近60年桓仁地区极端气温变化特征及其趋势分析

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  摘要 利用1953—2014年桓仁站逐日最高、最低气温资料,采用线性趋势分析、高斯滤波、Mann-Kendal突变检验、小波分析等方法,对桓仁地区极端最高、最低气温变化特征、变化趋势及周期振荡特征进行了统计分析。结果表明:桓仁地区年极端最高气温主要出现在每年的5—8月,其中7—8月出现次数最多;年极端最低气温主要出现在每年的12月至翌年3月,其中1月出现次数最多。桓仁地区极端最高、最低气温均有随时间升高的趋势,极端低温的升温趋势较为显著,以1.2 ℃/10年的速度显著升高。并且,桓仁地区的极端最低气温在20世纪70年代初有一次明显的突变,突变前桓仁地区极端最低气温偏低,突变后转为偏高。桓仁地区的极端最高、最低气温存在较为明显的低频振荡特征,二者均存在明显的准20年周期,并且二者都存在准5年的高频振荡特征,另外,桓仁地区的极端高温还存在着明显的准10年振荡特征。
  关键词 极端气温;线性趋势;突变检验;小波分析;辽宁桓仁;1953—2014年
  中图分类号 P467 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2015)08-0240-04
  Abstract Based on daily temperature data,the general features of the temperature in Huanren from 1953 to 2014 and as well as its periodic oscillation were investigated by linear trend analysis,Gaussian,Mann-Kendal mutation test,and wavelet analysis method.The results showed that extreme maximum temperature in Huanren mainly occured in May to August,which occured most frequently in July and August;extreme minimum temperature occurred mainly in the December to March next year,which occured most frequently in January .Extreme temperature in Huanren has increased over time,the warming trend of extreme minimum temperature was more significant with a rate of 1.2 ℃ per 10 years.The extreme temperature anomalies exhibit evident decadal change in the mid-1970s,both the extreme maximum temperature and extreme minimum temperature in Huanren area tend to decreased after the mid -1970s.Further analysis indicated that there were typical low-frequency oscillations in Huanren extreme temperature anomalies,which were characterized by obvious quasi-20 years cycle,and the period of high-frequency oscillations was 5 years.There was an obvious low-frequency oscillation in quasi-20 years cycle,and both were characterized by the presence of high-frequency oscillations of quasi-5 years.In addition,extreme maximum temperature in Huanren still has significant quasi-10 years oscillation characteristics.
  Key words extreme temperature;variation trend;Mann-Kendall test;wavelet analysis;Huanren Liaoning;1953—2014
  19世纪后期出现的全球气候明显变暖使得学术界对气候变化方面的研究日渐重视,多数学者认为近50余年的增暖主要是由人为引起的大气温室气体浓度增加造成的[1]。IPCC(政府间气候变化专门委员会)第3次气候变化评估报告指出,在过去的100 多年里,大气中CO2浓度明显增大,使得过去140 年中全球平均气温升高了0.4~0.8 ℃,达到了100 年以来的最高值[2-3]。桓仁满族自治县隶属于辽宁省本溪市,地处东经124°43′~125°47′,北纬40°26~41°34′。东与吉林省、集安县、通化县相连,南与宽甸县交界,西与本溪县接壤,北与新宾县毗邻。东北部和通化县、集安市交界。桓仁县地势自西北向东南倾斜,平均倾斜坡度为1/10 000。海拔高度一般在35~40 m。低点在县城东南金屯镇东部,海拔35 m;高点在县城西北黄垓乡中部,海拔40 m,东南比西北相差5 m,东比西相差3~4 m。桓仁地区属于温带大陆性湿润季风气候,四季分明,年平均气温7.4 ℃[4]。对这一地形区的极端气温变化特征的研究与分析,有助于深入了解中国东北山地地形长白山余脉地区的气候变化规律,探讨这一类型地区气候变化的原因及预报预防气象灾害的发生[5-7]。因此,该文基于桓仁国家基本气象站的逐日最高、最低气温资料,分析了桓仁县极端气温气候特征及其变化规律,以期对东北山地地形长白山余脉地带的气候变化特征形成更准确的认识。   1 资料与方法
  选取1953—2014年桓仁站日最高、最低气温观测数据,数据时间长度62年,逐年统计年极端最高气温和年极端最低气温。采用趋势分析、高斯滤波、M-K突变检验、小波分析等方法,研究桓仁地区极端气温的气候特征及其变化规律。
  2 结果与分析
  2.1 桓仁地区极端气温的年际变化特征
  桓仁地区平均年极端最高气温为33.2 ℃,主要出现在每年的5—8月,其中7月、8月出现次数最多,分别为21次和25次,所占比例分别达到34%和40%,6月出现14次,占23%,5月出现次数最少,在统计时段内只有2年的极端最高气温出现在了当年5月,占3%。
  从图1可以看出,桓仁地区的极端最高气温高低程度逐年不同,有明显的年际尺度变化特征。对桓仁地区年极端最高气温时间序列进行一元线性回归之后得出趋势线(虚线),可以看出桓仁地区年极端最高气温随时间有弱的增强趋势,但是这种增强趋势并不明显,其趋势系数仅为0.01。并且,根据该趋势系数计算得到的极端最高气温和时间的相关系数R值很小,为0.14,仅通过了α=0.5的显著性检验。
  桓仁地区平均年极端最低气温为-28.5 ℃,主要出现在每年的12月到翌年3月,1月出现次数最多,出现次数为38次,所占比例达61%,其次是12月,出现次数为16次,占26%,出现在2月、3月的次数较少,分别为7次和1次,占11%和2%。
  从图2可以看出,桓仁地区的极端最低气温存在明显的年际尺度变化特征,并有明显的升高趋势。其线性趋势达到0.12,且该趋势通过了α=0.01的显著性检验,说明近62年来桓仁地区的年极端最低气温以1.2 ℃/10年的速度显著升高。
  2.2 桓仁地区极端气温的年代尺度特征
  对于极端最高气温,从图3a可以看出,20世纪50—80年代,桓仁地区极端最高气温在年代尺度上的变化并不明显,20世纪80—90年代之间桓仁地区的极端最高气温有一次下降过程,极端最高气温偏低,在20世纪80年代中期达到最低水平。20世纪90年代至今,桓仁地区的的极端最高气温呈现偏高状态,在90年代中期达到一次较高水平,随后略有下降,2000年至今,桓仁地区的极端最高气温仍然处于偏高状态且呈明显上升趋势。
  对于极端最低气温,从图3b可以看出,桓仁地区的极端最低气温在20世纪70年代初有一次明显的突变过程。20世纪70年代前,桓仁地区的极端最低气温明显偏低,在年际尺度上均对应为明显的负距平,并在20世纪60年末初达到最低水平,随后开始升高。20世纪70年代后,桓仁地区的极端最低气温明显偏高,极端最低气温正距平显著,并在20世纪90年代中期达到最高水平。近年来桓仁地区的极端最低气温仍然保持在显著偏高的水平。
  2.3 桓仁地区极端气温的M-K突变检验
  桓仁地区的极端最高气温(图4a)并没有明显的突变特征,而极端最低气温(图4b)有明显的突变特征,其突变点在1971年前后,突变前桓仁地区的极端最低气温偏低,突变后转为偏高。从M-K突变检验可以看出,桓仁地区的极端最高、最低气温的突变特征与我国大部分地区的温度变化特征相似,即低温升高显著,且在20世纪70年代前后有一次明显的由冷向暖的突变过程。
  2.4 桓仁地区极端气温小波分析
  从图5a可以看出,桓仁地区的极端最高气温存在着18~20年、9~10年、5~6年3个明显振荡周期,其中18~20年周期和9~10年周期贯穿整个研究时段,并且这2个周期振荡在20世纪80年代后有明显增强,而5~6年周期相对较弱。对应在准10年时间尺度上,桓仁地区62年来的极端最高气温经历了14个冷暖交替过程,其中有7个暖期和7个冷期;准20年时间尺度上,桓仁地区62年的极端最高气温经历了6个冷暖交替过程,在20世纪50年代中期至60年代中期、20世纪70年代中期至80年代中期、20世纪90年代中期至21世纪初桓仁地区的极端最高气温偏高,而在20世纪60年代中期至70年代中期、20世纪80年代中期至90年代中期、21世纪初期至21世纪10年代中期桓仁地区的极端最高气温偏低。从小波方差(图5b)可以看出,桓仁地区极端最高气温的准10年周期振荡最为明显,其次是准20年周期,而准5年的高频周期振荡相对较弱。
  从图6a可以看出,桓仁地区的极端最低气温存在着20~21年、5~6年2个明显振荡周期,这2个振荡周期均贯穿整个研究时段。对应在准20年时间尺度上,桓仁地区62年的极端最低气温经历了8个冷暖交替过程,在20世纪50年代中期前及20世纪60年代末至70年代中期、20世纪80年代末至90年代中期、21世纪初至21世纪10年代中期桓仁地区极端最低气温偏高,而在20世纪50年代中期至60年代末、20世纪70年代中期至80年代末、20世纪90年代中期至21世纪初以及21世纪10年代中期至今,桓仁地区的极端最低气温偏低。从小波方差(图6b)可以看出,桓仁地区极端最高气温的准20年周期振荡最为明显,而准5年的高频周期振荡相对较弱,说明桓仁地区的极端最低气温以准20年周期的低频振荡为主。
  3 结论
  (1)桓仁地区平均年极端最高气温为33.2 ℃,主要出现在每年的5—8月,其中7月、8月出现次数最多。桓仁地区平均年极端最低气温为-28.5 ℃,主要出现在每年的12月至翌年3月,其中1月出现次数最多。
  (2)在年际尺度上,桓仁地区的极端最高、最低气温均有明显的年际尺度变化特征。极端最高气温随时间有弱的增强趋势,但是这种增强趋势并不明显。极端最低气温随时间有明显的升高趋势,近62年来桓仁地区的年极端最低气温以1.2 ℃/10年的速度显著升高。
  (3)在年代尺度上,20世纪50年代至80年代,桓仁地区的极端最高气温在年代尺度上的变化并不明显,20世纪80年代至90年代桓仁地区的极端最高气温有一次下降过程,在20世纪80年代中期达到最低水平。20世纪90年代至今,极端高温呈现偏高状态,在90年代中期达到一次较高水平,随后略有下降,2000年至今,极端高温仍然处于偏高状态;对于极端最低气温,在20世纪70年代初有一次明显的突变过程。20世纪70年代前,桓仁地区的极端最低气温明显偏低,在20世纪60年末初达到最低水平,随后开始升高。20世纪70年代后,极端最低气温明显偏高,极端低温正距平显著,并在20世纪90年代中期达到最高水平。近年来桓仁地区的极端低温仍然保持在显著偏高的水平。这种极端低温的变化趋势及其突变特征与全球变暖背景下我国大部分地区的温度变化特征基本一致[8-9]。   (4)通过M-K突变检验分析,桓仁地区的极端最低气温存在明显的突变特征,其突变点在1971年前后,突变前极端最低气温偏低,突变后转为偏高。
  (5)桓仁地区的极端最高、最低气温存在较为明显的低频振荡特征,其振荡周期为准20年周期。并且,桓仁地区的极端最高、最低气温还存在准5年的高频振荡特征,但高频振荡特征与低频振荡相比相对较弱。另外,桓仁地区的极端高温还存在着明显的准10年周期振荡特征。
  4 讨论
  桓仁地区极端气温的变化趋势是该地区温度变化的一种体现,通过对桓仁地区极端最高、最低气温变化趋势的研究可以发现,桓仁地区近62年的温度变化与我国大部分地区温度变化趋势基本一致,即高温升温缓慢、低温升温明显。并且,通过研究可以发现桓仁地区冬季温度有明显升高趋势,这在某种程度上对农业生产和人们的日常生活有利。桓仁县气候变暖缓慢,与其县域自然生态环境好,人口密度小、温室气体排放少有直接的关系[10-11]。及时了解极端气温的变化趋势,有利于预报员更好地了解当地气候特征,对当地的气候资源利用及短期气候预测业务有很大帮助。该研究对桓仁县气温变化趋势及特征进行了分析,对于指导桓仁县极端气温的预报,生态农业规划布局,以及合理开发和利用当地气温资源有一定的参考作用。影响气候变化包括的气象要素很多,今后还需要进一步深入研究。
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