黃思先 王保 陳正洪 翟紅楠

摘要：基于鄂州市1959-2018年逐日氣溫資料，應(yīng)用一元線性回歸、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)結(jié)合累積距平法、小波分析等方法對(duì)鄂州市近60年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，鄂州市近60年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫都呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，平均最低氣溫和極端最低氣溫的上升趨勢(shì)相對(duì)于平均最高氣溫和極端最高氣溫的上升趨勢(shì)更為明顯;年平均氣溫?zé)o明顯突變;年平均最高氣溫在2002年發(fā)生突變;年平均最低氣溫在1989年發(fā)生突變;年極端最高氣溫在2008年發(fā)生突變;年極端最低氣溫在1981年發(fā)生突變;年平均氣溫表現(xiàn)為準(zhǔn)18年、準(zhǔn)10年的年代際周期和準(zhǔn)4年尺度的年際周期;年平均最高氣溫表現(xiàn)為準(zhǔn)16年的年代際周期和準(zhǔn)4年尺度的年際周期;年平均最低氣溫表現(xiàn)為準(zhǔn)30年、準(zhǔn)18年和準(zhǔn)10年的年代際周期以及準(zhǔn)4年的年際周期;極端最高氣溫表現(xiàn)為準(zhǔn)12年的年代際周期和4-6年及2-4年的年際周期;極端最低氣溫表現(xiàn)為準(zhǔn)30年、準(zhǔn)16年和準(zhǔn)10年的年代際周期以及準(zhǔn)6年和準(zhǔn)4年的年際周期。

關(guān)鍵詞：鄂州市;波動(dòng)上升;突變;小波分析

中圖分類號(hào)：P467

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（ 2020）12-0033-07

DOI：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.007

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

全球氣候變暖問題已成為各國政府共同關(guān)注的問題，IPCC第五次評(píng)估報(bào)告[1]明確指出，1880-2012年，全球海陸表面平均溫度呈線性上升趨勢(shì)，升高了0.85℃，2003-2012年平均溫度比1850-1900年平均溫度上升了0.78℃。氣象工作者對(duì)氣溫變化特征進(jìn)行了許多研究[2-8]。于淑秋等[2]在研究氣溫的年代際變化中得出中國氣溫從1978年開始進(jìn)入了一個(gè)穩(wěn)定增溫的氣候階段;唐紅玉等[9]研究表明中國平均最高氣溫呈現(xiàn)北方增暖明顯、南方變化不明顯的特征，年平均最低氣溫全國各地基本一致，呈明顯的變暖趨勢(shì);黃濟(jì)琛等[10]得出近45年常德市年平均氣溫呈明顯升高趨勢(shì);劉永婷等[11]得出近55年安徽省氣候呈明顯的暖化趨勢(shì)，年均氣溫及春、秋、冬季氣溫均呈明顯上升趨勢(shì)，其中春季升溫幅度最顯著，年平均氣溫在20世紀(jì)90年代波動(dòng)幅度最大;丁斌等[12]研究得出長江流域近50年來年平均氣溫、年平均日最低氣溫、年平均日最高氣溫在20世紀(jì)50年代明顯偏高，60-80年代波動(dòng)下降，80年代中后期以后有所上升，90年代較80年代增溫0.3 -0.6℃;丁麗佳等[13]得出潮州市近53年來平均氣溫呈增加趨勢(shì)，冬季增溫最明顯。

湖北省鄂州市位于湖北省東部，長江中游南岸，武漢城市圈和長江中游城市群重要成員，鄂東水陸交通樞紐之一，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是氣象災(zāi)害易發(fā)地帶。本研究利用鄂州市1959-2018年60年氣溫資料，運(yùn)用氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)診斷方法，分析年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫、年極端最高氣溫和極端最低氣溫5個(gè)氣溫要素的氣候變化特征和發(fā)展規(guī)律。

1 資料與方法

1.1 資料

選用湖北省鄂州市氣象局地面氣象觀測(cè)站1959-2018年逐日氣溫資料，資料數(shù)據(jù)質(zhì)量經(jīng)過質(zhì)控檢驗(yàn)，按照各氣象要素定義分別計(jì)算得出逐年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫5個(gè)氣溫要素值。

1.2方法

應(yīng)用一元線性回歸分析法對(duì)5個(gè)氣溫要素值進(jìn)行氣候趨勢(shì)分析，應(yīng)用Mann-Kendall（ M-K）檢驗(yàn)法結(jié)合累積距平法對(duì)5個(gè)氣溫要素序列進(jìn)行突變檢驗(yàn)，應(yīng)用Morlet小波變換對(duì)5個(gè)氣溫要素進(jìn)行周期分析。

Mann-Kendall檢驗(yàn)法是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是樣本不需要遵從特定的分布，人為干擾比較少，不受個(gè)別異常值的干擾，可以檢驗(yàn)較寬的范圍，可以明確突變的區(qū)域，指出突變開始的時(shí)間。累積距平可以判斷長期顯著的演變趨勢(shì)及持續(xù)性變化，可以診斷出發(fā)生突變的大致時(shí)間，從曲線小的波動(dòng)變化可以考察其短期的距平值變化[14，15]。

Morlet小波分析在時(shí)域、頻域上具有局部辨識(shí)力，可診斷出氣溫序列變化的多層次特征，進(jìn)而得到周期變化在不同時(shí)間尺度上的詳細(xì)信息[16，17]。小波系數(shù)的實(shí)部、模是Morlet小波變換得到的最重要變量。實(shí)部包含所給定時(shí)間和尺度信號(hào)相對(duì)于其他時(shí)間和尺度信號(hào)的強(qiáng)度和位相兩方面的信息;模的大小表示特征時(shí)間尺度信號(hào)的強(qiáng)弱，模值越大，表明其所對(duì)應(yīng)的時(shí)段和尺度的周期性越明顯;正的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)于偏多期，負(fù)的小波系數(shù)對(duì)應(yīng)于偏少期18-。

2 氣溫變化特征分析

2.1 氣溫時(shí)間變化特征

2.1.1 平均氣溫及平均最高、最低氣溫 由圖l可知，近60年來鄂州市多年平均氣溫為17.4℃，年平均氣溫總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，以0.2140C/IO年的傾向率上升，趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)為0.482 9，上升趨勢(shì)較顯著，自2013年以來，維持偏暖。多年平均最高氣溫為21.6℃，年平均最高氣溫總體也呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，以0.2070C/IO年的傾向率上升，趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)為0.280 6，上升趨勢(shì)較顯著。多年平均最低氣溫為14.0℃，年平均最低氣溫總體上也呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，以0.2840C/10年的傾向率上升，趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)為0.633 8，上升趨勢(shì)顯著。

2.1.2 極端氣溫由圖2可知，近60年來鄂州市多年極端最高氣溫平均為38.3℃，極端最高氣溫為41.0℃，出現(xiàn)在2013年，年極端最高氣溫總體呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，以0.1650C/10年的傾向率上升，自2013年以來，超過40℃的極端高溫頻次明顯增加。多年極端最低氣溫平均為-4.4℃，極端最低氣溫為一12.4℃，出現(xiàn)在1969年，年極端最低氣溫總體也呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，以0.6420C/10年的傾向率上升，趨勢(shì)相關(guān)系數(shù)為0.242 9，上升趨勢(shì)較顯著，自20世紀(jì)90年代以來，低于一5℃的極端低溫頻次明顯減少。

2.2氣溫突變特征

采用M-K突變檢驗(yàn)法聯(lián)合累積距平法對(duì)鄂州市近60年氣溫進(jìn)行突變檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3a至圖3f、圖4a至圖4d所示。

2.2.1 平均氣溫及平均最高、最低氣溫 由圖3a可知，鄂州市年平均氣溫UF曲線在1988年以后大于0，表明年平均氣溫自20世紀(jì)80年代末以后有明顯上升趨勢(shì)，1997年以后UF曲線超過0.05趨勢(shì)線，表明20世紀(jì)末至今鄂州市年平均氣溫上升趨勢(shì)十分顯著;UF與UB交叉點(diǎn)位于1998年并處于臨界線以外，結(jié)合累積距平斜率（圖3d）在1998年無明顯變化，可判斷鄂州市年平均氣溫?zé)o明顯突變。由圖3b可知，年平均最高氣溫UF曲線在1998年以后大于0，表明年平均最高氣溫自20世紀(jì)末以后有明顯上升趨勢(shì)，2006年以后UF曲線超過0.05趨勢(shì)線，表明近十年鄂州市年平均最高氣溫上升趨勢(shì)十分顯著;UF與UB交叉點(diǎn)位于2001年并處于臨界線以內(nèi)，結(jié)合累積距平斜率（圖3e）在2001年處明顯增大，可判斷鄂州市年平均最高氣溫在2002年發(fā)生突變。由圖3c可知，年平均最低氣溫UF曲線在1979年以后大于0，表明年平均最低氣溫自20世紀(jì)70年代末以后有明顯上升趨勢(shì)，1987年以后UF曲線超過0.05趨勢(shì)線，表明20世紀(jì)80年代末至今鄂州市年平均最低氣溫上升趨勢(shì)十分顯著;UF與UB交叉點(diǎn)位于1989年并處于臨界線以外，結(jié)合累積距平斜率（圖3f）在1989年明顯增大，可判斷鄂州市年平均最低氣溫在1989年發(fā)生突變。

2.2.2 極端氣溫 由圖4a可知，鄂州市年極端最高氣溫UF曲線在2000年以后大于0，表明年極端最高氣溫自21世紀(jì)初以后有明顯上升趨勢(shì);UF與UB交叉點(diǎn)位于2008年和2013-2015年并處于臨界線以外，結(jié)合累積距平斜率（圖4c）在2008年處明顯增大、2013-2015年變化不明顯，可判斷鄂州市年極端最高氣溫在2008年發(fā)生突變。由圖4b可知，年極端最低氣溫UF曲線在1981年以后大于0，表明年極端最低氣溫自20世紀(jì)80年代初以后有明顯上升趨勢(shì)，1987年以后UF曲線超過0.05趨勢(shì)線，表明自20世紀(jì)80年代末至今鄂州市年極端最低氣溫上升趨勢(shì)十分顯著;UF與UB交叉點(diǎn)位于1981年并處于臨界線以內(nèi)，結(jié)合累積距平斜率（圖4d）在1981年明顯增大，可判斷鄂州市年極端最低氣溫在1981年發(fā)生突變。

2.3 氣溫周期變化特征

采用Morlet小波對(duì)鄂州市近60年氣溫進(jìn)行周期演變分析，繪制了小波變換系數(shù)實(shí)部和小波模，小波系數(shù)實(shí)部為正值時(shí)用實(shí)線繪出，為負(fù)值時(shí)用虛線繪出，通過小波分析可以看出氣溫隨著不同時(shí)間尺度冷暖交替變化（圖5a至圖5f、圖6a至圖6d）。

2.3.1 平均氣溫及平均最高、最低氣溫 由圖Sa可知，鄂州市年平均氣溫變化過程在整個(gè)時(shí)域上存在著準(zhǔn)30年和準(zhǔn)18年的年代際周期變化規(guī)律，準(zhǔn)10年的周期變化規(guī)律在1980年以后表現(xiàn)明顯，4-6年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1985年表現(xiàn)明顯，2-4年尺度的周期變化規(guī)律在1986年以后表現(xiàn)明顯。小波模（圖5d）在準(zhǔn)18年附近在整個(gè)時(shí)間域上都相對(duì)較大，在年代際周期準(zhǔn)10年處在2010年以后模值相對(duì)較大，在年際周期準(zhǔn)4年處在1975-1985年和1990-2000年模值相對(duì)較大。因此，鄂州市近60年年平均氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)18年尺度、準(zhǔn)10年尺度的年代際周期和準(zhǔn)4年尺度的年際周期。準(zhǔn)18年年代際周期變化規(guī)律在整個(gè)時(shí)間域上都明顯，已持續(xù)了3個(gè)冷一暖周期，準(zhǔn)10年年代際周期變化規(guī)律在2010年以后表現(xiàn)明顯，準(zhǔn)4年年際周期變化規(guī)律在1975-1985年和1990-2000年最明顯。

由圖5b可知，鄂州市年平均最高氣溫變化過程在1959-2000年存在準(zhǔn)16年的周期變化規(guī)律，準(zhǔn)19年的周期變化規(guī)律在2001年以后表現(xiàn)明顯，準(zhǔn)28年的周期變化規(guī)律在1990年以后表現(xiàn)明顯，8-10年尺度的周期變化規(guī)律在1980年以后表現(xiàn)明顯，4-6年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1977年表現(xiàn)明顯，2-4年尺度的周期變化規(guī)律在1970-2000年和2010-2018年表現(xiàn)明顯。小波模（圖5e）在年代際周期準(zhǔn)16年處在1959-1988年相對(duì)較大，年際周期準(zhǔn)4年處在1975-1985年模值相對(duì)較大，2-4年處在1993-2000年模值相對(duì)較大。因此，鄂州市近60年年平均最高氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)16年尺度的年代際周期和準(zhǔn)4年尺度的年際周期。準(zhǔn)16年年代際周期變化規(guī)律在1959-1988年最明顯，已持續(xù)了2個(gè)冷一暖周期，準(zhǔn)4年年際周期變化規(guī)律在1959-2000年以及2010-2018年最明顯。

由圖5c可知，鄂州市年平均最低氣溫變化過程在整個(gè)時(shí)間域上存在著準(zhǔn)30年和準(zhǔn)18年的年代際周期變化規(guī)律，準(zhǔn)10年尺度的周期變化規(guī)律在1980年以后表現(xiàn)明顯，準(zhǔn)4年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1993年表現(xiàn)明顯。小波模（圖5f）在年代際周期準(zhǔn)30年處在整個(gè)時(shí)間域上模值都相對(duì)較大，在準(zhǔn)18年處1985年之后模值相對(duì)較大，在年代際周期準(zhǔn)10年處1994年之后模值相對(duì)較大，在年際周期準(zhǔn)4年處在1959-1993年模值相對(duì)較大。因此，鄂州市近60年年平均最低氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)30年尺度、準(zhǔn)18年尺度和準(zhǔn)10年尺度的年代際周期以及準(zhǔn)4年的年際周期。準(zhǔn)30年年代際周期變化規(guī)律在整個(gè)時(shí)間域上都明顯，已持續(xù)了2個(gè)冷一暖周期，準(zhǔn)18年年代際周期變化規(guī)律在1985年之后明顯，準(zhǔn)10年年代際周期變化規(guī)律在1994年以后最明顯，準(zhǔn)4年年際周期變化規(guī)律在1959-1993年最明顯。

2.3.2極端氣溫由圖6a可知，鄂州市年極端最高氣溫變化過程存在準(zhǔn)18年年代際周期變化規(guī)律，其在1989年以后表現(xiàn)明顯，準(zhǔn)12年的年代際周期變化規(guī)律在1977-2012年表現(xiàn)明顯，4-6年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1999年表現(xiàn)明顯，2-4年尺度的周期變化規(guī)律在2000年以后表現(xiàn)明顯。小波模（圖6c）在年代際周期準(zhǔn)12年處在1975-2007年模值較大，在年際周期準(zhǔn)4-6年處在1963-2000年模值較大，在年際周期準(zhǔn)2-4年處在2001年以后模值較大。因此，鄂州市近60年年極端最高氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)12年尺度的年代際周期和4-6年尺度及2-4年尺度的年際周期變化規(guī)律。準(zhǔn)12年年代際周期變化規(guī)律在1975-2007年最明顯，4-6年年際周期變化規(guī)律在1963-2000年最明顯，2-4年年際周期變化規(guī)律在2001年以后最明顯。

由圖6b可知，鄂州市年極端最低氣溫變化過程在整個(gè)時(shí)間域上存在著準(zhǔn)30年的年代際周期變化規(guī)律，準(zhǔn)16年尺度的周期變化規(guī)律在1994年以后表現(xiàn)明顯，準(zhǔn)10年尺度的周期變化規(guī)律在1959-1993年表現(xiàn)明顯，準(zhǔn)6年尺度的周期變化規(guī)律在1979年以后表現(xiàn)明顯，準(zhǔn)4年尺度的周期變化規(guī)律在1968-1981年和2003年以后表現(xiàn)明顯。小波模（圖6d）在年代際周期準(zhǔn)30年處在整個(gè)時(shí)間域上模值相對(duì)較大，在年代際周期準(zhǔn)16年處2002年以后模值較大，在年代際周期準(zhǔn)10年處1960-1993年模值相對(duì)較大，在年際周期準(zhǔn)6年處在1980-1998年模值相對(duì)較大，在年際周期準(zhǔn)4年處在1966-1982年模值相對(duì)較大。因此，鄂州市近60年年極端最低氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)30年尺度、準(zhǔn)16年尺度和準(zhǔn)10年尺度的年代際周期以及準(zhǔn)6年尺度和準(zhǔn)4年尺度的年際周期。準(zhǔn)30年年代際周期變化規(guī)律在整個(gè)時(shí)間域上都明顯，并已持續(xù)了2個(gè)冷一暖周期，準(zhǔn)16年年代際周期變化規(guī)律在2002年以后最明顯，準(zhǔn)10年年代際周期變化規(guī)律在1960-1993年最明顯，準(zhǔn)6年年際周期變化規(guī)律在1980-1998年以后最明顯，準(zhǔn)4年年際周期變化規(guī)律在1966-1982年最明顯。

3 小結(jié)

通過對(duì)鄂州市近60年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫變化特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出如下結(jié)論。

1）鄂州市近60年平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫都呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，上升傾向率分別為0.214、0.207、0.284、0.165和0.642℃/IO年，平均最低氣溫和極端最低氣溫的上升趨勢(shì)相對(duì)于平均最高氣溫和極端最高氣溫的上升趨勢(shì)更明顯。

2）近60年以來，鄂州市年平均氣溫自20世紀(jì)80年代末以后有明顯上升趨勢(shì)，20世紀(jì)末至今上升趨勢(shì)十分顯著，但無明顯突變;年平均最高氣溫自20世紀(jì)末以后有明顯上升趨勢(shì)，近十年上升趨勢(shì)十分顯著，在2002年發(fā)生突變;年平均最低氣溫自20世紀(jì)70年代末以后有明顯上升趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代末至今上升趨勢(shì)十分顯著，在1989年發(fā)生突變;年極端最高氣溫自21世紀(jì)初以后有明顯上升趨勢(shì)，在2008年發(fā)生突變;年極端最低氣溫自20世紀(jì)80年代初以后有明顯上升趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代末至今上升趨勢(shì)十分顯著，在1981年發(fā)生突變。

3）鄂州市近60年年平均氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)18年尺度、準(zhǔn)10年尺度的年代際周期和準(zhǔn)4年尺度的年際周期;年平均最高氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)16年尺度的年代際周期和準(zhǔn)4年尺度的年際周期;年平均最低氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)30年尺度、準(zhǔn)18年尺度和準(zhǔn)10年尺度的年代際周期以及準(zhǔn)4年的年際周期;極端最高氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)12年尺度的年代際周期和4-6年尺度及2-4年尺度的年際周期;極端最低氣溫主要表現(xiàn)為準(zhǔn)30年尺度、準(zhǔn)16年尺度和準(zhǔn)10年尺度的年代際周期以及準(zhǔn)6年尺度和準(zhǔn)4年尺度的年際周期。

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基金項(xiàng)目：湖北省氣象局科技發(fā)展基金項(xiàng)目（2019JIO）

作者簡(jiǎn)介：黃思先（1987-），男，湖北黃岡人，工程師，主要從事氣候預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)及研究工作，（電話）15926018229（電子信箱）642126802@qq.com;通信作者，王保（1989-），女，湖北黃岡人，工程師，主要從事天氣預(yù)報(bào)工作，（電子信箱）1011897778@qq.com。