| 标题 | 近57年来和丰县气温和降水量的趋势性及突变特征近 |
| 范文 | 作者简介:傅丽昕（1978），女，新疆乌鲁木齐人，工程师，主要从事水利工程规划方面研究工作.Email:flxflyng@163.comDOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk. 摘要：对和丰县1954年-2010年近57年的年均气温以及降水量的资料，在进行距平分析和MK非参数统计检验的基础上，运用MK突变检测法和Pettitt突变检测法分别计算和分析了年均气温和降水量的突变特征。结果显示：1988年2010年，有20年的气温距平值大于0，说明气温自1988年起呈现显著增加趋势，MK趋势性检验结果也证明了这一点；突变检测未发现气温突变年份。年降水量总体呈现上升的趋势，最小值出现在1977年，最大值出现在2007年，总体变化趋势不显著，丰枯降水年交错分布；突变检测确定2007年为降水量突变年份。 关键词：MannKendall；Pettitt；趋势性；显著性检验；突变点 中图分类号：P467文献标志码：A文章编号：16721683（2014）04003804 Tendency and Mutation Analysis of Annual Temperature and Precipitation ofHefeng County in Recent 57 Years FU Lixin (Xinjiang Investigation,Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower,Urumqi 830000,China) Abstract:Based on the MannKendall nonparametric test and cumulative departure curve analysis on the annual temperature and precipitation of Hefeng County from 1954 to 2010,the mutation characteristics of annual temperature and precipitation were detected using the MannKendall and Pettitt mutation tests.The results showed that thecumulative departure of temperature of 20 years is positive from 1988 to 2010,which indicated that the temperature has a significantly increasing trend from 1988 and it is verified by the MannKendall nonparametric test.The mutation time of temperature was not detected.Annual precipitation had a gradually increasing trend with the lowest precipitation occurring in 1977 and the highest in 2007,but the trend was not significant and the occurrence of dry and wet years had an interlaced distribution.The mutation time of precipitation was detected as 2007. Key words:MannKendall;Pettitt;tendency;mutation test;mutation point 气候变化作为一个全球性问题，受到国际社会的普遍关注。为此，政府间气候变化专门委员会(IPCC)已经发布了4次科学评估报告，内容涉及气候变化趋势、对经济社会的影响以及人们适应与减缓气候变化的对策等［1］。很多资料表明，极端气候变化对水土流失、沙尘暴、农业生态等影响很大［2］。气候变化叠加人类活动对水文循环系统产生影响时，部分水文气象要素在时间和空间上会发生某些变异，使得这些要素的一些统计特征规律发生变化，这个发生变化的时刻称为突变或突变点［3］。 近年来，不同领域的专家和学者正在不断揭示各种时空尺度上水文循环要素突变的事实、性质、规律及其形成的机制，不断完善突变理论在水文和气候科学中的应用。从近百年时间尺度来看，Yamamoto［45］指出了20世纪50年代日本的气候跳跃及其与北半球海平面气压场的关系；葛全胜等［6］指出在冷暖变化幅度上，东部季风区的变化幅度小于西北区和青藏区。气候系统是一个非线性的动力系统，它既有周期性，也表现突变性。王海军等［7］分析中国北方近57年气温特征指出：华北有22年的周期，东北有21年、6年和11年的主周期，西北西区周期为12年，东区为15年、8年和5.5年的周期。李珍等［8］对新疆的北疆、天山山区和南疆气温、日较差和降水年序列进行了突变分析，并采用两种不同的方法对突变点进行检验。 新疆位于欧亚大陆腹地，距海遥远，戈壁、沙漠广布，各种天气系统活动频繁，山脉与盆地相间排列。天山山脉横亘中间，将新疆分成气候差异非常显著的南疆和北疆。近些年新疆气候在全球变暖和水分循环加快的大背景下，也受到了一定程度的影响，有研究指出［910］新疆近40年气候变暖、变湿，尤其20世纪90年代以来阿克苏、北疆区域降水量增多明显，与我国北方其它地区变为暖干不同。新疆地处干旱气候区，河川和下垫面渗透力较差、生态环境极其脆弱，大雨、暴雨、大雪和暴雪往往会造成洪水、泥石流、山体滑坡和暴风雪等灾害，对生态环境、经济发展和人民生活造成巨大影响。 降水量作为反映气候特征最重要的指标之一，其变化的时空分布受气候、纬度等因子的影响，具有明显的年际和年内变化特点，对经济发展、农业生产及生态建设影响突出［11］。为进一步了解新疆不同地区的降水量变化特征，本文以位于北疆塔城地区和丰县的气温和降水量时间序列的趋势特征和突变特征进行探讨，为该区域气候变化研究进一步提供基础。 1研究区及数据资料 和丰县位于准噶尔盆地西北部，新疆维吾尔自治区塔城地区东北部，地理坐标为东经84°37′-87°20′，北纬45°20′-47°12′。县境东西长210 km，南北宽207 km，总面积为306×104m2，占新疆维吾尔自治区总面积的19%。其大气降水主要来自西方的冷湿气流。大气降水有垂直地带性变化规律，从山区向平原逐渐递减，其中北部山地气候区平均年降水量为1456 mm，南部平原气候区为900 mm。 本文选用和丰县气象站1954年-2010年57年的年均气温和年降水量数据。为保证数据质量，在计算前，对数据的完整性、一致性进行了检验，并且进行了极值筛选工作，以确保数据的真实性、准确性、可靠性。 2研究方法 21趋势分析和显著性检验 211累积距平累积距平是一种由曲线直观判断气候变化趋势的方法。对于气候要素序列，其某一时刻t的累积距平表示为： D=∑ti=1（Xi-X）（t=1,2，…，n）（1） D1n∑ni=1Xi（2） 计算出n个时刻的累积距平值后，即可绘制出累积距平曲线进行趋势分析。 212MannKendaⅡ非参数检验 MannKendaⅡ（以下简称MK）非参数统计［1213］是由世界气象组织推荐的应用于环境数据时间序列趋势分析的方法，已经广泛用于检验流量、气温和降雨序列等水文气象资料的趋势分析。其优势是不需要样本遵从一定的分部，也不受少数异常值的干扰，计算比较简便。 对于具有n个样本的时间序列x，构造变量S： S=∑n-1i=1∑nj=i+1sgn(Xi-Xj)（3） 式中：Xi和Xj分别为第i年和第j年的数值，i>j，n为系列的记录长度（个数）；sgn(Xi-Xj)为表征函数。 sgn(θ)=1xi-xj>0 0xi-xj=0 -1xi-xj<0（4） ZCs-1var(S)S>0 0S=0 s+1var(S)S<0（5） 式中：Z为正态分布的统计量；var（S）为S的方差。 考虑到分析的时间序列可能出现上升也可能出现下降的趋势，因此，MK趋势检验中采用双边检验。在给定的α=005显著性水平上，如果|Z|>Zɑ则认为该时间序列存在显著的变化趋势，反之，则认为该时间序列不存在显著的变化趋势；Z大于0则表示时间序列呈上升趋势，小于0则表示时间序列呈下降趋势。显著性水平为005时，Z005=018。此次研究分析选取显著性水平为005时，对和丰县近57 年来气温和降水的变化趋势进行显著性检验。 22突变分析 对一些物理机制目前还不甚明确的突变现象，若使用的检测方法不当，可能会得出错误结论，因此在确定某气候系统或过程发生突变现象时，通常使用多种方法进行比较［14］。本文采用MK和pettitt两种方法进行突变分析，互相验证。 221MK突变检验 该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，指出突变区域，是一种常用的突变检测方法。在时间序列随机独立的假定条件下，计算统计量： UFk=Sk-E（Sk）var（Sk）(k=1,2,…,n)（6） 式中：E（Sk）和var（Sk）分别为Sk的均值与方差。 按时间序列x的逆序xn，xn-1，…，x1重复上述过程，获得统计变量UBk（k=n，n-1，…，1），同时使：UBk=-UFk。将UBk与UFk绘制成曲线，如果2条曲线出现交点，且该点处的U值满足<196，则认为该点为序列的突变点，检验置信水平α=005。 222Pettitt突变检验 采用Pettitt方法检测研究区域气温和降水量长时间序列中的突变现象不仅能够判断出突变点的位置及数量，还可判断这些变点是否在统计意义上显著［15］。 定义统计量Ut,N: Ut,N=Ut1+∑njsng(Xt-Xj),(t=2,3,…,N)（7） sgn(θ)1,θ>0 0,θ=0 -1，θ<0（8） 式中：Xi,Xj为欲进行假设检验的随机变量；N代表数据系列的长度；Ut,N为新序列，由根据第一个样本序列超过第二个样本序列次数的统计组成新的序列。Pettitt法原假设H0为序列不存在突变点。若t时刻满足：k(t)=max|Ut,N|(1≤t≤N),则t点处为突变点。同时计算统计量： P=2exp{-6(KN)2/(N3+N2)},如果P≤05，则认为检验出的突变点在统计意义上是显著的。 3分析结果 31气温和降水序列的趋势性分析 根据图1中年均气温变化曲线及距平曲线分析可知，1997年的距平值最大，超过57 年平均气温的206 ℃，其年均气温为571 ℃；1954年的距平值最小，低于57 年平均气温的216 ℃，其年均气温为149 ℃；共有30 年的气温距平值为正，约占统计时间序列的526%，尤为突出的是：从1988年-2010年的22 年中，除1993年和1996年以外，其余20 年气温的距平值均大于0，可见，自1988年，气温呈现逐年上升的趋势，这一现象和李珍［8］分析的新疆北疆气温变化趋势是相一致的。年均气温的变化趋势检验结果见表1，分析可知，和丰县自1954年-2010年，57年的年均气温均通过α=005的显著性检验，表明其年均气温呈现增加趋势，且增加趋势表现显著。 表1年均气温和年降水量趋势检验结果 Table 1Trend test results of annual temperature and precipitation 项目Zc趋势性Z005显著性年均气温1166增加018显著年降水量004增加018不显著注：“+”表示通过显著性检验，“”表示未通过显著性检验 由图1中年降水量变化曲线及距平曲线可知，57年来，和丰县年降水量略有增加的趋势，但总体变化趋势不显著。偏枯和偏丰年份分别占统计时间序列的491%和509%，各为28 a和29 a，说明近57年来，丰枯降水年交错分布，这和黄海云［16］、陈洪涛［17］分析的结果基本是一致的。年降水量最小值出现在1977年，为695 mm，低于平均降水量约7609 mm；年降水量最大值出现在2007年，为2856 mm，超出平均降水量约14001 mm。降水量在57年中有三次增长幅度较大的阶段，分别是：1957年-1958年，降水量从939 mm经过短短一年的时间增加到278 mm，年增加幅度为1844 mm/a；1991年-1993年，降水量从915 mm增加至257 mm，年增加幅度为828 mm/a；2006年-2007年，降水量从801mm增加至2856 mm，年增加幅度为2052 mm/a；这三个阶段降水量距平值出现较大幅度增长，说明这几个增长幅度较大的年份可作为丰水年的代表年份。由表1分析可知年降水量的变化趋势，和丰县自1954年-2010年，Zc=004，大于0，但未通过α=005显著性检验，说明近57年来，和丰县年降水量呈增加趋势，但增加趋势表现不具有显著性。 32气温和降水序列的突变分析 在图2气温突变分析的MK曲线中，UF曲线除了在1958年-1961年出现小于0的情况之外，其余时刻UF曲线均大于0，说明年均气温自1961年之后呈现平稳上升趋势，自1978年上升趋势显著；UF和UB曲线在20世纪80年代-20世纪90年代之间出现交叉3个交叉点，分别为1981年、1983年和1984年，但这几个交叉点均在临界值=196的临界线之外，因而并不能以此判断这三个交叉点对应的年份就是突变开始的时间。根据Pettitt方法（图2）计算分析可知，k(t)=max|Ut,N|=57，对应年份为1997年，但是P=0536>05，因此该点在统计学意义中并不显著。 图1和丰县年均气温和年降水量变化曲线及距平曲线 Fig.1Variation curves and cumulative departure curves of annual temperature and precipitation in Hefeng County图2和丰县年均气温序列的突变分析曲线 Fig.2Mutation analysis curves of annual temperature time series in Hefeng County 根据图3降水量突变分析的MK曲线中，UF曲线除了在2000年和2003年出现小于0的情况之外，其余时刻UF曲线均大于0，说明年降水量在近57年的统计时间序列中呈现平稳上升趋势；UF和UB曲线在2000年-2010年之间出现3个交叉点，分别为2006年、2007年和2009年，且这几个交叉点均在临界值=±196的临界线之内，因而可以判断这三个交叉点对应的年份就是突变开始的时间。再根据Pettitt方法（图2）计算分析可知，k(t)=max|Ut,N|=286，对应年份为2007年，这正好和2007年7月和丰县城区特大暴雨洪水的实际情况相吻合，另外计算得出P=0049<05，因此该点在统计学意义中显著。 图3年降水量序列的突变分析曲线 Fig.3Mutation analysis curves of annual precipitation time series in Hefeng County 4结论 （1）对和丰县1954年-2010年近57年年均气温和年降水量两个气象因素的时间序列进行趋势性和突变性检验，结果表明：和丰县近57年来的年均气温呈现增加趋势，且增加趋势表现显著。年降水量略有增加的趋势，但总体变化趋势不显著；丰枯降水年交错分布。 （2）气温突变分析的MK检测结果表明年均气温自1961年之后呈现平稳上升趋势，自1978年上升趋势显著，但无突变年份出现；Pettitt方法检测则发现有气温突变年份，对应年份为1997年，但是该点在统计学意义中并不显著。 （3）降水量突变分析的MK分析检测结果表明，降水量在近57年的统计时间序列中呈现平稳上升趋势，且有2006年、2007年和2009年3个突变点；Pettitt方法检测的突变年份为2007年，该点在统计学意义中显著，未来降水量呈现增加趋势。 目前，突变统计分析的方法还不成熟，本文采用MK方法和Pettitt方法进行突变检测，可以相对增加突变分析的可靠性。但这两种方法均属于非参数检验方法，且Pettitt方法的检测结果还会在遇到多个突变点时产生影响。因而，在以后进行相应的研究工作中，还需多增加检验方法并剔除不平稳样本序列后才能进一步得到更为可靠的分析结论。 参考文献（References）： ［1］IPCC.Summary for policymakers［M］.IPCC.Climate Change 2007:Mitigation of Climate Change.Cam bridge,UK:Cambridge University,2007. ［2］崔建新,周尚哲.对气候突变的初步认识［J］.河北师范大学学报:自然科学版,2001,25(2):264266.(CUI Jianxin,ZHOU Shangzhe.The Primary Understanding of the Climate Abruptness［J］.Journal of Hebei Normal University(Natural Science Edition,2001,25(2):264266) (in Chinese)) 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