新疆石河子多年氣溫、降水突變分析

（新疆石河子氣象局，石河子市，832000） 韓春光 蒲云錦

氣 候 突 變（climate jump，abrupt climatic change，jump transition）是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定持續(xù)的變化趨勢)跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象,它表現(xiàn)為氣候在時(shí)空上從一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性的急劇變化。氣候變化是一個(gè)非常復(fù)雜的問題，存在線性變化的同時(shí)也存在著一定的非線性變化,非線性變化指的就是氣候的相對穩(wěn)定性和突變現(xiàn)象等。章名立等[1]指出近百年來,全球氣候變暖并日趨加劇已成為公認(rèn)的事實(shí)，但在總的變暖趨勢中卻有起有伏,有漸變和突變，且氣候變化的區(qū)域性和季節(jié)性差異顯著。魏鳳英、劉莉紅、向遼元、郭志梅等[2-5]從氣溫的長時(shí)間序列中檢測到了結(jié)論一致的突變點(diǎn)，此外，不同區(qū)域的研究者[6-15]也相繼發(fā)現(xiàn)了本地氣候要素存在突變的事實(shí)。本文利用新疆石河子多年氣溫、降水資料，研究其突變事實(shí)，為氣候預(yù)測提供依據(jù)。

1 資料與研究方法

1.1 資料整理

選用新疆石河子建站時(shí)間早、年代資料完整的石河子市氣象站為代表站，從國家氣象信息中心取1954～2017年月均氣溫、月總降水量資料，樣本總數(shù)n=1296。以3～5月為春季，6～8月為夏季，9～l1月為秋季，l2～2月為冬季。春季氣溫取3個(gè)月的平均值，降水量取三個(gè)月的降水總量，據(jù)此得到四季、年均氣溫和降水量分析序列。

1.2 研究方法

氣候突變是普遍存在于氣候變化中的一個(gè)重要現(xiàn)象，是氣候預(yù)測與模擬要考慮的重要因素。符淙斌等[16-17]在給出氣候突變普適定義的同時(shí)指出氣候突變有均值突變、方差突變、蹺蹺板突變和轉(zhuǎn)折突變四種基本類型，實(shí)際的突變往往是它們的組合。利用突變理論研究均值突變，采用Mann-Kendall 法(簡 稱M-K)、滑 動(dòng)T 法（簡 稱Mtt）和Yamamoto法聯(lián)合檢測氣候變化過程中的突變現(xiàn)象,綜合M-K 非參數(shù)法檢測范圍寬、人為性少,Mtt 客觀、準(zhǔn)確，Yamamoto 直觀、簡便的特點(diǎn),從而在方法上增強(qiáng)和提高研究結(jié)果的可信度和確定性。

1.2.1 Mann-Kendall方法

Mann-Kendall 法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[18]，其優(yōu)點(diǎn)是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，適用于類型變量和順序變量，計(jì)算也比較簡便，而且可以明確突變開始的時(shí)間，并指出突變區(qū)域。方法是對于平穩(wěn)隨機(jī)序列Xi(1≤i≤N),構(gòu)造統(tǒng)計(jì)量：,式中dK=ΣMi，Mi是1至i之間小于Xi的樣本數(shù),即Mi={Xj:j＜i且Xi＜Xj}，E[dK]為均值，Var[dK]為方差。在原序列隨機(jī)平穩(wěn)假設(shè)下,dK的分布漸進(jìn)正態(tài),U(dK)則為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布。其概率α可以通過計(jì)算或查表獲得，給定顯著水平α0，若α＞α0，則接受序列無變化的原假設(shè)；若α＜α0，則拒絕原假設(shè)。把U(dK)沿時(shí)間軸繪成曲線UF，而后將序列反向，計(jì)算出U(dK),繪成曲線UB,若UF與UB交叉點(diǎn)位于置信區(qū)間內(nèi),則此點(diǎn)即為突變點(diǎn)。當(dāng)UF存在明顯的變化趨勢、超過置信線時(shí), 或是突變增加，或是突變減少。

1.2.2 滑動(dòng)t檢驗(yàn)方法

此法通過考察2組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗(yàn)突變。對于總樣本量為n的序列x，人為設(shè)置某一時(shí)刻為基準(zhǔn)點(diǎn)，取前后長度分別為n1、n2的兩子序列(一般取n1=n2)進(jìn)行連續(xù)的滑動(dòng)計(jì)算，得到t的統(tǒng)計(jì)量序列。給定顯著性水平a，確定臨界值ta，若|t|＜ta，則認(rèn)為基準(zhǔn)點(diǎn)前后的兩子序列均值無顯著差異，否則認(rèn)為在基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)刻出現(xiàn)了突變[18]。

1.2.3 Yamamoto方法

2 流域氣溫突變分析

三種方法檢測出的氣溫序列突變見圖1 和表1。

2.1 年均氣溫突變

由圖1（a、b、c）和表一看出：三種方法均檢測出發(fā)生在20 世紀(jì)90 年代中期的一次明顯增溫突變。Mtt、Yamamoto法最大t值和信噪比年都在1996年，|t|＝7.14、RSN=1.93，Mtt 通過了a=0.0001 的信度檢驗(yàn),M-K 法中UF、UB 曲線相交于1993 年，落在99%信度線內(nèi)。

2.2 四季氣溫突變

圖1 Mann-kendall、滑動(dòng)t、 Yamamoto法確定的石河子年、季氣溫序列突變

表1 Mann-kendall、滑動(dòng)t、Yamamoto法檢測出的石河子年、季氣溫突變

1954 年來，四季平均氣溫均有突變現(xiàn)象發(fā)生，且春、秋突變較夏、冬（圖略）明顯。

春季平均氣溫有三次突變，20 世紀(jì)60 年代末和90年代中期為增溫突變，80年代初為降溫突變。Mtt 法（圖1e）檢出第一次增溫突變年份在1970(n=5)、1968(n=10)年，通過了a=0.05的信度檢驗(yàn)，第二次降溫突變年份在1981、1982 年，分別通過了a=0.05和0.01的信度檢驗(yàn)，第三次增溫突變年份均在1996年，通過了a=0.001的信度檢驗(yàn)；Yamamoto法（圖1f）第一、二次Rsn 接近1，認(rèn)為突變不明顯，第三次在1996 年，RSN=1.47，發(fā)生突變；M-K 法（圖1d）UF、UB曲線在95%信度內(nèi)相交于1998 年。三次突變中以90年代中期1996年出現(xiàn)的暖突變最為顯著。

夏季平均氣溫僅在20 世紀(jì)90 年代有一次增溫突變，Mtt法（n=10）檢出突變年在1996年，檢驗(yàn)信度通過a=0.01，M-K法UF、UB曲線在a=0.05信度線內(nèi)相交于1990年。

秋季平均氣溫在90 年代中期出現(xiàn)一次增溫突變，Mtt法（圖1h）、Yamamoto法（圖1i）檢出突變年都在1997 年，Mtt 法超過了99%的檢驗(yàn)信度，M-K 法UF、UB 曲線相交于1994 年，交點(diǎn)統(tǒng)計(jì)值U 等于2.31。

冬季平均氣溫在20世紀(jì)80年代中期發(fā)生一次增溫突變，Mtt法突變年在1984～1985年，M-K法在1985 年，均通過了a=0.05 的信度檢驗(yàn)，Yamamoto 法未檢出冬季突變。

綜合氣溫年、季突變得出：60 年代末1968～1970 年春季氣溫發(fā)生增溫突變；80 年代初1981～1982年春季出現(xiàn)降溫突變，80年代中期1984～1985年冬季出現(xiàn)增溫突變；90 年代中期1996～1997 年春、夏、秋三季、年氣溫出現(xiàn)顯著暖突變。1996 年春、夏季出現(xiàn)的顯著暖突變直接導(dǎo)致同年年氣溫的顯著暖突變。

圖2 Mann-kendall、滑動(dòng)t、Yamamoto法確定的石河子年、季降水序列突變

表2 Mann-kendall、滑動(dòng)t、Yamamoto法檢測出的石河子年、季降水突變

3 流域降水突變分析

圖2 和表2 為三種方法檢測出的降水突變結(jié)果。

3.1 年降水突變

檢測圖中（圖2，a、b、c），1986 年的降水增加趨勢三種方法曲線上都有反映，但僅在Mtt 法步長n=10時(shí)檢出增加突變點(diǎn)。Mtt（n=5）、M-K法同時(shí)檢測出2001 年的降水增加突變，Mtt 法檢驗(yàn)信度超過99%，Mtt 法還檢測出發(fā)生在1996 年的降水減少突變。Yamamoto法年降水突變不明顯，下面四季降水突變檢測中亦有體現(xiàn)。

3.2 四季降水突變

對比三種方法的檢測結(jié)果，確定春季降水（圖2d）在50年代末的1958年有一次增加突變，70年代初期的1973 年有一次減少突變，80 年代中期1986年有一次降水增加突變，M-K 法(圖略)還檢測出2002年的一次降水增加突變；夏季降水（圖2e）僅在80 年代中期的1985 年有增加突變；秋季未出現(xiàn)突變；冬季降水（圖2f）在60 年代末期的1968 年有一次降水增加突變，70年代末期的1978年、90年代中期的1994年各有一次減少突變。

綜合降水年、季突變得出：50 年代末期1958 年石河子春季降水發(fā)生突變增加；60年代末期1968年冬季降水突變增加；70 年代初期1973 年春季、后期1978年冬季發(fā)生降水突變減少；80年代中期1985～1986 年春季、夏季、年降水突變增加；90 年代中期1996 年前冬季、年降水出現(xiàn)突變減少；21 世紀(jì)初的2001～2002 年，年、春季降水突變增加。1986 年春季降水的突變增加直接導(dǎo)致同年降水的突變增加。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用三種方法檢測突變，得出結(jié)果不盡相同，Mtt步長不同檢測點(diǎn)亦不同，氣溫檢測中對出現(xiàn)的較顯著突變點(diǎn)Mtt 和yamamoto 法有一致結(jié)果，降水檢測中yamamoto法不敏感。由此看出，不同方法靈敏性不同，應(yīng)將多種方法結(jié)合使用并給定嚴(yán)格的檢驗(yàn)信度，以增加突變檢測點(diǎn)的可信度和確定性。

（2）多年來，石河子年、四季氣溫均發(fā)生突變，春、秋突變較夏、冬明顯。年氣溫在1996 年發(fā)生顯著暖突變；春季氣溫發(fā)生三次突變：1968、1970年和1996年為暖突變，1981、1982年為冷突變；夏、秋、冬季均發(fā)生暖突變，夏季突變年在1996 年、秋季在1997年、冬季在1984～1985年。

（3）除秋季外，年和春、夏、冬三季降水都有突變。年降水在1986、2001 年發(fā)生增加突變，在1996年發(fā)生減少突變；春季降水在1958 年、1986 年和2002 年發(fā)生增加突變，1973 年發(fā)生減少突變；夏季降水僅在1985年發(fā)生增加突變；冬季降水有一次增加和兩次減少突變，1968 年為增加突變，1978 年、1994年為減少突變。

（4）氣溫雖較降水突變明顯，但互有影響。1996年春、夏季出現(xiàn)的顯著暖突變直接導(dǎo)致同年年氣溫的顯著暖突變，1986年春季降水的突變增加直接導(dǎo)致同年降水的突變增加，1996年氣溫的顯著暖突變引起同年年降水的顯著減少突變。