1972—2020年衡水市氣溫變化特征分析

王 磊 李 韜 許俊東

（衡水市氣象局，河北 衡水 053000）

0 引言

氣候是人類生存的環境因子之一，也是自然環境變化最活躍、最復雜的因子之一，影響著人類生產生活的各個方面。氣候變化與災害性天氣的發生密切相關，對各種經濟活動，尤其是農業生產有著直接影響［1-5］。氣溫變化是氣候變化的重要影響因素，而全球變暖問題已成不爭的事實，1880—2012年，132年的時間內地表平均氣溫上升了0.85℃，因此對氣溫變化的研究也就變得尤為重要。衡水市位于河北省東南部，屬于華北沖擊平原的一部分，光熱資源充沛，以農業為第一產業。近年來，已有不少學者對衡水市降水、氣溫、地溫等氣候要素展開研究［6］，但目前尚無綜合運用線性趨勢分析、Mann-Kendall 非參數檢驗法［7］以及Morlet 小波分析［8］等方法展開的研究。本研究針對近49 a來衡水市氣溫的空間分布、變化趨勢、突變性以及震蕩周期作全面分析，對指導農業生產有一定的意義。

1 資料和方法

1.1 資料來源及季節劃分

衡水市共有11 個國家氣象觀測站，自1972 年開始才全部有完整資料，故本研究采用1972—2020年的衡水市11 個國家氣象觀測站日氣溫數據。季節劃分為春季3—5 月，秋季6—8 月，秋季9—11月，冬季12月—次年2月。

1.2 研究方法

1.2.1 氣溫空間分布研究。氣溫空間分布是指氣溫多年平均值在不同空間區域上的分布。利用上述資料求出1972—2020年衡水地區11個縣市區氣溫的平均值，得到衡水地區近49 a的氣溫空間分布狀況。

1.2.2 氣溫變化研究。氣溫變化是指由氣溫所表征的狀態在一定時間段內統計特征的變化，主要包括趨勢變化、氣候突變、氣候波動等。利用各觀測站某年、某季的平均值表示衡水市該要素整體水平，采用滑動平均和線性傾向估計的方法分析近49 a 的氣候變化趨勢，并利用Mann-Kendall 非參數檢驗法對變化趨勢進行突變檢測，最后利用Morlet小波分析揭示氣候序列的周期性震蕩特征。

2 氣溫變化特征分析

2.1 氣溫空間特征分布及年均氣溫變化特征

表1為衡水市1972—2020年平均氣溫，空間分布呈東北低、西南高的特征，最高為位于西南部冀州和衡水一帶13.4℃，最低為位于東北部的饒陽12.7℃，平均氣溫由東北向西南遞增。

表1 衡水市1972—2020年平均氣溫 單位：℃

圖1為1972—2020年衡水市年平均氣溫變化，總體上呈上升趨勢，氣候傾斜率為0.33℃/10 a，通過了a = 0.01 的顯著性檢驗。另外，衡水市氣溫表現出“降-升-降-升”階段性變化特征，即20世紀70年代至80 年代中期年均氣溫呈平穩中略有下降，20 世紀80 年代后期至20 世紀末期年均氣溫上升，21 世紀初期平均氣溫又有所下降，21 世紀10 年代后期年均氣溫開始迅速上升。

圖1 衡水市1972—2020年氣溫變化趨勢

2.2 年平均氣溫的周期性震蕩分析

分別以年份和時間尺度為橫、縱坐標繪制年平均氣溫的小波系數實部等值線圖，小波系數為正值則表示氣溫處于所對應的子波周期中的氣溫偏高區，負值則表示氣溫處于偏低區。從圖2 可看出在25—28 a 左右的周期在整個時間區域內均有較強信號，3 個負值區與2 個正值區交替出現，表現為“負-正-負-正-負”。對于年際變化，比起年代際周期來說相對較弱，其中23 a左右的周期只在1990年以后有較明顯的變化，15 a左右的周期在2007年以后有較明顯的變化。

圖2 1972—2020年衡水市年平均氣溫的小波系數實部等值線圖

小波系數方差中（圖3）較為明顯的峰值對應著28 a 的時間尺度，說明28 a 左右的周期性震蕩最強，對小波方差作用大，是衡水市平均氣溫變化的主周期。

圖3 1972—2020年衡水市年平均氣溫的小波系數方差圖

2.3 各季節氣溫變化特征分析

2.3.1 平均氣溫的變化特征分析。由表2 可知，各年代的年均氣溫均呈上升趨勢，21 世紀10 年代較20 世紀70 年代上升了1.3 ℃，其中20 世紀70年代到80 年代年均氣溫只上升了0.1℃，20 世紀90年代年均氣溫比80 年代上升了0.5 ℃，上升最為明顯。21 世紀10 年代年均氣溫均比上一年代上升0.3 ℃以上。

表2 衡水市各年代四季平均氣溫、氣候傾向率

春季和冬季增溫趨勢最為明顯，氣候傾向率分別達到了0.4 ℃/10 a 和0.39 ℃/10 a，相關系數也都通過了a=0.01的顯著性檢驗，其中春季的升溫主要發生在21世紀以后，21世紀00年代較20世紀90年代升溫達到0.8℃，其次為21世紀10年代較00年代升溫0.6℃。冬季升溫主要集中在20 世紀90 年代，相對80 年代升溫幅度更是達到了1.1℃，而其他時期的升溫并不明顯。夏季和秋季增溫趨勢相對較弱，其中夏季的主要升溫時期為20 世紀90 年代和21 世紀10 年代，升溫幅度分別達到0.5℃和0.6℃，在其間的21 世紀00 年代氣溫有0.2℃的小幅下降，秋季的升溫主要發生在進入21 世紀以后，21 世紀00年代和10年代升溫幅度都達到0.3℃。對于衡水市平均氣溫的上升，貢獻率最大的是春季，其次為冬季。而對于20 世紀90 年代年均氣溫的大幅上升，貢獻率最大的是冬季，其次為夏季。

2.3.2 平均最高氣溫的變化特征分析。由表3可知，各年代的平均最高氣溫總體也呈上升趨勢，但總上升幅度較平均氣溫總上升幅度小，只有0.9 ℃，氣候傾向率為0.21 ℃/10 a，未通過顯著性檢驗，說明增溫并不明顯，其主要升溫期為21世紀10年代，上升幅度達到0.4 ℃。四季中春季升溫幅度最大，氣候傾向率為0.29 ℃/10 a，通過了a=0.01的顯著性檢驗，其升溫主要發生在進入21 世紀以后，其中21 世紀00 年代和10 年代升溫幅度分別達到0.8℃和0.7℃。冬季升溫幅度較春季略弱，氣候傾向率為0.23℃/10 a，但未通過a=0.01 的顯著性檢驗，其升溫主要發生在20世90年代，升溫幅度0.9℃，且氣溫在此時達到最高。夏季氣候傾向率為0.18℃/10 a，但未通過a=0.01的顯著性檢驗，其升溫主要發生在20世紀末和21世紀10年代，升溫幅度分別為0.4℃和0.7℃，在其間的21世紀00年代氣溫有0.3℃的下降。秋季升溫趨勢最弱，主要發生在20世紀80年代，升溫幅度為0.3℃。說明對平均最高氣溫升溫貢獻最大的為春季。對于21世紀10年代年均最高氣溫的大幅上升，貢獻率最大的是春季和夏季。

表3 衡水市各年代四季平均最高氣溫、氣候傾向率

2.3.3 平均最低氣溫的變化特征分析。由表4可知，各年代的平均最低氣溫總上升1.8℃，大于平均最高氣溫的總體上升幅度，且上升趨勢也比平均最高氣溫要明顯得多，傾向率為0.47℃/10 a，相關系數通過了a=0.01的顯著性檢驗，說明升溫是很顯著的，其最大升溫發生在20世紀90年代，升溫幅度達0.7℃。四季中以春季增溫最為明顯，氣候傾向率為0.56℃/10 a，相關系數通過了a=0.01 的顯著性檢驗，年代間的升溫幅度達到0.4℃以上，較大升溫過程主要發生在進入21 世紀以后，其中21 世紀00年代較20 世紀90 年代升溫幅度達到0.9℃。其次為冬季，氣候傾向率為0.54℃/10a，通過了a=0.01的顯著性檢驗，其升溫過程主要集中在20 世紀90 年代，升溫幅度達到1.3℃，而其他年代升溫幅度相對較小。秋季傾向率為0.41℃/10a，通過了a=0.01的顯著性檢驗，升溫主要發生在20世紀90年代和21世紀10年代，升溫幅度分別為0.6℃和0.5℃。夏季升溫幅度最小，氣候傾向率0.37℃/10a，通過了a=0.01 的顯著性檢驗，但也比平均最高氣溫升溫幅度明顯得多，其升溫主要出現在21世紀10年代。升溫幅度達到0.7℃?？梢?，在氣候變暖過程中，最低氣溫的變化起著決定性的關鍵作用，而對于最低氣溫的上升，春季的貢獻最大，其次為冬季。對于20 世紀90 年代年均最低氣溫的大幅上升，貢獻率最大的是冬季。

表4 衡水市各年代四季平均最低氣溫、氣候傾向率

3 氣溫變化的突變性分析

用Mann-Kendall 法檢測1972—2020 年衡水年平均氣溫序列的突變，顯著性水平a = 0.01，則臨界值u0.01=±2.58。將UF 和UB 兩條統計量序列曲線和±2.58 兩條直線繪制在同一張圖中。UF 大于0時，表明序列呈上升趨勢，小于0 則表明序列呈下降趨勢。UF 超過臨界線表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍為出現突變的時間范圍。如果UF和UB 在臨界線之間出現交點，交點對應的時刻便是突變開始的時間。

3.1 年平均氣溫變化的突變性分析

由圖4 可知，自20 世紀90 年代以來，衡水市年平均氣溫有明顯的增暖趨勢。2001 年以后這種增暖趨勢均超過0.01顯著性水平，表明衡水市氣溫上升趨勢十分顯著。根據UF和UB 曲線交點的位置，確定衡水年平均氣溫20世紀90年代的增暖是一突變現象，具體是從1997 年開始，這與全國年平均氣溫自1993年開始明顯變暖［1］的結論基本一致。

圖4 1972—2020年衡水市年平均氣溫的Mann-Kendall檢測曲線

3.2 年均最高氣溫變化的突變性分析

由圖5可知，年均最高氣溫在1995年以前較為平穩，1996 年以后氣溫轉為上升，而突變時間出現在2017 年前后，突破了0.05 顯著水平，但為突破0.01 顯著水平，說明年平均最高氣溫的上升趨勢相對于年平均氣溫的上升趨勢并不明顯。

圖5 1972—2020年衡水市年均最高氣溫的Mann-Kendall檢測曲線

3.3 年均最低氣溫變化的突變性分析

由圖6可知，年均最低氣溫從1985年開始便呈現出上升趨勢，突變時間出現在1995 年前后，并在1996 年前后突破臨界線，開始出現明顯上升趨勢。說明氣候變暖主要是因為低溫升高而產生的影響。

圖6 1972—2020年衡水市年均最低氣溫的Mann-Kendall檢測曲線

4 結語

①1972—2020 年衡水地區平均氣溫呈由東北向西南遞增趨勢，呈東北低、西南高的氣溫空間特征分布。

②1972—2020 年衡水地區年平均氣溫總體呈上升趨勢，最低氣溫增幅明顯高于最高氣溫增幅，可見氣候變暖主要來自最低氣溫升高的貢獻，而對于最低氣溫的上升，春季的貢獻最大，冬季次之。

③各季節氣溫均以增溫為主，以春季和冬季增溫趨勢最為顯著。

④20 世紀90 年代中期起衡水市年平均氣溫明顯上升，在1997 年發生增暖突變，主要是由年均最低氣溫的增暖突變引起的，2000年以后上升趨勢顯著，年平均氣溫存在28 a的震蕩周期。

⑤衡水市以農業為第一產業，農業部門在布局規劃、生產指導時要綜合考慮氣候因素。針對氣溫上升，氣候變暖趨勢，在小麥、玉米等農作物的選種、育種、管理方面要予以考慮。