于田近50年來平均氣溫和極端氣溫的變化特征

迪麗達爾·艾再提約麥爾 俞永慧

摘 要：本文利用新疆于田縣氣象站1968—2018年的逐月氣溫數(shù)據(jù)，使用線性傾向估計、滑動平均、Mann-Kendall檢驗以及Morlet小波分析等方法對年平均氣溫和極端氣溫事件進行分析。結(jié)果表明：于田年平均氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫均呈上升趨勢，傾向率大小排列為：年均極端最低氣溫（0.42 ℃/10 a）>年均極端最高氣溫（0.36 ℃/10 a）>年平均氣溫（0.24 ℃/10 a）。四季氣溫都呈上升趨勢，年平均氣溫和極端最高氣溫增減速率保持一致，冬季增溫最快，夏季最慢;極端最低氣溫夏季最快，春季最慢。年平均氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫突變點分別出現(xiàn)在2000年、2002年和2001年。氣溫存在5～7 a和9～11 a的周期變化，其中極端最高氣溫10 a周期變化特征最顯著。

關(guān)鍵詞：極端氣溫;變化趨勢;突變檢測;于田

中圖分類號：P468.021文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）04-0137-05

Abstract： Based on the monthly temperature data of Yutian meteorological station from 1968 to 2018， this paper analyzed the annual average temperature and extreme temperature events by using linear tendency estimation， moving average， Mann-Kendall test and Morlet wavelet analysis. The results showed that： the annual average temperature， extreme minimum and maximum temperature in Yutian were all on the rise， and the tendency rate was arranged as follows： annual extreme minimum temperature （0.42℃/10a）>annual extreme maximum temperature （0.36℃/10a）>annual average temperature （0.24℃/10a）. The annual average temperature and the extreme maximum temperature increase and decrease rate were consistent. The temperature increase was the fastest in winter and the slowest in summer; the extreme minimum temperature was the fastest in summer and the slowest in spring. The annual average temperature， extreme minimum temperature and maximum temperature mutation point appeared in 2000， 2002 and 2001 respectively. There were 5～7a and 9～11a periodic changes in air temperature， among which the 10-year periodic changes of extreme maximum air temperature were the most significant.

Keywords： extreme temperature;change trend;mutation detection;Yutian

1 研究背景

IPCC第五次評估報告中指出：在過去的半個多世紀(jì)以來，全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過程，變暖最快的區(qū)域為北半球中緯度地區(qū)。氣候變化引起的極端天氣氣候事件導(dǎo)致氣象災(zāi)害頻發(fā)，如高溫干旱、低溫凍害、暴雨洪澇等，不僅導(dǎo)致人類的熱相關(guān)疾病和死亡風(fēng)險增加，而且對人們的生活和整個社會的經(jīng)濟發(fā)展都產(chǎn)生了很大的負(fù)面影響。尤其是對于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展，因為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟對大自然的依賴性很強。

目前，極端天氣氣候事件的研究主要包括對極端氣溫和極端降水的研究。近年來，氣溫變化尤其是極端氣溫變化特征的研究逐漸受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。任福民等[6]對中國1951—1990年極端溫度變化的研究表明，季極端最低溫度的變率在春、秋兩季表現(xiàn)最大，極端最高溫度在冬季的變率明顯高于其他季節(jié)。施雅風(fēng)等[7]的研究得出，全球變暖導(dǎo)致水循環(huán)加快，使中國西北主要是新疆地區(qū)的氣候從1987年開始向暖濕轉(zhuǎn)變。唐小英等[8]對1961—2008年新疆南疆地區(qū)的氣溫數(shù)據(jù)進行研究，發(fā)現(xiàn)極端氣溫事件整體上呈顯著增加的趨勢。武勝利等[9]對新疆和田地區(qū)1960—2013年的極端氣溫進行研究，得出極端低溫、高溫四季呈顯著的上升趨勢，其中秋季的變化速率最大，對年變化的貢獻值最大。中國西北干旱區(qū)地處全球中緯度地帶的歐亞大陸腹地，對全球的氣候變化響應(yīng)很敏感。新疆于田綠洲以農(nóng)業(yè)為主要經(jīng)濟基礎(chǔ)，氣候是影響其經(jīng)濟發(fā)展的重要因子。本文通過研究以進一步了解全球氣候變暖背景下于田縣的氣候變化規(guī)律，以期為該地區(qū)今后預(yù)防極端氣候災(zāi)害和促進經(jīng)濟發(fā)展提供參考。

2 資料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文采用的氣象數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（https：//data.cma.cn/）中國地面氣候資料月值數(shù)據(jù)集。選用的資料是新疆和田地區(qū)于田縣氣象站1968—2018年的地面氣溫月值數(shù)據(jù)，包括平均氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫。

2.2 研究方法

本文對于田平均氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫的季節(jié)、年和年代際變化進行了研究，采用氣象學(xué)標(biāo)準(zhǔn)進行四季劃分，即春季（3—5月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11月）、冬季（12—次年2月）。

①氣候傾向率。氣象要素[y]的長期變化趨勢采用線性回歸方法來描述，計算公式為：

式中，[t]為年份序列號（[i]=1，2，…，[n]）。[a]為回歸常數(shù)。[b]為回歸系數(shù)：當(dāng)[b]>0時，呈上升趨勢;當(dāng)[b]<0時，呈下降趨勢，[b]值通常稱為傾向值。[yi]表示氣象要素的擬合值。[bt10]稱為氣候傾向率，用來表示氣象要素每10年的變化率[12]。

②滑動平均?；瑒悠骄怯么_定時間序列的平均值來顯示其變化趨勢，分析時主要從滑動平均曲線圖來看其變化趨勢[13]。

③突變檢測。本文中采用Mann-Kendall檢驗方法，這一方法的優(yōu)點是計算簡便，可以明確突變開始的時間，并指出突變區(qū)域。相關(guān)公式和基本原理請參考郭靖的研究[14]。

④小波分析法。小波分析具有時、頻多分辨率分析的特征[12]，是一種很好的多時間尺度周期分析方法。

3 結(jié)果分析

3.1 年際變化

1968—2018年于田平均氣溫（[Tmean]）為11.87 ℃，其中年平均氣溫最高為13.30 ℃（2016年），最低為10.72 ℃（1989年）。從年平均氣溫的線性變化趨勢[見圖1（a）]得知，近50年來平均氣溫呈上升趨勢，其變化趨勢系數(shù)為0.3，氣溫傾向率為0.24 ℃/10 a，高于全國的氣溫傾向率0.23 ℃/10 a，低于新疆的氣溫傾向率0.32 ℃/10 a。于田平均氣溫5 a滑動平均曲線表明，氣溫在波動中上升，其中，1968—1980年氣溫小波動上升，年平均氣溫為11.74 ℃，氣溫傾向率為0.27 ℃/10 a;1981—1996年呈明顯下降趨勢，年平均氣溫為11.25 ℃，傾向率為-0.21 ℃/10 a;1997—2018年呈上升趨勢，年平均氣溫為12.39 ℃，傾向率為0.28 ℃/10 a。除20世紀(jì)80年代到90年代中期氣溫傾向率為負(fù)值，呈下降趨勢外，其他年份均呈上升趨勢，其中1997年增溫最明顯，21世紀(jì)以來的均值最大為12.44 ℃。

1968—2018年于田年均極端最低氣溫（[Tmin]）為-0.49 ℃，其最高值為1.69 ℃（2016年），最低值為-2.46 ℃（1984年）。從總的趨勢[見圖1（b）]來看，極端最低氣溫呈上升趨勢，變化趨勢系數(shù)為0.5，上升趨勢顯著，氣溫傾向率為0.42 ℃/10 a。于田年均極端最低氣溫5 a滑動平均曲線表明，1968—1980年極端最低氣溫均值為-0.99 ℃，傾向率為0.14 ℃/10 a，呈上升趨勢，這與年平均氣溫的變化趨勢一致。1981—1994年極端最低氣溫均值為-1.20 ℃，傾向率為-0.047 ℃/10 a，呈下降趨勢。1995—2018年極端最低氣溫均值為0.2 ℃，傾向率為0.56 ℃/10 a，呈上升趨勢?？梢?，極端最低氣溫從20世紀(jì)90年代中期開始增溫顯著，尤其是21世紀(jì)以后出現(xiàn)的最大值較多，其均值最大為0.33 ℃。

由圖1（c）可知，1968—2018年于田年均極端最高氣溫（[Tmax]）為26.72 ℃，其最高值為28.90 ℃（2016年），最低值為24.98 ℃（1982年）。從總的趨勢來看，極端最高氣溫呈上升趨勢，其變化趨勢系數(shù)為0.3，傾向率為0.36 ℃/10 a。于田年均極端最高氣溫5 a滑動平均曲線表明，1968—1971年極端最高氣溫均值為26.83 ℃，呈上升趨勢;1972—1995年極端最高氣溫均值為26.04 ℃，傾向率為-0.03 ℃/10 a，呈下降趨勢;1996—2018年極端最高氣溫均值為27.42 ℃，傾向率為0.33 ℃/10 a，呈顯著的上升趨勢。可見，極端最高氣溫從1996年開始明顯上升，尤其是從21世紀(jì)以來增溫顯著，其均值最大為27.51 ℃。

3.2 季節(jié)變化

3.2.1 四季年均氣溫。1968—2018年于田各個季節(jié)氣溫都呈上升趨勢（見圖2），春季氣溫傾向率為0.28℃/10a，夏季為0.12 ℃/10 a，秋季為0.204 ℃/10 a，冬季為0.37 ℃/10 a。于田四季氣溫的5 a滑動平均曲線表明，春季、夏季和秋季氣溫1968—1979年小波動上升，從20世紀(jì)80年代開始呈明顯的下降趨勢，從90年代開始呈上升趨勢，尤其是90年代晚期上升趨勢明顯，21世紀(jì)以來除2012和2014年以外均呈小波動上升趨勢。冬季氣溫除1977和2007年出現(xiàn)兩個谷值以外，其余年份均呈明顯上升趨勢。1968—2018年于田縣各季節(jié)氣溫增溫幅度總體表現(xiàn)為冬>春>秋>夏，其中冬季的增溫速率最大，夏季的最小。

3.2.2 四季極端最低氣溫。1968—2018年，于田四季極端最低氣溫都呈上升趨勢（見圖3），春季傾向率為0.29 ℃/10 a，夏季為0.51 ℃/10 a，秋季為0.49 ℃/10 a，冬季為0.44 ℃/10 a。于田四季極端最低氣溫的5 a滑動平均曲線表明，春季極端最低氣溫一開始呈上升趨勢，從20世紀(jì)70年代中期到80年代晚期呈下降趨勢，90年代開始出現(xiàn)明顯的上升趨勢;夏季和秋季極端最低氣溫呈下降-上升-下降-上升的變化趨勢，80年代呈明顯下降趨勢，90年代增溫顯著;冬季極端最低氣溫除1977和2007年出現(xiàn)兩個谷值以外，其余年份均呈明顯上升趨勢，這與年平均氣溫變化趨勢保持一致。1968—2018年于田各季節(jié)極端最低氣溫增溫幅度總體表現(xiàn)為夏>秋>冬>春，其中夏季的增溫速率最大，春季最小。

3.2.3 四季極端最高氣溫。1968—2018年于田四季極端最高氣溫都呈上升趨勢（見圖4），春季傾向率為0.40 ℃/10 a，夏季為0.04 ℃/10 a，秋季為0.37 ℃/10 a，冬季為0.63 ℃/10 a。于田四季極端最低氣溫的5a滑動平均曲線表明，春季極端最高氣溫呈上升-下降-上升-下降的變化趨勢，20世紀(jì)80年代中期到90年代初期呈明顯的下降趨勢，從90年代中期開始呈明顯的上升趨勢;夏季呈上升-降低-上升的變化趨勢;秋季和冬季呈相對穩(wěn)定的上升趨勢。1968—2018年于田各季節(jié)極端最高氣溫增溫幅度總體表現(xiàn)為冬>春>秋>夏，其中冬季的增溫速率最大，夏季的最小，這與年平均氣溫的增溫速率變化保持一致。

3.3 Mann-Kendall突變檢驗結(jié)果分析

采用M-K突變檢驗方法對于田年均氣溫、極端最低氣溫和極端最高氣溫進行突變檢驗。由圖5可知，1968—2018年于田氣溫呈上升趨勢，其中，年均氣溫2000年之前除了1973和1980年出現(xiàn)兩個峰值以外總體表現(xiàn)為負(fù)值，表明該段時間平均氣溫較低，2000年以后總體表現(xiàn)為正值，表明該段時間平均氣溫較高。正序列和反序列曲線在臨界值±2之間有一個明顯的交叉點，之后正序列曲線持續(xù)上升，并在2006年突破臨界值2，這說明1968—2018年于田年均氣溫發(fā)生了明顯的突變增高，突變點出現(xiàn)在2000年。極端最低氣溫正反序列曲線有一個明顯的交叉點，并在2003年突破臨界值2，這說明1968—2018年極端最低氣溫發(fā)生了明顯的突變增高，突變點出現(xiàn)在2002年。極端最高氣溫正反序列曲線出現(xiàn)兩次交叉，第一次在1999年，但沒有突破臨界值2;第二次在2001年，并在2009年突破臨界值2，這說明1968—2018年極端最高氣溫發(fā)生了明顯的突變增高，突變點出現(xiàn)在2001年。

3.4 氣溫周期變化特征分析

從圖6可以看出，1968—2018年于田年均氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫存在2個較明顯的特征時間尺度，分別為5～7 a和9～11 a。其中，年均氣溫在1970—1980年的周期變化明顯，極端最低氣溫、極端最高氣溫在1970—1990年的周期變化較明顯，尤其是極端最高氣溫10 a周期特征最顯著，但總體上于田氣溫周期變化連續(xù)性較弱。

4 結(jié)論

①從以上分析可以看出，近50年來于田年均氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫均呈上升趨勢，20世紀(jì)90年代晚期，尤其是從21世紀(jì)開始增溫趨勢更加顯著，其幅度大小總體表現(xiàn)為[Tmin>Tmax>Tmean]，極端最低氣溫的線性上升趨勢最顯著，而平均氣溫的上升趨勢低于極端最低和極端最高氣溫。由此可見，氣溫變暖是明顯的，而極端最低氣溫的升高是氣候變暖的主要原因，其貢獻率較大，其次是極端最高氣溫，平均氣溫的貢獻率較小。

②四季年均氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫都呈明顯的上升趨勢。其中，年均氣溫和極端最高氣溫的增溫幅度變化保持一致，表現(xiàn)為冬季>春季>秋季>夏季，冬季增溫最顯著，其貢獻率最大，而夏季貢獻率最小;極端最低氣溫增溫幅度變化為夏季>秋季>冬季>春季，其中，夏季增溫最顯著，貢獻率最大，這與年均氣溫和極端最高氣溫增溫速率相反，春季貢獻率最小。

③通過M-K檢驗得出，年均氣溫、極端最低氣溫、極端最高氣溫都發(fā)生了明顯的突變增高，其中年均氣溫突變點出現(xiàn)在2000年，極端最低氣溫突變點出現(xiàn)在2002年，而極端最高氣溫突變點出現(xiàn)在2001年。

④通過Morlet小波分析發(fā)現(xiàn)，氣溫存在5 a和10 a的周期，其中極端最高氣溫10 a的周期變化特征最顯著，其余周期變化特征不顯著且連續(xù)性較弱。

參考文獻：

[1]任福民，翟盤茂.1951—1990年中國極端氣溫變化分析[J].大氣科學(xué)，1998（2）：89-96，98-99.

[2]施雅風(fēng)，沈永平，李棟梁，等.中國西北氣候由暖干向暖濕轉(zhuǎn)型的特征和趨勢探討[J].第四紀(jì)研究，2003（2）：152-164.

[3]唐小英，唐湘玲.新疆南疆地區(qū)近50年來極端氣候事件分析[J].石河子大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（2）：230-238.

[4]武勝利，劉強吉，胡雪瑛，等.全球變化背景下新疆和田地區(qū)近半個世紀(jì)極端氣溫變化特征分析[J].水土保持研究，2017（5）：209-214.

[5]何毅，楊太保，陳杰，等.1955—2012年南北疆氣溫、降水及相對濕度趨勢分析[J].水土保持研究，2015（2）：269-277.

[6]商沙沙，廉麗姝，馬婷，等.近54a中國西北地區(qū)氣溫和降水的時空變化特征[J].干旱區(qū)研究，2018（1）：68-76.

[7]郭靖.氣候變化對流域水循環(huán)和水資源影響的研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2010.