1971-2015年黑龍江省極端氣溫指數變化特征

田寶星，殷世平，郭立峰，劉 丹，張恒翀，王 銘

（黑龍江省氣象科學研究所，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

氣候變化不僅引起極端天氣頻發， 還對社會經濟和人類活動造成危害。 極端天氣事件特點是突發性強、破壞性大、難以預測等，極端天氣事件所導致的災害呈遞增趨勢[1-2]。 眾多學者已對極端溫度做了大量研究，但閾值方法不同，對分析極端氣候事件帶來難題。 因此世界氣象組織(WMO)成立專家組，在以往研究計劃和監測中選取11個極端降水指數和16個極端氣溫指數，有助于全面、客觀、科學的認識極端氣候變化規律[3-4]。

黑龍江省地處中國東北部， 土壤肥沃， 物產豐富， 氣候變化顯著， 同時氣象災害帶來損失愈加嚴重， 極端天氣導致的玉米倒伏造成減產10-24%[5-6]。因此， 黑龍江省極端氣溫指數的時空分布特征及演變規律非常值得研究， 對制定行之有效的防災減災措施具有重要的科學價值。

2 資料與方法

2.1 資料與定義

基于1971-2015年（此時段數據較為完整和連續）黑龍江省80個氣象站點逐日最高氣溫和最低氣溫數據，來自黑龍江省氣象數據中心。 利用WMO 在氣候變化監測會議中所定義的極端氣溫指數[7]。 極端氣溫指數包括極值指數和絕對指數， 極值指數為年內日最高（低）氣溫的極大（小）值；絕對指數是基于原始觀測值和固定閾值的指數，即夏天日數、結冰日數和霜凍日數(表1)。

表1 極端氣溫指數定義

2.2 研究方法

利用氣候統計方法， 將研究區域各站點1971-2015年逐日最高氣溫、 最低氣溫根據研究需要進行相關統計，得到極端最高氣溫、極端最低氣溫、夏天日數、結冰日數和霜凍日數，采用線性氣候傾向率[8]、EOF分析[9]和小波分析[10]等方法分析極端氣溫指數的分布特征和演變規律。 本文選用Morlet 復小波變換來分析極端氣溫指數時間序列的多時間尺度特征，可以濾掉實小波變換系數造成的虛假振蕩， 使研究結果更為精準。

3 結果與分析

3.1 極端氣溫指數趨勢變化

由圖1 可見，極端最高氣溫、極端最低氣溫呈增加趨勢， 極端最低氣溫增溫率為 0.41 ℃·（10a）-1，極端最高氣溫增溫率為 0.16 ℃·（10a）-1，極端最低氣溫的升溫趨勢更明顯。 從演變曲線來看，極值指數年代際變化特征明顯， 極端最高氣溫從20 世紀80年代以來氣溫逐漸升高，近幾年有所下降；極端最低氣溫則從20 世紀70年代以來氣溫逐漸升高， 近幾年有所下降。

絕對氣溫指數的變化曲線如圖1 所示， 霜凍日數和結冰日數呈減少趨勢，夏天日數則呈增加趨勢。霜凍日數和結冰日數在20 世紀70-80年代變化較為平穩，20 世紀80-90年代下降較為明顯，近幾年來有所增加，霜凍日數的下降幅度為 3.12 d·（10a）-1，這比周雅清[3]等得出的全國霜凍日數下降幅度3.0 d·（10a）-1要大， 這也反映出黑龍江氣候變化的敏感性較強。 夏天日數從20 世紀80年代以來不斷逐漸增加。

圖1 黑龍江省極端氣溫指數變化趨勢

3.2 極端氣溫指數空間變化

EOF分析顯示，黑龍江省極端氣溫指數（極端最高氣溫、極端最低氣溫、霜凍日數、結冰日數和夏天日數） 第1 特征向量方差貢獻率介于69-86%之間，體現研究區域極端氣溫指數的顯著空間分布。 圖2可見，極端最高氣溫、極端最低氣溫、結冰日數、夏天日數呈現一致的正變化趨勢，霜凍日數呈現正、負相間變化趨勢。 極端最高氣溫區內高值中心在拜泉附近，低值中心在東寧附近；極端最低氣溫區內高值中心在拜泉附近，低值中心在東寧附近；霜凍日數區內漠河附近為負值，其他地區為正值，空間變化呈現相反的變化趨勢；結冰日數區內高值中心在孫吳附近，低值中心在東寧附近； 夏天日數區內高值中心在穆棱附近，低值中心在綏芬河附近。 極端氣溫指數受地理環境影響較大，區域特征差異明顯。 極端氣溫指數第1 特征向量的時間系數絕對值最大， 表明這一時刻分布型式最典型。

圖2 黑龍江省極端氣溫指數第1 特征向量空間變化

3.3 極端氣溫指數周期變化

小波分析顯示（圖3），1971-2015年各種極端氣溫指數存在不同時間尺度的周期變化， 極端最高氣溫存在 28 a、22 a、13 a和 6 a 的周期變化，極端最低氣溫存在 26 a、18 a、11 a和 7 a 的周期變化，霜凍日數存在28 a、7 a和5 a 的周期變化， 結冰日數存在28 a、10 a和 6 a 的周期變化，夏天日數存在 28 a、22 a、8 a和 5 a 的周期變化。

圖3 黑龍江省極端氣溫指數小波方差

4 結論與討論

（1）黑龍江省極端最高氣溫、極端最低氣溫和夏天日數均呈增加趨勢， 結冰日數和霜凍日數呈減少趨勢，年代際特征明顯。

（2）黑龍江省極端最高氣溫、極端最低氣溫、結冰日數、 夏天日數空間分布模態呈現一致的正變化趨勢，霜凍日數空間分布模態呈現正、負相間變化趨勢。 極端最高氣溫、極端最低氣溫、結冰日數、夏天日數區內低值中心在東寧-綏芬河附近，極端最高氣溫和極端最低氣溫區內高值中心在拜泉附近， 結冰日數區內高值中心在孫吳附近， 夏天日數區內高值中心在穆棱附近， 霜凍日數區內漠河與其他地區空間變化形勢相反。 極端氣溫指數受地理環境影響較大，區域特征差異明顯。

（3）黑龍江省各種極端氣溫指數存在3 種較為明顯的周期變化， 即22-28 a 長周期，10-18 a 中周期，5-8 a 短周期。

（4）本研究限于資料和研究水平，得出的黑龍江省各種極端氣溫指數演變特征只是基于統計所得，未能從物理過程及其機理出發揭示極端氣溫對氣候變化的響應機制， 還需進行更深入的理論和數值模擬驗證。