UF 超過臨界線表明上升或下降趨勢(shì)顯著，超過臨界線的范圍為出現(xiàn)突變的時(shí)間范圍。如果UF和UB 在臨界線之間出現(xiàn)交點(diǎn)，交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間。

3.1 年平均氣溫變化的突變性分析

由圖4 可知，自20 世紀(jì)90 年代以來，衡水市年平均氣溫有明顯的增暖趨勢(shì)。2001 年以后這種增暖趨勢(shì)均超過0.01顯著性水平，表明衡水市氣溫上升趨勢(shì)十分顯著。根據(jù)UF和UB 曲線交點(diǎn)的位置，確定衡水年平均氣溫20世紀(jì)90年代的增暖是一突變現(xiàn)象，具體是從1997 年開始，這與全國(guó)年平均氣溫自1993年開始明顯變暖［1］的結(jié)論基本一致。

圖4 1972—2020年衡水市年平均氣溫的Mann-Kendall檢測(cè)曲線

3.2 年均最高氣溫變化的突變性分析

由圖5可知，年均最高氣溫在1995年以前較為平穩(wěn)，1996 年以后氣溫轉(zhuǎn)為上升，而突變時(shí)間出現(xiàn)在2017 年前后，突破了0.05 顯著水平，但為突破0.01 顯著水平，說明年平均最高氣溫的上升趨勢(shì)相對(duì)于年平均氣溫的上升趨勢(shì)并不明顯。

圖5 1972—2020年衡水市年均最高氣溫的Mann-Kendall檢測(cè)曲線

3.3 年均最低氣溫變化的突變性分析

由圖6可知，年均最低氣溫從1985年開始便呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，突變時(shí)間出現(xiàn)在1995 年前后，并在1996 年前后突破臨界線，開始出現(xiàn)明顯上升趨勢(shì)。說明氣候變暖主要是因?yàn)榈蜏厣叨a(chǎn)生的影響。

圖6 1972—2020年衡水市年均最低氣溫的Mann-Kendall檢測(cè)曲線

4 結(jié)語

①1972—2020 年衡水地區(qū)平均氣溫呈由東北向西南遞增趨勢(shì)，呈東北低、西南高的氣溫空間特征分布。

②1972—2020 年衡水地區(qū)年平均氣溫總體呈上升趨勢(shì)，最低氣溫增幅明顯高于最高氣溫增幅，可見氣候變暖主要來自最低氣溫升高的貢獻(xiàn)，而對(duì)于最低氣溫的上升，春季的貢獻(xiàn)最大，冬季次之。

③各季節(jié)氣溫均以增溫為主，以春季和冬季增溫趨勢(shì)最為顯著。

④20 世紀(jì)90 年代中期起衡水市年平均氣溫明顯上升，在1997 年發(fā)生增暖突變，主要是由年均最低氣溫的增暖突變引起的，2000年以后上升趨勢(shì)顯著，年平均氣溫存在28 a的震蕩周期。

⑤衡水市以農(nóng)業(yè)為第一產(chǎn)業(yè)，農(nóng)業(yè)部門在布局規(guī)劃、生產(chǎn)指導(dǎo)時(shí)要綜合考慮氣候因素。針對(duì)氣溫上升，氣候變暖趨勢(shì)，在小麥、玉米等農(nóng)作物的選種、育種、管理方面要予以考慮。