喀什市極端氣溫指數(shù)長期變化及突變特征分析

努爾比亞·吐尼牙孜

(喀什地區(qū)氣象臺，新疆喀什　844000)

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喀什市極端氣溫指數(shù)長期變化及突變特征分析

努爾比亞·吐尼牙孜

(喀什地區(qū)氣象臺，新疆喀什844000)

摘要：利用喀什市1961—2012年逐日最高、最低、平均氣溫資料，采用回歸分析、R/S分析、Morlet小波分析及Mann-kendall突變檢驗等方法，分析了喀什市極端氣溫長期變化趨勢、持續(xù)性、周期變化及突變特征。結(jié)果表明：喀什市年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫率高于全球及全國水平且主要變暖從20世紀(jì)90年代開始，較全國同期增溫時間滯后；極端高溫、夏季日數(shù)呈顯著增加趨勢，極端低溫、霜凍日數(shù)呈減少趨勢，經(jīng) R/S分析，極端氣溫指數(shù)及年平均氣溫序列具有較好的連續(xù)性，未來喀什市氣溫保持升高，極端高溫、夏季日數(shù)增加，極端低溫、霜凍日數(shù)減少；喀什市極端氣溫指數(shù)在時間域上包含了多個尺度的周期變化，各類極端氣溫指數(shù)具有不同強(qiáng)度的周期變化特征；近52 a極端高溫日數(shù)在1995年發(fā)生突變，夏季日數(shù)、極端低溫、霜凍日數(shù)的突變均發(fā)生在2001年左右。

關(guān)鍵詞：喀什市；極端氣溫指數(shù)；周期變化；突變特征

IPCC第五次評估報告指出，1880—2012年全球平均地面氣溫升高了0.85 ℃[1]，人類活動可能是近百年來氣候變暖的主要原因，氣候變化可能影響極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度[2]。在全球變暖的背景下我國的平均氣溫變暖趨勢明顯，極端氣候事件頻發(fā)[3-5]。陳少勇等[6]研究西北地區(qū)極端高溫事件的演變特征發(fā)現(xiàn)，氣候變暖導(dǎo)致極端高溫事件增多，強(qiáng)度增強(qiáng)；翟盤茂等[7]研究發(fā)現(xiàn)我國北方夜間低溫事件在減少，白天極端高溫事件在增多；秦秀麗等[8]對山西極端氣溫年均發(fā)生頻率的研究表明，山西省極端高溫事件年均發(fā)生頻率呈顯著增加趨勢；白冰等[9]研究甘肅省氣候變化特征,指出甘肅省年平均氣溫顯著增加,而降水呈明顯減少趨勢。同時也有氣象工作者研究新疆的極端氣候事件,普宗朝等[10]研究新疆極端最低氣溫指出，近50 a新疆平均極端氣溫以0.74 ℃/10 a的傾向率呈極顯著上升趨勢。潘淑坤等[11]研究新疆初霜日及無霜日的變化特征,指出新疆初霜日推遲11 d，終霜日提前7 d，無霜期延長17 d。可見由于地域差異，各地極端天氣事件分布及變化不一致，喀什市極端氣溫變化趨勢的研究尚未見報道，因此利用喀什市1961—2012年逐日氣溫資料，分析喀什市近52 a極端氣溫變化及突變特征，旨在揭示喀什市極端氣溫變化規(guī)律，進(jìn)而為調(diào)整喀什市農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料選取

資料采用喀什市1961—2012年逐日最高、最低、平均氣溫，由中國科學(xué)氣象數(shù)據(jù)共享平臺提供，地面氣溫資料已進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和均一性檢驗。多年平均值采用1961—2012年的52 a平均值。

1.2極端氣溫指數(shù)定義

描述溫度極值的氣候特征，一般采用極端氣候指數(shù)的方法。定義霜凍日數(shù)：每年日最低氣溫小于0 ℃的全部天數(shù)；夏季日數(shù)為每年日最高氣溫大于25 ℃的全部天數(shù)。文中所選用的霜凍日數(shù)及夏季日數(shù)的指標(biāo)均由世界氣象組織在1998—2011年氣候變化監(jiān)測會議中通過研究和討論提出[12]，這些極端氣溫指數(shù)能夠展現(xiàn)極端氣候不同方面的變化，具有極端性較弱、噪聲低、顯著性強(qiáng)的特點(diǎn)，能直接反應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蜃兓卣鳌?/p>

目前，在氣候極值變化研究中多采用百分位閾值法作為極端值的閾值[13]。將1961—2012年逐月日最高(低)氣溫資料按升(降)序排列，得到各月第95個百分位值，作為各月極端高(低)氣溫閾值。如果某日最高(低)氣溫大于(小于)該月極端高(低)溫閾值，則認(rèn)為該日出現(xiàn)極端高(低)溫事件。

1.3研究方法

采用一元線性回歸，分析極端氣溫指數(shù)隨時間演變趨勢，用T檢驗方法檢測其趨勢變化的顯著性。利用R/S分析，估算各極端氣溫Hurst指數(shù)，分析其持續(xù)性。Hurst指數(shù)H是定量描述氣候長程依賴性的主要方法之一，該方法屬于非參數(shù)分析法，具有較好的穩(wěn)健性[14]。H取值范圍為(0,1),當(dāng)H=0.5時，表示序列是隨機(jī)的，不具備長程依賴性，將來的發(fā)展趨勢與已經(jīng)發(fā)生的事件沒有關(guān)系；0.5

2結(jié)果與分析

2.1極端氣溫變化及持續(xù)性

2.1.1極端氣溫變化趨勢圖1給出了喀什市年平均氣溫變化及七點(diǎn)平滑曲線圖。由圖1可見,喀什市年平均氣溫呈波動上升趨勢，氣候傾向率為0.3 ℃/10 a，相關(guān)系數(shù)R通過了α=0.01的顯著性檢驗，說明喀什市近52 a平均氣溫變暖趨勢顯著，高于全球(0.13 ℃/10 a)及全國(0.22 ℃/10 a)同期的增溫率[16]，是我國變暖較明顯的區(qū)域之一。20世紀(jì)90年代之前喀什市年平均氣溫變化緩慢，升溫不明顯，90年代中期開始出現(xiàn)了一次跳躍性增長。年平均氣溫1961—1989年為11.7 ℃, 而1990—2012年為12.5 ℃，升高了0.8 ℃，說明90年代以后喀什市升溫顯著。任國玉等[17]的研究指出，我國年平均氣溫的增加主要從80年代中期開始，且此后一直呈明顯的上升趨勢，可見喀什市增溫較全國水平滯后。

圖1　1961—2012年喀什市年平均氣溫變化

從表1可看出，極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)、極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)的變化傾向率分別為-0.27、-0.34、0.28、0.25 d/10 a，除夏季日數(shù)通過α=0.05的顯著性檢驗外，其他3個指數(shù)均通過了α=0.01的顯著性檢驗，說明喀什市極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)呈顯著減少趨勢，極端高溫日數(shù)呈顯著增加趨勢，夏季日數(shù)也呈增加趨勢。極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)、極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)與年平均氣溫相關(guān)系數(shù)均通過了α=0.01的信度檢驗，說明隨著年平均氣溫的升高，極端低溫日數(shù)及霜凍日數(shù)呈顯著減少趨勢，極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)呈顯著增加趨勢。從相關(guān)系數(shù)絕對值大小來看，霜凍日數(shù)與年平均氣溫之間的線性相關(guān)更顯著，間接說明喀什市年平均氣溫對霜凍日數(shù)影響更明顯，而對夏季日數(shù)的影響相對較弱，即在喀什市氣候變暖的背景下，霜凍日數(shù)減少更顯著。

表1　1961—2012年喀什市各極端氣溫變化傾向率及與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示通過了α=0.05和α=0.01的顯著性檢驗

2.1.2極端氣溫R/S分析為了進(jìn)一步分析喀什市年平均氣溫及極端氣溫的未來變化趨勢，計算了Hurst指數(shù)。由表2可見，喀什市年平均氣溫及各類極端氣溫的Hurst指數(shù)均大于0.5，變化趨勢同過去保持一致，具有較好的持續(xù)性，即在未來喀什市年平均氣溫呈上升趨勢，極端高溫日數(shù)及夏季日數(shù)呈增加趨勢，極端低溫日數(shù)及霜凍日數(shù)呈減少趨勢。綜上所述，可預(yù)測在未來，喀什市平均氣溫升高，夏季日數(shù)、極端高溫日數(shù)增多，霜凍日數(shù)、極端低溫日數(shù)減少。

表2　1961—2012年喀什市各極端氣溫

2.2極端氣溫周期變化

為了進(jìn)一步驗證喀什市氣溫在時間域上的周期特征，對各類極端指數(shù)時間序列進(jìn)行小波變換。從各類極端指數(shù)小波系數(shù)(圖2)和小波模(圖略)變化可以看出，小波系數(shù)分布形成了各種尺度正負(fù)相間的不同強(qiáng)度的振蕩中心。極端低溫日數(shù)(圖2a)存在較明顯的6、16、36 a周期振蕩，其中6 a左右的高頻振蕩在20世紀(jì)60年代至90年代末較為明顯；16 a左右振蕩在70年代初至90年代末較明顯；而36 a左右低頻振蕩則貫穿整個時間域，穩(wěn)定少變，經(jīng)歷了兩個極端低溫偏少期和一個偏多期。極端高溫日數(shù)(圖2b)存在3、8、15、28 a周期振蕩，其中3 a左右高頻振蕩,貫穿整個時間域，但70年代末至80年代初表現(xiàn)較弱；8 a左右高頻振蕩在80年代開始表現(xiàn)明顯；15 a左右低頻振蕩在60年代至90年代較為明顯，后期受20 a以上低頻振蕩影響，強(qiáng)度削弱，表現(xiàn)不明顯；28 a左右振蕩貫穿整個時間域，經(jīng)歷了兩個極端高溫偏少期和兩個偏多期。夏季日數(shù)(圖2c)存在明顯的5、12、24 a周期振蕩，其中5 a左右高頻振蕩貫穿整個時間域，振蕩強(qiáng)度較強(qiáng)，穩(wěn)定少變；12 a左右振蕩在60年代至80年代強(qiáng)度較強(qiáng)，之后強(qiáng)度減弱，表現(xiàn)不明顯；24 a左右振蕩則穩(wěn)定貫穿整個時間域，經(jīng)歷了兩個偏少期和兩偏多期。霜凍日數(shù)(圖2d)存在較明顯的8、28 a周期振蕩，其中8 a左右高頻振蕩在60年代初至90年代初較強(qiáng)，之后表現(xiàn)不明顯；而28 a左右振蕩貫穿整個時間域且穩(wěn)定，經(jīng)歷了兩個偏少期和一個偏多期。綜上所述,喀什市各類極端氣溫指數(shù)包含了多個時間尺度的周期變化，具有不同強(qiáng)度的周期變化特征。

圖2　1961—2012年喀什市各極端氣溫指數(shù)小波變換系數(shù)(a 極端低溫日數(shù)；b 極端高溫日數(shù)；c 夏季日數(shù)；d霜凍日數(shù))

2.3極端氣溫突變特征

圖3給出了1961—2012年喀什市各極端氣溫指數(shù)的M-K檢驗圖。由圖3可知，喀什市極端氣溫指數(shù)均存在明顯的年際變化，并伴有突變現(xiàn)象(UF、UB曲線交點(diǎn)為突變年)發(fā)生，但突變時間有差異。極端低溫日數(shù)(圖3a)，UF曲線1961—1994年圍繞0值線波動，表現(xiàn)為弱上升趨勢，1995年發(fā)生了突變，UF曲線呈快速下降趨勢，于2003年通過α=0.05臨界值，表明極端低溫日數(shù)減少趨勢顯著。極端高溫日數(shù)(圖3b)，UF曲線整體呈上升趨勢，2000年發(fā)生突變，UF曲線快速上升，2006、2008年分別通過了α=0.05、α=0.001的臨界值，說明極端高溫日數(shù)增加趨勢十分顯著。夏季日數(shù)(圖3c)，UF曲線呈上升趨勢，2002年發(fā)生突變，UF曲線于2009年通過α=0.05臨界值，可見夏季日數(shù)增加趨勢顯著。霜凍日數(shù)(圖3d)，60年代至80年代初期UF曲線在0值以下波動，其中1978—1981年超過α=0.05的臨界值，說明此階段霜凍日數(shù)減少趨勢顯著但未發(fā)生突變；1986—1997年UF曲線增加趨勢顯著但未發(fā)生突變；1997年之后UF曲線呈減少趨勢，2000年發(fā)生突變，UF曲線于2007、2009年分別超過α=0.05、α=0.001的臨界值，說明2000年后霜凍日數(shù)減少趨勢顯著。

圖3　1961—2012年喀什極端氣溫指數(shù)M-K檢驗(a 極端低溫日數(shù)；b 極端高溫日數(shù)；c 夏季日數(shù)；d霜凍日數(shù)，虛線為α=0.05臨界值)

3結(jié)論

(1)近52 a喀什市年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫率高于全球及全國水平，且主要變暖是從20世紀(jì)90年代中期開始，較全國同期增溫時間滯后。

(2)極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)呈顯著增加趨勢，極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)呈顯著減少趨勢；極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)與年平均氣溫呈正相關(guān)，極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)。氣候變暖對霜凍日數(shù)的影響更明顯。

(3)各極端氣溫指數(shù)及年平均氣溫序列具有較好的連續(xù)性，在未來變化趨勢同過去保持一致，即未來幾年內(nèi)，氣溫持續(xù)升高，極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)增加，霜凍日數(shù)、極端低溫日數(shù)減少。

(4)各類極端氣溫指數(shù)在時間域上包含了多個尺度的周期變化，具有不同強(qiáng)度的周期變化特征。極端低溫日數(shù)具有6、16、36 a的波動周期,極端高溫日數(shù)具有3、8、15、28 a的波動周期,夏季日數(shù)具有5、12、24 a的波動周期,霜凍日數(shù)具有8、28 a的波動周期。

(5)各類極端氣溫指數(shù)均存在明顯的年際變化特征，并伴有突變現(xiàn)象發(fā)生。除極端高溫日數(shù)突變發(fā)生在1995年外，其他指數(shù)的突變均發(fā)生在2001年左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]范娟,朱澤偉,蔡佳熙,等.1959—2005年我國冬季和夏季區(qū)域氣溫與日照、云量的相關(guān)分析[J].氣候變化進(jìn)展，2014，10(3)：211-216.

[2]姚遙，羅勇，黃建武.8個CMIP5模式對中國極端氣溫模擬和預(yù)估[J].氣候變化進(jìn)展，2012,8(4)：240-256.

[3]李鵬飛，魯海寧，陳瑩，等.青藏高原與全國氣溫特征及相關(guān)性分析[J].陜西氣象，2015(3)：28-31.

[4]李建芳, 龐翻, 李建軍,等.寶雞高溫天氣的氣候特征[J].陜西氣象，2007(3)：30-32.

[5]范瑜越,李國平.1960—2005年我國南方地區(qū)1月地面最低氣溫的時空特征及成因分析[J].高原山地氣象研究,2014,34(4):48-52.

[6]陳少勇，王勁松，郭俊庭，等.中國西北地區(qū)1961—2009年極端高溫事件的演變特征[J].自然資源學(xué)報，2012,27(5)：832-844.

[7]翟盤茂，潘曉華.中國北方近50年溫度和降水極端事件變化[J].地理學(xué)報，2003,58(增刊)：1-10.

[8]秦秀麗，李麗平，魏麗云.1961—2010年山西極端氣溫年均發(fā)生頻率的時空特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014,8(2)：59-64.

[9]白冰,薛萬孝,孔令旺,等.甘肅省1963～2012年氣候變化特征[J].高原山地氣象研究，2013，33(2)：41-45.

[10]普宗朝，張山清，李景林，等.1961—2010年新疆不同保證率極端最低氣溫變化分析[J].中國農(nóng)業(yè)氣象，2014,35(1)：10-16.

[11]潘淑坤，張明軍，汪寶龍，等.1960—2011年新疆初終霜日及無霜期的變化特征[J].干旱區(qū)研究，2013,30(4)：735-742.

[12]朱紅蕊,劉赫男.黑龍江省1961—2009年極端氣溫事件變化特征分析[J].氣候變化研究進(jìn)展，2011，7(2)：110-115.

[13]嚴(yán)曉瑜，趙春雨，王穎，等。近50年東北地區(qū)極端溫度變化趨勢[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2012,26(1)：81-87.

[14]潘雅婧，王仰麟，彭建.基于小波與R/S方法的漢江中下游流域降水量時間序列分析[J].地理研究，2012,33(5)：811-820.

[15]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計診斷與預(yù)測技術(shù)[M].北京：氣象出版社,2009：99-104.

[16]秦大河，陳振林，羅勇，等.氣候變化科學(xué)的最新認(rèn)知[J].氣候變化研究進(jìn)展，2007,3(2)：63-73.

[17]任國玉，徐銘志，初子瑩，等.近54年中國地面氣溫變化[J].氣候與環(huán)境研究，2005，10(4)：717-727.

中圖分類號：468.021

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

基金項目：新疆氣象局青年基金(Q201408)

作者簡介：努爾比亞·吐尼牙孜(1988—)，女，維吾爾族，新疆喀什人，學(xué)士，助工，從事氣候變化研究。

收稿日期：2015-08-21

文章編號：1006-4354(2016)01-0020-05

努爾比亞·吐尼牙孜. 喀什市極端氣溫指數(shù)長期變化及突變特征分析[J].陜西氣象，2016(1)：20-24.