泰安市近58年氣候變化特征分析

李 瑞，郭 渠，高慧君，周春珍

(1.濟南市氣象局，濟南 250002;2.重慶市氣候中心，重慶 401147;3.山東省氣象臺，濟南 250002)

1 引言

全球氣候變暖已成為當今氣象學家和廣大民眾普遍關注的熱門話題。IPCC第4次評估報告指出，自1861年以來，全球表面溫度不斷上升，近100年來的上升幅度為(0.74±0.18℃)［1］。在全球氣候變暖的大背景下，我國各地區對全球氣候變暖的響應并不完全相同，在時間和空間的分布上是極不均勻的［2］。泰安市位于山東省中部，處于我國典型的溫帶大陸性半濕潤季風區，其氣候變化特征在半濕潤季風區城市氣候資源的研究中具有代表性。然而，目前關于泰安市氣候變化特征的文章還很少見到，因此有必要在全球氣候變暖的大背景下詳細分析泰安市的氣候變化特征，這為本地區氣候變化的診斷和預測以及合理利用氣候資源提供理論依據。

2 資料和方法

2.1 資料

選取國家氣候中心整編的泰安市1951～2008年逐日氣溫和降水資料，計算出春(3～5月)、夏(6～8月)、秋(9～11月)、冬(12月～次年2月)及年平均氣溫和降水量。

2.2 方法

2.2.1 傾向分析方法 采用線性擬合方法進行傾向分析。把氣候要素寫成時間t的線性函數y=at+b，a、b為經驗常數。通過實際資料，利用最小二乘法計算出a和b，其中a為線性函數的斜率，也就是氣候要素的線性趨勢。a為正(負)表示增加(減少)趨勢，0表示無變化趨勢。

2.2.2 突變分析方法 利用Mann-Kendall法進行突變點檢驗。對于具有n個樣本量的時間序列x，構造一秩序列

ri表示第i個樣本xi大于xj(1≤j≤i)的累計值。

在時間序列隨機獨立的假設下，定義統計量

給定顯著性水平α=0.05，即U0.05=(1.96，當(UFk(＞Uα時，表明序列存在明顯的上升或下降趨勢。將所有UFk組成一條曲線UF。把同樣的方法引用到反序列中，得到另一條曲線UB。將統計量曲線UF、UB和(1.96兩條直線均繪在一張圖上，如果UF大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著。超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。如果UF和UB兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

2.2.3 周期分析方法 利用小波分析進行周期分析。目前關于小波分析的文獻有很多［3-9］，這里只將本文中用到的Morlet小波及有關計算公式作一說明。

Morlet小波的形式為:

當c取較大值時，(5)式中第2項遠小于第1項，省略第2項。本文取c=2π，其子小波為:

對于時間序列f(t)［f(t)∈L2(R)］的小波變換為:

Wf(a，b)能同時反映時域參數b和頻域參數a的特征，它是時間序列f(t)通過單位脈沖響應濾波器的輸出。a為尺度收縮因子，反映小波的周期長度，b為平移因子，反映相對于t的時間平移，在實際計算中相當于時間坐標。當分析檢測高頻分量時，時間窗口自動變窄，頻率窗口高度增加;分析檢測低頻特性時，時間窗口自動變寬，頻率窗口高度減小，從而達到時頻窗口的和諧變化。

3 氣候變化趨勢

3.1 氣溫變化趨勢

從泰安市近58年各季及年平均氣溫變化曲線(圖1，各季圖略)及傾向率(表1)可見:年及各季平均氣溫均呈上升趨勢。四季中，冬季氣溫升高最顯著(傾向率為每10年上升0.366℃)，小于中國近50年來冬季0.39℃/10 a的增溫率［11］;其次是春季(傾向率為0.303℃/10 a)和秋季(傾向率為0.100℃/10 a);夏季氣溫上升最不明顯(傾向率為0.007℃/10 a)，遠遠小于中國近50年來夏季0.15℃/10 a的變化速率［11］。年平均氣溫變化傾向率為0.196℃/10 a，小于近50年來中國年平均氣溫變化傾向率(0.25℃/10 a)［11］。說明近58年泰安市冬、春季特別是冬季氣溫的顯著上升對年平均氣溫上升所做的貢獻最大。這與任國玉等［10］研究的全國氣溫變化規律基本一致。

氣候變化既包括自然變化過程，也有人類活動的影響。一地氣溫變化的影響因素既包括大氣環流、太陽輻射、降水及日照條件，也包括局地地形以及城市化效應引起的熱島環流等。在全球變暖的氣候背景下，環流異常和人類活動的影響是氣溫變化的主要原因。眾所周知，經濟活動增加使城市的能源使用增加，加暖了城市大氣而形成城市熱島效應。改革開放以來，泰安市經濟發展迅速，城市人口增加，至2008年末城鎮常住人口已達258.2萬人，人類活動對氣候變化的影響日益增加。泰安市氣溫顯著增暖，可能是在全球變暖的氣候背景下，大氣環流因響應而出現的變異與調整，從而導致區域氣候的變化;也可能與泰安市所處的發展階段、經濟類型和發展速度以及人口的相對集中度等許多因素有關?？傊?，氣候變化是氣候系統內部和外部眾多因子相互影響、相互作用的復雜過程，泰安市氣溫的變化機理今后需進一步進行深入的研究。

圖1 泰安市年平均氣溫變化趨勢圖Fig.1 Annual mean temperature trend in Taian City

表1 泰安市各季及年平均氣溫、降水量變化傾向率Table 1 Trend slope of seasonal and yearly temperature or precipitation in Taian City

3.2 降水變化趨勢

由泰安市近58年各季及年降水量變化曲線(圖2，各季圖略)及傾向率(表1)可以看出:泰安市年降水量呈減少趨勢。四季中，春季降水量呈增加趨勢(傾向率為4.371 mm/10 a);夏季和秋季呈減少趨勢，其中夏季減少較快(傾向率為-4.726 mm/10 a);冬季呈微弱增加趨勢。說明近58年泰安市年降水量減少是由于夏、秋季特別是夏季降水減少所致。這與王紹武等［12］分析的華北地區降水量變化趨勢基本一致。

圖2 泰安市年降水變化趨勢圖Fig.2 Annual precipitation trend in Taian City

4 年平均氣溫及降水量的突變檢驗

對泰安市近58年年平均氣溫及降水量序列做突變檢驗，結果如圖3所示。可見，在0.05的顯著性水平下，泰安市年平均氣溫從50年代末開始持續上升，1993年發生突變，1998年開始顯著上升。泰安市年降水量從50年代中期至60年代中期呈增加趨勢，60年代末期至今呈減少趨勢，但其變化趨勢不顯著，沒有明顯的突變點。

圖3 泰安市年平均氣溫(a)及降水量(b)Mann-Kendall突變檢驗曲線(實線為UF，虛線為UB)Fig.3 Mann-Kendall test curve of Annual mean temperature(a)and precipitation(b)in Taian City(solid line indicated UF，broken line indicated UB)

5 周期分析

5.1 年平均氣溫變化的周期分析

圖4(a)為泰安市近58年年平均氣溫距平序列Morlet小波變換的實部。圖中正值用實線表示，反映年均氣溫偏高的時期;負值用虛線表示，反映年均氣溫偏低的時期;零表示氣溫偏高和偏低的轉折。小波系數絕對值越大，該周期變化越顯著。從圖中可以看出泰安市年均氣溫存在著準4、6、14、20及準29年的周期性變化。

從泰安市近58年年均氣溫距平序列Morlet小波變換模平方(圖4(b))可以清楚地看出不同時段各周期信號強弱的分布:準4年周期變化主要發生在1980～2003年，振蕩中心在1997年;準6年周期變化主要發生在1952～1972年，振蕩中心在1962年;準14年周期變化主要發生在1957～1981年，振蕩中心在1970年;準20年周期變化在1961～2008年有所表現，但強度較弱;準29年周期變化主要發生在1972～2008年，振蕩中心在1997年。

圖4(c)為泰安市近58年年均氣溫距平序列Morlet小波變換的方差。由于小波方差不僅可以揭示序列內部的頻率結構，而且還可以給出序列中包含不同周期振蕩相對貢獻的完整描述，所以從圖4(c)可以看出準6和準29年周期變化在整個氣溫變化中的相對貢獻相當并且比準4、14、20年的相對貢獻大得多。

圖4 泰安市年平均氣溫距平序列Morlet小波變換的實部(a)、模平方(b)及方差(c)Fig.4 Real part(a)，square module(b)and variance(c)of wavelet analysis of annual mean temperature in Taian City

5.2 年降水變化的周期分析

由泰安市近58年年降水距平序列Morlet小波變換的實部(圖5(a))可以看出，泰安市年降水存在著準 3、5、7、10、16 年的周期性變化。

圖5 泰安市年降水距平序列Morlet小波變換的實部(a)、模平方(b)及方差(c)Fig.5 Real part(a)，square module(b)and variance(c)of wavelet analysis of annual precipitation in Taian City

圖5(b)給出了降水距平序列Morlet小波變換的模平方。從圖中可以看出:準3年周期變化主要發生在1959～1966年及1985～1994年，振蕩中心分別在1963年與1990年;準5年周期變化主要發生在1984～2005年，振蕩中心在1993年;準7年周期變化主要發生在1953～1980年，振蕩中心在1965年;準10、16年周期振蕩則相對比較弱。

從小波變換的方差(圖5(c))可以看出準5、7年周期在整個降水變化中的相對貢獻比準3、10、16年周期大得多。

6 結論

(1)1951-2008年，泰安市年平均氣溫呈顯著上升趨勢，傾向率為每10年上升0.196℃，而降水量相反，呈減少趨勢，年降水量每10年減少2.838 mm。

(2)近58年來，泰安市各季平均氣溫、降水的變化趨勢存在明顯的差異。就氣溫而言，冬季氣溫升高最顯著，其次是春季和秋季，夏季氣溫上升最不明顯。說明近58年泰安市冬、春季特別是冬季氣溫的顯著上升對年平均氣溫上升所做的貢獻最大。就降水而言，春季降水量呈增加趨勢;夏季和秋季呈減少趨勢，其中夏季減少較快;冬季呈微弱增加趨勢。說明泰安市年降水量減少是由于夏、秋季特別是夏季降水減少所致。

(3)對泰安市近58年年平均氣溫及降水量序列做突變檢驗，結果發現:泰安市年平均氣溫從50年代末開始持續上升，1993年發生突變，1998年開始顯著上升。泰安市年降水量從50年代中期至60年代中期呈增加趨勢，60年代末期至今呈減少趨勢，但其變化趨勢不顯著，沒有明顯的突變點。

(4)通過小波分析可以得出，泰安市近58年年平均氣溫存在準4、6、14、20、29年的周期性變化，其中準6、29年周期振蕩最為強烈。泰安市年降水存在準3、5、7、10、16年的周期性變化，其中準5、7年周期振蕩最為強烈。

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