ABSTRACT

Using climate change analysis, M-K mutation test and wavelet analysis, the temperature variation characteristics of Shaoyang County in the past 59 years were analyzed. The results show that the temperature change in Shaoyang County near 59 a is mainly a cold-warm trend. In the 1960s and 1980s, this trend continued to decline. In the 1990s, temperatures fluctuated around the average climate and began to rise in the 21st century. The temperature in July-September showed a downward trend, while the upward trend was most significant in February and April, followed by March and May, an increase of 0.15˚C/10a, which had the greatest impact on the annual temperature increase. The annual average maximum temperature and minimum temperature are also rising, and the highest temperature rise is more obvious than the lowest temperature. The results were obtained by M-K mutation test: the temperature change point in Shaoyang County appeared in 2003 and passed the 0.001 confidence test. The annual average temperature fluctuation in Shaoyang County is about 4 a. In addition, the periodic variation of quasi 15 a occurred between 1960 and 1990, and a periodic change of 9 a occurred between 1990 and 2018.

Keywords:Temperature, Climate Analysis, Mutation, Period

1960~2018年湖南邵阳县气温变化特征分析

潘江萍^1,2，朱家亮^1,3，邱丽静³，陈梦醒³，黎芳²

¹湖南省防灾减灾重点实验室，湖南 长沙

²湖南省邵阳县气象局，湖南 邵阳

³湖南省长沙市气象局，湖南 长沙

收稿日期：2019年2月25日；录用日期：2019年3月8日；发布日期：2019年3月15日

摘 要

本文利用气候变化分析、M-K突变检验和小波分析等方法，分析了邵阳县近59年来的气温变化特征。结果表明：邵阳县近59 a的气温变化主要是冷–暖的大趋势。在20世纪60年代至80年代，这种趋势持续下降，90年代气温在平均气候附近波动，在21世纪开始升高。7月至9月的气温呈下降趋势，而上升趋势在2月和4月最为显著，其次是3月和5月，增幅0.15℃/10a，它们对全年气温的上升影响最大。年平均最高气温和最低气温也在升高，最高气温的升高比最低气温更明显。通过M-K突变检验得出结果：邵阳县气温突变点出现在2003年，并通过0.001置信度检验。邵阳县年平均气温波动约为4 a。此外，准15 a的周期性变化发生在1960年至1990年之间，并且在1990年至2018年期间发生了9 a的周期变化。

关键词 :气温，气候分析，突变，周期

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

如今，IPCC(联合国政府间气候变化专门委员会)于2018年10月8日在韩国仁川举行会议。会上，审议通过了《全球升温1.5℃特别报告》 [1] 。据报道，根据目前的温室气体状况，地球将在2030年达到这一水平。如今，与工业化前水平相比，全球气温上升了约1℃。近年来，全球气候变暖已经成为当今许多学者的热门话题 [2] - [7] 。许多科学家使用不同的研究方法来分析不同观测值的气温变化的特征和影响因素 [8] - [14] 。根据林学椿等研究，中国的年平均气温上升了0.04℃/10a [15] 。中国科学家的研究结果表明，近百年来中国的气温变化与全球变暖相似，而地域差异较大 [16] - [20] 。南方变暖程度低于北方，而季节性差异主要体现在冬季明显的变暖。全球变暖可能会导致局地的极端天气和气候事件，如高温和干旱。因此，有必要研究局部区域气温变化的特性。为了解邵阳县气候变化规律，本文运用气候统计诊断方法，用于分析邵阳县气温变化特征。

2. 资料及方法

2.1. 资料来源

选取1960~2018年邵阳县国家基准气候站的逐月平均气温进行年际、年代际、季际的统计分析。根据月平均气温，形成春、夏、秋、冬数据序列，进行距平处理，得到年度和季节距平序列。四季分为冬季(上年12月至2月)、春季(3至5月)、夏季(6至8月)、秋季(9至11月)。距平基于1960~2018年59年的标准值为基础。

2.2. 分析方法

计算年平均气温和月平均气温以及平均最高、最低气温距平，分析时间曲线；另外，分析了月平均气温距平的累积曲线。并对气温资料序列用线性函数拟合()，按最小二乘法估计气候变化趋势，用相关系数做置信检验。Manne-Kendall方法用于分析近59 a的年平均气温的突变。Molet小波分析方法对年平均气温的周期变化进行分析。

3. 分析与结论

3.1. 平均气温的年际变化特征

从年平均气温距平时间变化曲线(见图1)可以初步得出结果：近59 a，邵阳县的平均气温处于缓慢上升中，并以0.1℃/10a的速度上升。相关系数通过0.05的置信区间检验，揭示出气温的显著上升趋势。它可以大致地反应低、波动、高的三阶段演变。1960~1989年大部分处于负距平下，是较长持续时间的偏冷期，期间1984年的负距平达到了−1.0℃，为历年最大的负距平；1990~2005年在正负距平间以每一到两年的变化来回摆动，期间1998年的正距平达到0.9℃，为历年最大的正距平；而进入2006年以后气温偏高开始显著，虽然2011~2012年处于负距平下，但很快又回到正距平上，且历年次高的正距平0.8℃仅接着出现在2013年，是持续时间较长的暖期。

图1. 年平均气温距平时间变化曲线

近59年来，邵阳县存在着由冷到暖的气候波动，距平 < 0℃的年份有32年，最大负距平的绝对值大于最大正距平。自2006年以来，近年的温度升高非常显著，年平均气温异常偏高的频率显著增加。廖春花等 [21] 认为，长沙在20世纪90年代末已进入快速城市化阶段，长沙变暖可能追溯到城市的影响。相较省会长沙而言，邵阳县的城镇化建设在进入21世纪才开始起步，邵阳国家基准气候站所处的测站周边的城镇建设也才逐步开始，城市效应也较长沙慢将近10年。

本文分析了月平均气温的累积距平(图2)，可以看出，近57 a邵阳县气温有所下降，然后增加，冷-暖波动的特征表现得更明显。20世纪60年代初期气温的上升时间很短；从20世纪60年代中期至90年代中期，有一段持续降温的时期，从20世纪90年代中期至2018年，经历了一段持续变暖的时期。降温期明显长于升温期，因而升温比降温更快，这进一步表明近10年来气温升温显著。

3.2. 年代变化特征

为了解各年代的气温变化，本文将每10 a划为一个年代，具体为：1960~1969 a、1970~1979 a、1980~1989 a、1990~1999 a、2000~2009 a、2010~2018 a。表2列出了邵阳县年平均气温的各年代距平值和对应频次的出现次数。

从表1可以看出，气温在20世纪60~80年代持续下降。特别是80年代平均气温偏低0.31℃，偏高频次仅为2年。90年代的气温在气候平均值附近波动。气温在21世纪开始上升，气温的偏高频次上升而偏低频次下降。

图2. 月平均气温距平累加图

表1. 各年代年平均气温的距平及偏高(正距平)、偏低(负距平)频次

3.3. 平均最高、最低气温的变化特征

在过去的59 a中，邵阳县的年平均最高气温和最低气温呈缓慢上升趋势(见图3)，并且都通过了0.001置信度的极显著性检验。平均最高气温上升率为0.17℃/10a，上升趋势更明显；平均最低气温的上升速度稍慢，0.11℃/10a。这表明白天和夜间的气温变化是不对称性的，并且显示出日较差变大的趋势。

图3. 年平均最高、最低气温距平时间变化曲线

3.4. 月变化特征

本文拟合气温数据序列的线性函数，通过最小二乘法估计气候变化趋势，a是趋势项，并使用相关系数进一步作置信检验。从表2中给出的趋势率a和平均温度的相关系数r分析来看，2月份的气温上升最快，为0.34℃/10a，其次是4月份以0.033℃/10a；而后依次是3、5、11、10、1、6、12月；7月、8月和9月的气温趋势为负，表明7月至9月气温是呈下降的趋势，且8月气温以0.10℃/10a的速率下降的。廖春花等人的研究 [21] 表明，长沙的气温上升、下降速度最显著的月份与邵阳县是一致的。

表2. 各月平均气温的线性倾向估计

注：^*表示通过信度为0.05的显著性检验，^**表示通过信度为0.01的显著性检验，a为倾向率(℃/10a)，r为相关系数。

3.5. 气候突变特征

通过参考由魏凤英编著的《现代气候统计诊断与预测技术》 [22] ，使用Mann-Kendall (曼·肯德尔)方法对检验了1960年至2018年邵阳县的气温。从图4中UF曲线可见，年平均气温在20世纪90年代中期之前呈下降趋势，并在20世纪90年代中后期开始上升(这与前面的结论一致)。UF曲线在2004年突破了+1.96信度线，表明2004年起增暖显著，同时UF和UB曲线在±1.96置信区间相交，证实邵阳县的年平均气温突变点出现在2003年，均通过了0.001的极显著置信检验，与湖南省气候变化突变点基本一致 [19] 。

图4. 年平均气温的M-K 方法的气候突变检验

3.6. 周期分析

为了更好地研究时间序列问题，清楚地揭示时间序列中隐藏的各种变化周期，充分反映系统在不同时间尺度上的变化趋势。在20世纪80年代早期，Morlet提出了一种具有时–频和多分辨率的小波分析。本文对1960~2018年邵阳县年平均气温的距平值进一步做Morlet连续小波变换，能更清晰的反映邵阳县气温的周期变化特征。在平均气温距平值的小波变换中，正值越大表示气温越高，负值越大表示气温越低。

通过小波分析(见图5)可以看出，1960~2018年邵阳县年平均气温波动约为4 a。此外，准15a的周期性变化发生在1960年至1990年之间，并且在1990年至2018年期间发生了9 a的周期变化。

4. 绪论

通过分析邵阳县1960~2018年的年平均气温、平均最高气温、平均最低气温和月平均气温，分析气温突变和变化周期，得出以下结论：

图5. 年平均气温小波标准化功率谱

① 近59 a年来邵阳县气温的气温变化趋势主要是冷–暖的整体趋势。20世纪60~80年代气温持续下降，90年代持平，21世纪维持增幅。

② 7至9月期间气温维持下降趋势，而其他月份都是升温。其中，上升趋势在2月和4月最为显著，其次是3月和5月，增幅0.15℃/10a，它们对全年气温的上升影响最大。

③ 年平均最高气温和最低气温也在升高，最高气温的升高趋势较最低气温更明显。

④ 通过M-K突变检验得出结果：邵阳县气温突变点出现在2003年，并通过了0.001置信度检验。

⑤ 1960~2018年邵阳县年平均气温波动约为4 a。此外，准15 a的周期性变化发生在1960年至1990年之间，并且在1990年至2018年期间发生了9 a的周期变化。

基金项目

湖南省气象局面上项目XQKJ19B020“邵阳县油茶气候品质认证技术研究”。

文章引用

潘江萍,朱家亮,邱丽静,陈梦醒,黎 芳. 1960~2018年湖南邵阳县气温变化特征分析
Analysis of Temperature Change Characteristics of Shaoyang County in Hunan Province from 1960 to 2018[J]. 气候变化研究快报, 2019, 08(02): 181-187. https://doi.org/10.12677/CCRL.2019.82021

参考文献