1951—2020年福州市氣溫變化趨勢分析

王麗玉，王 鑫，李雙錦

1.福建省氣象臺，福建福州 350008；2.福建省氣象信息中心，福建福州 350008

當前，全世界十分關注全球氣溫上升，經過專家科研團隊測試對比發現，現在全球變暖的趨勢仍在上升。全球變暖原因是人與自然相處的不夠協調，經濟和工業發展破壞了生態環境，尤其是近百年內的全球經濟發展快速，大量生態地區被開發成居住地和生產用地，如今的氣溫不斷上升現象按照10年資料分析對比趨勢明顯。我國也受到自然災害頻率增高的影響，福州市的氣候變化具有十分明顯的區域性和季節性特點。在生態環境導致的氣候變化影響下，福州地區出現多次突發天氣事件。不同地區的自然地理和氣候條件有很大差異，因此導致氣候變化的原因也不盡相同。研究降水和溫度等氣候水文參數的變化趨勢，對于科學理解氣候變化引起的降水量等氣象水文因素的作用機制和區域水資源管理具有重要意義。

溫度是氣候變化最重要的標志之一。溫度的變化對生產和人類生活以及自然棲息地都有很大的影響，并將對中國的發展產生更深刻的影響。福州地處中國東部沿海，所處的地理位置決定了其自身的溫度變化特點。為了繼續探索福州地區的氣候變化的特征，提高氣候變化研究的水平，分析一定時間內的福州地區月溫度和年溫度、最高氣溫和最低氣溫中具備的標志性變化現象，為福州市生態和自然災害建設提供全面、科學的數據支持[1]。

1 資料與方法

1.1 資料來源

數據來源于福州國家基準氣候站1951—2020年歷年逐月平均氣溫、逐日最高、最低氣溫地面觀測資料，并以此為基礎，分別統計整理出季、年長序列氣溫資料。資料時間序列長，極具有代表性。將四季劃分為：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12月至翌年2月）。

1.2 研究方法

采用線性傾向估計、滑動平均法等，對1951—2020年福州地區的年和各季平均氣溫、極端最高與最低氣溫、平均最高與最低氣溫分別進行年和年代際變化趨勢分析，然后用累積距平、Mann-Kendall法分別做各氣溫序列的突變檢測。

（1）線性傾向估計法。通過線性傾向估計法分析氣溫的長期變化趨勢，計算公式如下：

式（1）中，y為氣溫，t為時間序列，a為回歸常數；b為回歸系數，a和b可以用最小二乘法進行估計。b的符號表示氣候變量的趨勢傾向。當b＞0時，說明氣溫呈上升趨勢；當b＜0時，說明氣溫呈下降趨勢，b值表示上升或下降的速率。

（2）滑動平均法。用一段時間的平均值表示統計序列的變化趨勢，一定程度上消除序列中的反復隨機波動，滑動平均值的表達式為：

式（2）中：xi+j-1為樣本量為n的序列；k為滑動長度，k取5年。

（3）Mann-Kendall（M-K）檢驗法。采用Mann-Kendall非參數檢驗法進行突變分析，令氣候序列為x（x1，x2, …, xn），mi表示第i樣本xi大于xj（1≤j≤i）的累積數，統計量定義為：

在假設的原序列的隨機獨立情況下，dk的均值和方差分別是：

將dk標準化：

給定顯著性水平a=0.01，即U0.01=±2.56，當|UFk|>U0時，表明序列存在明顯的增長或減少趨勢。所有UFk將組成一條曲線UF，把同樣的方法應用于反序列中，得到另一條曲線UB，將統計量曲線UF、UB和u0.01=±2.56兩條直線均會在同一張圖上，如果UF的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當他們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。如果UF和UB兩條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間。

2 結果與分析

2.1 福州市氣溫年變化特征

從福州市氣溫年變化曲線可以看出，福州市年平均氣溫最暖年出現子在2020年，為21.5℃；最冷年出現在1976年，為19.1℃（圖1a）。1951—1996年屬偏冷年份，自1997年起為偏暖年份，平均氣溫均大于多年平均值，且呈波動上升變化。運用一元線性回歸法對福州市年平均氣溫變化進行趨勢分析，得出其變化趨勢方程為y=0.0237t+19.181，通過α=0.01的顯著檢驗，其氣候傾向率為0.237℃/10年，說明福州市年平均氣溫近70年來呈明顯的上升趨勢[2]。從5年的滑動平均變化來看，1951—1996年的年平均氣溫處于多年平均以下，1997—2020年的年平均氣溫處于多年平均以上；根據5年滑動平均變化曲線與平均值線判斷，1951—1996年屬偏冷年，1997—2020年屬偏暖年。

由圖1b累積距平曲線可知，福州市過去70年的氣溫變化可以分為2個階段，自1951—1993年氣溫平均值為19.64℃，大多數年份為負距平，說明這一時期該地區是偏冷階段；1994—2020年氣溫平均值為20.63℃，除了1995、1996年為負距平，其余年份均為正距平，而2020年的平均氣溫距平達1.5℃，為70年來最高，說明該地區處于偏暖階段，氣溫具有明顯的升溫趨勢。

圖1 福州市1951—2020年的年平均氣溫變化趨勢及累積距平

2.2 平均最高氣溫、最低氣溫變化特征

平均最高氣溫、最低溫度是反映某地冷熱狀況最直接的指標。從福州市近70年的年平均最高氣溫、最低氣溫變化來看（圖2）。福州市年平均最高、最低氣溫隨時間演變情況與年平均氣溫相似，總體呈上升趨勢。

從福州近70年來的年平均最高氣溫的變化曲線圖來看，平均最高氣溫呈上升趨勢，其氣候傾向率為0.195℃/10年，低于年平均氣溫，多年平均值為24.6℃，最暖年和最冷年的年平均最高氣溫差值達2.9℃（圖2a）。2000年前年平均最高氣溫大多數低于平均值，進入21世紀以來，多數年份高于平均值（除2011、2012年低于平均值外）。

從福州市70年的平均最低氣溫變化趨勢（圖2b）來看，近70年來的平均最低氣溫呈上升趨勢，其氣候傾向率為0.245℃/10年，高于年平均氣溫，年平均最低氣溫以20世紀90年中后期為界（1997年），前46年偏低，普遍低于平均值（37年低于平均值）以下；后24年波動升溫，尤其是進入21世紀以來的頭10年平均最低氣溫增溫明顯，在21世紀01年代的初中期 氣溫出現回落現象[3]。1997—2020年的平均最低氣溫均高于平均值，70年來的平均最低氣溫為15.9℃（1962年）。

圖2 福州市年平均最高氣溫（a）和平均最低氣溫（b）的年際變化

2.3 福州市四季氣溫變化特征

從福州市四季氣溫變化趨勢分析可知，福州市春、夏、秋、冬季氣溫變化趨勢與年平均氣溫變化趨勢基本相似，均呈升溫趨勢，氣候傾向率分別為0.257、0.222、0.226、0.25℃/10年。進入21世紀，升溫更加明顯。春季最冷出現在1951年（16.2℃），最暖出現在2018年（21℃）；夏季最低出現在1973年（26.6℃），最高出現在2020年（29.8℃）；秋季最低出現在1976年（20.1℃），最高出現在2018年（23.8℃）；冬季最冷出現在1967年（8.9℃），最暖出現在2020年（14℃）。

運用累積距平法分析福州四季氣溫變化趨勢（圖3）。可以看出，春季氣溫變化大致分為2個階段：1951—1996年為偏冷階段；1997—2020年為偏暖年，2個階段平均氣溫相差1.3℃；夏季氣溫變化大致分為2個階段：1951—1987年為氣溫偏低階段，1988—2020年為氣溫偏高階段年，2個階段平均氣溫相差0.8℃；秋季氣溫總體分為2個階段：1951—1992年表現為偏冷階段，在20世紀60年代初期和80年代初中期氣溫出現回暖，1993—2020年為偏暖階段，在2000年前后出現氣溫回落，2個階段平均氣溫相差1.0℃；冬季氣溫總體分為2個階段：1951—1985年表現為偏冷階段，在70年代前后氣溫出現回暖，1986—2020年為偏暖階段，在201年前后出現氣溫回落，2個階段平均氣溫相差1.1℃。

圖3 福州市1951—2020年的四季累積距平曲線

2.4 氣溫的突變檢驗分析

氣候突變是指在較短時期內由一種相對穩定的氣候狀態過渡到另一種氣候狀態的變化，是氣候系統非線性性質的一種表現[4]。由圖4可知，福州市年氣溫從1951—2020年一直呈增溫趨勢，UF值從1973—2020年超過1.96，UF和UB線在1993年附近發生交叉，交叉點處于α=0.05信度線之外，從Mann-Kendall檢驗曲線不能判斷年平均氣溫突變年份，但從UF曲線變化趨勢可知，福州市年平均氣溫從1973呈顯著增溫趨勢。結合累積距平和信噪比（S/N=1.4），結果表明：福州市年平均氣溫在1993年出現拐點，且信噪比大于1，說明福州市年平均氣溫在1993年發生增溫突變的可能。

圖4 福州市1951—2020年的年平均氣溫Mann-Kendall檢驗曲線

福州市氣溫趨勢將如何變化，變暖趨勢是否會上升，對生態環境的影響程度等問題需要進行深入研究。當前，相關部門必須采取切實有效的環境保護措施，進一步保護福州生態系統，深入研究氣候變化的影響，提高應對氣候變化和自然災害的自救能力，最大限度地降低氣候變暖的負面影響[5]。

3 結論

（1）福州市年1951—2020年平均氣溫呈明顯增溫趨勢，70年間氣溫上升了1.7℃，以1992年為界，后期增溫顯著，其中2011—2020年升溫幅度最大，比多年平均氣溫增加0.8℃。

（2）運用Mann-Kendall檢驗法，對年平均氣溫進行突變分析，年平均氣溫交叉點初相在α=0.05置信區間外，結合累積距平和信噪比分析福州70年間年平均氣溫在1993年出現拐點，基本上可以判定1993年為年平均氣溫增暖突變的年份，且UF線趨勢可知年平均氣溫長序列呈升溫趨勢，尤其以1978年以后的氣溫呈顯著升溫趨勢。

由此可見，福州市年極端最低氣溫顯著上升和極端最高氣溫呈現上升趨勢，表明福州的極端氣溫變化正向變暖的方向發展。