基于Mann-Kendall方法的1954—2015年臨汾市氣候變化特征分析

王念　田慶春

摘要 ? ?以臨汾市1954—2015年的氣象資料為研究對象，通過回歸分析、M-K趨勢檢驗(yàn)和突變性分析等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。結(jié)果表明，臨汾年均溫在10.90～14.38 ℃之間波動，總體呈現(xiàn)增長趨勢。與我國平均氣溫增長率相比，臨汾溫度增幅較大，特別是自1985年以來年平均氣溫的升高速率更為明顯;2006年后臨汾年均溫略有下降。在此基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行M-K突變分析，得到的UF和UB曲線交點(diǎn)在檢驗(yàn)范圍內(nèi)，從而可認(rèn)為臨汾市年均溫上升現(xiàn)象屬于突變。對近60年來臨汾降水量以及日照時數(shù)進(jìn)行回歸分析、M-K突變性檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)顯示，臨汾市年降水量波動次數(shù)較多，下降幅度小，在若干年份出現(xiàn)突變性上升或下降，但總體呈下降趨勢;年日照時數(shù)也呈現(xiàn)出整體下降趨勢，近幾年出現(xiàn)增多，個別年份經(jīng)檢驗(yàn)為突變，其中以冬季日照時數(shù)下降最為顯著。個別季節(jié)日照時數(shù)下降可能與臨汾近年冬季大氣污染嚴(yán)重有一定關(guān)系。本文通過多變量趨勢性法對氣候變化特征進(jìn)行分析，對該區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的改善具有指導(dǎo)性意義。

關(guān)鍵詞 ? ?氣候變化;回歸分析;M-K突變性檢驗(yàn);山西臨汾;1954—2015年

中圖分類號 ? ?P467 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）13-0175-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Analysis ?on ?Climate ?Change ?Characteristics ?in ?Linfen ?City ?from ?1954 ?to ?2015 ?Based ?on ?Mann-Kendall ?Method

WANG Nian ? ?TIAN Qing-chun *

（College of Geographic Sciences，Shanxi Normal University，Linfen Shanxi 041000）

Abstract ? ?Based on the meteorological data of Linfen City during 1954-2015，through regression analysis，M-K trend test and sudden change analysis were carried out. The results showed that the annual average temperature of Linfen City fluctuated between 10.90 ℃ and 14.38 ℃，presenting an overall growth trend. Compared with rise rate of temperature in China，it was more obvious in Linfen，especially since 1985. After 2006，the annual average temperature decreased slightly in Linfen. On this basis，the M-K sudden change analysis showed that the intersection points of UF and UB curves were within the test range，so it was concluded that the rise of annual average temperature in Linfen City was a sudden change. The regression analysis and M-K sudden change test of precipitation and sunshine hours showed that annual precipitation in Linfen City fluctuated frequently and decreased slightly，with a sudden increase or decrease in several years，but the overall trend was downward. The annual sunshine hours also showed an overall downward trend，which increased in recent years，and sudden changed in a few years. The annual sunshine hours decreased significantly in winter，which might be related to the serious air pollution in Linfen City in winter.The analysis of climate change characteristics by multivariate trend analysis method is instructive for the improvement of environmental quality in LinFen City.

Key words ? ?climate change;regression analysis;M-K sudden change test;Linfen Shanxi;1954-2015

IPCC[1]第四次評估報告認(rèn)為，受人類活動變化和自然環(huán)境影響，全球氣溫在20世紀(jì)90年代增溫最為明顯。在過去近100年間，中國的地表溫度上升了0.74 ℃，并保持了與全球氣候基本一致的趨勢[2];氣候具有明顯的區(qū)域性特征，各區(qū)域間存在明顯的差異[3-4]。氣候?qū)W中從“氣候”概念發(fā)展為氣候?qū)W中的“全球氣候系統(tǒng)”標(biāo)志著科學(xué)的發(fā)展[5]，而氣候作為一個重要的衡量因素會影響一個地區(qū)自然環(huán)境以及人類生活環(huán)境的變化。局地小氣候很大程度上決定著區(qū)域和自然環(huán)境的狀況[6]，因而對臨汾小氣候進(jìn)行深度探討和研究，與研究自然地理環(huán)境的基本思路相吻合。近年來，臨汾部分區(qū)域（市、區(qū)）冬季二氧化硫和顆粒物污染物高于國家二級標(biāo)準(zhǔn)[7]，改善該區(qū)環(huán)境空氣污染問題刻不容緩。冬季變暖是年均溫上升的主要輸出源，區(qū)域氣溫變化趨勢的檢測是氣候變化檢測研究的核心問題之一[8]。分析區(qū)域的氣候特征，對改善臨汾環(huán)境空氣質(zhì)量具有重要意義。

1 ? ?資料與方法

1.1 ? ?資料來源

臨汾地處半干旱、半濕潤區(qū)域，四季分明，屬溫帶季風(fēng)氣候。由于其特有的地形特征，加上盆地四周地勢較高，使得臨汾的空氣對流不旺盛，形成了特有的局地小氣候且相對于山西省同緯度其他地區(qū)溫度較高（圖1）。

選用的數(shù)據(jù)為臨汾市1954—2015年歷年逐月氣象資料，數(shù)據(jù)來自國家氣象信息中心。為了對臨汾市近年來氣候變化特征更好地開展研究，以年為單位，求取每月平均值對氣象資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文選用的數(shù)據(jù)較為完整，能較好地反映近幾年來臨汾市氣象特征的變化。

1.2 ? ?分析方法

1.2.1 ? ?多變量數(shù)據(jù)趨勢分析與回歸分析。用于處理數(shù)據(jù)的回歸分析法主要是對2個地理要素建立起聯(lián)系。相關(guān)分析揭示了2個要素之間的相關(guān)程度，而回歸分析是以函數(shù)形式表達(dá)某一要素與其他要素之間的聯(lián)系，其實(shí)質(zhì)是建立具體數(shù)量之間的回歸模型，基本結(jié)構(gòu)形式為Y=a+bXα。馬玉鑫[9]對回歸分析方法進(jìn)行了詳細(xì)解釋。本文主要采用回歸分析中的線性模型來反映地理要素之間具體定量關(guān)系，以獲得2個要素之間的線性相關(guān)性。

1.2.2 ? ?突變性分析。時間序列在研究元素變化特征中起著重要作用，而通過時間序列變化的突變檢驗(yàn)分析可以了解事物變化發(fā)展規(guī)律。對于時間序列X，M-K趨勢檢驗(yàn)對其統(tǒng)計量進(jìn)行定義[10]。在目前檢測趨勢和突變的方法中，M-K法已被廣泛用于分析降水、徑流、氣溫和水質(zhì)等方面。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是其不必遵循一定的分布，也不受少數(shù)異常值的干擾[11]。陸 ?陽等[12]在研究淮河流域近50年來氣候特征時使用到了這一方法，并對此方法原理進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?氣溫特征分析

2.1.1 ? ?年均氣溫回歸分析。通過線性擬合研究區(qū)近60年年均溫，計算得出其趨勢方程為y=0.034x+11.689（R2=0.561），得出臨汾年均溫每年約以0.034 ℃的增長幅度上升，其線性變化傾向率為0.34 ℃/10 a。從圖2可以得出，臨汾市年均溫在58年來總體呈現(xiàn)出上升趨勢，尤其是在1985—2012年，臨汾市氣溫上升較為明顯。其中，在2006年年均溫達(dá)到14.38 ℃，達(dá)到近60年來的最高值;在增長過程中，2002—2003年間有一明顯下降變化，并且達(dá)到了自2000年以來的最低值（13.1 ℃）。這個變化可能與臨汾市政府所采取的措施有關(guān)，臨汾市政府通過對能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方面調(diào)整、多家工廠積極采用無污染能源或低污染能源、使用污染處理技術(shù)降低部分污染物對環(huán)境的污染指數(shù)，從而達(dá)到了緩解環(huán)境污染的目的[13]。近50年來，我國氣溫上升了1.1 ℃，其增溫速率接近0.22 ℃/10 a[14]。張春林等[15]通過氣象站的地面資料以及國家基準(zhǔn)氣候站資料，使用統(tǒng)計以及線性趨勢等方法得出，山西省近60年年均溫波動上升，暖干化特征更為明顯，與本文的研究結(jié)果相同。

將臨汾市氣溫增長速率和山西省數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出臨汾的增溫幅度較大。眾多學(xué)者對這個問題進(jìn)行深度探討之后得出，我國屬于全球氣候變化最顯著的國家之一，氣候因素的變化將對社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生影響;與100年前相比，我國年平均氣溫上升了0.5～0.8 ℃，冬季氣溫顯著上升[16]。眾多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，其中王勁松等[17]認(rèn)為，位于我國西北東部到華北地區(qū)的區(qū)域處于東亞季風(fēng)區(qū)內(nèi)且位于季風(fēng)北邊緣地帶，其中大多為干旱半干旱區(qū)，對氣候變化較敏感，是我國氣候變率最大的地區(qū)之一。臨汾市自1994年以來，冬季年均溫的增長幅度較大，這對臨汾市年均溫的增長也起到了推動的作用;其氣溫升高現(xiàn)狀也與我國城市與工業(yè)化發(fā)展所處階段息息相關(guān)，臨汾市正處在城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵時期，能量需求缺口較大。因此，應(yīng)對氣候變化對于我國和世界而言都是一項長期而艱巨的任務(wù)。

對年份與年均氣溫數(shù)據(jù)回歸結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)處理得出，U=18.831 103 57，Q=14.738 212 76，F(xiàn)=71.551 538 62，置信水平F0.01（1，51）=7.31。由于F>>F0.01，表明F在置信水平α=0.01下達(dá)到顯著，即年份與平均氣溫成正相關(guān)，年平均氣溫隨年份呈上升趨勢。通過回歸分析驗(yàn)證了本文對于近60年來臨汾市氣溫變化特征所得出的結(jié)論。

2.1.2 ? ?Mann-Kendall趨勢性檢驗(yàn)。利用Mann-Kendall方法進(jìn)行趨勢檢驗(yàn)，結(jié)果得出Z=5.856。由于Z=5.856>2.32>0，所以山西省臨汾市的年平均氣溫近60年來呈上升趨勢。數(shù)據(jù)結(jié)果均通過了0.01和0.05的顯著性檢驗(yàn)，證明氣溫升高顯著，這與本文回歸分析的結(jié)果一致。

2.1.3 ? ?Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)。從UF曲線（圖3）可以看出，自1955年起，除個別年份（1969年、1970年、1971年）外，數(shù)值都>0;1971年之后，UF值都>0，說明年均溫呈現(xiàn)持續(xù)上升狀態(tài)。在20世紀(jì)90年代中期至21世紀(jì)10年代的年均溫增長通過了0.05的趨勢性檢驗(yàn)（U0.05=1.96），甚至通過了0.01顯著檢驗(yàn)（U0.01=2.58）。以增長趨勢為基礎(chǔ)，進(jìn)一步觀察UF和UB曲線的交點(diǎn)在置信水平內(nèi)，并且確定1970年的年平均溫度升高時突然變化，呈現(xiàn)突變性升溫狀態(tài)。在1971年UF（K）曲線大致呈下降趨勢，但在1971年之后UF（K）曲線基本逐年上升。由此可以得出結(jié)論：臨汾市近60年來年均溫存在冷、暖2個階段，并且自1971年以來，年均氣溫呈逐漸上升趨勢，總體來說就是前期偏冷而后期較暖的變化趨勢。張麗花等[18]應(yīng)用M-K法對山西省氣候進(jìn)行突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，1992年之前山西省基本處于一個低溫期;而自1992年之后，山西省氣溫逐漸回暖，并出現(xiàn)上升趨勢，這與本文得出的結(jié)論一致。

2.2 ? ?降水量特征分析

2.2.1 ? ?年降水量回歸分析。降水量的變化會導(dǎo)致區(qū)域氣候有最敏感、最直接的變化[19]，因而研究過去60年來我國在全球氣候變化背景下降水變化的區(qū)劃和變化特征極為重要[20]。從圖4可以看出，臨汾市年降水量在過去60年呈下降趨勢，降水量年均以-1.29 mm下降，氣候傾向率為-12.865 mm/10 a;該結(jié)果與以往的研究結(jié)果基本一致[21]。其中，在1958年、1964年、1971年、2003年降水豐沛，在1957年、1960年、1965年、1967年4年中降水量減少、氣候干燥。總體而言，年降水量變化大，波動幅度較大，個別年份漲落較為明顯。其中，1978年、2001年符合M-K突變性減少的檢驗(yàn)結(jié)果，而1997年、2003年符合下文M-K突變性增加的檢驗(yàn)結(jié)果。

2.2.2 ? ?Mann-Kendall趨勢性檢驗(yàn)。使用M-K趨勢檢驗(yàn)法對臨汾市近60年來年降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并將檢驗(yàn)結(jié)果與回歸分析結(jié)果相聯(lián)系。分析得出，臨汾市近60年來年均降水量Z=-1.59，其絕對值>1.28，證明Z通過置信度為90%的顯著性檢驗(yàn)，但絕對值<1.64，證明Z未通過95%置信度測試，也可以說明，近60年來降水量下降趨勢較為明顯，與本文通過回歸分析得出的結(jié)果相同。

2.2.3 ? ?Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)。時間統(tǒng)計數(shù)列有正序時間和逆序時間之分。其中，UF（K）表示正序時間，UB（K）表示逆序時間，若在置信度范圍之內(nèi)UF（K）與UB（K）存在交點(diǎn)，即可證明某地區(qū)在這一段時間內(nèi)，研究對象存在著突變，而交點(diǎn)位置即代表突變時刻的開始。從圖5可以看出，UB與UK相交且存在11個交點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1978年、1981年、1983年、1986年、1992年、1994年、1995年、1996年、1997年、2001年、 2003年，其中在1978年、1983年、1986年、1994年、1996年、2001年、2003年，年均降水量呈突變性上升，有些年份在交點(diǎn)之后年均降水量呈突變性下降（1978年、1981年、1992年、1995年、1997年）。這11個交點(diǎn)均通過了a=0.05（+1.96）上限以及a=0.05（-1.96）下限的檢驗(yàn)，數(shù)據(jù)證明，臨汾市近60年來的降水量發(fā)生了較大的變化。此外，交替最頻繁的年份出現(xiàn)在20世紀(jì)初，即1992—1997年間，年均降水量出現(xiàn)頻繁的突變上升或下降，然而，總體上降水量下降趨勢顯著。

根據(jù)前文得出的結(jié)論，臨汾市年均氣溫逐年上升，使得空氣中水汽含量相對減少，在一定程度也影響了臨汾市成云致雨的條件，而臨汾市降水量的逐年減少，也導(dǎo)致了空氣中污染物沉降擴(kuò)散的難度增加。因此，逐年降雨量的減少也成為了臨汾長期霧霾且霧霾較難擴(kuò)散的原因之一。臨汾市年均降水量減少幅度較小，并不是臨汾市冬季霧霾嚴(yán)重的決定性因素，但不可否認(rèn)的是臨汾市冬季降水量的減少也加劇了臨汾市霧霾的嚴(yán)重程度。

2.3 ? ?日照時數(shù)特征分析

2.3.1 ? ?年日照時數(shù)回歸分析。任國玉等[22]認(rèn)為，過去50年我國的日照時數(shù)具有東部減少幅度大于西部、平原的減少幅度大于山區(qū)的特征，同時春、秋兩季減少幅度小于冬、夏兩季。對1954—2015年臨汾市年均日照時數(shù)進(jìn)行處理，以日照時數(shù)為因變量、年份為自變量，通過回歸分析建立2個變量之間的一元回歸方程，其線性變化傾向率為-54.297 h/10 a，并且臨汾的冬季日照時數(shù)每年以-5.429 7 h的數(shù)值逐年減少。1964年、2013年年均日照時數(shù)呈現(xiàn)出突變性上升趨勢，在2013年達(dá)到了近60年來的峰值（圖6）。

日照時數(shù)在山西省空間差異明顯。四季日照時數(shù)中，冬季最少。在過去的48年中臨汾年、季、月日照時數(shù)逐年減少[23]。其中，冬季日照時數(shù)減少是最重要的[24]，減少速率為-48.47 h/10 a，而冬季日照時數(shù)的減少與臨汾市冬季嚴(yán)重的霧霾有密不可分的聯(lián)系。臨汾污染問題日益嚴(yán)峻，使得空氣中塵埃、顆粒物質(zhì)增多，其對太陽輻射的吸收、折射能力增強(qiáng)，也成為了冬季年日照時數(shù)逐年減少的原因之一。此外，冬季日照時數(shù)的減少也在一定程度上抑制空氣中顆粒因子的活躍程度;加之地形因素的影響，導(dǎo)致在臨汾上空形成了較厚的逆溫層，大氣污染物濃度不宜降低，使臨汾市冬季污染程度加劇。近幾年臨汾市政府根據(jù)市區(qū)地理位置和氣象特點(diǎn)對臨汾市大型工廠、中小型企業(yè)等進(jìn)行治理和調(diào)整[25]，使得自2013年后日照時數(shù)出現(xiàn)大幅增長。

2.3.2 ? ?Mann-Kendall趨勢性檢驗(yàn)。通過對臨汾市近60年來年均日照時數(shù)進(jìn)行M-K趨勢性檢驗(yàn)，得出Z=-4.9，絕對值 >2.32，通過了99%置信度測試，可以得出，年均日照時數(shù)下降趨勢更為明顯。這與前文對年均日照時數(shù)的回歸分析結(jié)果相一致，證明年均日照時數(shù)的下降趨勢較為明顯，同時也證明了數(shù)據(jù)處理結(jié)果的可靠性。

2.3.3 ? ?Mann-Kendall突變性檢驗(yàn)。對臨汾近60年來年均日照時數(shù)進(jìn)行M-K突變性檢驗(yàn)，從圖7可以看出，UF（K）和UB（K）有2個交點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1958年和2011年。其中，只有1958年的交點(diǎn)位于檢驗(yàn)范圍內(nèi)，而2011年的交點(diǎn)沒有通過0.05的檢驗(yàn)，所以2011年日照時數(shù)突變性上升不具有突變性。根據(jù)對近60年的日照時數(shù)的回歸結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，自20世紀(jì)50年代以來，年日照時數(shù)基本呈現(xiàn)下降趨勢。

3 ? ?結(jié)論與討論

結(jié)果表明，以大區(qū)域氣候背景為基礎(chǔ)，臨汾形成了獨(dú)特局地小氣候，經(jīng)數(shù)據(jù)分析，其平均氣溫呈明顯的增長趨勢;增長速度快于全國趨勢，年均降水量和日照時數(shù)總體減少。

使用M-K趨勢檢驗(yàn)法檢驗(yàn)?zāi)昃鶞亍⒛杲邓俊⒛耆照諘r數(shù)，臨汾市年平均氣溫的增暖現(xiàn)象較為顯著，并且通過了99%置信度檢驗(yàn);年降水量及日照時數(shù)的下降趨勢分別通過了90%和95%的置信度測試。

對近60年臨汾市年均溫、降水以及日照時數(shù)進(jìn)行M-K突變性檢驗(yàn)處理之后，發(fā)現(xiàn)年均溫在1970年出現(xiàn)交點(diǎn)，這表明臨汾氣象站的氣候變暖變化趨勢屬于突變現(xiàn)象。此外，降水量有略微下降趨勢，日照時數(shù)也逐年減少，由于氣候因素的變化，對冬季霧霾加重也起到了推動作用。

臨汾市形成的獨(dú)特小氣候?qū)е铝丝諝馕廴厩闆r加劇。在考慮其他因素的同時，應(yīng)以小氣候因素的特征為基礎(chǔ)從多方面思考臨汾近年來氣候敏感問題，積極控制與調(diào)節(jié)局地小氣候，并對此采取相對應(yīng)的措施。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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