昆明地區近40a氣溫變化特征及其突變檢驗

梅媛媛，李 毅，龍榮華

(1.云南省昆明市農業氣象試驗站，云南 昆明 650091;2.云南省昆明市東川區氣象局 東川 654100;3.云南省農業科學院園藝作物研究所，云南 昆明 650205)

1 引言

近年來，氣候變化已引起了各國政府、科學家和普通民眾的高度重視。氣候變化最顯著的特點是氣候變暖［1］，而氣候變化最敏感、最重要的指標就是氣溫變化，政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第三次評估報告認為:全球平均地面氣溫20世紀升高了0.6℃。在全球變暖的大背景下，近100 a中國地表年平均氣溫明顯增加，升溫幅度約為 0.5 ～0.8℃。［2］云南的許多氣象學者也對云南的氣候變化進行了多方面的研究。尤衛紅等利用1901—1996年的氣象資料研究表明，云南在20世紀90年代的氣溫變化處于較強的偏暖期［3］。姚愚等利用1961—2004年的氣象資料研究表明，滇中地區是1994—2004年全省升溫最顯著的地區［1］。而在研究中加入最近10 a(2001—2010年)的氣象資料等專門研究氣溫變化的文章則較少，這正是撰寫本文的重要原因之一。

另一方面，昆明位居滇中，地理座標為102°10'～103°40'E，24°23'～26°22'N，市區海拔1 891 m，是云南省省會，中國首批歷史文化名城，是云南省政治、經濟、文化中心;是我國重要的旅游、商貿城市、西部地區重要的中心城市之一;亦是滇中城市群的核心圈;昆明同時也是全國十大旅游熱點城市之一。此外，它還是中國面向東南亞、南亞開放的門戶樞紐，是中國唯一面向東盟的“橋頭堡”大都市。因而，昆明地區也自然成為滇中乃至云南的重要組成部分。然而，昆明地區的氣候變化如何?特別是近些年來，氣象災害、極端氣候事件頻繁發生，給昆明地區各行各業都帶來了很大影響。因此，在全球氣候變暖的大背景下，撰寫本文旨在研究昆明地區的溫度變化特征、為昆明可持續發展的合理規劃、為政府決策提供氣候學的科學依據、為氣候資源的科學開發利用提供重要依據、為氣象預災減災提供科學參考、為未來氣候趨勢的預測等諸多方面都具有重要的現實意義和學術價值。

2 資料和方法

2.1 資料

使用昆明地區11站點(昆明、祿勸、富民、嵩明、宜良、石林、呈貢、晉寧、安寧、太華山、尋甸)1971—2010年整40 a的平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫年值和月值氣象資料。

2.2 方法

2.2.1 氣候趨勢分析 本文中以平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫等年值為因變量，年序為自變量，進行一元線性回歸分析，以直線斜率(回歸系數)作為趨勢指標(趨勢系數)［4］來表達線性增溫速率。根據氣溫逐年變化曲線和擬合趨勢線來描述氣溫的時間變化和年際變化特征。

2.2.2 標準差S 標準差是描述變量樣本序列中樣本數據與其平均值差異的平均狀況的統計量，它衡量資料圍繞平均值的平均振動幅度。為了解平均氣溫、平均最高氣溫、平均最低氣溫年值對于其氣候平均態的偏離程度［5］。本文使用標準差公式計算昆明地區歷年年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的標準差，計算公式如下:

其中，S、xi分別是標準差、樣本值、樣本平均值，n為樣本數。

2.2.3 信噪比 SNR法(Yamamoto法) 天氣過程的突變常用氣候狀態分布特征量隨不同時段的變化來衡量，Yamamoto等人(1986)提出把幾十年作為氣候階段，以相鄰氣候階段的平均值的顯著差異定義為氣候突變。方法是選擇某個參考年，分別計算兩個氣候階段的平均值之差和標準差S1和S2，定義信噪比SNR作為相鄰兩個氣候階段差異的統計量，其計算公式為:

一般SNR＞1.0時，認為存在氣候突變;若SNR＞2.0 則認為存在強突變［6］。

3 結果及討論

3.1 氣溫的基本統計特征分析

由表1可見，昆明地區11站40 a年平均氣溫為15.1℃。其中，南部縣區宜良、石林的年均溫相對較高，分別為 16.5℃、16.1℃;北部縣區嵩明、尋甸的年均溫相對較低，分別為 14.2℃、14.8℃;太華山站屬高山氣象站(海拔2 358.3 m)，年均溫最低，為12.5℃。經統計，40 a來，11站年平均氣溫從1971 年的14.0 上升到2010 年的16.5℃(表略)，40 a來共升高了2.5℃。

表1 1971—2010年昆明地區11站氣溫要素的基本統計特征量 (單位:℃)

從表1可知，昆明11站40 a年年平均最高氣溫為21.6℃、年平均最低氣溫為10.7℃;從氣溫的波動上看，平均最低氣溫標準差＞平均最高氣溫標準差＞平均氣溫標準差。這表明，40 a來昆明地區氣溫總體上呈波動上升趨勢，最低氣溫的年際波動振幅最大，平均氣溫的年際波動相對較小。

3.2 氣溫年值的趨勢變化

由圖1可見，近40 a來昆明地區年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的變化趨勢總體上比較一致，都呈線性增高、波動上升趨勢。年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫分別在14.5 ～16.8℃、20.7 ～23.1℃、8.8 ～11.8℃之間，其線性增溫速率分別為 0.32℃ /10 a、0.3℃ /10 a、0.484℃/10 a。其中，年平均最低氣溫的線性增溫速率最高，年平均最高氣溫的線性增溫速率最低;年平均最低氣溫的線性增溫速率比年平均最高氣溫的線性增溫速率高0.184℃/10 a;年平均最低氣溫的線性升溫率是年平均最高氣溫的線性升溫率的1.6倍。三要素的線性增溫趨勢都通過了信度為0.001的顯著性檢驗。

3.3 昆明地區1971—1990年和1991—2010年前后20a平均氣溫的年際變化對比

根據圖2的分析結果，1971—1990年昆明地區平均氣溫線性升溫率為0.177℃/10 a，而1991—2010年的線性升溫率為0.557℃/10 a，后20 a的線性升溫率是前20 a的3.15倍。從氣溫線性升溫趨勢的顯著性來看，1971—1990年相關系數為0.305 1(顯著性水平接近 0.05)，1991—2010 年相關系數為0.651 8(顯著性水平為0.001)。由此可見，1971—1990年昆明地區氣溫升溫趨勢相對平緩，不太明顯;而進入1990年以來，氣候變暖明顯加劇。

圖1 1971—2010年昆明地區氣溫年值的逐年變化

3.4 春夏秋冬四季平均氣溫變化特征

從圖3和各季平均氣溫的統計值(表略)可見，40 a來昆明地區春、夏、秋、冬四季的季平均氣溫分別為 16.5℃、19.8℃、14.8℃、8.5℃，四個季節的平均氣溫分別在 15.1 ～ 18.0℃、19.0 ～ 20.7℃、13.4～16.2℃ 和 6.7 ～10.5℃之間變化;四季的線性增溫率分別為 0.254℃ /10 a、0.199℃ /10 a、0.317℃ /10 a和0.467℃/10 a;線性增溫率是冬季＞秋季＞春季＞夏季，其中冬季線性增溫率最大，夏季線性增溫率最小，冬季的線性增溫率是夏季線性增溫率的2.3倍。秋季平均氣溫的線性增溫率也較大，為0.317℃/10 a;而夏季平均氣溫升溫幅度最小，為0.254℃/10 a。這與多數文獻關于夏季氣候變暖趨勢不如冬季明顯的結論一致［7］。因此，冬季、秋季變暖對年平均氣溫增溫作用最大，尤其是冬季增溫對昆明地區40 a來氣候變暖的貢獻最大。

圖3 昆明地區1971—2010年四季平均氣溫變化曲線(a:春季;b:夏季;c:秋季;d:冬季)

3.5 氣溫突變檢驗分析

氣候突變是普遍存在于氣候系統中的一個重要現象。氣候突變是指氣候要素從一個平均值狀態到另一平均值狀態的急劇變化，即從一種穩定態(或穩定的持續變化趨勢)跳躍式地轉變到另一種穩定態(或穩定的持續變化趨勢)的現象。最基本的氣候突變有4種類型，即:均值突變、方差突變、蹺蹺板突變和轉折突變［8］，實際的突變往往是它們的組合。對于氣候突變這一現象，研究的人很多，周浩等用小波分析和Mann-Kendall突變檢驗法對重慶市氣候變化進行分析［9］。王宇等曾經利用 Mann-Kendall、MTT和SNR法對1921—1994昆明的年均溫進行過趨勢突變檢驗［6］，經過檢驗確定1957年為昆明年均溫的突變點。但最近40 a來，在全球氣候變化的大背景下，昆明地區是否也存在氣溫突變?本文用SNR法進行氣溫趨勢突變檢驗(見表3)。

根據圖1～圖3、表2、表3以及11站點氣溫的多方面的綜合分析，最近40 a中1997—1998年昆明平均氣溫跳躍幅度最大，11站年平均氣溫由1997年的15.3℃上升到16.3℃，各站點年平均氣溫升高幅度在0.8～11℃之間，氣溫跳躍式突增趨勢明顯(見表2)。為進一步研究其是否存在氣候突變，本文用信噪比SNR法(Yamamoto法)，進行檢驗，計算結果見表3。

表2 1997—1998年昆明地區各站年平均氣溫對比(℃)

表3 指定1998年為突變年時昆明地區各站點氣溫年值信噪比(SNR值)

由表3可見，①昆明地區11站點年平均氣溫的SNR值為1.09，說明在1998年昆明地區年平均氣溫確實存在突變現象，其中昆明、嵩明、宜良、石林、呈貢、尋甸6站年平均氣溫通過突變檢驗。②對11站點年平均最高氣溫進行檢驗，只有昆明、晉寧2個站點的SNR值＞1，顯然最高氣溫的突變基本不存在;③檢驗年平均最低氣溫的突變，得出昆明地區11站點年平均最低氣溫的SNR為1.52，比年平均氣溫的SNR高0.427，比年平均最高氣溫高0.672;11站點中除富民、晉寧、太華山3站的年平均最低氣溫未通過信噪比檢驗外，其余73%的站點都通過檢驗，說明昆明地區年平均最低氣溫存在突變;④比較年平均氣溫、年平均最低氣溫、年平均最高氣溫3者的SNR值，可知昆明地區低溫突變比高溫更激烈，這與前文中所得出的低溫增溫幅度大，對氣候變暖貢獻更大的結論相一致。

4 主要結論

①1971—2010年，昆明地區11站點年平均氣溫、年平均最高氣溫、年平均最低氣溫年際變化和變化趨勢特征總體上比較一致，都表現為線性增高、波動上升趨勢;最低氣溫的年際波動振幅最大，年平均氣溫的波動相對較小。

②近40 a來昆明地區年平均氣溫線性增溫速率為0.32℃/10 a，高于全國平均氣溫線性升溫率0.25℃ /10 a［10］;同時也高于云南省(1980—2004年)的平均升溫率(0.24 ℃ /10 a)［1］。年平均最高氣溫、年平均最低氣溫的線性升溫率分別為0.267℃ /10 a、0.459℃ /10 a。氣溫 3 要素中平均最低氣溫線性升溫率最大，平均最高氣溫線性升溫率最小。即在昆明氣候變暖中，低溫升高趨勢更顯著，低溫增幅對氣候變暖貢獻率最大。

③昆明地區各季節都有氣候變暖趨勢，四個季節的線性增溫率大小排序為:冬季＞秋季＞春季＞夏季，冬季線性增溫率最大(0.467℃/10 a)，夏季線性增溫率最小(0.254℃/10 a)，冬季增溫對昆明地區氣候變暖貢獻最大。

④1971—2010年的40 a里，昆明地區確實發生了氣溫突變，突變年份為1998年。其中，年平均最低氣溫、年平均氣溫都存在顯著的突變現象(區域平均信噪比SNR值分別為1.52、1.09)，年最高氣溫無顯著的突變。

致謝:在本論文寫作過程中得到了云南省氣象局氣象學會黃忠艷正研高工的鼎力指教和幫助。在此特表示感謝。

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