近58年來我國大陸極端氣溫變化特征

翟少婧 黃駿駿 任伯驊 王冰 王大鵬

摘要利用1954—2011年我國大陸142站逐日最高、最低氣溫資料，采用EOF等統(tǒng)計分析方法，分析了近58年來我國大陸極端氣溫的基本變化特征，并探討其對氣候變暖的響應(yīng)程度。結(jié)果表明，近58年我國大陸年極端最低氣溫呈上升趨勢，年極端最高氣溫也呈遞增趨勢，并且20世紀(jì)90年代以來這種趨勢表現(xiàn)較為明顯；我國大陸極端最低氣溫主要受冬季風(fēng)和太陽輻射影響，極端最高氣溫主要受地形影響。極端氣溫在時間分布上表現(xiàn)為：極端高溫年代際變化是20世紀(jì)90年代前遞減，90年代后遞增；年極端高溫事件發(fā)生頻次除塔里木盆地外均對區(qū)域性增暖呈顯著的正響應(yīng)。

關(guān)鍵詞極端氣溫；變化特征；EOF分析；氣候變暖；我國大陸

中圖分類號S161.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0517-6611（2017）21-0169-05

Change Characteristics of Extreme Temperature in Mainland China in Recent 58 Years

ZHAI Shaojing1，HUANG Junjun2，REN Bohua3 et al

（1.Longkou City Meteorological Bureau，Longkou，Shandong 265700；2.Yichun Airport Branch，Jiangxi Province Airport Group Company，Yichun，Jiangxi 336000；3.Yantai City Meteorological Bureau，Yantai，Shandong 264003）

Key wordsUsing the daily maximum and minimum temperature data of 142 stations in Mainland China from 1954 to 2011， the basic change characteristics of extreme temperature in mainland China in recent 58 years were analyzed by EOF and other statistical analysis methods， and the response degree to climate warming was discussed.The results showed that the extreme minimum temperature was increasing in the past 58 years， and the extreme maximum temperature was increasing， and the trend was more obvious since the 1990s.The extreme minimum temperature was mainly affected by the winter monsoon and solar radiation， the extreme maximum temperature was mainly affected by the terrain.For the time variations， extreme temperature distribution showed that decadal changes in extreme high temperature with deceasing trend in the 1990s， and increasing after the 1990s；which showed positive response to the regional warming in addition to the Tarim basin.

Key wordsExtreme temperature；Change characteristics；EOF analysis；Climate warming；Mainland China

在全球變暖的大背景下，極端天氣氣候事件的發(fā)生越來越頻繁，給世界各國造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會安全隱患。極端天氣氣候事件比氣候平均天氣狀況強(qiáng)度更強(qiáng)，破壞性更大，因此對極端天氣氣候事件的研究也受到了越來越多的關(guān)注。

極端氣溫作為一種極端氣候事件，近年來各國氣象學(xué)者已從不同的角度進(jìn)行了研究[1-4]，張寧等[2]、劉學(xué)華等[3]根據(jù)我國氣溫和降水資料，采用趨勢系數(shù)、偏態(tài)系數(shù)等統(tǒng)計指標(biāo)，研究發(fā)現(xiàn)全國嚴(yán)寒天和極端低溫事件明顯減少，表現(xiàn)為氣溫變暖趨勢；鄧自旺等[5]、程炳巖等[6]研究了全球氣候變暖對區(qū)域夏季極端高溫事件概率的影響。但以往的研究比較多地考慮單個區(qū)域的極端氣候的變化特征，并且常將極端氣溫和降水一起考慮，很少對我國整個區(qū)域單就極端氣溫進(jìn)行考慮。筆者利用1954—2011年我國大陸142站逐日最高、最低氣溫資料，分析近58年來我國大陸極端氣溫在空間分布以及時間演變上的特征，同時更深一步地了解極端氣溫的變化與氣候變暖之間的關(guān)系。

1資料與方法

1.1資料來源

所用資料來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)提供的1954—2011年的氣候資料日值數(shù)據(jù)集。在綜合考慮站點數(shù)據(jù)的時間序列長度、完整性、代表性以及資料的便于統(tǒng)計，選取1954—2011年142個站的站點資料。

1.2極端氣溫的定義

將某站1954—2011年中同日的最高（低）氣溫資料按升序排列，得到該日第95（5）個最高（低）氣溫的百分位值，按照此方法可得到366個最高（低）氣溫的第95（5）個百分位值，將之作為極端高（低）溫度事件的上（下）闕值。如果某日的最高溫度大于該日極端溫度事件的上闕值，則認(rèn)為該日出現(xiàn)了極端高溫事件；同時如果某日的最低溫度小于該日極端溫度事件的下闕值，則認(rèn)為該日出現(xiàn)了極端低溫事件。

Bonsal等[7]指出，如果某個氣象要素有n個值，將這n個值按升序排列x1，x2，…，xm，…xn，某個值小于或等于xm的概率P=（m-0.31）/（n+0.38），其中m為xm 的序號，如果有30個值，那么第95個百分位上的值為排序后的x29（P=944%）和x30（P=97.7%）的線性插值；n為某個氣象要素值的個數(shù)。

1.3研究方法

該研究所用方法有EOF分析、多項式擬合以及相關(guān)系數(shù)計算等。

使用經(jīng)驗正交函數(shù)分解法（EOF法）分析我國大陸年極端氣溫的分布特征，將氣象變量場的時間與空間變化分離開來，并且用盡可能少的模態(tài)表達(dá)出主要的時間和空間變化。主要思想是：將氣溫的標(biāo)準(zhǔn)化值矩陣X分解成空間函數(shù)矩陣V 和時間函數(shù)矩陣Y的乘積，并且有“正交”的要求：V′k·V l = 0、Y′k·Y l= 0。其中，Vk、Vl 和Yk、Yl 分別是矩陣V 和Y的第k 行和第l行，k≠l。氣象變量場分解后，應(yīng)計算相鄰2個特征值之差進(jìn)行顯著性檢驗，從而判斷對該氣象變量場的分解是否有意義。設(shè)n 為樣本量，λi 是第i個特征值，如果滿足λi -λi+1 ≥ei =λi 2/n，則認(rèn)為第i個特征值所對應(yīng)的經(jīng)驗正交函數(shù)的分解是有意義的。

2結(jié)果與分析

2.1極端氣溫的時空分布特征

2.1.1年極端最低氣溫的時空分布。

利用我國大陸142站年極端最低氣溫數(shù)據(jù)，對其標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行EOF分析，結(jié)果見表1。根據(jù)顯著性檢驗原則，前3個主成分（累計方差貢獻(xiàn)率達(dá)51.4%）是有價值的。圖1～3是EOF分析得出的前3個特征向量場分布及其時間系數(shù)變化情況。

從圖1a可以看出，第1特征向量的各個分量都小于0，說明近58年我國大陸極端最低氣溫變化趨勢具有基本一致的特征，低值中心主要集中在我國河套地區(qū)、南方地區(qū)、東北地區(qū)以及吐魯番盆地附近，其荷載值一般小于-0.6。結(jié)合相應(yīng)的時間系數(shù)（圖1b）來看，近58年我國大陸極端最低氣溫年際波動較明顯，年極端最低氣溫較低的年份有1955、1967、1969和1977年，其中1955年最小，而在1988、1992、1995和2007年年極端最低氣溫值較大，尤其在2007年為最大?？偟膩碚f，1980年以前我國大陸年極端最低氣溫以負(fù)值為主，1980年以后則以正值為主。

由圖2a可知，近58年我國大陸南部和北部的年極端最低氣溫變化呈相反的空間分布特征，即南部的年極端最低氣

溫較高（低）時，北部較低（高）。在我國北方，西北的西部以

及我國東北地區(qū)的特征向量值大于0，其中東北地區(qū)其特征值最大，中心值達(dá)0.6以上，其他地區(qū)的特征值小于0，四川盆地附近的特征值較小。結(jié)合時間系數(shù)（圖2b）來看，近58年我國大陸極端最低氣溫年代際波動很明顯，1975年時間系數(shù)最大，而1955和1991年時間系數(shù)較大，說明在這些年份我國東北地區(qū)年極端最低氣溫較大，我國北方和西北西部年極端最低氣溫較大，而在四川盆地附近年極端最低氣溫最?。粫r間系數(shù)小的年份有1966、1987、1990和2001年，其中2001年時間系數(shù)最小?？偟膩碚f，在我國北部，年極端最低氣溫有著緩慢遞減再遞增又遞減而在20世紀(jì)90年代以后明顯遞增的趨勢；而我國的南部及西部區(qū)域則剛好與之相反。

由圖3a可知，我國東北、西南以及東南沿海地區(qū)年極端最低氣溫第3模態(tài)的特征值小于0，尤其在我國云貴高原地區(qū)為一個低值中心，中心值為-0.5，而其他地區(qū)的特征值大于0，特別是河套地區(qū)為一個高值中心，其中心值為0.4。結(jié)合時間系數(shù)（圖3b）來看，近58年我國大陸年極端最低氣溫年代際波動較為明顯，在1963、1974、1982、1983和1999年時間系數(shù)較大，其中1982年的時間系數(shù)最大，結(jié)合特征向量圖分析可以看出，在這些年我國東北、西南以及東南沿海有相對于往年更低的年極端最低溫度，其中在云貴高原附近有一個年極端最低溫度的低值中心，在其他區(qū)域則有相對于往年更高的年極端最低溫度，在河套附近則存在年極端最低溫度的高值中心；而在1954、2002、2006和2008年的時間系數(shù)較小，其中2002年的最小。總的來說，在我國大部分區(qū)域年極端最低氣溫有著先緩慢增加后下降的趨勢，其中20世紀(jì)90年代以來其下降趨勢較為明顯而迅速，而在我國東北、西南以及東南沿海少部分地區(qū)的變化趨勢則相反。

從圖4a可以看出，第1特征向量的各個分量都是小于0，說明近58年我國大陸年極端最高氣溫變化趨勢具有基本一致的特征，低值中心主要集中在騰格里沙漠、內(nèi)蒙古高原以及青藏高原地區(qū)，其特征值達(dá)-0.6，同時在長江中下游以及華北地區(qū)存在有低值次中心，其值為-0.5。結(jié)合時間系數(shù)（圖4b）分析，時間系數(shù)總體呈現(xiàn)先遞減后遞增再遞減的趨勢，總的來說，年極端最高溫度顯示了先遞增后遞減再遞增的趨勢，尤其在1990年以后上升趨勢較為明顯，當(dāng)然在近年來上升趨勢較為平緩，漸趨穩(wěn)定。在1954、1984和1993年時間系數(shù)較大，其中1993年的最大，說明在這些年份我國大陸年極端最高氣溫相對其他年份低，尤其是內(nèi)蒙古高原、河套西部以及青藏高原地區(qū)的年極端最高氣溫最低；同時時間系數(shù)較小的年份有1966、2000、2001、2002和2010年，其中2010年的最小，說明在這些年份我國大陸年極端最高氣溫相對其他年份要高很多，尤其在內(nèi)蒙古高原、騰格里沙漠和青藏高原地區(qū)的年極端最高氣溫更高，而在華北地區(qū)以及長江中下游地區(qū)的年極端最高氣溫也很高。

由圖5a可知，近58年我國西南地區(qū)以及我國東部地區(qū)的特征向量值小于0，尤其在長江中下游地區(qū)存在低值中心，其值達(dá)-0.6，而在云貴高原地區(qū)則存在一個低值次中心，值為-0.5；同時在我國其他區(qū)域其特征向量值是正的，而在內(nèi)蒙古高原以及東北平原地帶存在高值中心，值達(dá)0.4。結(jié)合時間系數(shù)（圖5b）分析，在1955、1973、1982、1997和1999年的時間系數(shù)值較大，其中1997年的時間系數(shù)最大，說明在這些年份我國南部大部分區(qū)域的年極端最高氣溫比其他年份低很多，而東北以及內(nèi)蒙古高原地區(qū)的年極端最高氣溫在1997年達(dá)到歷年最小值；同時時間系數(shù)較小的年份有1967、1971、2003年，其中2003年的最小，說明這些年我國南部大部分區(qū)域的年極端最高氣溫比其他年高很多，而在2003年這些區(qū)域的年極端最高氣溫達(dá)到歷年最大值，同時在我國的東北以及內(nèi)蒙古高原地區(qū)的年極端最高氣溫則較低。

總的來說，近58年我國大陸年極端最高溫度呈先遞增后遞減再遞增的趨勢。從我國南北差異來看，我國南部區(qū)域的年極端最高溫度呈現(xiàn)了先遞增后遞減隨后趨于穩(wěn)定的趨勢，而我國北部變化趨勢則剛好相反，其在1960年前遞減，1960—1975年遞增，隨后漸趨穩(wěn)定。

2.2極端高、低溫日數(shù)的時間分布特征

由圖6a可知，1954—2011年我國大陸年均極端高溫日數(shù)為18.9 d，其中以1998年最多，為33.2 d，1985年最少，為9.5 d。在這58年中，有21年的極端高溫日數(shù)多于20 d，有2年的極端高溫日數(shù)少于10 d。近58年我國大陸極端高溫日數(shù)主要呈現(xiàn)1954—1975年遞減、1975—2011年遞增的趨勢，尤其在1995年以來上升趨勢極其顯著。

由圖6b可知，1954—2011年我國大陸年均極端低溫日數(shù)也為18.9 d，1969年的極端低溫日數(shù)最多，為36.5 d，2007年的極端低溫日數(shù)最少，為6.1 d；其中，有8年的極端低溫日數(shù)是小于10 d的，當(dāng)然大于20 d的極端低溫日數(shù)有24年。近58年我國大陸極端低溫日數(shù)總體呈現(xiàn)遞減的趨勢，1954—1975年遞減趨勢較為平緩，1975—2000年下降趨勢較為劇烈，而2000—2011年趨勢基本不變，偶有上升，但上升程度不明顯。

以1954—2011年年均極端氣溫日數(shù)18.9 d為常年值，分析極端氣溫日數(shù)的年代際距平。由圖7可知，極端高溫日數(shù)年代際距平在1954—1990年遞減，1990—2010年遞增，且增長形勢猛烈。各時間段距平值變化很大，其中，20世紀(jì)90年代以后為正距平，尤其在20世紀(jì)以來，其極端高溫日數(shù)正距平最大，達(dá)8.5 d；而90年代以前其極端高溫日數(shù)都為負(fù)距平，在80年代為最小，為-4.2 d。近58年我國大陸極端低溫日數(shù)年代際距平總體呈現(xiàn)下降趨勢，尤其是20世紀(jì)70、80年代遞減較為劇烈，其中，80年代以前為正距平；80年代以后為負(fù)距平；尤其在50年代，極端低溫日數(shù)年代際距平達(dá)到最大，為8.9 d；而在21世紀(jì)其年代際距平達(dá)到最小，為-9.2 d。

2.3極端高溫與氣候變暖的關(guān)系

為了進(jìn)一步了解我國大陸年極端高溫事件發(fā)生頻次與氣候變暖的關(guān)系，分析近58年我國大陸年平均溫度與年極端高溫事件發(fā)生頻次的相關(guān)系數(shù)空間分布（圖8）發(fā)現(xiàn)，大部分區(qū)域相關(guān)系數(shù)為正值，只有在塔里木盆地相關(guān)系數(shù)為負(fù)值。河套地區(qū)東北、華東以及華北部分地區(qū)相關(guān)系數(shù)大于05，說明在這些區(qū)域年極端高溫事件與氣候變暖的響應(yīng)比較顯著；而在云貴高原以及四川盆地附近相關(guān)系數(shù)相對較小，但也達(dá)到了0.10的置信水平，說明這些區(qū)域極端高溫事件發(fā)生頻次與氣候變暖的響應(yīng)相對較差。值得一提的是，從塔里木盆地向四周擴(kuò)散，相關(guān)系數(shù)值逐漸增大，最大可達(dá)06，說明這些區(qū)域極端高溫事件發(fā)生頻次對氣候變暖的響應(yīng)從無到有、從不顯著到顯著。

3結(jié)論

（1）1954—2011年我國大陸年極端最低氣溫總體呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，尤其在1990年以來上升趨勢較為顯著。而從南北方向來說，在北部，年極端最低氣溫先緩慢遞減再遞增又遞減，而在20世紀(jì)90年代以后明顯遞增；在南部，年極端最低氣溫先緩慢遞增再遞減又遞增，而在90年代以后明顯遞減。

（2）我國大陸年極端最高氣溫總體也呈現(xiàn)出緩慢遞增的趨勢，尤其在20世紀(jì)90年代后期增高趨勢較為明顯，而從我國的南北差異來看，我國南部區(qū)域的年極端最高溫度呈現(xiàn)先遞增后遞減隨后趨于穩(wěn)定的趨勢，而我國北部變化趨勢則剛好相反，其在1960年前遞減，1960—1975年遞增，隨后漸趨穩(wěn)定。

（3）近58年我國大陸年均極端氣溫日數(shù)為18.9 d，極端高溫日數(shù)基本上逐年遞增，而極端低溫日數(shù)則遞減，尤其在20世紀(jì)90年代以來極端高溫日數(shù)增長趨勢極其顯著。同時，從年代際來看，20世紀(jì)極端高溫日數(shù)正距平達(dá)到最大，有8.5 d，而同時其極端低溫日數(shù)負(fù)距平達(dá)到最小，為-9.2 d。極端高溫日數(shù)年代際變化是20世紀(jì)90年代前遞減，90年代后遞增，且上升形勢極其顯著；極端低溫日數(shù)年代際變化則一直處于下降趨勢，且在70、80年代下降較為猛烈。

（4）我國除塔里木盆地外的其他地區(qū)的年極端高溫事件發(fā)生頻次對氣候變暖呈較顯著的響應(yīng)，可見極端高溫的遞增對氣溫平均值的上升有正貢獻(xiàn)，同時平均氣溫的上升有可能導(dǎo)致新的極端高溫事件的發(fā)生。

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