内蒙古呼和浩特地区气温和降水量变化趋势分析.doc

文章编号: 1003 7578( 2010) 08 100 05*内蒙古呼和浩特地区气温和降水量变化趋势分析 吕景华1 ，杜文娟1 ，张雨田1 ，李旭薇1 ，陈奇1 ，李海波2( 1. 呼和浩特市气象局 010020; 2. 清水河气象局 011600)提 要: 采用气候倾向率法、Mann Kendall 法和 R /S 方法相结合，对呼市地区 37 年平均气温、降水量的变化特点和未来趋势进行分析。结果表明: 该地区气温和降水量的变化特点与未来趋势不同。气温在过去 37 年间呈上升趋势，变化率为 0. 56 /10a，同时 Hurst 指 数 为 0. 971，说明当地未来气温增加的趋势可能还将持 续; 过去 37 年的年降水量呈现减少趋势，且降水量的 Hurst 指数仅为 0. 571，说明当地年降水量减少的趋势并 没有持续性，未来仍保持目前的宽幅震荡状态。关键词: 呼市地区; 气温; 降水量; 趋势中图分类号: P468文献标识码: A近年来国内外不少学者对全球 气候变化进行了研究，结果表明全球气候变暖，中国气温已升高 0.681。气温和降水是诸多气候要素中的主要因子，二者的变化直接影响气候变化，是气候变化的主导 因素。许多关于大区域、大城市气温和降水变化特征的研究得出了很多有意义的研究结果2 5。但目前的研究针对大范围区域的较多6 7，对于小区域的研究相对缺乏，而这些小区域的温度和降水变化对农业 生产、生活和防灾减灾有极其重要的影响8 9。呼和浩特市位于阴山纬向复杂构造带中段。温度、降水变化对该地区粮食稳产、增产有直接影响，因 此，研究该地区气温和降水变化特点及趋势以及时空分布特点，对全面了解该地区气候特点，进行合理规 划水资源，研究气温变化对农业灌溉用水的关系以及加强生态环境建设等都有重要意义。11. 1资料和方法站点与资料情况数据资料来源于呼和浩特市气象局 6 个气象站( 呼市南郊、土左旗、托县、和林、清水河) ，1971 2007年月平均气温、月降水量合计值。根据本地区气候特点，将 3 5 月划分为春季、6 8 月为夏季、9月为秋季、11 月至次年 2 月为冬季。 101. 2气候倾向率以线性方程 y = a0 + at 进行拟合，变化趋势 a = dy /dt。a × 10 称为气候倾向率，其单位为 /10a，采用相关系数法进行变化趋势的显著性检验。1. 3Mann Kendall 法采用非参数检验方法( Mann Kendall 法) 来检测气温和降水的长期变化趋势。在假定气候序列没有变化的情况下，对具有 n 个样本容量的时间序列 x，构造一秩序列:kSK = ，k = 2，3，n( 1)i = 10，当 x xij+ 1，当 xi > xj ，j = 1，2，i( 2)其中 ri =，可见秩序列 sk 是第 I 时刻数值大于 j 时刻数值个数的累计数。在时间序列随机独立的假定下，定义统计量:收稿日期: 2009 6 2。作者简介: 吕景华( 1977. 9 ) ，女，河北省人，工程师，主要从事生态与农业气象，气候影响评价方面的研究。*( SK E( SK ) )，k = 1，2，n( 3)UFK =槡var( SK )式中 UF1 = 0，E( sk ) ，var( sk ) 是累计数 sk 的均值和方差，在 x1 ，x2 ，xn 相互独立，且有相同连续分布时，可由( 4) 式算出:n( n + 1 ) E( SK ) =4n( n 1 ) ( 2 n + 5 ) ( 4)var( SK ) =72UFi 为标准正态分布，它是按时间序列 x 顺序 x1 ，x2 ，. ，xn 计算出的统计量序列，给定显著性水平 查正态分布表，若 | UFi | > U ，则表明序列存在明显的趋势变化。按时间序列 x 逆序 xn ，xn 1 ，x1 ，再重复上述过程，同时使 UBk = UFk ，( k = n，n 1，1) ，UB1 =0。这一方法的优点在于不仅计算简便，而且可以明确突变开始的时间，并指出突变区域。1. 4R /S 计算方法R /S 分析法最早是由 Hurst 在总结尼罗河的多年水文观测资料时提出的一种分析方法，后来 Mandelbrot 等又在理论上对该方法进行补充和完善，近些年该方法在分析研究中得到广泛应用。考虑一个时间序列 ( t) ，t = 1，2，对于任意正整数 1，定义均值序列:( ) = 1 ( t) ， = 1，2，( 5) t = 1累积离差为:X( t，) = ( ( t) < > ) ，1 t ( 6)( 7)t = 1极差为:R ( ) max X( t，)min X( t，) ， = 1，2，1 t =1 t S( ) 1 ( 1 ) 2 ) ， = 1，2，标准差为:= ( t) < >( 8)( 9)2t = 1现考虑比值 R( ) /S( ) R /S，若存在如下关系: R /S H则说明所分析的时间序列存在 Hurst 现象，H 称为 Hurst 指数，H 值可根据计算出的( ，R /S) 的值，在双对数坐标系( 1nr，In R /S) 中用最小二乘法拟合式 ( 9) 得到。根据 H 值的大小，可以判断该时间序列是完全随机的抑或是存在趋势性成分，趋势性成分是表现为持续性( Persistence) ，还是反持续性( Antipersistence) 。H = 0. 5 表示时间序列相互独立，完全随机，任意时刻 t 的数值与过去历史资料无关; 0. 5 < H < 1 表明时间序列具有长期相关的特征，即具有持续性，反映在气候因子上，则表明未来的气候变化将与过去的变化一致，H 越接近 1，持续性越强; 0 < H < 0. 5 表明时间序列具有长期相关性，但将来的总趋势过去相反即过程具有相反的持续性。在该情况下，未来的气候变化总体趋势将与过去相反。2结果与分析2. 1 气候倾向率分析2. 1. 1气温从呼市地区年平均气温空间分布来看，37 年来呼市地区年平均气温具有明显的上升趋势，每 10 年升温 0. 32 0. 78 ，从全市来看，呼市市区升温幅度最大，清水河升温幅度最小( 表 1) 。平均气温的变化趋势在不同季节不同地区也不一致，但总的趋势是全市四季均在增暖，增温幅度最高的季节是冬季，全市平均增温 0. 57 /10a，增温幅度最低的季节是夏季 0. 43 /10a，除清水河的夏秋季未达到 0. 05 的显著性标准外，其余地区的四季均达到 0. 05 的显著性标准。从四季平均气温空间分布来看四季均为呼市市区增温幅度最大，春季、夏季、秋季清水河增温幅度最小，冬季土左旗增温幅度最小。6. 62mm /10a 外，其余各季降水量均减少，其中减少幅度最大的是夏季 5. 25 mm /10a。从四季降水量空间分布来看，各旗县春季降水量均增加，其余季节各旗县降水量有增有减，但以减少趋势为主，其中武川夏季 降水量减少幅度最大 22. 67 mm /10a，并达到 0. 05 的显著标准，其余地区均没有达到显著性标准。表 1 呼市地区平均气温倾向率Tab. 1 Seasonal temperature change trends in Huhhot from 1971 to 2007表 2 呼市地区降水量倾向率Tab. 2 Seasonal rainfall change trends in Huhhot from 1971 to 2007地 区全年春季夏季秋季冬季全年春季夏季秋季冬季呼 市土左旗 托 县 和 林 清水河 武 川 全 市0. 780. 500. 620. 500. 320. 620. 560. 670. 510. 590. 420. 330. 540. 510. 610. 410. 420. 410. 210. 530. 430. 810. 540. 600. 500. 260. 580. 550. 810. 360. 620. 480. 480. 650. 57呼 市土左旗 托 县 和 林 清水河 武 川 全 市 4. 563. 646. 04 5. 5111. 69 17. 32 1. 003. 184. 7311. 992. 679. 747. 426. 62 5. 782. 01 7. 99 1. 914. 84 22. 67 5. 25 0. 65 2. 461. 62 4. 41 1. 32 1. 28 1. 42 0. 85 0. 080. 72 1. 79 1. 29 0. 30 0. 60注: 表示达到 0. 05 信度突变分析注: 表示达到 0. 05 信度2. 22. 2. 1 气温应用 M K 法 对 1971 2007年呼市地区年平均气温突变 进 行 分析，结果 表 明，从 20 世 纪 80 年 代 以 来，呼市年平均气温有一明显的增温 趋势，这种 增 温 趋 势 从 90 年 代 初 开 始大大超 过 了 0. 05 的 临 界 值，表 明 升温趋势十分显著。从 UF 和 UB 曲 线( 图 1) 的焦点位置确定，年平均气 温发生突变的时间点是 1989 年。四 季平均气温的增温趋势与年 趋 势 基 本相同( 图略) ，虽然突变发生时间各 不相同，但突变基本上都发生在 80 年代末 90 年代初。2. 2. 2 降水对降 水量突变进行分析 ( 图 2) 可知，呼市 地 区 37 年降水量突变不 显著，并未达到 0. 05 的临界显著线。 降水量变化较为复杂，UF、UB 曲线多 次发生交叉，但整个过程大致可以分图 1 呼市地区年平均气温 M K 突变检测曲线Fig. 1 M K abrupt change test curves of annual temperature in Huhhot from 1971 to 2007为四个阶 段，1971 1979 年 间 降 水量以增加为主，1979 年后降水量表现 出明显的减小趋势，1987 年之后降水 量持 续 增 加，在 1998 年 之 后 降 水 量又在波 动 中 减 少。四季变化与年相 同，突变均不显著，未达到 0. 05 的临 界显著线，且 突 变 点 不 唯 一，但 从 四 季降水 量 突 变 图 ( 图 略 ) 来 看，春 季图 2 呼市地区年降水量 M K 突变检测曲线Fig. 2 M K abrupt change test curves of annual precipitation in Huhhot from 1971 to 20071997 年以前，降水量持续减少，之后降水量增加; 夏季与春季相反，1998 年之前降水量持续增加，之后降水量减少; 秋冬季变化相同，1978 年之前降水增加，之后降水减少。2. 3气候变化的 R /S 分析用 R /S 法分析呼市年平均气温和年降水量系列的 Hurst 指数，计算结果( 表 3) 。由表 3 可以看出，呼市地 区年平均气温呈明显的 Hurst 现 象，H 指 数 为 0.971，说明该地区年平均气温的上升包含有趋势性成分， 其时间序列具有长期相关的特征，过程具有很强的持续 性，及其未来的变化趋势将与过去变化的一致，气温仍然 保持上升趋势的可能性很大。在四季中冬季平均气温变 化的持续性最强( H指 数 是0. 901) ，未来仍呈显著波动 表 3 呼市地区四季 Hurst 指数Tab. 3 Hurst indexes of seasonal temperature and precipitation in Huhhot 全年春季夏季秋季冬季年平均气温年降水量0. 9710. 5710. 7420. 6510. 8070. 6110. 7260. 8190. 9010. 609上升的可能性远远高于其它各季，即未来温室效应也以冬季最为显著。年降水量的 H 指数仅为 0. 571，接近于 0. 5，说明该地区近 37 年降水量减少的趋势并没有持续性，未来仍保持目前的宽幅震荡状态。在四季中秋季降水量减少趋势具有较强的持续性 ( H 指数是 0. 819) ，未来仍呈波动减少的可能性高于其它季节。3结论与讨论( 1) 呼市地区 37 年来气温变化率为 0. 56 /10a，而且气温变化存在明显的 Hurst 现象。这主要是由于受全球气候变化，尤其是北半球气候变暖的大环境背景的影响。另一方面就是随着城区硬化面积扩大城内楼房增多，城市热岛效应增强。特别是呼市市区增温幅度大于其它五个旗县，更加表明城区硬化使下垫面性质改变，不透水性增强使得蒸发耗热减少，导热率和热容量的改变，使得储热增大，城区内楼房等建筑物参差错落，使下垫面进一步立体化，一方面加大了白天获得太阳辐射的量，另一方面夜晚又使得热量不易散失。由于气温升高将直接造成田间蒸发和农业灌溉用水增加，因此，从地区用水的角度考虑，未来应该重点推广农业节水种植和管理技术，提高农业灌溉用水利用率和利用效率。( 2) 呼市地区年降水量呈减少趋势，且降水量的 Hurst 指数仅为 0. 57，说明该地区未来年降水量的变化并没有持续性，未来仍保持目前的宽幅震荡状态。就呼市地区整体而言，虽春季降水量有所增加，但由于该地区农作物在 4 月下旬 5 月上旬播种，对春季降水的需求较少，而农作物需水量最大的夏季，降水量却减少，因此，从农作物生长需水量的角度考虑，未来干旱仍是本地区农业生产的主要威胁，尤其是武川地区，夏季降水减少趋势明显，发生夏旱的风险增大。因此如何提高监测手段，提前预测干旱发展趋势，对科学合理用水，节约水资源有着极为重要的作用。( 3) 呼市地区气温和降水量系列的 Hurst 指数不同，表明气温和降水量间不是绝对对应的关系，即气温升高时降水量可多可少，这与施雅风10对中国气候历史变化研究得出的结论一致，即温度的升高不是降水量变化的直接原因。实际上，该地区的降水状况本身受到季风气候、大气环流等因素的影响，因此在降水变化特征研究清楚的基础上，加强本地区降水形成和变化机理研究，加强降水情势预报，对农业抗旱防涝和地区用水策略有更深层次的意义。参考文献1李海涛，于贵瑞，袁嘉祖. 中国现代气候变化规律及未来情景预测J. 中国农业气象，2003，24( 4) : 1 4.2林学椿，于淑秋. 近 40 年我国气候趋势J. 气象，1990，16( 10) : 16 22.3赵宗慈. 近 30 年来中国的气温变化与城市化影响J. 气象，1991，17( 3) : 14 17.4李茂松，李森，李育慧. 中国近 50 年旱灾灾情分析J. 中国农业气象，2003，24( 1) : 7 10.5龚宇，邢开成，王璞，等. 气候变化对沧州水资源的影响与对策J. 水资源保护，2007，23( 3) : 20 23.6高歌，李维京，张强. 华北地区气候与水资源及 2003 年水资源预评估J. 气象，2003，29( 8) : 26 30.7徐宗学，孟翠玲，赵芳芳. 山东省近 40 a 来的气温和降水变化趋势分析J. 气象科学，2007，27( 4) : 387 393.8龚宇，邢开成，王璞 . 沧州地区近 40 年来气温和降水量的变化趋势分析J. 中国农业气象，2008，29( 2) : 143 145.9马晓群，张爱民，陈晓艺. 气候变化对安徽省淮河区域旱涝灾害的影响J. 中国农业气象，2002，23( 4) : 1 4.10施雅风. 中国历史气候变化M. 济南: 山东科学技术出版社，1996: 443 467.Research on change trend of temperature and precipitation in HuhhotLV Jinghua1 ，DU Wenjuan1 ，ZHANG Yutian1 ，LI Xuwei1 ，CHEN Qi1 ，LI Haibo2( Meteorology Bureau of Hohhot，010020，P. R. China)Abstract: By using linear、Mann Kendall and Rescaled Range Analysis( R /S) ，the change characteristics andthe future trends of the annual precipitation and the annual average temperature in Huhhot were analyzed. The results showed that change characteristics and the future trends of the temperature and annual precipitation werenot same entirely. The temperature increased in the past 37 years with a change rate by 0. 56 per ten years，while the Hurst index was 0. 971which indicated there existed obvious Hurst phenomenon in the future. Althoughthe annual precipitation was declining in the past 51 years ，but the Hurst index of the precipitation was only 0.571，which meant that the annual precipitation in the future was likely to change or remain stable in this region.Key words: Huhhot; temperature; precipitation; trend