四川盆地極端氣溫事件時空變化特征及未來趨勢

李謝輝, 劉子堂,2

(1.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,成都 610225; 2.石河子市人工影響天氣辦公室, 新疆 石河子 832000)

20世紀(jì)以來，在由全球變暖導(dǎo)致的極端天氣和氣候事件頻發(fā)和增強(qiáng)中，極端氣溫事件被認(rèn)為是全球變暖的主要表現(xiàn)之一，其影響范圍之大已囊括全世界。如，Alexander等研究證實，全球變暖導(dǎo)致全球大部分地區(qū)冷夜日數(shù)顯著減少，而暖夜日數(shù)顯著增加[1-3]，且在最近幾十年，全球熱浪和寒流事件發(fā)生頻率分別增加了2.7倍和6.4倍[4-5]。Diffenbaugh等研究發(fā)現(xiàn)，在歷史變暖的過程中，可在>80%的全球可用觀測區(qū)域內(nèi)，觀測到年最熱月份和年最熱天數(shù)在程度和頻率上有明顯的增加；模式結(jié)果還表明，歷史氣候強(qiáng)迫則使最干旱年份和5日最大降水的發(fā)生概率增加，分別在全球可用觀測區(qū)域中增加了57%和41%[6]。Grotjahn等采用POT(Peaks over Threshold)間接擬合GEV(Generalized Extreme Value)的方法對北美地區(qū)進(jìn)行研究，其結(jié)果表明日最低溫度的冷尾部分出現(xiàn)的變暖區(qū)域最寬；在美國許多地區(qū)，變暖的積極趨勢顯而易見，有些地區(qū)具有超過90%置信度的統(tǒng)計學(xué)意義[7]。學(xué)者們在對歐洲地中海[8]、亞太[9-10]、俄羅斯[11]、墨西哥[12]、非洲西部[13]、印度尼西亞等[14]區(qū)域的相關(guān)研究中也都呈現(xiàn)出不同程度的類似增加趨勢。對中國的研究也呈現(xiàn)出了相同的結(jié)果，且同時證明了冷夜指數(shù)和暖夜指數(shù)在中國絕大部分地區(qū)呈現(xiàn)出變化強(qiáng)度相仿、變化趨勢相反的特征，具有較好的對稱性；日夜溫度變化則表現(xiàn)出明顯的不對稱性，同時日較差呈變小的趨勢，直接影響了溫度極值的變化，并且在一定程度上加劇了水循環(huán)的過程，改變了水資源的分配[15-17]。

四川盆地位于我國西南部，是中國四大盆地之一，其不僅是我國重要的人口密集和農(nóng)業(yè)區(qū)，也是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟(jì)圈的重要區(qū)域。四川盆地屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣溫東高西低，南高北低，年內(nèi)降水量分配不均，70%～75%的降水集中于夏季，近年來，盆地內(nèi)極端氣溫事件頻發(fā)，典型事件如四川和重慶部分地區(qū)在2006—2007年發(fā)生的特旱，其中重慶因旱農(nóng)作物受災(zāi)面積為132.7萬hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)90.7億元，四川農(nóng)作物成災(zāi)面積為116.6萬hm2，伏旱造成直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)125.7億元[18]。之后，2012年10月—2013年3月上旬，四川和重慶等地的嚴(yán)重干旱，以及后續(xù)的秋冬春連旱，2015—2019年的階段性局地重特旱，特別是2017年夏季四川盆地的持久高溫大旱，其氣溫高達(dá)44℃，是當(dāng)?shù)刈?951年有氣象記錄以來最嚴(yán)重的一次；而重慶地區(qū)也在2017年遭遇了60年不遇的大旱，是有氣象記錄以來最長時間的伏旱，這些都對四川盆地及西南地區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，對人民生命財產(chǎn)安全造成了嚴(yán)重威脅。

由于全球氣候變化在不同地理區(qū)域和緯度上的變化不同，在與四川盆地大致相同緯度帶的研究中，Oscar等在對墨西哥部分地區(qū)與溫度有關(guān)指數(shù)的重要變化分析表明，最高氣溫上升，最低氣溫下降[12]；高佳佳等利用拉薩市1961—2014年逐日最高和最低氣溫數(shù)據(jù)的分析表明，近54年來拉薩市極端高溫指數(shù)變化幅度不大，而極端低溫指數(shù)逐年增高，極端高溫發(fā)生頻次呈現(xiàn)增加趨勢，極端低溫則總體呈現(xiàn)減少趨勢[19]。目前，已有部分學(xué)者對西南地區(qū)和四川省的極端氣溫事件進(jìn)行了一些研究[20-22]，但還缺乏針對在全球變暖背景下極端氣溫事件頻發(fā)，且更小尺度區(qū)域四川盆地的細(xì)致和較全面研究。因此，本文通過選取和計算由WMO推薦的10個極端氣溫指數(shù)，首先對四川盆地1970—2019年的10個極端氣溫指數(shù)進(jìn)行時空變化特征分析，然后采用Mann-Kendall和滑動T檢驗進(jìn)行突變特征分析，并對極端氣溫指數(shù)與地理因子的關(guān)系進(jìn)行討論，最后利用Hurst指數(shù)對四川盆地的未來極端氣溫事件的趨勢進(jìn)行預(yù)測分析。其研究結(jié)果能為中國西部川渝經(jīng)濟(jì)區(qū)在應(yīng)對氣候變暖背景下的防旱抗旱措施制定提供重要的科學(xué)參考決策和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四川盆地(26°03′—34°19′N，97°21′—108°33′E)地處青藏高原東部，長江上游地帶，主要包括了四川省中東部和重慶大部分地區(qū)，總面積約26萬km2。由于所處地形整體比較封閉，北部存在高大山脈秦嶺，阻擋了冷空氣的進(jìn)入，冬季盆地內(nèi)的氣溫高于同緯度其他地區(qū)；盆地內(nèi)部常年多霧且濕氣較重，陰雨天氣在盆地內(nèi)較多，且日照時數(shù)和太陽輻射均為全國較低值[23]。圖1是本文所選研究區(qū)的地理位置和海拔高度圖。

圖1 四川盆地氣象站點分布和海拔高度

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)所提供的四川盆地內(nèi)均勻分布的14個氣象站點(圖1)1970—2019年的逐日氣溫數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由于該數(shù)據(jù)采用了內(nèi)部一致性檢查、氣候界限值檢查、臺站極值檢查3種質(zhì)量控制方法，通過對個別缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)處理，能保證修正后數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性。統(tǒng)計可知，1970—2019年間14個氣象站的年平均氣溫為17.7℃，年平均最低氣溫為14.0℃，年平均最高氣溫為21.4℃；50 a中的最低氣溫出現(xiàn)在四川的萬源站，為-9.4℃(1975年12月15日)，最高氣溫出現(xiàn)在重慶的沙坪壩站，為43℃(2006年8月15日)，最低氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差為7.2，最高氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差為8.6。

2.2 極端氣溫指數(shù)

由于極端氣溫指數(shù)的變化比使用平均值更適合監(jiān)測、檢測和分析氣候變化的影響，因此本文采用由世界氣象組織WMO推薦的10個表征極端氣候變化的溫度指數(shù)來進(jìn)行分析，具體見表1。

表1 所選10個極端氣溫指數(shù)定義

2.3 研究方法

利用線性傾向法對四川盆地近50年的10個極端氣溫指數(shù)時間序列進(jìn)行擬合，在ArcGIS 10環(huán)境下，利用普通克里金插值法繪制四川盆地近50年的10個極端氣溫指數(shù)空間分布；為減少單一突變方法檢驗的不準(zhǔn)確性，采用Mann-Kendall趨勢檢驗[24-25]和滑動T檢驗[24]兩種方法互相驗證對近50年的10個極端氣溫指數(shù)突變特征進(jìn)行分析；為具體了解極端氣溫指數(shù)與地理因子的關(guān)系，通過計算相關(guān)系數(shù)對10個極端氣溫指數(shù)與經(jīng)緯度和海拔高度之間的相關(guān)性進(jìn)行分析；由于用重標(biāo)極差法(R/S分析法)[26]得到的Hurst指數(shù)可以衡量一個時間序列的統(tǒng)計相關(guān)性，并可對長期記憶過程進(jìn)行分析，因此利用近年來在氣候預(yù)測方面有較多應(yīng)用的Hurst指數(shù)估計方法(R/S分析法)對四川盆地極端氣溫指數(shù)的未來變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。

3 結(jié)果與分析

3.1 時間變化趨勢

圖2為四川盆地內(nèi)10個極端氣溫指數(shù)在1970—2019年隨時間變化的線性趨勢結(jié)果，其中，除了最小日最高氣溫Txn通過了0.05的顯著性水平檢驗，其他9個指數(shù)都通過了0.01的顯著性水平檢驗，趨勢變化明顯。

圖2 1970-2019年四川盆地10個極端氣溫指數(shù)的年際變化趨勢

可以看出，除霜日日數(shù)FD、冷夜日數(shù)Tn10和冷晝?nèi)諗?shù)Tx10分別以1.008 d/10 a，2.794 d/10 a和 1.475 d/10 a的速率下降外，其他7個指數(shù)Tnn，Tnx，SU，Txn，Txx，Tn90和Tx90都分別以0.333℃/10 a，0.254℃/10 a，4.625 d/10 a，0.262℃/10 a，0.413℃/10 a，3.174 d/10 a，3.845 d/10 a呈現(xiàn)上升趨勢。其中，最小日最低溫度Tnn、最大日最低溫度Tnx、最小日最高溫度Txn、最大日最高溫度Txx的增加表明在近50年內(nèi)四川盆地的氣溫極值都以增加為主。5個極端冷指數(shù)FD，Tnn，Tnx，Tn10和Tx10均呈現(xiàn)溫度上升或日數(shù)減少的趨勢，一致具有暖化特征；5個極端暖指數(shù)SU，Txn，Txx，Tn90和Tx90與5個極端冷指數(shù)相互印證，均呈現(xiàn)暖化的趨勢；不同類型指數(shù)在變化幅度上表現(xiàn)出較強(qiáng)的差異，暖指數(shù)中的SU和Tx90日數(shù)變動幅度大于其他極端氣溫指數(shù)?？傊?，在近50年內(nèi)，四川盆地的極端氣溫指數(shù)都呈現(xiàn)暖化趨勢，是全球變暖的正響應(yīng)區(qū)。

3.2 空間分布特征

圖3為四川盆地近50年中10個極端氣溫指數(shù)的空間分布情況。可以看出，霜日日數(shù)FD主要出現(xiàn)在四川盆地的北部(廣元和萬源)，50年平均日數(shù)最多可達(dá)28 d，南部較少，一些地區(qū)為0 d；最小日最低溫度Tnn和最大日最低氣溫Tnx都是盆地南部高于盆地北部和西北部，其中位于重慶市的沙坪壩地區(qū)最高，可分別為1.37℃和29.46℃；冷夜日數(shù)Tn10和冷晝?nèi)諗?shù)Tx10表現(xiàn)為盆地的西部(溫江和都江堰)最多，多于東部和其他地區(qū)，其地區(qū)的最高和最低日數(shù)分別相差為2.33 d和6.26 d；夏日日數(shù)SU、最小日最高溫度Txn和最大日最高溫度Txx這3個指數(shù)的空間分布基本一致，都表現(xiàn)為盆地東部高于盆地西部和北部，其中萬州和沙坪壩地區(qū)較高，3個指數(shù)的最高值分別為158.79 d，6.32℃和39.88℃，都江堰、溫江、萬源地區(qū)較低，3個指數(shù)的最低值可達(dá)110.01 d，1.81℃和33.55℃；暖夜日數(shù)Tn90和暖晝?nèi)諗?shù)Tx90都表現(xiàn)為盆地東部高于西部，最低值位于溫江和都江堰地區(qū)，其地區(qū)的最高和最低日數(shù)分別相差為2.21 d和6.32 d，并與Tn10和Tx10的空間分布相對應(yīng)。總體而言，F(xiàn)D從南向北增加，Tnn和Tnx從南向北減少，都與緯度對應(yīng)；Tn10和Tx10從東向西增加，SU，Txn，Txx，Tn90和Tx90從東向西減少，都與經(jīng)度和海拔高度對應(yīng)；整體上，5個極端冷指數(shù)表現(xiàn)為盆地的北部和西部高于南部和中東部地區(qū)，其中四川的溫江和都江堰地區(qū)普遍較低，5個極端暖指數(shù)表現(xiàn)為盆地的中東部高于西部和北部地區(qū)，其中重慶市的萬州和沙坪壩地區(qū)普遍較高。

3.3 突變特征

圖4—5分別為利用M-K突變檢驗和步長為5的滑動T檢驗對10個極端氣溫指數(shù)的檢驗結(jié)果。

由四川盆地近50年中10個極端氣溫指數(shù)的M-K和滑動T檢驗兩種方法綜合判斷的結(jié)果表明，除了冷晝?nèi)諗?shù)Tx10存在綜合突變年外，其余9個指數(shù)都未檢測到綜合突變年。由圖4可以看出Tx10在1970—2004年呈現(xiàn)出上升趨勢，其中在1985—1995年超過了顯著性水平0.05的臨界線，表現(xiàn)出顯著上升趨勢，之后呈現(xiàn)下降趨勢，UF下降，UB上升，且兩統(tǒng)計值在2012年存在交點，并在臨界線內(nèi)，表明由M-K方法檢驗出Tx10在2012年發(fā)生了突變；對應(yīng)滑動T檢驗(圖5)的結(jié)果可知，統(tǒng)計值在1970—1979年下降，且在1979年、1980年超過了0.05顯著線，之后呈現(xiàn)上升趨勢，特別是在2010年之后呈現(xiàn)顯著上升趨勢，并在2011年、2012年超過了0.05顯著線，由滑動T檢驗出存在1979年、1980年、2011年、2012年、2014年5個突變年，但綜合二者檢驗結(jié)果印證可知，Tx10只存在2012年一個真實突變年。對所有10個極端氣溫指數(shù)的綜合分析表明，在1970—2019年只有1個指數(shù)Tx10存在突變年(2012年)，其余9個指數(shù)都無明顯突變年，即在近50年里四川盆地的極端氣溫并無明顯突變，但于20世紀(jì)初期有平穩(wěn)上升的趨勢。

3.4 極端氣溫指數(shù)與地理因子關(guān)系分析

表2列出了10個極端氣溫指數(shù)與經(jīng)緯度和海拔高度之間的相關(guān)系數(shù)，所有結(jié)果都通過了0.01的顯著性水平檢驗，相關(guān)性顯著。

可以看出，Tnn，Tn10，Tx10這3個極端冷指數(shù)與經(jīng)度呈負(fù)相關(guān)，其余7個指數(shù)FD，Tnx，SU，Txn，Txx，Tn90，Tx90與經(jīng)度呈正相關(guān)，Txx與經(jīng)度的正相關(guān)系數(shù)最大，為0.696；10個指數(shù)中有3個指數(shù)FD，Tn90，Tx90與緯度呈正相關(guān)，其余7個指數(shù)Tnn，Tnx，Tn10，Tx10，SU，Txn，Txx與緯度呈負(fù)相關(guān)，Tnn與緯度的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大，為-0.826；3個極端冷指數(shù)FD，Tn10，Tx10與海拔高度呈正相關(guān)，其余7個指數(shù)Tnn，Tnx，SU，Txn，Txx，Tn90，Tx90與海拔高度呈負(fù)相關(guān)，Txn與海拔高度的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大，為-0.893。綜合分析結(jié)果表明，極端氣溫指數(shù)的變化主要與經(jīng)度呈正相關(guān)，自西向東隨經(jīng)度的增加而增大；主要與緯度呈負(fù)相關(guān)，隨緯度從南向北遞減；與海拔高度呈負(fù)相關(guān)，隨海拔高度的升高而降低，即經(jīng)度越大，緯度越低，海拔高度越低，極端氣溫指數(shù)值變化越大，體現(xiàn)為盆地的東南部地區(qū)極端氣溫事件變化最大，其結(jié)果與前述時空變化特征分析相對應(yīng)。

3.5 極端氣溫指數(shù)的未來變化趨勢

為探討四川盆地極端氣溫指數(shù)的未來變化趨勢，本文分別計算了10個極端氣溫指數(shù)的Hurst指數(shù)，結(jié)果見表3，主要通過過去趨勢變化和Hurst指數(shù)對未來極端氣溫指數(shù)的總體變化趨勢進(jìn)行預(yù)測。

圖3 1970-2019年四川盆地極端氣溫指數(shù)的空間分布

圖5 四川盆地1970-2019年10個極端氣溫指數(shù)的滑動T檢驗

表2 極端氣溫指數(shù)與地理因子的相關(guān)性分析

可以看出，除了Txn的Hurst指數(shù)小于0.5，為0.476，其余9個極端氣溫指數(shù)的Hurst指數(shù)都大于0.5。而當(dāng)Hurst<0.5，則時間序列表現(xiàn)出反持久性的或逆狀態(tài)持續(xù)性的，很有可能是記憶的轉(zhuǎn)弱和反轉(zhuǎn)的開始，即未來的變化趨勢會呈現(xiàn)出與過去相反的趨勢變化，且Hurst指數(shù)越接近于0，反持續(xù)性越強(qiáng)，因此Txn的結(jié)果表明在未來時期，年內(nèi)日最高氣溫的最小值將呈現(xiàn)弱的減少趨勢；而當(dāng)Hurst>0.5，反映了序列中隱藏的長期趨勢，即長期記憶強(qiáng)，具有正效應(yīng)，繼續(xù)保持現(xiàn)有趨勢的可能性強(qiáng)，且越接近于1，持續(xù)性越強(qiáng)，因此其余9個指數(shù)的結(jié)果表明在未來時期，霜日日數(shù)、冷夜日數(shù)、冷晝?nèi)諗?shù)3個極端冷指數(shù)將繼續(xù)減少，年內(nèi)日最低氣溫的最小值、年內(nèi)日最低氣溫的最大值、夏日日數(shù)、最大日最高氣溫、暖夜日數(shù)、暖晝?nèi)諗?shù)將繼續(xù)增加。總體來說，未來四川盆地的冷事件減少，暖事件增加，極端氣溫事件將繼續(xù)呈現(xiàn)增加趨勢。

表3 10個極端氣溫指數(shù)的Hurst指數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本文研究結(jié)果表明近50年來四川盆地的10個極端氣溫指數(shù)都呈現(xiàn)出顯著暖化趨勢，在將此結(jié)論與已有袁文德[20]、羅玉[21]、孫晨[22]、賈艷青[27]等對西南地區(qū)和四川省極端氣溫的相關(guān)研究進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，本文得到的關(guān)于極端氣溫事件在近50 a的時空整體變化趨勢與他們研究內(nèi)容中涉及到的四川盆地結(jié)論較一致，即，冷系列極端氣溫指數(shù)整體上呈現(xiàn)暖化趨勢，暖系列極端氣溫指數(shù)整體上呈現(xiàn)上升趨勢，氣候變暖趨勢明顯，然而由于研究區(qū)所選范圍的不同，所選時間研究尺度和極端氣溫指數(shù)的不同，在時空變化的范圍幅度值上有所差異，同時對四川盆地來說，極端低溫的增溫幅度是小于極端高溫的增幅，這個結(jié)論與已有對西南地區(qū)極端氣溫的研究剛好相反，這和兩者的研究區(qū)域選取和地形差異有很大關(guān)系。同時本文還結(jié)合M-K和滑動T檢驗兩種方法對突變特征和未來趨勢進(jìn)行了研究，相比其他類似分析更加全面具體和細(xì)致。然而，在對引起極端氣溫事件的原因進(jìn)行分析時，本文僅對極端氣溫指數(shù)和地理因子的相關(guān)性進(jìn)行討論還不夠全面，由于影響極端氣溫事件的原因眾多而且復(fù)雜，未來還可進(jìn)一步從自然和人為兩大因素中挑選主要因子進(jìn)行更全面的分析，在對未來趨勢的預(yù)測上，也可以結(jié)合CMIP6的未來模式預(yù)估數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計和動力降尺度方法，對未來不同情景下的極端溫度事件進(jìn)行預(yù)估，這些都將是后續(xù)可進(jìn)一步深入開展的工作。

4.2 結(jié) 論

(1) 近50年內(nèi)，四川盆地的極端氣溫指數(shù)都呈現(xiàn)暖化趨勢，是全球變暖的正響應(yīng)區(qū)。5個極端暖指數(shù)SU，Txn，Txx，Tn90，Tx90與5個極端冷指數(shù)FD，Tnn，Tnx，Tn10，Tx10相互印證，均呈現(xiàn)暖化的趨勢；不同類型指數(shù)在變化幅度上表現(xiàn)出較強(qiáng)的差異，暖指數(shù)中的SU和Tx90日數(shù)變動幅度大于其他極端氣溫指數(shù)。

(2) 5個極端冷指數(shù)表現(xiàn)為盆地的北部和西部高于南部和中東部地區(qū)，其中四川的溫江和都江堰地區(qū)普遍較低，5個極端暖指數(shù)表現(xiàn)為盆地的中東部高于西部和北部地區(qū)，其中重慶市的萬州和沙坪壩地區(qū)普遍較高。

(3) 在1970—2019年只有1個極端氣溫指數(shù)Tx10存在突變年(2012年)，其余9個極端氣溫指數(shù)都無明顯突變年，即在近50年里四川盆地的極端氣溫并無明顯突變，但于20世紀(jì)初期有平穩(wěn)上升的趨勢。

(4) 四川盆地內(nèi)極端氣溫指數(shù)的變化主要與經(jīng)度呈正相關(guān)，自西向東隨經(jīng)度的增加而增大；主要與緯度呈負(fù)相關(guān)，隨緯度從南向北遞減；與海拔高度呈負(fù)相關(guān)，隨海拔高度的升高而降低，即經(jīng)度越大，緯度越低，海拔高度越低，極端氣溫指數(shù)值變化越大，體現(xiàn)為盆地的東南部地區(qū)極端氣溫事件變化最大。

(5) Hurst指數(shù)分析表明，在未來時期，Txn將呈現(xiàn)弱的減少趨勢；FD，Tn10，Tx10這3個極端冷指數(shù)將繼續(xù)減少，Tnn，Tnx，SU，Txx，Tn90和Tx90將繼續(xù)增加?？傮w來說，未來四川盆地的冷事件減少，暖事件增加，極端氣溫事件將繼續(xù)呈現(xiàn)增加趨勢。