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2022-09-22 13:01:48何清玉徐健雄杜忠徐瑤

四川林業(yè)科技訂閱 2022年4期 收藏

關(guān)鍵詞：南充市日照時(shí)數(shù)平均氣溫

何清玉, 徐健雄, 杜忠, 徐瑤*

西華師范大學(xué) a. 地理科學(xué)學(xué)院, b. 計(jì)算機(jī)學(xué)院，四川 南充 637009

氣候變化是目前國際社會(huì)高度關(guān)注的問題，它與人類的生產(chǎn)和生活息息相關(guān)。IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出主要經(jīng)濟(jì)部門和服務(wù)受到氣候變化的影響巨大[1]。一方面氣候變化可能會(huì)對(duì)區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)和服務(wù)造成諸多負(fù)面影響，另一方面氣候變化也是一種可利用的資源，可以促進(jìn)區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)生活。

在已有的研究中，學(xué)者們從不同區(qū)域尺度，通過多種方法研究分析各種氣候要素的變化趨勢(shì)、突變情況以及變化周期等。研究區(qū)域尺度上，魏鳳英等[2]研究了中國、北半球和全球氣溫歷史序列的突變現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)中國、北半球和全球的氣溫變化趨勢(shì)基本相同；韓翠華等[3]依據(jù)年、夏半年氣溫變化特征將全國劃分成8個(gè)不同的區(qū)域，并且通過變化趨勢(shì)分析發(fā)現(xiàn)1951—2010年間，我國各區(qū)域氣溫均呈上升趨勢(shì)；周偉東等[4]探討了中國東部3個(gè)氣候帶冬季氣溫和降水的變化特征及與大氣環(huán)流和海溫的關(guān)系；馮新靈等[5]對(duì)成都的平均值氣溫、極端氣溫值及降水累積值進(jìn)行了計(jì)算分析，預(yù)測(cè)出今后成都將繼續(xù)變暖，降水量將繼續(xù)減少。在研究方法上，孫嫻等[6]用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解 （EMD） 方法對(duì)中國的月平均氣溫進(jìn)行分析；郝振純等[7]采用M-K法檢驗(yàn)了1961—2009年我國全年和四季氣溫空間和時(shí)間變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該時(shí)段我國地面觀測(cè)溫度普遍升高；李雙雙等[8]采用趨勢(shì)分析、M-K檢驗(yàn)和相關(guān)分析等氣候診斷方法，分析了秦嶺—淮河南北極端降水時(shí)空變化特征，并且探討了極端降水變化與ENSO事件的關(guān)系；林培松[9]等利用一元線性回歸和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)海南島西部氣溫和降水兩要素的變化特征進(jìn)行分析，并根據(jù)冷暖波動(dòng)將海南島西部氣候劃分成兩個(gè)冷期和兩個(gè)暖期；趙晶等[10]運(yùn)用R/S分析法分析了蘭州市未來的氣候變化傾向；趙嘉陽[11]等應(yīng)用線性回歸和R/S分析法分析了龍巖市的氣溫和降水變化趨勢(shì)。

R/S分析法和線性回歸的研究方式，在區(qū)域氣候要素變化分析上取得了一定的成功[12-14]。南充作為川東北的重要城市之一，降水量季節(jié)分布不均，干旱年發(fā)生頻率達(dá)48%以上，災(zāi)害性天氣（如秋綿雨、旱干、洪澇等）頻率較大且持續(xù)時(shí)間較長，對(duì)其進(jìn)行氣候要素變化分析，不但能預(yù)測(cè)其未來氣候變化趨勢(shì)，還能更好地利用南充的氣候資源，促進(jìn)區(qū)域內(nèi)生產(chǎn)生活?，F(xiàn)有的研究方式大都選取氣溫、降水和日照等氣候要素進(jìn)行分析[15-17]。鑒于此，本文選取南充市1970—2019年間的南充市地面50年的氣候觀測(cè)數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，利用R/S分析法和線性回歸方式，從年均和不同季節(jié)分別進(jìn)行氣溫、降水和日照時(shí)數(shù)的實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析。利用最新的長期數(shù)據(jù)，不但能夠體現(xiàn)南充市最近的氣候變化趨勢(shì)，也能保證利用R/S分析法和線性回歸方式得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確和有效性。

1 研究地區(qū)概況

南充市地處四川盆地東北部，嘉陵江中游，位于30°35′—31°51′ N，105°27′—106°58′ E。地貌類型以丘陵為主，低山帶壩、中丘中谷、高丘低山類型大體各占1/3。氣候?qū)儆谥衼啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候，具有氣候溫和，降水集中的特點(diǎn)。其四季分明，降水，氣溫，日照等氣候要素受季節(jié)影響明顯，春季氣候宜人；夏季炎熱濕潤；秋季陰雨連綿；冬季寒冷干燥。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

數(shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://www.cma.gov.cn），選取1970—2019年間，四川省南充市氣溫，降水和日照三項(xiàng)氣候要素?cái)?shù)據(jù)。

2.2 分析模型

2.2.1 線性回歸

線性回歸是研究氣候要素具體數(shù)量關(guān)系的一種常用方法，其能通過線性的方式，反應(yīng)氣候要素的趨勢(shì)變化，建立氣候要素的數(shù)學(xué)模型[18-19]，如公式（1）所示。

其中x，y分別為地理要素中的因變量與自變量（如不同年份對(duì)應(yīng)不同的年平均溫度），a，b為待定參數(shù)，利用最小二乘法可以擬合出最佳的a，b值。對(duì)于擬合出的a值（既斜率），當(dāng)a＞0時(shí)，表明氣候要素未來處于增長趨勢(shì)，當(dāng)a=0時(shí)，表明氣候要素未來趨于不變，當(dāng)a＜0時(shí)，表明氣候要素未來處于下降趨勢(shì)。

2.2.2 R/S分析

R/S分析法是由水文學(xué)家Hurst提出的一種研究時(shí)間序列的方法，后由Mandelbrot等人改良，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)，地理等學(xué)科的數(shù)據(jù)分析中[20]。其主要原理為：假設(shè)有一時(shí)間序列 {L(t)}，t=1,2,3,···,n，對(duì)于任意正整數(shù)β，其均值序列可求得為：

其累計(jì)離差可求得為：

其極差可求得為：

其標(biāo)準(zhǔn)差可求得為：

將得到的極差，標(biāo)準(zhǔn)差與β一同帶入（ln（β），ln（R/S））組成的直角坐標(biāo)系中，通過線性回歸的方式，可以在這個(gè)坐標(biāo)系中擬合出相應(yīng)的直線，這條擬合出的直線的斜率既為Hurst指數(shù)值。通過分析Hurst指數(shù)值的大小，可以判斷這個(gè)時(shí)間序列是完全隨機(jī)的，還是存在某種趨勢(shì)變化，判斷依據(jù)如表1所示：

如果得到的Hurst指數(shù)值H=0.5，表明該氣候要素的時(shí)間序列是完全獨(dú)立的，過去與將來的變化不存在相關(guān)性；如果0.5＜H＜1，表明該氣候要素的時(shí)間序列具有持續(xù)性，與過去的變化趨勢(shì)相同；如果0＜H＜0.5，表明該氣候要素的時(shí)間序列具有反向持續(xù)性，與過去的變化趨勢(shì)相反。

3 結(jié)果與分析

對(duì)南充市1970—2019年間的平均氣溫、日照數(shù)和降水量三項(xiàng)氣候要素，分別就全年和不同季節(jié)進(jìn)行線性回歸和R/S實(shí)驗(yàn)。線性回歸實(shí)驗(yàn)，采用1970—2019年間南充市的氣候要素?cái)?shù)據(jù)，使用最小二乘法擬合實(shí)驗(yàn)結(jié)果；R/S實(shí)驗(yàn)，采用馮新靈的Hurst指數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[14]，以25年為一個(gè)周期計(jì)算Hurst指數(shù)值（如1970—1995、1971—1996、1972—1997）形成一個(gè)連續(xù)的Hurst指數(shù)序列，通過分析這個(gè)Hurst指數(shù)序列和之前線性回歸實(shí)驗(yàn)得到的斜率，預(yù)測(cè)未來南充市的氣候變化趨勢(shì)。

表1 Hurst指數(shù)值強(qiáng)度分級(jí)表Tab.1 Classification table of Hurst index value

3.1 平均氣溫

3.1.1 年平均氣溫

從圖1（a）線性回歸分析圖中可以看到，南充市1970—2019年，年平均氣溫線性回歸擬合的直線斜率大于0，總體呈上升趨勢(shì)，上升速率為0.012 81℃·a-1。從圖1（b）Hurst值柱狀圖中可以看到，南充市1970—1974年，25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值均大于0.5。1975年，25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值開始小于0.5，一直持續(xù)到1981年。1982—1991年的25年實(shí)驗(yàn)Hurst值持續(xù)大于0.5，并且達(dá)到了3級(jí)。1992年后，25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值開始小于0.5，為-2級(jí)，持續(xù)到1994年。這說明南充市年平均氣溫的時(shí)間序列具有反向持續(xù)性，未來南充市的年平均氣溫呈下降趨勢(shì)。

3.1.2 各季節(jié)的平均氣溫

從圖2南充市1970—2019年，各季節(jié)平均氣溫的線性回歸分析圖中可以看到，各個(gè)季節(jié)的平均氣溫斜率均大于0，呈上升趨勢(shì)，其中春季、秋季上升趨勢(shì)明顯，夏季、冬季上升趨勢(shì)相對(duì)平緩。從圖3各季節(jié)平均氣溫的Hurst值柱狀圖中可以看到，春季的25年實(shí)驗(yàn)Hurst值在0.5左右波動(dòng)較大，于1994年達(dá)到-2級(jí)，而夏季、秋季和冬季25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值在1991年后均小于0.5，分別達(dá)到-3級(jí)，-4級(jí)和-2級(jí)。說明各季節(jié)平均氣溫的時(shí)間序列都具有反向持續(xù)性，未來南充市四個(gè)季節(jié)的平均氣溫都呈下降趨勢(shì)。總體上和年平均氣溫變化趨勢(shì)一致。

圖1 南充市1970—2019年，年平均氣溫的線性回歸分析圖與Hurst值柱狀圖Fig.1 Linear regression analysis of average annual temperature and Hurst value histogram of average annual temperature in Nanchong city from 1970 to 2019

圖2 南充市1970—2019年，各季節(jié)平均氣溫的線性回歸分析圖Fig.2 Linear regression analysis diagram of average temperature in each season in Nanchong city from 1970 to 2019

圖3 南充市1970—2019年，各季節(jié)平均氣溫的Hurst值柱狀圖Fig.3 Hurst value histogram of average temperature in each season in Nanchong city from 1970 to 2019

3.2 日照時(shí)數(shù)

3.2.1 年日照時(shí)數(shù)

從圖4（a）線性回歸分析圖中可以看到，南充市1970—2019年，年日照時(shí)數(shù)線性回歸擬合直線的斜率小于0，總體呈下降趨勢(shì)，下降速率為1.57612 h·a-1。圖4（b）Hurst值柱狀圖中可以看到，1970—1977年25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值均大于0.5。從1978年后的25年實(shí)驗(yàn)開始，Hurst值持續(xù)小于0.5，一直到1985年。1986—1994年開始，25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值在0.5上下波動(dòng)，總體大于0.5，表明南充市年日照時(shí)數(shù)時(shí)間序列具有正向持續(xù)性，未來南充市的年日照時(shí)數(shù)呈下降趨勢(shì)。

3.2.2 各季節(jié)的日照時(shí)數(shù)

從圖5南充市1970—2019年，各季節(jié)日照時(shí)數(shù)的線性回歸分析圖中可以看到，夏季日照時(shí)數(shù)總體最多，春秋次之，冬季最少。春季與冬季的日照時(shí)數(shù)的擬合直線斜率大于0，呈上升趨勢(shì)。而夏季和秋季日照時(shí)數(shù)的擬合直線斜率小于0，呈下降趨勢(shì)。從圖6各季節(jié)日照時(shí)數(shù)Hurst值柱狀圖中可以看到，除秋季1992年后25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值達(dá)到1級(jí)外，春季、夏季和冬季的Hurst值均小于0.5，分別為-2級(jí)，-3級(jí)與-4級(jí)。這表明，南充市秋季的日照時(shí)數(shù)時(shí)間序列具有正向持續(xù)性，未來南充市秋季的日照時(shí)數(shù)將下降。而春季、夏季和冬季的日照時(shí)數(shù)時(shí)間序列皆具有反向持續(xù)性，未來南充市春季與冬季的日照時(shí)數(shù)將下降，而夏季的日照時(shí)數(shù)將會(huì)增多?？傮w與3.2.1節(jié)分析的年日照時(shí)數(shù)變化趨勢(shì)一致。

圖4 南充市1970—2019年，年日照時(shí)數(shù)的線性回歸分析圖與Hurst值柱狀圖Fig.4 Linear regression analysis plot of annual sunshine hours and Hurst value histogram of annual sunshine hours in Nanchong city from 1970 to 2019

圖5 南充市1970—2019年，各季節(jié)日照時(shí)數(shù)的線性回歸分析圖Fig.5 Linear regression analysis diagram of sunshine hours in each season in Nanchong city from 1970 to 2019

圖6 南充市1970—2019年，各季節(jié)日照時(shí)數(shù)的Hurst值柱狀圖Fig.6 Hurst value histogram of sunshine hours in each season in Nanchong city from 1970 to 2019

3.3 降水量

3.3.1 年降水量

從圖7（a）線性回歸分析圖中可以看到，南充市1970—2019年，年降水量線性回歸擬合直線的斜率大于0，總體呈上升趨勢(shì)，上升速率為1.53341 mm·a-1。圖7（b）Hurst值柱狀圖中可以看到，1970—1978年25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值總體小于0.5。自1979年后的25年實(shí)驗(yàn)開始，Hurst值持續(xù)大于0.5，一直到1985年。1986年25年實(shí)驗(yàn)的Hurst值結(jié)果驟降，之后一直持續(xù)到1990年，Hurst值始終在0.5上下波動(dòng)。從1991年的25年實(shí)驗(yàn)開始，Hurst值持續(xù)小于0.5，除1993年為-2級(jí)外，其余年份皆達(dá)到-3級(jí)。說明南充市年降水量時(shí)間序列具有反向持續(xù)性，未來南充市年降水量呈下降趨勢(shì)。

3.3.2 各季節(jié)的降水量

從圖8南充市1970—2019年，各季節(jié)降水量線性回歸分析圖中可以看到，夏季降水量最多，冬季降水量最少，符合降水集中，夏季濕潤，冬季干燥的特點(diǎn)。春季、夏季和冬季降水量的擬合直線斜率均大于0，呈上升趨勢(shì)，秋季降水量的擬合直線的斜率小于0，呈下降趨勢(shì)。從圖9南充市1970—2019年，各季節(jié)降水量的Hurst值柱狀圖中可以看到，夏季與秋季降水量Hurst值在1985年后均大于0.5，并在1993年達(dá)到3級(jí)，說明了夏季與秋季降水量時(shí)間

圖7 南充市1970—2019年，年降水量的線性回歸分析圖與Hurst值柱狀圖Fig.7 Linear regression analysis plot of annual precipitation and Hurst value histogram of annual precipitation in Nanchong city from 1970 to 2019

圖8 南充市1970—2019年，各季節(jié)降水量的線性回歸分析圖Fig.8 Linear regression analysis diagram of precipitation in each season in Nanchong city from 1970 to 2019

序列具有正向持續(xù)性，未來南充市夏季降水量呈上升趨勢(shì)而秋季降水量呈下降趨勢(shì)。春季和冬季的降水量時(shí)間序列具有反向持續(xù)性，兩個(gè)季節(jié)的降水量Hurst值在1990年后均小于0.5，分別為-1級(jí)和-3級(jí)，未來南充市春季和冬季的降水量均呈下降趨勢(shì)，總體與3.3.1小節(jié)分析得到的年降水量變化趨勢(shì)一致。

圖9 南充市1970-2019年，各季節(jié)降水量的Hurst值柱狀圖Fig.9 Hurst value histogram of precipitation in each season in Nanchong city from 1970 to 2019

4 結(jié)論

對(duì)1970—2019年間，南充市平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量三項(xiàng)氣候要素，就全年和各季節(jié)分別進(jìn)行線性回歸和R/S分析，研究了未來南充市這三項(xiàng)氣候要素在全年和各個(gè)季節(jié)的變化趨勢(shì)，結(jié)論如下：

（1）南充市1970—2019年間，年平均氣溫和各季節(jié)的平均氣溫總體呈上升趨勢(shì)；未來一段時(shí)間年平均氣溫和各季節(jié)的平均氣溫都將呈下降趨勢(shì)；年日照時(shí)數(shù)和夏、秋季日照時(shí)數(shù)總體呈下降趨勢(shì)，而春季與冬季日照時(shí)數(shù)呈上升趨勢(shì)；未來一段時(shí)間年日照時(shí)數(shù)將呈下降趨勢(shì)，夏季日照時(shí)數(shù)將會(huì)增多，春季、秋季與冬季日照時(shí)數(shù)將會(huì)減少；降水量除秋季呈下降趨勢(shì)外，其余均呈上升趨勢(shì)。未來一段時(shí)間年降水量將呈下降趨勢(shì)，夏季降水量會(huì)增多，春季、秋季與冬季降水量將會(huì)減少。

（2）1980年前后，南充市全年和各季節(jié)的平均氣溫、日照時(shí)數(shù)和降水量三項(xiàng)氣候要素在Hurst值上均呈現(xiàn)不同程度的波動(dòng)，三項(xiàng)氣候要素整體上表現(xiàn)出與之前不同的變化趨勢(shì)。1980年前后中國和世界都發(fā)生了大規(guī)模氣候異常現(xiàn)象[21-23]。

總體上看，南充近50年來平均氣溫的上升趨勢(shì)，未來降水量的下降趨勢(shì)與全球變暖和中國氣候變化大趨勢(shì)一致，50年來全球整體氣溫不斷上升，降水量不斷下降。中國整體氣候變化與全球變暖大趨勢(shì)具有相似性，同時(shí)日照時(shí)數(shù)不斷下降[24-25]，同南充近50年來日照時(shí)數(shù)總體的下降趨勢(shì)，和未來的減少傾向較為一致。

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