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气候变暖背景下杭州市近 60 年气温变化特
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征分析#
李少魁1,2,孙卫国1,徐芸皎1,姚龙2,江瑶1**
(1. 南京信息工程大学应用气象学院,南京 210044;
2. 94783 部队气象台,长兴 313111)
摘要:根据 1951~2010 年的逐日气温资料和城市发展数据,分析了近 60 年杭州市气温变化
特征及其与城市化发展的关系。结果表明:近 60 年杭州市平均气温呈上升趋势,气候倾向
率达 0.313
/ 10a℃ ;年平均气温存在 16a 尺度的年代际变化周期和 6a、4a、准 2a 尺度的年际
变化周期,气温冷暖突变发生在 80 年代末至 90 年代初;平均最低气温的气候倾向率大于平
均最高气温,前者冬季上升趋势最为明显而后者为春季;极端低温上升比极端高温更加明显,
低温日数以 4.1d/10a 的变率减少,酷暑和暖冬出现频率越来越高而冷冬逐渐减少。分析认为,
除受自然因素影响以外,杭州市气温变化与城市非农业人口增加、建成区面积扩大等人为因
素有关。
关键词:气温变化;气候倾向率;城市化;相关分析
中图分类号:P467
Analysis of Temperature Variations During The Past 60
Years Under Global Warming in Hangzhou City
Li Shaokui1,2, Sun Weiguo1, Xu Yunjiao1, Yao Long2, Jiang Yao1
(1. College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science & Technology,
Nanjing 210044;
2. Meteorological Station of 94783 Army, Changxing 313111)
Abstract: According to the daily air temperature data from 1951 to 2010 and urban development
data of Hangzhou city, temperature variations in resent 60 years and the relationship with the
urbanization are analyzed. The results show that: the mean temperature of the Hangzhou city
presented the upward trend during the past 60 years and climate trend rate up to 0.313 ℃/10a.
Annual mean temperature vary with decadal period of 16a scale and inter-annual periods of 6a, 4a,
quasi-2a scale. The temperatures mutation from cold to warm occurred in the late 1980s to early
1990s. Climate trend rate of mean minimum temperature is greater than that of mean maximum
temperature, the former is most obviously in winter but the latter in spring. Extreme low
temperature rise more obviously than the extreme high temperature, the cold days have a reduced
rate at 4.1d/10a. Frequences of hot summer and warm winter were increasing and cold winter was
decresing. Analysis makes it knowen that, in addition to natural factors, the temperature variations
related to urban non-agricultural population increasing, built-up areas expanding and other human
factors in Hangzhou city.
Keywords: temperature variation; climate trend rate; urbanization; correlation analysis
0 引言
全球气候变暖这一不争的事实已经影响到人类生存和生活的方方面面,引起了各国科
学家和政府的高度关注和重视,已经成为全世界共同关注的重大科学问题。第 4 次 IPCC 评
估报告指出,近 100 年(1906~2005 年)全球平均地面气温上升了 0. 74 ± 0. 18℃[1]。Ren 等[2]
对我国近百年气候资料的分析表明,地表年平均气温在全球大多数地区表现为增高趋势,中
国年平均气温增加了 0.79℃,增温主要从 20 世纪 80 年代初开始且呈现出加快的趋势。由于
基金项目:江苏高校优势学科建设工程(PAPD)项目
作者简介:李少魁,(1986-),男,硕士研究生,主要从事城市气候研究。
通信联系人:孙卫国,(1954-),男,教授,主要从事气候变化研究。E-mail: weiguosun@nuist.edu.cn
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我国幅员辽阔,横跨不同气候带,不同地区的气候变化各有特点。区域性气候研究[3-5]证实
了中国北方气候呈明显变暖的趋势,气候变暖最明显的地区在西北、华北和东北地区。中国
东部地区城市群的快速城市化使得大城市气温增暖明显,1979~2008 年由于城市化造成的气
温增暖为 0. 66℃/10a[6];1961~2005 年长江三角洲城市带年平均气温增温速率为 0.28~0.44
℃/10a, 显著高于非城市带地区[7]。
气温变化不仅对农业生产有一定影响,对工业、建筑业、旅游业和能源消耗等都有影响;
特别是夏季高温和冬季低温,对严重依赖自然环境和气候条件的产业和能源消耗产生直接的
影响[8]。杭州市位于浙江省北部,地处长江三角洲南沿和钱塘江流域,夏季气候炎热、
湿润,冬季寒冷、干燥。杭州是我国长三角城市群南端较大城市,人口稠密、经济发达、
城市化水平高,是全国重点风景旅游城市和历史文化名城。然而,目前关于杭州市的气
温变化研究并不多见。在全球气候变暖背景下,长三角城市群整体气候和生态环境已经
发生明显变化[9-10]的同时,深入分析素有“人间天堂”美誉的杭州市气温变化特征很有必要。
因此,本文拟根据逐日气温资料,采用经典统计学方法和新型时频分析技术,分析杭州市近
60 年的气温变化特征,揭示气温变化的基本规律,旨在于为杭州城市经济结构转变、能源
建设、旅游业规划以及城市气候变化的诊断分析等提供借鉴和参考依据。
1 资料与方法
1.1 资料
本文所使用的 1951.01.01~2010.12.31 杭州市逐日平均气温、最高气温和最低气温资料
来自中国气象局,城市发展资料包括人口、土地建成面积(市辖区)、民用汽车拥有量等数
据来源于中国经济社会发展统计数据库(http://tongji.cnki.net/kns55/index.aspx)。文中高温
日数和低温日数[11]的统计采用原始数据,气温变化时频特征分析采用 720 个月的气温距平
序列。季节划分采用民用方法,春季为 3~5 月,夏季为 6~8 月,秋季为 9~11 月,冬季为
12~次年 2 月。
1.2 方法
本文用 5 年滑动平均和线性倾向估计分析气温变化趋势。气候要素的倾向率采用线性倾
向估计模型描述,即: y = a + bx。式中 y 为气温,x 为时间,b 为线性趋势项,b×10 即为气
温变化每 10a 的气候倾向率,用于定量分析气温变化的线性趋势。
时间序列趋势分析中,Mann-Kendall(以下简称 MK)检验[12]的基本原理为:定义统计
量 UF 和 UB,通过分析统计序列 UF 和 UB 确定序列 x 的变化趋势和突变时间点位置。若 UF
值大于 0,则表明序列 x 呈上升趋势,小于 0 表明下降趋势;当 UF 值超过临界线时,表明
上升或下降趋势显著。如果 UF 和 UB 两条曲线出现交点且交点位于临界线之间,则交点对
应时刻即为突变开始时刻。然而,Goossens[12]、符淙斌[13]等人指出,MK 法在检验跷跷板突
变、转折突变、变率突变时不是很灵验, 有可能产生虚假突变点。所以,当出现多个交点时,
需要采用滑动 t 检验或累计距平法进行验证。
滑动 t 检验方法[14]是通过考察两组样本平均值的差异是否显著来检验突变的一种统计
学方法。对于样本容量为 n 的某一时间序列 x,如果它的前后两段子序列(长度为 n1、n2 且
n1=n2)的均值差异 t 超过了一定的显著性水平 tα,则认为均值发生了突变。由于 n1、n2 的
选择带有人为性,可能使计算结果产生漂移。本文在分析气温年代际变化时,取 n1、n2=10,
采用信度 α=0.05 的置信水平进行检验。当|t|≥tα 时,认为 t 值对应年份前后 10a 的两个时段
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可能发生气温突变。
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小波变换[15]将一维气候信号在时间域和频率域中展开, 可以反映气候信号时频结构的
精细变化和局部化特征。小波变换具有多分辨率分析的特点,在时间域和频率域都具有表征
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信号局部特征的能力。通过时间系列分解,可以得出时间系列波动的周期性变化特征以及周
期变化的动态时间格局;其优点在于不仅可以看到信号的主要振荡周期,而且可以比较清楚
地看到不同时间尺度的振荡周期随时间的演变[16-17]。小波分析方法已被广泛应用于大气科学
领域[17-18],成为研究气象要素长期变化的重要工具。本文采用 Morlet 复数小波作为母函数
对月平均气温距平序列进行小波变换,分析杭州市近 60 年气温变化的时频域特征。
2 结果分析
杭州市近 60 年平均温度为 16.58℃,其中最冷年为 1951 年(15.48℃),最热年为 2007
年(18.50℃);最热年平均气温比最冷年高 3.02℃。春、夏、秋、冬季平均气温分别为 15.42℃、
27.12℃、18.1℃和 5.5℃。年平均最低气温为 13.21℃,平均最高气温为 21.07℃。表 1 列出
了杭州市 1951~ 2010 年平均气温、平均最高气温和平均最低气温以及各个季节气温平均值
的标准差和极差,反映了各季节气温相对于气候平均状态的偏离程度。显然,杭州市平均气
温和平均最低气温冬季波动最大,夏季最小,春秋季气温波动介于夏季和冬季之间;而平均
最高气温春季波动最大,冬季次之,夏秋季节较小。
表 1 1951~2010 年杭州市平均气温 (单位:℃)
Table1 Statistics of mean air temperature from 1951 to 2010 in Hangzhou.
平均气温
平均最高气温
平均最低气温
平均 标准差 极差
15.42
4.13
3.67
27.12
4.25
18.10
5.50
5.26
3.02
16.58
1.02
0.88
0.91
1.08
0.716
平均 标准差 极差
20.13
5.07
4.06
31.70
4.96
22.60
9.67
5.06
3.03
21.07
1.21
1.09
0.90
1.18
0.74
平均 标准差 极差
11.82
3.77
2.97
23.72
4.53
14.72
2.40
5.42
3.07
13.21
0.91
0.73
1.05
1.18
0.72
春季
夏季
秋季
冬季
年
2.1 平均气温变化
2.1.1 变化趋势
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杭州市近 60 年平均气温变化总体上呈上升趋势(图 1),气候倾向率为 0.313℃/10a;其
中,线性趋势的相关系数 R=0.7643,经检验通过了 α=0.01 的信度水平。与 1961~2006 年长
江三角洲地区的气候倾向率(0.29℃/10a)[18]相比,杭州市平均气温上升速度比长三角地区升
温快,比 1951~1999 年浙江省(0. 117 ℃/10a)[19]的增温速度更快。
图 1 表明,杭州市近 60 年平均气温的年代际变化可分为两个阶段。以 1988 年为分界点,
20 世纪 50 年代初至 80 年代末处于相对较冷期,90 年代初至 21 世纪前 10 年为显著增温期。
50 年代初期到中期经历了一个短暂的先升后降过程,随后从 50 年代中期到 60 年代末又经
历了一个稍长时间的先升后降过程;70 年代初至 80 年代末年平均气温变化在 1.0℃范围内
波动。20 世纪 90 年代以后,气温开始迅速上升;1991~2010 年杭州市平均气温变化的气候
倾向率高达 0.79℃/10a,升温趋势非常明显。由近 60 年平均气温变化曲线可见,杭州市气
温变化还存在 2a、4a 或 6a 左右小尺度起伏,年际变化具有明显的周期性。
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图 1 1951-2010 年杭州市年平均气温变化
(注:细实线为气温距平;粗直线为线性趋势;虚线为 5 年滑动平均)
Fig.1 Temporal variation of annual mean temperature in Hangzhou during 1951 to 2010
杭州市不同季节的气温变化,如图 2 所示。由图可见,春季升温幅度最大,冬季和秋季
次之,夏季最小;气候倾向率依次为 0.399℃/10a、0.359℃/10a、 0.340/10a 和 0.158℃/10a。
春夏秋冬各季节气温对年平均气温变化的影响分别为 34%、13%、27%和 28%;春、秋季和
冬季均通过了 α=0.01 的显著性检验,夏季也通过了 α=0.05 的置信水平。四季气温均在升温,
春、冬季升温最为明显且春季大于冬季,夏季增温最小且置信水平较低;这一结果与长江三
角洲地区四季气温变化[18]大致相同,只是长江三角洲地区整体增温冬季大于春季;与南京、
青岛等单个城市春季增温最大[20-21]的结论完全一致。
during 1951 to 2010
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图 2 1951-2010 杭州市四季平均气温变化(a 春季,b 夏季,c 秋季,d 冬季)
(注:细实线为气温距平;粗直线为线性趋势;虚线为 5 年滑动平均)
Fig.2 Temporal variations of mean temperature in spring(a), summer(b), autumn(c) and winter(d) in Hangzhou
由 5 年滑动平均曲线可见,春季平均气温在 20 世纪 50 年代初最低,50 年代至 60 年代
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初为上升阶段,60 年代处于缓慢下降阶段,70 年代初至 80 年代中期围绕年代均值波动,80
年代中期气温开始迅速攀升直至 2009 年。夏季平均气温变化在 50 年代初到 70 年代末表现
为先上升后缓慢下降随后小幅波动的状态,80 年代初至 90 年代末缓慢上升,本世纪初夏季
气温开始迅速上升直至 2008 年才略有下降,逐年平均夏季气温波动较大。秋季平均气温在
50 年代初至 70 年代初经历了两次先升后降的起伏,70 年代后期开始一直到 2004 年为一个
较长时间的上升期,2005 年后有所下降。冬季平均气温变化可分为 3 个阶段,50 年代至 60
年代为缓慢下降期,70 年代初到 80 年代中期冬季气温变化为先上升尔后迅速下降,80 年代
中期开始气温不断攀升一直到 2010 年未有明显减缓趋势。
2.1.2 变化周期和突变
小波系数实部等值线图能够反映气候信号周期性变化情况和多时间尺度的频率结构。图
3 表明,杭州市年平均气温变化存在着 16a 左右的年代际变化周期和 6a、4a、准 2a 尺度的
年际变化周期。图 3(a)中,16a 尺度的年代际振荡主要表现为 1995 年以前的 3 次冷暖交替,
分别为 1958 年以前的偏冷期、50 年代末至 1965 年的偏暖期、60 年代中期至 70 年代初的偏
冷期、70 年代中期到 1980 年的偏暖期、80 年代初至中后期的偏冷期和 80 年代末到 90 年代
中期的偏暖期。6a 尺度的年际周期性变化表现在 50 年代至 70 年代末期。4a 尺度的周期信
号主要表现在 80 年代初至 21 世纪初。准 2a 尺度的年际变化在所讨论的时域中均有表现。
由图 3(b)可见,年际尺度周期振荡能量明显大于年代际尺度周期振荡,图中实线表示通过
α=0.05 信度检验的变化周期。16a 尺度的显著周期变化表现在 1980 年以前和 1990 年以后。
6a、4a 左右和准2a 尺度周期变化显著;其中 4a 左右周期振荡能量最强,主要表现在 1976~1982
和 1990~2000 年前后;时域中准 2a 尺度周期变化具有明显的局部化特征。
图 3 杭州市 1951-2010 年月平均气温距平小波变换系数的实部(a)和功率谱(b)
Fig.3 Real part of wavelet transformation coefficients (a) and wavelet power spectrum (b) of anomaly serials of
monthly mean temperature in Hangzhou during 1951 to 2010
气候变化在各种不同尺度上都存在着不稳定性及突变现象,是气候系统非线性反映,是
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不同气候状态的转折方式,即从一种稳定的气候状态跳跃式的转变到另一种稳定的气候状
态,气候一旦发生突变,天气过程的大背景则随即改变[22]。通常采用 MK 法检验气候信号
的突变点,采用滑动 t 检验或累计距平法验证气候突变的真伪,增强突变分析结果的可信度。
采用 MK 法对杭州市 1951~2010 年平均气温序列进行突变检验(图略),发现 UF 曲线在
1993 年以后突破了 α=0.05 的置信线,甚至超过 α=0.001 的显著性水平,说明 1993 年以后气
温上升趋势显著;但置信区间内 UF 和 UB 线在 20 世纪 80 年代出现多个交点,难以准确确
定突变点位置。由滑动 t 检验法计算的 t 值分布,如图 4(a)所示;1981 年以后杭州市平均气
温呈逐渐上升趋势,1988 年达到 α=0.05 的显著性水平。图 4(b)为年平均气温累计距平曲线,
图中 1988 年前后年平均气温发生冷暖转折;突变时间与滑动 t 检验法所得结果基本一致。
由此可以认为,杭州市年平均气温在 1988 年发生气候突变。
图 4 杭州市年平均气温滑动 t 检验(a)和累计距平(b)变化图
Fig.4 The annual average temperature sliding T-test (a) and cumulative anomaly (b) in Hangzhou
杭州市四季平均气温的突变检验(图略)结果表明,近 60 年夏季平均气温未发生明显突
变且气温上升趋势未通过显著性检验;冬、春、秋季平均气温突变点分别出现在 1985、1991
和 1990 年,升温趋势在 90 年代中期以后均超过了 α = 0.05 的显著性水平。尽管具体时间和
表现程度存在差异,但冬、春、秋季气温突变时间均发生在 80 年代中期至 90 年代初期,且
在 90 年代中后期一致表现出强烈的增温趋势。这一结果与长江中下游地区地表气温突变时
间[23]一致,说明从 20 世纪 80 年代中期到 90 年代初杭州市平均气温除夏季外都出现了显著
增温, 进入了一个相对偏暖的气候态;与全国以及全球气候变暖背景有直接联系。
2.2 极端气温变化
185
2.2.1 年平均最高气温和最低气温变化
190
近 60 年杭州市年平均最高气温和最低气温变化,如图 5 所示。其中,线性趋势均通过
了 α=0.01 的信度检验,线性相关系数分别为 0.59 和 0.76;最低温度变化趋势大于最高温度
变化趋势,气候倾向率分别为 0.249℃/10a 和 0.315℃/10a。由图 5(a)可见,年平均最高气温
从 50 年代开始到 70 年代末期经历了一个“W”型的变化过程,在 80 年代初略有下降之后
一直攀升至 2008 年的最高点。最高气温变化可分为两个时期:50 年代初到 80 年代初的震
荡期和 80 年代以后的快速上升期。与最高气温变化明显不同的是,图 5(b)中年平均最低气
温变化除 50 年代至 60 年代的“M”型震荡和 80 年代中期略有下降外几乎从 20 世纪 70 年
代就开始变暖,且一直上升至 2008 年。从两者整体变化情况来看,冬季最低气温的上升更
为迅速和稳定,说明近 60 年杭州市平均温差在逐渐减小。
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图 5 1951-2010 年杭州市年平均最高气温(a)和最低气温(b)变化
(注:细实线为气温距平;粗直线为线性趋势;虚线为 5 年滑动平均)
Fig.5 Temporal variations of annual mean maximum (a) and minimum (b) temperature in Hangzhou during 1951
to 2010
表 2 为近 60 年杭州市最高气温和最低气温的四季变化趋势及其显著性水平。统计结果
表明,平均最高气温的气候倾向率春季最大,达 0.430℃/10a;秋冬次之;夏季最小且未通
过 α=0.1 的信度检验。春季最高气温显著升高势必对春季及年平均气温产生很大影响。平均
最低气温的气候倾向率冬季最大,夏季最小,四季都通过了 α=0.01 的信度检验。由于各个
季节的最低气温都显著升高而夏季最低气温变化不大,使得年平均气温显著上升,导致近
60 年杭州市气候逐渐变暖。
表2 杭州市1951-2010年四季平均最高气温和最低气温的气候倾向率和置信水平
Tab 2 Climate tendency rate and confidence level of seasonal mean maximum temperature and the minimum
temperature in Hangzhou during 1951 to 2010
季节
平均最高温度
置信水平
平均最低温度
置信水平
气候倾向率℃/10a
0.430
0.128
0.219
0.210
春
夏
秋
冬
2.2.2 年极端气温
0.01
未通过 0.1 信度检验
0.01
0.025
气候倾向率℃/10a
0.338
0.143
0.358
0.429
0.01
0.01
0.01
0.01
图6 1951-2010年杭州市年极端最高(a)和极端最低(b)气温变化
(注:细实线为气温距平;粗直线为线性趋势;虚线为 5 年滑动平均)
Fig.6 Temporal variation of annual extreme temperature in Hangzhou during 1951 to 2010
1951~2010 年期间,杭州市极端最高气温为 40.3℃,出现在 2003 年 8 月 1 日;极端最
低气温为-9.6℃,出现在 1969 年 2 月 6 日。总体上,近 60 年杭州市极端最高气温变化不大,
升温趋势不明显(图 6a),线性倾向率为 0.179℃/10a(R=0.28)。相反,近 60 年杭州市极端最
低气温不断升高(图 6b)且升温趋势显著,线性倾向率达 0.408℃/10a (R=0.45)。
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2.2.3 高低温日数
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通常,高温日数是指日最高温度在 35℃以上的天数,低温日数即日最低温度低于 0℃的
天数。图 7 给出了近 60 年杭州市高低温日数的变化。可见,夏季高温日数波动较大,总体
上呈增加趋势;2003 年以后每年高温日数都维持在 40d 左右。低温日数明显减少,减少速
率为 4.1d/10a,与全省低温日数变化趋势相同[19]。表明近 60 年杭州市冬季寒冷程度逐渐减
少,近年来夏季炎热程度有所增加。
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图 7 1951-2010 年杭州市高温(a)和低温(b)日数变化
(注:细实线为高低温日数;粗直线为线性趋势;虚线为 5 年滑动平均)
Fig.7 Hot days (a) and cold days (b) in Hangzhou during 1951 to 2010
2.3 冬夏季气温异常变化
夏季,长江中下游地区处于西太平洋副热带高压直接控制之下,极易出现高温少雨天气;
若出现频率较高则易形成酷暑。酷暑不仅减低工作效率,增加能源消耗,还会使人体机能下
降,发生中暑等现象。参照相关文献[24-25],本文确定酷暑和凉夏的标准为:盛夏 7、8 月两
月平均温度高于 29℃,≥35℃高温日数超过 20d,则确定为酷暑;7、8 月平均温度低于 27.5
℃,≥35℃ 高温日数不足 10d,确定为凉夏。
依据上述标准,近 60 年杭州市出现酷暑的年份为 1953、1961、1964、1967、1971、1978、
1990、1994、1995、1998、2003、2004、2005、2006、2007、2008、2009 和 2010 年,而凉
夏只出现在 1955、1972、1982 和 1999 年。统计结果(表 3)表明,杭州市酷暑出现频数随年
代变化有明显增加趋势。1990 年以前平均为 5.7 年一遇,而在 90 年代至今的 20 年时间酷暑
出现次数高达 11 次,占近 60 年酷暑总数的 61%;尤其是 2000 年以后,10 年中有 8 年出现
酷暑。这与相邻较近的南京市的夏季气温变化不同[20]。
表 3 杭州市各年代酷暑、凉夏和冷冬、暖冬的出现次数
Table 3 Times of hot/cool summer and warm /cold winter in Hangzhou during 1951 to 2010
时间
1951-1960 年
1961-1970 年
1971-1980 年
1981-1990 年
1991-2000 年
2000-2010 年
酷暑
凉夏
冷冬
暖冬
1
3
2
1
3
8
1
0
1
1
1
0
3
4
2
2
0
0
0
0
1
1
3
5
冬季气温异常表现为整个冬季的冷暖,是基于多年平均状况而言的异常。判断冷冬或暖
冬以冬季 3 个月的月平均气温距平 ΔT 来确定[26]:对于某个月,ΔT≤-1.5℃为冷冬月, ΔT≥
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