气候变化背景下鄂州市近60年气温变化特征分析

黄思先 王保 陈正洪 翟红楠

摘要：基于鄂州市1959-2018年逐日气温资料，应用一元线性回归、Mann-Kendall突变检验结合累积距平法、小波分析等方法对鄂州市近60年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、极端最高气温和极端最低气温变化特征进行统计分析。结果表明，鄂州市近60年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、极端最高气温和极端最低气温都呈波动上升趋势，平均最低气温和极端最低气温的上升趋势相对于平均最高气温和极端最高气温的上升趋势更为明显;年平均气温无明显突变;年平均最高气温在2002年发生突变;年平均最低气温在1989年发生突变;年极端最高气温在2008年发生突变;年极端最低气温在1981年发生突变;年平均气温表现为准18年、准10年的年代际周期和准4年尺度的年际周期;年平均最高气温表现为准16年的年代际周期和准4年尺度的年际周期;年平均最低气温表现为准30年、准18年和准10年的年代际周期以及准4年的年际周期;极端最高气温表现为准12年的年代际周期和4-6年及2-4年的年际周期;极端最低气温表现为准30年、准16年和准10年的年代际周期以及准6年和准4年的年际周期。

关键词：鄂州市;波动上升;突变;小波分析

中图分类号：P467

文献标识码：A

文章编号：0439-8114（ 2020）12-0033-07

DOI：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.007

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

全球气候变暖问题已成为各国政府共同关注的问题，IPCC第五次评估报告[1]明确指出，1880-2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85℃，2003-2012年平均温度比1850-1900年平均温度上升了0.78℃。气象工作者对气温变化特征进行了许多研究[2-8]。于淑秋等[2]在研究气温的年代际变化中得出中国气温从1978年开始进入了一个稳定增温的气候阶段;唐红玉等[9]研究表明中国平均最高气温呈现北方增暖明显、南方变化不明显的特征，年平均最低气温全国各地基本一致，呈明显的变暖趋势;黄济琛等[10]得出近45年常德市年平均气温呈明显升高趋势;刘永婷等[11]得出近55年安徽省气候呈明显的暖化趋势，年均气温及春、秋、冬季气温均呈明显上升趋势，其中春季升温幅度最显著，年平均气温在20世纪90年代波动幅度最大;丁斌等[12]研究得出长江流域近50年来年平均气温、年平均日最低气温、年平均日最高气温在20世纪50年代明显偏高，60-80年代波动下降，80年代中后期以后有所上升，90年代较80年代增温0.3 -0.6℃;丁丽佳等[13]得出潮州市近53年来平均气温呈增加趋势，冬季增温最明显。

湖北省鄂州市位于湖北省东部，长江中游南岸，武汉城市圈和长江中游城市群重要成员，鄂东水陆交通枢纽之一，属亚热带季风气候区，是气象灾害易发地带。本研究利用鄂州市1959-2018年60年气温资料，运用气候学统计诊断方法，分析年平均气温、年平均最高气温、年平均最低气温、年极端最高气温和极端最低气温5个气温要素的气候变化特征和发展规律。

1 资料与方法

1.1 資料

选用湖北省鄂州市气象局地面气象观测站1959-2018年逐日气温资料，资料数据质量经过质控检验，按照各气象要素定义分别计算得出逐年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、极端最高气温和极端最低气温5个气温要素值。

1.2方法

应用一元线性回归分析法对5个气温要素值进行气候趋势分析，应用Mann-Kendall（ M-K）检验法结合累积距平法对5个气温要素序列进行突变检验，应用Morlet小波变换对5个气温要素进行周期分析。

Mann-Kendall检验法是一种非参数统计检验方法，其优点是样本不需要遵从特定的分布，人为干扰比较少，不受个别异常值的干扰，可以检验较宽的范围，可以明确突变的区域，指出突变开始的时间。累积距平可以判断长期显著的演变趋势及持续性变化，可以诊断出发生突变的大致时间，从曲线小的波动变化可以考察其短期的距平值变化[14，15]。

Morlet小波分析在时域、频域上具有局部辨识力，可诊断出气温序列变化的多层次特征，进而得到周期变化在不同时间尺度上的详细信息[16，17]。小波系数的实部、模是Morlet小波变换得到的最重要变量。实部包含所给定时间和尺度信号相对于其他时间和尺度信号的强度和位相两方面的信息;模的大小表示特征时间尺度信号的强弱，模值越大，表明其所对应的时段和尺度的周期性越明显;正的小波系数对应于偏多期，负的小波系数对应于偏少期18-。

2 气温变化特征分析

2.1 气温时间变化特征

2.1.1 平均气温及平均最高、最低气温 由图l可知，近60年来鄂州市多年平均气温为17.4℃，年平均气温总体呈波动上升趋势，以0.2140C/IO年的倾向率上升，趋势相关系数为0.482 9，上升趋势较显著，自2013年以来，维持偏暖。多年平均最高气温为21.6℃，年平均最高气温总体也呈波动上升趋势，以0.2070C/IO年的倾向率上升，趋势相关系数为0.280 6，上升趋势较显著。多年平均最低气温为14.0℃，年平均最低气温总体上也呈波动上升趋势，以0.2840C/10年的倾向率上升，趋势相关系数为0.633 8，上升趋势显著。

2.1.2 极端气温由图2可知，近60年来鄂州市多年极端最高气温平均为38.3℃，极端最高气温为41.0℃，出现在2013年，年极端最高气温总体呈波动上升趋势，以0.1650C/10年的倾向率上升，自2013年以来，超过40℃的极端高温频次明显增加。多年极端最低气温平均为-4.4℃，极端最低气温为一12.4℃，出现在1969年，年极端最低气温总体也呈波动上升趋势，以0.6420C/10年的倾向率上升，趋势相关系数为0.242 9，上升趋势较显著，自20世纪90年代以来，低于一5℃的极端低温频次明显减少。

2.2气温突变特征

采用M-K突变检验法联合累积距平法对鄂州市近60年气温进行突变检验，结果如图3a至图3f、图4a至图4d所示。

2.2.1 平均气温及平均最高、最低气温 由图3a可知，鄂州市年平均气温UF曲线在1988年以后大于0，表明年平均气温自20世纪80年代末以后有明显上升趋势，1997年以后UF曲线超过0.05趋势线，表明20世纪末至今鄂州市年平均气温上升趋势十分显著;UF与UB交叉点位于1998年并处于临界线以外，结合累积距平斜率（图3d）在1998年无明显变化，可判断鄂州市年平均气温无明显突变。由图3b可知，年平均最高气温UF曲线在1998年以后大于0，表明年平均最高气温自20世纪末以后有明显上升趋势，2006年以后UF曲线超过0.05趋势线，表明近十年鄂州市年平均最高气温上升趋势十分显著;UF与UB交叉点位于2001年并处于临界线以内，结合累积距平斜率（图3e）在2001年处明显增大，可判断鄂州市年平均最高气温在2002年发生突变。由图3c可知，年平均最低气温UF曲线在1979年以后大于0，表明年平均最低气温自20世纪70年代末以后有明显上升趋势，1987年以后UF曲线超过0.05趋势线，表明20世纪80年代末至今鄂州市年平均最低气温上升趋势十分显著;UF与UB交叉点位于1989年并处于临界线以外，结合累积距平斜率（图3f）在1989年明显增大，可判断鄂州市年平均最低气温在1989年发生突变。

2.2.2 极端气温 由图4a可知，鄂州市年极端最高气温UF曲线在2000年以后大于0，表明年极端最高气温自21世纪初以后有明显上升趋势;UF与UB交叉点位于2008年和2013-2015年并处于临界线以外，结合累积距平斜率（图4c）在2008年处明显增大、2013-2015年变化不明显，可判断鄂州市年极端最高气温在2008年发生突变。由图4b可知，年极端最低气温UF曲线在1981年以后大于0，表明年极端最低气温自20世纪80年代初以后有明显上升趋势，1987年以后UF曲线超过0.05趋势线，表明自20世纪80年代末至今鄂州市年极端最低气温上升趋势十分显著;UF与UB交叉点位于1981年并处于临界线以内，结合累积距平斜率（图4d）在1981年明显增大，可判断鄂州市年极端最低气温在1981年发生突变。

2.3 气温周期变化特征

采用Morlet小波对鄂州市近60年气温进行周期演变分析，绘制了小波变换系数实部和小波模，小波系数实部为正值时用实线绘出，为负值时用虚线绘出，通过小波分析可以看出气温随着不同时间尺度冷暖交替变化（图5a至图5f、图6a至图6d）。

2.3.1 平均气温及平均最高、最低气温 由图Sa可知，鄂州市年平均气温变化过程在整个时域上存在着准30年和准18年的年代际周期变化规律，准10年的周期变化规律在1980年以后表现明显，4-6年尺度的周期变化规律在1959-1985年表现明显，2-4年尺度的周期变化规律在1986年以后表现明显。小波模（图5d）在准18年附近在整个时间域上都相对较大，在年代际周期准10年处在2010年以后模值相对较大，在年际周期准4年处在1975-1985年和1990-2000年模值相对较大。因此，鄂州市近60年年平均气温主要表现为准18年尺度、准10年尺度的年代际周期和准4年尺度的年际周期。準18年年代际周期变化规律在整个时间域上都明显，已持续了3个冷一暖周期，准10年年代际周期变化规律在2010年以后表现明显，准4年年际周期变化规律在1975-1985年和1990-2000年最明显。

由图5b可知，鄂州市年平均最高气温变化过程在1959-2000年存在准16年的周期变化规律，准19年的周期变化规律在2001年以后表现明显，准28年的周期变化规律在1990年以后表现明显，8-10年尺度的周期变化规律在1980年以后表现明显，4-6年尺度的周期变化规律在1959-1977年表现明显，2-4年尺度的周期变化规律在1970-2000年和2010-2018年表现明显。小波模（图5e）在年代际周期准16年处在1959-1988年相对较大，年际周期准4年处在1975-1985年模值相对较大，2-4年处在1993-2000年模值相对较大。因此，鄂州市近60年年平均最高气温主要表现为准16年尺度的年代际周期和准4年尺度的年际周期。准16年年代际周期变化规律在1959-1988年最明显，已持续了2个冷一暖周期，准4年年际周期变化规律在1959-2000年以及2010-2018年最明显。

由图5c可知，鄂州市年平均最低气温变化过程在整个时间域上存在着准30年和准18年的年代际周期变化规律，准10年尺度的周期变化规律在1980年以后表现明显，准4年尺度的周期变化规律在1959-1993年表现明显。小波模（图5f）在年代际周期准30年处在整个时间域上模值都相对较大，在准18年处1985年之后模值相对较大，在年代际周期准10年处1994年之后模值相对较大，在年际周期准4年处在1959-1993年模值相对较大。因此，鄂州市近60年年平均最低气温主要表现为准30年尺度、准18年尺度和准10年尺度的年代际周期以及准4年的年际周期。准30年年代际周期变化规律在整个时间域上都明显，已持续了2个冷一暖周期，准18年年代际周期变化规律在1985年之后明显，准10年年代际周期变化规律在1994年以后最明显，准4年年际周期变化规律在1959-1993年最明显。

2.3.2极端气温由图6a可知，鄂州市年极端最高气温变化过程存在准18年年代际周期变化规律，其在1989年以后表现明显，准12年的年代际周期变化规律在1977-2012年表现明显，4-6年尺度的周期变化规律在1959-1999年表现明显，2-4年尺度的周期变化规律在2000年以后表现明显。小波模（图6c）在年代际周期准12年处在1975-2007年模值较大，在年际周期准4-6年处在1963-2000年模值较大，在年际周期准2-4年处在2001年以后模值较大。因此，鄂州市近60年年极端最高气温主要表现为准12年尺度的年代际周期和4-6年尺度及2-4年尺度的年际周期变化规律。准12年年代际周期变化规律在1975-2007年最明显，4-6年年际周期变化规律在1963-2000年最明显，2-4年年际周期变化规律在2001年以后最明显。

由图6b可知，鄂州市年极端最低气温变化过程在整个时间域上存在着准30年的年代际周期变化规律，准16年尺度的周期变化规律在1994年以后表现明显，准10年尺度的周期变化规律在1959-1993年表现明显，准6年尺度的周期变化规律在1979年以后表现明显，准4年尺度的周期变化规律在1968-1981年和2003年以后表现明显。小波模（图6d）在年代际周期准30年处在整个时间域上模值相对较大，在年代际周期准16年处2002年以后模值较大，在年代际周期准10年处1960-1993年模值相对较大，在年际周期准6年处在1980-1998年模值相对较大，在年际周期准4年处在1966-1982年模值相对较大。因此，鄂州市近60年年极端最低气温主要表现为准30年尺度、准16年尺度和准10年尺度的年代际周期以及准6年尺度和准4年尺度的年际周期。准30年年代际周期变化规律在整个时间域上都明显，并已持续了2个冷一暖周期，准16年年代际周期变化规律在2002年以后最明显，准10年年代际周期变化规律在1960-1993年最明显，准6年年际周期变化规律在1980-1998年以后最明显，准4年年际周期变化规律在1966-1982年最明显。

3 小结

通过对鄂州市近60年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、极端最高气温和极端最低气温变化特征进行统计分析，得出如下结论。

1）鄂州市近60年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、极端最高气温和极端最低气温都呈波动上升趋势，上升倾向率分别为0.214、0.207、0.284、0.165和0.642℃/IO年，平均最低气温和极端最低气温的上升趋势相对于平均最高气温和极端最高气温的上升趋势更明显。

2）近60年以来，鄂州市年平均气温自20世纪80年代末以后有明显上升趋势，20世纪末至今上升趋势十分显著，但无明显突变;年平均最高气温自20世纪末以后有明显上升趋势，近十年上升趋势十分显著，在2002年发生突变;年平均最低气温自20世纪70年代末以后有明显上升趋势，20世纪80年代末至今上升趋势十分显著，在1989年发生突变;年极端最高气温自21世纪初以后有明显上升趋势，在2008年发生突变;年极端最低气温自20世纪80年代初以后有明显上升趋势，20世纪80年代末至今上升趋势十分显著，在1981年发生突变。

3）鄂州市近60年年平均气温主要表现为准18年尺度、准10年尺度的年代际周期和准4年尺度的年际周期;年平均最高气温主要表现为准16年尺度的年代际周期和准4年尺度的年际周期;年平均最低气温主要表现为准30年尺度、准18年尺度和准10年尺度的年代际周期以及准4年的年际周期;极端最高气温主要表现为准12年尺度的年代际周期和4-6年尺度及2-4年尺度的年际周期;极端最低气温主要表现为准30年尺度、准16年尺度和准10年尺度的年代际周期以及准6年尺度和准4年尺度的年际周期。

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基金项目：湖北省气象局科技发展基金项目（2019JIO）

作者简介：黄思先（1987-），男，湖北黄冈人，工程师，主要从事气候预报预测及研究工作，（电话）15926018229（电子信箱）642126802@qq.com;通信作者，王保（1989-），女，湖北黄冈人，工程师，主要从事天气预报工作，（电子信箱）1011897778@qq.com。