1981～2016年渭河流域上中下游極端氣溫差異研究

張海寧，任源鑫，張新弟，周 旗*

(1.寶雞文理學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院，陜西 寶雞 721013；2.陜西省寶雞市馮家山水庫管理局，陜西 寶雞 721300)

政府間氣候變化組織(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出：1880～2012年，全球氣候的平均地表溫度升高了約0.85 ℃；1951～2012年，全球的平均地表溫度升溫速率達(dá)到0.12 ℃/10年，約為1880年以來升溫速率的兩倍[1，2]。全球變暖的趨勢(shì)愈加嚴(yán)重，極端氣候事件的發(fā)生頻率明顯提高，因此極端氣候事件的發(fā)生發(fā)展及其變化規(guī)律備受科學(xué)家們的關(guān)注。

國內(nèi)外學(xué)者已采用多種方法對(duì)極端氣溫事件進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)分析。線性回歸算法、Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)、相關(guān)分析法[3，4]等傳統(tǒng)方法在極端事件研究中使用較多。在全球范圍內(nèi)，Song等[5]對(duì)2010年前近30年的世界極端氣溫事件進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)全球極端冷暖事件發(fā)生頻率均呈增加趨勢(shì)。在國內(nèi)，眾多學(xué)者的研究成果反映出近幾十年國內(nèi)各流域、地區(qū)極端氣溫事件的發(fā)生呈增加趨勢(shì)。淮河流域[6,7]、珠江流域[8]、長江流域[9]、中國沿海地區(qū)[10]以及中國西北西南地區(qū)[11-13]冷指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，暖指數(shù)呈上升趨勢(shì)，突變發(fā)生在20世紀(jì)80年代至21世紀(jì)初期，整體氣溫有所升高，極端氣溫事件發(fā)生頻率有所增加。自1980年，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開始了渭河流域極端氣溫事件的相關(guān)研究。蔡新玲等[14]的研究表明，近50 a陜西省年極端氣溫事件在空間分布上具有較好的一致性。馮星等[15]研究表明，渭河流域近55 a氣溫總體呈小幅增加趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代中期到90年代初期氣溫增長幅度較大。王帥等[16]研究表明，渭河流域各年、季的平均氣溫均表現(xiàn)為顯著上升趨勢(shì)，1993年為氣溫突變年。董晴晴等[17]研究發(fā)現(xiàn)，渭河流域關(guān)中地區(qū)的平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，冬季對(duì)流域平均氣溫的變暖貢獻(xiàn)最大；歷年及各季平均氣溫的突變時(shí)間均為20世紀(jì)90年代中期。

總體來說，諸多學(xué)者偏重于渭河流域極端氣溫事件整體趨勢(shì)格局的相關(guān)研究，少有學(xué)者對(duì)渭河流域上、中、下游極端氣溫事件進(jìn)行差異評(píng)價(jià)。

本文以渭河流域?yàn)檠芯繀^(qū)域，定義林家村站之上為渭河上游流域，林家村站至咸陽站之間為渭河中游流域，咸陽站之下為渭河下游流域。借助氣候變化監(jiān)測和指數(shù)專家組 ETCDI(Expect Team on Climate Change Detection and Indices)定義的核心指數(shù)，結(jié)合渭河流域的氣候特點(diǎn)，選取可以表征渭河流域極端氣溫事件的12個(gè)指數(shù)；基于R ClimDex軟件[18]計(jì)算了1981～2016年渭河流域66個(gè)氣象站點(diǎn)的氣溫?cái)?shù)據(jù)并建立了極端氣溫指數(shù)時(shí)間序列。首先運(yùn)用線性回歸法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法對(duì)氣溫指數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行處理，同時(shí)結(jié)合累計(jì)距平法分析渭河流域上、中、下游36 a氣溫趨勢(shì)差異和突變情況。其次結(jié)合任國玉等[19]對(duì)極端氣溫指數(shù)的分類，對(duì)12個(gè)極端氣溫指數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，篩選出能夠表征“相對(duì)閾值極端高低溫(日數(shù))、持續(xù)性高低溫事件、年較差”的極端氣溫指數(shù)，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)分析和R/S分析，研究渭河上、中、下游流域未來的氣溫變化趨勢(shì)，為研究區(qū)未來極端氣溫事件的研究提供科學(xué)預(yù)測和理論參考。

1 研究區(qū)概況

渭河是黃河的第一大支流，其干流全長約818 km，流域覆蓋總面積約13.5萬km2。發(fā)源地位于甘肅省定西市渭源縣，流經(jīng)甘肅省天水市、陜西省關(guān)中平原(主要包括寶雞、咸陽、西安、渭南)等地區(qū)，并在渭南市的潼關(guān)縣匯入黃河。渭河流域位于大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，并處于干旱、濕潤地區(qū)的過渡交錯(cuò)地帶；主要受西太平洋副熱帶高壓的影響，年降水較少，同時(shí)蒸發(fā)量較大。渭河流域呈現(xiàn)西高東低的地勢(shì)：其中渭河流域的西部為黃土丘陵溝壑區(qū)，東部為關(guān)中平原區(qū)，南部為秦嶺山脈，北部為黃土高原地區(qū)。渭河流域春季氣溫不穩(wěn)定，夏季炎熱多雨，秋季涼爽濕潤，冬季寒冷且干燥。流域內(nèi)多年平均氣溫在7.8～13.5 ℃。極端最高氣溫為42.8 ℃，極端最低氣溫約為-28.1 ℃。

2 研究內(nèi)容及方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與處理

為研究渭河流域極端氣溫事件的變化規(guī)律，本文選取渭河流域數(shù)據(jù)較為完整、空間分布較為均勻的66個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)的逐日氣溫資料。同時(shí)對(duì)資料進(jìn)行質(zhì)量控制，對(duì)短期缺測數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)。其中采用的逐日氣溫資料主要來源于陜西、甘肅兩省氣候中心，部分?jǐn)?shù)據(jù)通過國家氣候數(shù)據(jù)共享網(wǎng)(https://data.cma.cn)進(jìn)行補(bǔ)充，氣溫資料時(shí)段取在1981年1月1日～2016年12月31日。

圖1 渭河流域及主要站點(diǎn)示意圖

2.2 研究方法

本文選取 ETCDI定義的12個(gè)極端氣溫指數(shù)來分析渭河流域極端氣溫事件，所選指標(biāo)定義及表示方式見表1；同時(shí)采用線性趨勢(shì)法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)和R/S分析等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析。其中Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[7,19]是分析氣象數(shù)據(jù)時(shí)間序列趨勢(shì)的常用方法，能夠很好地體現(xiàn)氣象數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)和突變點(diǎn)。R/S分析法又稱為重標(biāo)極差分析法(Rescaled Range Analysis)，其中Hurst指數(shù)能很好地揭示時(shí)間序列中的趨勢(shì)成分，證明未來變化的總體趨勢(shì)與過去的關(guān)系。

表1 極端氣候事件類型及其定義

3 結(jié)果與分析

3.1 1981～2016年渭河流域極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)

1981～2016年渭河流域上中下游地區(qū)極端氣溫指數(shù)的變化趨勢(shì)見圖2、表2。冷持續(xù)指數(shù)(CSDI)在渭河流域上、下游呈下降趨勢(shì)，下降速率分別為0.079 d/10 a、0.12 d/10 a，中游以0.103 d/10 a的速率上升，全流域以0.063 d/10 a的速率下降，但變化幅度均較小，歷年變化較平穩(wěn)；結(jié)合圖2a、表2，2008年冷持續(xù)指數(shù)在流域內(nèi)的變化均出現(xiàn)了極大值。暖持續(xù)指數(shù)(WSDI)在渭河流域內(nèi)均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，上升速率分別為2.579 d/10 a、2.116 d/10 a、2.052 d/10 a及2.133 d/10 a，上升速率從上游至下游逐漸減小，21世紀(jì)初期暖持續(xù)指數(shù)上升速率較快；結(jié)合圖2b、表2，1998年后該指數(shù)上升較顯著，表明36 a來渭河流域最高氣溫大于90%分位值的日數(shù)逐漸增加，渭河流域內(nèi)呈變暖趨勢(shì)，且變暖速率從上游至下游逐漸減慢。

生物生長季(GSL)在渭河流域內(nèi)均呈上升趨勢(shì)，上升速率分別為8.109 d/10 a、7.401 d/10 a、7.728 d/10 a和7.721 d/10 a，結(jié)合圖2c、表2，21世紀(jì)初期變化速率明顯加快，2005年后該指數(shù)上升較為顯著。年氣溫日較差(DTR)在上游以0.162 ℃/10 a的速率下降，中、下游及全流域分別以0.178 ℃/10 a、0.199 ℃/10 a、0.207 ℃/10 a的速率上升，下游的變化速率大于上游；表明渭河流域年氣溫日較差從上游至下游逐漸變大，下游的年氣溫變化波動(dòng)更大。

熱夜日數(shù)(TR20)在渭河流域內(nèi)均呈上升趨勢(shì)，中游上升速率最大，為5.784 d/10 a，其次是下游和上游，全流域與各區(qū)域的變化趨勢(shì)一致。霜凍日數(shù)(FD0)在渭河流域內(nèi)均呈下降趨勢(shì)，中游地區(qū)下降速率最大，為6.121 d/10 a，其次是下游和上游，全流域霜凍日數(shù)的變化趨勢(shì)與各區(qū)域變化趨勢(shì)相符。冰凍日數(shù)(ID0)在渭河流域內(nèi)均呈下降趨勢(shì)，上游地區(qū)下降速率最大，表明渭河流域日最高氣溫小于0 ℃的日數(shù)在36 a內(nèi)逐漸減少，即每年的日最高氣溫整體上在升高，整個(gè)流域呈現(xiàn)出變暖的趨勢(shì)。

夏日日數(shù)(SU25)在上、中、下游均呈上升趨勢(shì)，上升速率從上游至下游逐漸減小，上游的上升速率最快，約每10年增加8 d，表明渭河流域各地區(qū)每年日最高氣溫大于25 ℃的天數(shù)呈現(xiàn)逐年增多的趨勢(shì)，上游地區(qū)變暖趨勢(shì)更加明顯。

冷晝?nèi)諗?shù)(TX10p)在渭河流域內(nèi)均呈下降趨勢(shì)；暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)在渭河流域內(nèi)均呈上升趨勢(shì)，結(jié)合圖2i、圖2j及表2，冷晝?nèi)諗?shù)和暖晝?nèi)諗?shù)的變化速率均為從上游至下游逐漸減小，表明上游地區(qū)極端高溫天氣情況變化更為顯著。

圖2 1981～2016年渭河流域極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)

冷夜日數(shù)(TN10p)在渭河流域上、中、下游均呈下降趨勢(shì)，暖夜日數(shù)(TN90p)在上、中、下游均呈上升趨勢(shì)。結(jié)合表2得知，兩個(gè)指數(shù)中游地區(qū)的變化速率最大，其次是上游地區(qū)；全流域內(nèi)冷夜日數(shù)以1.629 d/10 a的速率呈下降趨勢(shì)，暖夜日數(shù)以3.363 d/10 a的速率呈上升趨勢(shì)，暖夜日數(shù)的變化速率約是冷夜日數(shù)的2倍。

表2 渭河流域極端氣溫指數(shù)線性趨勢(shì)

渭河流域極端冷指標(biāo)的整體變化呈下降趨勢(shì)，而極端暖指標(biāo)的整體變化呈上升趨勢(shì)；冷指標(biāo)的變化速率為中游最快，暖指標(biāo)的變化速率為上游最快，其中暖持續(xù)指數(shù)上升速率從上游至下游逐漸減小，上游地區(qū)連續(xù)高溫的日數(shù)逐漸增多；說明渭河流域整體上表現(xiàn)為增暖的趨勢(shì)，與謝志祥等[6,9]的研究結(jié)果相吻合。

3.2 1981～2016年渭河流域極端氣溫指數(shù)突變分析

突變分析的目的在于找到突變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，因此首先采用M-K檢驗(yàn)對(duì)1981～2016年渭河流域極端氣溫指數(shù)進(jìn)行突變檢驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合累計(jì)距平法分析其變化趨勢(shì)，確定其突變點(diǎn)及突變年份，突變檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 渭河流域極端氣溫指數(shù)的突變年份

1981～2016年，冷持續(xù)指數(shù)在1997年左右發(fā)生了由多到少的突變，在2008年左右發(fā)生了由少到多的突變，表明在1997年連續(xù)低溫日數(shù)短時(shí)間快速增多。霜凍日數(shù)在1999年左右發(fā)生了由少到多的突變，表明在20世紀(jì)末日最低溫度低于0 ℃的天氣日數(shù)突然增多；冰凍日數(shù)在1993年左右發(fā)生了由多到少的突變，表明日最高溫度小于0 ℃的日數(shù)突然減少。冷夜日數(shù)在1997年左右發(fā)生了由多到少的突變，冷晝?nèi)諗?shù)在1997年左右發(fā)生了由少到多的突變。綜上所述，20世紀(jì)90年代末期為渭河流域冷指標(biāo)的突變時(shí)期。

暖持續(xù)指數(shù)在1997年左右發(fā)生了由多到少的突變，熱夜日數(shù)在1993年左右發(fā)生了由少到多的突變，表明此階段日最低氣溫大于20 ℃的日數(shù)突然增加。暖晝?nèi)諗?shù)在1994年左右發(fā)生了由多到少的突變，暖夜日數(shù)在1997年左右發(fā)生了由少到多的突變。夏日日數(shù)在1993年左右發(fā)生了由少到多的突變，表明此階段日最高氣溫大于25 ℃日數(shù)的上升速率顯著加快，高溫日數(shù)增多。綜上所述，1993～1997年為渭河流域暖指標(biāo)的突變時(shí)期。

綜合得知，1981～2016年渭河流域極端氣溫指數(shù)的突變時(shí)期為20世紀(jì)90年代，尤其在1993年和1997年突變情況最為明顯；暖指標(biāo)的突變時(shí)期略早于冷指標(biāo)。

3.3 渭河流域全流域與上、中、下游氣溫的相關(guān)分析情況

對(duì)12個(gè)指數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合任國玉等[19]對(duì)極端氣溫指數(shù)的分類，篩選出顯著性高且能夠表征“相對(duì)閾值極端高低溫(日數(shù))、持續(xù)性高低溫事件、年較差”的6個(gè)極端氣溫指數(shù)。其中相對(duì)閾值極端高低溫(日數(shù))選取冷晝?nèi)諗?shù)(TX10p)和暖夜日數(shù)(TN90p)；持續(xù)性高低溫事件選取冷持續(xù)指數(shù)(CSDI)、暖持續(xù)指數(shù)(WSDI)和霜凍日數(shù)(FD0)；年較差選取氣溫日較差(DTR)。

對(duì)上、中、下游的6個(gè)指數(shù)與渭河全流域進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表4。結(jié)果表明渭河流域上中下游地區(qū)的相關(guān)分析結(jié)果均接近1，說明上中下游對(duì)渭河流域極端氣溫指數(shù)變化的影響均較大；尤其是下游地區(qū)冷晝?nèi)諗?shù)(TX10p)、暖夜日數(shù)(TN90p)、氣溫日較差(DTR)的相關(guān)分析結(jié)果更大，說明下游地區(qū)與渭河流域的極端氣溫指數(shù)相關(guān)性更高，對(duì)渭河流域極端氣溫指數(shù)影響最大的地區(qū)是下游地區(qū)。

表4 渭河流域極端氣溫指數(shù)相關(guān)分析結(jié)果

3.4 1981～2016年渭河流域極端氣溫指數(shù)R/S分析

為研究渭河流域上中下游極端氣溫指數(shù)的未來變化趨勢(shì)，對(duì)顯著性高的6個(gè)極端氣溫指數(shù)進(jìn)行R/S分析，計(jì)算極端氣溫指數(shù)的Hurst指數(shù)。Hurst指數(shù)的大小反映了變化趨勢(shì)的持續(xù)性(反持續(xù)性)的強(qiáng)弱[20]。當(dāng)H=0.5時(shí)，表示氣候序列是獨(dú)立的隨機(jī)序列，現(xiàn)在不會(huì)影響未來。當(dāng)0.5

由表5可知，渭河流域上中下游極端氣溫指數(shù)具有Hurst現(xiàn)象，且Hurst指數(shù)均大于0.5，表明未來變化趨勢(shì)與1981～2006年間的變化趨勢(shì)一致，且持續(xù)性強(qiáng)度較強(qiáng)。過去36 a內(nèi)，冷指標(biāo)為下降趨勢(shì)且Hurst指數(shù)均大于0.5，表明未來冷指標(biāo)將繼續(xù)呈下降趨勢(shì)；暖指標(biāo)、氣溫日較差和生物生長季為下降趨勢(shì)，且Hurst指數(shù)均大于0.5，表明未來暖指標(biāo)將繼續(xù)呈上升趨勢(shì)。

表5 渭河流域極端氣溫指數(shù)的Hurst指數(shù)

整體來看，極端氣溫指數(shù)的未來總體趨勢(shì)具有強(qiáng)持續(xù)性，未來渭河流域變暖趨勢(shì)的可能性較大。上游地區(qū)極端氣溫指數(shù)的持續(xù)性程度較中、下游更強(qiáng)，變暖趨勢(shì)更明顯。

4 結(jié)論

通過對(duì)12個(gè)極端氣溫指數(shù)的研究，得出關(guān)于渭河流域極端氣溫事件的主要結(jié)論如下：1981～2016年間，渭河流域暖指標(biāo)(暖持續(xù)指數(shù)，熱夜日數(shù)，夏日日數(shù)，暖晝?nèi)諗?shù)，暖夜日數(shù))呈波動(dòng)上升趨勢(shì)變化，變化速率從上游到下游逐漸減小，上游地區(qū)連續(xù)高溫和極端高溫出現(xiàn)的日數(shù)逐漸增多；冷指標(biāo)(冷持續(xù)指數(shù)，霜凍指數(shù)，冰凍日數(shù)，冷晝?nèi)諗?shù)，冷夜日數(shù))呈顯著下降趨勢(shì)；說明過去36 a渭河流域呈變暖趨勢(shì)，上游變暖趨勢(shì)最明顯，上游極端氣溫事件的發(fā)生頻率大于下游。

渭河流域極端氣溫指數(shù)的突變時(shí)期集中在20世紀(jì)90年代，尤其在1993年和1997年突變情況最為明顯；暖指標(biāo)的突變時(shí)間略早于冷指標(biāo)。對(duì)渭河流域極端氣溫變化影響最大的區(qū)域?yàn)槲己酉掠螀^(qū)域。冷指標(biāo)在未來將繼續(xù)呈下降趨勢(shì)，暖指標(biāo)在未來將繼續(xù)呈上升趨勢(shì)；上游地區(qū)極端氣溫指數(shù)的持續(xù)性程度較中、下游更強(qiáng)，未來變暖的趨勢(shì)更明顯。