1971-2015年黑龍江省極端氣溫指數(shù)變化特征

田寶星，殷世平，郭立峰，劉 丹，張恒翀，王 銘

（黑龍江省氣象科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

氣候變化不僅引起極端天氣頻發(fā)， 還對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類活動(dòng)造成危害。 極端天氣事件特點(diǎn)是突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大、難以預(yù)測(cè)等，極端天氣事件所導(dǎo)致的災(zāi)害呈遞增趨勢(shì)[1-2]。 眾多學(xué)者已對(duì)極端溫度做了大量研究，但閾值方法不同，對(duì)分析極端氣候事件帶來難題。 因此世界氣象組織(WMO)成立專家組，在以往研究計(jì)劃和監(jiān)測(cè)中選取11個(gè)極端降水指數(shù)和16個(gè)極端氣溫指數(shù)，有助于全面、客觀、科學(xué)的認(rèn)識(shí)極端氣候變化規(guī)律[3-4]。

黑龍江省地處中國東北部， 土壤肥沃， 物產(chǎn)豐富， 氣候變化顯著， 同時(shí)氣象災(zāi)害帶來損失愈加嚴(yán)重， 極端天氣導(dǎo)致的玉米倒伏造成減產(chǎn)10-24%[5-6]。因此， 黑龍江省極端氣溫指數(shù)的時(shí)空分布特征及演變規(guī)律非常值得研究， 對(duì)制定行之有效的防災(zāi)減災(zāi)措施具有重要的科學(xué)價(jià)值。

2 資料與方法

2.1 資料與定義

基于1971-2015年（此時(shí)段數(shù)據(jù)較為完整和連續(xù)）黑龍江省80個(gè)氣象站點(diǎn)逐日最高氣溫和最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，來自黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心。 利用WMO 在氣候變化監(jiān)測(cè)會(huì)議中所定義的極端氣溫指數(shù)[7]。 極端氣溫指數(shù)包括極值指數(shù)和絕對(duì)指數(shù)， 極值指數(shù)為年內(nèi)日最高（低）氣溫的極大（?。┲?；絕對(duì)指數(shù)是基于原始觀測(cè)值和固定閾值的指數(shù)，即夏天日數(shù)、結(jié)冰日數(shù)和霜凍日數(shù)(表1)。

表1 極端氣溫指數(shù)定義

2.2 研究方法

利用氣候統(tǒng)計(jì)方法， 將研究區(qū)域各站點(diǎn)1971-2015年逐日最高氣溫、 最低氣溫根據(jù)研究需要進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)，得到極端最高氣溫、極端最低氣溫、夏天日數(shù)、結(jié)冰日數(shù)和霜凍日數(shù)，采用線性氣候傾向率[8]、EOF分析[9]和小波分析[10]等方法分析極端氣溫指數(shù)的分布特征和演變規(guī)律。 本文選用Morlet 復(fù)小波變換來分析極端氣溫指數(shù)時(shí)間序列的多時(shí)間尺度特征，可以濾掉實(shí)小波變換系數(shù)造成的虛假振蕩， 使研究結(jié)果更為精準(zhǔn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端氣溫指數(shù)趨勢(shì)變化

由圖1 可見，極端最高氣溫、極端最低氣溫呈增加趨勢(shì)， 極端最低氣溫增溫率為 0.41 ℃·（10a）-1，極端最高氣溫增溫率為 0.16 ℃·（10a）-1，極端最低氣溫的升溫趨勢(shì)更明顯。 從演變曲線來看，極值指數(shù)年代際變化特征明顯， 極端最高氣溫從20 世紀(jì)80年代以來氣溫逐漸升高，近幾年有所下降；極端最低氣溫則從20 世紀(jì)70年代以來氣溫逐漸升高， 近幾年有所下降。

絕對(duì)氣溫指數(shù)的變化曲線如圖1 所示， 霜凍日數(shù)和結(jié)冰日數(shù)呈減少趨勢(shì)，夏天日數(shù)則呈增加趨勢(shì)。霜凍日數(shù)和結(jié)冰日數(shù)在20 世紀(jì)70-80年代變化較為平穩(wěn)，20 世紀(jì)80-90年代下降較為明顯，近幾年來有所增加，霜凍日數(shù)的下降幅度為 3.12 d·（10a）-1，這比周雅清[3]等得出的全國霜凍日數(shù)下降幅度3.0 d·（10a）-1要大， 這也反映出黑龍江氣候變化的敏感性較強(qiáng)。 夏天日數(shù)從20 世紀(jì)80年代以來不斷逐漸增加。

圖1 黑龍江省極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)

3.2 極端氣溫指數(shù)空間變化

EOF分析顯示，黑龍江省極端氣溫指數(shù)（極端最高氣溫、極端最低氣溫、霜凍日數(shù)、結(jié)冰日數(shù)和夏天日數(shù)） 第1 特征向量方差貢獻(xiàn)率介于69-86%之間，體現(xiàn)研究區(qū)域極端氣溫指數(shù)的顯著空間分布。 圖2可見，極端最高氣溫、極端最低氣溫、結(jié)冰日數(shù)、夏天日數(shù)呈現(xiàn)一致的正變化趨勢(shì)，霜凍日數(shù)呈現(xiàn)正、負(fù)相間變化趨勢(shì)。 極端最高氣溫區(qū)內(nèi)高值中心在拜泉附近，低值中心在東寧附近；極端最低氣溫區(qū)內(nèi)高值中心在拜泉附近，低值中心在東寧附近；霜凍日數(shù)區(qū)內(nèi)漠河附近為負(fù)值，其他地區(qū)為正值，空間變化呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)；結(jié)冰日數(shù)區(qū)內(nèi)高值中心在孫吳附近，低值中心在東寧附近； 夏天日數(shù)區(qū)內(nèi)高值中心在穆棱附近，低值中心在綏芬河附近。 極端氣溫指數(shù)受地理環(huán)境影響較大，區(qū)域特征差異明顯。 極端氣溫指數(shù)第1 特征向量的時(shí)間系數(shù)絕對(duì)值最大， 表明這一時(shí)刻分布型式最典型。

圖2 黑龍江省極端氣溫指數(shù)第1 特征向量空間變化

3.3 極端氣溫指數(shù)周期變化

小波分析顯示（圖3），1971-2015年各種極端氣溫指數(shù)存在不同時(shí)間尺度的周期變化， 極端最高氣溫存在 28 a、22 a、13 a和 6 a 的周期變化，極端最低氣溫存在 26 a、18 a、11 a和 7 a 的周期變化，霜凍日數(shù)存在28 a、7 a和5 a 的周期變化， 結(jié)冰日數(shù)存在28 a、10 a和 6 a 的周期變化，夏天日數(shù)存在 28 a、22 a、8 a和 5 a 的周期變化。

圖3 黑龍江省極端氣溫指數(shù)小波方差

4 結(jié)論與討論

（1）黑龍江省極端最高氣溫、極端最低氣溫和夏天日數(shù)均呈增加趨勢(shì)， 結(jié)冰日數(shù)和霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)，年代際特征明顯。

（2）黑龍江省極端最高氣溫、極端最低氣溫、結(jié)冰日數(shù)、 夏天日數(shù)空間分布模態(tài)呈現(xiàn)一致的正變化趨勢(shì)，霜凍日數(shù)空間分布模態(tài)呈現(xiàn)正、負(fù)相間變化趨勢(shì)。 極端最高氣溫、極端最低氣溫、結(jié)冰日數(shù)、夏天日數(shù)區(qū)內(nèi)低值中心在東寧-綏芬河附近，極端最高氣溫和極端最低氣溫區(qū)內(nèi)高值中心在拜泉附近， 結(jié)冰日數(shù)區(qū)內(nèi)高值中心在孫吳附近， 夏天日數(shù)區(qū)內(nèi)高值中心在穆棱附近， 霜凍日數(shù)區(qū)內(nèi)漠河與其他地區(qū)空間變化形勢(shì)相反。 極端氣溫指數(shù)受地理環(huán)境影響較大，區(qū)域特征差異明顯。

（3）黑龍江省各種極端氣溫指數(shù)存在3 種較為明顯的周期變化， 即22-28 a 長周期，10-18 a 中周期，5-8 a 短周期。

（4）本研究限于資料和研究水平，得出的黑龍江省各種極端氣溫指數(shù)演變特征只是基于統(tǒng)計(jì)所得，未能從物理過程及其機(jī)理出發(fā)揭示極端氣溫對(duì)氣候變化的響應(yīng)機(jī)制， 還需進(jìn)行更深入的理論和數(shù)值模擬驗(yàn)證。