咸陽市近60年冬季氣溫變化趨勢及突變分析

朱瑞杰，竇 輝，王 瑾，趙 翔，房立順

(1.咸陽市氣象局，陜西咸陽 712000;2.武功縣氣象局，陜西武功 712200;3.秦都區氣象局，陜西咸陽 712000)

咸陽地處汾渭平原西部，由東南向西北呈階梯形，南部七縣區(市)屬渭河、涇河平原，北部五縣屬黃土高原丘陵溝壑區。冬季寒冷、夏季炎熱，冷暖空氣交替頻繁，冰雹、大風、暴雨等多種災害頻發，成災比例高，是氣象災害頻發區，也是氣候脆弱區。近年來隨著經濟社會的發展和人類活動的增加，極端氣候事件頻發，對工農業生產及人類活動造成一定影響。在全球氣候變暖的大背景下，中國氣候同樣存在著變暖趨勢，其中冬季增溫最明顯[1]，IPCC第5次報告指出，從多視角進一步證實和支持了關于近百年全球氣候變暖毋庸置疑的結論,1951—2012年,全球平均地表溫度的升溫速率為0.12 ℃/10 a[2], 西北地區冬季氣溫自1960年以來為不斷升高，1980年以后出現冬季偏暖加劇的趨勢[3]。陜西確實存在著區域性的冬暖現象，且各區出現異常冬暖的年份不盡相同,陜北北部與陜北南部出現異常冬暖年的次數最多，其次為關中東部[4]。咸陽市區近50年氣溫呈顯著升高趨勢[5]。本文選取1960—2019年咸陽地面觀測站冬季氣溫資料，采用線性趨勢、5年滑動平均、Mann-Kendall趨勢檢驗等分析方法，對近60年來咸陽冬季平均氣溫，最高、最低氣溫，極端最高、最低氣溫變化特征進行分析，探討其歷史演變趨勢及年代變化特征，為進一步揭示咸陽冬季的氣候特征提供科學依據。

1 資料與方法

氣溫資料來自中國氣象局氣象信息中心，咸陽地區12個國家氣象站點的年平均氣溫、月平均氣溫，常年冬季氣候值統計時段為1981—2010年，時間序列是 1960—2019年冬季(12月至翌年2月)。北五縣為彬縣、旬邑、長武、淳化、永壽，南七縣為秦渭區、涇陽、三原、乾縣、禮泉、武功、興平。采用一元線性趨勢分析、累積距平分析等方法對冬季溫度特征進行分析。用Mann-Kendall(簡稱M-K)方法對氣溫發生突變年進行判斷和檢驗。暖冬、冷冬等級采用《暖冬等級》(GB/T 21983—2020)、《冷冬等級》(GB/T 33675—2017)中的單站暖(冷)冬等級劃分指標[6-7]，區域范圍內暖冬站數與站點總數之比≥50%，定義為區域暖冬，在區域暖冬年，區域內強暖冬站數與站點總數之比≥25%，定義為區域強暖冬，反之定義為區域弱暖冬。

2 結果與分析

2.1 冬季平均氣溫特征

2.1.1 時間變化特征 由圖1可知，1960-2019年咸陽冬季平均氣溫變化范圍為-3.51～1.76 ℃，年平均氣溫變化范圍為10.75～13.39 ℃，均呈現出波動上升的趨勢，但冬季平均氣溫變化的波動明顯大于年平均氣溫。通過線性擬合，近60年咸陽冬季平均氣溫、年均氣溫的線性趨勢率分別為0.348、0.232 ℃/10 a，擬合方程均通過α=0.05的顯著性檢驗。陜西省冬季平均氣溫、年均氣溫呈現出顯著上升的趨勢，其線性趨勢率分別為0.328、0.203 ℃/10 a[8]。由此可見，咸陽冬季平均氣溫的變化趨勢與全省的變化趨勢相似，增溫幅度高于全省。

圖1 1960—2019年咸陽市冬季平均氣溫變化(a)及年平均氣溫變化(b)

2.1.2 空間變化特征 1960—2019年咸陽冬季平均氣溫呈北低南高分布(圖2)，各縣冬季平均氣溫變化范圍在-3.29～1.07 ℃之間，北部五縣均為負值，旬邑、長武最低，在-3 ℃以下，南七縣均為正值，武功、興平最高，在1 ℃以上。冬季平均氣溫的線性趨勢率大致呈北高南低分布，淳化最大為0.481 ℃/10 a，武功最小為0.261 ℃/10 a。從咸陽北五縣和南七縣兩個地理單元冬季氣溫變化來看，北部五縣氣溫經過了下降→上升→下降→上升的過程，氣溫的線性趨勢率為0.375 ℃/10 a， 1980年發生了突變， 南部七縣氣溫經過了下降→上升的過程，氣溫的線性趨勢率為0.326 ℃/10 a，1989年發生了突變。由此可見，咸陽北部五縣比南部七縣氣溫突變發生時間早，線性趨勢率也大，氣溫變化波動大。

圖2 1960—2019年咸陽市各縣冬季平均氣溫(a)及其線性趨勢率(b)

2.2 冬季平均最低、最高氣溫特征

由圖3可知，冬季平均最低氣溫變化范圍在-8.33～-2.78 ℃之間，最小出現在1967年，最大出現在2016年。冬季平均最高氣溫變化范圍在2.02～8.75 ℃之間，最小出現在1963年，最大值出現在1998年。冬季平均最低、最高氣溫線性線性趨勢率分別為0.371、0.331 ℃/10 a，擬合方程均通過了α=0.05的顯著性檢驗。可見，冬季平均最低氣溫的線性趨勢率大于平均最高氣溫，這與宋愛紅等[9]冬季平均最低氣溫顯著升高對冬季氣溫的升高以及暖冬年的出現貢獻最大，與孔祥偉等[10]最低氣溫變化速率大于最高氣溫，冬季增溫在最低氣溫上表現更明顯的研究結果具有一致性。

圖3 1960—2019年咸陽市冬季平均最低(a)、最高氣溫變化(b)

2.3 冬季極端最低、最高氣溫特征

由圖4可知，冬季極端最低氣溫變化范圍為-15.1～-8.3 ℃，1976年最低，2000年最高。極端最高氣溫變化范圍為16.2～9.1 ℃，1963年和2011年最低，1977年最高。極端最低、最高氣溫線性趨勢率分別為0.257 ℃/10 a和0.297 ℃/10 a，擬合方程均通過了α=0.05的顯著性檢驗。

圖4 1960—2019年咸陽市冬季極端最低(a)、極端最高氣溫的年際變化(b)

可見，極端最低、最高氣溫均呈上升趨勢，其線性趨勢率與平均氣溫基本相當，而小于平均最低、最高氣溫。

2.4 M-K突變性檢驗

利用M-K方法對咸陽市1960—2019年冬季平均氣溫、平均最低最高氣溫、極端最低最高氣溫進行突變分析。由圖5a可知，咸陽市冬季平均氣溫有明顯的增暖趨勢，冬季平均氣溫從1989年之后，冬季平均最低氣溫(圖5b)從1986年之后、冬季平均最高氣溫(圖5c)從2013年之后超過了0.05顯著性水平臨界值，且冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫分別在1994、1987、2016年超過0.01顯著性水平臨界值，而極端最低、最高氣溫未超過0.01顯著性水平臨界值。從圖5 中UF曲線與UB曲線在置信區間內的交點可得出，冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫發生突變的時間分別在1985、1985、1995年，極端最低(圖5d)、最高氣溫(圖5e)突變發生的時間分別為1970、2006年。以上分析表明，咸陽冬季氣溫的突變特點為冬季平均最低氣溫與冬季平均氣溫的突變時間基本一致，而冬季平均最高氣溫的突變時間比冬季平均氣溫的突變時間偏晚約10 a，并且UF值通過置信區間(α<0.01)的時間明顯偏晚，數值偏小。咸陽冬季氣溫與西北地區冬季氣溫變化趨勢具有一致性[9-12]， 冬季平均最低氣溫與冬季氣溫的變化關系密切，對冬季氣溫的升高以及暖冬年的出現貢獻較大。

圖5 1960—2019年咸陽市冬季平均氣溫(a)、平均最低氣溫(b)、平均最高氣溫(c)、極端最低氣溫(d)、極端最高氣溫(d)的M-K突變檢驗

2.5 累積氣溫距平分析

累積距平分析結果(圖6)顯示，1960—2019年冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫累積距平曲線均大致呈“V”字型，說明咸陽冬季氣溫經歷了從下降到上升的過程，冬季平均和冬季平均最低氣溫在1985年累積距平達到最低點，而冬季平均最高氣溫累積距平曲線變化波動較大，1976—1978年、1985—1987年兩個時段出現下降→上升→下降→上升的過程，1995年之后，上升趨勢一直在持續。累積距平分析的突變年與M-K突變檢驗結果基本一致。極端最低氣溫在1976年達到最低-17.2 ℃，之后穩定上升；極端最高氣溫在1988年達到最低-15.9 ℃，1988—2011年上升緩慢，波動性大，2011年后穩定上升。

圖6 1960—2019年咸陽市冬季平均氣溫(a)、平均最低氣溫(b)、平均最高氣溫(c)、極端最低氣溫(d)、極端最高氣溫(e)的距平和累積距平

2.6 冬季各月氣溫變化特征

咸陽冬季各月(12月、1月、2月)平均氣溫常年值分別為-0.63、-2.07、-1.09 ℃,即1月氣溫最低。各月平均氣溫均呈增溫趨勢,線性趨勢率分別為0.29、0.23、0.50 ℃/10 a，均通過α=0.05顯著性檢驗,說明2月增溫最明顯，12月次之，1月最小。各月突變時間分別為1986、1977、1990年，1月氣溫發生突變時間較早(圖略)。統計各月平均氣溫距平值,發現各月距平累計值均呈先下降后上升的變化趨勢,最低值分別為-15.85(1985年)、-12.4(1976年)、-27.19(1989年),即12月、2月最低值均出現在20世紀80年代中后期,與冬季平均氣溫累計距平最低值出現年份相近,表明1月增溫較早，12月、2月增溫較晚。各月通過0.05顯著性水平臨界線的時間分別為1997、2000、1999年，與發生突變時間分別相隔11、23、9 a。1月氣溫發生突變的時間較早，但氣溫變化波動較大，升溫速率小；因此，在分析冬季氣溫變化時應特別引起注意。

2.7 冷冬年、暖冬年的變化。

通過對1960—2019年咸陽市冬季氣溫求標準差(常年冬季氣候值統計時段為1981—2010年，為咸陽市冬季氣溫平均值。),得出δ=0.907 ℃,0.43δ、1.29δ分別為0.39、1.17 ℃。對咸陽市1960—2019年進行冷暖冬劃分(如表1),發現咸陽市冷冬年、暖冬年以20世紀90年代為界,之前冷冬年偏多,之后暖冬年偏多,冷冬年與暖冬年比為19∶19。

表1 咸陽市1960—2019年各年代冷暖冬年出現次數 單位：a

20世紀70至80年代共出現3次暖冬年，1976年之前未出現過暖冬年。90年代開始暖冬年明顯增加，共出現16次暖冬，其中8次強暖冬，8次弱暖冬；而冷冬年變化趨勢與暖冬相反，冷冬年明顯減少，1990年之后只出現2次。最強暖冬年為1998、2016、2019年；ΔT>2.3 ℃，最強冷冬年為1963、1967年，ΔT<-2.2 ℃。總之，咸陽近30年來暖冬年逐漸增加，冷冬年逐漸減少,且1986年以來未出現強冷冬年,強暖冬年開始出現并趨多。

3 結論

(1)1960—2019 年，咸陽市冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫呈顯著上升趨勢，其線性趨勢率分別為0.348、0.371、0.331 ℃/10 a，高于咸陽市年平均氣溫的線性趨勢率0.232 ℃/10 a，且高于陜西省冬季平均氣溫線性趨勢率0.328 ℃/10 a。極端最低、最高氣溫的線性趨勢率分別為0.257、0.297 ℃/10 a，其線性趨勢率與平均氣溫基本相當，而小于平均最低、最高氣溫。平均最低氣溫的線性趨勢率最大，最低氣溫升高對冬季氣候變暖貢獻較大。

(2)1960—2019年，咸陽冬季平均氣溫呈北低南高分布，而線性趨勢率大致呈北高南低分布，線性趨勢率淳化最大為0.481 ℃/10 a，武功最小為0.261 ℃/10 a。北部五縣氣溫經過了從下降→上升→下降→上升的過程，南部七縣氣溫經過了從下降→上升的過程；北部五縣氣溫突變時間發生在1980年，南部七縣氣溫突變時間發生在1989年。咸陽北部五縣比南部七縣氣溫突變發生時間早，線性趨勢率也大，氣溫變化波動大。

(3)利用M-K突變檢驗法檢驗冬季平均氣溫、平均最低氣溫、平均最高氣溫，其突變時間分別在1985、1985和1995年，冬季平均氣溫與平均最低氣溫發生突變的時間一致，而平均最高氣溫發生突變的時間滯后近10年，極端最低、最高氣溫突變發生的時間分別為1970年和2006年，極端最低氣溫發生突變時間最早。咸陽冬季氣溫與西北地區冬季氣溫變化趨勢具有一致性。

(4)冬季12、1、2月氣溫發生突變時間分別為1986、1977、1990年，其線性趨勢率分別為0.292、0.232、0.50 ℃/10 a；1月氣溫突變時間早，但線性趨勢率小，2月線性趨勢率最大，表明2月氣溫的升高對冬季變暖貢獻較大。

(5)1960—2019年，暖冬年與冷冬年出現的頻次比為19∶19，其具有明顯的階段性變化，以20世紀90年代為界，之前以冷冬年為主，之后以暖冬年為主，呈現由冷冬年為主轉暖冬年為主的變化。