长江科学院院报

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2024 , Vol. 41 >Issue 10: 165 - 174

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240038

工程安全与灾害防治

近41年南水北调中线工程安阳河以北段冬季气温变化特征

  • 李景刚 ,
  • 陈晓楠 ,
  • 乔雨 ,
  • 李天毅
展开
  • 中国南水北调集团中线有限公司,北京 100038
陈晓楠(1979-),男,河北沙河人,正高级工程师,博士,主要从事长距离输水调度、水资源管理研究。E-mail:

李景刚(1978-),男,河北南皮人,正高级工程师,博士,主要从事长距离输水调度生产管理和技术研究。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-01-11

  修回日期: 2024-08-30

  网络出版日期: 2024-10-25

基金资助

国家重点研发计划项目(2022YFC3202505)

水利青年科技英才资助项目(JHYC202207)

收起

Winter Temperature Variations in the Section of South-to-North Water Diversion Middle Route Project North of Anyang River in the Past 41 Years

  • LI Jing-gang ,
  • CHEN Xiao-nan ,
  • QIAO Yu ,
  • LI Tian-yi
Expand
  • China South-to-North Water Diversion Middle Route Corporation Limited, Beijing 100038, China

Received date: 2024-01-11

  Revised date: 2024-08-30

  Online published: 2024-10-25

Fold

摘要

为进一步深化对南水北调中线工程安阳河以北段冬季气温变化规律的认识,选取沿线10个国家气象站1981—2021年的冬季日平均气温数据,借助气候倾向率法、累积距平法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析等方法,对南水北调中线工程安阳河以北段近41 a来的冬季气温变化特征进行了系统分析。结果表明:①在1981—2021年间,南水北调中线工程安阳河以北段各站冬季平均气温整体上表现为由南向北逐步降低的趋势,同时时间序列具有明显的同步相关性和冷暖同步特征,尤其是邻近站点之间,相关系数甚至超过0.9;②在近41 a间,各站点冬季季度及月度平均气温在波动中呈现明显的升温趋势,总体上可将1980年代中后期、2000年代初期和2010年代中前期作为沿线区域冬季平均气温突变的节点;③在研究时域内,南水北调中线工程安阳河以北段多数站点以40 a为第一主周期,冬季平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且在未来一段时间内仍将继续偏高,为冬季实施冰期动态调度提供了有利条件。研究成果可为南水北调中线工程优化冰期输水调度、提升冬季渠道过流能力和防范各类冰冻灾害发生提供科学依据。

关键词： 冬季气温; 趋势分析; M-K突变检验法; 小波分析; 南水北调中线工程

本文引用格式

李景刚 , 陈晓楠 , 乔雨 , 李天毅 . 近41年南水北调中线工程安阳河以北段冬季气温变化特征[J]. 长江科学院院报, 2024 , 41(10) : 165 -174 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240038

Abstract

To enhance the understanding of regional winter temperature variations and provide a scientific basis for optimizing water transfer and management during the ice period of the South-to-North Water Diversion Middle Route Project, we analyzed the daily mean winter temperatures from 1981 to 2021. Data were gathered from 10 national meteorological stations located along the section north of the Anyang River within the main canal of the Middle Route Project. We investigated winter temperature changes over the past 41 years using various methods, including the climate tendency rate method, cumulative anomaly method, Mann-Kendall mutation test, and Morlet wavelet analysis. The results are as follows: 1) From 1981 to 2021, mean winter temperatures at stations north of the Anyang River declined gradually from south to north. This trend is strongly synchronized especially among adjacent stations, with correlation coefficients exceeding 0.9. 2) Over the past 41 years, mean winter temperatures at each station showed a clear warming trend with fluctuations. Significant temperature changes occurred notably in the mid-late 1980s, early 2000s, and early-mid 2010s. 3) Within the analyzed time domain, most stations north of Anyang River followed a 40-year cycle as the primary temporal scale. Mean winter temperatures displayed a cyclical pattern of low→high→low→high and are expected to remain elevated for a period in the future. Such conditions facilitate effective dynamic scheduling during the winter ice period.

Key words： winter temperature; trend analysis; Mann-Kendall (M-K) mutation test method; wavelet analysis; Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

南水北调中线工程是缓解我国华北地区水资源短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战略性基础设施[1],自丹江口水库陶岔渠首闸引水,沿伏牛山和太行山山前平原、京广铁路线西侧自流向北,跨越长江、淮河、黄河、海河四大流域,沿途分别向河南、河北、天津、北京四省(直辖市)供水,全长1 432 km,以明渠输水为主,南北跨越33°N—40°N,水流由亚热带流向暖温带[2]。冬季水体沿程失热,按照初步设计,南水北调中线工程安阳河以北段存在冰期输水运行工况,面临冰期输水安全问题[3],影响渠道过流能力,制约输水效益的发挥[4-5]。
气温作为表示空气冷热程度的物理量,是影响冰情发展的主要因素之一,即南水北调中线工程不同冰情现象的发生与沿线地区冬季气温密切相关[6-7]。为此,王涛等[8]基于1957—2006年新乡、安阳、邢台、石家庄气象资料,根据暖冬、冷冬标准对冬季气候进行分类。刘孟凯等[9]基于南水北调中线工程总干渠沿线南阳、宝丰、郑州、新乡、安阳、邢台、石家庄和保定8个气象站点1968—2017年的逐日气温资料,探讨了各站点冬季平均气温的趋势性与突变性,并制定了寒潮同步分析标准。段文刚等[10]基于南阳、宝丰、郑州、新乡、安阳、邢台、石家庄和保定8个气象站点1951—2021年冬季的日平均气温和日最低气温数据,提出了气温链概念并给出通用数学表达式,构建了71 a冬季气温位次。周中元等[11]则基于南水北调中线干线工程沿线56个气象站点的日最低、最高气温数据,计算分析了5个极端气候指数的时空变化规律和9个典型气象站1960—2020年寒潮发生频次及其变化趋势。上述有关研究的开展,对南水北调中线工程冬季气温变化特征进行了有效揭示,并指出南水北调中线工程沿线冬季气温同步性较大、冰情发展具有气候条件主导性、冰情全线同步性等特征[9⇓⇓⇓-13]。
工程运行初期,由于对渠道冰情生消规律和时空分布认识有限,为避免发生冰塞灾害,对于安阳河以北段近480 km输水明渠,通常采用高水位、小流量、冰盖下输水的冰期调度模式,控制闸前水流弗劳德数Fr≤0.06,如此以来冬季输水流量仅为设计流量的31.56%~47.64%,严重制约了工程输水效益的发挥[4,14]。在全球气候变暖[15]、南水北调中线工程冬季冰情实际发生相对有限[16]的背景下,为了满足更加精准的冰情预报和动态调度的实施需要,进一步深化对南水北调中线工程安阳河以北段冬季气温变化特征分析和规律认识,对于支撑破解南水北调中线工程冬季输水能力提升的关键卡口具有重要意义[1,17]。
本文选取南水北调中线工程总干渠安阳河以北段沿线1981—2021年的冬季日平均气温数据,借助气候倾向率法、累积距平法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析等方法,对南水北调中线工程安阳河以北段近41 a来的冬季气温变化特征进行系统分析,进而为优化南水北调中线工程冰期输水调度、提升冬季渠道过流能力和防范各类冰冻灾害发生提供科学依据。

1 资料来源

本研究气温资料来自国家气象科学数据中心(http://data.cma.cn),包括南水北调中线干线工程安阳河以北沿线10个国家气象站点的1981—2021年冬季日平均气温数据。具体气象站点由南到北依次为:安阳、邯郸、邢台、高邑、正定、新乐、唐县、满城、易县和涿州(图1)。文中上年12月份至当年2月份为冬季。
图1 南水北调中线冰期输水范围内气象站点空间分布

Fig.1 Area of water diversion during ice periods and selected weather stations along the canal of the South-to-North Water Diversion Middle Route Project

2 分析方法

2.1 气候倾向率

气象要素的年际变化趋势通常采用气候倾向率作为指标[18],即
Y = a 0 + a 1 t 　 。
式中:Y为气象要素的拟合值;t为时间序列;a0为常数项;a1为线性趋势项,a1×10称为气候要素每10 a的变化趋势,即倾向率。

2.2 累积距平法

累积距平法是一种由曲线直观判断气候变化趋势的方法[19]。对于气候要素序列,其某一时刻t的累积距平表示为:
x = ∑ i = 1 t ( x i - x - )   , 　 t = 1,2 , … , n 　 ;
x - = 1 n ∑ i = 1 n x i 　 。
式中:x为第1到第t个时刻的累积距平; x i为第i个样本值; x -为样本均值;n为各个时刻的总数。
将n个时刻的累积距平全部算出,绘出累积距平曲线进行趋势分析。

2.3 突变检验

Mann-Kendall突变检验法是一种非参数统计检验方法,不仅能指出序列的突变区域和开始突变的时间,也可以判断序列中上升或者下降的趋势[9,18 -19]。对于时间序列x(x1,x2,…,xn),构造一秩序列ri,ri表示样本xi>xj(1≤j≤i)的累计数。定义统计量 S k为
S k = ∑ i = 1 k r i , 　 k = 2,3 , … , n 　 。
在原序列随机独立的假定下,Sk的均值E(Sk)、方差 V a r ( S k )分别为
$\begin{cases}E( S_k ) =\frac{k( k - 1 )}{4}\quad;\\[2ex]\operatorname{Var}( S_k ) =\frac{k( k - 1 ) ( 2k + 5 )}{72}\quad& 。 \end{cases}$
将Sk标准化后的统计量为UFk,即
U F k = S k - E S k V a r S k , 　 k = 1,2 , … , n 　 。
UFk为标准正态分布,UF1=0,给定显著性水平α(取α=0.05,U0.05=1.96),查正态分布表,若|UFk|>Uα,则表明序列存在明显的趋势变化。
按时间序列x的逆序(xn、 x n - 1、…、x1),再重复上述过程,同时使序列的逆序值UBk= -UFk (k=n,n-1,…,1),UB1=0。若UF>0,则表明序列呈上升趋势,若<0,则表明呈下降趋势,当超过置信水平时,表明上升(下降)趋势显著。如果UF和UB两条曲线出现交点,且交点位于置信区间内,那么交点对应的时刻即是突变开始的时刻[20]。

2.4 小波分析

小波分析在气候变化研究中显现了年份与年份之间、波长与波长之间的波幅变化形态与特征,已成为研究气象要素长期变化的工具[19]。本文采用复值Morlet小波分析方法研究南水北调中线工程安阳河以北段冬季平均气温的周期变化规律。
对于时间序列函数f(t),小波变换定义为[19,21]
W f ( a , b ) = 1 a ∫ - ∞ ∞ f ( t ) ψ * t - b a d t 　 。
式中:Wf(a,b)为小波系数;a为尺度因子,反映小波的周期长度;b为平移因子,反映时间上的平移;ψ*是ψ的共轭函数。ψ函数的解析形式为[19]
ψ x = C e - x 2 2 c o s 5 x 　 。
式中C为系数。
对于离散时间序列,小波方差Var a为[22-23]
V a r ( a ) = 1 n ∑ j = 1 n W f ( a , x j ) 2 　 。
式中Wf(a,xj)代表尺度因子为a、平移因子为xj时的小波变换系数,即在尺度a处,小波方差Var(a)等于每个样本对应的小波变化系数模平方Wf(a,xj)2的均值。
小波方差图则能反映所研究时间序列的波动能量随时间尺度a的分布情况,可用来确定时间序列演变过程中存在的主周期[19]。

3 结果与分析

3.1 冬季气温特征分析

南水北调中线工程安阳河以北段地处太行山东麓山前平原和浅丘地带(图1),主要受西伯利亚季风、太行山地形和渤海海洋气候的影响,冬季天气寒冷,工程沿线各站冬季年际平均气温呈现出波动性,起伏较大,一些年份甚至出现突变[24]。从表1和图2可知,在1981—2021年间南水北调中线工程安阳河以北段各站冬季平均气温介于-2.21~1.12 ℃,整体上表现为由南向北逐步降低的趋势,同时年际变化相对较大,其中最大极值为3.33 ℃(邢台站,2002年),而最小极值为-5.05 ℃(易县站,2013年)。
表1 1981—2021年各站冬季季度及月度平均气温特征值

Table 1 Eigenvalues of mean temperature in winter and each month of winter at each station from 1981 to 2021

站点 平均值/℃ 极小值/℃ 极大值/℃
冬季 12月份 1月份 2月份 冬季 12月份 1月份 2月份 冬季 12月份 1月份 2月份
安阳 1.05 1.06 -0.78 3.05 -1.14 -1.64 -3.97 -0.76 3.12 3.71 2.58 7.38
邯郸 1.12 1.10 -0.70 3.13 -1.28 -1.91 -3.95 -1.32 3.04 3.05 3.02 7.35
邢台 1.03 0.98 -0.72 3.01 -1.47 -2.24 -3.81 -1.06 3.33 2.58 3.36 7.37
高邑 -0.61 -0.65 -2.39 1.38 -2.90 -3.88 -5.04 -2.33 1.66 1.28 1.64 5.40
正定 0.23 0.24 -1.52 2.13 -2.70 -3.80 -4.82 -2.32 2.01 2.07 1.36 6.51
新乐 -1.15 -1.15 -2.98 0.87 -3.34 -4.62 -7.05 -2.95 1.02 1.02 0.20 4.93
唐县 -1.02 -0.94 -2.87 0.91 -3.48 -4.75 -6.13 -2.91 0.90 0.66 1.03 4.59
满城 -1.15 -1.13 -2.99 0.84 -3.54 -4.99 -5.65 -2.98 0.75 0.49 0.90 4.31
易县 -2.15 -2.15 -4.05 -0.05 -5.05 -5.55 -6.89 -3.73 0.12 -0.53 -0.06 3.64
涿州 -2.21 -2.23 -4.09 -0.12 -5.00 -5.60 -8.35 -3.57 -0.62 0.08 -1.31 2.57
图2 1981—2021年各站冬季季度及月度平均气温年际变化

Fig.2 Inter-annual variations of mean temperature in winter and each month of winter at each station from 1981 to 2021

在冬季3个月中,2月份气温相对最高,各站月平均气温介于-0.12~3.13 ℃,较冬季平均气温高出约2 ℃,其中极大值达到7.38 ℃(安阳站,2021年);其次是12月份,各站平均气温与冬季平均气温基本持平,介于-2.23~1.10 ℃,其中极大值为3.71 ℃(安阳站,2016年),极小值为-5.60 ℃(涿州站,2012年);而1月份气温相对最低,各站月平均气温分别介于-4.09~-0.70 ℃,其中极小值达到-8.35 ℃(涿州站,2000年)。
另外,由图2可知,在同一年份各站间冬季季度及月度平均气温虽存在一定的差异,但年际间变化具有明显的冷暖同步特征,即时间序列间表现出较高的同步相关性,相关系数基本都在0.6以上,对于一些站点,尤其是邻近站点之间,相关系数甚至>0.9,个别达到0.98。在冬季3个月中,2月份各站间月平均气温相关性最高,而12月份则最低(表2)。
表2 1981—2021年各站冬季季度及月度平均气温相关系数

Table 2 Correlation coefficient of mean temperature in winter and each month of winter at each station from 1981 to 2021

站点 时间 站点间的平均气温相关系数
安阳 邯郸 邢台 高邑 正定 新乐 唐县 满城 易县
邯郸 0.93
邢台 0.82 0.96
高邑 0.68 0.88 0.95
正定 0.79 0.89 0.92 0.82
新乐 冬季 0.69 0.77 0.78 0.65 0.92
唐县 0.77 0.88 0.91 0.82 0.98 0.93
满城 0.86 0.95 0.96 0.89 0.96 0.86 0.96
易县 0.6 0.81 0.89 0.95 0.76 0.63 0.76 0.84
涿州 0.87 0.88 0.81 0.74 0.74 0.64 0.72 0.86 0.75
邯郸 0.92
邢台 0.83 0.96
高邑 0.68 0.88 0.92
正定 0.73 0.86 0.93 0.82
新乐 12月份 0.62 0.75 0.80 0.68 0.91
唐县 0.72 0.85 0.91 0.84 0.97 0.92
满城 0.78 0.91 0.95 0.90 0.94 0.85 0.96
易县 0.60 0.80 0.85 0.94 0.75 0.62 0.77 0.84
涿州 0.81 0.86 0.81 0.78 0.72 0.62 0.73 0.85 0.78
邯郸 0.94
邢台 0.85 0.96
高邑 0.72 0.88 0.94
正定 0.79 0.88 0.92 0.85
新乐 1月份 0.75 0.82 0.83 0.73 0.93
唐县 0.78 0.88 0.92 0.85 0.97 0.94
满城 0.86 0.94 0.95 0.90 0.95 0.88 0.96
易县 0.63 0.81 0.88 0.93 0.81 0.74 0.82 0.88
涿州 0.89 0.90 0.85 0.80 0.80 0.75 0.78 0.89 0.80
邯郸 0.97
邢台 0.94 0.99
高邑 0.90 0.96 0.98
正定 0.91 0.95 0.95 0.92
新乐 2月份 0.87 0.91 0.90 0.87 0.97
唐县 0.89 0.94 0.94 0.92 0.99 0.98
满城 0.93 0.97 0.97 0.95 0.97 0.95 0.98
易县 0.84 0.91 0.93 0.95 0.88 0.85 0.89 0.93
涿州 0.91 0.92 0.90 0.87 0.89 0.86 0.88 0.95 0.91

3.2 冬季气温年际变化

从图2和表3可知,在1981—2021年间安阳河以北段各站点冬季平均气温在波动中呈现逐步上升的趋势,气候倾向率为0.113~0.729 ℃/(10 a),其中中部的正定、新乐2站增温趋势最为明显,气候倾向率均超过了0.7 ℃/(10 a),而北部的易县和涿州两站增温幅度最小,分别为0.134、0.113 ℃/(10 a)。对于冬季3个月,各站平均气温也均呈现出增高的趋势,其中2月份增温幅度最大,为0.298~0.945 ℃/(10 a),1月份次之,介于0.064~0.722 ℃/(10 a),而12月份最低,为0.006~0.546 ℃/(10 a),各站增温幅度高低与冬季平均气温基本一致,均为正定站、新乐站最高,而易县、涿州两站最低。
表3 1981—2021年各站冬季平均气温气候倾向率

Table 3 Climate tendency rate of mean temperature in winter and each month of winter at each station from 1981 to 2021

站点 平均气温气候倾向率/(℃·(10 a)-1)
冬季 12月份 1月份 2月份
安阳 0.216 0.084 0.153 0.426
邯郸 0.255 0.089 0.181 0.514
邢台 0.337 0.215 0.279 0.53
高邑 0.206 0.060 0.151 0.423
正定 0.729 0.546 0.712 0.945
新乐 0.713 0.546 0.722 0.883
唐县 0.638 0.435 0.658 0.836
满城 0.426 0.308 0.406 0.575
易县 0.134 0.006 0.104 0.315
涿州 0.113 0.010 0.064 0.298

3.3 冬季气温突变检测

本文运用累积距平法初步判断南水北调中线工程安阳河以北段各站冬季及冬季各月平均气温序列的变化趋势及突变发生的大致时间,采用Mann-Kendall突变检验法计算突变发生的具体时间,具体结果详见图3(限于篇幅,各分月结果略)和表4。
图3 1981—2021年各站冬季平均气温突变检验

Fig.3 Test result of abrupt changes of mean temperature in winter at each station from 1981 to 2021

表4 各站冬季季度及月度平均气温突变年份检测结果

Table 4 Test result of abrupt changes of mean temperature in winter and each month of winter at each station

站点 平均气温突变年份
冬季 12月份 1月份 2月份
安阳 1987、2005、2015—2016 1984—1985、2001、2014 2000 1989—1990、2008、2016
邯郸 1987、2010、2014 1984—1985、2001、2012 1984—1985、2000、2014 1989—1990、2010、2015
邢台 1987 1986 1984—1985、2010、2014 1988、2012、2020
高邑 1987、2018 — — 1988、2012、2020
正定 1991 1995 1990 1991
新乐 2002 2006 1989、2002 1992、2012
唐县 1991 1988 1989 1992、2012
满城 1988 1986 1986、2010 1989、2010、2014
易县 1986 — 1986 1987、2012、2017、2020
涿州 1986、2005—2006、2014 2004、2012 1986、2005、2014 1987、2005、2017、2020
从图3和表4可知,除高邑站12月份、1月份和易县站12月份无明显突变点外,其余时段各站点均存在历史气温突变现象,但突变年份具有一定差异性(表4)。其中,各站点冬季平均气温突变主要发生在1980年代中期、1990年代末期至2000年代初期、2010年代中后期等;而冬季3个月中,12月份平均气温突变主要发生在1980年代中期、2000年代初期和2010年代中前期等,1月份突变主要发生在1980年代中后期、2000年代初期和2010年代中前期等,而2月份突变则主要发生在1980年代后期至1990年代初期、2010年代中期至2020年代初期等。为此,可将1980年代中后期、2000年代初期和2010年代中前期作为沿线区域冬季平均气温突变节点。
另外,各站点UF曲线基本上超出了α=0.05临界线,个别甚至超过了α=0.01显著性水平(U0.01=2.56),可见沿线各站点局部升温趋势显著,这与前述气候倾向率方法分析结果是一致的。

3.4 冬季气温周期分析

小波系数实部等值线图能有效反映所研究时间序列在各时间尺度上的周期变化规律[25]。为此,图4给出了南水北调中线工程安阳河以北段各站点近41 a来冬季平均气温小波系数实部时频变化(各分月结果图略),正值区表示气温偏高,负值区表示气温偏低,等值线为0则对应着突变点。
图4 1981—2021年各站冬季平均气温小波系数实部及方差

Fig.4 Wavelet coefficient real part and variance of mean temperature in winter at each station from 1981 to 2021

从图4可知,冬季平均气温小波系数实部等值线在不同时间尺度上结构是不同的,小尺度的高低变化表现为嵌套在较大尺度下的较为复杂的高低结构,总体上在4、9、13~14、39~40、56~62 a左右时间尺度上较为密集,且发生了小波系数高、低值中心的变化。冬季平均气温小波系数方差图显示,在64 a时间尺度内,小波方差总体上在4、9、14、40、57 a存在峰值,其中40 a或57 a左右的周期震荡最强,为第一主周期,此外还有4、9、14 a的尺度变化周期,即上述4个周期的波动控制着各站点冬季平均气温在整个研究时域内的变化特征。但由于研究序列的总长度仅41 a,所以40 a和57 a左右特征尺度还有待更长的时间序列进行验证。
对于以40 a为第一主周期尺度的站点,如安阳、邯郸、正定、涿州等,冬季平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且直到2021年等值线未闭合,说明未来一段时间内冬季平均气温将继续偏高。而对于以57 a为第一主周期尺度的站点,如高邑、易县等,冬季平均气温先后经历了低→高→低的循环交替,目前正处于气温偏低时期。
类似地,根据12月份的相关数据,可知:
(1)南水北调中线工程安阳河以北段各站点近41 a来,总体上在5、8、13~14、21~25、39~40、56~59 a左右时间尺度上较为密集,且发生了小波系数高、低值中心的变化。
(2)在64 a时间尺度内,小波方差总体上在5、8、14、24、40、59 a存在峰值,其中14、40、59 a左右的周期震荡最强,为第一主周期,此外还有5、8、24 a的尺度变化周期。但由于研究的序列总长度仅41 a,所以40 a和59 a左右特征尺度还有待更长的时间序列进行验证。
(3)对于以14 a为第一主周期尺度的站点,如邢台、正定、新乐、唐县等,12月份平均气温先后经历了高→低→高→低→高→低→高→低→高→低的循环交替,而且直到2021年等值线未闭合,说明未来一段时间内12月份平均气温将继续偏低。对于以40 a为第一主周期尺度的站点,如安阳、邯郸、涿州等,12月份平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且到2021年等值线也仍未闭合,说明未来一段时间内12月份平均气温将继续偏高。而对于以57 a为第一主周期尺度的站点,如高邑、易县等,12月份平均气温先后经历了低→高→低的循环交替,目前正处于气温偏低时期。
根据1月份的相关数据可知:
(1)南水北调中线工程安阳河以北段各站点近41 a来,总体上在4~6、9~10、15~16、24~25、39~45、54~57 a左右时间尺度上较为密集,且发生了小波系数高、低值中心的变化。
(2)在64 a时间尺度内,小波方差总体上在6、10、16、24、41、56 a存在峰值,其中41 a或56 a左右的周期震荡最强,为第一主周期,但由于研究序列长度有限,还有待更长的时间序列进行验证,此外还存在6、10、16、24 a的尺度变化周期。
(3)对于以41 a为第一主周期尺度的站点,如安阳、邯郸、正定、满城、涿州等,1月份平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且直到2021年等值线仍未闭合,说明未来一段时间内1月份平均气温还将继续偏高。而对于以56 a为第一主周期尺度的站点,如邢台、高邑、唐县、易县等,1月份平均气温先后经历了低→高→低的循环交替,目前正处于气温偏低时期。
根据2月份的相关数据可知:
(1)南水北调中线工程安阳河以北段各站点近41 a来,总体上在4、7~9、39~41、59~62 a左右时间尺度上较为密集,且发生了小波系数高、低值中心的变化。
(2)在64 a时间尺度内,小波方差总体上在4、8、41、62 a存在峰值,其中41 a或62 a左右的周期震荡最强,为第一主周期,但还有待更长的时间序列进行验证,此外还有4、8 a的尺度变化周期。
(3)对于以41 a为第一主周期尺度的站点,如安阳、邯郸、正定、新乐、满城、涿州等,2月份平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且直到2021年等值线仍未闭合,说明未来一段时间内2月份平均气温还将继续偏高。而对于以64 a为第一主周期尺度的站点,如邢台、高邑、唐县、易县等,2月份平均气温先后经历了低→高→低的循环交替,目前正处于气温偏低时期。

4 结论与讨论

4.1 结论

本文选取南水北调中线工程总干渠安阳河以北段沿线10个国家气象站1981—2021年的冬季日平均气温数据,借助气候倾向率法、累积距平法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波分析等方法,对南水北调中线工程安阳河以北段近41 a来的冬季气温变化特征进行了分析,得到了以下结论:
(1)在1981—2021年间,南水北调中线工程安阳河以北段各站冬季平均气温介于-2.21~1.12 ℃,整体上表现为由南向北逐步降低的趋势,同时年际变化相对较大。在冬季3个月中,2月份气温相对最高,12月份次之,而1月份最低。
(2)各站冬季季度及月度平均气温时间序列间表现出明显的同步相关性和冷暖同步特征,尤其是邻近站点之间,相关系数甚至超过0.9。在冬季3个月中,2月份的相关性最高,而12月份最低。
(3)在近41 a间,各站冬季季度及月度平均气温在波动中均呈现出明显的升温趋势。其中,中部的正定、新乐2站增温趋势最为明显,而北部的易县和涿州两站增温幅度最小。在冬季3个月,2月份的增温幅度最大,1月份次之,而12月份最低。
(4)南水北调中线工程安阳河以北段各站点冬季季度及月度平均气温突变年份具有一定的差异性,总体上可将1980年代中后期、2000年代初期和2010年代中前期作为沿线区域冬季平均气温突变的节点。
(5)在64 a时间尺度内,各站冬季平均气温存在40 a或57 a的强显著周期,同时还嵌套着4、9、14 a的尺度变化周期,在12月份14 a尺度的变化周期表现得尤为显著。

4.2 讨论

在全球气候变暖背景下,本文针对南水北调中线安阳河以北段的分析结果,在冬季气温变化趋势和突变特征上,与王涛等[8]、刘孟凯等[9]的研究结果基本一致;但Morlet小波分析法的引入,进一步揭示出,在研究时域内,南水北调中线工程安阳河以北段多数站点以40 a为第一主周期,冬季平均气温先后经历了低→高→低→高的循环交替,而且在未来一段时间内仍将继续偏高;同时,近年来各站冬季季度及月度平均气温表现出来的持续升温趋势,这些均为南水北调中线工程突破现有冰盖下输水方式,探索冬季非冰盖大流量输水新模式,实施更加精准的冰期动态调度提供了有利条件。
不过需要注意的是,在各个站点第一强显著周期内,由于仍嵌套着诸多小尺度的时间变化周期,故不能排除在个别年份冬季仍可能发生极端寒冷气候,因而在未来南水北调中线工程的冬季输水调度过程中,还需坚持现有的“拦、扰、融、排、捞”一体化冰凌防控等措施,有效防范冰凌灾害对渠道过流产生不利影响。

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