遵義市極端氣溫指數的時空變化特征

鄒德全， 鄒承立， 田洪進， 吳心路， 鄒 象

(1.貴州省遵義市氣象局， 貴州 遵義 563000；2.生態環境部 核與輻射安全中心， 北京100082)

0 引言

【研究意義】全球氣溫升高不僅導致極端氣溫發生變化，而且引起極端氣候事件頻率和強度的變化，給農業生產及社會經濟發展產生極大的不確定性。揭示區域長期極端氣候變化規律及極端氣候隨空間位置的分布關系，對遵義市農業生產結構調整及社會經濟發展等具有重要的指導意義。【前人研究進展】近100年全球地表溫度升高0.85℃，近50年中國年平均地面溫度以0.22℃/10a的速率上升1.1℃，增幅比同期全球高。近年來，中國群發性或區域性的極端氣候事件頻次和范圍不斷增大[1]。劉琳等[2]研究表明，西南5省市冷指數下降，暖指數上升，氣候呈變暖趨勢，并且晝夜溫差變小；極端氣溫指數空間分布規律不明顯，云南省發生極端氣候事件的風險較大。然而，該文獻引用資料密度較低，且得出的是較大區域的結論，如貴州省近90個站僅引用5個，遵義市13站只引用1個，顯然，資料尺度分辨率尚有提升空間。遵義市(27°08′～29°12′N，105°36′～108°13′E)處于云貴高原的東北部向湖南丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶，國土面積30 762 km2，生態環境脆弱，容易發生重旱和特旱[3]。21世紀以來，干旱事件頻率和強度都在增加，如2009年和2010年“夏秋冬春”連旱，2006年、2011年和2013年夏旱等極端氣候事件給農業生產及社會經濟造成巨大損失[4]。【研究切入點】目前，國內及西南5省市極端氣候指數時空分布規律已有研究報道，但未見較全面系統地研究遵義市特定區域極端氣溫變化規律的報道。為此，選擇遵義市各縣(市、區)近56年的逐日最高、最低氣溫數據資料，利用冰凍日數(ID)、霜凍日數(FD)和夏天日數(SU)等16種氣溫指數，采用線性傾向估計和偏相關分析方法，研究分析遵義市16種極端氣溫指數時空變化特征。【擬解決的關鍵問題】探明遵義市整體區域及其各縣(市、區)16種極端氣溫指數長期變化趨勢及其與海拔、經度和緯度間的關聯性，為遵義市農業生產結構調整及防災減災提供參考依據。

1 資料與方法

1.1 資料

逐日最高、最低氣溫數據：1960-2015年遵義市逐日最高、最低氣溫數據，來源于貴州省氣象信息中心共享服務網。包括遵義市務川縣、道真縣、正安縣、綏陽縣、桐梓縣、習水縣、赤水市、仁懷市、播州區、湄潭縣、鳳岡縣、余慶縣和匯川區等13個縣(市、區)。

1.2 方法

1.2.1 極端氣溫指數指標的確定 選擇世界氣象組織(WMO)氣候學委員會(CCI)及氣候變化和可預測性研究計劃(CLIVAR)聯合提出的氣候變化檢測指數(ETCCDI)中的16個氣溫指數(表1[1-2])為研究對象；遵義整體區域極端氣溫指數為所轄各縣(市、區)站點的算術平均值，各縣(市、區)平均極端氣溫指數為1960-2015年的時段平均值。

表1 極端氣溫指數的定義

1.2.2 線性傾向估計 線性傾向估計是建立因變量與時間序列之間的一元線性回歸方程[5]。回歸系數稱為傾向值，當傾向值>0時，因變量隨時間的增加呈上升趨勢；相反，當傾向值<0時，因變量隨時間的增加呈下降趨勢；回歸系數的大小反應上升或者下降的速率。其次，用因變量與時間之間的相關系數進行顯著性檢驗來判斷上升或者下降變化趨勢的顯著性。以遵義市整體及其各縣(市、區)各年的16個極端氣溫指數為因變量，參照文獻[5]的方法對因變量與相應年代序列進行線性傾向估計。

1.2.3 偏相關性分析 偏相關系數是在對其他變量的影響進行控制或者扣除的條件下，衡量多個變量中某兩個變量之間的線性相關程度的指標[6-7]。用偏相關系數描述兩個變量之間的內在線性聯系更合理、更可靠，更能揭示其本質規律，并且偏相關系數絕對值越大，相關程度就越高。參照文獻[6]的方法，分別計算出遵義市各縣(市、區)16個平均極端氣溫指數及其傾向值與經度(控制緯度和海拔高度)、緯度(控制經度和海拔高度)、海拔高度(控制經度和緯度)的2階偏相關系數。

1.3 數據統計與分析

采用Excel 2010對數據進行統計與分析。

2 結果與分析

2.1 遵義市極端氣溫指數的時空變化

2.1.1 長期變化 研究結果表明，遵義市16個極端氣溫指數的變化中，冰凍日數(ID)、霜凍日數(FD)、冷日指數(TX10)、冷夜指數(TN10)、冷日持續日數(CSDI)、暖日持續日數(WSDI)和月平均日較差(DTR)的變化速率分別為-0.09 d/10a、-1.99 d/10a、-0.12%/10a、-1.26%/10a、-0.7 d/10a、-0.24 d/10a和-0.12℃/10a，均呈減少變化趨勢；夏天日數(SU)、熱夜日數(TR)、暖日指數(TX90)、暖夜指數(TN90)、生長期長度(GSL)、最高氣溫極大值(TXx)、最低氣溫極小值(TNn)、最低氣溫極大值(TNx)和最高氣溫極小值(TXn)的變化速率分別為0.64 d/10a、2.07 d/10a、0.41%/10a、1.11%/10a、0.13℃/10a、0.19℃/10a、0.17℃/10a、0.41℃/10a和1.72℃/10a，均呈增加變化趨勢。16個極端氣溫指數中，FD、TR、TN10、TN90、CSDI、DTR、TNx、TXn、TXx和TXn等10個指數顯著性水平小于0.05。其中，冷特征指數FD、CSDI、TN10和月平均日較差指數(DTR)呈顯著減少趨勢，暖特征指數TN90、TR和所有極值指數TXx、TNn、TNx、TXn呈顯著增加趨勢。除TR、TXx變化幅度大于西南地區或中國平均水平外，其余指數變化幅度均小于西南地區和(或)中國平均水平。

2.1.2 空間變化

1) 極端氣溫指數。從圖1看出，遵義市各縣(市、區)16個極端氣溫指數的空間分布：冰凍日數(ID)均<4 d，平均1.5 d。其中，赤水、正安和道真3個縣(市)為0 d，幾乎不出現冰凍現象，冰凍日數最多的是處于西北部海拔最高的習水縣，除西北部的赤水市和西南部的余慶縣外，分布趨勢主體上從東北低海拔地區向西南高海拔地區遞增。霜凍日數(FD)為0～26 d，平均14.7 d，各縣(市、區)差異較大，以西北部的習水縣出現最多，為26 d；同處西北部的赤水市無霜凍日數；主體上從東北低海拔地區向西南高海拔地區呈遞增趨勢。夏天日數(SU)為87～149 d，平均122.9 d，各縣(市、區)差異較大，以東南部的余慶縣出現最多，為149 d；西北部的習水縣出現最少，為87 d；主體上從東部低海拔地區向西部高海拔地區呈遞減趨勢。熱夜日數(TR)為26～108 d，平均69.7 d，各縣(市、區)差異較大，以西北部的赤水市出現最多，為108 d；同處西北部的習水縣出現最少，為26 d；主體上從東部低海拔地區向西部高海拔地區呈遞減趨勢。冷日指數(TX10)為9.90%～10.69%，平均10.31%，以西北部的習水縣最高，為10.69%；同處西北部的赤水市最低，為9.90%，除西北部的赤水市、東北部的務川自治縣和東南部的余慶縣外，主體上從東北部低海拔地區向西南部高海拔地區呈遞增趨勢。冷夜指數(TN10)為10.15%～12.24%，平均11.5%，以東北部的務川縣最高，為12.24%；東南部的余慶縣最低，為10.15%；經緯向分布規律性不明顯。暖日指數(TX90)為10.24%～11.24%，平均10.6%，以東部的鳳岡縣最高，為11.24%；西北部的習水縣最低，為10.24%；經緯向分布規律性不明顯。暖夜指數(TN90)為9.36%～11.06%，平均10.0%，以西北部的赤水市最高，為11.06%；南部的播州區最低，為9.36%；經緯向分布規律性不明顯。

圖1 遵義市各縣(市、區)16個極端氣溫指數的空間分布

最高氣溫極大值(TXx)為32.1～39.2℃，平均35.3℃，以西北部的赤水市最高，為39.2℃；同處西北部的習水縣最低，為32.1℃；主體上從東部低海拔地區向西部高海拔地區呈遞減趨勢。最低氣溫極小值(TNn)為-4.7～0.9℃，平均-3.3℃，以西北部的赤水市最高，為0.9℃；同處西北部的習水縣最低，為-4.7℃；主體上從東部低海拔地區向西部高海拔地區呈遞減趨勢。最低氣溫極大值(TNx)為23.3～29.0℃，平均25.0℃，以西北部的赤水市最高，為29.0℃；同處西北部的習水縣最低，為23.3℃；主體上從東北向西南呈遞減趨勢。最高氣溫極小值(TXn)為-1.1～4.9℃，平均0.51℃，以西北部的赤水市最高，為4.9℃；同處西北部的習水縣最低，為-1.1℃；主體上從東北向西南呈遞減趨勢。冷日持續日數(CSDI)為3～7 d，平均4.8 d，以播州區最多，為7 d；綏陽縣最少，為3 d；經緯向分布規律性不明顯。暖日持續日數(WSDI)為5～8 d，平均6.2 d，以綏陽縣最多，為8 d；桐梓縣最少，為5 d；經緯向分布規律性不明顯。生長期長度(GSL)為318～362 d，平均342.8 d，各縣(市、區)差異較大，以西北部的赤水市最長，為362 d；同處西北部的習水縣最短，為318 d；主體上從東北向西南呈遞減趨勢。月平均日較差(DTR)為6.7～8.2℃，平均7.3℃，以西南部的余慶縣最大，為8.2℃；西北部的習水縣最小，為6.7℃；主體上從東向西呈遞減趨勢。

2) 極端氣溫指數傾向值。從圖2可知，遵義市各縣(市、區)16個極端氣溫指數傾向值的空間分布：冰凍日數(ID)傾向值為-0.64～-0.01 d/10a，均呈減少趨勢(赤水市無冰凍紀錄)，無縣(市、區)顯著性小于0.05，以西北部的習水縣減小速率最大，為-0.64 d/10a；西南部的余慶縣減小速率最小，為-0.01 d/10a；分布趨勢主體上減小幅度從東向西遞增。霜凍日數(FD)傾向值為-3.72～-0.12 d/10a，均呈減少趨勢，13個縣(市、區)顯著性均小于0.05，以西北部的習水縣減小速率最大，為-3.72 d/10a；西南部的余慶縣減小速率最小，為-0.12 d/10a；分布趨勢主體上減小幅度從東向西遞增。霜凍日數(FD)傾向值為-3.72～-0.12 d/10a，均呈減少趨勢，13個縣(市、區)顯著性均小于0.05，以西北部的習水縣減小速率最大，為-3.72 d/10a；西南部的余慶縣減小速率最小，為-0.12 d/10a；分布趨勢主體上減小幅度從東向西遞增。霜凍日數(FD)傾向值為-3.72～-0.12 d/10a，均呈減少趨勢，13個縣(市、區)顯著性均小于0.05，以西北部的習水縣減小速率最大，為-3.72 d/10a；西南部的余慶縣減小速率最小，為-0.12 d/10a；分布趨勢主體上減小幅度從東向西遞增。夏天日數(SU)傾向值除西南部的余慶縣以-0.45 d/10a減少外,其余12個縣(市、區)為0.27～1.63 d/10a，均呈增加趨勢，無縣(市、區)顯著性小于0.05，以西北部的習水縣的增速最大，為1.63 d/10a；南部的播州區的增速最小，為0.27 d/10a；經緯向分布規律性不明顯。熱夜日數(TR)傾向值除西南部的余慶縣以-0.11 d/10年減少外，其余12個縣(市、區)均呈增加趨勢，為0.77～4.48 d/10a，其中8個縣(市、區)顯著性小于0.05，以西北部的習水縣的增速最大，為4.48 d/10a；東北部的正安縣的增速最小，為0.77 d/10a，經緯向分布規律性不明顯。冷日指數(TX10)傾向值，2個海拔較低的西南部余慶縣和西北部赤水市呈增加趨勢，分別為0.15%/10a和0.16%/10a；其余11個縣(市、區)均呈減少趨勢，為-0.76%～-0.05%/10a，減幅較小，有2個縣(市、區)顯著性小于0.05，以西北部海拔最大的習水縣減速最大，為-0.76%/10a；中部的綏陽縣減速最小，為-0.05%/10a；經緯向分布規律性不明顯。冷夜指數(TN10)傾向值為-2.52%～-0.63%/10a均呈減少趨勢，全部縣(市、區)顯著性均小于0.05，以東北部的務川縣減速最大，為-2.52%/10a；西南部的余慶縣減速最小，為-0.63%/10a；經緯向分布規律性不明顯。

圖2 遵義市各縣(市、區)16個極端氣溫指數傾向值的空間分布

暖日指數(TX90)傾向值為0.23%～0.91%/10a，均呈增加趨勢，有5個縣(市、區)顯著性小于0.05，以西北部的務川縣的增速最大，為0.91%/10a；西南部的余慶縣的增速最小，為0.23%/10a；經緯向分布規律性不明顯。暖夜指數(TN90)傾向值為0.34%～1.92%/10a，均呈增加趨勢，有11個縣(市、區)顯著性小于0.05，東北部的務川縣的增速最大，為1.92%/10a；西北部海拔較低的赤水市的增速最小，為0.34%/10a；經緯向分布規律性不明顯。最高氣溫極大值(TXx)傾向值為0.01%～0.2℃/10a，均呈增加趨勢，僅1個縣(市、區)顯著性小于0.05，以西北部的習水縣的增速最大，為0.2℃/10a；南部的播州區的增速最小，為0.01℃/10a；經緯向分布規律性不明顯。最高氣溫極小值(TXn)傾向值為0.16～0.31℃/10a，均呈增加趨勢，有6個縣(市、區)顯著性小于0.05，以西北部的習水縣的增速最大，為0.31℃/10a；西南部的余慶縣的增速最小，為0.16℃/10a；經緯向分布規律性不明顯。最低氣溫極大值(TNx)為0.01～0.26℃/10a，均呈增加趨勢，有9個縣(市、區)顯著性小于0.05，以南部的匯川區的增速最大，為0.26℃/10a，西北部赤水市的增速最大，為0.01℃/10a，經緯向分布規律性不明顯。最低氣溫極小值(TNn)為0.09～0.57℃/10a，均呈增加趨勢，有12個縣(市、區)顯著性小于0.05，以南部的匯川區的增速最大，為0.57℃/10a；西北部的赤水市的增速最小，為0.09℃/10a；經緯向分布規律性不明顯。冷日持續日數(CSDI)傾向值為-2.19～-0.14 d/10a，均呈減少趨勢，有6個縣(市、區)顯著性小于0.05，以東北部的務川縣的減速最大，為-2.19 d/10a；西南部的余慶縣減速最小，為-0.14 d/10a。暖日持續日數(WSDI)傾向值有5個縣(市、區)為增加趨勢，為0.03～0.38 d/10a，以綏陽縣的增速最大，為0.38 d/10a；匯川區的增速最小，為0.03 d/10a；無縣(市、區)顯著性小于0.05；有8個縣(市、區)為減少趨勢，為-0.91～-0.07 d/10a，以西南部的余慶縣減速最大，為-0.91 d/10a；西部的仁懷市減速最小，為-0.07 d/10a；無縣(市、區)顯著性小于0.05，經緯向分布規律性不明顯。生長期長度(GSL)傾向值10縣(市、區)呈增加趨勢，為0.65～2.53 d/10a，以東北部的務川縣的增速最大，為2.53 d/10a；同為東北部的正安縣增速最小，為0.65 d/10a；無縣(市、區)顯著性小于0.05；有3個縣(市、區)呈減少趨勢，為-0.62～-0.08 d/10a，顯著性均小于0.05，以西南部余慶縣的減速最大，為-0.62 d/10a；西北部赤水市的減速最小，為-0.08 d/10a；經緯向分布規律性不明顯。月平均日較差(DTR)傾向值為-0.21～-0.05℃/10a，均呈減少趨勢， 8個縣(市、區)顯著性小于0.05，以南部匯川區的減速最大，為-0.21℃/10a；最小增速是東部鳳岡縣的減速最小，為-0.05℃/10a。

總體看，遵義市各縣(市、區) ID、FD、TX10、TN10和CSDI等5個冷特征指數中，除1個縣TX10為增加趨勢外，其余各縣(市、區)均呈減少趨勢；SU、TX90、TN90、TR、WSDI、GSL和DTR7個暖特征指數中，除1縣(市、區)SU、TR和DTR，3縣(市、區)GSL，8縣(市、區)WSDI指數呈減少趨勢外，其余各縣(市、區)均呈增加趨勢。

2.2 極端氣溫指數及其傾向值與海拔、經度和緯度的偏相關性

從表2可知，冰凍日數(ID)、霜凍日數(FD)、夏天日數(SU)、熱夜日數(TR)、冷日指數(TX10)、冷夜指數(TN10)、暖日指數(TX90)、暖夜指數(TN90)、最高氣溫極大值(TXx)、最低氣溫極小值(TNn)、最低氣溫極大值(TNx)、最高氣溫極小值(TXn)、冷日持續日數(CSDI)、暖日持續日數(WSDI)、生長期長度(GSL)和月平均日較差(DTR)16個極端氣溫指數及其傾向值與海拔、經度和緯度相關性的變化。

2.2.1 極端氣溫指數 當控制經度和緯度時，海拔與ID、FD、TX10、TN10、CSDI和WSDI呈正相關，其中，與ID和FD相關性極顯著，與TX10相關性顯著；海拔與SU、TR、TX90、TN90、TXx、TNn、TNx、TXn、GSL和DTR呈負相關，其中，與SU、TR、TXx、TNn、TNx、TXn和GSL相關性極顯著。當控制海拔和緯度時，經度與TX10、TN10、TXx、TNn、TNx、TXn、WSDI和GSL呈正相關，其中，與TNx和TXn相關性顯著；經度與ID、FD、SU、TR、TX90、TN90、CSDI和DTR呈負相關，其中，與SU相關性顯著。當控制海拔和經度時，緯度與FD、SU、TR、TX10、TN10、WSDI、GSL和DTR呈正相關，其中，與DTR相關性極顯著，與SU相關性顯著；緯度與ID、TX90、TN90、TXx、TNn、TNx、TXn和CSDI呈負相關，其中，與TNn、TNx和TXn相關性極顯著。

2.2.2 指數傾向值 當控制經度和緯度時，海拔與SU、TR、TX90、TN90、TNn、TNx、TXn、WSDI和GSL呈正相關，其中，與TR、TN90、TNn、TNx、TXn和GSL相關性顯著；海拔與ID、FD、TX10、TN10、TXx、CSDI和DTR呈負相關，其中，與ID、FD和TX10相關性極顯著，與TN10相關性顯著。當控制海拔和緯度時，經度與SU、TR、TX90、TN90、TXx、TNn、TNx、TXn、WSDI和GSL呈正相關，其中，與SU、TX90和TXx相關性顯著；經度與ID、FD、TX10、TN10、CSDI和DTR呈負相關，其中，與TX10相關性顯著。當控制海拔和經度時，緯度與ID、TX90、TN90、TNn、TNx、CSDI、WSDI和GSL呈正相關，其中，與ID相關性顯著；緯度與FD、SU、TR、TX10、TN10、TXx、TXn和DTR呈負相關。

3 討論

近年來，中國群發性或區域性的極端氣候事件頻次和范圍不斷增大[1]。劉琳等[2]研究表明，西南5省市冷指數下降，暖指數上升，氣候呈變暖趨勢，并且晝夜溫差變小；極端氣溫指數空間分布規律不明顯，云南省發生極端氣候事件的風險較大。遵義市(27°08'～29°12'N，105°36'～108°13'E)處于云貴高原的東北部向湖南丘陵和四川盆地過渡的斜坡地帶，國土面積30762 km2，生態環境脆弱，容易發生重旱和特旱[3]。21世紀以來，干旱事件頻率和強度都在增加，如2009年和2010年“夏秋冬春”連旱，2006年、2011年和2013年夏旱等極端氣候事件給農業生產及社會經濟造成巨大損失[4]。研究結果表明，遵義市各縣(市、區)冰凍日數(ID)、霜凍日數(FD)、夏天日數(SU)、熱夜日數(TR)、冷日指數(TX10)、冷夜指數(TN10)、暖日指數(TX90)、暖夜指數(TN90)、最高氣溫極大值(TXx)、最低氣溫極小值(TNn)、最低氣溫極大值(TNx)、最高氣溫極小值(TXn)、冷日持續日數(CSDI)、暖日持續日數(WSDI)、生長期長度(GSL)、月平均日較差(DTR)16個極端氣溫指數的長期變化中，ID、FD、TX10、TN10、CSDI、WSDI和DTR的變化速率分別為-0.09 d/10a、-1.99 d/10a、-0.12%/10a、-1.26%/10a、-0.7 d/10a、-0.24 d/10a和-0.12℃/10a，均呈減少變化趨勢；SU、TR、TX90、TN90、GSL、TXx、TNn、TNx和TXn的變化速率分別為0.64 d/10a、2.07 d/10a、0.41%/10a、1.11%/10a、0.13℃/10a、0.19℃/10a、0.17℃/10a、0.41℃/10a和1.72℃/10a，均呈增加變化趨勢；FD、CSDI、TN10和DTR呈顯著減少趨勢，暖特征指數中的TN90和TR以及所有極值指數TXx、TNn、TNx、TXn均呈顯著增加趨勢，其可緩解高海拔地區成熟不充分問題，還可引種生育期更長的品種以提高產量，但病蟲害會加重[8]，極端冷特征指數中的FD、TN10和冷日持續日數CSDI的顯著減少，對近幾年遵義著力發展的多年生經濟作物(茶樹、花椒、中藥材等)有減輕低溫、凍害作用，對烤煙育苗也有利；DTR顯著減少對作物的利與弊，與季節有關[9]。

各縣(市、區) 16個極端氣溫指數的空間變化中，5個冷特征指數指數ID、FD、TX10、TN10和CSDI，除1個縣TX10呈增加趨勢外，其余各縣(市、區)均呈減少趨勢；7個暖特征指數SU、TX90、TN90、TR、WSDI、GSL和DTR，除1個縣的SU、TR和DTR，3個縣(市、區)的GSL，8縣(市、區)的WSDI呈減少趨勢外，其余各縣(市、區)均呈增加趨勢。ID、FD和TX10等冷特征指數分布與海拔呈顯著正相關，其變化趨勢與海拔呈顯著負相關，表明高、低海拔帶低溫事件差別在縮小；TR、TNn、TNx、TXn和 GSL等指數與海拔高度呈顯著負相關，其變化趨勢與海拔呈顯著正相關，表明GSL高海拔地區趨于低海拔地區，有利于高山農業可持續發展；海拔是ID、FD、SU、TR、TX10、TXx、TNn、TNx、TXn和GSL等指數空間分布的主要影響因素，經、緯向分布規律不強，進行產業結構布局調整和防災減災規劃時，海拔是首要考慮的因素。

4 結論

遵義市16個極端氣溫指數的長期變化中，ID、FD、TX10、TN10、CSDI、WSDI和DTR均呈減少變化趨勢；SU、TR、TX90、TN90、GSL、TXx、TNn、TNx和TXn均呈增加變化趨勢；冷特征指數的FD、CSDI、TN10和DTR呈顯著減少趨勢，暖特征指數的TN90和TR以及所有極值指數TXx、TNn、TNx和 TXn均呈顯著增加趨勢；海拔是ID、FD、SU、TR、TX10、TXx、TNn、TNx、TXn和GSL等指數空間分布的主要影響因素；遵義氣候呈變暖趨勢，氣候變暖和立體氣候差異縮小，有利于高山農業可持續發展；產業結構布局調整和防災減災規劃時，海拔是首要考慮的因素。