周玉都，史华峰，张文军

（1.廊坊市气象局，河北廊坊 065000；2.解放军93601部队气象中心，山西大同 037006，3.酒泉市气象局，甘肃酒泉 735000）

廊坊市近50年气温的时空变化特征

周玉都1，史华峰2，张文军3

（1.廊坊市气象局，河北廊坊 065000；2.解放军93601部队气象中心，山西大同 037006，3.酒泉市气象局，甘肃酒泉 735000）

采用1964—2013年廊坊市9个气象站的气温观测资料，分析廊坊市日平均气温、日最高气温、日最低气温的时空变化特征，并利用Morlet小波变化和Mann—Kendall突变检验等方法对廊坊市日平均、日最高、日最低气温进行周期分析和突变检验。结果表明：（1）平均气温、平均最高气温、平均最低气温和高温极值变暖趋势显著，年际增长率分别为0.38℃／10a、0.28℃／10a、0.38℃／10a、0.36℃／10a；（2）平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数均具有4～6a的短周期、9a的较长周期和一个年代际的长周期；（3）20世纪80年代中期到90年代中期平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数均存在一个显著突变；（4）平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数在空间分布上均呈现南高北低趋势。

廊坊市；气温；Morlet小波变化；M⁃K突变检验

0 引言

近年来，全球气候变暖成为全社会广泛关注的焦点。IPCC第五次评估报告中指出，从1983到2012年这30年可能是北半球自1400年以来最热的30年；1880—2012年，全球海陆表面平均温度呈线性上升趋势，升高了0.85℃；2003—2012年平均温度比1850—1900年平均温度上升了0.78℃［1］。Jacoby等通过蒙古树轮分析发现19世纪中期以来亚洲中部的干旱地区的气温大幅上升［2］。国内学者们也通过各个地区长序列气温观测分析了温度的时间变化特征。张爱英等［3］采用任国玉等［4］发展的综合指标和客观标准，从2400个国家气象站网中遴选地面气温参考站，应用经过均一化订正的月平均气温数据，通过对比分析中国614个国家基准气候站、基本气象站与参考站地面气温变化趋势，发现1961—2004年国家基准、基本站年平均地面气温序列中的城市化增温率0.076℃／10a，占同期全部增温速率的27.3%。张静等通过分析山东省内4个代表测站的气温资料，表明山东同陆地区的年平均气温整体呈上升趋势［5］。陆杰英等基于增城国家基准气候站1960—2009年50年气温资料分析了增城市近50年来气温变化特征，指出增城市年平均气温每10年上升0.12℃［6］。张梅对1961—2013年石家庄市气温变化特征进行了分析，研究表明石家庄年平均最高气温增温率0.107℃／10a，年平均最低气温增温率为0.594℃／10a，最高气温和最低气温差异较大［7］。郝玲玲和苏春生则分析了1961—2013年威海市气温变化特征，与石家庄观测结果不同，威海的年平均最高最低气温增温率分别为0.2℃／10a、0.3℃／10a，最高气温和最低气温差异较小［8］。郝晓阳等分析了昆明市的年平均气温增温率为0.29℃／10a［9］。王志杰等分析安康市气温变化特征时得出的年平均增温率较小，为0.05℃／10a［10］。

以往研究表明，不同地区因下垫面和气候差异，其温度的时间变化趋势差异较大。温度升高导致全球降水量重新分配，不但危害自然生态系

统的平衡，影响人们的生产生活。了解一个地区的历史温度变化特征，有助于人们应对未来温度变化造成的影响。本文全面分析了廊坊市日平均、日最高、日最低气温的时空变化特征，并利用Morlet小波变化分析廊坊市日平均、日最高、日最低气温时间序列中蕴含的气候周期，同时利用Mann⁃Kendall方法对时间序列中的温度突变予以分析。

1 数据和方法介绍

1.1 数据介绍

本文使用的日平均、日最高、日最低气温数据为廊坊市9个气象站（三河、香河、大厂、廊坊、固安、永清、霸州、文安、大城）1964—2013年的连续气温观测。

1.2 Morlet小波变换

小波变换的基本思想是用一簇小波函数系来表示或逼近某一信号或函数，其关键在于用于分析的小波函数。小波函数具有震荡性，能够迅速衰减到零，且满足：

其中ψ（t）为基小波函数，它可通过尺度的伸缩和时间轴上的平移构成一簇函数系：

其中ψa，b（t）为子小波，a为尺度因子，反映小波的周期长度；b为平移因子，反应时间上的平移。

对于给定的能量有限信号f（t）∈L2（R），其连续小波变换（Continue Wavelet Transform，简写为CWT）为

由式（3）或（4）可知小波分析的基本原理，即通过增加或减小伸缩尺度a来得到信号的低频或高频信息，然后分析信号的概貌或细节，实现对信号不同时间尺度和空间局部特征的分析。

1.3 Mann⁃Kendall突变检验

Mann⁃Kendall方法是一种非参数方法。对于由n个样本组成的时间序列X：

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

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，由下式算：

UFk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α，查正态分布表，若 ｜UFk｜＞Ua，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。

这一方法计算简便，可明确突变开始的时间，并指出突变区域。

2 廊坊市气温时间变化特征

2.1 廊坊市气温年变化特征分析

对廊坊市近50年的逐年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数进行一元线性回归分析，结果如图1所示。图1中平均气温、平均最高气温、平均最低气温和高温极值有着明显的增大，变暖趋势显著［11－12］，其中平均气温和平均最低气温的年际增长率为0.38℃／10a，低温极值的年际增长率为0.36℃／10a，平均最高气温的年际增长率为0.26℃／10a，而高温极值和高温日数的年际变化呈弱增长趋势。平均气温、平均最高气温、平均最低气温保持较为一致的变化趋势，从年变化趋

势可以看出进入20世纪90年代中期后，气温迅速变暖，维持在较高的水平，近几年又略有降低；对应的高温极值和高温日数也有所响应，不同的是高温极值和高温日数的高值维持时间较短；而低温极值的显著增大是从90年代初开始的，持续到90年代末。

2.2 廊坊市气温的周期分析

利用Morlet小波变化方法对廊坊市近50年的逐年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数进行分析，结果如图2所示。从图2中可以看出，平均温度具有20～26a的长周期震荡、9a的较长周期震荡和4～6a的短周期震荡。其中长周期震荡具有明显的变长趋势，20世纪60年代中期到70年代初期震荡周期是20a，70年代初期到80年代中期震荡周期是22a，到90年代末的时候变为24a，之后延长为26a；9a的较长震荡周期主要分布在60年代中期到70年代中期和90年代之后；80年代之后还存在5a的震荡周期。平均最高气温的长周期震荡由开始的22a缓慢变长为24a，9a的周期震荡在80年代之前和21世纪更为明显，4～6a的短周期震荡主要在80年代中期到90年代后期。平均最低气温有较为稳定的16a的长周期震荡，90年代之后有9a的周

期震荡，4～6a的短周期震荡主要出现在80年代之后。低温极值和高温极值存在14～18a的长周期震荡，周期随着时间变短，极值温度出现的越来越频繁，它们9a的周期震荡主要分布在90年代中期之前，4～6a的周期震荡在80年代之后更为明显。高温天数存在16a的长周期震荡，9a的周期震荡主要分布在70年代初期到90年代末期，70年代之后5a的周期震荡较为明显。

对比不同温度指标的周期分析结果可以发现，它们普遍存在3个周期震荡，其中9a的较长周期震荡和4～6a的短周期震荡较为相似，而年

代际的长周期差异较大，从14a到26a不等。

2.3 廊坊市气温的突变分析

利用Mann⁃Kendall突变检验法对廊坊市近50年的逐年平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数进行分析，结果如图3所示。从图3可以看出，各个温度指标均存在异常突变。其中平均气温、平均最低气温、高温日数的突变发生在1985年左右，平均最高气温、高温极值的突变发生在1990年前后，而低温极值的突变则发生在1996年。

3 廊坊市气温空间变化特征

图4给出了廊坊市多年平均的日平均气温、日最高气温、日最低气温、高温极值、低温极值和高温日数。从图中可以看出：多年平均日平均气温总体上呈南高北低的趋势，北部的三河市平均温度最低，为11.6℃；南部的文安县平均温度最高，为12.6℃；中南部地区又呈西高东低的趋势。多年平均日最高气温的空间分布总体上呈南高北低的趋势，三河市平均最高气温最低，为17.7℃，文安县和大城县平均最高气温最高，为18.6℃。多年平均日最低气温的空间分布总体上呈中北部低南部高的趋势，有一个大值中心和两个低值中心，大值中心位于中南部的文安县，低值中心一个位于北部的三河市，另一个位于中部的永清县。多年平均日最高气温的极大值和极小值差为0.9℃，而多年平均最低气温的极大值和极小值的差值为1.2℃，测站之间最低温度的温差要高于最高温度的温差。多年平均高温极值总体上呈南高北低的趋势，大城县平均最高温度极值最大，为38.5℃；大厂县最小，为37.1℃。多年平均低温极值存在两个大值中心和两个低值中心，大值中心分别位于北部的香河县和南部的文安县，小值中心分别位于中部的永清县和南部的大城县，永清县平均最低气温极值最小，为－17.7℃，香河平均最低温度极值最大，为－16.0℃。多年平均高温日数总体上呈南多北少的分布，最多高温日数分布在南部的文安，为13.6d／年；最少天数分布在北部的三河，为6d／年。

4 结论

本文利用廊坊市近50年9个气象站的气温观测数据，分析了廊坊市日平均气温、日最高气温、日最低气温的时空变化特征。并利用Morlet小波分析和Mann⁃Kendall法对廊坊市日平均、日最高、日最低气温进行周期分析和突变检验。得到以下结论：

（1）平均气温、平均最高气温、平均最低气温和高温极值变暖趋势显著，年际增长率分别为0.38℃／10a、0.28℃／10a、0.38℃／10a、0.36℃／10a，而高温极值和高温日数的年际变化呈弱增长趋势。

（2）平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数均具有4～6a的短周期、9a的较长周期和一个年代际的长周期，其中长周期差异较大，从14a到26a不等。

（3）20世纪80年代中期到90年代中期平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数均存在一个显著突变。

（4）平均气温、平均最高气温、平均最低气温、高温极值、低温极值和高温日数在空间分布上均呈现南高北低趋势。

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Spatial and Temporal Variations of Temperature in Langfang during 1964－2013

Zhou Yudu1，Shi Huafeng2，Zhang Wenjun3
（1．Langfang Meteorological Bureau，Langfang，Hebei 065000；2．PLA 93601 army Meteorological Center，Datong，Shanxi 037006；3．Jiuquan Meteorological Bureau，Jiuquan 735000，China）

In this paper，the temperature observation data of 9 meteorological stations in Langfang city during 1964－2013 are used to analyze the temporal and spatial variation characteristics of daily average temperature，daily maximum temperature，daily minimum temperature and daily minimum temperature in Langfang city.And Morlet wavelet transform and Kendall⁃Mann mutation test are used to analyze the daily average，daily maximum and minimum temperature in Langfang city.The results are as follows：（1）the average temperature，average maximum temperature，average minimum temperature and extreme warming trend are significant，and the annual growth rate is 0.38／10a，0.28／10a，0.38／10a，0.36 C／10a.（2）Mean air temperature，mean maximum temperature，mean minimum temperature，maximum temperature，low temperature and high temperature days all have short period of 4～6a，longer period of 9a and long period of time.（3）The average temperature，average maximum temperature，average minimum temperature，maximum temperature，low temperature and high temperature days in the middle of the 1980‘s to the 1990’s，there was a significant mutation.（4）Average temperature，average maximum temperature，average minimum temperature，extreme high temperature，extreme low temperature and high temperature，number in the space distribution showed a high trend in the south and low in the north.

Langfang City；temperature；Morlet wavelet transform；M⁃K mutation

P423.1

A

1673－8047（2016）03－0081－08

2016－04－07

廊坊市气象局科研基金（201405）

周玉都（1987—），男，本科，助理工程师，主要从事短期预报工作及温度预报研究。