昆明市1951-2019年氣候變化特征及趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

楊勝勇，史雯雨，高劍飛，李增永，鐘 馨

(四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，611231，成都)

0 引言

近年來，氣候變化是各國(guó)政府和科學(xué)界廣泛關(guān)注的熱門話題，隨著全球性氣候變暖將引發(fā)全球性和區(qū)域性水汽循環(huán)變化，從而導(dǎo)致氣溫和降水發(fā)生改變[1-3]。氣溫和降水是氣候的兩個(gè)重要要素，氣溫和降水的變化將改變水資源的分布特征，從而對(duì)人民生活與社會(huì)經(jīng)濟(jì)造成重大影響[4-5]。昆明市地處中國(guó)西南地區(qū)、云貴高原中部，由于地處低緯高原而形成“四季如春”的氣候，享有“春城”的美譽(yù)。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于昆明市氣候變化已有較多研究，何云玲[6]等利用線性傾向率、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、滑動(dòng)T檢驗(yàn)(MTT法)和小波分析等數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法，分析昆明市近60 a氣候變化趨勢(shì)和氣候突變特征。魏康洪[7]等對(duì)昆明1999-2013年氣溫和降水資料進(jìn)行氣候趨勢(shì)分析和異常統(tǒng)計(jì)分析。吳利華[8]等對(duì)昆明市16個(gè)極端氣溫指數(shù)和11個(gè)極端降水指數(shù)的變化趨勢(shì)、突變特性和周期特征進(jìn)行了分析和研究。

本文對(duì)昆明市1951-2019年氣溫及降水的線性趨勢(shì)、周期及趨勢(shì)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，所用資料時(shí)間序列長(zhǎng)，且對(duì)未來趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)，研究成果對(duì)昆明市氣候和水資源合理開發(fā)利用以及生態(tài)建設(shè)具有一定的意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)選自國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)平臺(tái)提供的昆明氣象站點(diǎn)1951-2019年逐月氣溫和降水資料。

1.2 研究方法

本文選用昆明市氣溫及降水?dāng)?shù)據(jù)，分別采用線性趨勢(shì)法、5 a滑動(dòng)距平法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法、年代距平法進(jìn)行趨勢(shì)分析；利用Morlet小波分析法進(jìn)行周期分析；采用Hurst指數(shù)法進(jìn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)。文中昆明市四季分別按照春季(3-5月)，夏季(6-8月)，秋季(9-11月)，冬季(12月-次年2月)進(jìn)行劃分。

1.2.1 Mann-Kendall檢驗(yàn)法 Mann-Kendall檢驗(yàn)(以下稱M-K檢驗(yàn))是經(jīng)世界氣象組織推薦，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到氣溫、降水等氣象要素中的非參數(shù)檢驗(yàn)方法。M-K檢驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)是樣本系列不需要服從一定分布，可以很好地反映時(shí)間序列的趨勢(shì)變化[9-11]。

M-K檢驗(yàn)方法的基本原理為：假設(shè)某時(shí)間序列為X1，X2，…，Xn，則

(1)

(2)

(3)

(4)

Z為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)值，Z值為正表明具有上升或增加趨勢(shì)，Z值為負(fù)則意味著下降或者減少趨勢(shì)。當(dāng)|Z|>1.64、1.96、2.58時(shí)，分別表示時(shí)間系列通過了90%、95%、99%的置信度檢驗(yàn)。

1.2.2 小波分析法 小波分析是一種具有時(shí)-頻多分辨率功能的方法，可以準(zhǔn)確詳細(xì)地揭示出時(shí)間序列中的多種周期變化，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于氣象要素時(shí)間序列的周期性分析。小波分析不僅可以顯示出氣候時(shí)間序列周期變化的尺度，還可以確定出變化出現(xiàn)的時(shí)間位置[9,12-14]。選用復(fù)數(shù)小波研究方法，該方法在頻域和時(shí)域內(nèi)具有較好的聚集性，復(fù)數(shù)小波母函數(shù)為：

(5)

子函數(shù)為：

(6)

式中：a為伸縮尺度，b為平移距離。T與a關(guān)系為：

(7)

1.2.3 Hurst指數(shù)法 Hurst指數(shù)揭示了時(shí)間序列過去與未來變化趨勢(shì)的相互關(guān)系，從而利用該序列的過去變化特征預(yù)測(cè)未來變化趨勢(shì)。目前廣泛應(yīng)用于判別氣象或水文要素時(shí)間序列變化趨勢(shì)的持續(xù)性或反持續(xù)性的強(qiáng)度。

當(dāng)0

表1 Hurst指數(shù)分級(jí)表

2 結(jié)論與分析

2.1 氣候趨勢(shì)變化特征分析

2.1.1 氣溫趨勢(shì)變化特征分析 由昆明市年平均氣溫變化趨勢(shì)(圖1)可以看出：1)1951-2019年昆明市年平均氣溫為15.18℃，年平均氣溫最大值為16.70℃(2019年)，年平均氣溫最小值為13.62℃(1971年)，年平均氣溫傾向率為0.293 ℃/10a，氣溫總體呈現(xiàn)震蕩上升的趨勢(shì)；2)從昆明市年平均氣溫5 a滑動(dòng)平均線上可以看出，昆明市年氣溫20世紀(jì)50年代至70年代中后期呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初呈現(xiàn)顯著的上升趨勢(shì)，21世紀(jì)后氣溫變化相對(duì)平穩(wěn)；3)昆明市1951-2019年的年平均氣溫累計(jì)距平曲線呈現(xiàn)“U”形，氣溫變化基本可以分為2個(gè)階段，在1993年以前，累計(jì)距平曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且距平值基本為負(fù)值，說明1993年之前的氣溫低于多年平均值15.18℃，并在1993年左右累計(jì)距平值達(dá)到最小值；1993年以后，累計(jì)距平曲線呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，說明該時(shí)段平均氣溫高于多年平均值。

圖1 昆明市年平均氣溫變化曲線

從昆明市氣溫傾向率及M-K檢驗(yàn)值(表1)可以看出：昆明市年及四季的氣溫傾向率大于0，表明近69 a昆明市年、季尺度的氣溫均呈上升趨勢(shì)，尤其以冬季氣溫傾向率最大；氣溫M-K統(tǒng)計(jì)值均通過了99%顯著性檢驗(yàn)，氣溫升高顯著。

2.1.2 降水趨勢(shì)變化特征分析 由昆明市年降水變化趨勢(shì)(圖2)可以看出：1)1951-2019年多年平均降水量為990.18 mm，最大降水量1 449.9 mm(1999年)，最小降水量565.8 mm(2009年)，年降水傾向率為-3.879 mm/10a，年降水呈不顯著的下降趨勢(shì)；2)根據(jù)年降水5 a滑動(dòng)平均曲線，20世紀(jì)50年代到20世紀(jì)90年代，降水量在多年平均值附近上下震蕩波動(dòng)；20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)20年代昆明市降水經(jīng)歷了“上升-下降-上升”的變化過程；20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初降水量呈明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì)；21世紀(jì)初至10年代，降水量呈明顯下降趨勢(shì)，之后至20年代年降水又呈增長(zhǎng)趨勢(shì)；3)根據(jù)昆明市年降水量累積距平曲線，20世紀(jì)50年代至60年代中期，累計(jì)距平曲線曲線呈現(xiàn)震蕩狀態(tài)，20世紀(jì)60年代中期至70年代中期，曲線呈顯著上升趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代初到70年代中期累計(jì)距平呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且多為正距平，為降水量相對(duì)偏多階段；20世紀(jì)80年代中期至90年代中期曲線呈顯著下降趨勢(shì)；20世紀(jì)90年代中期至21世紀(jì)初呈現(xiàn)顯著下降的趨勢(shì)；21世紀(jì)初至21世紀(jì)10年代初期呈顯著下降趨勢(shì)；21世紀(jì)10年代初期后又呈顯著上升趨勢(shì)。

圖2 昆明市年降水量變化趨勢(shì)

從昆明市降水傾向率及M-K檢驗(yàn)值(表2)可以看出：昆明市年及夏季、秋季降水傾向率小于0，降水量呈下降趨勢(shì)，且未通過顯著性檢驗(yàn)；春季、冬季降水傾向率大于0，表明降水量呈上升趨勢(shì)，且冬季降水量通過了90%顯著性檢驗(yàn)。

表2 昆明市氣溫及降水傾向率及M-K檢驗(yàn)值

注：*表示通過了90%顯著性檢驗(yàn)，***表示通過了99%顯著性檢驗(yàn)。

2.2 氣候年代際變化特征分析

2.2.1 氣溫年代際變化特征分析 從昆明市年及四季氣溫年代距平值(表3)可以看出：1)20世紀(jì)50年代至80年代昆明市年氣溫及四季氣溫均低于平均值，此時(shí)段昆明市氣溫整體偏低，20世紀(jì)70年代距平值最低，為昆明市近69 a的偏冷期；2)20世紀(jì)90年代之后，年及四季氣溫距平值均為正，表明昆明市氣溫進(jìn)入偏暖期，其中年、春季、夏季年代距平值在21世紀(jì)10年代距平值最大，秋季、冬季年代距平值在21世紀(jì)初期達(dá)到最大；3)昆明市冬季氣溫年代際差異最大，最小為-1.01℃，最大為1.39℃，20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初冬季氣溫出現(xiàn)最大增幅，增幅為1.05℃。

表3 昆明市年及四季氣溫、降水的年代距平值

2.2.2 降水年代際變化特征分析 從昆明市年及四季降水量年代距平值(表3)可以看出：1)昆明市年及四季降水量年代變化不盡相同，年降水量經(jīng)歷了“上升-下降-上升-下降”的變化過程；2000s降水量距平值最小，為-51.57 mm，距平百分率為-5.2%；1990s降水量距平值最大，為68.68 mm，距平百分率達(dá)到6.9%；2)昆明市四季的降水量以夏季降水量最多，為579.96 mm，占全年的59%；秋季降水量次之，為240.95 mm，占全年的24%；冬季降水量最少，為40.87 mm，占全年降水量的4%；3)春季降水量年代際距平值在1960s最小，為-31.96 mm，距平百分率為-24.9%；春季降水量年代距平值在1970s最大，為43.99 mm，距平百分率為34.0%，說明春季降水在1960s偏少，在1970s偏多；4)夏季降水量年代際距平值在2010s最小，為-50.58 mm，距平百分率為-8.7%；夏季降水量年代距平值在1990s最大，為49.82 mm，距平百分率為8.6%；5)秋季降水量年代際距平值在2000s最小，為-60.04 mm，距平百分率為-24.9%；秋季降水量年代距平值在1960s最大，為29.54 mm，距平百分率為12.3%；6)冬季降水量年代際距平值在1960s最小，為-9.43 mm，距平百分率為-23.1%；冬季降水量年代距平值在1980s最大，為9.80 mm，距平百分率為24.0%。

2.3 氣候周期分析

2.3.1 氣溫周期分析 由昆明市年氣溫圖3(a)小波變化圖，可以看出：近69 a來，昆明市年氣溫小波等值線圖在30 a、24 a左右時(shí)間尺度上分布較為密集，周期震蕩較為明顯，其中30 a左右時(shí)間尺度的能量最強(qiáng)，峰值最大，為第1主周期，24 a第2主周期。

(a)氣溫

(b)降水

2.3.2 降水周期分析 由昆明市年降水圖3(b)小波變化圖，可以看出：近69 a來，昆明市年降水小波等值線圖在4 a、7 a、16 a、24 a、30 a左右時(shí)間尺度上分布較為密集，周期震蕩明顯。其中30 a左右時(shí)間尺度的能量最強(qiáng)，峰值最大，為第1主周期；其次是24 a、16 a、7 a、4 a分別為第2、第3、第4主周期。

2.4 氣候未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

2.4.1 氣溫未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析 根據(jù)昆明市年氣溫Hurst指數(shù)(圖4)可知：昆明市年氣溫H值0.992 2，表明昆明市年氣溫變化具有持續(xù)性，未來與過去69 a變化趨勢(shì)相同，仍呈上升趨勢(shì)，持續(xù)性強(qiáng)度很強(qiáng)。

根據(jù)昆明市四季的氣溫H值(表4)可知：昆明市四季氣溫H值均大于0.5，說明未來昆明市四季氣溫變化具有持續(xù)性，未來與過去69 a變化趨勢(shì)相同，仍呈上升趨勢(shì)；四季氣溫H值均大于0.8，氣溫持續(xù)性強(qiáng)度等級(jí)為5級(jí)，持續(xù)性強(qiáng)度很強(qiáng)。

2.4.2 降水未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析 根據(jù)昆明市年降水Hurst指數(shù)(圖4)可知：昆明市年降水H值0.540 1，表明年降水量變化趨勢(shì)與過去69 a變化趨勢(shì)一致，呈減少趨勢(shì)，持續(xù)性強(qiáng)度很弱。

根據(jù)昆明市四季的降水H值(表4)可知：1)昆明市秋季降水H值0.494小于0.5，但接近0.5，表明未來秋季降水變化較為隨機(jī)，不易判斷未來秋季降水量的變化趨勢(shì)；2)昆明市春季、夏季、冬季降水H值均大于0.5，具有持續(xù)性，表明未來降水量變化趨勢(shì)與過去69 a變化趨勢(shì)一致。其中春季、冬季降水未來仍呈增加趨勢(shì)，持續(xù)性強(qiáng)度較弱；夏季降水量未來呈減少趨勢(shì)，持續(xù)性強(qiáng)度較弱。

圖4 昆明市年氣溫、年降水Hurst指數(shù)

表4 昆明市氣溫、年降水Hurst指數(shù)及強(qiáng)度等級(jí)

4 結(jié)論

1)昆明市年平均氣溫及四季氣溫均呈顯著性上升趨勢(shì)，且通過了99%顯著性檢驗(yàn)；昆明市年、夏季和秋季降水量呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，春季、冬季降水呈增加趨勢(shì)，并且冬季降水的增加趨勢(shì)通過了90%顯著性檢驗(yàn)。

2)昆明市年代氣溫最冷出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代，氣溫距平值最小，屬于偏冷期，21世紀(jì)后氣溫距平值最大，為偏暖期；昆明市年及四季降水年代變化均有所不同。

3)昆明市年氣溫具有28-30 a左右的周期特征；年降水具有28-30 a時(shí)間尺度的主周期，具有24 a、16 a、7 a、4 a左右的次主周期。

4)昆明市年及四季氣溫未來仍呈上升趨勢(shì)，且持續(xù)性強(qiáng)度很強(qiáng)；昆明市年及春季、夏季、冬季未來降水量未來仍將呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但持續(xù)性強(qiáng)度很弱，秋季降水變化較為隨機(jī)。