西安市近62年冬季冷暖时空变化特征分析

Analysis of Spatial and Temporal Variation Characteristics of Cold and Warm in Recent 62 Winter in Xi’an

摘要: 应用1960年12月~2022年2月西安市6个国家气象站和1个区域气象站的气温、降水数据，对县区冬季平均气温求气候标准差，并确定冷暖冬阈值，判定西安市区域冷暖冬及各区县单站冷暖冬。采用距平、线性、相关性等方法，分析西安市冬季平均气温及冷暖冬气候特征。结论显示：西安市近62年冬季气温变化趋势与全国研究结果一致，冬季平均气温距平以0.35℃/10a的趋势上升，且为明显的阶段性变化，2015年至今为暖期，强冷冬主要发生在20世纪60~70年代，强暖冬主要发生在21世纪；周至县、市区冷冬发生频次较高，蓝田县、高陵区暖冬发生频次较高；西安市冬季气温变化一致型占比30.6%，前后相反型占比59.7%，冷暖交替型占比9.7%；冬季平均气温与气温要素均呈正相关，与降水要素多成负相关；年、春季、秋季、汛期平均气温对冬季气温具有明显的指示性意义；21世纪以来，各区县冷暖冬时间重合度较高，说明区域尺度上的冷暖冬事件的出现是大范围气候状态的反应。

Abstract: Based on the temperature and precipitation data of six national meteorological stations and one re-gional meteorological station in Xi’an from December 1960 to February 2022, the climate standard deviation of the average winter temperature in the county is calculated, and it determines the cold and warm winter threshold, determines the regional cold and warm winter of Xi’an and the cold and warm winter of single station in each district and county. The methods of deviation, linearity and correlation are adopted, which analyzes the climatic characteristics of extremely cold and warm winter in Xi’an. The conclusion shows that: the variation trend of winter temperature in Xi’an in recent 62 years is consistent with the national research results, the average temperature in winter is 0.35˚C/10a, and it is an obvious stage change, warm period since 2015, the strong cold winter mainly occurred in the 1960s and 1970s, and strong warm winter mainly occurred in the 21st century; the frequency of cold winter in Zhouzhi and urban are high, the frequency of warm winter in Lantian and Lintong are high; in Xi’an, 30.6% of the winter temperature changes are consistent, 59.7% are opposite, and 9.7% are cold and warm alternating; the average temperature in winter is positively correlated with the temperature elements and negatively correlated with the precipitation elements; the average temperature in the year, spring, autumn and flood season has obvious indicative significance to the winter temperature; since the 21st century, the coincidence degree of cold and warm winter in each district and county is high, it shows that the occurrence of cold and warm winter events on the regional scale is the response of a wide range of climate conditions.

1. 引言

目前，全球增温总趋势气候变化显著 [1] 。IPCC第6次评估报告指出：从19世纪以来，全球平均升温1.1℃；随着全球气温上升，我们将面临各种各样的气候危害；在目前的升温趋势下，气候韧性发展已面临挑战：如果全球升温超过1.5℃，气候韧性发展将更加受限；而如果全球升温超过2℃，在有些地区这种发展将不可能实现。大量数据证明，气候变暖在冬季表现更加显著 [2] [3] [4] [5] ，且对农业生产的影响也最大 [6] [7] ，如作物安全越冬、病虫害发生发展等；与此同时，对人民群众的生产生活也有较大影响 [8] 。与全球、全国 [9] 的变化趋势一致，中国西北地区气温在20世纪90年代后显著上升，特别是冬季气温在近半个世纪升高了2.1℃ [10] 。冬季增温使中国北方地区的日最低气温小于0℃的日数显著减少，暖冬事件在1986年以后发生更为频繁 [11] 。

西安市气候特征为暖温带半湿润大陆性季风气候，冷暖干湿四季分明。冬季寒冷、风小、多雾霾、少雨雪；春季温暖、干燥、多风、气候多变；夏季炎热多雨，伏旱突出，多雷雨大风；秋季凉爽，气温速降，秋淋明显。研究西安市冬季冷暖气候变化特征，可为完善西安市区域性气候变化提供理论依据，为西安市区域性冬季天气气候趋势预测提供理论基础，为科学防灾提供决策依据。对了解区域性气候变化对全球变暖的贡献，提高应对气候变化能力具有重要意义。

2. 资料与方法

2.1. 数据来源

研究应用1960年12月~2022年2月西安市6个国家气象站(周至县、鄠邑区、长安区、临潼区、高陵区、蓝田县)和1个区域气象站(西安市气象局内)的气温、降水数据(图1)，其中西安市气象局区域站1960~2013年为国家气象站，2014年后降级为区域气象站，因2014年12月和2015年1月、2月、12月数据缺失，采用内插法进行补充。

Figure 1. Spatial distribution of meteorological stations in Xi’an

图1. 西安市气象站点空间分布图

分析利用距平分析、线性倾向评估、相关性分析等方法，研究西安市冬季平均气温及冷暖冬气候特征，及不同要素与冬季平均气温的相关性。

2.2. 单站、区域冷暖冬标准

冷、暖冬等级采用《GB/T 33675-2017冷冬等级》 [12] 、《GB/T 21983-2008暖冬等级》 [13] 中单站(表1)和区域等级划分指标(区域范围内冷、暖冬站数超过站点总数的50%，定义为区域冷、暖冬；在区域冷、暖冬年，区域范围内强冷、暖冬站点数大于等于冷、暖冬站点数的50%，定义为区域强冷、暖冬，否则为区域弱冷、暖冬)。

Table 1. Classification of cold and warm winter of single station

表1. 单站冷、暖冬等级划分

ΔT为冬季(上年12月~当年2月)平均气温距平，σ为冬季气温标准差。

$\sigma =\sqrt{\frac{1}{n-1}{\displaystyle {\sum }_{j=1}^n{\left(t_j-\bar{T}\right)}^2}}$ (1)

式中，σ为标准差，表示随机变量分布离散程度的统计量之一；j为年份序号；n为序列长度， $t_j$ 为冬季平均气温； $\bar{T}$ 为冬季平均气温的气候平均值。

一般情况下，气候资料的记录年代越长，气候平均值的代表性越好，但是各个气象站的记录年代不同，会影响气候平均值的比较性。为统一判定西安市冷暖冬标准，本研究各个年代气候均值数据采用最新气候均值(1991~2020年)确定冷暖冬阈值。

对19世纪60年代~21世纪20年代设有国家气象站的西安县区冬季平均气温求气候标准差(表2)：标准差是一组数据平均值分散程度的一种度量，标准差越大说明大部分数值和其平均值之间差异较大，标准差越小代表这些数值较接近平均值。

Table 2. Standard deviation of winter temperature in counties and districts with national weather stations in Xi’an from 1860s to 2020s

表2. 西安市设有国家气象站的县区19世纪60年代~21世纪20年代冬季气温标准差

说明：高陵区建站起始时间为1970年。

2.3. 线性倾向估算、相关性分析

采用线性倾向评估方法对冬季平均气温距平进行分析，研究西安市区域冷暖冬、单站冷暖冬各年代变化及时空占比特征；利用SPSS软件，分析冬季平均气温与各类气象要素的皮尔森(Pearson)相关性，并进行显著性检验。

3. 西安市冬季冷年变化特征

3.1. 西安市冬季平均气温变化特征

对1961~2022年西安市冬季平均气温距平(图2)分析发现，在全球气候变暖的背景下，西安市近62年冬季平均气温距平以0.35℃/10a的趋势上升，5年滑动平均呈现波动上升趋势，表现为明显的阶段性变化，1961~1999年为冷期，2000~2014年为持平期，2015年至今为暖期。

Figure 2. Winter average temperature anomaly in Xi’an from 1961 to 2022

图2. 1961~2022年西安市冬季平均气温距平

3.2. 西安市区域冷暖冬气候特征

对西安市各年代区域冷暖冬出现年份及次数(表3)分析发现，西安市1961~2022年共出现6个强冷冬、26个弱冷冬、19个正常年、8个弱暖冬、3个强暖冬，分别占总年数的9.7%、41.9%、30.7%、12.9%、4.8%；强冷冬主要发生在20世纪60~70年代，强暖冬主要发生在21世纪。

Table 3. Years and times of regional cold and warm winter in each interdecadal

表3. 各年代区域冷暖冬出现年份及次数

3.3. 单站冷暖冬气候特征

根据西安市7个国家气象站各年代冷暖冬发生次数及占比分布图(表4、图3)分析发现：周至县为冷冬发生频次最高的区县，蓝田县为暖冬发生频次最高的区县；20世纪60~80年代西安市及各区县以冷冬占比居多；20世纪90年代周至县过度为暖冬占比居多，其他区县仍以冷冬占比居多，但年份差距有所缩小；21世纪00年代除临潼区外，其余区县均为暖冬占比居多；21世纪10年代，位于西安市北部地区的市区、临潼区、高陵区暖冬占比居多，位于南部地区的其余区县冷冬占比居多；2021~2022年未出现冷冬。

Table 4. Frequency and proportion of cold and warm winter at single station in each interdecadal

表4. 各年代单站冷暖冬出现次数及占比

Figure 3. Distribution of cold and warm winter proportion (%) in all districts and counties of Xi’an from 1961 to 2022 cold winter (a), warm winter (b)

图3. 1961~2022年西安市各区县冷暖冬占比(%)分布图冷冬(a)，暖冬(b)

3.4. 西安市冬季气温分型

将西安市冬季各月平均气温进行分解，研究冬季气温分型(表5)：变化一致型表示冬季各月气温具有很好的一致型，气候形势多受大尺度天气系统影响，这种分型共19年，占比30.6%，其中一致偏冷型占比9.7%，一致偏暖型占比20.9%；前后相反型表示前暖后冷或前冷后暖的气候特征，共37年，占比59.7%，均为前暖后冷型；冷暖交替型表示两头冷中间暖或是两头暖中间冷，共6年，占比9.7%，均为中间冷型。

Table 5. Classification of winter temperature in Xi’an

表5. 西安市冬季气温分型

4. 西安市冬季气温相关性分析

分析1960~2021年逐年冬季平均气温与上年的年度、四季、汛期平均气温、降水量和极端最高最低气温，以及与同年的春夏秋三季、汛期平均气温、降水量和极端最高最低气温的皮尔森(Pearson)相关系数(表6)：发现冬季平均气温与气温要素均呈正相关，其中与上年的年、春季、秋季以及同年的春季、秋季、汛期平均气温呈显著正相关，均通过了0.01的显著性检验；冬季平均气温与上年春夏秋三季和同年春秋两季降水量呈不显著负相关，与汛期、上年冬季、同年夏季降水量呈不显著正相关。说明西安年、春季、秋季、汛期平均气温对冬季气温具有明显的指示性意义。

Table 6. Analysis of significant relationship between winter temperature in Xi’an

表6. 西安市冬季气温显关系分析

注：^*和^**分别表示通过0.05和0.01的显著性检验。

5. 结论与讨论

5.1. 结论

1) 西安市近62年冬季平均气温距平总体以0.35℃/10a的趋势上升，且为明显的阶段性变化，2015年至今为暖期。近62年西安市出现6个强冷冬、26个弱冷冬、19个正常年、8个弱暖冬、3个强暖冬，强冷冬主要发生在20世纪60~70年代，强暖冬主要发生在21世纪。

2) 周至县、市区冷冬发生频次较高，蓝田县、高陵区暖冬发生频次较高；20世纪60~80年代各区县以冷冬占比居多，20世纪90年代为过度期，冷暖冬年份差异减少，21世纪00年代大部区县暖冬占比居多；21世纪10年代，西安市北部区县暖冬占比居多，南部区县冷冬占比居多。

3) 西安市冬季气温变化一致型共19年，占比30.6%，其中一致偏冷型占比9.7%，一致偏暖型占比20.9%；前后相反型共37年，占比59.7%，均为前暖后冷型；冷暖交替型表共6年，占比9.7%，均为中间冷型。

4) 冬季平均气温与气温要素均呈正相关，与降水要素多成负相关；其中年、春季、秋季、汛期平均气温对冬季气温具有明显的指示性意义。

5.2. 讨论

全球气候变暖致使西安市冬季气温明显上升，暖冬频次增加显著，冷冬频次有所明显；20世纪90年代开始，冬季气温升高更为明显，整体变化趋势与全国基本一致 [12] ，随机的“冷事件”为气候变暖大环境下的正常波动 [14] ；21世纪以来，西安市发生了6次(2002年、2007年、2009年、2017年、2020年)全区域性的暖冬事件，各县区的冷暖冬时间重合度较高，进一步说明了区域尺度上的冷暖冬事件的出现是大范围气候状态的反应。