1951—2013年安陽城區(qū)氣溫和降水量變化特征

韓 艷，趙國永，江蕾蕾，向 梅

(信陽師范學(xué)院 南北過渡帶研究中心，河南 信陽 464000)

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1951—2013年安陽城區(qū)氣溫和降水量變化特征

韓 艷，趙國永，江蕾蕾，向 梅

(信陽師范學(xué)院 南北過渡帶研究中心，河南 信陽 464000)

本文選取1951—2013年安陽城區(qū)756個月份平均氣溫和降水量為研究對象，運用Mann—Kendall檢驗法、滑動t檢驗法、小波分析等方法，分析氣溫和降水量變化特征。結(jié)果表明：(1)安陽城區(qū)氣候特征為典型大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。(2)年和四季均溫具有顯著升高趨勢，冬季和春季暖化現(xiàn)象最顯著；年和夏季降水量具有顯著減少趨勢，春、冬季降水量具有不顯著增加趨勢。(3)1951—1964年，氣候特征以冷濕為主；1986—2013年，氣候特征以暖干為主。(4)四季發(fā)生變暖突變時間依次為：春季(1963年)、冬季(1972年)、秋季(1982年)、夏季(1993年)；年和夏季降水量在1960年中期發(fā)生減少突變，春季降水量在1982年發(fā)生增加突變，秋季和冬季降水量不存在明顯突變。(5)年和四季均溫、降水量具有短尺度(10a內(nèi))變化周期，與厄爾尼諾/南方濤動有關(guān)。

安陽城區(qū)；氣溫；降水量；突變檢驗；周期

2013年9月，政府間氣候變化專門委員會(IPCC)發(fā)布了《第五次評估報告(AR5)—第一工作組報告》，指出氣候變暖是客觀存在事實，1901—2012年全球海陸表面溫度升高約0.89℃(0.69—1.08℃)，1951—2012年全球海陸表面溫度升高約0.72℃(0.49—0.89℃)，且最近3個十年溫度均比以前高，同時IPCC認(rèn)為全球變暖95%以上可能與人類活動有關(guān)[1]。

氣溫和降水量變化與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)，學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。北極濤動振蕩過程影響河南省氣溫變化時頻結(jié)構(gòu)，且主要表現(xiàn)在年代際時間尺度上[2]。河南省境內(nèi)南北氣候分界線為淮河最大支流沙潁河和秦嶺東部分支所連成地帶，即34°40′—34°50′N[3]。河南省年平均氣溫具有準(zhǔn)2a、4a、6—8a、16a和28a左右的振蕩周期[4]，河南省年降水量具有準(zhǔn)2a、4—8a的主要振蕩周期[5]。1951—2008年，安陽市年均溫具有升高趨勢，年降水量具有微弱減少趨勢[6-7]。

雖然前人已經(jīng)對安陽市氣溫和降水量變化特征進(jìn)行研究，但是研究程度不高，如突變檢驗和小波分析欠缺。安陽市是河南省重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)受氣候災(zāi)害影響較大，需要加強對氣候研究，充分認(rèn)識氣候變化規(guī)律，為以后氣候變化做出預(yù)測，盡可能減少氣候災(zāi)害對人們生產(chǎn)生活帶來不利影響。本文選取1951—2013年安陽城區(qū)756個月份平均氣溫和降水量進(jìn)行研究，利用Mann—Kendall檢驗、滑動t檢驗和小波分析等方法，分析氣溫和降水量變化特征。

1 研究區(qū)概況

安陽城區(qū)位于河南省北部，豫晉冀三省交界處，西依太行山脈，東接華北平原，北與河北省邯鄲市接壤，南與河南省鶴壁市、新鄉(xiāng)市接壤。安陽城區(qū)氣候特征為暖溫帶半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，夏季受東亞夏季風(fēng)控制，高溫多雨；冬季受西伯利亞蒙古高壓控制，寒冷干燥。

2 數(shù)據(jù)來源與處理

本研究數(shù)據(jù)包括安陽城區(qū)1951—2013年756個月份平均氣溫和降水量，數(shù)據(jù)來自于中國氣象局科學(xué)數(shù)據(jù)共享網(wǎng)。按照氣候?qū)W常用方法進(jìn)行四季劃分，3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月至翌年2月為冬季。年均溫是12個月份算術(shù)平均值，季節(jié)均溫為相應(yīng)3個月份氣溫算術(shù)平均值。年降水量是12個月份降水量總和，季節(jié)降水量為相應(yīng)3個月份降水量總和。

3 研究方法

Mann—Kendall檢驗是一種非參數(shù)檢驗法，在非正態(tài)分布的數(shù)據(jù)中檢驗更為合適，能夠很好地揭示時間序列的突變檢驗和趨勢變化，其詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)[8-9]。用Sen斜率計算年和四季均溫、降水量變化趨勢，并使用Mann—Kendall方法進(jìn)行變化趨勢顯著性檢驗。Sen趨勢分析方法的優(yōu)點是樣品不需要服從一定分布，并且不受異常值干擾，對測量誤差或離群數(shù)據(jù)具有較強的規(guī)避能力[10]。小波分析是通過平移和伸縮參數(shù)對信號不同頻率分量采用不同持續(xù)時間的窗函數(shù)來分析信號，不僅可以給出氣候序列變化尺度，還可以顯示變化時間位置，其詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)[11]。同時，本文還運用距平、累積距平、相關(guān)分析和滑動t突變檢驗法，其詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)[9]。

4 結(jié)果與分析

4.1 統(tǒng)計分析

1951—2013年，安陽城區(qū)年均溫為14.3℃，年降水量為575.2mm；春季均溫為14.9℃，降水量為83.1mm；夏季均溫為26.4℃，降水量為365.6mm；秋季均溫為14.8℃，降水量為107.7mm；冬季均溫為0.9℃，降水量為18.9mm。四季均溫變化體現(xiàn)“冬冷夏熱”氣候特征。四季降水量占全年降水量比重分別為：14.4%(春季)、63.55%(夏季)、18.72%(秋季)、3.28%(冬季)，夏季降水量為冬季降水量19.34倍，體現(xiàn)了季風(fēng)性氣候特征。

安陽城區(qū)7月均溫和降水量均是最高值，1月均溫和降水量均是最小值(圖1)。1月均溫為-0.8℃，7月均溫為27.3℃，二者相差約28℃；1月降水量為4.3mm，7月降水量為170.2mm，約為1月份39.6倍，說明安陽城區(qū)氣候特征為典型大陸性季風(fēng)氣候，夏季高溫多雨，冬季寒冷干燥。

圖1 安陽城區(qū)各月份多年平均氣溫和降水量變化

4.2 線性趨勢和相關(guān)性分析

1951—2013年安陽城區(qū)年和四季均氣溫β值均大于0，且年、春、秋和冬季均溫通過了99%顯著性檢驗，夏季均溫通過了90%顯著性檢驗，說明年和四季均溫具有顯著升高趨勢，且冬季和春季升溫速率最大，意味著冬季和春季暖化最顯著(表1)。安陽城區(qū)年均溫升溫速率與1961—2005年河南省(0.13℃/10a)接近[12]。安陽城區(qū)升溫速率最小的季節(jié)是夏季、最大的是冬季，夏季升溫速率與全球陸地表面升溫速率相當(dāng)[1]，冬季升溫速率與全國地面平均氣溫升高速率相當(dāng)[13]，說明安陽城區(qū)氣溫暖化程度高于全球海陸表面低于我國地面平均氣溫。

1951—2013年安陽城區(qū)年、夏和秋季降水量β值為負(fù)值，且年和夏季降水量通過90%顯著性檢驗，說明年和夏季降水量具有顯著減少趨勢。春季和冬季降水量β值為正值，Z值沒有通過90%顯著性檢驗，說明春季和冬季降水量具有不顯著增加趨勢。1961—2010年豫北平原地區(qū)(包括安陽)年降水量呈減少趨勢(-9.9mm/10a)[14]，安陽城區(qū)年降水量減少速率為(15.9mm/10a)，相較于豫北平原地區(qū)，安陽城區(qū)降水量減少趨勢更加顯著。

表1 安陽城區(qū)年均溫和降水量Mann—Kendall檢驗Z和β值

表2 安陽城區(qū)年均溫/降水量與各季氣溫/降水量相關(guān)性(R2)分析

1951—2013年，安陽城區(qū)年均溫與四季均溫相關(guān)程度均較高，其中最高是冬季，其次是春季，說明冬季和春季氣溫變化對年均溫升高具有重要作用(表2)。夏季降水量與年降水量相關(guān)程度在四季中占絕對優(yōu)勢(表2)，說明夏季降水量變化控制年降水量變化。

4.3 距平和累積距平分析

過去63年，安陽城區(qū)年均溫為14.3℃，年均溫距平波動范圍-1.2～1.4℃，波動幅度為-8.6%～10%；安陽城區(qū)年均降水量為575.2mm，年降水量距平波動范圍為-303.3～607.0mm，波動幅度為-52.7%～105.5%(圖2)。相較于年均溫變化，降水量變率較大，容易發(fā)生旱澇災(zāi)害。

圖2 安陽城區(qū)年均溫和降水量距平與累積距平變化

1951—1985年，年均溫多為負(fù)距平，且累積距平具有減少趨勢，說明此時間段年均溫低于多年平均值。1986—2002年，年均溫均為正距平，且累積距平具有增加趨勢，說明此時間段年均溫高于多年平均值。2003—2013年，年均溫正距平年份7個，負(fù)距平年份5個，且累積距平基本不變，說明此時間段年均溫與多年平均值接近(圖2a)。

1951—1964年，年降水量多為正距平，且累積距平具有升高趨勢，說明此時段降水量高于多年平均值，其中1963年降水量是多年平均值2.1倍。1965—2013年，降水量距平值有正值和負(fù)值，其中負(fù)值年數(shù)較多；且累積距平呈減少趨勢，說明此時間段降水量低于多年平均值(圖2b)。

1951—1964年，年均溫具有降低趨勢，年降水量具有增加趨勢，說明氣候特征以冷濕為主。1986—2013年，年均溫具有增加趨勢，年降水量具有降低趨勢，說明氣候特征以暖干為主(圖2)。

4.4 突變檢驗分析

綜合Mann—Kendall和滑動t檢驗結(jié)果，1951—2013年，安陽城區(qū)年和四季均溫升高突變年份分別為：1977年(年)、1963年(春)、1993年(夏)、1982年(秋)、1972年(冬)(圖3)，說明春季和冬季暖化時間較早，夏季暖化時間較晚。年和夏季降水量發(fā)生減少突變年份分別為：1964年和1965年，春季降水量發(fā)生增加突變年份是1982年，秋季和冬季不存在明顯突變點(圖3)，說明年和夏季降水量減少突變開始時間較早，春季降水量增加突變開始時間較晚。

圖3 安陽城區(qū)年、四季均溫和降水量Mann—Kendall和滑動t突變檢驗

圖4 安陽城區(qū)年均溫和降水量能量譜(a，c)與整體能量譜(b，d)a圖中粗黑線和b圖中紅點線為95%置信區(qū)間

4.5 周期分析

根據(jù)小波分析定義，1951—2013年安陽城區(qū)年均溫變化周期為16a、6—7a、4a、2—3a，其中6—7a和2—3a周期通過了95%置信度檢驗(圖4a, b)。6—7a時間尺度上，1958—1967年能量譜密度較強，即年均溫具有明顯6—7a周期。 2—3a時間尺度上，1951—1957年、1962—1972年能量譜密度較強，即年均溫具有明顯2—3a周期。其結(jié)果與程炳巖等[4]研究相一致。

1951—2013年安陽城區(qū)年降水量變化周期為10—11a、5—6a、2—3a，其中5—6a和2—3a周期通過了95%置信度檢驗(圖4c, d)。5—6a時間尺度上，1961—1967年能量譜密度較強，即年降水量具有明顯5—6a周期。 2—3a時間尺度上，1957—1966年、1996—2002年能量譜密度較強，即年降水量具有明顯2—3a周期。其結(jié)果與孫衛(wèi)國等[5]研究相一致。

圖5 安陽城區(qū)四季均溫和降水量整體能量譜(a)、(b)、(c)、(d)為春季、夏季、秋季、冬季均溫，(e)、(f)、(g)、(h)為春季、夏季、秋季、冬季降水量，圖中灰色線為95%置信度檢驗

從圖5中我們可以看出：春季均溫具有6—7a、準(zhǔn)4a周期，其中6—7a周期較顯著；夏季均溫具有準(zhǔn)4a周期；秋季均溫具有2—4a周期；冬季均溫具有準(zhǔn)3a、準(zhǔn)4a周期。春季降水量具有6—8a、準(zhǔn)3a周期，其中6—8a周期較顯著；夏季降水量具有2—3a、準(zhǔn)5a周期；秋季降水量具有準(zhǔn)3a、準(zhǔn)7a周期；冬季降水量具有準(zhǔn)2.5a、準(zhǔn)3.5a周期，且這些周期均通過95%置信度檢驗。

1951—2013年，安陽城區(qū)年和四季均溫和降水量具有短尺度(10a內(nèi))變化周期，與厄爾尼諾/南方濤動有關(guān)[15]。

5 結(jié)論

通過對1951—2013年安陽城區(qū)756個月份平均氣溫和降水量進(jìn)行分析，主要結(jié)論：(1)安陽城區(qū)氣候特征為典型大陸性季風(fēng)氣候。(2)年和四季均溫具有顯著升高趨勢，春季和冬季暖化時間較早，夏季暖化時間較晚。(3)年和夏季降水量具有明顯減少趨勢，且持續(xù)時間較長；春季和冬季降水量具有不顯著增加趨勢。(4)1951—1964年，氣候特征以冷濕為主； 1986—2013年，氣候特征以暖干為主。(5)年和四季均溫(降水量)具有短尺度(10a內(nèi))變化周期，與厄爾尼諾/南方濤動有關(guān)。

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[責(zé)任編輯：江雪]

2016-07-19

河南省科技計劃項目(162102310123)；河南省高等學(xué)校重點項目(17A170011)；信陽師范學(xué)院基金(0201306、2015GGJS-01)資助

韓艷(1985-)，女，河南許昌人，主要從事全球氣候變化研究。

P423.3

A

1671-5330(2016)05-0115-05