1884-2016年中国香港气候变化特征及其分析_曾振柄.pdf

（）（，），年中国香港气候变化特征及其分析曾振柄魏罢荣孙翔（上海大学理学院數学系，上海 ）摘 要根 据中 国香港天 文台 年之间观测的气候数 据资 料（其中年间有数据缺失），利用 趋势检验法，滑动检验，小波变换和交叉小波变 换对中 国香港气候 进行分析 趋势分析和滑动检验结果表明，在前半段即 年 期间，中 国香港年 平均最低与最高 气温増长速率基本一致，在后半段，即年 期间，平均最低 气温増长速率显著高于年 平均最高 气温増长速率对气温序列进行突变 检验时，对年缺失数 据用邻近的中 国澳门地区的数据进 行修正后眷代，检验表明 中 国香港气温在 年发 生显著的均値突变，年是否是突变点存疑小波变换得到中 国香港气温和 降水 存在多尺度周期 变化，其中气温和 降水的第一主 周期分别 为 和；交叉小波分析显示特征値、与气温、降水在全时间段上相 关性不显著，但存在局部相 关性关键词气候变化，突变 检测，小波变 换，交叉小波变 换（）主题分类号 ，（，），国家自然科学基金（，）资助课题收稿日期：，收到修改稿日期：通信作者：魏昙荣，：编 委：彭 怡曾振柄 等：年中 国香港气候变化特征及其分析 ，；，引言联合国政府间气候 变化 专门委员会（，）第五次 评估报告显示自 年至年，全球平均气温上升，报告还指出海洋在变暖，冰雪 量 在减少，海平面在上升，自年至年，全球海平面上升厘米气候变化与人类的生 活息 息相关，利用历史气候数据对气候变化做出分析诊断，有助于了解气候变化规 律，对气候 变化引发的自然灾害做出预警，对农业生产做出指 导国 内外 很多学 者对气候 变化做了大量研究年 更新的全 球 数 据集（英国气象局 和东安吉利尔大学合 作）和基于美国 国家 大气海洋局全 球温度数 据集 的研究显示，相比于 年的时期，世纪以来的全球温度距平有大幅度提高等人将与 集合数据集融合，发展了分辨率为的全球表面温度数据集，该数据集的分析证实了全球变暖进一步扩大的趋 势：年和 年之间平均气温增 加量分别为 （？和 （）等人基于得出的 年“，（增暖停滞）期间的的趋 势达到了（，以超过 信 度的显著性检验证明这一时期变暖趋 势达到了显著性 水平，即所谓的全球增暖停滞实 际上是一个 统计假象国 内研究方面，局限于国 内特定地区的气候变化，商沙 沙等对中国西北 地区的气温和降水分 析表明西北 地区气温呈明显的上升 趋 势，宋琳 琳等利用土壤 可含水量 地理空间模型中土种与的对应 关系和中国西南 站温度、积降水 数据，研究了我国西南 地区在 年变干的趋 势以及旱情估计方法，周晓宇等利用东北 地区 个气象台站逐日降水量和天气现象数 据，对 年之间降雪的气候 特征和时空演变规 律进行了分析，武 玮婷等建立广 东省 旱涝指数序 列分 析了广 东旱涝突变 特征和 多时间尺度的周期特征，等研究表明我国大部分地区夏 季 平均最高气温增长幅度较大，冬季 平均最 低 气温有 系统科学与数学卷轻微的降低趋 势严华 生等利用正交小波分 析了近百年来中国降水气候的多尺度变化，严中伟等基于均一化观测 资料计算的中国百年气温序 列，发现 年以来中国增暖趋势达），明显超出全球平均水平等研究了 年之间中国温带和亚热带 地区植物 物候的温度敏感性此外，大量的文 献表明等遥相关因子与气候变化有着密 切的影响，注 意到，国 内大部分文献中分析气候变化的资料局限于近年，原因之一是国 内大规模气象观测 始于 年就 本作 者所见，已有文 献中关于中国香 港、中国澳门地区的气候 变化分 析工作较少文章利用中国香 港多年的气候资料探究中国香 港的气温和降水的时间上变化，多重尺度的周期性以及与遥相关因子的相关 性中国香 港天文台（）始建于 年，记录了至今多年的气候 数 据资料，观测 资料的时间长度长天文台自 年月日首次进行天气观测，其基准天气站（）是天文台总部天气站（，），年月日由京士柏气象站（，）替代，年月日起为中国香 港国际机场（。队）文章拟通过分 析 年以来中国香港天气数据，包括逐日最低 气温、最高气温和降水，了解中国香港地区过去多年间气候变化的特征，其中可能存在的 突变，分析全球气候变暖在中国香港地区的表现情况，探索中国香港地区气候变化与该时间段临近中国香港地区的埃尔 尼诺（），拉尼娜（）等海洋事件的联系文章的研究结 果，除证实中国香港过去百年来 气候变化，符合全球范围的变暖趋 势以外，一个有意义的发现是过去一百年来，中国香港地区曾在 年发生一次 气候突变，及 年一次 疑 似 气候突变后者 依靠目前数 据尚不 能完全证实或排除文章第节介绍数据来源及其预处理第节介绍文章使用的数据处理和统计方法第节介绍对中国香港 年之间气候数据分析的具体过 程和 主要 结 果第节是一个简单的回顾与总结资料来源 与数据预处理文章选取了中国香 港 年至年（年至年 数 据 缺失）逐日气候资料，包括逐日最高，最 低和平均气温以及逐日降 雨量，数 据来源于中国香 港天文台对此 气候资料进行 按月和按 年 平均 处理，探究中国香 港气温变化 趋 势，气温突变和气温周期变化的气候 特征反映厄尔 尼诺与拉尼娜事件的特征值主要 有 赤道中、东太 平洋海域的海表温度指数（）、南方涛动指数（）、向外长波辐射指数（）等，文章选取的特征值为赤道中、东太平洋的区（，）海表温度距平和南方涛动指数数据来源于美国海洋大气局（）网站，利用此数 据探究与中国香 港气温和降水的相关关系对气温序 列进行突变检验时，为保持序 列的完整性，年至年 年平均气温用邻近的中国澳门地区对应年份的年平均气温修正后替代在 气候数据分析中，用邻近气象站的观测数据修正后补全缺失数据是一个常用方法，详细介绍可见 和中国香港和中国澳门在 地理位置上邻近，距离约，并且中国香港和中国澳门天文台记录的数 据时间跨度 都比较长，数据比较完整虽然两地 地形地貌 和经济业态有较大异质性，但中国香港的其 他更临近地区当时完全无气象记录（例 如距离中国香港的广州市，年之前的气象数据，仅有 年之间广州海关的天气观测记录以及 年之间图中国香港和中 国澳门的年平均气温对比（，）期曾振柄等：年中 国香港气候变化特征及其分析中山大学天文台和广州市气 象台记录），因此只能选择中国澳数据补足中 国澳门大潭山气象观测站（气象局总部观测坪，位置是全 球建于 年前的个气 象观测站之从年开始 有连续气 象记录中国香港和中国澳门在年至 年的年？均气温和年总 降水对比如图和图所示（注意图的纵坐标，即年？均气温，坐标轴的 范围在到之 间，因此视觉上两个地的年平均气温差有明麗差距图也存在类似视觉差距）中 国澳门的地理位置 在年至年两乎均气温序列皮尔逊相关系数为，年至 年相关系数为，并觅在中国香港 气 温 序 列缺失段前后短期内，中国澳门气 温 与中国香港 气 温在趋势几乎一致，数值上中 国香港 气 温略高于中国澳门气 温，用中国澳门年至年均 气温稍加修正填补中国香港的缺失值，年萬 雜年两 地的年总降水序列相关系数为，年至：年的柑关系数为，缺失值后段总体相关系数 较高，但缺失值前段相关系数偏低，在缺失值 前后短期内数值上差距较大，降水的缺失值同样用中国澳门的降水数 据加以修正为保证数据质 最，采用缺失段年前后各年的两地气温或降水差距的均值修正中国澳气候数据来源 千中国澳地球物理暨气象爲與）公开数据类宁气候数据补足，近年一种新的方法是机器学习，如等，通过训 练一个深度神经网络预测模型来估算缺失数 据位置的值我们这里研究的问题，能用 干训练网络模型的数据来源有限，使用传统的方法 较为可靠降水对比？港 降水卜夠 番陴 水澳 门 降水 年份关遨铒关斑槌：肚 图中 国香港和中国澳门的年总降水对比（，）系统科学与数学卷研究 方 法文章用 趋 势检验法分 析 年至 年、年至年中国香港气温数 据的趋 势，对补全数 据采用 突变检验法寻找 年之间数 据的突变点，并用滑动平均验证突变点 的结论，应用小波分析探究中国香港气温和降水的周期变化，用交叉小波能量谱方法研究 厄尔 尼诺、南方涛动 与气温、降水之间有无显著性关系本节简要介绍文章将要 使用的几种气候数据 分析方法，包括 检验方法、滑动检验法、小波变换与交叉小波变 换 突 变检验法 突变检验方 法源于提出的趋 势检验法，该方法用于检测 序 列的变化 趋 势，后经 和，和进一步完善与改进，发展 成为现在常用的一种用于检测气候突变的方 法 趋 势检验法和突变 检验法是非参数检验方 法，不要求 样本序 列满足特定分布，可 容 许少董异常值存在，计算简便 趋 势检验法测试长度为的样本序 列（，）是否存在 单调性趋 势（）其零假设和备 择 假 设（）分别是：序 列没有 单调性趋 势，：序 列中出现单调性趋 势检验起初假 设执为真，通过一下计算判 定是否拒 绝，接受其计算 过 程如下：）计算（）个差值：）的正负号（），其中，当，当，当）计算（）计算趋 势存在的概 率当样本数时，根据，的值查表（）计算，表格见！第页表格如果所得 概 率小 于（般取），则拒绝零假 设执，接受当时，按下面步骤计算先计算（）（十）：）（），（）这 里，是序 列中的数龍是第和包含的元素个 数例 如，序 列（，）中的数董为，第个是（，），第个是（，），如，第个是（，）然后，计算 统计董（）？，十当，当，当曾振柄 等：年中 国香港气候变化特征及其分析期显示数 据有随 时间增 加的趋 势，显示数 据有随 时间减少的趋 势设，是标准正态分布表上（？）对应的分 位数，例 如 则当石时，在第一类错误水 平上，拒 绝零假 设，接受具有 单调上升的趋 势；当时，在第一类错误水 平上，拒 绝零假 设，接受具有 单调下降的趋 势；当时，拒 绝零假设，接受具有 单调上升 或下降的趋 势 突变 检验方法的计算 过 程如下对于样本序 列（，？，？），构造秩序 列：，（）其中，在样本序 列随机独立的假 设 下，如下定义的统计量服 从标准正态分布：，（）（）其中五（），（）分别为的均值和方差，在样本序 列 隨机独立假设 下，它们分别为（）（）（）（）（）：，（）则朽服 从标准正态分布给定显著性 水 平，根 据正态分布查 表得到 临界值，若吖朽，则 样本序 列存在明显的趋 势变化将样本序 列逆序排列，即令（，）（，），按上述过 程计算 得统 计量序 列令，然后绘制统 计量朽和的曲线，若两个 统计量曲线的交叉点在置信线之间，那么这个交叉点就是突变的开 始点 方法的另一个变体是 提出的一种 时间序 列突变点检验方法，对于（：，？），构造 统计量序 列，？，其中，（），？，这 里，）是符 号函数如果满足（），则判 定序 列在有一个显著性（水平为）的转折点系统科学与数学卷滑动检 验法滑动检验法，用于检验两 组样本序 列 均值有无显著性差异将一个样本序 列划分为两个子序 列（），），用分别表示子序 列（）的均值、方差和序 列长度（，），其中子序 列长度需人为的选取定义统 计量其中（）（）统计量服从自由度为？的分布，给定显著性水平，根据分布查表得到 临界值，若则说明存在显著性差异在实 际应用滑动检验时 需要主观选取 子序 列长度然后在样本序 列上做滑动检验为增 强结 果的可靠性，这 里需要选取不同长度的进行试验找 到使达到最高的在 滑动检验中，由于优化的目标妒（）是一个确 定的可计算函数，的搜索 范围是一个有限集，因此，最优的的可以用计算机程序自动化选择小波变换与交叉小波变换小波变换是一种 时频分析方法，不同于一般傅里叶变换只能在时域和频域相：转换，小波变换 将信号分 解在不同的时频尺度上，时域上序 列的连 续小波变换表示为厂（，）丨（）（），（）（）（）其中为尺度 参数，为位置参数，为办）的复共辄文章选用的小波 母小波（其中吻）为）（）与常见的模型、模型、随机游走模型（）、动 态 完备模型（）等时间序 列计量模型相比，小波变 换能够获得序 列 时域和频域信息，且具有多分辨特点，广泛应用于气候分 析诊断小波变换获取 单时间序 列的时频 信息，在研究两个时间序 列的相：关系时，可