丽江气候变化研究

Research on Climate Change in Lijiang

摘要: 丽江市地处滇西北横断山纵谷地带的东部，不同区域的小气候各有特色，气候一致性差，随着全球变暖，我市的极端天气也愈发频繁，近几年针对我市气候资料全面系统的研究也较少。2020年结束后将形成一个新的年代，本项目拟通过对1961~2020年(60年)丽江市4个国家气象观测站的气候资料序列进行整编，统计新的常年对比值；对主要的气候数据(降水、温度、日照等)利用统计学回归分析法与Mann-Kenddall检验，进行年代及年代际变化规律及突变情况分析，对丽江市气候变化、气候预测有新的客观认识，以期对我市的防灾减灾有一定的科学指导意义。

Abstract: Lijiang City is located in the east of the Hengduan Mountains and longitudinal valleys in the northwest of Yunnan Province. The microclimates in different regions have their own characteristics, and the climate consistency is poor. With the global warming, extreme weather in Lijiang has become more frequent. In recent years, there has been less comprehensive and systematic research on the climate data in Lijiang. A new era will be formed after the end of 2020. The project plans to compile the climate data series of four national meteorological observation stations in Lijiang from 1961 to 2020 (60 years), and count the new perennial contrast values; For the main climate data (precipitation, temperature, sunshine, etc.), using statistical regression analysis and Mann Kendall test to analyze the patterns and abrupt changes of years and interdecades, this study provides a new objec-tive understanding of climate change and climate prediction in Lijiang City, with the aim of providing scientific guidance for disaster prevention and reduction in our city.

1. 研究区域概况

本项目通过统计学方法，利用回归分析、Mann-Kenddall检验法对1961~2020年(60年)丽江市4个国家气象观测站的气候资料序列进行年代及年代际变化规律及突变情况分析。丽江地处低纬高原，全年太阳高度角大，辐射较强。热量分布受纬度影响不大，年内温度变化不明显，四季不分明。

冬春季(11月至次4月)，南支西风急流把印度半岛北部大陆干暖空气带入境内，而北方寒潮因高山阻隔难以入侵，因此除高寒山区外，我市大部形成日温差较大、空气干燥的气候环境。夏秋季(5月至10月)，受孟加拉湾的潮湿西南季风影响，水汽充足，形成雨季。干湿季分明，属南亚季风气候。

2. 研究数据与方法

2.1. 数据介绍

选取1961年~2020年(60年)丽江市四个国家气象站点(丽江、永胜、华坪和宁蒗)的月平均气温、月降水量、月日照时数、年极端最低气温和年极端最高气温的实测月数据。

2.2. 线性倾向估计

一元线性回归方程可以用来研究气温和降水等方面的气候变化趋势。用x_i表示其中一个气候变量，用t_i所对应的时间，建立两者之间的一元线性回归方程：

$x_i=a{t}_i+b,i=1,2,3,\cdots ,n$ (1)

公式(1)中，a为回归系数，b为回归常数。采用最小二乘法对a和b的值进行估计，即：

$\{\begin{array}{l}a=\frac{{\displaystyle \underset{i}{\overset{n}{\sum }}{x}_{iti}}-\frac{1}{n}\left({\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{x}_i}\right)\left({\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{t}_i}\right)}{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{t}_i^2}-\frac{1}{n}\left({\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{t}_i}\right)}\hfill \\ b=\bar{x}-a\bar{t}\hfill \end{array}$ (2)

公式(2)中， $\bar{x}=\frac{1}{n}{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{x}_i}$ ， $\bar{t}=\frac{1}{n}\left({\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{t}_i}\right)$ 。公式(1)中a表示x_i气候变量的趋势倾向。当a > 0时，表明x_i随着t_i的增加而上升；当a < 0时，表明x_i随t_i的增加而下降；田庆春等利用此方法对临汾市近60年来气候变化特征进行了分析 [1] 。

2.3. 曼–肯德尔(Mann-Kendall)突变检验法

曼–肯德尔(Mann-Kendall)突变法亦称为无分布检验，经常用于样本随机的的规律分布，适合于顺序变量和类型变量，郭文永等人均用Mann-Kendall法对降水等要素的下时间序列进行了分析 [2] [3] [4] [5] 。该方法可用于时间序列变化趋势分析和突变点检验，具体的计算方法如下：

对于具有多个样本量的长时间序列，模拟一个序列式：

$S_k={\displaystyle \underset{i=1}{\overset{k}{\sum }}{r}_i}\left(k=1,2,3,\cdots ,n\right)$ (3)

公式(3)中，当x_i > x_j时，r_i = 1；当x_i < x_j时，r_i = 0 ( $j=1,2,3,\cdots ,i$ )。

$U{F}_k=\left(\left[S_k-E\left(S_k\right)\right]/\sqrt{Var\left(S_k\right)}\right),\left(k=1,2,3,\cdots ,n\right)$ (4)

公式(4)中，UF_K1 = 0、Var(S_k)。

当 $x_1,x_2,\cdots ,x_n$ 相互独立，且有相同连续分布时，由下式计算：

$\overline{S_k}=\frac{n\left(n+1\right)}{4}$ (5)

$Var\left(S_k\right)=\frac{n\left(n-1\right)\left(2n-5\right)}{2}$ (6)

UFi为标准正态分布，是按时间序列 $x_1,x_2,\cdots ,x_n$ 计算出的统计量序列，给定显著性水平α，查正态分布表。若UFi的值大于0则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线则说明序列存在显著向上或向下的趋势。若UFi和UBi两条出现交点，且交点在临界线之间，那么交点的时刻便是突变开始的时间。

3. 结果

3.1. 年平均气温

3.1.1. 年平均气温变化趋势

图1为1961~2020年间丽江市区域年平均气温的变化趋势，年平均温度使用月平均气温来计算，即把一年中各月的平均气温累加在一起再除以12。由图可知，20世纪60年代以来丽江年平均气温以0.13℃/10a的增幅呈波动上升趋势，其中，丽江和永胜气温呈明显上升趋势，华坪和宁蒗气温上升趋势相对平缓。

Figure 1. Change trends of regional average temperature in Lijiang city (Unit: 0.1℃)

图1. 丽江市区域年平均气温变化趋势(单位：0.1℃)

由表1可知，丽江各区域在20世纪60年代至90年代均处于气候偏冷期，进入21世纪后转为气候偏暖期且增温趋势逐渐增强，丽江站点极差值为1.3℃，永胜站点极差值为1.2℃，华坪站点极差值为0.7℃，宁蒗站点极差值为0.8℃。期间，丽江站和永胜站的年平均气温最低值和最高值分别出现在20世纪60年代和21世纪10年代，华坪站和宁蒗站的年平均气温最低值和最高值分别出现在20世纪90年代和21世纪10年代。由上可知，华坪和宁蒗站的多年平均气温波动小于丽江和永胜站，华坪站年平均气温远高于丽江其他三站。

Table 1. Interdecadal average temperature at each station in Lijiang city (Unit: 0.1℃)

表1. 丽江市各站年代际平均气温表(单位：0.1℃)

3.1.2. 年平均气温的突变特征

图2为丽江区域平均年平均气温Mann-Kendall突变检验图，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。丽江在1961~2020年间的UF、UB曲线在2009年出现了一个交点，该点位于置信区间内，是气温突变点。在1961~1971年，1991~1999年，UF围绕0上下波动，年平均气温变化不明显，在1972~1990年，2000~2020年，UF > 0，年平均气温变化呈上升趋势。

Figure 2. M-K mutation test chart of average annual average temperature in Lijiang region

图2. 丽江区域平均年均温M-K突变检验图

丽江各站年平均气温Mann-Kendall突变检验，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96，丽江站在1961~1968年，UF < 0，年平均气温变化呈下降趋势，在1969~1977年和1980~2020年，UF > 0，年平均气温变化呈上升趋势，并于2002年突破显著性检验上限。永胜站在1961~1973年，UF < 0，年平均气温变化呈下降趋势，在1974~2020年，UF > 0，年平均气温变化呈上升趋势，并于1998年突破显著性检验上限。丽江站与永胜站UF的趋势大致相似，在1961~2020年间的UF、UB曲线分别在2003年和2006年出现了一个交点，但都位于置信区间上方。华坪站在1961~1963年和1965~2019年，UF < 0，年平均气温变化呈下降趋势，并于1992~2011年突破显著性检验下限，在1963~1965年和2019~2020年，UF > 0，年平均气温变化呈上升趋势，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线分别在1964年和2018年出现了一个交点，位于置信区间内，是气温突变点。宁蒗站在1961~1963年和1990~2014年，UF < 0，年平均气温变化呈下降趋势，并于2002~2006年间突破显著性检验下限，在1963~1990年和2014~2020年，UF > 0，年平均气温变化呈上升趋势，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线分别在1964~1975年和2012~2015年间出现多个交点，位于置信区间内，是气温突变点。总而言之，丽江市4县(区)年平均气温大致可分为两类，一是呈增大趋势，其中丽江站的增大趋势最显著、永胜县次之；二是呈增–减–增趋势的华坪县和宁蒗县，二者都在21世纪20年代出现升温的趋势。

3.2. 年最高气温

3.2.1. 年最高气温变化趋势

丽江各站在21世纪后最高气温呈上升趋势。华坪站最高气温远高于丽江其他三站。由表2可知，丽江站和永胜站的年平均最高气温在20世纪80年代和21世纪10年代出现极大值，极值差分别为1.2℃和1.5℃；华坪站和宁蒗站的年平均最高气温在20世纪60年代，20世纪80年代和21世纪10年代出现极大值，极值差分别为1.9℃和1.5℃。由上可知，华坪和宁蒗站的多年平均变化大致一致，丽江和永胜站的多年平均变化大致一致。

Table 2. Annual average maximum temperature in Lijiang city (Unit: 0.1℃)

表2. 丽江市年平均最高气温表(单位：0.1℃)

3.2.2. 年最高气温的突变特征

图3为丽江区域年平均最高气温Mann-Kendall突变检验图，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。由图可知，丽江在1961~2020年间的UF、UB曲线在2009年出现了一个交点，该点位于置信区间内，是最高气温突变点。在1961~1971年，UF围绕0上下波动，年最高气温变化不明显，在1972~1985年，2000~2011年，UF < 0，年最高气温变化呈下降趋势，在1986~2000年，2011~2020年，UF > 0，年最高气温变化呈上升趋势。

丽江各站年平均最高气温Mann-Kendall突变检验，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。由计算可知，丽江站在1961~1981年，UF围绕0上下波动，年平均最高气温变化不明显，在1982~1999年和2010~2020年，UF > 0，年平均最高气温变化呈上升趋势，在2020~2010年，UF < 0，年平均最高气温变化呈下降趋势。永胜站在1961~1973年，UF围绕0上下波动，年平均最高气温变化不明显，在

Figure 3. M-K mutation test chart of regional average annual maximum temperature in Lijiang City

图3. 丽江市区域平均年最高气温M-K突变检验图

1973~2012年，UF < 0，年平均最高气温变化呈下降趋势，在2013~2020年，UF > 0，年平均最高气温变化呈上升趋势。丽江站与永胜站在1961~2020年间的UF、UB曲线在2010~2019年出现了多个交点，位于置信区间内，是最高气温突变点。华坪站在1961~1969年，UF > 0，年平均最高气温变化呈上升趋势，在1969~2020年，UF < 0，年平均最高气温变化呈下降趋势，并于1974~1982年和2003~2010年突破显著性检验下限，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线分别在1961~1965年和2015~2020年出现了多个交点，位于置信区间内，是最高气温突变点。宁蒗站在1961~1984年，UF < 0，年平均最高气温变化呈下降趋势，在1985~2020年，UF > 0，年平均最高气温变化呈上升趋势，并于2011年突破显著性检验上限，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线在2004年间出现多个交点，位于置信区间内，是最高气温突变点。

3.3. 年最低气温

3.3.1. 年最低气温变化趋势

由1961~2020年间丽江四站的年最低气温的变化趋势可知，华坪站最低气温远高于丽江其他三站，其中在1983年，丽江各站出现了年最低气温极低值，在2006年出现最低气温极高值。

表3为丽江市各站1961~2020年间多年平均最低气温表，可以看到，华坪最低气温均高于其他三站，宁蒗最低气温均低于其他三站。丽江和永胜站在1971~2010年间最低气温呈升高趋势，极值差分别为1.2℃和2.9℃；华坪在1961~1990年间最低气温呈下降趋势，1991年后呈上升趋势，极值差为1.1℃；宁蒗站最低气温波动较大，极值差为1.1℃。

3.3.2. 年最低气温突变特征

图4为丽江各站年平均最低气温Mann-Kendall突变检验图，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。由图可知，丽江在1961~2020年间的UF、UB曲线在1985年出现了一个交点，该点位于置信区间内，是最低气温突变点。在1961~2020年，UF > 0，年最低气温变化呈上升趋势，并于1965~1968年，1981年，1987年至今三次突破显著性检验上限。

Table 3. Annual average minimum temperature at each station in Lijiang city (Unit: 0.1℃)

表3. 丽江市各站年平均最低气温表(单位：0.1℃)

Figure 4. M-K mutation test chart of regional average annual minimum air temperature in Lijiang City

图4. 丽江市区域平均年最低气温M-K突变检验图

丽江各站年平均最低气温Mann-Kendall突变检验，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。由计算可知，丽江站在1975~1985年，UF围绕0上下波动，年平均最低气温变化不明显，在1961~1974年和1986~2020年，UF > 0，年平均最低气温变化呈上升趋势，并于1967~1972年和1990~2020年突破显著性检验上限，丽江站在1961~2020年间的UF、UB曲线出现了多个交点，分别为1967年、1974年、1979年和1984年，且都位于置信区间内，是最低气温突变点。永胜站在1969~1972年，UF < 0，年平均最低气温变化呈下降趋势，在1961~1968年和1972~2020年，UF > 0，年平均最低气温变化呈上升趋势，并于1977~2020年突破显著性检验上限。华坪站在1961~1970年和2005~2020年，UF > 0，年平均最低气温变化呈上升趋势，在1971~2004年，UF < 0，年平均最低气温变化呈下降趋势，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线分别在2015年出现交点，位于置信区间内，是最低气温突变点。宁蒗站在1961~1963年和1999~2005年间，UF < 0，年平均最低气温变化呈下降趋势，在1963~1998年和2005~2020年，UF > 0，年平均最低气温变化呈上升趋势，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线在1973年和2012年出现交点，位于置信区间内，是最低气温突变点。

3.4. 年降水量

3.4.1. 年降水量变化趋势

图5为1961~2020年间丽江市区域平均的年降雨量的变化趋势，年降水量为一年中每月降水量的平均值的总和。由图可知，丽江在1961~2020年间的年降雨量以5.78 mm/10a的降幅呈下降趋势。

Figure 5. Overall annual rainfall change trends in Lijiang (Unit: 0.1 mm)

图5. 丽江市整体年降雨量变化趋势(单位：0.1 mm)

由表4可知，丽江和永胜站在1961~1990年，1991年~2020年年降水量呈下降趋势，最大值和最小值均出现于20世纪90年代和21世纪10年代；华坪站在1961~1980年和1981年2010年呈下降趋势；宁蒗站在1961~2000年呈上升趋势，1991年~2020年呈下降趋势。

Table 4. Annual precipitation in Lijiang city (Unit: 0.1 mm)

表4. 丽江市年降水量表(单位：0.1 mm)

3.4.2. 年降水量突变特征

图6为丽江各站平均年降水量Mann-Kendall突变检验图，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。由图可知，丽江在1961~2020年间出现了6个交点，分别位于1966年、1973年、1975年、1977年、2006年、2007年，交点都在置信区间内，均为突变点。其中，在1969~1986年及2011年至今，UF < 0，年降水量呈减少趋势，1961~1969年及1997~2011年，UF > 0，年降水量呈增加趋势。

丽江各站年降水Mann-Kendall突变检验，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。计算可知，丽江站在1961~1966年和1999~2010年，UF > 0，年降水变化呈上升趋势，在1967~1999年和2010~2020年，UF < 0，年降水变化呈下降趋势，丽江站在1961~2020年间的UF、UB曲线出现了多个交点，分别为1967年、1985年和2007年，且都位于置信区间内，是降水突变点。永胜站在1961~1967年和1999~2010年，UF > 0，年降水变化呈上升趋势，在1968~1998年和2011~2020年，UF < 0，年降水变化呈下降趋势，永胜站在1961~2020年间的UF、UB曲线出现了多个交点，分别为1969年、1989年、2004年和2006年，且都位于置信区间内，是降水突变点。华坪站在1966~1967年、1985~1987年和2000~2006年，UF > 0，年降水变化呈上升趋势，在其余时间，UF < 0，年降水变化呈下降趋势，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线分别在1985年、1997年、2014年和2016年出现交点，位于置信区间内，是降水突变点。宁蒗站在1961~1970年和1998~2011年，UF > 0，年降水变化呈上升趋势，在2011~2020年间，UF < 0，年降水变化呈下降趋势，在1971~2010年间，UF围绕0波动，年降水变化不明显，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线在2005年和2006年出现交点，位于置信区间内，是降水突变点。

Figure 6. M-K mutation test chart of regional average annual precipitation in Lijiang City

图6. 丽江市区域平均年降水量M-K突变检验图

3.5. 年日照时数

3.5.1. 年日照时数变化趋势

图7为1961~2020年间丽江市四站区域平均的年日照时数变化趋势，年日照时数为在一年时期内，太阳实际照射时数的总和。由图可知，丽江在1961~2020年间的年日照时数以15.67 h/10a的降幅呈下降趋势。

Figure 7. Overall annual sunshine hours change trends in Lijiang (Unit: 0.1 h)

图7. 丽江市整体年日照时数变化趋势(单位：0.1 h)

Figure 8. M-K mutation test chart of regional average annual sunshine hours in Lijiang City

图8. 丽江市区域平均年日照时数M-K突变检验图

3.5.2. 年日照时数的突变特征

图8为丽江各站年日照时数温Mann-Kendall突变检验图，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。由图可知，丽江在1961~2020年间的UF、UB曲线在1982年出现了一个交点，该点位于置信区间内，是年日照时数突变点。在1961~1976年，UF > 0，年日照时数，在1981年至今，UF < 0，年日照时数变化呈下降趋势，在1991~2014年间数次突破显著性检验下限。

丽江各站年日照Mann-Kendall突变检验，给定显著性水平α = 0.5，临界值u_0.05 = ±1.96。计算可知，丽江站和永胜站UF都呈现平稳–下降–平稳趋势。丽江站在1961~1975年，UF > 0，年日照变化呈上升趋势，在1976~2020年，UF < 0，年日照变化呈下降趋势，并于1990年突破置信区间下限，丽江站在1961~2020年间的UF、UB曲线出现交点，为1981年，位于置信区间内，是日照突变点。永胜站在1961~1965年，UF > 0，年日照变化呈上升趋势，在1966~2020年，UF<0，年日照变化呈下降趋势，且与1988年突破置信区间下限，永胜站在1961~2020年间的UF、UB曲线出现交点，为1981年，位于置信区间内，是日照突变点。华坪站在1961~1989年，UF > 0，年日照变化呈上升趋势，在其余时间，UF < 0，年日照变化呈下降趋势，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线分别在1982年和2019年出现交点，位于置信区间内，是日照突变点。宁蒗站在1975~1981年间，UF < 0，年日照变化呈下降趋势，在其余时间，UF > 0，年日照变化呈上升趋势，该站在1961~2020年间的UF、UB曲线在1965~1966年和1983~1990年间出现交点，位于置信区间内，是日照突变点。

4. 结论与讨论

本文通过对丽江市60年的气候资料进行分析，得出前30年丽江整体气温波动不明显。到21世纪后丽江市整体气温呈现上升的趋势；其中，丽江站和永胜站在21世纪后出现显著上升趋势；宁蒗站在21世纪10年代后出现上升趋势，华坪站在近几年也出现上升趋势。此外，各站点最低气温均处于上升趋势。最高气温除华坪站外，其他站也处于上升趋势中。预计未来丽江市整体气候将进一步呈现暖干化，极端高温愈发显现。

从年降水来看，丽江市整体降水由波动不明显到21世纪出现年降水增加趋势。近几年，丽江市各站年降水量都呈现下降趋势；丽江站、永胜站、华坪站和宁蒗站在21世纪10年代后都呈现下降趋势。未来丽江需进一步做好气象干旱防御和应对措施，积极开展规模化的人工增雨雪作业。

从日照时数整体趋势来看，丽江市年日照时数呈现下降趋势，21世纪10年代后，除宁蒗站外，其他各站均出现显著下降趋势。从年日照突变来看，丽江站、永胜站、华坪站和宁蒗站在21世纪后都呈现下降趋势，这可能和观测设备更换有一定关系，另外随着丽江城市的发展，对能源的需求不断增大，煤炭、石油、天然气的消费迅速增加，加上汽车废气排放量大增等，导致排入大气对流层的气溶胶大大增多。由于大气气溶胶的增加削弱了太阳直接辐射，而早、晚照射到的筒内的阳光更弱，感光纸不能感光，从而导致日照时数记录的减少。具体原因待进一步研究讨论。

基金项目

云南省气象局基层台站气象科技创新与能力提升计划项目STIAP202249资金支持。