大慶近50年來(lái)的氣溫變化及突變分析

1、大慶市近 50 年來(lái)的氣溫變化及突變分析 高洪程 1 ，周明麗，婁德君 （ 1. 大慶市氣象局， 163000，2. 齊齊哈爾市氣象局， 161006） 摘 要： 利用 Morlet 小波變換方法和 3 種突變檢測(cè)方法對(duì)大慶市近 50 年氣溫變化的周期特 征及突變特征進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果表明：近 50 年來(lái)大慶市的氣溫變化具有 1.5a、 4a 左右 的年際尺度的周期變化和 12 15a 左右的年代際尺度的周期變化，氣溫變化的階段性特征明 顯。氣溫的冷暖交替具有突變特征，突變點(diǎn)為 1987 年。 關(guān)鍵詞： 氣溫變化 Morlet 小波變換 突變 1 引言 氣候變化是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，在存在線

2、性變化的同時(shí)也存在著一定的非線性變化。 線性變化包括周期變化和趨勢(shì)變化等， 它是氣候變化的重要組成部分， 非線性變化指的是氣 候的相對(duì)穩(wěn)定性和突變現(xiàn)象等。 近 50 年來(lái)大慶市氣溫總體上呈上升趨勢(shì)， 近 50 年約上升了 2.8，與全球和全國(guó)的氣溫變化趨勢(shì)一致 1 ，但其變化又有明顯的局地特征。 深入研究大慶 市的氣溫變化規(guī)律， 得出其變化的周期性規(guī)律和突變特征， 對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、 能源利用和保護(hù) 環(huán)境等都具有十分重要的意義。 2 方法和資料 本文中周期分析采用小波變換方法，研究表明，將 Morlet 小波應(yīng)用于氣候變化分析， 小波系數(shù)的變化趨勢(shì)與氣候信號(hào)的起伏是基本一致的2 ，適用于對(duì)氣候資料

3、序列進(jìn)行時(shí)頻局 部化分析。這里將本文應(yīng)用的 Morlet 小波及其計(jì)算公式作一說(shuō)明。 Morlet 小波母函數(shù)形式為 icx 其子小波為 (x b 其中， a 為尺度參數(shù)， b 為平移參數(shù)。伸縮尺度 a 與 Fourier 分析中周期 T 的關(guān)系為 4a c 2 c2 小波變換所用資料為大慶市 19572004 年月平均氣溫距平序列，資料總樣本數(shù)n=576。 在進(jìn)行小波變換之前，為消除邊界效應(yīng)，對(duì)資料序列向兩端做了對(duì)稱(chēng)性延拓2 。 由于在氣候序列的突變檢測(cè)中累積距平法 （ CA）、滑動(dòng)的 t 檢驗(yàn)法（ MTT）和 Mann-Kendall 法（M-K ）各有利弊，本文結(jié)合 3 種方法對(duì)大慶市

4、48年的年平均氣溫序列可能的突變點(diǎn)進(jìn) 行綜合檢測(cè)。 CA法、 MTT法和 M-K 法的應(yīng)用已有過(guò)很多介紹 3，本文不再詳述。 氣溫突變所用資料為 19572004 年的年平均氣溫序列。 3 結(jié)果分析 3.1 大慶市氣溫變化的基本特征 圖 1 為 1957 年至 2004 年大慶市年平均氣溫距平隨時(shí)間的變化。由圖可見(jiàn)，近 50 年來(lái) 大慶市氣溫總體上呈上升趨勢(shì)， 近 50 年約上升了 2.8，比全球和全國(guó)的氣溫上升幅度要大 得多。統(tǒng)計(jì)資料得出， 10 年氣溫距平平均值 （ 1961 2000 年）分別為 -1.1、0.6、 0.1、0.7 , 由 10 年氣溫距平平均值變化可以看出，每10 年氣

5、溫距平平均值差值在 0.6 0.7左右，即 大慶市的年代氣溫呈穩(wěn)定上升趨勢(shì)。由圖還可以看出， 1970 年代以前為大慶的較冷時(shí)期， 溫度均為負(fù)距平，而 1988 年以后為較暖時(shí)期，氣溫均為正距平，這與全國(guó)的氣溫增暖時(shí)間 基本一致。 圖 1 1957 2004 年大慶市年平均氣溫距平曲線 3.2 大慶市氣溫變化的多時(shí)間尺度分析 圖 2 1957.12004.12 大慶市月平均氣溫距平 Morlet 小波變換系數(shù)的實(shí)部 圖 2 為 Morlet 小波系數(shù)的實(shí)部，由圖可以清楚地看出大慶市的氣溫變化存在多時(shí)間尺 度結(jié)構(gòu)。首先，大慶市的氣溫變化存在著明顯的1215a 左右的年代際尺度的周期性變化。 12

6、 15a 左右的周期存在于 2000 年以前的時(shí)域中，氣溫變化表現(xiàn)為三個(gè)偏冷期和三個(gè)偏暖 期，即 1960 年以前的偏冷期； 60 年代初至 60 年代中期的偏暖期， 1962 年前后最暖； 60 年 代后期至 70 年代中期的偏冷期， 其中 1970 年前后最冷； 以及 70 年代中期至 80 年代初期的 相對(duì)偏暖期、 80 年代中期至末期的相對(duì)偏冷期和 90 年代的相對(duì)偏暖期。 將圖 2中 10a尺度以下的部分放大 （圖略），可以看出近 50 年來(lái)大慶市的氣溫變化還存 在 1.5a、 4a、8a 左右的年際尺度的周期性變化。不同尺度的周期信號(hào)都比較顯著，而且在 時(shí)域上呈現(xiàn)出階段性特征，尺度

7、越小對(duì)應(yīng)的冷暖交替越頻繁。 4a 左右的周期出現(xiàn)在 19571986 年期間以及 1995 年后， 在 1957 年至 70 年代末期表現(xiàn)得尤為顯著， 在 1995 年后 尺度有減小的趨勢(shì)。 而 8a左右的周期在 1975 年以后至今表現(xiàn)得較為突出。 1.5a左右的周期 在時(shí)域上表現(xiàn)得比較零亂復(fù)雜，這里不作詳細(xì)分析。 對(duì)小波功率進(jìn)行分析，可以看出不同尺度周期信號(hào)的強(qiáng)度，由小波功率譜（圖3）可以 看出， 4a左右的周期振蕩最為顯著，強(qiáng)度最大，其次為1.5a和 1215a 左右的周期較顯著， 8a 左右的周期振蕩信號(hào)也較強(qiáng)，表現(xiàn)為小波功率的閉合中心， 20年以上尺度的周期信號(hào)最 弱。經(jīng)檢驗(yàn)， 1.

8、5a、4a、12 15a的周期振蕩都通過(guò)了信度為 0.05的 F檢驗(yàn)，說(shuō)明這幾個(gè)尺 度的周期振蕩對(duì)近 50 年來(lái)大慶市的氣溫變化貢獻(xiàn)較大，在氣溫變化中起主要作用。各不同 尺度相互作用的綜合結(jié)果是使得大慶市的氣溫在 70 年代以前處于偏冷期，在 70 年代至 80 年代中期氣溫在正常值附近波動(dòng)變化，而 80 年代末期至今，氣溫處于偏暖期。 圖 3 1957.12004.12 大慶市月平均氣溫距平 Morlet 小波變換的功率譜 3.3 大慶市氣溫變化的突變分析 氣候突變是普遍存在于氣候系統(tǒng)中的一個(gè)重要現(xiàn)象，它表現(xiàn)為氣候在時(shí)空上從一個(gè)統(tǒng) 計(jì)特性到另一個(gè)統(tǒng)計(jì)特性的急劇變化。由于均值突變能夠較好地反映

9、氣候基本狀況的變化， 本文著重分析氣溫的均值突變。 -5 -10 -15 -20 -25 -30 圖 4 1957 2004 年大慶市年平均氣溫累積距平曲線 由累積距平曲線（圖 4）可以看出， 1987 年以前，大慶市年平均氣溫呈波動(dòng)式變化趨 勢(shì)，87 年后氣溫呈直線上升趨勢(shì)， 1987 年為突變點(diǎn)。 MTT法中取 n=5 年，選取信度0.01， 查表得 t 為 3.355 ，如 T0j t ，則認(rèn)為在第 j 年前、后 n 年兩時(shí)段可能會(huì)有突變。圖 5 為 n=5 時(shí) MTT 法計(jì)算出的 T0 隨時(shí)間的變化曲線，可以看出，有兩個(gè)點(diǎn)通過(guò)信度檢驗(yàn)，1987 年為突變點(diǎn)， 即 1987 年前后的 5

10、 年大慶市的年平均氣溫可能存在突變。 由 M-K 法計(jì)算出的 u（dk） 隨時(shí)間的變化曲線（圖略）可以清楚地看到近50年來(lái)大慶市的氣溫具有顯著的增暖 趨勢(shì)，曲線 c1和c2的交叉點(diǎn)位于信度線之外的 1982 年，結(jié)合 CA 法和 MTT 法結(jié)果可以看 出該點(diǎn)不是突變點(diǎn)。綜上分析得出近50 年大慶市氣溫的冷暖交替具有突變特征，突變點(diǎn)為 1987 年。 圖 5 MTT 法中 T0 的變化曲線 4 小結(jié) 通過(guò)上述分析，可以得出近 50 年來(lái)大慶市氣溫變化的主要特征： 近 50 年來(lái)大慶市的氣溫變化具有多層次的時(shí)間尺度結(jié)構(gòu)，時(shí)域中存在著1.5a、 4a 左右 的年際尺度的周期變化和 1215a 左右的

11、年代際尺度的周期變化， 氣溫變化的階段性特征明 顯。近 50年來(lái)大慶市氣溫的冷暖交替具有突變特征，突變點(diǎn)為1987 年。 參考文獻(xiàn)： 1 王紹武 . 近百年氣候變化與變率的診斷研究 2 林振山，鄧自旺 . 子波氣候診斷技術(shù)的研究 3 符淙斌，王強(qiáng) . 氣候突變的定義和檢測(cè)方法 J. 氣象學(xué)報(bào)， 1994，52（ 3）：261 273. M. 北京：氣象出版社， 1999. J. 大氣科學(xué)， 1992，16（4）：482 493. Period and Jump Analysis of Temperature Variation in Daqing in Recengt 50 years GAO

12、 Hong_cheng 1， LOU De_jun 2， LI Zhi_min (1. Meteorological Bureau of Daqing City ， Daqing 163000 ， 2. Meteorological Bureau of Qiqihar City ，Qiqihar 161006 ) Abstract ： The periods and jump characters of temperature variation in Daqing in Recent 50 years are analyzed by using Morlet wavelet transforming and three kinds of jump test methods. The results show that there are 1.5a and 4a annual periodic change and 12 15a decadal periodic change of