大庆近50年来的气温变化及突变分析

1、大庆市近 50 年来的气温变化及突变分析 高洪程 1 ，周明丽，娄德君 （ 1. 大庆市气象局， 163000，2. 齐齐哈尔市气象局， 161006） 摘 要： 利用 Morlet 小波变换方法和 3 种突变检测方法对大庆市近 50 年气温变化的周期特 征及突变特征进行了综合分析，结果表明：近 50 年来大庆市的气温变化具有 1.5a、 4a 左右 的年际尺度的周期变化和 12 15a 左右的年代际尺度的周期变化，气温变化的阶段性特征明 显。气温的冷暖交替具有突变特征，突变点为 1987 年。 关键词： 气温变化 Morlet 小波变换 突变 1 引言 气候变化是一个非常复杂的问题，在存在线

2、性变化的同时也存在着一定的非线性变化。 线性变化包括周期变化和趋势变化等， 它是气候变化的重要组成部分， 非线性变化指的是气 候的相对稳定性和突变现象等。 近 50 年来大庆市气温总体上呈上升趋势， 近 50 年约上升了 2.8，与全球和全国的气温变化趋势一致 1 ，但其变化又有明显的局地特征。 深入研究大庆 市的气温变化规律， 得出其变化的周期性规律和突变特征， 对工农业生产、 能源利用和保护 环境等都具有十分重要的意义。 2 方法和资料 本文中周期分析采用小波变换方法，研究表明，将 Morlet 小波应用于气候变化分析， 小波系数的变化趋势与气候信号的起伏是基本一致的2 ，适用于对气候资料

3、序列进行时频局 部化分析。这里将本文应用的 Morlet 小波及其计算公式作一说明。 Morlet 小波母函数形式为 icx 其子小波为 (x b 其中， a 为尺度参数， b 为平移参数。伸缩尺度 a 与 Fourier 分析中周期 T 的关系为 4a c 2 c2 小波变换所用资料为大庆市 19572004 年月平均气温距平序列，资料总样本数n=576。 在进行小波变换之前，为消除边界效应，对资料序列向两端做了对称性延拓2 。 由于在气候序列的突变检测中累积距平法 （ CA）、滑动的 t 检验法（ MTT）和 Mann-Kendall 法（M-K ）各有利弊，本文结合 3 种方法对大庆市

4、48年的年平均气温序列可能的突变点进 行综合检测。 CA法、 MTT法和 M-K 法的应用已有过很多介绍 3，本文不再详述。 气温突变所用资料为 19572004 年的年平均气温序列。 3 结果分析 3.1 大庆市气温变化的基本特征 图 1 为 1957 年至 2004 年大庆市年平均气温距平随时间的变化。由图可见，近 50 年来 大庆市气温总体上呈上升趋势， 近 50 年约上升了 2.8，比全球和全国的气温上升幅度要大 得多。统计资料得出， 10 年气温距平平均值 （ 1961 2000 年）分别为 -1.1、0.6、 0.1、0.7 , 由 10 年气温距平平均值变化可以看出，每10 年气

5、温距平平均值差值在 0.6 0.7左右，即 大庆市的年代气温呈稳定上升趋势。由图还可以看出， 1970 年代以前为大庆的较冷时期， 温度均为负距平，而 1988 年以后为较暖时期，气温均为正距平，这与全国的气温增暖时间 基本一致。 图 1 1957 2004 年大庆市年平均气温距平曲线 3.2 大庆市气温变化的多时间尺度分析 图 2 1957.12004.12 大庆市月平均气温距平 Morlet 小波变换系数的实部 图 2 为 Morlet 小波系数的实部，由图可以清楚地看出大庆市的气温变化存在多时间尺 度结构。首先，大庆市的气温变化存在着明显的1215a 左右的年代际尺度的周期性变化。 12

6、 15a 左右的周期存在于 2000 年以前的时域中，气温变化表现为三个偏冷期和三个偏暖 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 相对偏暖期、 80 年代中期至末期的相对偏冷期和 90 年代的相对偏暖期。 将图 2中 10a尺度以下的部分放大 （图略），可以看出近 50 年来大庆市的气温变化还存 在 1.5a、 4a、8a 左右的年际尺度的周期性变化。不同尺度的周期信号都比较显著，而且在 时域上呈现出阶段性特征，尺度

7、越小对应的冷暖交替越频繁。 4a 左右的周期出现在 19571986 年期间以及 1995 年后， 在 1957 年至 70 年代末期表现得尤为显著， 在 1995 年后 尺度有减小的趋势。 而 8a左右的周期在 1975 年以后至今表现得较为突出。 1.5a左右的周期 在时域上表现得比较零乱复杂，这里不作详细分析。 对小波功率进行分析，可以看出不同尺度周期信号的强度，由小波功率谱（图3）可以 看出， 4a左右的周期振荡最为显著，强度最大，其次为1.5a和 1215a 左右的周期较显著， 8a 左右的周期振荡信号也较强，表现为小波功率的闭合中心， 20年以上尺度的周期信号最 弱。经检验， 1.

8、5a、4a、12 15a的周期振荡都通过了信度为 0.05的 F检验，说明这几个尺 度的周期振荡对近 50 年来大庆市的气温变化贡献较大，在气温变化中起主要作用。各不同 尺度相互作用的综合结果是使得大庆市的气温在 70 年代以前处于偏冷期，在 70 年代至 80 年代中期气温在正常值附近波动变化，而 80 年代末期至今，气温处于偏暖期。 图 3 1957.12004.12 大庆市月平均气温距平 Morlet 小波变换的功率谱 3.3 大庆市气温变化的突变分析 气候突变是普遍存在于气候系统中的一个重要现象，它表现为气候在时空上从一个统 计特性到另一个统计特性的急剧变化。由于均值突变能够较好地反映

9、气候基本状况的变化， 本文着重分析气温的均值突变。 -5 -10 -15 -20 -25 -30 图 4 1957 2004 年大庆市年平均气温累积距平曲线 由累积距平曲线（图 4）可以看出， 1987 年以前，大庆市年平均气温呈波动式变化趋 势，87 年后气温呈直线上升趋势， 1987 年为突变点。 MTT法中取 n=5 年，选取信度0.01， 查表得 t 为 3.355 ，如 T0j t ，则认为在第 j 年前、后 n 年两时段可能会有突变。图 5 为 n=5 时 MTT 法计算出的 T0 随时间的变化曲线，可以看出，有两个点通过信度检验，1987 年为突变点， 即 1987 年前后的 5

10、 年大庆市的年平均气温可能存在突变。 由 M-K 法计算出的 u（dk） 随时间的变化曲线（图略）可以清楚地看到近50年来大庆市的气温具有显著的增暖 趋势，曲线 c1和c2的交叉点位于信度线之外的 1982 年，结合 CA 法和 MTT 法结果可以看 出该点不是突变点。综上分析得出近50 年大庆市气温的冷暖交替具有突变特征，突变点为 1987 年。 图 5 MTT 法中 T0 的变化曲线 4 小结 通过上述分析，可以得出近 50 年来大庆市气温变化的主要特征： 近 50 年来大庆市的气温变化具有多层次的时间尺度结构，时域中存在着1.5a、 4a 左右 的年际尺度的周期变化和 1215a 左右的

11、年代际尺度的周期变化， 气温变化的阶段性特征明 显。近 50年来大庆市气温的冷暖交替具有突变特征，突变点为1987 年。 参考文献： 1 王绍武 . 近百年气候变化与变率的诊断研究 2 林振山，邓自旺 . 子波气候诊断技术的研究 3 符淙斌，王强 . 气候突变的定义和检测方法 J. 气象学报， 1994，52（ 3）：261 273. M. 北京：气象出版社， 1999. J. 大气科学， 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