近57年舞水河流域極端溫度變化特征分析

易 澤，劉文彬

(1.交通運輸部科學研究院，北京 100029；2.中國科學院地理科學與資源研究所，北京 100101)

1 研究背景

在全球氣候變暖的大背景下，干旱、洪澇、劇烈降水等極端天氣氣候事件的頻發及其導致的災害呈現出增大的趨勢[1]。極端溫度的異常變化不僅會引起農業氣象災害，而且會影響人類的生存和居住環境[2]。因此，氣候變暖的過程中極端溫度的變化特征引起了國內外學者的廣泛關注[3,4]。我國地域遼闊，區域氣候差異明顯，極端溫度在不同的空間尺度和時間尺度表現出不同的變化特征[5]。分析極端溫度在流域尺度的變化特征，有助深入了解流域氣候變化規律，探討氣候變化原因。

舞水河(圖1)發源于貴州省甕安縣境內，于湖南省黔城鎮匯入沅江，是沅江的一級支流。本文根據舞水河流域及其周邊3個基本氣象站近57年長系列逐日氣象觀測資料，采用統計學分析方法分析最高、最低氣溫及極端溫度事件的變化特征，對進一步研究氣候變化對該流域及周邊地區的農業生產及生態環境影響具有重要意義。

圖1 舞水河流域地理位置Fig.1 location of the Wushui river basin

2 資料和方法

2.1 研究數據

本文基于銅仁、芷江和三穗三個基本氣象站1958-2014年逐日最高溫度和最低溫度觀測數據分析舞水河流域極端溫度的變化特征。主要的數據來自于中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)，各站點位置及詳細信息見圖1與表1。季節劃分采用氣象學標準，以12月至翌年2月為冬季、3-5月為春季、6-8月為夏季、9-11月為秋季。流域平均溫度采用泰森多邊形法計算。

表1 氣象站基本信息Tab.1 Information of the meteorological stations

2.2 極端溫度指數

RClimdex是由加拿大氣象研究中心基于R語言開發的，用于計算多種極端氣候指數的模型[7]。該模型為世界氣象組織氣候委員會所推薦用于氣候變化檢測、監測及極端氣候指數的分析[8]。本文采用RClimdex模型計算舞水河流域6個極端溫度事件指數來反映極端溫度事件的變化特征，各極端溫度事件指數的詳細說明如表2所示。

表2 極端溫度事件指數 d

2.3 氣候傾向率

本文通過線性回歸分析方法對最高和最低溫度的年、季及極端溫度事件時間序列的氣候傾向率進行分析，公式如下：

y=at+b

(1)

式中：y為溫度；a為線性趨勢項；t為年份；b為常數。

2.4 趨勢分析方法

采用Mann-Kendall(MK)非參數檢驗法[9]對最高和最低溫度的年、季及極端溫度事件時間序列進行趨勢性檢驗。對于時間序列Xn=(x1,x2,…,xn)，MK檢驗Z統計量由以下公式計算：

(2)

(3)

(4)

其中：sgn( )為符號函數，當xj-xi小于、等于、大于零時，sgn(xj-xi)分布為-1、0、1；Z值的正(負)表示被檢驗時間序列呈增加(減少)趨勢；Z的絕對值在大于等于1.64、1.96、2.58時表示被檢驗時間序列的趨勢性通過了置信度分別為90%、95%和99%的顯著性檢驗。

3 結果分析

3.1 最高溫度變化特征

銅仁、芷江和三穗三個氣象站的年、季平均最高溫度及其氣候傾向率見表3所示。1958-2014年舞水河流域最高溫度的年平均值為21.1 ℃。春、夏、秋、冬四季平均最高溫度分別為20.9、31.0、22.3和10.1 ℃。變化趨勢上，春、秋、冬季和年最高溫度表現為一致上升趨勢，其變化率為冬季(0.03 ℃/10 a)<全年(0.08 ℃/10 a)<秋季(0.13 ℃/10 a)<春季(0.16 ℃/10 a)。芷江站春、秋季和年平均最高溫度具有顯著的上升趨勢，通過了置信度為95%的顯著性檢驗。夏季平均最高溫度在銅仁、芷江兩個氣象站呈現出輕微的下降趨勢，在海拔較高的三穗氣象站呈現出輕微的上升趨勢。流域平均最高溫度也表現為輕微的下降趨勢，其變化率為-0.01 ℃/10 a。

銅仁、芷江和三穗氣象站年、季平均最高溫度的距平變化及階段性特征見圖2所示。從流域平均溫度距平的5年滑動平均曲線可知：①春季，最高溫度從1950s末到1970s中期波動變化；1970s中期到1990s末期處于持續負距平期；1990s中期開始處于持續正距平期；②夏季，最高溫度從1950s末期到1990s初期波動變化；1990s初期到2000s中期處于持續負距平期；2006年以后進入持續正距平期；③秋季，最高溫度從1950s末期到1990s末期波動變化，負距平比例較大；1990s末期以后進入持續正距平期；④冬季，1958-2014年正負距平期交替變化，1990s中期后正距平年份比例有明顯增加。⑤就全年時段而言，最高溫度在1990s中期后進入持續正距平期。

3.2 最低溫度變化特征

1958-2014年舞水河流域最低溫度年平均值為13.0 ℃。春、夏、秋、冬最低溫度的平均值分別為12.6、22.1、13.9和3.3 ℃。全球陸面溫度的升高過程表現出日夜增暖的不對稱性，多數地區的最低溫度的升高幅度明顯高于最高溫度[10]，舞水河流域也不例外。由表3可知，與最高溫度相比，最低溫度都呈現出顯著上升趨勢(通過置信度為95%顯著性檢驗)，且增幅更加明顯。平均最低溫度變化率為夏季(0.14 ℃/10 a)<春季(0.17 ℃/10 a)<全年(0.19 ℃/10 a)<秋季(0.23 ℃/10 a)=冬季(0.23 ℃/10 a)。由全年和四季變化趨勢可知，舞水河流域最低溫度增加以秋、冬季最為明顯。

表3 最高最低溫度變化統計特征Tab.3 Statistical characters of the annual and seasonal mean maximum and minimum temperature

圖2 舞水河流域各站點平均最高溫度的年季變化Fig.2 Annual and seasonal mean maximum temperature of the study area

1958-2014年舞水河流域周邊銅仁、芷江、三穗氣象站年度、季節平均最低溫度距平變化如圖3所示。從流域平均最低溫度距平5年滑動平均曲線可知：①春季，最低溫度從1950s末期到1990s末期之間有兩個持續負距平階段；1998年以后則處于持續的正距平期。②夏季，最低溫度在1990s末期以前，除了1980s中后期為正距平期外，其余時段均為負距期；1990s末期以后進入持續正距平期。③秋季，最高溫度從1950s末期到1990s末期呈波動變化，負距平比例較大；1990s末期以后進入持續正距平期。④冬季，1990s初期以前，最低溫度在1970s末期出現了短暫的正距平期，其余時段均為負距平期；1990s初期后為持續正距平期。⑤就全年而言，最低溫度從1950s末期到1990末期為負距平期；1990s末期以后進入持續正距平期。

3.3 極端溫度指數變化特征

舞水河流域極端溫度指數變化具有差異性。由圖4可知，霜日日數(FD0)、高溫日數(SU35)、暖夜日數(TN10p)、冷夜日數(TN90p)、暖晝日數(TX10p)和冷晝日數(TX90p)距平時間序列的氣候傾向率分別為0.31、-1.92、-2.20、2.13、0.95和-0.31日/10 a；MK檢驗Z統計量分別為-2.77、0.45、-4.23、4.10、1.86和-0.61。其中FD0、TN10p和TN90p通過置信度為95%的顯著性檢驗。

圖3 舞水河流域各站點平均最低溫度的年季變化Fig.3 Annual and seasonal mean minimum temperature of the study area

霜日日數在年代際變化上呈顯著的減少趨勢，1986-2014年以負距平為主。高溫日數呈輕微上升趨勢，2002年以后正距平概率增大。近57年來，冷夜日數在年代際變化上呈顯著的減少趨勢，自1986-2014年以負距平為主；相反暖夜日數呈顯著增加趨勢，自1986-2014年以正距平為主。暖晝日數呈不顯著的上升趨勢，冷晝日數呈輕微下降趨勢。暖晝日數階段性波動較為明顯，自1970-2001年冷夜數以負距平為主，2002年以后以正距平為主。

圖4 1958-2014年極端溫度指數年變化特征Fig.4 Annual variation of six extreme temperature indices from 1958 to 2014

3.4 極端溫度變化原因

溫度是受太陽活動、地球自轉、各種遙相關指數等多種因素影響的天氣要素[11]。最高、最低溫度的上升以及相對高溫天數的增加和低溫天數的減少現象導致了舞水河流域的整體增溫。影響極端溫度變化的物理因子及其相互關系十分復雜，很多學者對極端溫度變化原因進行了分析。史軍等[12]研究認為高溫日數多寡和高溫頻數及其進程受大氣環流要素場及其距平場的變動影響較大；唐國利等[13]研究指出極端溫度變化的主要原因是全球的大氣環流的變異和調 整；龔志強等[1]的研究表明厄爾尼諾與厄爾尼諾-南方濤動指數對我國中南地區氣候異常的影響最為顯著。

4 結 語

基于極端氣候指數模型、線性回歸和MK非參數檢驗方法，本文分析了舞水河流域1958-2014年極端溫度的變化特征，主要得出以下結論。

(1)研究時段內，舞水河流域的年平均最高、最低溫度均表現出上升趨勢，變化速率分別為0.08 ℃/10 a和0.19 ℃/10 a。最低溫度的上升幅度遠大于最高溫度上升幅度。

(2)舞水河流域春、秋、冬三季平均最高溫度均表現為上升趨勢，且春季上升幅度最大為0.16 ℃/10 a；夏季平均最高溫度則表現為輕微的下降趨勢。春、夏、秋、冬季平均最低溫度均表現為顯著的上升趨勢，其中秋、冬季節平均最低溫度的上升幅度最大值為0.23 ℃/10 a。

(3)舞水河流域春、秋、冬三季和年平均最高溫度在1990s末期進入正距平年份為主的時期，夏季平均最高溫度在2006年以后進入持續正距平期；春、夏、秋三季和年平均最低溫度在1990s末以后進入持續正距平期，冬季平均最低溫度在1990年以后進入持續正距平期。

(4)近57年舞水河流域霜日日數和冷夜日數呈顯著的減少趨勢；暖夜日數則呈顯著增加趨勢。三個極端溫度指數顯著減少和增加都開始于1986年。

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