昆明地區(qū)近40a氣溫變化特征及其突變檢驗(yàn)

梅媛媛，李 毅，龍榮華

(1.云南省昆明市農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站，云南 昆明 650091;2.云南省昆明市東川區(qū)氣象局 東川 654100;3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝作物研究所，云南 昆明 650205)

1 引言

近年來(lái)，氣候變化已引起了各國(guó)政府、科學(xué)家和普通民眾的高度重視。氣候變化最顯著的特點(diǎn)是氣候變暖［1］，而氣候變化最敏感、最重要的指標(biāo)就是氣溫變化，政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)(IPCC)第三次評(píng)估報(bào)告認(rèn)為:全球平均地面氣溫20世紀(jì)升高了0.6℃。在全球變暖的大背景下，近100 a中國(guó)地表年平均氣溫明顯增加，升溫幅度約為 0.5 ～0.8℃。［2］云南的許多氣象學(xué)者也對(duì)云南的氣候變化進(jìn)行了多方面的研究。尤衛(wèi)紅等利用1901—1996年的氣象資料研究表明，云南在20世紀(jì)90年代的氣溫變化處于較強(qiáng)的偏暖期［3］。姚愚等利用1961—2004年的氣象資料研究表明，滇中地區(qū)是1994—2004年全省升溫最顯著的地區(qū)［1］。而在研究中加入最近10 a(2001—2010年)的氣象資料等專(zhuān)門(mén)研究氣溫變化的文章則較少，這正是撰寫(xiě)本文的重要原因之一。

另一方面，昆明位居滇中，地理座標(biāo)為102°10'～103°40'E，24°23'～26°22'N，市區(qū)海拔1 891 m，是云南省省會(huì)，中國(guó)首批歷史文化名城，是云南省政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心;是我國(guó)重要的旅游、商貿(mào)城市、西部地區(qū)重要的中心城市之一;亦是滇中城市群的核心圈;昆明同時(shí)也是全國(guó)十大旅游熱點(diǎn)城市之一。此外，它還是中國(guó)面向東南亞、南亞開(kāi)放的門(mén)戶(hù)樞紐，是中國(guó)唯一面向東盟的“橋頭堡”大都市。因而，昆明地區(qū)也自然成為滇中乃至云南的重要組成部分。然而，昆明地區(qū)的氣候變化如何?特別是近些年來(lái)，氣象災(zāi)害、極端氣候事件頻繁發(fā)生，給昆明地區(qū)各行各業(yè)都帶來(lái)了很大影響。因此，在全球氣候變暖的大背景下，撰寫(xiě)本文旨在研究昆明地區(qū)的溫度變化特征、為昆明可持續(xù)發(fā)展的合理規(guī)劃、為政府決策提供氣候?qū)W的科學(xué)依據(jù)、為氣候資源的科學(xué)開(kāi)發(fā)利用提供重要依據(jù)、為氣象預(yù)災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)參考、為未來(lái)氣候趨勢(shì)的預(yù)測(cè)等諸多方面都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。

2 資料和方法

2.1 資料

使用昆明地區(qū)11站點(diǎn)(昆明、祿勸、富民、嵩明、宜良、石林、呈貢、晉寧、安寧、太華山、尋甸)1971—2010年整40 a的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫年值和月值氣象資料。

2.2 方法

2.2.1 氣候趨勢(shì)分析 本文中以平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫等年值為因變量，年序?yàn)樽宰兞?，進(jìn)行一元線(xiàn)性回歸分析，以直線(xiàn)斜率(回歸系數(shù))作為趨勢(shì)指標(biāo)(趨勢(shì)系數(shù))［4］來(lái)表達(dá)線(xiàn)性增溫速率。根據(jù)氣溫逐年變化曲線(xiàn)和擬合趨勢(shì)線(xiàn)來(lái)描述氣溫的時(shí)間變化和年際變化特征。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)差S 標(biāo)準(zhǔn)差是描述變量樣本序列中樣本數(shù)據(jù)與其平均值差異的平均狀況的統(tǒng)計(jì)量，它衡量資料圍繞平均值的平均振動(dòng)幅度。為了解平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫年值對(duì)于其氣候平均態(tài)的偏離程度［5］。本文使用標(biāo)準(zhǔn)差公式計(jì)算昆明地區(qū)歷年年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如下:

其中，S、xi分別是標(biāo)準(zhǔn)差、樣本值、樣本平均值，n為樣本數(shù)。

2.2.3 信噪比 SNR法(Yamamoto法) 天氣過(guò)程的突變常用氣候狀態(tài)分布特征量隨不同時(shí)段的變化來(lái)衡量，Yamamoto等人(1986)提出把幾十年作為氣候階段，以相鄰氣候階段的平均值的顯著差異定義為氣候突變。方法是選擇某個(gè)參考年，分別計(jì)算兩個(gè)氣候階段的平均值之差和標(biāo)準(zhǔn)差S1和S2，定義信噪比SNR作為相鄰兩個(gè)氣候階段差異的統(tǒng)計(jì)量，其計(jì)算公式為:

一般SNR＞1.0時(shí)，認(rèn)為存在氣候突變;若SNR＞2.0 則認(rèn)為存在強(qiáng)突變［6］。

3 結(jié)果及討論

3.1 氣溫的基本統(tǒng)計(jì)特征分析

由表1可見(jiàn)，昆明地區(qū)11站40 a年平均氣溫為15.1℃。其中，南部縣區(qū)宜良、石林的年均溫相對(duì)較高，分別為 16.5℃、16.1℃;北部縣區(qū)嵩明、尋甸的年均溫相對(duì)較低，分別為 14.2℃、14.8℃;太華山站屬高山氣象站(海拔2 358.3 m)，年均溫最低，為12.5℃。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，40 a來(lái)，11站年平均氣溫從1971 年的14.0 上升到2010 年的16.5℃(表略)，40 a來(lái)共升高了2.5℃。

表1 1971—2010年昆明地區(qū)11站氣溫要素的基本統(tǒng)計(jì)特征量 (單位:℃)

從表1可知，昆明11站40 a年年平均最高氣溫為21.6℃、年平均最低氣溫為10.7℃;從氣溫的波動(dòng)上看，平均最低氣溫標(biāo)準(zhǔn)差＞平均最高氣溫標(biāo)準(zhǔn)差＞平均氣溫標(biāo)準(zhǔn)差。這表明，40 a來(lái)昆明地區(qū)氣溫總體上呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，最低氣溫的年際波動(dòng)振幅最大，平均氣溫的年際波動(dòng)相對(duì)較小。

3.2 氣溫年值的趨勢(shì)變化

由圖1可見(jiàn)，近40 a來(lái)昆明地區(qū)年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的變化趨勢(shì)總體上比較一致，都呈線(xiàn)性增高、波動(dòng)上升趨勢(shì)。年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫分別在14.5 ～16.8℃、20.7 ～23.1℃、8.8 ～11.8℃之間，其線(xiàn)性增溫速率分別為 0.32℃ /10 a、0.3℃ /10 a、0.484℃/10 a。其中，年平均最低氣溫的線(xiàn)性增溫速率最高，年平均最高氣溫的線(xiàn)性增溫速率最低;年平均最低氣溫的線(xiàn)性增溫速率比年平均最高氣溫的線(xiàn)性增溫速率高0.184℃/10 a;年平均最低氣溫的線(xiàn)性升溫率是年平均最高氣溫的線(xiàn)性升溫率的1.6倍。三要素的線(xiàn)性增溫趨勢(shì)都通過(guò)了信度為0.001的顯著性檢驗(yàn)。

3.3 昆明地區(qū)1971—1990年和1991—2010年前后20a平均氣溫的年際變化對(duì)比

根據(jù)圖2的分析結(jié)果，1971—1990年昆明地區(qū)平均氣溫線(xiàn)性升溫率為0.177℃/10 a，而1991—2010年的線(xiàn)性升溫率為0.557℃/10 a，后20 a的線(xiàn)性升溫率是前20 a的3.15倍。從氣溫線(xiàn)性升溫趨勢(shì)的顯著性來(lái)看，1971—1990年相關(guān)系數(shù)為0.305 1(顯著性水平接近 0.05)，1991—2010 年相關(guān)系數(shù)為0.651 8(顯著性水平為0.001)。由此可見(jiàn)，1971—1990年昆明地區(qū)氣溫升溫趨勢(shì)相對(duì)平緩，不太明顯;而進(jìn)入1990年以來(lái)，氣候變暖明顯加劇。

圖1 1971—2010年昆明地區(qū)氣溫年值的逐年變化

3.4 春夏秋冬四季平均氣溫變化特征

從圖3和各季平均氣溫的統(tǒng)計(jì)值(表略)可見(jiàn)，40 a來(lái)昆明地區(qū)春、夏、秋、冬四季的季平均氣溫分別為 16.5℃、19.8℃、14.8℃、8.5℃，四個(gè)季節(jié)的平均氣溫分別在 15.1 ～ 18.0℃、19.0 ～ 20.7℃、13.4～16.2℃ 和 6.7 ～10.5℃之間變化;四季的線(xiàn)性增溫率分別為 0.254℃ /10 a、0.199℃ /10 a、0.317℃ /10 a和0.467℃/10 a;線(xiàn)性增溫率是冬季＞秋季＞春季＞夏季，其中冬季線(xiàn)性增溫率最大，夏季線(xiàn)性增溫率最小，冬季的線(xiàn)性增溫率是夏季線(xiàn)性增溫率的2.3倍。秋季平均氣溫的線(xiàn)性增溫率也較大，為0.317℃/10 a;而夏季平均氣溫升溫幅度最小，為0.254℃/10 a。這與多數(shù)文獻(xiàn)關(guān)于夏季氣候變暖趨勢(shì)不如冬季明顯的結(jié)論一致［7］。因此，冬季、秋季變暖對(duì)年平均氣溫增溫作用最大，尤其是冬季增溫對(duì)昆明地區(qū)40 a來(lái)氣候變暖的貢獻(xiàn)最大。

圖3 昆明地區(qū)1971—2010年四季平均氣溫變化曲線(xiàn)(a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季)

3.5 氣溫突變檢驗(yàn)分析

氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)中的一個(gè)重要現(xiàn)象。氣候突變是指氣候要素從一個(gè)平均值狀態(tài)到另一平均值狀態(tài)的急劇變化，即從一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定的持續(xù)變化趨勢(shì))跳躍式地轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)(或穩(wěn)定的持續(xù)變化趨勢(shì))的現(xiàn)象。最基本的氣候突變有4種類(lèi)型，即:均值突變、方差突變、蹺蹺板突變和轉(zhuǎn)折突變［8］，實(shí)際的突變往往是它們的組合。對(duì)于氣候突變這一現(xiàn)象，研究的人很多，周浩等用小波分析和Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法對(duì)重慶市氣候變化進(jìn)行分析［9］。王宇等曾經(jīng)利用 Mann-Kendall、MTT和SNR法對(duì)1921—1994昆明的年均溫進(jìn)行過(guò)趨勢(shì)突變檢驗(yàn)［6］，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)確定1957年為昆明年均溫的突變點(diǎn)。但最近40 a來(lái)，在全球氣候變化的大背景下，昆明地區(qū)是否也存在氣溫突變?本文用SNR法進(jìn)行氣溫趨勢(shì)突變檢驗(yàn)(見(jiàn)表3)。

根據(jù)圖1～圖3、表2、表3以及11站點(diǎn)氣溫的多方面的綜合分析，最近40 a中1997—1998年昆明平均氣溫跳躍幅度最大，11站年平均氣溫由1997年的15.3℃上升到16.3℃，各站點(diǎn)年平均氣溫升高幅度在0.8～11℃之間，氣溫跳躍式突增趨勢(shì)明顯(見(jiàn)表2)。為進(jìn)一步研究其是否存在氣候突變，本文用信噪比SNR法(Yamamoto法)，進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 1997—1998年昆明地區(qū)各站年平均氣溫對(duì)比(℃)

表3 指定1998年為突變年時(shí)昆明地區(qū)各站點(diǎn)氣溫年值信噪比(SNR值)

由表3可見(jiàn)，①昆明地區(qū)11站點(diǎn)年平均氣溫的SNR值為1.09，說(shuō)明在1998年昆明地區(qū)年平均氣溫確實(shí)存在突變現(xiàn)象，其中昆明、嵩明、宜良、石林、呈貢、尋甸6站年平均氣溫通過(guò)突變檢驗(yàn)。②對(duì)11站點(diǎn)年平均最高氣溫進(jìn)行檢驗(yàn)，只有昆明、晉寧2個(gè)站點(diǎn)的SNR值＞1，顯然最高氣溫的突變基本不存在;③檢驗(yàn)?zāi)昶骄畹蜌鉁氐耐蛔?，得出昆明地區(qū)11站點(diǎn)年平均最低氣溫的SNR為1.52，比年平均氣溫的SNR高0.427，比年平均最高氣溫高0.672;11站點(diǎn)中除富民、晉寧、太華山3站的年平均最低氣溫未通過(guò)信噪比檢驗(yàn)外，其余73%的站點(diǎn)都通過(guò)檢驗(yàn)，說(shuō)明昆明地區(qū)年平均最低氣溫存在突變;④比較年平均氣溫、年平均最低氣溫、年平均最高氣溫3者的SNR值，可知昆明地區(qū)低溫突變比高溫更激烈，這與前文中所得出的低溫增溫幅度大，對(duì)氣候變暖貢獻(xiàn)更大的結(jié)論相一致。

4 主要結(jié)論

①1971—2010年，昆明地區(qū)11站點(diǎn)年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫年際變化和變化趨勢(shì)特征總體上比較一致，都表現(xiàn)為線(xiàn)性增高、波動(dòng)上升趨勢(shì);最低氣溫的年際波動(dòng)振幅最大，年平均氣溫的波動(dòng)相對(duì)較小。

②近40 a來(lái)昆明地區(qū)年平均氣溫線(xiàn)性增溫速率為0.32℃/10 a，高于全國(guó)平均氣溫線(xiàn)性升溫率0.25℃ /10 a［10］;同時(shí)也高于云南省(1980—2004年)的平均升溫率(0.24 ℃ /10 a)［1］。年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的線(xiàn)性升溫率分別為0.267℃ /10 a、0.459℃ /10 a。氣溫 3 要素中平均最低氣溫線(xiàn)性升溫率最大，平均最高氣溫線(xiàn)性升溫率最小。即在昆明氣候變暖中，低溫升高趨勢(shì)更顯著，低溫增幅對(duì)氣候變暖貢獻(xiàn)率最大。

③昆明地區(qū)各季節(jié)都有氣候變暖趨勢(shì)，四個(gè)季節(jié)的線(xiàn)性增溫率大小排序?yàn)?冬季＞秋季＞春季＞夏季，冬季線(xiàn)性增溫率最大(0.467℃/10 a)，夏季線(xiàn)性增溫率最小(0.254℃/10 a)，冬季增溫對(duì)昆明地區(qū)氣候變暖貢獻(xiàn)最大。

④1971—2010年的40 a里，昆明地區(qū)確實(shí)發(fā)生了氣溫突變，突變年份為1998年。其中，年平均最低氣溫、年平均氣溫都存在顯著的突變現(xiàn)象(區(qū)域平均信噪比SNR值分別為1.52、1.09)，年最高氣溫?zé)o顯著的突變。

致謝:在本論文寫(xiě)作過(guò)程中得到了云南省氣象局氣象學(xué)會(huì)黃忠艷正研高工的鼎力指教和幫助。在此特表示感謝。

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