張新宜周曉宇劉熠炎

（1．中國(guó)氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100081； 2．湖北省黃石市氣象局，黃石，435002；3．沈陽(yáng)區(qū)域氣候中心，沈陽(yáng)，110016）

1 引言

第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告指出，1951－2009年，中國(guó)陸地表面平均氣溫上升1．38℃，變暖速率為 0．23℃ ／10a，與全球變暖趨勢(shì)一致［1］。 近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)我國(guó)氣溫變化特征進(jìn)行了研究和分析，盧雪勤等［2］根據(jù)廣西百色站1951－2010年的氣溫資料，利用一元回歸、Morlet小波分析等方法分析了百色氣溫氣候變化規(guī)律。郝立生等［3］利用河北省60個(gè)氣象觀測(cè)站資料，對(duì)全省近50年極值氣溫變化特征進(jìn)行了分析。賁維芬［4］利用龍勝站1961－2010年的氣溫、降水和日照資料，通過(guò)線性回歸、多項(xiàng)式回歸、滑動(dòng)平局和距平的方法，分析了龍勝縣近50a來(lái)的氣候變化特征。任廣成等［5］利用1951－2007年中國(guó)大陸160站和臺(tái)灣地區(qū)3個(gè)代表站盛夏（7－8月）溫度資料、北半球500hPa高度及北太平海溫資料，通過(guò)合成分析、對(duì)比分析和相關(guān)分析等方法，研究了臺(tái)灣地區(qū)及其與華南大陸地區(qū)盛夏氣溫的一致性，華南地區(qū)盛夏氣溫異常的年代際變化特征及其與北半球500hPa高度場(chǎng)、北太平洋海溫場(chǎng)的關(guān)系。劉正洪等［6］利用啟東市1956－2010年逐日溫度觀測(cè)資料，分析了啟東地區(qū)平均氣溫、極端氣溫、冷積溫和熱積溫的變化趨勢(shì)和特征。利賽明和陳靜林［7］根據(jù)珠海站1962－2010年逐日地面氣溫觀測(cè)數(shù)據(jù)與1979－2010年NCEP／NCAR R1再分析資料，分析了珠海市平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫的年和四季變化特征，探討城市化對(duì)珠海氣溫變化的影響。史軍等［8］基于華東氣象站點(diǎn)1960－2005年逐日最高地面氣溫和同期西太平洋副高環(huán)流指數(shù)、赤道太平洋海溫和登陸華東及我國(guó)的臺(tái)風(fēng)個(gè)數(shù)，分析了華東極端高溫日數(shù)和高溫日平均最高氣溫的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征及高溫成因。凌穎和黃海洪［9］對(duì)城郊地面站常規(guī)觀測(cè)及地面自動(dòng)觀測(cè)氣溫資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)城市熱島效應(yīng)特征進(jìn)行了研究。鄭祚芳等［10］應(yīng)用1951－2000年的逐月平均氣溫和降水量資料，分析了湖北省5個(gè)代表站的年、季、月氣溫降水的變化情況，結(jié)果表明，近50年湖北省各地氣候變化的地域性、季節(jié)性差異較大。上述學(xué)者的研究表明，由于受到氣候類型、地形和城市化進(jìn)程等多種因素的影響，氣溫的變化特征在空間上存在著較大的差異性，鑒于此，本文通過(guò)對(duì)黃石市近60年的年平均氣溫、年平均最高／最低氣溫、極端最高／最低氣溫、最大日較差和界限氣溫日數(shù)進(jìn)行分析，揭示黃石市近60年的氣溫極值變化特征，為其他學(xué)者的研究提供參考。

2 資料和方法

2．1 資料來(lái)源與選取

資料來(lái)源于黃石市氣象臺(tái)1954年1月1日至2013年12月31日共60年的地面觀測(cè)資料，選取逐日的平均氣溫、最高和最低氣溫做為研究對(duì)象。

2．2 研究方法

2．2．1 氣候趨勢(shì)分析方法

趨勢(shì)分析方法是對(duì)氣象要素進(jìn)行氣候變化趨勢(shì)分析常用的方法之一［11］，用如下公式表示：y（t）＝at＋b，（t＝1，2，3，……，n），其中 t為時(shí)間，其中 y（t）為氣象要素，b為回歸常數(shù)，a為回歸系數(shù)，表示氣象要素y（t）的趨勢(shì)傾向，正為增加，負(fù)為減少，通常采用a＊10 來(lái)表示 y（t）的變化速率，單位為：／10 年。

2．2．2 Mann－Kendall突變檢驗(yàn)方法

Mann－Kendall方法［12］是世界氣象組織（WMO）推薦的應(yīng)用于氣象要素時(shí)間序列趨勢(shì)分析的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，常用來(lái)對(duì)氣象要素進(jìn)行突變檢驗(yàn)，其優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要遵從一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾，計(jì)算也比較便捷。該方法的原理是，定義統(tǒng)計(jì)量UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給出顯著性水平α，通過(guò)查表得到UF的概率分布β，若β＞α，則表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化，將UF序列反向得到UB，將UB和UF繪成曲線，若UB或UF的值大于0，則表明序列呈上升趨勢(shì)，小于0則表明呈下降趨勢(shì)，當(dāng)它們超過(guò)臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢(shì)顯著，超過(guò)臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。進(jìn)行突變性檢驗(yàn)，需要對(duì)樣本序列X構(gòu)造一秩序列：

當(dāng) xi＜xj時(shí)，aji＝1，當(dāng) xi≥xj時(shí)，aji＝0，其中 1≤i≤j，定義統(tǒng)計(jì)變量：

按此方法對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行處理，對(duì)結(jié)果進(jìn)行繪圖，若UB和UF兩條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)且交點(diǎn)在臨界線之間，則交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間便是突變開始的時(shí)間。若交叉點(diǎn)位于信度線之外，則不確定是否為突變點(diǎn)。

2．2．3 小波分析

及其相應(yīng)的函數(shù)運(yùn)算和內(nèi)積所組成的集合，則小波就是函數(shù)空間L2（R）中滿足下述條件的一個(gè)函數(shù)或者信號(hào) Ψ（x）：

3 結(jié)果分析

3．1 平均氣溫變化特征

從對(duì)圖 1（a）的分析可知，1954－2013 黃石市年平均氣溫呈顯著上升的趨勢(shì)，通過(guò)了99．9%的信度檢驗(yàn)，上升趨勢(shì)顯著，增溫速率為 0．19℃ ／10a，高于全球近 50a增溫速率 0．13℃／10a，低于中國(guó)近 54年增溫 速率 0．25℃ ／10a［14］。 年平 均 氣 溫 平 均 值 為17．3℃，最高值為 18．5℃（2013 年），偏高 6．9%，最低值為 16．4 度（1956 年），偏低 5．2%，標(biāo)準(zhǔn)差 STDEV為 0．53。

年平均氣溫年代際距平分析的結(jié)果表明 （圖1b），1954－1993a的四個(gè)年代際均為負(fù)距平，分別為－0．27、－0．35、－0．24 和－0．25，1994－2013a 兩個(gè)年代際為正距平，均為0．5。說(shuō)明1994－2013a平均氣溫的顯著升高（已通過(guò)99%的信度檢驗(yàn)）是造成近60年平均氣溫顯著升高的主要原因。

基于 M－K突變檢驗(yàn)的結(jié)果表明 （圖 1c），1954—1957年UF＜0，平均氣溫呈下降的趨勢(shì)，但不顯著，從1958a開始至2013a UF＞0，平均氣溫呈上升的趨勢(shì)，其中 1963－1966、1997－2013a UF＞1．96，上升趨勢(shì)顯著，UF月UB的交點(diǎn)位于置信區(qū)間內(nèi)，發(fā)生突變的時(shí)間為1989年，這與任國(guó)玉等［15］提出的中國(guó)從20世紀(jì)80年代中后期平均增溫速率呈加大趨勢(shì)的研究成果是一致的。

采用標(biāo)準(zhǔn)Morlet小波變換，對(duì)1954—2013a黃石市年平均氣溫的周期性特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn) （圖1d），近60a黃石市年平均氣溫值有3a和18a的變化信號(hào)存在，3a的變化信號(hào)一直存在，18a的變化信號(hào)在60－80年代最強(qiáng)。

3．2 平均最高氣溫、平均最低氣溫變化特征

從對(duì)圖 2（a）和 2（b）的分析可知，1954－2013 黃石市年平均最高氣溫和年平均最低氣溫均波動(dòng)呈上升的趨勢(shì)， 增溫速率分別為 0．17℃ ／10a 和 0．23℃ ／10a，其中年平均最低氣溫通過(guò)了99．9%的信度檢驗(yàn)，上升趨勢(shì)顯著。年平均最高氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差STDEV 為 0．6， 平均值為 21．6℃， 最高值為 23．4℃（2013 年），偏高 8．3%，最低值為 20．5℃（1984 年），偏低5．1%；年平均最低氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差STDEV為0．56，平均值為 13．9℃，最高值為 15．1℃（2002 年），偏高 8．6%，最低值為 12．4℃（1956 年），偏低 10．8%。

年代際距平分析的結(jié)果表明 （圖2c和圖2d），年平均最高氣溫和年平均最低氣溫在1954－1993年的四個(gè)年代際均為負(fù)距平，在1994－2013年的兩個(gè)年代際均為正距平，呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。說(shuō)明1994－2013這20年平均最高氣溫和平均最低氣溫的升高導(dǎo)致平均氣溫的顯著升高，其中平均最低氣溫的顯著升高對(duì)其貢獻(xiàn)最大。

圖 1 1954－2013a 黃石市年平均氣溫時(shí)間序列（a）、年代際距平（b）、M－K 突變檢驗(yàn)（c）和小波分析（d）

基于M－K突變檢驗(yàn)的結(jié)果表明 （圖2e和圖2f），對(duì)于年平均最高氣溫，1972－1996 年 UF＜0，呈下降的趨勢(shì)但不顯著，1954－1971a、1997－2013a UF＞0，年平均最高氣溫呈上升趨勢(shì)，其中2004－2013a UF＞1．96，上升趨勢(shì)顯著；對(duì)于年平均最低氣溫，1956－1957a UF＜0， 呈下降的趨勢(shì)但不顯著，從1958年開始至2013a UF＞0，年平均最低氣溫呈上升的趨勢(shì)，其中 1965－1967、1978－2013a UF＞1．96，上升趨勢(shì)顯著。

采用標(biāo)準(zhǔn)Morlet小波變換，對(duì)1954—2013a黃石市年平均最高氣溫和年平均最低氣溫的周期性特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn) （圖2g和圖2h），3a的變化信號(hào)一直存在，18a的變化信號(hào)在60－80年代最強(qiáng)。

3．3 極端最高氣溫、極端最低氣溫變化特征

極端最高氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差STDEV為1．0，平均值為 38．2℃，最高值為 40．7℃（2013 年），偏高 6．5%，最低值為 36．0℃（1997 年），偏低 5．8%，年極端最高氣溫大于等于40℃的年份有5年，大于等于37℃小于40℃的年份有52年，小于37℃的有3年，說(shuō)明極端最高氣溫介于37℃和40℃的年份所占比例最大，達(dá)到86．7%；年極端最低氣溫均在0℃以下，平均值為－4．9℃，最高值為－1．2℃（1982 年），偏高 75．5%，最低值為－11．0℃（1969 年）， 偏低 124．5%， 其標(biāo)準(zhǔn)差STDEV為2．3，說(shuō)明年極端最低氣溫?cái)?shù)值分布較分散，數(shù)據(jù)波動(dòng)幅度大。

年代際距平分析的結(jié)果表明 （圖3c和圖3d），對(duì)于年極端最高氣溫，1954－1963 年、1974－2003 年共四個(gè)年代際均為負(fù)距平， 分別為－0．07、－0．08、－0．20 和－0．14，1964－1973 年和 2004－2013 年為正距平，分別為 0．16、0．41。2004－2013 年的距平絕對(duì)值明顯大于其他年代際且為正距平，說(shuō)明近60年極端氣溫呈升高趨勢(shì)主要是由于2004－2013年極端最高氣溫的顯著升高（已通過(guò)99%的信度檢驗(yàn)）造成的；對(duì)于年極端最低氣溫，1954－1973a的兩個(gè)年代際均為負(fù)距平， 分別為－2．02 和－1．16，1974－2013a 的四個(gè)年代際均為正距平，分別為 0．02、0．93、1．81 和 0．48。2004－2013a的距平絕對(duì)值明顯大于其他年代際且為正距平，說(shuō)明1984－2013a極端最低氣溫的升高是造成近60a極端最低氣溫顯著升高的主要原因。

圖 2 1954－2013a 黃石市年平均最高（a）最低（b）氣溫時(shí)間序列、最高（c）最低（d）氣溫年代際距平、最高（e）最低（f）氣溫 M－K 突變檢驗(yàn)、最高（g）最低（h）氣溫小波分析

采用標(biāo)準(zhǔn)Morlet小波變換，對(duì)1954—2013a黃石市年極端最高氣溫和極端最低氣溫的周期性特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)（圖3e和圖3f），年極端最高氣溫值有3a和12a的變化信號(hào)存在，年極端最低氣溫值有3a的變化信號(hào)始終存在，60年代初到80年代初有18a的變化信號(hào)存在。

圖 3 1954－2013年黃石市極端最高（a）最低（b）氣溫時(shí)間序列、極端最高（c）最低（d）氣溫年代際距平、極端最高（e）最低（f）氣溫小波分析

3．4 最大日較差年際變化

從對(duì)圖 4（a）的分析可知，1954－2013 年黃石市年最大日較差呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，但不顯著，下降速率為 0．16℃ ／10a，年最大日較差平均值為 16．7℃，最高 值 為 21．8℃（1964 年 ）， 最 低 值 為 14．5℃（1995年），標(biāo)準(zhǔn)差 STDEV 為 1．6。

最大日較差年代際距平分析的結(jié)果表明 （圖4b），1974－2003年的三個(gè)年代際均為負(fù)距平，分別為－0．44、－0．85 和－0．73，1954－1973 年和 2004－2013年三個(gè)年代際均為正距平， 分別為 1．08、0．42、0．62。采用標(biāo)準(zhǔn)Morlet小波變換，對(duì)1954－2013年黃石市年最大日較差的周期性特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)（圖4c），近60年黃石市年最大日較差有3a和9a的變化信號(hào)始終存在。結(jié)合前面的分析可知，平均最低氣溫的上升速度明顯大于平均最高氣溫的上升速度。極端最低氣溫的上升速度明顯大于極端最高氣溫的上升速度，這造成了氣溫日較差的不斷減小。

3．5 界限氣溫日數(shù)年際變化

3．1－3．4 分析了年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫以及極端最高氣溫和極端最低氣溫的變化規(guī)律和特征，但是這些變化到底是哪個(gè)氣溫區(qū)間發(fā)生變化而引起的？氣溫的變化存在什么樣的內(nèi)在特征？為了解決上述問(wèn)題，則需要對(duì)界限氣溫日數(shù)的年際變化進(jìn)行研究。年界限氣溫日數(shù)是指在一年中最高或最低氣溫 t出現(xiàn)在 t＜0℃、0≤t＜10℃、10≤t＜20℃、20≤t＜30℃、t≥30℃區(qū)域內(nèi)的日數(shù)，當(dāng)氣溫超過(guò)37℃時(shí)，就超過(guò)了人體的正常體溫，對(duì)人民的生產(chǎn)和生活產(chǎn)生重大的影響，而且氣溫達(dá)到了37℃也是發(fā)布高溫橙色預(yù)警信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，故對(duì)t≥30℃的高溫日數(shù)分為30≤t＜37℃和t≥37℃兩段來(lái)研究。

圖4 1954－2013年黃石市年最大日較差時(shí)間序列（a）、年代際距平（b）和小波分析（c）

通過(guò)對(duì)圖5的綜合分析可知，1954－2013年，最低氣溫T＜0℃的天數(shù)最多為47天（1956年），最少為6天（1990年和2007年），年際差異較大，最高氣溫T＜0℃的天數(shù)最多為10天 （1955年），最少為0天（多年）；最低氣溫30℃≤T的天數(shù)最多為7天（2003年），最少為0天（多年），最高氣溫37℃≤T的天數(shù)最多為 26 天（2013 年），最少為 0 天（1960、1996和1997年），年際差異較大。

結(jié)合表1綜合分析可知，對(duì)于T（最高氣溫），T＜20℃的日數(shù)呈減少的趨勢(shì)，T≥20℃的日數(shù)呈增加的趨勢(shì)，其中T＜0℃和10≤T＜20℃的日數(shù)呈顯著減少的趨勢(shì)，20≤T＜30℃和37℃≤T的日數(shù)呈顯著增加的趨勢(shì)；對(duì)于T（最低氣溫），T＜10℃的日數(shù)呈減少的趨勢(shì)，T≥10℃的日數(shù)呈增加的趨勢(shì)，其中T＜0℃的日數(shù)呈顯著減少的趨勢(shì)，20℃≤T的日數(shù)呈顯著增加的趨勢(shì)。

從以上的分析可知，近60年黃石市氣溫（年平均氣溫、年最高＼最低氣溫、極端最高＼最低氣溫）的顯著升高，與最高氣溫出現(xiàn)在20℃以上的天數(shù)增加和出現(xiàn)在20℃以下的天數(shù)減少有關(guān)，與最低氣溫出現(xiàn)在10℃以上的天數(shù)增加和出現(xiàn)在10℃以下的天數(shù)減少有關(guān)，其中T＜0℃的高溫日數(shù)和低溫日數(shù)的顯著減少以及20≤T＜30℃的低溫日數(shù)的顯著增加貢獻(xiàn)最大。

4 結(jié)論與討論

在全球氣候變暖的背景下，近60年黃石市的氣溫極值也發(fā)生了顯著的變化，本文采用趨勢(shì)分析、相關(guān)分析、M－K突變檢驗(yàn)和小波分析等方法，對(duì)黃石市近60年氣溫極值變化特征進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：

圖5 最高氣溫、最低氣溫在不同界限溫度日數(shù)的分布特征

?

（1）1954－2013黃石市年平均氣溫、平均最高氣溫和平均最低氣溫呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，其中年平均氣溫和平均最低氣溫上升趨勢(shì)顯著，對(duì)于近60年黃石市年平均氣溫的升高，年平均最低氣溫的貢獻(xiàn)是主要的；三者均有3a的變化信號(hào)存在，其中年平均最高氣溫和年平均最低氣溫在60－80年代有18a的變化信號(hào)存在。

（2）近60年黃石市極端最高氣溫和極端最低氣溫均呈波動(dòng)上升的趨勢(shì)，其中極端最低氣溫上升趨勢(shì)顯著，其數(shù)據(jù)分布較分散，波動(dòng)幅度大，其中1984－2013年極端最低氣溫的升高是造成近60年極端最低氣溫顯著升高的主要原因；年極端最高氣溫和年極端最低氣溫均有3a的變化信號(hào)存在，此外年極端最高氣溫還有12a的變化信號(hào)存在，年極端最低氣溫在60年代初到80年代初有18a的變化信號(hào)存在。

（3）近60年黃石市年最大日較差呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，但不顯著，平均最低氣溫的上升速度明顯大于平均最高氣溫的上升速度，極端最低氣溫的上升速度明顯大于極端最高氣溫的上升速度，這造成了氣溫日較差的不斷減小。

（4）近60年黃石市氣溫（年平均氣溫、年最高＼最低氣溫、極端最高＼最低氣溫）的顯著升高，與最高氣溫出現(xiàn)在20℃以上的天數(shù)增加和出現(xiàn)在20℃以下的天數(shù)減少有關(guān)，與最低氣溫出現(xiàn)在10℃以上的天數(shù)增加和出現(xiàn)在10℃以下的天數(shù)減少有關(guān)，其中T＜0℃的高溫日數(shù)和低溫日數(shù)的顯著減少以及20≤T＜30℃的低溫日數(shù)的顯著增加貢獻(xiàn)最大。

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