1961-2016年黑龍江省極端氣溫事件變化特征

尹明麗, 徐華君, 趙國永, 韓 艷

(1.新疆大學 資源與環境科學學院, 烏魯木齊 830046; 2.信陽師范學院 地理科學學院, 河南 信陽 464000)

近年來，全球變暖及其伴隨的極端天氣和氣候事件引起了人們的廣泛關注[1-3]。20世紀60—90年代，亞洲和中國大部分地區的氣溫持續上升。20世紀80年代以來，東北地區低溫冷害發生的頻率明顯減少[4]。特別是20世紀90年代以后，世界進入了百年來最熱的時期[5]。中國極端最低氣溫的變化在春季和秋季是最大的，而在北方則更為明顯[6]。自20世紀90年代后期以來，冬季極端低溫頻率的變化是漸進的[7]。極端溫度是反映一個地區冷暖的一項重要指標[8]，極端氣溫的變化可能會影響該國部分地區的氣候[9-10]。

黑龍江省位于中國東北部，地理坐標為北緯43°26′—53°33′，東經121°11′—135°05′，屬于溫帶大陸性氣候。與其他地區相比，黑龍江省極端氣溫研究相對較低。近幾十年來我國極端溫度事件也表現出區域性特征，而且東北地區作為對極端高溫事件和極端低溫事件高度敏感的地區之一，更應該引起注意[11-18]。目前，國內外學者對極端溫度事件已有較多的研究。劉丹等[19]對哈爾濱地區極端氣溫進行研究得出哈爾濱平均氣溫的升溫幅度高于全國平均升溫值；周曉宇等[20]研究得出東北地區年極端最高(最低)氣溫呈下降(升溫)趨勢,極端高溫(低溫)日數呈增加(減少)趨勢；嚴曉瑜等[21]研究得出東北大部分地區年極端最高氣溫和年極端最低氣溫均呈升高趨勢，且后者比前者顯著；朱紅蕊等[22]得出空間分布方面，極端氣溫指數在全區基本都呈一致的增大或減小分布。然而，這些研究主要集中在極端溫度頻率和強度的變化上，而且關于溫度的綜合研究很少，特別是關于黑龍江省與氣候變暖極端氣候事件的時空特征研究還鮮有報道。已有的研究時間跨度不大，本文的研究相比之前的研究時間跨度大，可以充分反映黑龍江省極端氣候的變化。本文研究結果，有助于黑龍江省在應對極端氣候事件方面制定切實可行的措施，減少不必要的損失。黑龍江省27個站點、經緯度以及高程信息如圖1所示。

1 數據與方法

1.1 數據處理

本研究數據來自中國氣象科學數據共享服務網。選取1961年1月1日—2016年12月31日逐日記錄完整觀測站，剔除缺失數據站點，最終選擇27個站點。研究數據包括逐日最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫，并進行一系列嚴格質量控制。然后，運用R編輯器和RClimDex軟件進一步質量控制(消除錯誤值，異常值等)。

1.2 極端溫度指數概念

本研究使用由WMO-CCL和CLIV氣候變化檢測，監測和指標專家組(ETCCDMI)確定的指數系統定義和計算極端溫度指數[23]。本文選取的溫度指數包括相對指數、絕對指數、極值指數和其他指數，這些溫度指數都是與最高溫和最低溫相關的指數(表1)[24]，這些極端氣溫指數都是基于數學統計并能很好反映極端溫度的變化，這些指數都是采用閾值指標來度量的(反映季節或年內最大、最小值的極值指數除外)。超過閾值指標的值被認為是極值，該事件稱為極端事件[25]。

圖1 1961-2016年黑龍江省各站點及高程分布

1.3 研究方法

本文主要運用Mann-Kendall檢驗、Morlet復小波分析以及反距離加權插值法來分析黑龍江省極端氣溫變化趨勢。Mann-Kendall檢驗是常用的一種揭示時間序列變化的非參數檢驗，對于非正態分布數據，有更好的適用性，并能很好揭示時間序列趨勢變化[26-27]。黑龍江極端氣溫指數的變化周期是采用Morlet復小波分析來確定的，小波方差變化圖(小波方差隨尺度變化的過程)能反映氣象要素時間序列中包含的各種周期的波動及其強弱隨尺度變化的特性，可以通過小波方差變化圖找出一個時間序列中起主要作用的尺度(周期)[28]。同時，在ArcGIS 10.0環境下，利用反距離加權插值法繪制了黑龍江省極端溫度指數和顯著性檢驗空間分布圖。

2 結果與分析

2.1 時間變化特征

1961—2016年黑龍江省27個站點相對指數中，2個指數(TX10p和TN10p)呈降低趨勢，2個指數(TX90p和TN90p)呈升高趨勢；絕對指數中，2個指數(ID0和FD0)呈降低趨勢。2個指數(SU25和TR20)呈升高趨勢；所有極值指數均呈升高趨勢；其他指數除了DTR外，所有指數均呈升高趨勢。

其中，FD0，TN10p和TN90p兩個指數的變化趨勢最顯著，變化的速率分別為3.18，3.8，3.53 d/10 a；13個指數(TX10p，TN10p，FD0，TNn，Tminmean，DTR，TX90p，TN90p，SU25，TR20，TNx，Tmaxmean和GSL)通過了α=0.05顯著性檢驗(表2)，表明極端氣溫指數有明顯的升溫趨勢。

表1 極端氣溫指數定義[21]

表2 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數變化趨勢及顯著性檢驗

注：*，**，***分別表示通過α=0.05，α=0.01和α=0.001顯著性檢驗，下表同。

綜上所述，近56 a黑龍江省極端氣溫指數呈顯著暖化趨勢，且與日最低氣溫相關指數暖化趨勢最顯著(TN10p，FD0和TN90p)。

2.2 空間變化特征

2.2.1 相對指數 近56 a黑龍江27個站點的冷晝天數(TX10p)各站均呈減少趨勢，減少幅度為0.4～3.4 d/10 a，璦琿減幅最大(3.4 d/10 a)，綏芬河減幅最??；通過α=0.05顯著性檢驗的地區主要分布在黑龍江省西北部以及中部大部分地區(圖2A)。冷夜天數(TN10p)各站均呈減少趨勢，減少幅度為0.6～6.0 d/10 a，孫吳減幅最大(6.0 d/10 a)，漠河減幅最??；除漠河站點外其余站點均通過了α=0.05的顯著性檢驗(圖2B)。暖晝天數(TX90p)各站點均呈增加趨勢，增加幅度為0.2～3.6 d/10 a，漠河增幅最大(3.6 d/10 a)，綏芬河增幅最小(0.2 d/10 a)；59.3%站點通過α=0.05顯著性檢驗(圖2C)。暖夜天數(TN90p)各站點均呈增加趨勢，增加幅度為1.2～5.7 d/10 a，孫吳增幅最大(5.7 d/10 a)，漠河增幅最?。凰姓军c均通過了α=0.05顯著性檢驗(圖2D)。

2.2.2 絕對指數 就冰凍天數(ID0)而言，各站均呈減少趨勢，減少幅度為0～2.2 d/10 a，呼瑪減幅最大(2.2 d/10 a)，富錦、綏芬河、鐵力減幅最小；11.1%站點通過了α=0.05顯著性檢驗。(圖3A)。霜凍天數(FD0)變化幅度為-6.7～0.6 d/10 a，漠河變幅為正值，其余變幅均為負值，孫吳減幅最大(6.7 d/10 a)，漠河增幅最大；除漠河站外其余站點。均通過了α=0.05顯著性檢驗(圖3B)。夏季天數(SU25)各站均呈增加趨勢，增加幅度為0.3～4.6 d/10 a，呼瑪增幅最大(4.6 d/10 a)，綏芬河增幅最??；除雞西和綏芬河外，所有站點均通過了α=0.05顯著性檢驗(圖3C)。熱夜天數(TR20)各站均呈增加趨勢，增加幅度為0～4.0 d/10 a，齊齊哈爾的增幅最大(4.0 d/10 a)，漠河、綏芬河、伊春增幅最??；88.9%站點通過了α=0.05顯著性檢驗(圖3D)。

注：陰影區域表示通過α=0.05變化趨勢的顯著性檢驗，下圖同。

圖2 1961-2016年黑龍江省極端氣溫相對指數變化趨勢及顯著性檢驗空間變化

圖3 1961-2016年黑龍江省極端氣溫絕對指數變化趨勢及顯著性檢驗空間變化

2.2.3 極值指數 近56 a日最高溫最大值(TXx)變化幅度為-0.1～0.5 d/10 a，3個站點變幅為負值，24個站點變幅為正值，嫩江增幅最大(0.5 d/10 a)，漠河減幅最大(0.1 d/10 a)；14.8%站點通過了α=0.05顯著性檢驗(圖4A)。日最高溫最小值(TXn)各站均呈增加趨勢，增加幅度為0.1～1.3℃/10 a，漠河增幅最大(1.3℃/10 a)，鐵力增幅最小(圖4B)。日最低溫最大值(TNx)各站均呈增加趨勢，增加幅度為0～0.7 d/10 a，孫吳增幅最大(0.7 d/10 a)，漠河、通河增加幅度最??；62.9%站點通過α=0.05顯著性檢驗(圖4C)。日最低溫最小值(TNn)各站點均呈升高趨勢，增加幅度為0.1～1.4℃/10 a，孫吳增幅最大(1.4℃/10 a)，富錦增幅最??；62.9%的站點通過α=0.05顯著性檢驗(圖4D)。

圖4 1961-2016年黑龍江省極端氣溫極值指數變化趨勢及顯著性檢驗空間變化

2.2.4 其他指數 日最高溫平均值(Tmaxmean)增加幅度為0～0.5 d/10 a，漠河增幅最大(0.5 d/10 a)，綏芬河增幅最?。?0.4%站點通過了α=0.05顯著性檢驗(圖5A)。日最低溫平均值(Tminmean)增加幅度為0.1～1.0℃/10 a，孫吳增幅最大(1.0℃/10 a)，漠河增幅最??；除漠河站外其余站點均通過了α=0.05顯著性檢驗(圖5B)。平均氣溫日較差(DTR)變化幅度為-0.7～0.3℃/10 a，漠河變幅為正值，其余站點變幅為負值，孫吳減幅最大(0.7℃/10 a)，漠河增幅最大(0.3℃/10 a)；96.3%站點通過α=0.05顯著性檢驗(圖5C)。生物生長季(GSL)增加幅度為0.8～3.9 d/10 a，牡丹江增幅最大(3.9 d/10 a)，虎林增幅最小；88.9%站點通過了α=0.05顯著性檢驗(圖5D)。

綜上所述，冷晝天數(TX10p)、冷夜天數(TN10p)、冰凍天數(ID0)各站點均呈減少趨勢；暖晝天數(TX90p)、暖夜天數(TN90p)、夏季天數(SU25)、熱夜天數(TR20)、日最高溫最小值(TXn)、日最低溫最大值(TNx)、日最低溫最小值(TNn)、日最高溫平均值(Tmaxmean)、日最低溫平均值(Tminmean)、生物生長季(GSL)各站點均呈增加趨勢。表明在空間分布方面，近56 a黑龍江27個站點極端氣溫指數均呈暖化趨勢，其中，暖化趨勢最為顯著的是漠河、孫吳等地。

在世界變暖這個大背景下，全國各地都表現不同程度的暖化，另外，黑龍江是國家重要的能源工業基地，是主要的煤炭調出省之一，而黑龍江相比于全國來說溫度相對較低，冬季人們大量燒煤取暖，產生溫室氣體，使得氣溫變得溫暖。黑龍江省林業發達，但最近這些年樹木數目呈下降趨勢，同樣加劇了氣候變暖。黑龍江省森林面積減少同樣導致全年日最高氣溫最高(低)值下降、最低氣溫最高值上升[29]。

圖5 1961-2016年黑龍江省極端氣溫其他指數變化趨勢及顯著性檢驗空間變化

2.3 突變分析

如圖6所示，由Mann-Kendall突變檢驗可知，4個相對指數中，2個指數(TX10p，TN10p)分別在1992年、1986年發生減少突變，TN90p不存在突變點，TX90p于1987年發生增加突變；對絕對指數而言，ID0不存在突變點，FD0在1988發生減少突變，SU25，TR20分別于1997年、1994年發生增加突變；4個極值指數變化不大，2個指數(TXx，TXn)不存在突變點，2個指數(TNx，TNn)分別在1976年、1981年發生增加突變；其他指數中，3個指數(Tmaxmean，Tminmean和GSL)分別于1988年、1985年、1987年發生增加突變，DTR在1986年發生減少突變。綜上所述，大部分指數約在1980s中后期至1990s中期發生暖化突變。

圖6 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數突變檢驗

2.4 極端氣溫小波分析

小波分析能夠較好地揭示地學中時間序列降水和氣溫多種變化周期以及不同時間尺度中的變化趨勢[30]。關于小波分析方法的介紹詳見文獻[26,31—32]。利用MATLAB對黑龍江省極端最高氣溫(日最高溫平均值)和極端最低氣溫(日最低溫平均值)進行了小波分析。從圖7A可以看出，Tmaxmean大約存在4～8 a，13～18 a，25～30 a共3個尺度的周期變化，25～30 a震蕩周期最為顯著，其中主周期為27 a，日最高溫平均值經歷了高—低—高—低等7個循環交替，說明未來2～3 a日最高溫平均值繼續增加。Tminmean大約存在5～6 a，8～10 a，13～15 a，18～25 a共4個尺度的周期變化，18～25 a震蕩周期最為顯著，其中主周期為20 a，日最低溫平均值經歷了高—低—高—低等9個循環交替。

圖7 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數的小波分析

2.5 極端氣溫指數變化趨勢與海拔高度、經緯度的關系

根據各項極端氣溫指數變化趨勢與地理參數的線性相關分析來看(表3)，相對指數與緯度的相關性普遍較高；絕對指數和其他指數與緯度的相關性不明顯；極值指數中TXx與緯度的相關性較高。可能是由于黑龍江省跨緯度比較大所致。所有指數與經度和海拔高度的相關性不顯著。另外，所有相對指數與極值指數中的TXx與緯度的相關性通過α=0.05顯著性檢驗。指數與指數之間的相關關系見表4。

表3 黑龍江各項極端氣溫指數變化趨勢與地理位置的相關系數

表4 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數之間相關關系矩陣

3 結 論

(1) 變化趨勢。時間方面，近56 a黑龍江省極端氣溫指數呈顯著暖化趨勢，且與日最低氣溫相關指數暖化趨勢最顯著(TN10p，FD0和TN90p)?？臻g方面，近56 a黑龍江27個站點極端氣溫指數均呈暖化趨勢，說明黑龍江省極端氣溫指數在時間和空間上均呈暖化趨勢。其中，暖化趨勢最為顯著的是漠河、孫吳等地。

(2) 突變檢驗。根據M-K檢驗結果，大部分指數約在1980s中后期至1990s中期發生暖化突變。

(3) 小波分析。日最低溫平均值大約存在5～6 a，8～10 a，13～15 a，18～25 a共4個尺度的周期變化，其中主周期為20 a；日最高溫平均值大約存在4～8 a，13～18 a，25～30 a共3個尺度的周期變化，經歷了高—低—高—低等7個循環交替，說明未來2～3 a日最高溫均值繼續增加。

(4) 相對指數與緯度的相關性普遍較高；絕對指數和其他指數與緯度的相關性不明顯；極值指數中TXx與緯度的相關性較高；所有指數與經度和海拔高度的相關性不顯著。