周靜

太原市近百年氣候變化特征分析

周靜

（山西省氣象科學(xué)研究所，山西 太原 030002）

通過(guò)1910—2010年太原逐日氣象資料，運(yùn)用小波分析和突變分析等方法對(duì)氣溫和降水的氣候變化特征進(jìn)行了分析，并對(duì)與平均風(fēng)速變化密切相關(guān)的氣溫和降水進(jìn)行了年際變化特征比較。結(jié)果表明，太原市年平均氣溫總體呈上升趨勢(shì)，冬季氣溫明顯升高趨勢(shì)的時(shí)間早于夏季，夏季氣溫升高趨勢(shì)的時(shí)間最晚；年平均氣溫存在顯著的2年和4年準(zhǔn)周期，夏、冬季氣溫存在顯著的2年和4年準(zhǔn)周期；年降水量呈下降趨勢(shì)，年降水量存在顯著的4年和8年準(zhǔn)周期，降水量存在顯著的2年準(zhǔn)周期，夏、冬季降水量存在4年和8年準(zhǔn)周期；20世紀(jì)40年代中期到50年代初期準(zhǔn)2年周期震蕩比較顯著。研究可以看出，20世紀(jì)太原市氣溫總趨勢(shì)在上升，而降水量在減少，干旱化趨勢(shì)比較明顯。

氣溫；降水；氣候變化；突變現(xiàn)象

近年來(lái)，全球增暖已成為共識(shí)，并且引來(lái)中國(guó)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-4]，探討全球增暖背景下各區(qū)域氣候變化的特征已日益成為氣候研究的熱點(diǎn)之一。氣候變化的表現(xiàn)之一就是在內(nèi)陸地區(qū)出現(xiàn)了顯著的暖干化趨勢(shì)。氣候暖干化的兩個(gè)重要指標(biāo)是氣溫和降水。中國(guó)北方地區(qū)氣溫在波動(dòng)中升高，有些地區(qū)的降水在波動(dòng)中減少，有些地區(qū)有微弱的增加。近年來(lái)災(zāi)害性天氣、氣候極端事件頻繁發(fā)生，氣候變化在其中起著非同一般的作用。要增強(qiáng)對(duì)氣象災(zāi)害的抗御能力，不僅要掌握天氣的變化，還要對(duì)當(dāng)前大的氣候背景有所認(rèn)識(shí)。2001年IPCC第三次最新評(píng)估報(bào)告顯示，從19世紀(jì)末到20世紀(jì)末，全球平均氣溫大約上升0.6～0.2 ℃，預(yù)計(jì)到2100年，全球平均氣溫還將上升1.0～3.5 ℃。在全球氣候變暖的大背景下，中國(guó)各地區(qū)對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)并不完全相同，在時(shí)間和空間的分布上極不均勻[5]。太原地區(qū)處于北半球中緯度地理位置和山西高原的地理環(huán)境，受西風(fēng)環(huán)流的控制及較高太陽(yáng)輻射的影響，其氣候干燥，降雨少，晝夜溫差比較大，表現(xiàn)出較強(qiáng)的大陸性氣候特點(diǎn)。冬天受西伯利亞冷空氣的控制，夏天受東南海洋濕熱氣團(tuán)影響。隨著季節(jié)的推移，兩大氣團(tuán)在太原上空交互進(jìn)退，此消彼長(zhǎng)，發(fā)生著規(guī)律性的周期更替，形成了冬季干冷漫長(zhǎng)、夏季濕熱多雨，升溫急劇、降溫迅速的氣候特點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

1.1 資料來(lái)源與處理

太原市自1910年開始有氣象資料，其中，1937-10—1938-12和1944-01—1947-12的資料缺測(cè)。對(duì)于缺測(cè)資料，擬根據(jù)北京、西安資料以及有關(guān)的一些研究成果，對(duì)缺測(cè)資料進(jìn)行插補(bǔ)，從而得到太原市近百年較完整的逐月平均氣溫、降水資料。季節(jié)劃分是3—5月為春季，6—8月為夏季，9—11月為秋季，12月—次年2月為冬季。

1.2 研究方法

Mann-Kendall方法是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是不用樣本遵循一定的分布規(guī)律，也不受少數(shù)異常值的干擾[6-7]。本文用此方法對(duì)時(shí)間序列進(jìn)行突變分析，評(píng)估不同時(shí)間尺度上的突變情況。小波分析這種方法在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部性質(zhì)，不僅能分析時(shí)間序列周期變化的局部特征，還能更清楚地反映各周期隨時(shí)間的變化規(guī)律[8-11]。小波系數(shù)模、小波系數(shù)實(shí)部是Morlet小波變換得到的最重要的變量。小波系數(shù)模的大小數(shù)值表示特征時(shí)間尺度信號(hào)的強(qiáng)弱，其模值越大，表明其所對(duì)應(yīng)的時(shí)段和尺度周期性越明顯。小波變換系數(shù)的實(shí)部可以用來(lái)判別氣候資料序列中所包含的不同時(shí)間尺度降水的結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)果分析

2.1 氣溫和降水時(shí)間變化特征

太原市年均氣溫和降水標(biāo)準(zhǔn)化距平序列如圖1所示。根據(jù)圖1可知，1910—2010年太原市年平均氣溫總體呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)10年代到30年代上升，30年代到70年代下降，70年代以后上升；年降水量呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代以前呈上升趨勢(shì)，70年代后期降水量偏少，呈下降趨勢(shì)。

太原市夏季和冬季溫度變化序列如圖2所示。由圖2可知，夏季平均氣溫呈降低趨勢(shì)，夏季氣溫在20世紀(jì)30年代初期到50年代初期、60年代初期到90年代初期氣溫偏低，20世紀(jì)10年代中期、50年代中期、21世紀(jì)初期以后氣溫偏高；冬季平均氣溫呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)20年代中期、50年代初期、90年代初期氣溫偏高，20年代初期、30年代中期、50年代中期、60年代末期和80年代中期氣溫偏低。年平均氣溫、夏季平均氣溫在20世紀(jì)90年代中期有明顯升高趨勢(shì)，冬季平均氣溫在20世紀(jì)70年代初期有明顯升高趨勢(shì)。

圖2 太原市夏季和冬季溫度變化序列

夏季和冬季降水的年際變化如圖3所示。由圖3可知，夏季降水量呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)30年代以前、90年代后期降水偏少，20世紀(jì)30年代初期到40年代中期、50年期中期到70年代初期降水偏多；冬季降水量呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)40年代以前、80年代初期到90年代初期降水偏多，20世紀(jì)50年代初到60年代末降水偏少。從以上分析得出，冬季降水量下降趨勢(shì)最為明顯，夏季降水量下降幅度最小。

2.2 氣溫和降水序列的突變檢驗(yàn)

太原市年溫度和降水序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)如圖4所示。由圖4可知，太原市年氣溫在20世紀(jì)20年代初期到30年代初期、80年代后期呈上升趨勢(shì)；年降水量在20世紀(jì)40年代初期、中期，60年代中期到70年代初、80年代初UF值超過(guò)顯著性水平0.05臨界線，表明年降水量在該時(shí)段內(nèi)上升趨勢(shì)顯著。在研究時(shí)段內(nèi)，UF和UB曲線有多個(gè)交點(diǎn)，不能確定是否存在突變現(xiàn)象。

太原市夏季和冬季溫度序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)如圖5所示。由圖5可知，夏季氣溫在20世紀(jì)10年代初期到30年代初期、90年代末期呈上升趨勢(shì)；冬季平均氣溫在20世紀(jì)10年代初期到中期、20年代初期到30年代初期、50年代末到60年代中期、70年代初期上升趨勢(shì)顯著，且在80年代末氣溫的上升是一突變現(xiàn)象。

太原市夏季和冬季降水序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)如圖6所示。由圖6可知，夏季降水量在20世紀(jì)30年代初期到末期、40年代初期到50年代中期、60年代中期到70年代中期以及80年代末期下降趨勢(shì)顯著，不能確定是否存在突變；冬季降水量在20世紀(jì)20年代初期到40年代初、70年代中期以后下降趨勢(shì)顯著，于20世紀(jì)40年代末降水存在突變現(xiàn)象。

2.3 氣溫和降水序列的周期特征

太原市氣溫和降水的Morlet小波功率譜如圖7所示。由圖7可知，年平均氣溫存在顯著的2年和4年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)30年代準(zhǔn)4年周期震蕩比較顯著，80年代初期準(zhǔn)2年周期震蕩比較顯著，2000年以后準(zhǔn)4年震蕩周期顯著；年降水量存在顯著的4年和8年準(zhǔn)周期，準(zhǔn)4年周期震蕩顯著，90年代中期到2000年準(zhǔn)4年變化周期震蕩比較顯著。

圖4 太原市年溫度和降水序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖5 太原市夏季和冬季溫度序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖6 太原市夏季和冬季降水序列的Mann-Kendall突變檢驗(yàn)

圖7 太原市氣溫和降水的Morlet小波功率譜

太原市夏季和冬季氣溫的Morlet小波功率譜如圖8所示。由圖8可知，夏季氣溫存在4年和8年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)20年代初到30年代末、90年代末到2000年初準(zhǔn)4年周期震蕩顯著；冬季氣溫存在2年、4年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)50年代初到50年代末準(zhǔn)2年周期震蕩比較顯著，20年代初到70年代到90年代初、2000年以后準(zhǔn)4年周期震蕩比較顯著。

太原市夏季和冬季降水的Morlet小波功率譜如圖9所示。由圖9可知，夏季降水量存在4年和8年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)30年代初到50年代初準(zhǔn)8年周期震蕩顯著，80初代初期到90年代初期準(zhǔn)4年周期震蕩顯著；冬季降水量存在4年、8年和16年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)20年代中期到40年代末準(zhǔn)8年周期震蕩比較顯著，80年代中期到到90年代末、2000年以后準(zhǔn)4年周期震蕩比較顯著。

圖8 太原市夏季和冬季氣溫的Morlet小波功率譜

3 結(jié)論

本文通過(guò)1910—2010年太原逐日氣象資料，運(yùn)用小波分析和突變分析等方法，對(duì)氣溫和降水的氣候變化特征進(jìn)行了分析，并對(duì)氣溫和降水進(jìn)行了年際變化特征比較，結(jié)果表明：①太原市年平均氣溫總體呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)10年代到30年代上升，30年代到70年代下降，70年代以后上升。年平均氣溫、夏季平均氣溫在20世紀(jì)90年代中期有明顯升高趨勢(shì)，冬季平均氣溫在20世紀(jì)70年代初期有升高趨勢(shì)。年降水量呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)70年代以前呈上升趨勢(shì)、70年代后期降水量偏少呈下降趨勢(shì)。太原市冬季降水量下降趨勢(shì)最為明顯，夏季降水量下降幅度最小。②年平均氣溫存在顯著的2年和4年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)80年代初期準(zhǔn)2年周期震蕩比較顯著，2000年以后準(zhǔn)4年震蕩周期顯著。夏季氣溫90年代末到2000年初準(zhǔn)4年周期震蕩顯著；冬季氣溫存在2年、4年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)50年代初到50年代末準(zhǔn)2年周期震蕩比較顯著，20年代初到70年代到90年代初、2000年以后準(zhǔn)4年周期震蕩比較顯著。③年降水量存在顯著的4年和8年準(zhǔn)周期。夏季降水量存在4年和8年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)80初代初期到90年代初期準(zhǔn)4年周期震蕩顯著；冬季降水量存在4年、8年和16年準(zhǔn)周期，20世紀(jì)20年代中期到40年代末準(zhǔn)8年周期震蕩比較顯著，20世紀(jì)60年代初到70年代中期準(zhǔn)8年周期震蕩比較顯著，20世紀(jì)80年代中期到到90年代末、2000年以后準(zhǔn)4年周期震蕩比較顯著。

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P468

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.15.011

2095－6835（2019）15－0032－04

〔編輯：王霞〕