1951—2016年新疆哈密極端氣溫變化研究?

張志高，苗運玲，邱雙娟，耿益新，姬曼琪

(1. 安陽師范學院 資源環(huán)境與旅游學院, 河南 安陽455000; 2. 新疆烏魯木齊市氣象局, 新疆 烏魯木齊830006)

20世紀以來，全球氣候顯著變暖，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次全球氣候變化研究報告（AR5）指出，1880—2012年全球表面平均溫度升高了0.85?C，1951—2012 年全球平均地表溫度以0.12?C/10a的速率上升，在北半球，1983—2012年可能是1 400年來最暖的30年[1].與全球氣候變暖基本一致，我國1960—2009年年均地表平均氣溫上升1.38?C[2]，增溫速率接近0.22?C/10a，比全球或半球同期平均增溫速率明顯偏高[3].在全球氣候變暖的背景下，高溫、干旱和洪澇等災(zāi)害日益頻繁，極端氣候事件呈增多增強趨勢，嚴重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟以及人類安全健康[4?6].Karl等[7]認為極端低溫事件發(fā)生率有減少的趨勢；Alexander等[8]認為近50年里，全球70%的地區(qū)暖夜、暖晝?nèi)諗?shù)呈增加趨勢，而冷晝、冷夜日數(shù)逐漸減少.對我國極端氣溫事件的相關(guān)研究表明，暖夜、暖晝?nèi)諗?shù)顯著增多，霜凍、結(jié)冰、冷夜和冷晝?nèi)諗?shù)顯著減少[9].與全國極端氣溫變化一致，新疆地區(qū)極端低溫、高溫呈上升趨勢[10?11]，并于1986年左右發(fā)生突變[12].由于新疆地域遼闊，地形復(fù)雜，不同地區(qū)極端氣候變化又具有明顯的地域性特點[13,14].

哈密市位于新疆東部，地處亞歐大陸中部，跨越天山南北，特殊的自然地理條件使哈密兼有南疆和北疆氣候特點.哈密屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，炎熱干燥、干旱少雨，是我國最酷熱干燥的地區(qū)之一.已有對哈密氣溫變化特征的研究多側(cè)重于平均氣溫場變化及其突變方面[15?17]，涉及極端氣溫變化方面的研究[18]僅是采用了極端高溫和極端低溫兩個指標，因此，本文利用哈密市1951—2016年逐日最高溫、最低溫和平均氣溫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用世界氣象組織（WMO）發(fā)布的16個極端氣溫指數(shù)進行統(tǒng)計分析，探討哈密極端氣溫氣候特征及其變化規(guī)律，以期為該市合理利用氣候資源和防災(zāi)減災(zāi)提供科學依據(jù).

1 資料來源及研究方法

1.1 資料來源

本文逐日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫等數(shù)據(jù)來自哈密國家基準氣象站（42?29′N，93?19′E，海拔高度737.2m），數(shù)據(jù)資料時段為1951—2016年，氣象數(shù)據(jù)下載于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)（http://cdc.Cma.Gov.cn），經(jīng)整理后66a氣溫資料具有較好的連續(xù)性.

1.2 研究方法

采用世界氣象組織“氣候變化檢測和指標”推薦使用的16個極端氣溫指數(shù)研究哈密極端氣溫事件變化特征，如表1所示.具體可分為四類：相對指數(shù)、絕對指數(shù)、極值指數(shù)和持續(xù)指數(shù).運用RHtest方法[19]對氣溫數(shù)據(jù)序列進行均一性檢驗和質(zhì)量控制.極值指數(shù)直接由氣象觀測獲得，絕對指數(shù)基于絕對閾值獲得，相對指數(shù)和持續(xù)性指數(shù)基于相對閾值用百分位閾值法進行計算.基于逐日最高和最低氣溫，運用RClimdex軟件計算極端氣候指數(shù).采用一元線性回歸法分析極端氣溫指數(shù)變化趨勢，并對時間序列和各氣溫指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗.運用Mann-Kendall檢驗法[20]對1951—2016年哈密極端氣溫進行突變性檢驗，使用SPSS軟件對各極端氣溫指數(shù)進行主成分和相關(guān)關(guān)系分析.

2 結(jié)果分析

2.1 極端氣溫變化特征

哈密市年均溫、年均最高溫與年均最低溫隨時間變化趨勢如圖1所示.1951—2016年哈密市年平均溫度為10.08?C，其中最大值出現(xiàn)在2016年，為11.63?C，最低為1954年8.26?C，從時間尺度上看，哈密年均溫呈明顯上升趨勢，速率為0.15?C/10a.1951—2016年哈密年均最高溫呈波動上升趨勢，線性變化率為0.28?C/10a，最大值為2007年的19.96?C，最低為1954年的15.64?C.1951—2016年哈密年均最低溫亦呈上升趨勢，升溫速率小于年均最高溫，為0.16?C/10a，最高為2016年的4.75?C，最低為1954年的1.18?C.

2.2 哈密極端氣溫相對指數(shù)變化特征

極端氣溫相對指數(shù)包括冷晝、冷夜、暖晝和暖夜日數(shù)，主要反映極端氣溫晝夜冷暖的變化特征.1951—2016年哈密極端氣溫相對指數(shù)隨時間變化趨勢如圖2所示.從圖2可以看出，66a來哈密冷晝?nèi)諗?shù)平均值為9.93d，最大值為1954年的32.33d，最小值出現(xiàn)在2007年，為3.29d.哈密冷夜日數(shù)平均值為10.32d，其中最大值為1954年的29.32d，最小值為2016年的2.47d.從趨勢上看，1951—2016年哈密冷晝和冷夜日數(shù)均呈下降趨勢，下降速率分別為1.36d/10a和1.12d/10a，冷晝下降速度快于冷夜.1951—2016年哈密暖晝?nèi)諗?shù)平均值為13.22d，其中最大值為2016年的26.85d，最小值出現(xiàn)在1984年，為3.52d，哈密暖晝指數(shù)呈明顯上升趨勢，速率為1.46d/10a.66a來哈密暖夜日數(shù)平均值為12.57d，最大值為2015年的23.84d，最小為1967年的4.65d，隨時間亦呈上升趨勢，速率為0.50d/10a，低于暖晝上升速率.

表1 極端氣溫指標的定義Tab 1 The Definition of Extreme Temperature Indices

圖1 1951—2016年哈密氣溫變化Fig 1 The Change of Temperature in Hami from 1951 to 2016

2.3 哈密極端氣溫絕對指數(shù)變化特征

極端氣溫相對指數(shù)包括夏季、霜凍、熱夜和冰凍日數(shù)，主要反映極端氣溫季節(jié)冷暖的變化特征.哈密極端氣溫相對指數(shù)如圖3所示，近66a哈密夏季日數(shù)平均值為150.12d，最大值出現(xiàn)在2009年為172d，最小值為1992年和1970年的134d，夏季日數(shù)表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，速率為2.08d/10a.熱夜日數(shù)平均值為25.29d，最大值為1951年的60d，最小值為1995年的6d，整體上熱夜日數(shù)呈下降趨勢，速率為-1.78d/10a，從年代際變化來看，1996年前熱夜日數(shù)呈下降趨勢，1996年后熱夜日數(shù)呈波動上升趨勢.1951—2016年哈密霜凍日數(shù)平均值為150.58d，最大值為1960年的168d，最小值為2006年的129d，霜凍日數(shù)隨時間變化呈明顯下降趨勢，速率為-1.70 d/10a.哈密冰凍日數(shù)平均值為53.52d，最大值為1954年的93d，最小值為1994年的35d，66a來冰凍日數(shù)呈明顯下降趨勢，速率為-2.06 d/10a，下降速度快于霜凍日數(shù).

圖2 1951—2016年哈密極端氣溫相對指數(shù)變化Fig 2 Change of Annual Extreme Temperature Relative Index of Hami During 1951—2016

圖3 1951—2016年哈密極端氣溫絕對指數(shù)變化Fig 3 Absolute Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

2.4 哈密極端氣溫極值指數(shù)變化特征

極端氣溫極值指數(shù)包括日最高氣溫極低值、日最低氣溫最低值、日最高氣溫極高值和日最低氣溫極高值4個年內(nèi)日最高（低）氣溫的極大（小）值的指數(shù)，主要反映極端氣溫在極點的變化特征，哈密極端氣溫極值指數(shù)變化趨勢如圖4所示.1951—2016年哈密最高氣溫的極高值和最低溫極高值呈下降趨勢，下降速率分別為0.07?C/10a和0.24?C/10a，最高氣溫的極低值和最低氣溫的極低值均表現(xiàn)出明顯上升趨勢，上升速率分別為0.88?C/10a和0.70?C/10a，為哈密氣候暖化的主要因素.

圖4 1951—2016年哈密極端氣溫極值指數(shù)變化Fig 4 Extremal Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

圖5 1951—2016年哈密極端氣溫持續(xù)性指數(shù)變化Fig 5 Durative Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

2.5 哈密極端氣溫持續(xù)性指數(shù)變化特征

極端氣溫持續(xù)性指數(shù)包括暖持續(xù)日數(shù)、冷持續(xù)日數(shù)、生物生長季和年均氣溫日較差，主要反映極端氣溫在持續(xù)時間的變化特征，哈密極端氣溫持續(xù)性指數(shù)變化趨勢如圖5所示.1951—2016年哈密暖持續(xù)日數(shù)平均值為10.85d，最大值為2016年的49d，最小值為0，哈密暖持續(xù)日數(shù)呈上升趨勢，速率為3.20d/10a.哈密冷持續(xù)日數(shù)平均值為7.85d，最大值為1954年的68d，最小值為0，隨時間變化呈下降趨勢，速率為-2.66 d/10a.66a來哈密生物生長季日數(shù)均值為236.14d，最大值為2006年的266d，最小值為1987年的204d，隨時間變化呈增長趨勢，速率為1.74 d/10a.66a來哈密年均氣溫日較差呈上升趨勢，速率為0.11?C/10a.

2.6 哈密極端氣溫指數(shù)對比分析

1951—2016年哈密極端氣溫指數(shù)變化特征與新疆、全國及全球?qū)Ρ惹闆r如表2所示.總體來看，1951年以來哈密極端氣溫變化與全球其他地區(qū)的變化趨勢基本相同，但也有差異.哈密極端氣溫相對指數(shù)（TX10%、TN10%、TX90%、TN90%）變化幅度遠小于其他地區(qū)水平.哈密熱夜日數(shù)總體呈減小趨勢，而新疆熱夜日數(shù)上升速率為1.71d/10 a.分析原因發(fā)現(xiàn)，哈密熱夜日數(shù)在1996年前呈減小趨勢，1996年后呈上升趨勢，1951—1959年哈密熱夜日數(shù)在36～60d之間，處于66a年的最高值區(qū)域，導致66a來熱夜日數(shù)的線性傾向率為負值.哈密最高溫最高值呈減小趨勢，而新疆地區(qū)呈上升趨勢.哈密暖持續(xù)日數(shù)上升速率為3.20d/10a，遠高于新疆0.88d/10a的上升速率.這些差異可能跟所選站點、研究區(qū)域以及氣象資料時間序列不同有關(guān).綜合來看，哈密冷指數(shù)（TN10%、TXn、TNn）增幅幅度明顯大于部分暖指數(shù)（TN90%、TXx、TNx），原因可能是由于冬季比夏季較大的變暖幅度造成，由于中國北方冬季空氣中的水汽含量小于夏季，同時冬季燃煤取暖導致溫室氣體大量排放，因此，冬季容易引起更大幅度的升溫[22].

表2 1951—2016年哈密極端氣溫事件變化趨勢對比表Tab 2 The Comparison of the Linear Trends of Extreme Temperature Indices between Hami and other Regions

2.7 哈密極端氣溫突變特征

氣候從一種常態(tài)突然變?yōu)榱硪环N狀態(tài)叫氣候突變，表現(xiàn)為氣候變化的不連續(xù)性，是相對氣候漸變的一種變化方式.1951—2016年哈密極端氣溫絕對指數(shù)的Mann—Kendall突變檢驗分析如圖6所示.最低溫極低值總體呈波動上升的趨勢，UF與UB曲線相交于1958和2011年，其中2011年的突變點超過了a=0.05的信度線，因此哈密最低溫極低值的增溫突變發(fā)生于1958年，其值在1962年絕大部分年份超過a=0.05的信度線，表明1962年后最低溫極低值增溫趨勢顯著.最高溫極高值的UF與UB曲線相交于1954年，表明哈密最高溫極高值在1954年發(fā)生突變，1954年后其值呈減小趨勢，仔細觀察最高溫極高值變化趨勢（圖4）發(fā)現(xiàn)，最高溫極高值于1993年以來呈上升趨勢，但并未形成突變點（圖6）.最低溫極高值的UF與UB曲線相交于1957年，表明哈密最低溫極高值在1957年發(fā)生突變，1957年后其值呈減小趨勢，與最高溫極高值的變化相似，哈密最低溫極高值于1995年由減小趨勢轉(zhuǎn)為上升趨勢（圖4），但并未形成突變點.1951—2016年哈密最高溫極低值總體呈上升趨勢，其UF與UB曲線相交于1961年，表明最高溫極低值于1961年發(fā)生突變，1982年后最高溫極低值均超過a=0.05的信度線，表明1982年后增溫趨勢顯著.

圖6 哈密極端氣溫極值指數(shù)Mann—Kendall檢驗曲線Fig 6 Mann-Kendall Test Curve of Extreme Temperature Extremal Indices in Hami

2.8 極端氣溫指數(shù)的主成分分析

采用降維的思想，主成分分析能把多個指標濃縮為幾個代表性指標，從而降低研究的復(fù)雜性.利用Eviews8.0軟件對1951—2016年哈密的極端氣溫指數(shù)進行主成分分析，得到主成分和各個因子旋轉(zhuǎn)之后的相關(guān)系數(shù)載荷矩陣（表3）.根據(jù)特征值及累計貢獻率選取第一、第二、第三和第四主成分作為影響哈密整體溫度的成分.第一主成分占方差總貢獻率最高為34.49%，高載荷指數(shù)有冷持續(xù)日數(shù)0.815、最高溫極低值-0.775、最低溫極低值均為-0.775、冷晝?nèi)諗?shù)0.754、冷夜日數(shù)0.721，此5個指數(shù)的變化對哈密的整體溫度存在主要影響.第二主成分方差貢獻率為23.26%，其中，熱夜日數(shù)載荷最高為0.841；其次是暖夜日數(shù)載荷為0.704；最低溫極高值的載荷值也達到了0.631.第三主成分占方差貢獻率的10.46%，高載荷指標是暖晝?nèi)諗?shù)和暖持續(xù)日數(shù)，載荷值分別為0.845、0.816，它們的高載荷和正傾向率決定了哈密總體溫度上揚.第四主成分占方差貢獻率較小為6.89%，其主導因子是霜凍日數(shù)，載荷值為0.475.對各極端氣溫指數(shù)的相關(guān)關(guān)系分析表明，各指數(shù)間相關(guān)性較好，各冷指數(shù)之間和各暖指數(shù)之間呈較為顯著的正相關(guān)關(guān)系，各冷指數(shù)和暖指數(shù)之間呈明顯的負相關(guān)關(guān)系，與前文分析的哈密極端氣溫暖指數(shù)呈上升趨勢，冷指數(shù)呈下降趨勢一致.

3 結(jié)論

（1）1951—2016年哈密市氣溫暖化趨勢明顯，年均溫、年均最高溫和年均最低溫均呈上升趨勢，增溫速率分別為年均溫（0.15?C/10a）＜年均最低溫（0.16?C/10a）<年均最高溫（0.28?C/10a）.

（2）1951—2016年哈密暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)、夏季日數(shù)、暖持續(xù)日數(shù)和生物生長季均呈上升趨勢，分別以1.46、0.50、2.08、3.20和1.74d/10a的速率增加，熱夜日數(shù)于1996年后呈上升趨勢，年均氣溫日較差以0.11?C/10a的速率上升.

（3）冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)、霜凍日數(shù)、冰凍日數(shù)、冷持續(xù)日數(shù)均呈下降趨勢，分別以-1.36、-1.12、-1.70、-2.06、-2.66d/10a的速率減小.

（4）最高溫極低值和最低溫極低值分別以0.88、0.70?C/10a的速率上升，最高溫極高值和最低溫極高值分別以-0.07、-0.24?C/10a的速率下降，Mann—Kendall檢驗表明，哈密極端氣溫極值指數(shù)于20世紀50年代和60年代初期發(fā)生突變.

表3 1951—2016年哈密極端氣溫指數(shù)的因子分析Tab 3 The Factor Analysis of Extreme Temperature Indices in Hami During 1951—2016

（5）主成分分析表明哈密極端氣溫指數(shù)可分為4類，相關(guān)分析表明各暖指數(shù)之間、各冷指數(shù)之間呈正相關(guān)關(guān)系，暖指數(shù)和冷指數(shù)之間顯著負相關(guān).