云南高原楚雄市近50年氣溫、降水變化特征分析

何 萍，敖成寅

（楚雄師范學院 區域氣候與環境變化研究所，云南 楚雄 675000）

氣溫變化會對降水量產生一定的影響，我國地勢由西向東逐漸遞減，使東西部氣候存在巨大差異，造成區域氣候變化復雜多樣，各地氣溫和降水變化存在一定的規律。研究氣溫和降水的變化特征，可以讓我們更好地了解和掌握氣候的變化規律，為氣候預測提供參考，減少氣象災害的損失。

國外，使用HadRT和探空資料對比后發現，高空溫度都在變冷，地面到300 hpa間存在變暖過程［1］。在人類活動的影響下全球氣候逐漸變暖，處在平流層、對流層溫度和對流層頂高度等氣象參數在一定程度上發生改變，這些改變導致平流層區域的溫度下降，對流層區域的溫度升高［2］。城市的降雨量受城市熱島的影響很大，在城市中心和下風方向受到的影響最為顯著［3］。對印度東北部16個不同雨量站119年的降雨量測量數據進行分析，得出印度洋溫度的變化對該地區的降雨量有著深遠的影響，人類對氣候變化的影響越來越顯著［4］。

國內，對錫林河流域近56 a降水數據和平均氣溫數據進行分析，揭示了降水和均溫的年內、年際和年代際的變化特征，并預測其變化趨勢［5］。近年來廈門市和內蒙古烏蘭浩特市的氣溫呈整體上升趨勢，但是研究區域內的降水突變并不明顯［6，7］。四川省合江縣的氣溫在近61a內整體上升，但是降水量在研究區間內整體減少，且變化幅度大［8］。陜西省商洛地區氣溫和降水量都呈上升趨勢，相對濕度和降水量呈負相關，氣候總體為暖濕型，空間差異大［9］。通過對比分析楚雄市城區氣象數據和郊區氣象數據，發現楚雄市雨島效應越來越明顯，特別是在城市及其下風向，城區面積和日照時數對雨島效應影響最為密切［10，11］。通過對昆明地區降水量的研究表明，區域內年降水量呈遞減趨勢［12］。西南地區夏季降水量隨著蒙古高壓以及印緬槽的增強而增多，隨水汽通量散度和渦度減小而增大［13］。將西南地區分為東、西兩個區域，研究表明東部秋季降水主要受低緯度環流影響，熱帶海溫異常也對降水有一定的影響，西部降水則與中南半島反氣旋、高原以東反氣旋、孟加拉灣低槽和高緯環流異常有關［14，15］。

針對云南高原楚雄市氣候環境的研究主要集中在城市熱島和雨島效應方面，對氣溫與降水長時間尺度變化和相關性的研究偏少，所采用的研究方法各有其優點及側重點。本文主要對楚雄市氣溫和降水氣候環境的變化特征及相關性進行分析，對掌握云南高原中小城市氣候環境變化具有科學參考價值。

1 研究區域概況

楚雄市位于云南省中部，境內最高海拔為2916 m，最低海拔691 m，100°35′～101°48′E、24°30′～25°15′N。東距昆明152公里，西距大理179公里，區位優越，交通便利，人民政府駐地為鹿城鎮，如圖1所示。楚雄市的建成區面積從2000年的15.4平方公里增長到2019年的57.63平方公里，城市人口從2000年的12.96萬人增長到2019年的37.24萬人，GDP從2000年的40.1億元增長到2019年的460.63億元，城鎮化率從2000年的27.31%增長到2019年的58.43%。楚雄市屬于亞熱帶季風氣候區，主要受南亞季風影響。

圖1 云南楚雄市區位圖Fig.1 Location map of Chuxiong City in Yunnan Province

2 資料來源及研究方法

2.1 資料來源本文數據來自云南省氣象局信息中心，選取氣溫和降水數據，統計出1971～2020年50年的月平均氣溫（℃）、年平均氣溫（℃）和降水量（mm）。

2.2 研究方法

2.2.1 Mann-Kendall檢驗法Mann—Kendall檢驗法可以判斷氣候序列中氣候突變的情況，其表達式為：

式中n為研究樣本的總量，S k為秩序列，E（sk），Var（sk）分別是sk的均值和方差。

給定顯著性水平為0.05，若UFk或UBk的值大于0，序列為上升趨勢，小于0序列則呈下降趨勢。超過臨界線時，說明趨勢顯著。若UFk曲線和UBk曲線存在交點，且交點在臨界線之間，說明此交點對應的時間為突變開始的時間。

2.2.2 小波分析法小波分析經常用于研究氣候序列變化的尺度和周期。本文通過利用Morlet小波分析從而得出楚雄市的氣溫和降水變化周期。選用的Morlet小波函數表達式為：

i表示虛數，c為常數，t反映時間上的平移。Morlet小波函數的變換連續形式為：

小波方差為：

a是頻率參數，b是時間參數。其中小波系數變換實部等值線相對稀疏對應長尺度周期的震蕩，等值線密集對應短周期的震蕩。小波變換系數實部等值線圖中紅黃色表示上升階段，而青藍色表示下降階段；周期內曲線未閉合表明未來將持續當前的狀態。小波方差可以確定氣溫與降水的主周期和次周期。

3 結果與分析

3.1 氣溫和降水的變化趨勢分析

3.1.1 氣溫和降水的年變化從圖2可以看出，1971～2020年的平均氣溫為16.4℃，氣溫高于16.4℃的年份共有23年，低于16.4℃的有27年。50年間氣溫的最大值為2019年的18.0℃，最小值為1971年的14.9℃，極差為3.1℃。從圖2可以看出1971～2020年間楚雄市的年平均氣溫波動上升，上升趨勢明顯，變化幅度較大，這也符合全球氣候變暖的趨勢。

圖2 年平均氣溫變化趨勢圖Fig.2 Annual variation trend of average temperature

由圖3可以看出，近50年楚雄市多年平均年降水量為854.6 mm，大于854.5 mm的共有21年，小于854.6 mm的共有29年。年降水量最高值為2001年（1342.8 mm），最低值為1979年（485.8 mm），極差為857 mm，年度降水量差異較大。由年降水量變化曲線可以看出，近50年的降水量波動明顯，在整體呈下降趨勢。

圖3 降水量年變化趨勢圖Fig.3 Annual variation trend of precipitation

3.1.2 氣溫和降水的月變化圖4顯示，楚雄市的降水量在7月份出現最大值（185.7 mm），其次是8月降水量最大；在2月份出現最小降水量（9.7 mm），其次是12月份，降水量年較差為176 mm。綜合分析：楚雄市四季中夏季降水量最多，冬季降水最少，5月至10月為楚雄市的雨季，11月至4月為干季，年內降水量差異顯著。

圖4 降水量月變化趨勢圖Fig.4 Monthly variation trend of precipitation

由圖5可見楚雄市年均氣溫為16.4℃，在6月份出現最高均溫（21.6℃），在1月份出現最低均溫（9.2℃），極差為12.4℃，氣溫變化顯著。近50年內夏季溫度最高、冬季最低，夏季氣溫高變化幅度小，日常需要做好避暑和防曬的工作，而秋季的氣溫變化最為劇烈，晝夜溫差大，需注意及時調整衣物。

圖5 氣溫月變化趨勢圖Fig.5 Monthly variation trend of temperature

3.2 氣溫和降水的變化周期分析

3.2.1 氣溫小波分析對楚雄市1971～2020年的年平均氣溫數據進行小波分析，如圖6所示，由圖可以看出楚雄市的平均氣溫在近50年間呈現強烈的周期交替變化，年平均氣溫呈現出不同尺度的周期性震蕩。近50 a楚雄市的年平均氣溫包括多個不同尺度的時間周期，22 a和30 a的時間尺度最為明顯，30 a時間尺度的周期震蕩最強烈，為第一主周期，年均氣溫經歷了上升→下降→上升→下降→上升5個階段的增減交替變化：1972～1980年氣溫上升；1981－1992年氣溫下降；1993～2002年氣溫上升；2003－2012年氣溫下降；2013～2020年氣溫上升，并且2013～2020年的等值線沒有閉合，未來幾年的氣溫會有上升的趨勢。

圖6 楚雄市氣溫小波分析圖（a：年均溫小波系數圖；b：楚雄市年均溫小波方差圖）Fig.6 Wavelet analysis diagram of temperature in Chuxiong City

3.2.2 降水小波分析通過對楚雄市1971～2020年的年降水量數據進行小波分析，結果如圖7所示，近50a楚雄市的年降水量表現為7a、13a、22a和32a的周期變化，32a的周期變化幅度最大，為第一主周期，年降水量經歷了增多→減少→增多→減少→增多5個階段的增減交替變化：1971～1982年降水量增多：1983～1993年降水量減少；1994～2003年降水量增多；2004～2012年降水量減少；2013～2020年降水量增多，并且本階段的等值線沒有閉合，所以預測在未來幾年內降水量還會增多。

圖7 楚雄市降水小波分析圖（a：年降水小波系數圖；b：降水小波方差圖）Fig.7 Wavelet analysis diagram of precipitation in Chuxiong City

3.3 氣溫和降水的突變分析

3.3.1 氣溫突變分析通過對楚雄市1971～2020年的年均溫數據進行突變檢驗，結果見圖8。從圖8可以看出1971～1978年UF曲線以1973年為轉折點先上升后下降，1987年UF曲線超過了顯著水平臨界線，上升趨勢越來越明顯，圖中UF曲線與UB曲線相交于置信區間之外，說明楚雄市的氣溫在1971至2020年間沒有突變。

圖8 楚雄市年均溫M-K突變檢驗Fig.8 M-K mutation test of annual average temperature in Chuxiong City

3.3.2 降水突變分析由圖9楚雄市1971～2020年的降水量突變檢驗圖可以看出，UF曲線呈現出明顯的波動變化的趨勢，在臨界線之間UF和UB曲線共出現了6個交點，在2002年UF值超過了臨界值，在1989年UB值超過了臨界值范圍，在此之前的交點為1983年，所以楚雄市降水量的突變點在1983年。

圖9 楚雄市年降水量M-K突變檢驗Fig.9 M-K catastrophe test of annual precipitation in Chuxiong City

3.4 氣溫和降水的相關性分析由圖10可以看出，楚雄市6月為最高氣溫，7月為降水量最大值，降水量最大值出現時間比氣溫最大值出現的時間落后一個月。

圖10 氣溫和降水的月變化關系圖Fig.10 Monthly variation relationship between temperatureand precipitation

3.5 楚雄市雨熱不同期的原因分析隨著太陽直射點向北回歸線靠近，太陽高度角逐漸變大，氣溫升高，地面升溫需要一定的時間過程來完成，我國大部分地區最高氣溫出現在7月份；但云南7月正逢雨季，密云暴雨會削弱太陽輻射，使近地層氣溫降低，再加上蒸發需要耗熱，所以就造成了楚雄市氣溫最大值出現時間在雨季來臨前的6月，7月正是楚雄市的雨季，降水量最大；氣溫最高比降水最大的時間落后一個月，雨熱不同期，跟我國大多數地區不一致，體現了云南楚雄獨有的氣候特點，所以適合夏季避暑。

4 結論

通過對楚雄市1971～2020年的氣溫和降水變化特征進行分析，得出以下結論：

第一，近50年來楚雄市年平均氣溫波動上升，平均氣溫周期交替變化強烈，研究區氣溫從1987年開始呈持續的上升趨勢。近50年來夏季溫度最高、冬季最低，最高溫出現在6月（21.6℃），最低氣溫出現在1月（9.2℃）。氣溫具有不同尺度的周期性震蕩，第一主周期為30a時間尺度，經歷了5個階段的增減交替變化，2013～2020年的等值線沒有閉合，預計未來幾年的氣溫會持續上升。

第二，近50年來楚雄市降水量年度差異較大，降水量波動明顯，整體呈下降趨勢。年內降水主要集中于雨季（5～10月），干季（11月至次年4月）降水少，楚雄市的降水量在7月份出現最大值（185.7 mm），在2月份出現最小降水量（9.7 mm）；降水量在1983年發生突變；小波分析表明有32a的主周期變化，主周期內降水量經歷了5個階段的增減交替變化，并且在2013～2020年階段的等值線沒有閉合，所以預測在未來幾年內降水量還會增多。

第三，50年來最高月均溫出現在6月，而降水量的峰值出現在7月，雨熱不同期，降水量峰值比氣溫落后一個月。