1960－2012年中國天山山區(qū)極端氣溫的變化特征

趙培培，張明軍，王圣杰，周盼盼，劉雪梅，王 杰

（西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州730070）

從百年尺度來看，全球變暖已經(jīng)成為不爭(zhēng)的事實(shí)，而伴隨著升溫趨勢(shì)，極端氣溫事件頻發(fā)，這種極端事件的加劇給自然環(huán)境和社會(huì)生活帶來了比平均氣溫升高更為嚴(yán)重的影響，也引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［1－4］。在IPCC第五次評(píng)估報(bào)告的模擬結(jié)果顯示，未來極端天氣氣候事件的發(fā)生概率可能將進(jìn)一步增加，人類需要更多的應(yīng)對(duì)措施來規(guī)避潛在的不利影響［5］。

基于地面觀測(cè)資料，學(xué)者們對(duì)全球與區(qū)域尺度的極端氣溫事件開展了不少評(píng)估［6－10］。例如，Alexander等［6］研究全球陸地區(qū)域極端氣溫、降水指數(shù)發(fā)現(xiàn)，近50a全球超過70%的地區(qū)冷夜明顯減少，暖夜明顯增多。這 種 趨 勢(shì) 在 亞 洲［7］、歐 洲［8］、非 洲［9］、美洲［10］等其他區(qū)域也得到了廣泛的證實(shí)，Choi等［7］分析研究亞太地區(qū)的極端氣溫事件也得到了類似的結(jié)論。國內(nèi)，在2000年嚴(yán)中偉等［11］探討了1951—1997年中國極端氣候變化格局，指出了極端氣候獨(dú)特的研究價(jià)值，從此拉開了國內(nèi)極端天氣氣候事件研究的序幕。此后，僅就全國范圍而言，有一批學(xué)者先后通過觀測(cè)計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)極端氣溫的時(shí)空變化特征進(jìn)行了一系列的分析［12－15］。其基本的結(jié)論就是，在近50a內(nèi)極端冷指數(shù)整體呈下降趨勢(shì)，極端暖指數(shù)整體呈上升趨勢(shì)，極端最低氣溫要比極端最高氣溫升溫趨勢(shì)顯著，這種趨勢(shì)與全球變暖趨勢(shì)一致。隨著全國氣象資料共享服務(wù)的進(jìn)一步開放，一大批學(xué)者開始基于地面觀測(cè)資料和國際上推薦的氣候指數(shù)對(duì)不同區(qū)域的極端氣溫事件開展分析，使得對(duì)于不同區(qū)域的升溫幅度有了更多的認(rèn)識(shí)［16－24］。然而，不同區(qū)域?qū)θ蜃兣捻憫?yīng)是存在差異的，特別是在高海拔區(qū)域，平均氣溫和極端氣溫的變化往往會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的特征［25－28］。

中國境內(nèi)的天山山脈橫亙于新疆維吾爾自治區(qū)中部，西起中國與吉爾吉斯斯坦邊界，東至哈密市以東星星峽戈壁，全長約1 700km，占整個(gè)天山山系總長度的2/3以上，寬度一般為250～350km，山脊平均海拔高度為4 000m，最高峰托木爾峰，海拔7 435.3m［29］。新疆地處亞洲內(nèi)陸干旱區(qū)，天山山區(qū)作為重要的“濕島”，是新疆最重要的河流發(fā)源地之一。天山山區(qū)的氣候變化可影響到區(qū)域的水循環(huán)過程以及新疆農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展，因此研究天山山區(qū)氣候的變化具有重要的科學(xué)及實(shí)際意義。早期的研究發(fā)現(xiàn)，天山山區(qū)存在明顯的升溫趨勢(shì)［30－32］，基于1960—2012年天山山區(qū)及周邊平原地區(qū)的32個(gè)氣象站點(diǎn)的研究表明：氣溫呈明顯的波動(dòng)上升趨勢(shì)，年均溫傾斜率高達(dá)0.33℃/10a［33］。但是，高海拔區(qū)域具有與低海拔區(qū)域不同的氣候敏感性，上述研究對(duì)于高海拔山區(qū)極端氣溫事件仍缺乏專門的討論。因此，有必要采用更新的資料和統(tǒng)一的極端氣溫指數(shù)對(duì)天山山區(qū)極端氣溫變化特征及演變規(guī)律進(jìn)行全面深入的分析，以期對(duì)天山山區(qū)的氣候變化有更深刻的認(rèn)識(shí)并對(duì)工農(nóng)業(yè)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

依據(jù)資料的連續(xù)性及最長時(shí)段性等標(biāo)準(zhǔn)，共選取符合條件的天山山區(qū)海拔1 500m以上的8個(gè)地面氣象站1960—2012年的日最高氣溫、日最低氣溫資料，數(shù)據(jù)均由中國氣象局國家氣象信息中心（http：∥www.nmic.gov.cn）提供。

1.2 研究方法

本研究所選用的極端氣溫指數(shù)取自世界氣象組織氣候委員會(huì)（WMO－CCl）、氣候變化及可預(yù)報(bào)性計(jì)劃（CLⅣAR）、海洋學(xué)和海洋氣象學(xué)聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)（JCOMM）推薦的“氣候變化檢測(cè)和指標(biāo)”［34－35］氣溫指數(shù)列表（表1）。

表1 極端氣溫指標(biāo)的定義

本文將上述極端氣溫指數(shù)分成3種類型，第一類是基于相對(duì)（浮動(dòng)）閾值的指數(shù)，簡(jiǎn)稱相對(duì)指數(shù)，包括冷晝?nèi)諗?shù)（TX10）、冷夜日數(shù) （TN10）、暖晝?nèi)諗?shù)（TX90）、暖夜日數(shù)（TN90）；第二類為基于原始觀測(cè)數(shù)據(jù)和固定閾值的指數(shù)，簡(jiǎn)稱絕對(duì)指數(shù)，包括冰凍日數(shù)（ID）、霜凍日數(shù)（FD）；第三類為其他指數(shù)，包括持續(xù)指數(shù)和范圍指數(shù)，其中冷持續(xù)日數(shù)（CSDI）和生物生長季（GSL）屬于持續(xù)指數(shù)，而范圍指數(shù)只有氣溫日較差（DTR）。

用線性傾向估計(jì)法分析氣候變化的趨勢(shì)，并利用t檢驗(yàn)法評(píng)估線性趨勢(shì)的顯著性。在ArcGIS 9.3環(huán)境下繪制出極端氣溫傾向率變化的空間分布圖，并且運(yùn)用Morlet小波對(duì)極端氣溫事件進(jìn)行周期分析。此外，主成分分析和相關(guān)性分析在SPSS 19軟件中實(shí)現(xiàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫相對(duì)指數(shù)的趨勢(shì)變化

如圖1所示，天山山區(qū)1960—2012年來相對(duì)指數(shù)變化明顯，從時(shí)間尺度上看，冷晝?nèi)諗?shù)（TX10）（圖1b）和冷晝?nèi)諗?shù)（TN10）（圖1d）均表現(xiàn)出明顯的減少趨勢(shì)，其年際傾向率分別為－0.70和－2.36d/10a，而暖晝?nèi)諗?shù)（TX90）（圖1f）和暖夜日數(shù)（TN90）（圖1h）則呈明顯的上升趨勢(shì)，其年際傾向率分別為0.87，2.70d/10a，表明 TN90的上升趨勢(shì)是非常明顯的。各相對(duì)指數(shù)的年際之間的變化趨勢(shì)不盡相同。從相對(duì)指數(shù)10a滑動(dòng)曲線可以看出，TX10在20世紀(jì)70年代之前呈上升趨勢(shì)，70—90年代呈波動(dòng)變化，90年代后呈下降趨勢(shì)。TN10在21世紀(jì)出之前呈下降趨勢(shì)，之后開始呈上升趨勢(shì)。TX90和TN90大約在2006年之前呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，然后開始下降。與TX90相比，TN90上升趨勢(shì)明顯（p＜0.0001），并且在2010年達(dá)到最高值，約23d。

圖1 1960－2012年天山山區(qū)極端氣溫相對(duì)指數(shù)的空間分布和時(shí)間變化

從空間分布來看，TX10（圖1a）各個(gè)站點(diǎn)都呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，其中在天山山區(qū)的偏東地區(qū)的巴里坤和伊吾下降趨勢(shì)比較明顯，62.5%的站點(diǎn)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。TN10與TX10空間分布相似，所有站點(diǎn)都表現(xiàn)出不同程度的下降趨勢(shì)（圖1c），且都通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，大多數(shù)位于－4～0d/10a的變化區(qū)間，其中烏恰下降最為明顯。TX90的空間分布與TX10，TN10不同（圖1e），TX90的每個(gè)站點(diǎn)都表現(xiàn)出不同程度的上升趨勢(shì)，有62.5%的站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)，且多集中于天山山區(qū)的偏東段，其中巴音布魯克、伊吾的增加趨勢(shì)相對(duì)明顯，而偏西段區(qū)域只有阿合奇通過顯著性檢驗(yàn)，TN90（圖1g）和TX90相似，每個(gè)站點(diǎn)都呈上升趨勢(shì)，并且都通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中上升趨勢(shì)最明顯的是巴侖臺(tái)。

2.2 極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的變化

如圖2所示，天山山區(qū)1960—2012年來絕對(duì)指數(shù)的變化與相對(duì)指數(shù)的變化趨勢(shì)一致，冷指數(shù)呈減少趨勢(shì)，但變化程度有所不同。冰凍日數(shù)（ID）（圖2b）和霜凍日數(shù)（FD）（圖2d）的年際傾向率分別為－1.00和－5.14d/10a，從10a滑動(dòng)曲線來看，ID在整個(gè)時(shí)間序列中波動(dòng)變化幅度不大，其中20世紀(jì)70年代以前呈增加趨勢(shì)，70年代至90年代無明顯波動(dòng)變化，90年代后呈減小趨勢(shì)，2005年后又呈增加趨勢(shì)。FD下降趨勢(shì)顯著。

圖2 1960－2012年天山山區(qū)極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的空間分布和時(shí)間變化

空間尺度上，ID中，除烏恰呈微弱上升趨勢(shì)外，其余站點(diǎn)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)（圖2a），并且在整個(gè)區(qū)域中只有吐爾尕特通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)；FD（圖2b）減少趨勢(shì)比較明顯，在－8～－2d/10a的變化區(qū)間，并且都通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，其中巴里坤、巴侖臺(tái)、吐爾尕特、烏恰減少趨勢(shì)最為明顯。

2.3 極端氣溫其他指數(shù)

如圖3所示，天山山區(qū)1960—2012年來，GSL呈上升趨勢(shì)（圖3b），其年際傾向率4.03d/10a；而CSDI（圖3d）和DTR（圖3f）呈減少趨勢(shì)，其年際傾向率分別為－1.12和－0.34d/10a，從10a滑動(dòng)曲線來看，GSL在20世紀(jì)60—70年代以及90年代中期至21世紀(jì)初呈上升趨勢(shì)，20世紀(jì)80—90年代以及近2000年后呈減少趨勢(shì)；DTR在20世紀(jì)60年代至21世紀(jì)初呈明顯的減少趨勢(shì)，2005年以后呈上升趨勢(shì)；從10a滑動(dòng)曲線看，GSDI與DTR相比，變化幅度明顯。

空間變化上，GSL總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)（圖3a），上升幅度最大的是吐爾尕特，可達(dá)8.20d/10a，87.5%的站點(diǎn)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)；GSDI（圖3c）中，有87.5%的站點(diǎn)處于下降趨勢(shì)，50%的站點(diǎn)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)，只有巴音布魯克則呈微弱的上升趨勢(shì)，上升幅度為0.07d/10a；圖3e是DTR的空間分布圖，每個(gè)站點(diǎn)都呈下降趨勢(shì)，在0～0.8d/10a的變化區(qū)間內(nèi)，變化幅度小，75%的站點(diǎn)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。

2.4 極端氣溫的周期分析

2.4.1 天山山區(qū)極端氣溫相對(duì)指數(shù)周期變化 天山山區(qū)各極端氣溫指數(shù)周期變化分析采用Morlet小波變換法，圖中小波系數(shù)零值表示極端氣溫指數(shù)天數(shù)變化的突變點(diǎn)，正值表示各極端氣溫指數(shù)的天數(shù)增加，負(fù)值表示各極端氣溫指數(shù)的天數(shù)減少。Morlet小波變換的小波系數(shù)和小波方差圖（圖4）表明天山山區(qū)不同指數(shù)在不同時(shí)間尺度上振蕩周期略有不同。TX10（圖4a）存在4a，13a和20a左右的振蕩周期，4a左右的周期主要在1987年之前，13a和20a左右的周期一直明顯，其中13 a左右的周期振蕩非常顯著，在13a時(shí)間尺度上，天山山區(qū)TX10經(jīng)歷了“少—多—少—多—少—多—少—多—少—多—少—多”的交替變化，含有6個(gè)低值區(qū)和6個(gè)高值區(qū)，從圖4b的小波方差圖上可以更清楚的看出，氣溫序列的主周期，在尺度為4a，13.5a的時(shí)候各出現(xiàn)了1個(gè)很明顯的峰值，在20a的時(shí)候出現(xiàn)1個(gè)不明顯的峰值。結(jié)合TN10的小波系數(shù)圖（圖4c）和小波方差圖（圖4d），可以看出TN10存在4a，13.5a的振蕩周期，13.5a是其第一主周期。TX90的變化趨勢(shì)與TX10相似，TN90的變化趨勢(shì)與TN10相似，所以TX90和TN90的周期變化在此就不再贅述。

圖3 1960－2012年天山山區(qū)極端氣溫其他指數(shù)的空間分布和時(shí)間變化

2.4.2 天山山區(qū)極端氣溫絕對(duì)指數(shù)周期變化 ID（圖5a）存在4a，13a左右的振蕩周期，4a左右的周期在1960—1970年、2000年之后尤為明顯，13a左右的周期一直明顯，從小波方差圖（圖5b）上可以很明顯的看出，在4a，13a各存在1個(gè)很明顯的峰值；FD（圖5c）存在6a，16a左右的振蕩周期，6a左右的周期一直存在，但不明顯，16a左右的周期也一直存在，表明這一序列存在以6a為主的短周期和16a為主的長周期。

2.4.3 天山山區(qū)極端氣溫其他指數(shù)周期變化 GSL（圖6a）在5a，8a，13a左右的振蕩周期，8a左右的周期主要在1980年之前、1995年之后，13a左右的周期一直很明顯，從小波方差圖（圖6b）上可以更清楚的看出，氣溫序列的主周期在13.5a；CSDI（圖6c）存在5a，13a，20a左右的振蕩周期，5a左右的周期主要在1980—1990年，13a左右的周期在1977年之前明顯，20a左右的周期一直明顯，1970—2000年尤為明顯。小波方差圖（圖6d）顯示，在4.7a，13.5a，20a的時(shí)候各存在1個(gè)明顯的峰值，而在10a，26a的峰值不明顯；DTR（圖6e）存在4a，12a，27a左右的振蕩周期，12a左右的周期在1970—1990年之后至90a，2000年之后尤為明顯，27a左右的周期一直明顯，從小波方差圖可以明顯的看出，該氣溫序列存在4a為主的短周期，12a和27a為主的長周期。

2.5 極端氣溫指數(shù)的因子分析

主成分分析的結(jié)果表明，3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到88.3%，特征值都大于0.7，符合分析的要求（表2）。因此提取3個(gè)主成分，得出主成分和因子之間的相關(guān)系數(shù)的載荷矩陣。由表2可以看出，第一因子占方差總貢獻(xiàn)率的62.2%，各極端氣溫指數(shù)的載荷值都比較高，以TN10，TN90，F(xiàn)D最為突出，由表3可以看出，除DTR外，各指數(shù)間的相關(guān)關(guān)系均通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。DTR在第二因子中高載荷，占方差貢獻(xiàn)率17.4%，該指數(shù)反映了最高氣溫與最低氣溫的變化關(guān)系，在第三因子中占高載荷的有CSDI，TX90，GSL，載荷值分別為0.505，0.409，0.398。

總體來說，除了極端氣溫日較差之外，其他各指數(shù)之間有很好的相關(guān)性，尤其是各相對(duì)指數(shù)之間均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)，在相對(duì)指數(shù)和絕對(duì)指數(shù)中，各暖指數(shù)之間、各冷指數(shù)之間均為正相關(guān)關(guān)系，而冷指數(shù)與暖指數(shù)之間則呈負(fù)相關(guān)關(guān)系（表3）。前文在分析各指數(shù)的時(shí)間變化特征時(shí)，得出各暖指數(shù)均表現(xiàn)上升趨勢(shì)，冷指數(shù)均表現(xiàn)下降趨勢(shì)的結(jié)論，表明其變化具有一致性。

圖4 1960－2012年中國天山山區(qū)極端氣溫相對(duì)指數(shù)的小波分析和小波方差

圖5 1960－2012年中國天山山區(qū)極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的小波分析和小波方差

圖6 1960－2012年中國天山山區(qū)極端氣溫其他指數(shù)的小波分析和小波方差

表2 1960－2012年天山山區(qū)極端氣溫指數(shù)的因子分析

表3 1960－2012年天山山區(qū)極端氣溫指數(shù)相關(guān)關(guān)系矩陣

3 結(jié) 論

本文采用9個(gè)極端氣溫指標(biāo)來研究天山山區(qū)1960—2012年極端氣溫事件的時(shí)空變化特征，主要得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）時(shí)間尺度上，極端冷指數(shù)的線性變化均呈下降趨勢(shì)，而極端暖指數(shù)的線性變化均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，具體來說TX10，TN10，ID，F(xiàn)D，CSDI，DTR以－0.702，－2.361，－1.004，－5.144，－1.116，－0.340d/10a的趨勢(shì)減小，而 TX90，TN90，GSL分別以0.866，2.698，4.031d/10a的趨勢(shì)增加，與全球的變暖趨勢(shì)一致，另外，DTR的年際傾向率為－0.340d/10a。

（2）從空間分布來看，各站點(diǎn)的暖指數(shù)（暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)）都有明顯的上升趨勢(shì)，冷指數(shù)（冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)）則表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)，并且絕大多數(shù)的站點(diǎn)通過了0.05的顯著性檢驗(yàn)。另外在整個(gè)天山山區(qū)中，極端冷指數(shù)的平均值大于極端暖指數(shù)的平均值。

（3）在整個(gè)時(shí)間列中存在著長短不同周期的振蕩。TX10，TN10，TX90，TN90，ID，F(xiàn)D，GSL，CSDI，DTR變化的主周期分別為13a，13.5a，14a，16.5a，13a，16a，13.5a，20a，27a，不同極端氣溫指數(shù)日數(shù)變化的周期集中在4a，8a，13a，16a，25a左右。

（4）主成分分析的結(jié)果將極端氣溫各指數(shù)劃分為3類，總貢獻(xiàn)率達(dá)88.3%，相關(guān)分析表明了除氣溫日較差外，各極端氣溫指數(shù)之間均有很好的相關(guān)性，以相對(duì)指數(shù)之間的相關(guān)性最為顯著。

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