1993—2023年古交市温度变化特征及R/S趋势分析

摘要：利用古交市1993-2023年间逐日逐月气温观测数据，采用线性回归、Morlet 小波分析等方法分析古交近31年的气温变化特征并基于R/S分析法预测气温变化的未来趋势。结果表明：（1）从线性趋势分析得出，古交市近31年平均气温、平均最高气温及平均最低气温都呈现出上升趋势。（2）在周期分布上，平均气温、平均最高气温和平均最低气温在周期上比较相近，气温周期的第一主周期在15～16a。（3）由四季气温变化特征分析可知，春、夏、秋季气温变化趋势与年平均气温变化趋势基本相似，呈升温趋势，冬季呈降温趋势，气温变化趋势均不显著。（4）从突变检验分析得出，21世纪初气温振荡比较剧烈频繁，2002年前后平均气温均出现了突变点，气温变化出现转折，2014年前后平均最高气温和平均最低气温均出现突变点。（5）在未来趋势上，Hurst 指数显示出未来气温变化趋势较为明显。

关键词：气温；Morlet 小波分析；MK 趋势分析；突变检验；R/S分析方法；古交市

引言

多年来关于我国气温变化特征的分析一直都在进行。韩翠华等[4]、王绍武等[5]等学者研究表明，我国气温变化呈现明显的上升趋势，20世纪80年代中期以后气温明显偏高。任国玉等[6]研究表明，东北、华北、西北和青藏高原北部增温现象最明显，且在在冬季和春季最为显著。

古交市位于华北地区，处于半干旱半湿润交界处，近年来极端天气逐渐频繁，但是目前还没有人对当地的气温变化进行多方面的研究，因此本文通过分析近31年古交市气温数据，为本地农业生产、森林防火等方面提供有效参考。

1 资料与方法

本文所用气象观测资料来古交市气象局，利用1993-2023年古交市地区1个国家气象观测站和14个区域站全年的逐日平均气温、逐月最高、最低气温数据，将四季划分为：春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬 季（12月至翌年2月）。

采用线性倾向估计法、Morlet 小波分析及 Mann-Kenda 突变检验法等研究方法分析古交气温的变化特征，同时基于R/S分析方法（Hurst指数）预测气温变化的未来趋势。

2 结果与分析

2.1 气温年际平均变化趋势

根据近31年气温变化特征分析，古交年平均气温、平均最低气温及平均最高气温均呈现为波动向上的变化趋势。由图1a可见，年平均气温变化的气候倾向率为0.16℃/（10a），说明年平均气温没有明显的上升趋势，且由图1d累积距平曲线可知，古交市自1993—2023年气温平均值为10.0℃，大多数年份为负距平，说明这一时期该地区是偏冷阶段。古交平均最高气温及平均最低气温的气候倾向率分别为0.32℃/(10a)和0.027℃/(10a)，说明气温变化有增温趋势，但增加趋势并不显著。

2012年和 2017 年分别为平均气温的最低年（8.7℃）及最高年（11.3℃）；2012年和 2015年分别为平均最高气温的最低年（16.2℃）及最高年（19.3℃）；2012年和2015年分别为平均最低气温的最低年（2.9 ℃ ) 及最高年（5.0℃）。

图1 古交市近31年平均气温（a）及年平均气温累积距平（d）

2.2古交市近31年气温周期性特征分析

根据古交近31年气温变化的小波实部及方差图2a、2b可见，平均气温的第一主周期为准15年，次周期有准6年、准3年。同理可得（图略），平均最低气温的第一主周期为准16年，次周期为准 18 年；平均最高气温的第一主周期为准16年，次周期为准 22 年。

总体来看，平均气温、平均最低气温和平均最低气温在周期上比较相近，气温周期的第一主周期在15～16a，时间上比较集中，次周期则比较分散。

图2 古交市近31年平均气温小波实部（a）及方差（b）的时间序列分析

2.3古交市四季气温变化特征

分析古交市四季气温变化趋势可知，春、夏、秋季气温变化趋势与年平均气温变化趋势基本相似，呈升温趋势，气候倾向率分别为0.209、0.052、0.107℃/10年、冬季呈降温趋势，气候倾向率为-0.044℃/10年，四季气温变化趋势均不显著。

运用累积距平法分析古交四季气温变化趋势（图略）。可以看出，春季气温变化大致分为3个阶段：1993—1996年为偏冷阶段；1997—2007年为偏暖阶段，2008—2023年为偏冷阶段但气温变化逐渐平稳；夏、秋、冬季气温变化大致分为4个阶段：1993—1996年为气温偏低阶段，1997—2007年为气温偏高阶段且在此期间，气温变化波动较大，2008—21世纪10年代为气温偏低阶段，2012—2023年回到气温偏高阶段。

2.4古交市近31年气温变化趋势及突变检验

利用Mann-Kendall检验方法统计分析古交市1993—2023年气温的变化特征（图3）。其中，平均气温UF值在1993-2010年期间大于0，表明这一时期气温呈上升趋势，1999年前后UF超过0.05显著水平线，表明气温上升尤为显著；而2010-2015年UF值小于0，出现短暂的平均气温呈下降趋势；2016年后平均气温重回上升趋势。正反曲线（UF，UB）在 1994、1997、2002、2016-2018、2021年前后相交，且交点位于 95%信度区间内，为进一步确定突变点，对交叉点作不同时间的滑动t检验，仅交叉点2002年通过检验，说明平均气温序列在2002年前后发生了突变，为上升突变点。同理，平均最低气温和平均最高气温在2014年前后UF和UB线的交点在±1.96之间，且UF值均在0值以上，说明气温有突变现象，2014年突变后，从UF曲线变化趋势可知，平均最高气温呈加速上升趋势并在2022年左右远超过了0.05 显著性水平，而平均最低气温在1993-2010年呈现明显上升趋势，突变点后气温变化呈现剧烈波动，上升下降趋势交替出现但并不显著。

图3古交市近31年平均气温(a)、平均最高气温(b)、平均最低气温(c)的 M-K 趋势分析及突变检验

2.5古交市近31年气温变化趋势分析

采用 R/S 分析法对气温进行趋势变化分析，从R/S分形计算结果（见表 1）可以发现，不同特征气温 Hurst指数皆为0.5＜H＜1，说明各项气温要素表现为持续性，有长期依赖性和明显的变暖或变冷趋势。

表1 不同类气温的Hurst指数

从 R/S 分形双对数曲线上（见图4）可以看出，气温变化趋势与过去气温变化趋势存在较强的联系，具有持久性和长程记忆效应，本文气温线性变化趋势及 M-K 气温趋势比较一致，平均气温H值接近1，上升比较明显；平均最高气温呈现下降趋势、平均最低气温则变化不明显。由此得出，在全球变暖的影响下，古交市气温的变化仍处在升高的态势。

图4 古交市近31年平均气温的 R/S 分析

3 结论与讨论

3.1 结论

本文利用1993—2023年数据资料对古交市温度变化特征进行了分析，得到以下结论。

（1）从线性趋势分析得出，古交市近31年平均气温、平均最高气温及平均最低气温变化都呈现上升趋势，但均不显著，且都具有波动性。

（2）在周期分布上，平均气温、平均最高气温和平均最低气温在周期上比较相近，气温周期的第一主周期在15～16a，相对比较集中，次周期则比较分散。

（3）由四季气温变化特征分析可知，春、夏、秋季气温变化趋势与年平均气温变化趋势基本相似，呈升温趋势，冬季呈降温趋势，气温变化趋势均不显著。四季温度变化大致可分为三至四个阶段。

（4）从突变检验分析得出，21世纪初气温振荡比较剧烈频繁，2002及2015年前后平均气温出现了突变点，气温变化出现转折；2014年前后，平均最高气温和平均最低气温均出现突变点，平均最高气温呈加速上升趋势，平均最低气温变化呈波动状态，上升下降趋势交替出现。

（5）在未来气温变化趋势上，Hurst 指数显示出未来气温变化趋势较为明显。在全球变暖的影响下，古交市气温的变化依旧呈升高的趋势，但随着森林大火频发，对全球气候变化产生重要的影响，未来古交市气温变化呈现出不确定的概率很大。

3.2 讨论

由上述研究表明，古交市全年平均气温升温，可能导致已适应原来气候的植被适宜生长带发生变化，同时冬季平均气温的下降趋势会影响全市采暖强度，可能不利于植物冬季越冬，但减少了部分农作物越冬期病虫害的潜在危险性。

有上述可知，对于农林业而言，制定专门的气象服务方案尤为必要，考虑到古交市的农业结构和主要植物种类，应当开发定制化的气象服务产品，例如作物生长周期预报、病虫害发生预警、灌溉指导等。这些服务可以帮助农民根据天气条件调整种植计划，选择适宜的品种和技术措施，从而提高产量和质量；在城市能源管理方面，应与能源企业合作，基于长期和短期的温度预测，制定灵活的供暖和制冷调度方案，确保能源供应的稳定性和经济性；在森林防火方面，平均气温上升，将会增加森林火灾的发生概率，以春季、秋季森林防火期温度数据为研究对象，分析其变化特征，可为古交森林防火工作提供基础理论支持。

参考文献

[1]马丽娜.鱼台县近三十年温度变化趋势分析与气象服务对策[J].南方农业,2023,17(22):25-27+58.DOI:10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.22.007.

[2]舒海燕,杨晓彤,王忠宝,等.1951—2019 年阜新市气温变化特征及 R/S 趋势分析[J].内蒙古气象,2021,(06):16-19.

[3] 严华生.气候变化分析预测[M].北京,气象出版社,2003.

[4] 韩翠华，郝志新，郑景云 .1951—2010 年中国气温变化分区及其区域特征 [J]. 地理科学进展，2013，32(6)：887-896.