趙嘉陽, 王文輝, 郭福濤, 林芳芳, 梁慧玲, 林玉蕊

(1.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院；2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

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福建省2000—2013年氣象因子的變化趨勢(shì)

趙嘉陽1, 王文輝2, 郭福濤2, 林芳芳1, 梁慧玲1, 林玉蕊1

(1.福建農(nóng)林大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院；2.福建農(nóng)林大學(xué)林學(xué)院，福建 福州 350002)

基于福建省10個(gè)氣象站2000—2013年的氣象觀測(cè)資料，應(yīng)用Sen′s斜率估計(jì)法和Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法分析了4個(gè)氣象因子的年際和季節(jié)變化趨勢(shì)及其空間分布，采用Pettitt突變檢驗(yàn)法檢測(cè)突變點(diǎn)的發(fā)生.結(jié)果表明：在年際和季節(jié)變化的趨勢(shì)中，東南沿海地區(qū)的風(fēng)速顯著減弱，西北部地區(qū)顯著增強(qiáng)；南部地區(qū)夏天和秋天的相對(duì)濕度顯著降低；降水的年際和季節(jié)變化不顯著；全省氣溫升高突變集中在2011年；此外，雖然冬天和春天的氣溫越來越低，夏天氣溫越來越高，但趨勢(shì)緩慢不顯著，表明福建省氣溫整體趨于穩(wěn)定.

Sen′s斜率估計(jì); Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn); Pettitt突變檢驗(yàn); 氣象因子

全球氣候變化與人類生存發(fā)展密切相關(guān)，當(dāng)前世界各國政府、非政府組織以及科研機(jī)構(gòu)均投入大量資源進(jìn)行全球氣候變化的研究.從農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)研究領(lǐng)域來說，準(zhǔn)確了解和掌握某一區(qū)域氣候變化的規(guī)律和特點(diǎn)不僅對(duì)地區(qū)農(nóng)林生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)、生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)與保護(hù)具有重要的指導(dǎo)意義，同時(shí)也是評(píng)價(jià)區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化的一項(xiàng)指標(biāo).近年來各國學(xué)者在氣候變化研究領(lǐng)域中已取得很多成果.Milan et al[1]運(yùn)用Sen′s斜率估計(jì)和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)等研究方法對(duì)塞爾維亞12個(gè)氣象站7個(gè)氣象因子的年際和季節(jié)變化趨勢(shì)進(jìn)行了空間特征分析;Karaburun et al[2]應(yīng)用Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Sen′s斜率估計(jì)法分析了伊斯坦布爾1975—2006年的季、月平均最低和最高氣溫的演變.我國學(xué)者關(guān)于氣象因子的變化研究也已展開.楊軍等[3]采用非參數(shù)Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)和Sen′s斜率估計(jì)等方法對(duì)北京市1951—2012年氣象因素的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析；崔日鮮[4]采用 Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Pettitt突變檢驗(yàn)法對(duì)濰坊市1955—2010年氣溫和降水量的變化特征進(jìn)行了分析；劉娟等[5]應(yīng)用Daniel和Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)法對(duì)遼西北地區(qū)的降雨量進(jìn)行對(duì)比分析.

福建省是我國森林覆蓋率最高的省份，截止2014年，森林覆蓋率達(dá)到69.5%.然而在過去的幾十年間，福建省內(nèi)在經(jīng)濟(jì)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境保護(hù)之間存在一定的不平衡，省內(nèi)部分地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的水土流失，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境惡化，進(jìn)而導(dǎo)致局部小氣候變化.2000年以來，福建省加大了水土流失治理和生態(tài)環(huán)境恢復(fù)的力度，使得全省森林覆蓋率不斷提高.因此，了解和掌握福建省2000年以來氣象因子的變化特征不僅能為該地區(qū)的農(nóng)林生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)活動(dòng)提供支持，同時(shí)也可為評(píng)判地區(qū)生態(tài)環(huán)境變化提供依據(jù).

鑒于此，本研究綜合采用Sen′s斜率估計(jì)法、Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Pettitt突變檢驗(yàn)法對(duì)福建9個(gè)市和1個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)歷史上(2000—2013年)風(fēng)速、降水量、相對(duì)濕度和氣溫的年際、季節(jié)以及空間趨勢(shì)變化進(jìn)行分析，并進(jìn)行了突變檢驗(yàn).研究結(jié)論可為該地區(qū)農(nóng)林生產(chǎn)和環(huán)境恢復(fù)評(píng)價(jià)提供依據(jù).

1　研究區(qū)概況

圖1　10個(gè)氣象站在福建省的地理位置Fig.1　Locations of 10 meteorological stations studied in Fujian Province

福建省9個(gè)地級(jí)市福州、莆田、泉州、廈門、漳州、龍巖、三明、南平、寧德和1個(gè)平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)(地理位置見圖1)，處于北緯23°31′～28°18′.福建省大部分地區(qū)冬無嚴(yán)寒，夏少酷暑，雨量充沛.其主要特征為：季風(fēng)環(huán)流強(qiáng)盛，季風(fēng)氣候顯著；冬短夏長(zhǎng)，熱量資源豐富，南北溫差大；雨、干季分明，水分資源充沛；地形復(fù)雜致使氣候多樣.此外，福建省災(zāi)害天氣頻繁，水、旱、風(fēng)、寒歷年可見，氣候偏離常態(tài)是經(jīng)常的.

福建省生態(tài)脆弱區(qū)域面積較大，水土流失分布面遍布全省所有縣(市)，2000年以來，全省加大水土流失治理力度，實(shí)施長(zhǎng)汀、安溪、詔安、永春和福安等22個(gè)縣(市)水土流失綜合治理工程，全省森林覆蓋率得以明顯提高.

2　方法

2.1數(shù)據(jù)來源

氣象數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)(http://cdc.cma.gov.cn/)，氣象數(shù)據(jù)涵蓋福建省內(nèi)22個(gè)國家級(jí)氣象站的每日氣象數(shù)據(jù).本研究從每日氣象數(shù)據(jù)中提取南平、寧德、福州、永安、龍巖、仙游、平潭、漳州、崇武和廈門10個(gè)氣象站的4個(gè)氣象因子(風(fēng)速、降水量、相對(duì)濕度、氣溫)的季度和年際數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，其中，3～5月份為春天，6～8月份為夏天，9～11月份為秋天，12月份至翌年2月份為冬天.10個(gè)氣象站代表福建9個(gè)市和1個(gè)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)，由于以三明、莆田和泉州命名的氣象站數(shù)據(jù)缺失，以其下面直屬的氣象站代替，其中，永安代表三明，仙游代表莆田，崇武代表泉州.所選用的4個(gè)氣象因子具有數(shù)據(jù)完整、時(shí)間跨度長(zhǎng)、基于原始數(shù)據(jù)整理而得可靠性強(qiáng)的特點(diǎn).

2.2研究方法

2.2.1Sen′斜率估計(jì)法Sen′s斜率估計(jì)是Sen于1968提出并發(fā)展的一種非參數(shù)檢驗(yàn)法，估計(jì)n個(gè)樣本中N對(duì)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)斜率：

(1)

將N個(gè)Qi值從小到大排列，則中值Sen′s斜率估計(jì)為：

(2)

(2)式中，Qmed反映數(shù)據(jù)趨勢(shì)的陡峭程度，Qmed大于零表明樣本有向上的趨勢(shì)，反之為下降趨勢(shì).

2.2.2Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法是基于Spearman秩相關(guān)系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的一種方法.在Spearman秩相關(guān)檢驗(yàn)中，不需考慮時(shí)間序列的真實(shí)數(shù)據(jù)，只需將時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為依次排名，數(shù)據(jù)量一般要求4個(gè)以上.

將時(shí)間序列按照時(shí)間周期進(jìn)行排序得到Y(jié)1,Y2,…Yn(按年排列的序號(hào))，將時(shí)間序列數(shù)據(jù)按數(shù)值從小到大進(jìn)行排序得到相應(yīng)序號(hào)X1,X2,…Xn，統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)所應(yīng)用的秩相關(guān)系數(shù)為：

(3)

(3)式中：di=Xi-Yi；N為數(shù)據(jù)量.

將秩相關(guān)系數(shù)rs同Spearman秩相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)表中的臨界值進(jìn)行比較，當(dāng)rs≤-wp或rs≥wp時(shí)，說明氣象因子變化趨勢(shì)顯著；當(dāng)-wp0時(shí)，變化為上升趨勢(shì)，反之為下降趨勢(shì)[5].

2.2.3Pettitt突變檢驗(yàn)法Pettitt突變檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，最初由A. N. Pettitt用于檢驗(yàn)突變點(diǎn)，故取名為Pettitt法.對(duì)于樣本個(gè)數(shù)為n的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列：

(4)

(4)式中，ri取值如下：

(5)

可見秩序列sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù).若t時(shí)刻滿足

(6)

則t點(diǎn)處為突變點(diǎn).計(jì)算統(tǒng)計(jì)量：

(7)

若P≤0.5，則認(rèn)為檢測(cè)出的突變點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的[6].

3　結(jié)果及分析

2000—2013年10個(gè)氣象站的4個(gè)氣象因子的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差如表1所示.由表1可知，福建省各地區(qū)年均風(fēng)速為1.04～4.68 m·s-1，年降水量為1 078.0～2 022.5 mm，年均相對(duì)濕度為71.85%～78.64%，年均氣溫為20.03～22.17 ℃，屬于典型的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候.

表1　2000—2013年10個(gè)氣象站4個(gè)氣象因子的平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差Table 1　Means and standard deviations of 4 meteorological factors from10 meteorological stations during 2000-2013

3.1風(fēng)速的變化趨勢(shì)

多種檢驗(yàn)法沒有絕對(duì)的一致上升或下降趨勢(shì)，氣象因子的趨勢(shì)變化也會(huì)存在平穩(wěn)趨勢(shì)，當(dāng)兩種檢驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)異號(hào)則看作平穩(wěn)趨勢(shì).圖2顯示，除了永安和寧德站的風(fēng)速在年際、季節(jié)尺度上有稍微不同外，Sen′s斜率估計(jì)法和Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法的檢驗(yàn)結(jié)果基本一致.南平、福州、龍巖和崇武站的風(fēng)速在年際和季節(jié)尺度上變化顯著；其他地區(qū)以增速為主，變化不顯著.

3.2降水量的變化趨勢(shì)

圖3顯示，Sen′s斜率估計(jì)法和Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法在降水量變化的分析上表現(xiàn)出較為一致的結(jié)果.顯著性水平檢驗(yàn)結(jié)果顯示， 2000—2013年，福建省各地區(qū)的降水量沒有發(fā)生顯著變化.各地區(qū)的降水量在年際和季節(jié)尺度上雖有增加或降低的趨勢(shì)，但Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量都在臨界值之間，均沒有達(dá)到顯著程度.

圖2　2000—2013年風(fēng)速年際和季節(jié)變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量

圖3　2000—2013年降水量年際和季節(jié)變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量

3.3相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)

圖4顯示，福建省各地區(qū)的相對(duì)濕度在年際和季節(jié)尺度上基本呈下降趨勢(shì).其中，永安在年際趨勢(shì)以及秋天和冬天的季節(jié)趨勢(shì)上呈增加趨勢(shì)；崇武在年際趨勢(shì)以及春天和夏天的季節(jié)趨勢(shì)上呈增加趨勢(shì).顯著性水平檢驗(yàn)結(jié)果顯示，龍巖、漳州和廈門的相對(duì)濕度在年際趨勢(shì)和夏天季節(jié)趨勢(shì)上變化顯著，其他地區(qū)均不顯著.

3.4氣溫的變化趨勢(shì)

圖5顯示，福建省各地區(qū)氣溫的年際和季節(jié)變化趨勢(shì)基本不顯著.在年際趨勢(shì)方面，只有3個(gè)地區(qū)呈升高趨勢(shì)；在季節(jié)趨勢(shì)方面，春天和冬天所有地區(qū)均呈降低趨勢(shì)，夏天和秋天大部分地區(qū)呈升高趨勢(shì).

圖4　2000—2013年相對(duì)濕度年際和季節(jié)變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量

圖5　2000—2013年氣溫年際和季節(jié)變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量

3.5氣象因子突變點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果

氣候突變泛指氣候從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的較迅速(跳躍性)轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象.2000—2013年氣象因子突變的檢測(cè)結(jié)果如表2所示.表2表明，福建省各地區(qū)氣象因子的突變點(diǎn)都能檢測(cè)出來.在氣溫的突變上，所有氣象站都是由降低轉(zhuǎn)為升高，突變年份全為2011年；在風(fēng)速的突變上，3個(gè)氣象站由減弱轉(zhuǎn)為增強(qiáng)；在降水量的突變上，一半氣象站由減少轉(zhuǎn)為增加；在相對(duì)濕度的突變上，6個(gè)氣象站由減少轉(zhuǎn)為增加.從P上看，所有P幾乎接近0，說明這些突變點(diǎn)在統(tǒng)計(jì)意義上是顯著的.

3.6氣象因子空間位置的分布趨勢(shì)

2000—2013年福建省各地區(qū)氣象因子年際時(shí)間序列趨勢(shì)空間位置分布如圖6所示.圖6顯示，氣象因子顯著變化主要集中在福建北部和南部地區(qū).降水量變化趨勢(shì)不顯著；東南部沿海地區(qū)年際風(fēng)速顯著減弱，西北部地區(qū)顯著增強(qiáng)；西南部地區(qū)的相對(duì)濕度基本呈下降趨勢(shì)；東部地區(qū)的氣溫顯著下降.

表2　2000—2013年氣象因子突變點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果1)Table 2　Transition points for 4 meteorological factors during 2000-2013

1)st為正值表示向上轉(zhuǎn)為向下趨勢(shì)，為異?，F(xiàn)象；反之表示向下轉(zhuǎn)為向上趨勢(shì)，為異?，F(xiàn)象.

圖6　2000—2013年氣象因子年際趨勢(shì)空間分布

2000—2013年福建省各地區(qū)氣象因子季節(jié)時(shí)間序列趨勢(shì)空間位置分布如圖7～10所示.北部地區(qū)四季風(fēng)速顯著增強(qiáng)，東部地區(qū)顯著減弱；全省降水量變化趨勢(shì)不顯著，除秋天呈上升趨勢(shì)外，其他季節(jié)呈下降趨勢(shì)；四季相對(duì)濕度基本呈降低趨勢(shì)，顯著降低集中在南部地區(qū)的夏天和秋天；夏天和秋天的氣溫呈微上升趨勢(shì)，冬天和春天呈微下降趨勢(shì).氣象因子顯著變化百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表3)在一定程度上反映各地區(qū)之間在時(shí)間尺度上氣象因子顯著變化個(gè)數(shù)差異.

4　結(jié)論與討論

本研究采用非參數(shù)Sen′s斜率估計(jì)法、Daniel趨勢(shì)檢驗(yàn)法和Pettitt突變檢驗(yàn)法對(duì)福建省2000—2013年10個(gè)氣象站4個(gè)氣象因子的年際和季節(jié)變化趨勢(shì)進(jìn)行分析，結(jié)果如下.

(1)在整個(gè)福建地區(qū)，風(fēng)速變化較為明顯.14年來東南部和西北部地區(qū)的風(fēng)速分別存在顯著的減弱和增強(qiáng)趨勢(shì).風(fēng)速發(fā)生顯著變化的時(shí)間主要集中在2007年以后，除福州地區(qū)的風(fēng)速有所增強(qiáng)外，其他各地市(龍巖、廈門、南平、漳州等)的平均風(fēng)速總體呈平穩(wěn)或顯著降低的趨勢(shì).研究表明，區(qū)域植被覆蓋度及森林郁閉度對(duì)風(fēng)速有顯著影響[7].福建省風(fēng)速的變化，尤其是2007年后的顯著變化，可以在一定程度上反映出各地區(qū)整體植被恢復(fù)較快.

圖7　2000—2013年風(fēng)速季節(jié)趨勢(shì)空間分布

圖8　2000—2013年降水量季節(jié)趨勢(shì)空間分布

圖10　2000—2013年氣溫季節(jié)趨勢(shì)空間分布

(2)研究顯示，2000—2014年，福建省的降水量在空間上呈較強(qiáng)的異質(zhì)性.南平和龍巖地區(qū)的降水量呈上升趨勢(shì)，其他地區(qū)呈下降趨勢(shì)，但無論是年際還是季節(jié)變化均沒有表現(xiàn)出顯著性.降水量是一個(gè)重要的氣象因子，某一地區(qū)的降水量通常受大區(qū)域的大氣環(huán)境甚至全球氣候變化的影響[8-10].雖然在過去十幾年間，福建省的自然環(huán)境得到了較大改善，但對(duì)區(qū)域降水量的影響并沒有表現(xiàn)出顯著性.

表3　氣象因子顯著變化百分比統(tǒng)計(jì)Table 3　Statistical percentage of 4 meteorological factors　%

(3)氣溫在冬、春兩季節(jié)呈微小下降趨勢(shì)，在夏天呈上升趨勢(shì)，表明2000—2013年的冬天越來越冷，夏天逐漸變熱，氣溫整體向兩個(gè)極端發(fā)展.同降水量一樣，氣溫主要受大區(qū)域大氣環(huán)境變化的影響，如受到太平洋年際波動(dòng)和厄爾尼諾等現(xiàn)象的影響，而地區(qū)本身生態(tài)環(huán)境變化對(duì)氣溫產(chǎn)生的影響通常很難達(dá)到顯著或突變程度.小氣候的變化被很多學(xué)者認(rèn)為是衡量區(qū)域植被或生態(tài)環(huán)境變化的有效指標(biāo)[11-14]，因此測(cè)定區(qū)域內(nèi)的林內(nèi)氣溫變化，并與對(duì)照樣地進(jìn)行對(duì)比和顯著性檢驗(yàn)是一個(gè)有效評(píng)價(jià)植被和生態(tài)恢復(fù)效果的方法.

(4)相對(duì)濕度在研究時(shí)間尺度上表現(xiàn)出了一定的空間異質(zhì)性.龍巖、漳州和廈門地區(qū)夏季的相對(duì)濕度呈下降趨勢(shì)，其他地區(qū)變化不顯著.同氣溫相似，氣象站監(jiān)測(cè)的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，沒有辦法準(zhǔn)確地分析出當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境變化產(chǎn)生的影響，而林內(nèi)相對(duì)濕度的變化，依然是評(píng)價(jià)生態(tài)恢復(fù)效果的指標(biāo).此外，Pettitt突變檢驗(yàn)結(jié)果顯示，福建省氣象因子趨勢(shì)突變主要集中在2007—2013年，這可認(rèn)為是全球氣候變化與區(qū)域生態(tài)環(huán)境變化共同作用的結(jié)果.

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(責(zé)任編輯:施曉棠)

Analysis on the changes of meteorological factors of Fujian Province during 2000-2013

ZHAO Jiayang1, WANG Wenhui2, GUO Futao2, LIN Fangfang1, LIANG Huiling1, LIN Yurui1

(1.College of Computer and Information Science; 2.College of Forestry, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou, Fujian 350002, China)

Understanding features and patterns of reginal climate change not only minimizes risks on local agricultural and forestry industry but also illuminates directions on ecological exploitation and constuction. To update climate change in Fujian Province, Sen′s slope estimation and Daniel and Mann-Kendall test were applied to analyze annual and seasonal data on wind speed, precipitation, relative humidity, and temperature during 2000-2013 from 10 weather stations across Fujian. Then Pettitt mutation test was used to detect spacial and temporal transition points for 4 meteorological indicators. Results showed that wind speed decreased significantly towards southeast Fujian and increased towards northwest. Relative humidity of southern area decreased significantly in summer and autumn. Mutation points for raising temperature concentrated in 2011. And temperature tended to be lower in winter and spring, and higher in summer but without significant variations, indicating relatively stable temperature across Fujian Province. Meanwhile, precipitation mantianed the same spacially and temporally.

Sen′s slope estimate; Daniel and Mann-Kendall statistical test; Pettitt mutation test; meteorological factors

2015-10-01

2015-11-25

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015J05049)；福建省教育廳科研專項(xiàng)資金項(xiàng)目(JK2014012)；保險(xiǎn)精算實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目(118310010)；基于信息技術(shù)的復(fù)合型創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目(117-612014047).

趙嘉陽(1991-)，男，碩士研究生.研究方向：統(tǒng)計(jì)信息技術(shù)與數(shù)據(jù)挖掘.Email：j_y_zhao@126.com.通訊作者林玉蕊(1963-)，女，教授，碩士生導(dǎo)師.研究方向：統(tǒng)計(jì)學(xué)、數(shù)值代數(shù).Email：yrlin@fafu.edu.cn.

P42

A

1671-5470(2016)05-0567-09

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2016.05.015