喀什市極端氣溫指數長期變化及突變特征分析

努爾比亞·吐尼牙孜

(喀什地區氣象臺，新疆喀什　844000)

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喀什市極端氣溫指數長期變化及突變特征分析

努爾比亞·吐尼牙孜

(喀什地區氣象臺，新疆喀什844000)

摘要：利用喀什市1961—2012年逐日最高、最低、平均氣溫資料，采用回歸分析、R/S分析、Morlet小波分析及Mann-kendall突變檢驗等方法，分析了喀什市極端氣溫長期變化趨勢、持續性、周期變化及突變特征。結果表明：喀什市年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫率高于全球及全國水平且主要變暖從20世紀90年代開始，較全國同期增溫時間滯后；極端高溫、夏季日數呈顯著增加趨勢，極端低溫、霜凍日數呈減少趨勢，經 R/S分析，極端氣溫指數及年平均氣溫序列具有較好的連續性，未來喀什市氣溫保持升高，極端高溫、夏季日數增加，極端低溫、霜凍日數減少；喀什市極端氣溫指數在時間域上包含了多個尺度的周期變化，各類極端氣溫指數具有不同強度的周期變化特征；近52 a極端高溫日數在1995年發生突變，夏季日數、極端低溫、霜凍日數的突變均發生在2001年左右。

關鍵詞：喀什市；極端氣溫指數；周期變化；突變特征

IPCC第五次評估報告指出，1880—2012年全球平均地面氣溫升高了0.85 ℃[1]，人類活動可能是近百年來氣候變暖的主要原因，氣候變化可能影響極端天氣氣候事件發生的頻率和強度[2]。在全球變暖的背景下我國的平均氣溫變暖趨勢明顯，極端氣候事件頻發[3-5]。陳少勇等[6]研究西北地區極端高溫事件的演變特征發現，氣候變暖導致極端高溫事件增多，強度增強；翟盤茂等[7]研究發現我國北方夜間低溫事件在減少，白天極端高溫事件在增多；秦秀麗等[8]對山西極端氣溫年均發生頻率的研究表明，山西省極端高溫事件年均發生頻率呈顯著增加趨勢；白冰等[9]研究甘肅省氣候變化特征,指出甘肅省年平均氣溫顯著增加,而降水呈明顯減少趨勢。同時也有氣象工作者研究新疆的極端氣候事件,普宗朝等[10]研究新疆極端最低氣溫指出，近50 a新疆平均極端氣溫以0.74 ℃/10 a的傾向率呈極顯著上升趨勢。潘淑坤等[11]研究新疆初霜日及無霜日的變化特征,指出新疆初霜日推遲11 d，終霜日提前7 d，無霜期延長17 d。可見由于地域差異，各地極端天氣事件分布及變化不一致，喀什市極端氣溫變化趨勢的研究尚未見報道，因此利用喀什市1961—2012年逐日氣溫資料，分析喀什市近52 a極端氣溫變化及突變特征，旨在揭示喀什市極端氣溫變化規律，進而為調整喀什市農業結構提供科學依據。

1資料與方法

1.1資料選取

資料采用喀什市1961—2012年逐日最高、最低、平均氣溫，由中國科學氣象數據共享平臺提供，地面氣溫資料已進行了嚴格的質量控制和均一性檢驗。多年平均值采用1961—2012年的52 a平均值。

1.2極端氣溫指數定義

描述溫度極值的氣候特征，一般采用極端氣候指數的方法。定義霜凍日數：每年日最低氣溫小于0 ℃的全部天數；夏季日數為每年日最高氣溫大于25 ℃的全部天數。文中所選用的霜凍日數及夏季日數的指標均由世界氣象組織在1998—2011年氣候變化監測會議中通過研究和討論提出[12]，這些極端氣溫指數能夠展現極端氣候不同方面的變化，具有極端性較弱、噪聲低、顯著性強的特點，能直接反應當地氣候變化特征。

目前，在氣候極值變化研究中多采用百分位閾值法作為極端值的閾值[13]。將1961—2012年逐月日最高(低)氣溫資料按升(降)序排列，得到各月第95個百分位值，作為各月極端高(低)氣溫閾值。如果某日最高(低)氣溫大于(小于)該月極端高(低)溫閾值，則認為該日出現極端高(低)溫事件。

1.3研究方法

采用一元線性回歸，分析極端氣溫指數隨時間演變趨勢，用T檢驗方法檢測其趨勢變化的顯著性。利用R/S分析，估算各極端氣溫Hurst指數，分析其持續性。Hurst指數H是定量描述氣候長程依賴性的主要方法之一，該方法屬于非參數分析法，具有較好的穩健性[14]。H取值范圍為(0,1),當H=0.5時，表示序列是隨機的，不具備長程依賴性，將來的發展趨勢與已經發生的事件沒有關系；0.5

2結果與分析

2.1極端氣溫變化及持續性

2.1.1極端氣溫變化趨勢圖1給出了喀什市年平均氣溫變化及七點平滑曲線圖。由圖1可見,喀什市年平均氣溫呈波動上升趨勢，氣候傾向率為0.3 ℃/10 a，相關系數R通過了α=0.01的顯著性檢驗，說明喀什市近52 a平均氣溫變暖趨勢顯著，高于全球(0.13 ℃/10 a)及全國(0.22 ℃/10 a)同期的增溫率[16]，是我國變暖較明顯的區域之一。20世紀90年代之前喀什市年平均氣溫變化緩慢，升溫不明顯，90年代中期開始出現了一次跳躍性增長。年平均氣溫1961—1989年為11.7 ℃, 而1990—2012年為12.5 ℃，升高了0.8 ℃，說明90年代以后喀什市升溫顯著。任國玉等[17]的研究指出，我國年平均氣溫的增加主要從80年代中期開始，且此后一直呈明顯的上升趨勢，可見喀什市增溫較全國水平滯后。

圖1　1961—2012年喀什市年平均氣溫變化

從表1可看出，極端低溫日數、霜凍日數、極端高溫日數、夏季日數的變化傾向率分別為-0.27、-0.34、0.28、0.25 d/10 a，除夏季日數通過α=0.05的顯著性檢驗外，其他3個指數均通過了α=0.01的顯著性檢驗，說明喀什市極端低溫日數、霜凍日數呈顯著減少趨勢，極端高溫日數呈顯著增加趨勢，夏季日數也呈增加趨勢。極端低溫日數、霜凍日數、極端高溫日數、夏季日數與年平均氣溫相關系數均通過了α=0.01的信度檢驗，說明隨著年平均氣溫的升高，極端低溫日數及霜凍日數呈顯著減少趨勢，極端高溫日數、夏季日數呈顯著增加趨勢。從相關系數絕對值大小來看，霜凍日數與年平均氣溫之間的線性相關更顯著，間接說明喀什市年平均氣溫對霜凍日數影響更明顯，而對夏季日數的影響相對較弱，即在喀什市氣候變暖的背景下，霜凍日數減少更顯著。

表1　1961—2012年喀什市各極端氣溫變化傾向率及與年平均氣溫的相關系數

注：*和**分別表示通過了α=0.05和α=0.01的顯著性檢驗

2.1.2極端氣溫R/S分析為了進一步分析喀什市年平均氣溫及極端氣溫的未來變化趨勢，計算了Hurst指數。由表2可見，喀什市年平均氣溫及各類極端氣溫的Hurst指數均大于0.5，變化趨勢同過去保持一致，具有較好的持續性，即在未來喀什市年平均氣溫呈上升趨勢，極端高溫日數及夏季日數呈增加趨勢，極端低溫日數及霜凍日數呈減少趨勢。綜上所述，可預測在未來，喀什市平均氣溫升高，夏季日數、極端高溫日數增多，霜凍日數、極端低溫日數減少。

表2　1961—2012年喀什市各極端氣溫

2.2極端氣溫周期變化

為了進一步驗證喀什市氣溫在時間域上的周期特征，對各類極端指數時間序列進行小波變換。從各類極端指數小波系數(圖2)和小波模(圖略)變化可以看出，小波系數分布形成了各種尺度正負相間的不同強度的振蕩中心。極端低溫日數(圖2a)存在較明顯的6、16、36 a周期振蕩，其中6 a左右的高頻振蕩在20世紀60年代至90年代末較為明顯；16 a左右振蕩在70年代初至90年代末較明顯；而36 a左右低頻振蕩則貫穿整個時間域，穩定少變，經歷了兩個極端低溫偏少期和一個偏多期。極端高溫日數(圖2b)存在3、8、15、28 a周期振蕩，其中3 a左右高頻振蕩,貫穿整個時間域，但70年代末至80年代初表現較弱；8 a左右高頻振蕩在80年代開始表現明顯；15 a左右低頻振蕩在60年代至90年代較為明顯，后期受20 a以上低頻振蕩影響，強度削弱，表現不明顯；28 a左右振蕩貫穿整個時間域，經歷了兩個極端高溫偏少期和兩個偏多期。夏季日數(圖2c)存在明顯的5、12、24 a周期振蕩，其中5 a左右高頻振蕩貫穿整個時間域，振蕩強度較強，穩定少變；12 a左右振蕩在60年代至80年代強度較強，之后強度減弱，表現不明顯；24 a左右振蕩則穩定貫穿整個時間域，經歷了兩個偏少期和兩偏多期。霜凍日數(圖2d)存在較明顯的8、28 a周期振蕩，其中8 a左右高頻振蕩在60年代初至90年代初較強，之后表現不明顯；而28 a左右振蕩貫穿整個時間域且穩定，經歷了兩個偏少期和一個偏多期。綜上所述,喀什市各類極端氣溫指數包含了多個時間尺度的周期變化，具有不同強度的周期變化特征。

圖2　1961—2012年喀什市各極端氣溫指數小波變換系數(a 極端低溫日數；b 極端高溫日數；c 夏季日數；d霜凍日數)

2.3極端氣溫突變特征

圖3給出了1961—2012年喀什市各極端氣溫指數的M-K檢驗圖。由圖3可知，喀什市極端氣溫指數均存在明顯的年際變化，并伴有突變現象(UF、UB曲線交點為突變年)發生，但突變時間有差異。極端低溫日數(圖3a)，UF曲線1961—1994年圍繞0值線波動，表現為弱上升趨勢，1995年發生了突變，UF曲線呈快速下降趨勢，于2003年通過α=0.05臨界值，表明極端低溫日數減少趨勢顯著。極端高溫日數(圖3b)，UF曲線整體呈上升趨勢，2000年發生突變，UF曲線快速上升，2006、2008年分別通過了α=0.05、α=0.001的臨界值，說明極端高溫日數增加趨勢十分顯著。夏季日數(圖3c)，UF曲線呈上升趨勢，2002年發生突變，UF曲線于2009年通過α=0.05臨界值，可見夏季日數增加趨勢顯著。霜凍日數(圖3d)，60年代至80年代初期UF曲線在0值以下波動，其中1978—1981年超過α=0.05的臨界值，說明此階段霜凍日數減少趨勢顯著但未發生突變；1986—1997年UF曲線增加趨勢顯著但未發生突變；1997年之后UF曲線呈減少趨勢，2000年發生突變，UF曲線于2007、2009年分別超過α=0.05、α=0.001的臨界值，說明2000年后霜凍日數減少趨勢顯著。

圖3　1961—2012年喀什極端氣溫指數M-K檢驗(a 極端低溫日數；b 極端高溫日數；c 夏季日數；d霜凍日數，虛線為α=0.05臨界值)

3結論

(1)近52 a喀什市年平均氣溫呈顯著上升趨勢，升溫率高于全球及全國水平，且主要變暖是從20世紀90年代中期開始，較全國同期增溫時間滯后。

(2)極端高溫日數、夏季日數呈顯著增加趨勢，極端低溫日數、霜凍日數呈顯著減少趨勢；極端高溫日數、夏季日數與年平均氣溫呈正相關，極端低溫日數、霜凍日數與年平均氣溫呈負相關。氣候變暖對霜凍日數的影響更明顯。

(3)各極端氣溫指數及年平均氣溫序列具有較好的連續性，在未來變化趨勢同過去保持一致，即未來幾年內，氣溫持續升高，極端高溫日數、夏季日數增加，霜凍日數、極端低溫日數減少。

(4)各類極端氣溫指數在時間域上包含了多個尺度的周期變化，具有不同強度的周期變化特征。極端低溫日數具有6、16、36 a的波動周期,極端高溫日數具有3、8、15、28 a的波動周期,夏季日數具有5、12、24 a的波動周期,霜凍日數具有8、28 a的波動周期。

(5)各類極端氣溫指數均存在明顯的年際變化特征，并伴有突變現象發生。除極端高溫日數突變發生在1995年外，其他指數的突變均發生在2001年左右。

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中圖分類號：468.021

文獻標識碼：A

基金項目：新疆氣象局青年基金(Q201408)

作者簡介：努爾比亞·吐尼牙孜(1988—)，女，維吾爾族，新疆喀什人，學士，助工，從事氣候變化研究。

收稿日期：2015-08-21

文章編號：1006-4354(2016)01-0020-05

努爾比亞·吐尼牙孜. 喀什市極端氣溫指數長期變化及突變特征分析[J].陜西氣象，2016(1)：20-24.