沈陽近39年溫度和降水變化趨勢分析

宋冀鳳等

摘要選取沈陽市1961～1999年1、7月和年平均溫度、降水資料，采用相關系數法和R/S法對沈陽的氣候變化趨勢進行了分析；同時選取新民對應月份和年份的資料，采用城郊對比法對沈陽城市氣候效應進行了分析。結果表明，1961～1989年沈陽1月平均溫度和年平均溫度均呈上升趨勢，而7月平均溫度呈下降趨勢；R/S法檢驗1990～1999年資料顯示，1990～1999年平均溫度和1月平均溫度變化趨勢與過去趨勢相同，均呈上升趨勢，7月平均溫度變化趨勢與過去相反，即呈上升趨勢，說明R/S法對沈陽地區較適合。分析沈陽和新民的溫度、降水資料，沈陽城市熱島強度依次為1月>年平均>7月；沈陽1961～1989年1月降水量呈下降趨勢，7月則呈微弱的上升趨勢，年平均降水量隨機性較大；1990～1995年資料驗證結果顯示，1月降水變化趨勢將與過去趨勢相同，仍呈下降趨勢，7月和年平均的降水變化具有較大的隨機性，R/S方法也可應用在降水量的分析，但不如對溫度的分析效果好。

關鍵詞溫度；降水；城市效應；變化趨勢；R/S分析

中圖分類號S161文獻標識碼A文章編號0517-6611（2015）24-170-04

近年來，隨著城市化的發展，人類活動對氣候的影響逐漸增大，城市氣候問題越來越引起人們的關注。當前城市氣候就是在區域氣候背景上經城市化后，在城市特殊下墊面和人類活動的影響下而形成的一種局地氣候。我國目前對城市氣候的研究還處在初級階段，近幾年我國一般均采用城郊對比法來研究城市氣候變化。如孫鳳華等分析了沈陽市和郊區兩地日最高最低溫差的變化規律，并與前期的氣象要素進行相關分析，揭示出由于氣象條件變化造成城郊溫差的不規則變化[1]。在對昆明城市氣候研究方面，一些研究基本上均采用昆明與附近郊縣對比的方法，但由于昆明與各郊縣的發展很不均衡，用城郊對比法來描述昆明城市氣候存在缺陷，因此，施曉暉等對昆明城市氣候特征的研究則是采用云南大學觀測點與昆明國家氣候基準站的資料進行對比分析，結果發現昆明的熱島強度干季大于雨季、冬季大于夏季，日變化則基本上具有夜間強、白晝弱的特點[2]。筆者在此選取沈陽市1961～1999年1、7月和年平均溫度、降水資料，采用相關系數法和R/S法對沈陽的氣候變化趨勢進行了分析；同時選取新民對應月份和年份的資料，采用城郊對比法對沈陽城市氣候效應進行了分析。

1資料和方法

主要選取沈陽市1961～1999年1、7月和年平均溫度及降水資料，并采用了新民1961～1995年相應的氣溫、降水資料，通過相關系數法、城郊對比法和R/S法對這些溫度、降水資料進行分析。由于1984～1988和1990年的降水資料缺失，為保證有效降水年數與氣溫圖年數一致，降水資料選取的是1961～1995和1996～1999年共33年資料。

R/S法則是國內較新的一種統計學方法，最早是由Hurst提出，后來Mandelbrot等在理論上對該方法進行補充和完善，近些年該方法在分形研究中得到許多應用，其主要原理為：

考慮一個時間序列{ξ（t）}（t=1，2，…），對于任意正整數τ≥1，定義均值序列（ξ）τ=1τ

τt=1ξ（t）（τ=1，2，…），則累積離差X（t，τ）=tu=1（ξ（u）-（ξ）τ）（1≤t≤τ）、極差R（τ）=max1≤t≤τX（t，τ）-min1≤t≤τX（t，τ）（τ=1，2，…），標準差

S（τ）=1τ

τt=1（ξ（t）-（ξ）τ）212

（τ=1，2，…）。令比值R（τ）/S（τ）=R/S，若存在如下關系：R/S∝τH，則說明所分析的時間序列存在 Hurst現象，H稱為Hurst指數。H值可根據計算出的（τ，R/S）的值，在雙對數坐標系（lnτ，lnR/S）中用最小二乘法擬合式得到。根據H的大小，可以判斷該時間序列是完全隨機還是存在某種趨勢性。趨勢性表現為持續性或反持續性。研究證明H=0.5，時間序列完全隨機，在氣候指標上則表明氣候變化是隨機性的；0.5

以上分析可見，Hurst指數法能很好地揭示出時間序列的趨勢性，同時也反映出趨勢性的強度。

2結果與分析

2.1沈陽歷年平均氣溫狀況

2.1.11月平均氣溫。

從1961～1989年沈陽和新民1月平均氣溫（圖1）可以看出，沈陽1961～1970年1月平均氣溫較低，均在-10 ℃以下，處于相對冷的時期；從1971年開始，氣溫有所上升且波動較大，最高氣溫達-8 ℃以上，最低氣溫低于-14 ℃，兩者相差6 ℃以上。從表1可以得到沈陽1961～1989年1月氣溫與時間呈正相關，但不顯著，說明沈陽1月平均氣溫在波動中有上升的趨勢。新民1月平均氣溫的變化趨勢與沈陽的大體上相同，但1961～1989年新民1月平均氣溫為-11.9 ℃，沈陽為-11.4 ℃，新民比沈陽低05 ℃，表明沈陽1月具有弱熱島效應。

采用R/S法分析1961～1989年沈陽1月平均氣溫的Hurst指數，結果（圖2、表2）顯示，沈陽1月平均氣溫H值為0.64，說明沈陽冬季1月平均氣溫未來的變化趨勢將與過去一致，即過去29年逐漸升溫的趨勢預示1990年以后的整體趨勢依然是升溫趨勢。從表1可以看出1990～1999年氣溫與時間呈正相關關系，即氣溫是隨時間呈逐漸上升趨勢。它驗證R/S比較適合于推算沈陽地區的溫度演變規律。

2.1.27月平均氣溫。

從圖3可以看出，1961～1989年沈陽7月平均氣溫的變化趨勢不是很明顯。沈陽1961～1989年7

月平均氣溫與時間的相關系數為-0.138，呈微弱負相關關

系（表1），說明沈陽7月平均氣溫沒有明顯的下降趨勢。新民7月平均氣溫的變化趨勢與沈陽基本一致，氣溫值普遍比沈陽低，沈陽7月平均氣溫為24.5 ℃，新民為24.2 ℃，僅比沈陽低0.3 ℃，說明沈陽7月幾乎沒有熱島效應。

R/S法的分析結果表明（表1～2和圖4），沈陽7月平均氣溫的H值為0.40，表明未來的變化趨勢與過去相反，即1990年以后將呈增溫趨勢。同樣，從表1可以看到1990～1999年氣溫與時間呈正相關關系，與R/S法的分析結果一致。

2.1.3年平均氣溫。從圖5可以看出，沈陽年平均氣溫在1969年出現了一個最低點，溫度<7 ℃，以后溫度呈波動性上升趨勢，從表1也可以得到同樣的結論，1961～1989年沈陽全年平均氣溫與時間的相關系數為0.471，說明氣溫是隨時間上升的。新民年平均溫度在1969年也出現了一個最低點，其溫度比沈陽低，且除1970、1989年外，其余年份沈陽的溫度均比新民高。由數據可知，1961～1989年沈陽年平均氣溫比新民高出0.4 ℃，其熱島強度介于冬季（1月）與夏季（7月）之間，但仍可認為沈陽年平均熱島效應不明顯。

安徽農業科學2015年

沈陽全年平均氣溫的H值為0.66（圖6和表2），表明未來的變化與過去的上升趨勢相同，即1990年以后溫度仍然是逐漸上升的。從表1可知，1990～1999年氣溫與時間的相關系數為0.688，是正相關，表明溫度隨時間是上升的，這與R/S法的分析結果一致。

以上是用R/S法對沈陽氣溫未來變化趨勢的分析，用此法還可以定量分析未來氣溫變化趨勢的強度，由于1月的H值（0.64）小于年平均的H值（0.66），故年平均氣溫未來的上升趨勢將強于冬季，因為1月的H值與年平均的H值較接近，表明冬季氣溫變化趨勢即城市化效應對全年氣溫的變化有較大的作用。

2.2沈陽歷年降水狀況

2.2.11月降水量。

從沈陽、新民1961～1995年1月降水（圖7）可看到沈陽降水量隨時間呈波動性下降趨勢。1961～1995年沈陽市1月降水與時間的相關系數為-0.331（表3），說明沈陽1月降水是在逐漸減少。1964～1982年新民1月的降水量均比沈陽少，其余年份兩地的降水量相差不大。由數據可知，沈陽1月平均降水量（5.62 mm）比新民的降水量（2.66 mm）多2.96 mm。

應用 R/S法來分析沈陽降水的未來變化情況，得出1月降水量的H值為0.67（圖8和表2），表明沈陽1月降水量的變化趨勢與過去一樣，未來降水的趨勢仍然是下降的。這個結論從表3可得到驗證，1996～1999年1月降水與時間的相關系數為-0.327，為負相關，說明降水量隨時間是減少的，這與 R/S法的分析結果一致。

2.2.27月降水量。

1961～1995年沈陽7月降水量變化趨勢不明顯（圖9），降水量在1972年達到一個極低值，以后降水有微弱的上升趨勢。1961～1995年7月降水與時間的相關系數為0.012（表3），相關性很小，即降水量的上升趨勢極微弱，具有很大的隨機性。由圖9可看出新民7月降水量與沈陽的交替上升，并由數據可知，沈陽7月降水量（179.5 mm）與新民的（178.5 mm）差異很小。

由圖10和表2可知，沈陽7月降水的H值為0.45，表明7月降水的未來變化趨勢與過去相反，即1995年以后降水將呈現下降趨勢。1996～1999年7月降水與時間的相關系數為-0.197（表3），說明降水隨時間呈下降趨勢，這與R/S法分析得到的結論一致。

2.2.3年降水量。1961～1995年沈陽年平均降水量的變化無明顯上升或下降趨勢，僅在1965和1989年各出現了2個極低值（圖11）。由表3可知，1961～1995年沈陽年平均降水與時間的相關系數為0.112，可見雖為正相關，但具有較大的隨機性。從圖11還可以看到新民的降水量與沈陽的降水量交替上升趨勢，但多數年份沈陽的年降水量大于新民的年降水量，沈陽的年降水平均為694.3 mm，新民為633.3 mm，兩地相差61.0 mm左右。

用R/S法來分析年平均降水的變化，得到的H值為051（圖12、表2），與0.5特別接近，表明年平均降水這個指標基本獨立，降水變化基本上是隨機的。從表3可以看到，1961～1995年年降水與時間的相關系數（0.112）與1996～1999年的相關系數（-0.199）均比較小，說明其相關性是

很小的。這與用R/S法來分析的結論也基本是一致的。

3結論

（1）沈陽1961～1989年氣溫變化趨勢為冬季（1月）和

勢；沈陽的城市熱島強度為1月>年平均>7月。用R/S法得到H值年平均（0.66）>1月（0.64）>7月（0.40），表明年平均和1月氣溫的未來變化趨勢與過去的趨勢相同，均呈升溫趨勢，7月未來變化趨勢與過去相反，也呈上升趨勢，同時年平均氣溫的上升趨勢強于冬季（1月）的上升趨勢。

（2）沈陽1961～1995年1月降水變化趨勢是降低的，7月則呈微弱的上升趨勢，年平均的降水無明顯的上升或下降趨勢；沈陽1月及全年的降水量均比新民多，表現出一定的城市效應，7月兩地的降水量差不多，城市效應不明顯。由1961～1995年降水的H值1月（0.67）>年平均（0.51）>7月（0.45）可知，沈陽1月未來的降水變化趨勢將與過去趨勢相同，仍呈下降趨勢，7月未來的降水是逐漸減少的趨勢不明顯，具有一定的隨機性，年降水則具有很大的隨機性；顯然，冬季降水的未來變化趨勢強于年平均的趨勢。

參考文獻

[1] 孫鳳華，班顯秀，張文興.沈陽市城市效應對氣溫的影響及氣溫預報方法[J].氣象，2001，27（9）：35.

[2] 施曉暉，顧本文.昆明城市氣候特征[J].氣象，2001，27（3）：38.

[3] MANDELBROT B B，WALLIS J R.Some long-run properties of geographysical records[J].Water Resource Research， 1969，5（2）：321-340.

[4] MANDELBROT B B，WALLIS J R.Robustness of the rescaled ranged R/S in the measurement of noncyclic long-run statistical dependence[J].Water Resource Research，1969，5（5）：967-988.