研究论文 正式出版 版本 4 Vol 10 (3) : 239-247 2019
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天水市过去116年气温变化趋势及突变分析
Features of temperature variations in Tianshui during the past 116 years
: 2018 - 07 - 13
: 2018 - 10 - 22
: 2018 - 11 - 02
142 0 0
摘要&关键词
摘要:天水位于青藏高原东北部的副热带北部边缘,受大陆性季风气候的影响,生态环境脆弱,是研究全球变化区域响应的理想之地。基于天水市1901—2016年的月平均气温资料,运用一元线性回归、5年滑动平均和Mann-Kendall非参数检验等方法分析了过去116年来天水市气温在不同尺度上的变化特征及突变节点。结果表明:天水市1901-2016年气温总体上呈上升趋势,气候倾向率为0.058℃·(10a)-1。各季节均表现出增温的趋势,春季、夏季、秋季和冬季的线性倾向率分别为0.084℃·(10a)-1、0.019℃·(10a)-1、0.022℃·(10a)-1、0.102℃·(10a)-1。最冷月份1月及最热月份7月同样表现出增温趋势,线性倾向率依次为0.085℃·(10a)-1、0.038℃·(10a)-1。年平均气温在1923年和1993年发生了两次突变。春季和秋季突变年与年平均气温基本一致,夏季气温突变存在超前和滞后现象,冬季突变时间为1978年。最冷月份1月平均气温在1977年发生突变,最热月份7月平均气温突变年份集中在2000s时段。总体而言,天水市过去一百多年来,气温呈上升趋势与全球变暖大背景一致。
关键词:气温;特征分析;突变分析;天水市
Abstract & Keywords
Abstract: Background, aim, and scope: Tianshui is located on the northern edge of the subtropical zone in the northeastern part of the Qinghai-Tibet Plateau. Due to the continental monsoon climate, Tianshui has a fragile ecological environment. It is an ideal place to study the regional response of global change. Materials and methods: Based on the monthly average temperature data of Tianshui from 1901 to 2016, using the linear regression, 5-year moving average and Mann-Kendall non-parametric test, the variation characteristics of Tianshui temperature on different scales during the past 116 years were analyzed. Results: The annual average temperature in Tianshui was generally rising from 1901 to 2016, with a tendency rate 0.058 °C·(10a)-1. The four seasons showed warming trends and the increasing rates in spring, summer, autumn and winter were 0.084 °C·(10a)-1, 0.019 °C·(10a)-1, 0.022 °C·(10a)-1 , 0.102 °C·(10a)-1. The trend of warming occurred in the coldest month (January) and the hottest month (July), and the linear tendency rates were 0.085 °C·(10a)-1 and 0.038°C·(10a)-1. The abrupt years of annual average temperature occurred in 1923 and 1993. The similar abrupt years appeared in both spring and autumn average temperature. The summer temperature mutations were advanced and lagged, and the winter temperature mutation year occurred in 1978. For the coldest month in January, the average temperature was abruptly changed in 1977, and that of the hottest month in July was concentrated in the 2000s period. Discussion: Global climate change has a wide-ranging impact on the natural environment and human society. The influence of rising temperature is one of the main manifestations. The analysis of temperature variation characteristics on the regional scale could help to cope with the adverse effects of climate change and enhance adaptability. Conclusions:The temperature of annual, seasonal and monthly scales of the Tianshui region generally showed an upward trend from 1901 to 2016, and there were significant mutation signals, which were consistent with the background of global warming. Recommendations and perspectives: The variations of climate elements are closely related to the coordinated development of regional natural environment and human society. Temperature as an important climatic factor, it is necessary to reveal its long-term features that will help to reduce the risk of climate disasters and enhance regional defense against the background of global warming.
Keywords: temperature; characteristic analysis; mutation analysis; Tianshui
气候变化的不利影响严重威胁自然生态体系和社会经济体系(徐丽娜,2011),因此成为国际社会关注的全球性热点问题(秦大河等,2007)。政府间气候变化专门委员会第五次评估报告表明,从1880年至2012年,全球平均地表温度升高了0.85℃(秦大河等,2014)。近年来,区域尺度的气候要素变化受到普遍关注,如任国玉等(2014)研究表明中国1951-2002年全国年平均气温增暖幅度为1.1℃,增温速率接近0.22℃·(10a)-1,明显高于全球或北半球同期平均增温速率,并且增暖主要发生在20世纪80年代以后。西北地区年和季节尺度均有增温趋势,其中20世纪90年代之后增温较快,冬季较为明显(任国玉等,2005;王劲松等,2008;晏利斌,2015)。马玉霞等(2013)利用甘肃省80个观测站日均温观测资料研究结果显示,近60年来甘肃省气温总体呈现上升趋势。窦睿音等(2015)利用1956-2012年甘肃省境内28个气象站点的日平均气温资料,分析了甘肃省不同空间尺度的气温变化特征。赵一飞等(2012)研究发现近54年来甘肃省河东地区气温明显升高,特别是20世纪90年代以来幅度显著。在全球变暖的背景下,气候变化对海平面升降、动植物资源,农业生产以及人类健康均产生了极大的影响(魏柱灯等,2014)。因此,研究特定区域的气温变化历史,揭示该区域长时段的气候变化特征,有利于区域气象气候灾害的预防与应对,指导区域气象气候资源的合理开发利用,协调区域人类活动与自然生态环境的有序发展(郭建平,2015)。天水市地处副热带北缘和青藏高原东北部(强玉柱等,2015),地形复杂,深居内陆,远离海洋,属于典型的大陆性季风气候。关中-天水经济区是我国西北地区重要的经济发展枢纽,位于“一带一路”——丝绸之路经济带起点,同时地处亚洲夏季风北部边缘,受气候变化影响较大,是气候敏感生态脆弱地区之一。作为关中-天水经济区的副中心城市,天水的气候环境变化已经严重制约区域社会经济发展和生态文明建设。查明区域主要气候因子温度的长期变化背景及波动特征,有助于相关部门采取合理可行的措施应对全球变化的不利影响,降低气象灾害的作用程度,实现止损减灾增效的目的。因此,本文选取了1901—2016年的月平均气温数据,分析天水市过100多年来的气温变化特征,以期对本地区的气温变化趋势预测及生态环境的响应有较为深刻的认识和理解。
1   资料与方法
1.1   资料来源
数据来源于英国Climate Research Unit发布的CRU TS4.01(0.5°×0.5°)网络格点月值数据集,北纬34°—35°N,东经105°—106°E区域平均数据,地理位置接近天水市气象站(105°52′E,34°34′N),时间跨度为1901—2016年。本研究季节划分采用气象标准,即3至5月为春季,6至8月为夏季,9至11月为秋季,12至下一年2月为冬季。最冷月份和最暖月份分别选取1月和7月。
1.2线性回归法与Mann-Kendall突变检验法
对年平均气温、季节平均气温,最冷月以及最暖月平均气温分别采用一元线性回归分析,揭示不同尺度温度的变化趋势。其中回归系数的正负值,反映气温的上升或者下降的变化速率。利用非参数统计检验Mann-Kendall方法对天水市年平均气温、季节平均气温以及最冷月和最暖月的平均气温进行突变信息分析,显著性水平为α=0.05,上下限临界值为±1.96(魏凤英,2007)。统计量UF和UB两序列交点出现在上下临界值之间,则该点为突变点,交点所对应的时间为突变发生时间(胡亚飞等,2017)。
2   结果与分析
2.1   气温的变化特征分析
2.1.1   气温的年际变化趋势
由图1可知:1901—2016年天水市气温倾向率为0.058℃·(10a)-1,低于中国近15年来的增温速率0.23℃·(10a)-1(王遵娅等,2004)。经5年滑动平均后,过去116年年平均气温大体经历了2个高温阶段(1920—1954年和1995—2016年)和2个低温阶段(1901—1919年和1955—1994年)。


图1   天水市1901—2016年平均气温趋势
Fig.1 Variation of annual mean temperature in Tianshui during 1901—2016
过去116年多年平均气温均值(mean)为9℃,标准差()为0.69℃。本文将年平均气温的值大于平均值+标准差(mean+ =9+0.69=9.69℃)定义为高温年,年平均气温的值小于平均值-标准差(mean-=9-0.69=8.31℃)定义为低温年,介于mean+和mean-之间为正常年。结果表明,在过去的百余年里共出现了22次高温年,占全部年份的18.97%;出现了7次低温年,占全部时段的6.03%。最低年均温为7.71℃,出现在1918年,比多年平均气温低1.29℃;最高年均温为10.93℃,出现在1940年,比多年平均气温高1.93℃。整体而言,天水市1901—2016年平均气温呈现出上升趋势。
2.1.2   气温的季节变化特征
天水市四季平均气温的变化趋势显示(图2),春夏秋冬四季平均气温的变化特点与年平均气温的变化一致,呈上升趋势,但是不同季节平均气温变化与气温倾向率均不相同。其中以冬季增温最为显著,气温倾向率为0.102℃·(10a)-1,其次为春季0.084℃·(10a)-1,秋季0.022℃·(10a)-1,夏季增温幅度最小,为0.019℃·(10a)-1


图 2   1901—2016年天水市平均气温季节变化趋势 (a、b、c、d分别代表春、夏、秋、冬季)
Fig.2 Seasonal variation trend of mean temperature in Tianshui during 1901—2016 (a, Spring; b, Summer; c, Autumn; d, Winter)
从图2a中可以得到,1901—2016年气温变化的波动较为明显,整体上呈上升趋势,在过去116年,天水市春季平均气温为9.8℃,春季最高平均气温为11.43℃(1928年),最低为7.26℃(1905年)。20世纪20年代以前,春季平均气温在平均水平线以下波动,20世纪20年代至40年代春季平均气温在平均水平线以上波动,20世纪50年代至90年代末,春季平均气温在平均水平线以上下波动,进入21世纪之后,春季平均气温均高于平均水平。
从图2b中可以得到,在1901—2016年,天水市夏季平均气温为19.2℃。夏季最高平均气温为20.73℃(1932年),最低为17.78℃(1976年)。通过5年滑动平均后可得,20世纪20年代以前,夏季平均气温在平均水平线以下波动,20世纪20年代至40年代夏季平均气温在平均水平线以上波动,20世纪50年代之后,夏季平均气温在平均水平线以上下波动。
从图2c中可以得到,在1901—2016年,天水市秋季平均气温为9.1℃,秋季最高平均气温为10.6℃(1945年),最低为7.9℃(1992年)。从图2d中可得,在1901—2016年,天水市冬季平均气温为-2℃,冬季最高平均气温为0.02℃(1998年),最低为-3.76℃(1910年)。通过5年滑动平均结果显示,秋、冬季变化趋势与春、夏季基本一致。
以上分析说明,过去116年天水市春季和冬季增温大于年增温速率,这是由于不同季节气温变化不同所导致。天水市冬季增温趋势仍在上升,与全球气候变暖明显加速的结论一致,但增温速率相对较慢。
2.1.3   最冷月(1月)和最热月(7月)气温变化特征
1901-2016年天水市最冷月1月份平均气温为-3.4℃,其中最高平均气温为-0.22℃(1914年),最低平均气温为-6.52℃(1917年),温度相差6.74℃;最热月7月份平均气温为20.2℃,最高平均气温为22.2℃(1914年),最低平均气温为17.28℃(1917年),高低温差4.92℃。图3为天水市1901-2016年1月和7月平均气温变化趋势图,1月平均气温呈上升趋势,气温倾向率为0.085℃·(10a)-1,小于冬季升温率0.102℃·(10a)-1,近百年来气温上升了1.1℃,低于全国增温率(王遵娅等,2004)。7月平均气温呈上升趋势,但变化较小,气温倾向率为0.038℃·(10a)-1。从5年滑动平均曲线可以看出,1月和7月平均气温变化趋势分别与冬季和夏季平均气温变化趋势较一致。


图3   天水市1901—2016年1月(a)和7月(b)平均气温变化趋势
Fig.3 Variations of mean temperature of January (a) and July (b) in Tianshui during 1901—2016
表 1   天水市1901—2016年1月和7月平均气温年代际变化
年份 Year1月 January (℃)7月 July
(℃)
1901—1910-3.419.4
1911—1920-4.119.4
1921—1930-3.920.8
1931—1940-3.720.5
1941—1950-2.721.1
1951—1960-4.020.5
1961—1970-3.920.1
1971—1980-3.319.8
1981—1990-2.919.8
1991—2000-3.220.2
2001—2016-2.820.6
平均值mean-3.420.2
标准差 Standard deviation1.20.9
表1   反映了1月和7月平均气温的年代际变化特征。1月份平均气温在年代际尺度上呈现出“降—升—降—升”的趋势,特别是20世纪80年代以来,逐年代1月平均气温均高于历年1月平均气温。7月份平均气温在年代际尺度上呈现出“升—降—升”的趋势,随着全球气温不断升高,进入21世纪之后高于历年7月平均气温。结合图3和表1中的标准差,可以看出1月平均气温变化较大,与前述冬季增温率最高相吻合,而7月平均气温相对较稳定,与夏季增温幅度最低有较好的对应关系。
2.2   气温的突变分析
2.2.1   年平均气温的突变分析
由Mann-Kendall突变检验可知(图4),在1926年后UF值均大于0,其中1926—1968年和2000s至今均达到了α=0.05的显著性水平,说明两个时段该地区气候变暖。UF线和UB线在图中有3个交点,分别出现在20世纪20年代初、40年代末和90年代中期,其中2个交点处于置信线之间,可以判断出天水市过去116年年平均气温在1923年和1993年发生了两次统计意义上的突变。


图4   天水市年平均气温的 Mann-Kendall 检测曲线
Fig.4 Mann-Kendall statistical analysis curve of the annual mean temperature in Tianshui during 1901—2016
2.2.2   四季平均气温的突变分析


图5   天水市各季节平均气温的 Mann-Kendall 检测曲线(a、b、c、d分别代表春、夏、秋、冬季)
Fig.5 Mann-Kendall statistical analysis curve of the seasonal mean temperature in Tianshui during 1901—2016(a, b, c, and d indicated Spring, Summer, Autumn and Winter, respectively)
对天水市过去116年各季节平均气温进行Mann-Kendall突变检验(图5)。由图5a可知:春季平均气温在20世纪20年代至80年代及21世纪初期的UF值大于1.96,说明春季平均气温在这两个阶段显著上升;UF线和UB线在1921年和1994年相交,交点处于±1.96的置信度内,则在1921年和1994年为突变点,春季平均气温开始上升。
由图5b可知:夏季平均气温在20世纪20年代至20世纪70年代初期的UF值大于1.96,说明夏季平均气温在此阶段上升;UF线和UB线在20世纪初期及21世纪初期相交于置信度内,说明20世纪初期及21世纪初期夏季平均气温出现突变,且突变时间为1913年和2014年,与年平均气温相比,夏季平均气温两个突变点分别提前了10年和推后了10年。
由图5c可知:秋季平均气温在20世纪40年代至20世纪50年代初期的UF值大于1.96,说明秋季平均气温在此阶段显著上升;UF和UB线在20世纪20年代及21世纪初期相交于置信度内,说明20世纪20年代及21世纪初期秋季天水市气温出现突变,且突变时间为1921年和2014年。
由图5d可知:冬季平均气温在20世纪90年代开始,UF值大于1.96,说明冬季平均气温在此阶段显著上升;UF线和UB线在20世纪70年代末相交于置信度间内,说明20世纪70年代末冬季平均气温出现突变,且突变时间为1978年。
2.2.3   最冷月(1月)和最热月(7月)平均气温的突变分析
对天水市1901-2016年最冷月(1月)和最暖月(7月)平均气温进行Mann-Kendall突变检验(图6)。从图6a可看出,天水市1月平均气温在2000年之后的UF值开始大于1.96,说明天水市最冷月平均气温在此阶段开始显著上升;UF线和UB线相交在1977年,交点处于±1.96的置信度内,说明1月平均气温在1977年开始突变上升。从图6b可看出,7月从1920年开始,UF值大于0,说明天水市7月的气温于1920年开始上升,在1928—1975年,UF值大于1.96,说明7月平均气温在此阶段变暖。UF线和UB线相交频繁,交点处于±1.96的置信度内,说明天水市月平均气温发生多次突变,在1917、1997、2003、2006、2012和2014年均发生统计突变。有研究表明,关中-天水经济区1960—2014年器测时段气候要素突变特征自1990s以来,温度幅度增大,且在此时段发生强烈的变化,因此本文7月的突变在2000年之后较多在一定程度上响应了区域性的温度变化特点,但受分析时段的差异影响,具体原因有待深入分析(何佳等,2016)


图6   天水市最冷月(1月)和最暖月(7月)平均气温的Mann-Kendall检测曲线
Fig.6 Mann-Kendall statistical analysis curves of January and July in Tianshui during 1901—2016
3   讨论与结论
气候变化对区域农业生产和地表植被生长有很大的影响(胡安霞等,2018),同时气温升高有利于多熟制作物的栽培,有利于森林生产力提高,但气候变化又使农业生产的不稳定性增加(宁惠芳等,2010),病虫害的空间分布格局也会改变。就天水地区而言,气温增高加剧水分蒸发致使暖干化趋势的不利影响在农业生产中已显现。姚晓红等(2008)研究发现1990s年代以来, 天水地区暖干气候特征加剧, 受冬季冻土层变薄, 越冬作物冬眠不实,生长期缩短影响, 主要作物小麦产量下降明显。春季变干变暖趋势使得桃树物候期普遍提前,初春冻害风险提高的同时(姚小英等,2008),造成桃树和苹果树花芽发育、盛花期花蕾发育、开花坐果的危害(姚晓红等,2006;万梓文等,2016)。本文对天水市1901—2016年气温变化特征进行了趋势和突变分析,并没有在其他方面进行过多探讨。然而气候变化研究涉及到人类生产生活以及自然环境的多个方面,气温变化规律仅是其中的一个方面(韩会庆等,2018)。因此,天水市的气候变化特征还需要从多方面进行综合研究对比分析和,比如加强积温、日照以及极端气温等各气候变化要素的规律研究,同时还应该加强不同时间尺度和空间尺度的气候变化研究,从而获得更加准确、全面的气候变化特征,为天水市的农作物、动植物和自然灾害等方面提供准确、合理的依据。
通过对天水市1901-2016年气温变化特征的分析,初步得出了以下结论:
(1)天水市年平均气温呈现上升趋势,气温倾向率为0.058℃·(10a)-1。四季平均气温变化均呈上升趋势,其中春季和冬季增温速率大于年增温率,其倾向率分别为0.084℃·(10a)-1和0.102℃·(10a)-1
(2)最冷月1月平均气温呈上升趋势,气温倾向率为0.085℃·(10a)-1,小于冬季升温率(0.102℃·(10a)-1),近百年来温度升高了1.1℃;在年代际尺度上呈现出“降—升—降—升”的趋势。最热月7月平均气温呈上升趋势,但变化较小,气温倾向率为0.038℃·(10a)-1,在年代际尺度上呈现出“升—降—升”的趋势。
(3)天水市过去116年年平均气温在1923年和1993年发生了两次突变。春季和秋季突变年份与年平均气温突变节点基本一致,夏季气温突变存在约10年的超前和滞后,而冬季突变时间为1978年。最冷月1月平均气温在1977年发生突变,而最热月7月平均气温自2000s以后多个年份发生突变。
致谢
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稿件与作者信息
刘娜
LIU Na
胡亚飞
HU Yafei
包光
BAO Guang
包光,E-mail: baoguang23@163.com
陕西省教育厅重点实验室科研计划项目(17JS005);陕西省自然科学基础研究计划项目(2018JQ4022, 2019JM-208);黄土与第四纪地质国家重点实验室开放基金项目(SKLLQG1801);陕西省普通高校第二批青年杰出人才支持计划
Shaanxi Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Modeling (17JS005); Natural Science Basic Research Plan in Shaanxi Province of China (2018JQ4022, 2019JM-208); Project of State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology (SKLLQG1801); Second Outstanding Young Talents of Shaanxi Universities
出版历史
出版时间: 2018年11月2日 (版本4
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地球环境学报
Journal of Earth Environment