新疆石河子多年氣溫、降水突變分析

（新疆石河子氣象局，石河子市，832000） 韓春光 蒲云錦

氣 候 突 變（climate jump，abrupt climatic change，jump transition）是指氣候從一種穩定態(或穩定持續的變化趨勢)跳躍式地轉變到另一種穩定態的現象,它表現為氣候在時空上從一個統計特性到另一個統計特性的急劇變化。氣候變化是一個非常復雜的問題，存在線性變化的同時也存在著一定的非線性變化,非線性變化指的就是氣候的相對穩定性和突變現象等。章名立等[1]指出近百年來,全球氣候變暖并日趨加劇已成為公認的事實，但在總的變暖趨勢中卻有起有伏,有漸變和突變，且氣候變化的區域性和季節性差異顯著。魏鳳英、劉莉紅、向遼元、郭志梅等[2-5]從氣溫的長時間序列中檢測到了結論一致的突變點，此外，不同區域的研究者[6-15]也相繼發現了本地氣候要素存在突變的事實。本文利用新疆石河子多年氣溫、降水資料，研究其突變事實，為氣候預測提供依據。

1 資料與研究方法

1.1 資料整理

選用新疆石河子建站時間早、年代資料完整的石河子市氣象站為代表站，從國家氣象信息中心取1954～2017年月均氣溫、月總降水量資料，樣本總數n=1296。以3～5月為春季，6～8月為夏季，9～l1月為秋季，l2～2月為冬季。春季氣溫取3個月的平均值，降水量取三個月的降水總量，據此得到四季、年均氣溫和降水量分析序列。

1.2 研究方法

氣候突變是普遍存在于氣候變化中的一個重要現象，是氣候預測與模擬要考慮的重要因素。符淙斌等[16-17]在給出氣候突變普適定義的同時指出氣候突變有均值突變、方差突變、蹺蹺板突變和轉折突變四種基本類型，實際的突變往往是它們的組合。利用突變理論研究均值突變，采用Mann-Kendall 法(簡 稱M-K)、滑 動T 法（簡 稱Mtt）和Yamamoto法聯合檢測氣候變化過程中的突變現象,綜合M-K 非參數法檢測范圍寬、人為性少,Mtt 客觀、準確，Yamamoto 直觀、簡便的特點,從而在方法上增強和提高研究結果的可信度和確定性。

1.2.1 Mann-Kendall方法

Mann-Kendall 法是一種非參數統計檢驗方法[18]，其優點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受少數異常值的干擾，適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便，而且可以明確突變開始的時間，并指出突變區域。方法是對于平穩隨機序列Xi(1≤i≤N),構造統計量：,式中dK=ΣMi，Mi是1至i之間小于Xi的樣本數,即Mi={Xj:j＜i且Xi＜Xj}，E[dK]為均值，Var[dK]為方差。在原序列隨機平穩假設下,dK的分布漸進正態,U(dK)則為標準正態分布。其概率α可以通過計算或查表獲得，給定顯著水平α0，若α＞α0，則接受序列無變化的原假設；若α＜α0，則拒絕原假設。把U(dK)沿時間軸繪成曲線UF，而后將序列反向，計算出U(dK),繪成曲線UB,若UF與UB交叉點位于置信區間內,則此點即為突變點。當UF存在明顯的變化趨勢、超過置信線時, 或是突變增加，或是突變減少。

1.2.2 滑動t檢驗方法

此法通過考察2組樣本平均值的差異是否顯著來檢驗突變。對于總樣本量為n的序列x，人為設置某一時刻為基準點，取前后長度分別為n1、n2的兩子序列(一般取n1=n2)進行連續的滑動計算，得到t的統計量序列。給定顯著性水平a，確定臨界值ta，若|t|＜ta，則認為基準點前后的兩子序列均值無顯著差異，否則認為在基準點時刻出現了突變[18]。

1.2.3 Yamamoto方法

2 流域氣溫突變分析

三種方法檢測出的氣溫序列突變見圖1 和表1。

2.1 年均氣溫突變

由圖1（a、b、c）和表一看出：三種方法均檢測出發生在20 世紀90 年代中期的一次明顯增溫突變。Mtt、Yamamoto法最大t值和信噪比年都在1996年，|t|＝7.14、RSN=1.93，Mtt 通過了a=0.0001 的信度檢驗,M-K 法中UF、UB 曲線相交于1993 年，落在99%信度線內。

2.2 四季氣溫突變

圖1 Mann-kendall、滑動t、 Yamamoto法確定的石河子年、季氣溫序列突變

表1 Mann-kendall、滑動t、Yamamoto法檢測出的石河子年、季氣溫突變

1954 年來，四季平均氣溫均有突變現象發生，且春、秋突變較夏、冬（圖略）明顯。

春季平均氣溫有三次突變，20 世紀60 年代末和90年代中期為增溫突變，80年代初為降溫突變。Mtt 法（圖1e）檢出第一次增溫突變年份在1970(n=5)、1968(n=10)年，通過了a=0.05的信度檢驗，第二次降溫突變年份在1981、1982 年，分別通過了a=0.05和0.01的信度檢驗，第三次增溫突變年份均在1996年，通過了a=0.001的信度檢驗；Yamamoto法（圖1f）第一、二次Rsn 接近1，認為突變不明顯，第三次在1996 年，RSN=1.47，發生突變；M-K 法（圖1d）UF、UB曲線在95%信度內相交于1998 年。三次突變中以90年代中期1996年出現的暖突變最為顯著。

夏季平均氣溫僅在20 世紀90 年代有一次增溫突變，Mtt法（n=10）檢出突變年在1996年，檢驗信度通過a=0.01，M-K法UF、UB曲線在a=0.05信度線內相交于1990年。

秋季平均氣溫在90 年代中期出現一次增溫突變，Mtt法（圖1h）、Yamamoto法（圖1i）檢出突變年都在1997 年，Mtt 法超過了99%的檢驗信度，M-K 法UF、UB 曲線相交于1994 年，交點統計值U 等于2.31。

冬季平均氣溫在20世紀80年代中期發生一次增溫突變，Mtt法突變年在1984～1985年，M-K法在1985 年，均通過了a=0.05 的信度檢驗，Yamamoto 法未檢出冬季突變。

綜合氣溫年、季突變得出：60 年代末1968～1970 年春季氣溫發生增溫突變；80 年代初1981～1982年春季出現降溫突變，80年代中期1984～1985年冬季出現增溫突變；90 年代中期1996～1997 年春、夏、秋三季、年氣溫出現顯著暖突變。1996 年春、夏季出現的顯著暖突變直接導致同年年氣溫的顯著暖突變。

圖2 Mann-kendall、滑動t、Yamamoto法確定的石河子年、季降水序列突變

表2 Mann-kendall、滑動t、Yamamoto法檢測出的石河子年、季降水突變

3 流域降水突變分析

圖2 和表2 為三種方法檢測出的降水突變結果。

3.1 年降水突變

檢測圖中（圖2，a、b、c），1986 年的降水增加趨勢三種方法曲線上都有反映，但僅在Mtt 法步長n=10時檢出增加突變點。Mtt（n=5）、M-K法同時檢測出2001 年的降水增加突變，Mtt 法檢驗信度超過99%，Mtt 法還檢測出發生在1996 年的降水減少突變。Yamamoto法年降水突變不明顯，下面四季降水突變檢測中亦有體現。

3.2 四季降水突變

對比三種方法的檢測結果，確定春季降水（圖2d）在50年代末的1958年有一次增加突變，70年代初期的1973 年有一次減少突變，80 年代中期1986年有一次降水增加突變，M-K 法(圖略)還檢測出2002年的一次降水增加突變；夏季降水（圖2e）僅在80 年代中期的1985 年有增加突變；秋季未出現突變；冬季降水（圖2f）在60 年代末期的1968 年有一次降水增加突變，70年代末期的1978年、90年代中期的1994年各有一次減少突變。

綜合降水年、季突變得出：50 年代末期1958 年石河子春季降水發生突變增加；60年代末期1968年冬季降水突變增加；70 年代初期1973 年春季、后期1978年冬季發生降水突變減少；80年代中期1985～1986 年春季、夏季、年降水突變增加；90 年代中期1996 年前冬季、年降水出現突變減少；21 世紀初的2001～2002 年，年、春季降水突變增加。1986 年春季降水的突變增加直接導致同年降水的突變增加。

4 結論

（1）應用三種方法檢測突變，得出結果不盡相同，Mtt步長不同檢測點亦不同，氣溫檢測中對出現的較顯著突變點Mtt 和yamamoto 法有一致結果，降水檢測中yamamoto法不敏感。由此看出，不同方法靈敏性不同，應將多種方法結合使用并給定嚴格的檢驗信度，以增加突變檢測點的可信度和確定性。

（2）多年來，石河子年、四季氣溫均發生突變，春、秋突變較夏、冬明顯。年氣溫在1996 年發生顯著暖突變；春季氣溫發生三次突變：1968、1970年和1996年為暖突變，1981、1982年為冷突變；夏、秋、冬季均發生暖突變，夏季突變年在1996 年、秋季在1997年、冬季在1984～1985年。

（3）除秋季外，年和春、夏、冬三季降水都有突變。年降水在1986、2001 年發生增加突變，在1996年發生減少突變；春季降水在1958 年、1986 年和2002 年發生增加突變，1973 年發生減少突變；夏季降水僅在1985年發生增加突變；冬季降水有一次增加和兩次減少突變，1968 年為增加突變，1978 年、1994年為減少突變。

（4）氣溫雖較降水突變明顯，但互有影響。1996年春、夏季出現的顯著暖突變直接導致同年年氣溫的顯著暖突變，1986年春季降水的突變增加直接導致同年降水的突變增加，1996年氣溫的顯著暖突變引起同年年降水的顯著減少突變。