近50年来大连市城市气候变化分析
文章编号：1003-7853（2021）04-0016-06
近50年来大连市
城市气候变化分析
金梓昕
（辽宁师范大学，辽宁大连116029）
摘要：气候和人类的生活息息相关，现如今，全球的气候变化问题已成为人们关注的热点问题，国内外的学者对全球气候变化有不同的看法。本文采用线性回归分析和Pettitt突变分析方法分析了大连市近50年来的气温变化特征和降水量的变化规律，根据大连市3个气象站点1964-2013年年平均气温和降水量数据资料进行分析，研究表明，气温方面，近50年来大连市气温总体呈上升趋势，1964-1987年为相对冷期，1988-2013年为相对暖期，气温在1987年发生突变，突变后较突变前平均气温增加了8.13％。降水方面，多年降水量整体呈现上升趋势但不明显，总体平稳但年际波动较大，阶段性干湿特征不显著，并未发生突变现象。
关键词：大连市；气温；降水量；线性回归分析法；
Pettitt突变分析方法
中图分类号：P467文献标识码：A
Analysis of Dalian City Climate Change
in Recent50Years
JIN Zixin
(Liaoning Normal University,Liaoning Dalian116029,China) Abstract:Climate and human life,nowadays,global climate change has become a hot issue,domestic and foreign scholars have different views on global climate change.This paper adopts linear regression analysis and Pettitt mutation analysis method analyzed the change rule of Dalian City in the past50years the variation characteristics of temperature and precipitation of3 meteorological stations from1964to2013,the annual mean temperature and precipitation data of Dalian City,according to the analysis,research shows that,in terms of temperature,the temperature in Dalian has shown an overall upward trend in recent50years.It was a relatively cold period from1964to 1987,a relatively warm period from1988to2013,and the temperature suddenly changed in1987,compared with the average temperature before mutation mutation increased8.13%. The overall precipitation,the precipitation increased but not obvious,but the overall stableinterannual fluctuations,dry and wet stage characteris
tics is not obvious,not mutatedphenomenon.
Key words:Dalian City;temperature;precipitation;
linear regression analysis;analysis of mutant Pettitt
0引言
地球演变的过程缓慢而长久，其中气候的变化和人类的生命、生活息息相关。近年来，全球气候不断变暖，这一现象已经成为人们关注的焦点。在气候的变暖过程中，有起有伏，有渐变也有突变，并且气候变化有季节性和区域性的差别。全球气候变暖会严重影响区域性气候格局。每个区域的时空分布有一定的差异且变暖的速率也有所不同。相比南方而言，北方气候变暖的趋势比较明显，冬季比其它季节明显。我国纬度最高的地区是东北，其冬天寒冷漫长，是我国各区域中气候变化最明显的地区。人们对气候变化关注的原因，一是近年来人类的各种活动对气候变化造成了一定影响，使得气候变暖更加严重，从而引起各种灾害天气，给人类带来巨大的损失；二是随着科技的发展，人们拥有更多测定记录气候变化的仪器，对气候变化的预测更加准确，能够让人们认识到气候变化的各种规律。对气候变化的研究需要两个基本要素：气温和降水。这两个要素的变化对地区生态环境的变迁有决定性的影响，深入认识大连地区气温和降水这两个气候要素的变化规律，对研究气候变化对大连地区的环境、经济、水资源等的影响具有重要意义。同时对大连市的生态建设、经济发展、环境保护及水资源
利用有重要的现实意义。
1研究意义
气候变化是造成自然灾害的罪魁祸首。回顾人类历史上发生的各种灾害，不禁让人不寒而栗，如汶川地震、南方雪灾、东北洪水、南方干旱等，以及国际上发生的各种灾害。我国土地辽阔，地势复杂，气候变化有明显的区域性。大连位于欧亚大陆的东岸、辽东半岛的最南端，属于北半球的暖温带地区，具有海洋性特点的暖温带大陆性季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明。所以研究气候的变化对人类、社会、经济和生态环境建设等起着重要的保障作用。本文用大连市三个气象站点1964-2013年近50年的平均气温和降水量资料为基础，采用线性回归分析法和Pettitt突变分析法，分析大连地区的气候变化趋势，对大连市的环境保护、经济发展、人类生活等具有重要的意义。
1.1国外研究现状
近年来，不同领域的专家和学者不断研究气候的各种变化特征，逐步探索变化的规律和形成机制，并不断完善其理论的发展和应用。Ai Wanxiu等经过研究指出，分别在20世纪20年代、50年代和70年代末到80年代初气候发生了较大的突变[1]；Busuioc通过研究罗马尼亚从1901年到1988年的14个雨量站的降水数据，认为在1969年所有站点降水量都存在下降突变[2]；Ha 等发现韩国汉城230年的降水资料在1881年和1952年存在突变[3]。
1.2国内研究现状
我国的许多学者对不同地区的气候进行了研究，孙凤华等采用谱分析方法探讨序列的周期性变化特征，对经过滑动平均的气温和降水序列采用Mann-Kendall和Yamamoto方法进行突变分析，分析了东北地区近百年来气温的年代和季节等不同时间尺度的变化特点及地域分布特征和近百年降水量的变化规律[4]；孟秀敬等采用线性回归和滑动平均等趋势分析方法以Mann-Kendall、
国土与自然资源研究
·16·TERRITORY&NATURAL RESOURCES STUDY2021No.4
Pettitt和累积距平三种突变检验方法研究了河西走廊地区在1955-2011年的气温及降水两个指标，从而揭示了该地区气候变化的事实及趋势[5]；廉毅等用功率谱分析方法分析了近40年来吉林的季节降水和气温变化趋势，得出了吉林省气候的同期变化与东亚季风年际振荡准3.5年和准2年同期大体一致[6]；李占玲等采用Pettitt方法分析了黑河流域1960-2009年10个气象站点的年平均气温和年降水量，得出气温突变后所有站点气温均呈现显著上升趋势，该流域降水量上升或者下降的变化幅度没有达到显著的突变水平[7]；李广霞等利用辽宁省在1960-2009年53个气象站点的气温和降水资料，对平均气温、最高气温、最低气温及降水的多年平均分布特征进行分析和探讨，在此基础上利用经验正交函数（EOF）方法分析了温度和降水这两个指标在时空上的变化特征，发现辽宁省近50年的温度和降水在
空间分布上全省具有较好的一致性特征[8]。
2研究区概况和数据资料
2.1研究区概况
2.1.1地理位置。大连，别称滨城，旧名为青泥洼，处于辽东半岛的南端，位于黄海渤海之滨，背靠中国东北腹地，和山东半岛隔海相望。大连是京津的门户，北依营口市，南依山东半岛，与韩国、日本、朝鲜和俄罗斯远东地区相邻。大连共有6个区：中山区、西岗区、甘井子区、沙河口区、旅顺口区、金州区，其中前4个区被称为“市内四区”；3个县级市：瓦房店市、普兰店市、庄河市，被称为“北三市”；1个海岛县：长海县。其中被称为主城区的是中山区、西岗区、沙河口区、甘井子区、高新技术产业园区；被称为新城区的是旅顺口区、金州区、经济技术开发区（包括金石滩国家级旅游度假区）；称为卫星城的是瓦房店、庄河、普兰店、长海。经济技术开发区、高新技术产业园区、保税区、大连长兴岛临港工业区和大连花园口经济区是对外开放先导区，在中国东部沿海城市中大连属于重要的经济、贸易、工业、港口、旅游城市。
2.1.2地形特征。大连市的总面积为12574平方公里，其中有2415平方公里是老市区的面积。区内的山地和丘陵较多，平原和低地较少，整个地形呈现出北高南低、北宽南窄的趋势。地势从中央轴部开始向东南和西北两侧的黄海和渤海方向倾斜，在面向黄海的那一侧长而缓。长白山系和千山山脉余脉纵
贯整个市区，其中绝大部分是山地和因为长久的剥蚀而形成的低缓丘陵，平原低地仅有零星部分分布在河流入海处及一些山间谷地，岩溶地形到处可见，海蚀地貌和喀斯特地貌比较发育。
2.1.3气候条件。大连市位于北半球的暖温带地区，三面环海，受季风影响，属于具有海洋性特点的暖温带大陆性季风气候，冬无严寒，夏无酷暑，四季分明。太阳的年总辐射量为134~140千卡/米，年日照时数达2500~2800小时，年日照率达到62%，年平均气温为10.4℃，最高温度出现在八月份，多年平均气温为24℃，历史上最高达31.8℃，最低温度是一月份，多年平均气温-4.8℃，最低气温-21.8℃；无霜期大约170~190天，霜期从11月份开始，在4月上旬结束；多年平均降水量为687.7毫米，7、8月份最为集中，约占全年的60%左右，多年平均相对湿度是66%，多年平均蒸发量1548.1毫米，冻土深度最大为0.93米，风速最大高达28~30米/秒。大连因为受到一面依山、三面环海的地理环境的影响，气候温和、空气湿润、降水集中、季风明显、风力较大。天气非周期性变化比较明显，冬夏季风向差异显著。冬季在温带大陆气团的作用下，变得寒冷干燥，夏季在温带海洋气团的作用下，变得暖热多雨。春季干燥少雨，回暖较快，春季暖空气开始逐渐活跃，冷空气逐渐减弱，气温回暖比较迅速。从3月末到4月初，由雪改雨，因为降水少、蒸发量大的缘故，容易造成干旱现象；夏季潮湿多雨，气温偏高，夏季各个月份的平均气温大多在19℃以上，最热是8月份。该季节阴雨天气频繁，由于降水集中，容易出现局部洪涝现象，在个别年份易发生伏旱。在7月中旬到8月下旬之间，每年大概有1~2次热带气旋，热带气旋的影响程度随其强度和路径的不同而有所差异；秋季云雨骤减，气候
凉爽，秋季冷空气开始活跃，暖空气势力逐渐减弱，云雨骤减，气温下降；冬季雨雪稀少，干冷风大。由于东北的冷空气团的长期影响，空气变得干燥，气温也较低。最冷天气出现在一月份，该季节降水稀少，降雪大多在10毫米以下。
2.1.4水资源特点。大连市的地表水主要来源于大气降水，降水量从西南向东北逐渐增加，根据水文站资料显示，大连地区多年平均降水量为720毫米，将其折合成水量可达91亿立方米，全区分为湿润和半湿润地区。大连市境内的河流均为独流入海的中小型季节性河流，主要有碧流河、复州河、英那河、大沙河等河流。碧流河是大连市最大的河流，它是市区跨流域引水的水源河流，河总长100公里，流域面积为1465平方公里；大连地区地下水主要为山丘深层地下水，共分为3类，松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水，地下水资源不丰富。地下水资源中最有经济意义的是碳酸岩裂隙岩溶水，其次是松散岩类孔隙水，由于这一类地下水大多分布在独流入海的小河河谷区，含水层的厚度较小，所以需要用地下水库方式开采；基岩裂隙水分布的范围很广，但是大多数很难聚集成有较大水量的开发地段，经济意义不是很大。在大连地区分布范围内，地下水的天然补给资源为12.94亿立方米/年，微咸水
3.84亿立方米/年，储存资源为9.13亿立方米/年。有198平方公里已被勘察，有2.4亿立方米/年的地下水资源得到国家批准可以开采，这部分地下水资源可以直接用于开发。大连市工业用地地下水年开采量为0.82亿立方米，城镇居
民生活用水为0.197亿立方米，农用灌溉用水为1.5222亿立方米。不包括农村人畜引用水井，全市有8307眼地下水开采井。各个地区地下水年开采量为中山、西岗、沙河口共0.132亿立方米，甘井子区0.661亿立方米，金州区0.721亿立方米，旅顺口区0.167亿立方米，长海县0.025亿立方米，新金县0.425亿立方米，瓦房店市0.435亿立方米，庄河县0.7亿立方米。全市地下水年开采量为3.266亿立方米。
2.1.5水文状况。大连地区主要有两大水系为黄海流域和渤海流域。注入黄海的河流是碧流河、英那河、庄河、赞子河、大沙河、登沙河、清水河、马栏河等；注入渤海的主要河流有复州河、李官村河、三十里堡河等。其中，最大的河流是碧流河，另外还有200多条小河。大连地区每年的淡水资源总量是37.86亿立方米，其中34.2亿立方米为地表水资源、8.84亿立方米为地下水资源，两者重复水资源量5.8亿立方米。相关河流信息如表1所示。
2.1.6土地资源。1993年，大连市可耕地面积为28.7万公顷，分为水田（
3.3万公顷）和旱田（25.4万公顷），占土地总面积的22.8%；整个地区林业占地42.4万公顷，分为三个方面：林地（3
4.4万公顷）、未成林造林地（3万公顷）和宜林荒山（3.3万公顷），占土地总面积比例为33.1%；土壤分为6个类型，地带性土壤为棕壤（约90.7万公顷）占土壤总面积比例为81.5%，风沙土、水稻土、
草甸土、沼泽土和盐土总计占土壤总面积的18.5%；滩涂资源有6.6万公顷，占土地总面积的
5.2%，分为黄海海岸（4.2万公顷）和渤海海岸（2.4万公顷）。
2.2数据资料
本文所使用数据来源于全国753个气象站点数据中大连市3个站点逐日气温和逐日降水量资料，经过较严格的质量检验。因为仪器的变化、观测方法的改变、台站的变迁等因素造成的气候资料非均一性没有经过订正，所以对于资料缺测情况本文做如下规定：月内逐日资料缺测达5日的，该月资料定为缺测；一年中如果有1个月缺测，该年年值为缺测；数据时间序列为平均气候场（1964-2013年）50年。综上选择大连市的3个气象站点，气象站点相关信息如图1所示。
3突变分析研究方法
3.1线性回归分析
用y i表示样本容量为n的某一气候变量，用x i表示y i所对应的时间，建立y i与x i之间的一元线性回归方程：
y i=ax i+b,i=1,2,…,n。（1）方程可以看做一种特殊的、简单的线性回归形式。它的含义是用一条合理
的直线表示y与其时间x 之间的关系，这一方法属于时间序列分析范畴。方程中b为回归常数；a为回归系数。
式中，回归系数a的符号表示气候变量y的趋势
表1大连市相关河流信息
河流
名称
注入
海域
长度
（km）
多年平均
净流量（亿m3）
发源地
湖里河
庄河
大沙河
英纳河
复州河
碧流河
黄海
黄海
黄海
黄海
渤海
黄海
42
54
93
94
121
139
2.05
2.8
1.9
4.2
3.4
9.8
庄河高岭乡
庄河蓉花山
普兰店四平乡
岫岩县境内
瓦、普、盖三市交界处老帽山
盖州市境内
图1气象站点相关信息图
N
起亚k3说明书
40
°
北
39
°
北
辰时是几点到几点气象站点
地区界
121°东122°东123°东124°东
02550100
千米
倾向。a称为倾向值，a值的大小反映了上升或下降的速率，即表示上升或下降的倾向程度。a的符号为正，即a＞0时，说明随时间x的增加y呈上升趋势；当a 的符号为负，即a＜0时，说明随时间x的增加y呈下降趋势。
3.2Pettitt突变分析
突变分析的方法能够检测出统计量随时间序列变化的突变现象，本文利用Pettitt[9]突变分析的方法来检测辽宁省气温和降水量近50年来的突变情况。该方法被广泛应用到检测时间序列下的气温与降水量的突变检测，不仅能够较准确地检测出突变点，还能够判断出突变点在统计意义上是否显著。
定义统计量U t,N：
U t,N=U t-1+
N
i
∑sgn(x i-x j),(t=2,3,…,N)（2）sgn(θ)=1,θ＞0
0,θ=0
-1,θ＜0
⎧
⎩
⏐⏐
⏐⏐
⎨⏐
⏐⏐
⏐
（3）
其中，x i、x j为欲进行假设检验的随机变量；N代表数据系列的长度；U t,N将根据第一个样本序列超过第二个样本序列次数的统计组成新的序列。
Pettitt法原假设H0为序列不存在突变点。若t时刻满足：
k(t)=Max U t,N,1≤t≤N（4）则t点处为突变点。
同时计算统计量：
P=2exp-6(K N)2/(N3+N2)
{}（5）
如果P≤0.5，则认为检测出的突变点在统计意义
上是显著的。一般取p=0.05，即在显著性水平为95％
的条件下检测突变点，这样可使检测出的突变点准确
度更高。如果在95％显著性水平下未检测出突变点，
可将显著性水平值降低进行检测，当取p=0.5时，即在
50％显著性水平下仍未检测出突变点，则认为统计量
在给定时间序列中未发生突变。
4结果分析和讨论
对大连市近50年3个气象站点中每个站点的逐
日气温和降水量值进行计算，求取3个站点的气温和
降水量均值即为统计分析所需要的值，结果如表2和
表3所示。
4.1气温线性回归分析
图2为气温线性倾向图，如图所示，以年份为横
坐标，以1964-2013年的年平均气温为纵坐标绘制折
线图。经过统计和分析，建立线性回归方程：
y=0.0222x+9.4389，可知大连市近50年来气温增长
率为0.222℃/10a。
由图可知，近50年来大连市年平均气温在波动
上呈现上升趋势，其上升的趋势和全球气候变化一
致，多年平均气温为9.995191℃，年平均气温最低值
出现在1996年为8.38639℃，最高值出现在2007年
为11.3797℃。从1964-1989年年平均气温大多低于
多年平均值，自20世纪90年代以后，年平均气温除
了1996、2005、2010、2011、2012年相对较低外，均大于
多年平均值。年平均气温大致可以分为2个阶段，
1964-1987年为相对冷期，该时段负距平占75%，平均
表21964-2013年年均温
年份均温年份均温年份均温年份均温年份均温
1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 19739.618033
9.691644
9.391096
9.421918
9.568989
8.625205
9.328082
9.430000
9.418579
10.13630
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
秋分节气最经典诗句9.456301
10.68192
9.029645
9.648767
10.14781
10.11479
8.954918
9.529041
10.27589
10.35123
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
9.531421
8.983288
9.530000
9.568904
10.21981
10.93507
10.40822
10.32082
10.45383
10.22384
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
10.90945
10.41247
8.386388
10.86658
10.98644
11.07986
端午节高速公路免费通行吗
10.40492
10.42781
10.86000
10.47943
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
11.07787
9.874795
10.48890
11.37973
10.48060
10.48233
8.965069
9.802740
9.589891
10.23493
表31964-2013年年降水量
年份降水量年份降水量年份降水量年份降水量年份降水量
1964 1965 1966 1967 1968 1969 1970 1971 1972 19731044.2
414.10
799.50
831.55
512.60
566.25
711.65
913.85
596.25
806.30
1974
1975
1976
1977
1978
1979
1980
1981
1982
1983
768.70
565.10
734.40
633.75
708.85
781.35
642.10
566.35
586.40
765.30
1984
1985
1986
1987
1988
1989
1990
1991
1992
1993
642.35
1009.4
571.25
830.40
515.65
568.55
755.05
642.50
676.75
498.95
1994
1995
1996
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
846.95
817.05
774.05
543.85
826.05
379.65
430.45
590.55
428.05
561.80
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2013
674.30
770.10
585.85
875.10
580.15
686.55
736.65
950.35
914.25
947.25
气温为9.60℃；1988-2013年为相对暖期，该时段正距
平占76.9%，平均气温为10.38℃。
4.2降水线性回归分析
图3为降水量线性倾向图，如图所示，以年份为
横坐标，以1964-2013年的年降水量为纵坐标绘制折
线图。经统计分析，建立一元线性回归方程：
y=0.1546x+687.63，可知大连市近50年来降水量增长
率为1.546mm/10a。增长率为正，说明多年降水量整体
呈现上升趋势，但趋势并不明显。
由图可知，近50年来大连市年降水量在波动中呈
上升趋势，其上升趋势和全球降水量变化一致，多年降
水量均值为691.568mm，年降水量最低值出现在1999
年为379.65mm，最高值出现在1964年为1044.2mm。
图2气温线性倾向图
12
11
10
9
8
7
年
均
温
︵
摄
氏
度
︶
19641971197819851992199920062013
年份
气温趋势气温均值线性（气温趋势）
y=0.0222x+9.4389
R2=0.2168
由于降水量年际波动较大，阶段性正负距平比例大致相当，所以近50年来大连市阶段性干湿特征并不显著。4.3气温Pettitt 突变分析
将大连市近50年来年均温和年降水量数值代入公式（2）计算出t 从1到50所对应的U t,N 值，即为统计分析所需要的值。如表4、表5所示。令p =0.05和p =0.5代入公式（4）分别计算出置信度水平为95%和置信度水平为50%的临界水平值为±279.98和±171.6353。
图4所示为近50年大连市气温时间序列突变检验图，以年份为横坐标，以Pettitt 方法计算出的U t,N 值
为纵坐标，蓝的线为气温变化趋势曲线，黑的线为令P =0.05代入公式（4）所得出的临界水平值为-279.98，即虚线为95%置信度水平的临界值。图中统计量在1978-1996年超出临界水平线，并且在1987年出现最小值，即U t,N =-450，此时，k (t )=Max U t,N =450>279.98，这说明在95%置信水平下，大连市气温在1987年发生突变，且突变特征显著。突变前1964-1986年多年平均气温为9.60℃，突变后1988-2013年多年平均气温为10.38℃，较突变前增加了8.13%。这与尤卫红等发现在1987年我国气温存在明显增暖突变的结论相符[10]，另外本文的研究结果与很多学者在周边临近地区的研究结果相近。例如，尤莉等在分析内蒙古地区1961-2008年年平均气温资料时发现，1987年是该地区气温增暖的突变点[11]；孟秀敬等发现河西走廊地区平均气温在1986年出现增暖突变[5]；大连市气温突变前后两个时段气温均值如表6所示。
4.4降水量Pettitt 突变分析
图5为近50年来大连市降水量序列随时间变化图，图的曲线是采用Pettitt 法进行突变检验时统计量U t,N 随时间变化的曲线。图中两条黑虚线对应置信水平为50%的统计量U t,N 的取值，为±171.6353。由图可知，统计量在1974年出现最高点，对应的统计量k (t )=Max U t,N =61＜171.6353，即1974年的统计量没
有超出临界水平线，说明在0.5显著性水平下大连市降图3降水量线性倾向图
11001000900800700600500400300年降水量︵毫米︶
1964
1971
冰糖葫芦的做法1978
1985
19921999
2006
2013
年份
年降水量趋势
年降水量均值
线性（年降水量趋势）
y =0.1546x +687.63R 2=0.0002
表41964-2013年年均温对应的U t,N 值
年份
U t,N 年份U t,N 年份U t,N 年份U t,N 年份U t,N 1964196519661967196819691970197119721973
-13-22-57-88-105-152-189-218-251-252
1974197519761977197819791980198119821983
-279-246-285-296-295-298-343-368-359-346
1984198519861987198819891990199119921993
-367-408-431-450-447-406-389-378-355-366
1994199519961997199819992000200120022003
-
327-308-357-320-277-230-215-194-159-1342004200520062007200820092010201120122013
-89-94-63-141342-1-8-23-16
表51964-2013年年降水量对应的U t,N 值
年份U t,N 年份U t,N 年份U t,N 年份U t,N 年份
U t,N 1964196519661967196819691970197119721973
492255819-10-5342146
1974197519761977197819791980198119821983
6130372629504114-310
1984198519861987198819891990199119921993
350275821-4721-40
1994199519961997
199819992000200120022003-5
22
41
龙打一成语
635
-14-57-72-117-1502004200520062007200820092010201120122013
-153-136-155-118-139-138-129-84-430
图4气温时间序列突变检验
1000-100-200-300-400-500
U t,N
年份
1964
1971197819851992199920062013
U t,N
279.98
表6大连市气温序列突变前后的多年均温
地区突变前平均气温
（℃）突变后平均气温（℃）变化幅度（%）大连市
9.60
10.38
8.13

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