近57年舞水河流域極端溫度變化特征分析

易 澤，劉文彬

(1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院，北京 100029；2.中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所，北京 100101)

1 研究背景

在全球氣候變暖的大背景下，干旱、洪澇、劇烈降水等極端天氣氣候事件的頻發(fā)及其導(dǎo)致的災(zāi)害呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)[1]。極端溫度的異常變化不僅會(huì)引起農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，而且會(huì)影響人類(lèi)的生存和居住環(huán)境[2]。因此，氣候變暖的過(guò)程中極端溫度的變化特征引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[3,4]。我國(guó)地域遼闊，區(qū)域氣候差異明顯，極端溫度在不同的空間尺度和時(shí)間尺度表現(xiàn)出不同的變化特征[5]。分析極端溫度在流域尺度的變化特征，有助深入了解流域氣候變化規(guī)律，探討氣候變化原因。

舞水河(圖1)發(fā)源于貴州省甕安縣境內(nèi)，于湖南省黔城鎮(zhèn)匯入沅江，是沅江的一級(jí)支流。本文根據(jù)舞水河流域及其周邊3個(gè)基本氣象站近57年長(zhǎng)系列逐日氣象觀測(cè)資料，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)分析方法分析最高、最低氣溫及極端溫度事件的變化特征，對(duì)進(jìn)一步研究氣候變化對(duì)該流域及周邊地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境影響具有重要意義。

圖1 舞水河流域地理位置Fig.1 location of the Wushui river basin

2 資料和方法

2.1 研究數(shù)據(jù)

本文基于銅仁、芷江和三穗三個(gè)基本氣象站1958-2014年逐日最高溫度和最低溫度觀測(cè)數(shù)據(jù)分析舞水河流域極端溫度的變化特征。主要的數(shù)據(jù)來(lái)自于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，各站點(diǎn)位置及詳細(xì)信息見(jiàn)圖1與表1。季節(jié)劃分采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，以12月至翌年2月為冬季、3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季。流域平均溫度采用泰森多邊形法計(jì)算。

表1 氣象站基本信息Tab.1 Information of the meteorological stations

2.2 極端溫度指數(shù)

RClimdex是由加拿大氣象研究中心基于R語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，用于計(jì)算多種極端氣候指數(shù)的模型[7]。該模型為世界氣象組織氣候委員會(huì)所推薦用于氣候變化檢測(cè)、監(jiān)測(cè)及極端氣候指數(shù)的分析[8]。本文采用RClimdex模型計(jì)算舞水河流域6個(gè)極端溫度事件指數(shù)來(lái)反映極端溫度事件的變化特征，各極端溫度事件指數(shù)的詳細(xì)說(shuō)明如表2所示。

表2 極端溫度事件指數(shù) d

2.3 氣候傾向率

本文通過(guò)線性回歸分析方法對(duì)最高和最低溫度的年、季及極端溫度事件時(shí)間序列的氣候傾向率進(jìn)行分析，公式如下：

y=at+b

(1)

式中：y為溫度；a為線性趨勢(shì)項(xiàng)；t為年份；b為常數(shù)。

2.4 趨勢(shì)分析方法

采用Mann-Kendall(MK)非參數(shù)檢驗(yàn)法[9]對(duì)最高和最低溫度的年、季及極端溫度事件時(shí)間序列進(jìn)行趨勢(shì)性檢驗(yàn)。對(duì)于時(shí)間序列Xn=(x1,x2,…,xn)，MK檢驗(yàn)Z統(tǒng)計(jì)量由以下公式計(jì)算：

(2)

(3)

(4)

其中：sgn( )為符號(hào)函數(shù)，當(dāng)xj-xi小于、等于、大于零時(shí)，sgn(xj-xi)分布為-1、0、1；Z值的正(負(fù))表示被檢驗(yàn)時(shí)間序列呈增加(減少)趨勢(shì)；Z的絕對(duì)值在大于等于1.64、1.96、2.58時(shí)表示被檢驗(yàn)時(shí)間序列的趨勢(shì)性通過(guò)了置信度分別為90%、95%和99%的顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果分析

3.1 最高溫度變化特征

銅仁、芷江和三穗三個(gè)氣象站的年、季平均最高溫度及其氣候傾向率見(jiàn)表3所示。1958-2014年舞水河流域最高溫度的年平均值為21.1 ℃。春、夏、秋、冬四季平均最高溫度分別為20.9、31.0、22.3和10.1 ℃。變化趨勢(shì)上，春、秋、冬季和年最高溫度表現(xiàn)為一致上升趨勢(shì)，其變化率為冬季(0.03 ℃/10 a)<全年(0.08 ℃/10 a)<秋季(0.13 ℃/10 a)<春季(0.16 ℃/10 a)。芷江站春、秋季和年平均最高溫度具有顯著的上升趨勢(shì)，通過(guò)了置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。夏季平均最高溫度在銅仁、芷江兩個(gè)氣象站呈現(xiàn)出輕微的下降趨勢(shì)，在海拔較高的三穗氣象站呈現(xiàn)出輕微的上升趨勢(shì)。流域平均最高溫度也表現(xiàn)為輕微的下降趨勢(shì)，其變化率為-0.01 ℃/10 a。

銅仁、芷江和三穗氣象站年、季平均最高溫度的距平變化及階段性特征見(jiàn)圖2所示。從流域平均溫度距平的5年滑動(dòng)平均曲線可知：①春季，最高溫度從1950s末到1970s中期波動(dòng)變化；1970s中期到1990s末期處于持續(xù)負(fù)距平期；1990s中期開(kāi)始處于持續(xù)正距平期；②夏季，最高溫度從1950s末期到1990s初期波動(dòng)變化；1990s初期到2000s中期處于持續(xù)負(fù)距平期；2006年以后進(jìn)入持續(xù)正距平期；③秋季，最高溫度從1950s末期到1990s末期波動(dòng)變化，負(fù)距平比例較大；1990s末期以后進(jìn)入持續(xù)正距平期；④冬季，1958-2014年正負(fù)距平期交替變化，1990s中期后正距平年份比例有明顯增加。⑤就全年時(shí)段而言，最高溫度在1990s中期后進(jìn)入持續(xù)正距平期。

3.2 最低溫度變化特征

1958-2014年舞水河流域最低溫度年平均值為13.0 ℃。春、夏、秋、冬最低溫度的平均值分別為12.6、22.1、13.9和3.3 ℃。全球陸面溫度的升高過(guò)程表現(xiàn)出日夜增暖的不對(duì)稱性，多數(shù)地區(qū)的最低溫度的升高幅度明顯高于最高溫度[10]，舞水河流域也不例外。由表3可知，與最高溫度相比，最低溫度都呈現(xiàn)出顯著上升趨勢(shì)(通過(guò)置信度為95%顯著性檢驗(yàn))，且增幅更加明顯。平均最低溫度變化率為夏季(0.14 ℃/10 a)<春季(0.17 ℃/10 a)<全年(0.19 ℃/10 a)<秋季(0.23 ℃/10 a)=冬季(0.23 ℃/10 a)。由全年和四季變化趨勢(shì)可知，舞水河流域最低溫度增加以秋、冬季最為明顯。

表3 最高最低溫度變化統(tǒng)計(jì)特征Tab.3 Statistical characters of the annual and seasonal mean maximum and minimum temperature

圖2 舞水河流域各站點(diǎn)平均最高溫度的年季變化Fig.2 Annual and seasonal mean maximum temperature of the study area

1958-2014年舞水河流域周邊銅仁、芷江、三穗氣象站年度、季節(jié)平均最低溫度距平變化如圖3所示。從流域平均最低溫度距平5年滑動(dòng)平均曲線可知：①春季，最低溫度從1950s末期到1990s末期之間有兩個(gè)持續(xù)負(fù)距平階段；1998年以后則處于持續(xù)的正距平期。②夏季，最低溫度在1990s末期以前，除了1980s中后期為正距平期外，其余時(shí)段均為負(fù)距期；1990s末期以后進(jìn)入持續(xù)正距平期。③秋季，最高溫度從1950s末期到1990s末期呈波動(dòng)變化，負(fù)距平比例較大；1990s末期以后進(jìn)入持續(xù)正距平期。④冬季，1990s初期以前，最低溫度在1970s末期出現(xiàn)了短暫的正距平期，其余時(shí)段均為負(fù)距平期；1990s初期后為持續(xù)正距平期。⑤就全年而言，最低溫度從1950s末期到1990末期為負(fù)距平期；1990s末期以后進(jìn)入持續(xù)正距平期。

3.3 極端溫度指數(shù)變化特征

舞水河流域極端溫度指數(shù)變化具有差異性。由圖4可知，霜日日數(shù)(FD0)、高溫日數(shù)(SU35)、暖夜日數(shù)(TN10p)、冷夜日數(shù)(TN90p)、暖晝?nèi)諗?shù)(TX10p)和冷晝?nèi)諗?shù)(TX90p)距平時(shí)間序列的氣候傾向率分別為0.31、-1.92、-2.20、2.13、0.95和-0.31日/10 a；MK檢驗(yàn)Z統(tǒng)計(jì)量分別為-2.77、0.45、-4.23、4.10、1.86和-0.61。其中FD0、TN10p和TN90p通過(guò)置信度為95%的顯著性檢驗(yàn)。

圖3 舞水河流域各站點(diǎn)平均最低溫度的年季變化Fig.3 Annual and seasonal mean minimum temperature of the study area

霜日日數(shù)在年代際變化上呈顯著的減少趨勢(shì)，1986-2014年以負(fù)距平為主。高溫日數(shù)呈輕微上升趨勢(shì)，2002年以后正距平概率增大。近57年來(lái)，冷夜日數(shù)在年代際變化上呈顯著的減少趨勢(shì)，自1986-2014年以負(fù)距平為主；相反暖夜日數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，自1986-2014年以正距平為主。暖晝?nèi)諗?shù)呈不顯著的上升趨勢(shì)，冷晝?nèi)諗?shù)呈輕微下降趨勢(shì)。暖晝?nèi)諗?shù)階段性波動(dòng)較為明顯，自1970-2001年冷夜數(shù)以負(fù)距平為主，2002年以后以正距平為主。

圖4 1958-2014年極端溫度指數(shù)年變化特征Fig.4 Annual variation of six extreme temperature indices from 1958 to 2014

3.4 極端溫度變化原因

溫度是受太陽(yáng)活動(dòng)、地球自轉(zhuǎn)、各種遙相關(guān)指數(shù)等多種因素影響的天氣要素[11]。最高、最低溫度的上升以及相對(duì)高溫天數(shù)的增加和低溫天數(shù)的減少現(xiàn)象導(dǎo)致了舞水河流域的整體增溫。影響極端溫度變化的物理因子及其相互關(guān)系十分復(fù)雜，很多學(xué)者對(duì)極端溫度變化原因進(jìn)行了分析。史軍等[12]研究認(rèn)為高溫日數(shù)多寡和高溫頻數(shù)及其進(jìn)程受大氣環(huán)流要素場(chǎng)及其距平場(chǎng)的變動(dòng)影響較大；唐國(guó)利等[13]研究指出極端溫度變化的主要原因是全球的大氣環(huán)流的變異和調(diào) 整；龔志強(qiáng)等[1]的研究表明厄爾尼諾與厄爾尼諾-南方濤動(dòng)指數(shù)對(duì)我國(guó)中南地區(qū)氣候異常的影響最為顯著。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于極端氣候指數(shù)模型、線性回歸和MK非參數(shù)檢驗(yàn)方法，本文分析了舞水河流域1958-2014年極端溫度的變化特征，主要得出以下結(jié)論。

(1)研究時(shí)段內(nèi)，舞水河流域的年平均最高、最低溫度均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，變化速率分別為0.08 ℃/10 a和0.19 ℃/10 a。最低溫度的上升幅度遠(yuǎn)大于最高溫度上升幅度。

(2)舞水河流域春、秋、冬三季平均最高溫度均表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，且春季上升幅度最大為0.16 ℃/10 a；夏季平均最高溫度則表現(xiàn)為輕微的下降趨勢(shì)。春、夏、秋、冬季平均最低溫度均表現(xiàn)為顯著的上升趨勢(shì)，其中秋、冬季節(jié)平均最低溫度的上升幅度最大值為0.23 ℃/10 a。

(3)舞水河流域春、秋、冬三季和年平均最高溫度在1990s末期進(jìn)入正距平年份為主的時(shí)期，夏季平均最高溫度在2006年以后進(jìn)入持續(xù)正距平期；春、夏、秋三季和年平均最低溫度在1990s末以后進(jìn)入持續(xù)正距平期，冬季平均最低溫度在1990年以后進(jìn)入持續(xù)正距平期。

(4)近57年舞水河流域霜日日數(shù)和冷夜日數(shù)呈顯著的減少趨勢(shì)；暖夜日數(shù)則呈顯著增加趨勢(shì)。三個(gè)極端溫度指數(shù)顯著減少和增加都開(kāi)始于1986年。

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