天水市近63年極端溫度變化特征分析

姚延鋒 朱恩超 安晶 李悅 汪鴻濱

摘 ?要：為研究氣候變暖對(duì)天水極端溫度的影響，利用天水觀測(cè)站1951—2013年逐年極端溫度資料，運(yùn)用氣候傾向率、趨勢(shì)系數(shù)、百分位法、滑動(dòng)T檢驗(yàn)等統(tǒng)計(jì)方法，分析極端溫度對(duì)氣候變暖的響應(yīng)特征。結(jié)果表明：天水年極端最高（低）溫度均呈顯著性升高趨勢(shì)，極端最高氣溫上升0.2℃/10 a，極端最低氣溫上升0.3℃/10 a，都通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn);通過百分位法定義了極端溫度的閾值，分析發(fā)現(xiàn)，極端最高氣溫與閾值的差值隨時(shí)間序列的增加逐步增大，極端最低氣溫與閾值的差值隨時(shí)間序列的增加逐步減少，對(duì)極端最高溫度和極端最低溫度利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法進(jìn)行突變檢驗(yàn)，在α=0.01顯著性水平下，極端最低溫度沒有發(fā)生突變，而極端最高溫度在1983年和1993年發(fā)生了2次十分明顯的突變。

關(guān)鍵詞：極端溫度;閾值;百分位法;滑動(dòng)T檢驗(yàn)

中圖分類號(hào)：P468.0+2 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?論文編號(hào)：2014-0407

Extreme Temperature Variability in Tianshui over the Past 63 Years

Yao Yanfeng， Zhu Enchao， An Jing， Li Yue， Wang Hongbin

（Tianshui Meteorological Bureau， Tianshui 741000， Gansu， China）

Abstract： Evaluation of extreme temperature changes in Tianshui under global warming is studied based on annual extreme temperature data from 1951 to 2013. To better understand the variability and long-term trend of extreme temperature， various mathematical statistics methods， including the climate tendency rate， climate tendency coefficient， percentile threshold value method and sliding T-test method， have been used. Results indicate that annual extreme temperature showed a significant increase trend over the past 63 years. The extreme high-temperature rate of increase is estimated as 0.2℃/10 a， while the extreme low-temperature increased by 0.3℃/10 a， which are all statistically significant at 99% confidence level. The threshold values of temperature extremes have been determined using the percentile threshold value method， we find that the difference between the extreme high-temperature （extreme low-temperature） and the corresponding threshold value increased （decreased） with the length of time series. The temporal characteristics of extreme high-temperature and extreme low-temperature trends are analyzed by using sliding T-test method. There is no significant abrupt change in extreme low-temperature at 99% confidence level. In contrast， the extreme high-temperature changes abruptly in 1983 and 1993.

Key words： Extreme Temperature; Threshold; Percentile Threshold Value Method; Sliding T-test Method

0 ?引言

氣候變暖已成為不爭(zhēng)的事實(shí)。大量研究表明，在全球氣候變暖的情況下，極端氣候事件所造成的經(jīng)濟(jì)損失以及給社會(huì)帶來的影響非常巨大，政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）第4次評(píng)估報(bào)告指出，1906—2005年全球平均氣溫升高（0.74±0.18）℃，且各區(qū)域?qū)θ蜃兓嬖诓煌潭鹊膮^(qū)域響應(yīng)[1-10]。許多研究[11-14]指出，中國熱日和暖夜的頻數(shù)顯著增加，冷日和冷夜的日數(shù)明顯減少，由此引起的極端氣候事件的頻率和強(qiáng)度在增加[15-19]，造成的災(zāi)害損失也在日益加劇，因此研究極端溫度的變化[18-20]十分必要。

近年來，一些學(xué)者對(duì)天水降水、氣溫等變化特征已經(jīng)有了一些分析[21]，但是圍繞極端溫度對(duì)氣候變暖的響應(yīng)研究甚少，筆者以極端溫度作為研究對(duì)象，利用逐日最高、最低溫度資料，探討氣候變暖對(duì)極端溫度的影響及變化趨勢(shì)[22]，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)氣候變暖提供科學(xué)依據(jù)。

1 ?資料與方法

1.1 ?研究區(qū)概況

天水地處西北地區(qū)東南部，處于中國地形和氣候過渡帶，氣候復(fù)雜，該地區(qū)四季分明，冬冷干燥，雨雪稀少;夏熱無酷暑，雨熱同季，降水集中;春季升溫快，冷暖多變;秋季降溫迅速，常出現(xiàn)連陰雨天氣。極端最高溫度出現(xiàn)在1997年7月21日，達(dá)38.2℃，極端最低氣溫為-19.2℃，出現(xiàn)在1955年1月10日。

1.2 ?資料來源及說明

本研究使用的極端最高溫度和極端最低溫度資料來源于天水市國家氣象觀測(cè)站1951—2013年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。查閱歷史資料發(fā)現(xiàn)，天水觀測(cè)站曾于1952、1954、2004年出現(xiàn)過3次遷站，對(duì)比搬遷的位置，溫度資料不影響代表性和對(duì)比性。

1.3 ?研究方法

1.3.1 ?線性傾向估計(jì) ?一般來講，降水的氣候趨勢(shì)用一次直線方程或二次曲線方程就能滿足，本研究采用一次直線方程來評(píng)價(jià)降水的變化趨勢(shì)：

y（t）=a+bt ? t=1，2，3…，n…（1）

y（t）為第t年的觀測(cè)值，t為時(shí)間序列，b=dy（t）/dt，把b×10作為降水每10年的氣候傾向率，單位為mm/10 a和d/10 a，回歸系數(shù)b和常數(shù)a可用最小二乘法或經(jīng)驗(yàn)正交多項(xiàng)式來確定，其中b表征了降水的變化趨勢(shì)，b>0，表示隨時(shí)間t的增加呈上升趨勢(shì)，b<0，表示隨時(shí)間t的增加呈下降趨勢(shì)。

1.3.2 ?趨勢(shì)系數(shù) ?趨勢(shì)系數(shù)r表征t與y之間線性相關(guān)的密切程度：

b=r（[σ]y/[σ]t）…（2）

[σ]y和[σ]t為降水序列和自然序列的均方差，r與b的符號(hào)相同，[r]越趨近于1，表示t與y之間線性相關(guān)越大，[r]越趨近于0，表示t與y之間線性相關(guān)越小。

1.3.3 ?百分位法 ?極端溫度閾值采用普遍使用的百分位定義法，將n個(gè)變量值從小到大排列，X（j）表示此數(shù)列中第j個(gè)數(shù)。設(shè)（n+1）P%=j+g，j為整數(shù)部分，g為小數(shù)部分，當(dāng)g=0時(shí)：P百分位數(shù)=X（j）;

當(dāng)g≠0時(shí)：P百分位數(shù)=g×X（j+1）+（1-g）×X（j）=X（j）+g×[X（j+1）-X（j）]。

1.3.4 ?滑動(dòng)T檢驗(yàn)法 ?利用10年滑動(dòng)T檢驗(yàn)法對(duì)極端最高溫度和極端最低溫度進(jìn)行突變分析，設(shè)置顯著性水平為0.01。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?年極端氣溫的變化趨勢(shì)

研究表明，極端最高溫度的升高將帶來熱浪、高溫等災(zāi)害性天氣，同時(shí)對(duì)城市運(yùn)行、電力運(yùn)行、野外作業(yè)等造成重大的影響，極端最低氣溫的升高將出現(xiàn)暖冬，對(duì)越冬作物、病蟲害等有不利影響。分析1951—2013年逐年的極端最高（最低）氣溫變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)（圖1和圖2，虛線為平均值），極端最高氣溫和極端最低氣溫都呈上升趨勢(shì)，極端最高氣溫上升0.2℃/10 a，趨勢(shì)系數(shù)r為0.306，極端最低氣溫上升0.3℃/10 a，趨勢(shì)系數(shù)r為0.332，都通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，極端最低氣溫的上升趨勢(shì)較極端最高氣溫的上升趨勢(shì)明顯，進(jìn)一步說明，在全球氣候變暖的情況下，天水地區(qū)出現(xiàn)高溫的頻率在日益增加，出現(xiàn)冷事件的概率日益減小。

以10年為單位分析平均極端最高氣溫和最低氣溫發(fā)現(xiàn)，極端最高氣溫呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì)，回歸系數(shù)b為0.25，趨勢(shì)系數(shù)r為0.61，通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，20世紀(jì)50年代至21世紀(jì)00年代，呈現(xiàn)“下降—上升—下降—上升—上升”，特別是20世紀(jì)80年代開始上升趨勢(shì)非常明顯，90年代比80年代平均極端最高氣溫上升了近2℃;極端最低氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，回歸系數(shù)b為0.42，趨勢(shì)系數(shù)r為0.92，通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，幾乎是呈直線上升態(tài)勢(shì)，21世紀(jì)00年代比20世紀(jì)50年代平均極端最低氣溫上升了近2℃，進(jìn)一步證明了在氣候變暖的情況下，極端最高、極端最低氣溫呈顯著性上升。

2.2 ?極端最高（低）氣溫閾值的分析

為進(jìn)一步研究氣候變暖對(duì)溫度的影響，采用普遍使用的百分位定義法來研究極端溫度閾值，首先將1951—2013年逐年的極端最高（低）溫度資料按照降序排列，將第5（95）個(gè)百分位值定義為該站的極端最高（低）氣溫的閾值。然后分析逐年的極端最高（低）氣溫與閾值的差值（圖略），分析其差值與實(shí)踐序列的關(guān)系，計(jì)算得知極端最高溫度的閾值為32.53℃，極端最低氣溫的閾值為-9.91℃，分析極端最高溫度與閾值的差值發(fā)現(xiàn)，只有1989年（-0.83）、1992年（-0.13）、1993年（-0.23）為負(fù)值，其他年份全部為正值，正值最大在1997年（5.67），差值隨時(shí)間序列為上升趨勢(shì)，分析極端最低溫度與閾值的差值發(fā)現(xiàn)，只有1985年（0.31）、1999年（0.51）、2000年（0.91）為正值，其他年份全部為負(fù)值，負(fù)值最大在1955年（-9.29），差值隨時(shí)間序列為上升趨勢(shì)，上升趨勢(shì)（b=0.03）較極端最高溫度的差值上升趨勢(shì)（b=0.02）明顯。說明，極端最高氣溫與閾值的差值隨時(shí)間序列的增加逐步增大，極端最低氣溫與閾值的差值隨時(shí)間序列的增加逐步減少。

2.3 ?極端溫度突變檢驗(yàn)

對(duì)天水市1951—2013年的極端最高溫度和極端最低溫度利用滑動(dòng)T檢驗(yàn)法進(jìn)行突變檢驗(yàn)（圖3和圖4）發(fā)現(xiàn)，在α=0.01顯著性水平下，極端最低溫度沒有發(fā)生突變，而極端最高溫度在1983年和1993年發(fā)生了2次十分明顯的突變。分別計(jì)算1983年之前、1983—1993年、1993年之后共3個(gè)時(shí)段的極端最高溫度平均值、線性傾向系數(shù)后發(fā)現(xiàn)，3個(gè)時(shí)段的平均值分別為：34.4、33.3和35.6℃，第2時(shí)段比第1時(shí)段減少1.1℃，第3時(shí)段比第2時(shí)段增加2.3℃，3個(gè)時(shí)段的回歸系數(shù)分別為0.06、-0.08、0.17，趨勢(shì)系數(shù)分別為0.49、-0.25、0.35，都通過了99%的顯著性檢驗(yàn)，3個(gè)時(shí)段內(nèi)的變化趨勢(shì)分別為：增加、減少和增加，1993年以來的增加趨勢(shì)較為明顯。

3 ?結(jié)論

通過對(duì)天水極端最高溫度的分析得知，天水極端最高溫度、極端最低溫度呈顯著性升高趨勢(shì)，上升幅度分別為0.2和0.3℃/10 a，極端最低溫度的上升趨勢(shì)較極端最高溫度上升明顯。

采用百分位定義得到天水地區(qū)極端溫度的閾值分別為32.53℃和-9.91℃，分析極端溫度與閾值的差值發(fā)現(xiàn)，極端最高氣溫與閾值的差值隨時(shí)間序列的增加逐步增大，極端最低氣溫與閾值的差值隨時(shí)間序列的增加逐步減少。

極端最高溫度在1983年和1993年發(fā)生了2次十分明顯的突變，1983年之前、1983—1993年、1993年之后3個(gè)時(shí)段變化趨勢(shì)分別為增加、減少和增加，1993年以來的增加趨勢(shì)較為明顯;極端最低溫度沒有發(fā)生突變。

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