1955～2015年漢中極端氣溫事件變化特征

安 彬，肖薇薇

(1.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院，陜西 安康 725000；2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心，陜西 安康 725000；3.秦巴國(guó)土資源利用與環(huán)境保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，陜西 安康 725000；4.陜南生態(tài)經(jīng)濟(jì)研究中心，陜西 安康 725000)

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，近百年來全球地表持續(xù)升溫且升溫速率加快[1]。1951～2017年，中國(guó)地表平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，且升溫率高于同期全球平均水平，達(dá)到0.24 ℃/10 a；近20年是20世紀(jì)初以來的最暖時(shí)期[2]。氣候變暖將會(huì)導(dǎo)致極端氣溫事件更加頻繁[3]，因而引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。在全球每年發(fā)生的極端氣溫事件中，超過70%的地區(qū)暖夜日數(shù)明顯增加、冷夜日數(shù)明顯減少[4-5]。中國(guó)極端氣溫的異常偏冷偏暖現(xiàn)象主要發(fā)生在20世紀(jì)70年代以后[6]，且極端高溫和極端低溫事件發(fā)生頻次分別呈增加、減少趨勢(shì)[7]。朱大運(yùn)[8]、劉學(xué)智等[9]以及其他學(xué)者[10-12]采用線性回歸、趨勢(shì)分析、空間分析、突變檢驗(yàn)等研究方法對(duì)貴州、寧夏、天山山區(qū)、黃河流域、陜西南部等不同尺度區(qū)域的極端氣溫進(jìn)行了分析，都反映出了極端氣溫事件增加趨勢(shì)。

2017年底，中國(guó)城市化率達(dá)到了58.52%，正處在城市化快速推進(jìn)期[13]。城市是引領(lǐng)和帶動(dòng)全社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的引擎和支點(diǎn)，同時(shí)也是環(huán)境資源問題的高發(fā)地[14]，更是氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)[15]。近年來，學(xué)者們已對(duì)城市極端氣溫事件有所關(guān)注，并對(duì)此展開了一系列研究，也得出了許多有益的結(jié)論[15-18]，但對(duì)漢中地區(qū)極端氣溫事件變化的研究較少[19]。為此，本文利用1955～2015年漢中站最高氣溫與最低氣溫?cái)?shù)據(jù)，分析了漢中主城區(qū)的極端氣溫指數(shù)變化特征，以期為有效評(píng)估漢中極端氣候影響提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

漢中市位于陜西省西南部，界于105°29′14″～108°16′49″ E、32°08′52″～33°52′46″N之間，其中市域下轄漢臺(tái)、南鄭2區(qū)，幅員面積3353.1 km2。漢中市主城區(qū)屬于典型的北亞熱北緣地帶山地氣候，溫暖濕潤(rùn)，四季分明；多年平均氣溫在14.6 ℃左右，日照時(shí)數(shù)1590.6 h，多年平均降水量863.1 mm，降水集中分布在5～9月，占年降水總量的73.9%左右。因降水年際、年內(nèi)季節(jié)分配不均影響，形成了干旱、暴雨洪澇等主要?dú)庀鬄?zāi)害[20]。

2 資料與分析方法

本文選擇漢中市主城區(qū)氣象站(地理位置為107°1′ E、33°2′ N，海拔509.5 m)的氣象觀測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)(http://data.cma.cn/)獲取該站1955～2015年逐日最高氣溫、最低氣溫?cái)?shù)據(jù)。結(jié)合漢中市自然地理實(shí)際情況，選用WMO[21]劃定的各類極端氣溫指數(shù)中極值指數(shù)、絕對(duì)指數(shù)、相對(duì)指數(shù)和持續(xù)指數(shù)共4類11項(xiàng)進(jìn)行分析，具體見表1。極端氣溫指數(shù)在RClimDex軟件中完成計(jì)算，其計(jì)算原理見文獻(xiàn)[22]。此外，采用線性擬合極端氣溫指數(shù)的變化趨勢(shì)，并檢驗(yàn)趨勢(shì)的顯著性；同時(shí)利用非參數(shù)統(tǒng)計(jì)Mann-Kendall (M-K)法進(jìn)行各類指數(shù)的突變檢驗(yàn)[23]。

表1 選定的極端氣溫指數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 極端氣溫變化特征

由圖1可見，1955～2015年漢中地區(qū)的極端最高氣溫大致以0.06 ℃/10 a的速率波動(dòng)上升。20世紀(jì)50年代中后期至70年代，極端最高氣溫呈小幅下降；而到了80年代極端最高氣溫只有34.65 ℃，為近60年最低；20世紀(jì)90年代以后，極端最高氣溫持續(xù)上升，直至2010年以后的36.18 ℃，為近60年最高。由近60年極端最高氣溫的M-K突變檢驗(yàn)可知(圖2a)，正序列UF曲線和反序列UB曲線均超過了顯著性水平臨界線，且在臨界線內(nèi)的1958、1963及2014年出現(xiàn)相交，但UF曲線僅在1963年后突破了顯著性水平臨界線，表明極端最高氣溫僅在1963年發(fā)生顯著突變。

近60年來，漢中地區(qū)的極端最低氣溫同樣呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，增加速率為0.45 ℃/10 a(圖1b)，且增加速率高于極端最高氣溫。20世紀(jì)50年代中后期，極端最低氣溫為近60年來最低；除了90年代略有下降外，極端最低氣溫持續(xù)上升，直至2010年以后的-4.28 ℃，為近60年最高。極端最低氣溫的正序列UF曲線和反序列UB曲線均超出了顯著性水平臨界線(圖2b)，且UF和UB之間僅有一個(gè)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)時(shí)間為1979年，表明漢中地區(qū)極端最低氣溫在1979年發(fā)生突變上升；突變前年均極端最低氣溫為-6.55 ℃，突變后升至-5.05 ℃。

3.2 絕對(duì)指數(shù)變化特征

從圖3a可以看出，近60年漢中地區(qū)的夏日日數(shù)呈顯著上升趨勢(shì)，速率為2.91 d/10 a；夏日日數(shù)波動(dòng)幅度較大，最大值出現(xiàn)在2013年，為152 d，最小值出現(xiàn)在1976年，僅為96 d，兩者差值達(dá)到56 d。夏日日數(shù)的年代際變化特征與極端最高氣溫相似，80年代夏日日數(shù)只有110.5 d，為近60年最低，21世紀(jì)前10年夏日日數(shù)為近60年最高值，達(dá)131.5 d。熱夜日數(shù)總體上亦呈顯著上升趨勢(shì)，速率為3.31 d/10 a(圖3b)。從年代際變化情況看，20世紀(jì)50年代中后期至60年代，熱夜日數(shù)有所上升；70年代為近60年最少，其中1976年的46 d為最少熱夜日數(shù)；70年代以來，熱夜日數(shù)繼續(xù)上升。霜凍日數(shù)整體上呈波動(dòng)下降趨勢(shì)，變化速率為-4.41 d/10 a，線性擬合值R2值為0.406，通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)，說明近60年漢中地區(qū)霜凍日數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)(圖3c)。從年代際變化趨勢(shì)看，霜凍日數(shù)呈先小幅上升而后下降趨勢(shì)，近60年最高值集中在20世紀(jì)60年代，其中1967、1969年的67 d為最多霜凍日數(shù)。

圖1 1955～2015年漢中地區(qū)極端氣溫變化趨勢(shì)

a.極端最高氣溫；b.極端最低氣溫。

圖3 1955～2015年漢中地區(qū)極端氣溫絕對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)

通過計(jì)算極端氣溫絕對(duì)指數(shù)M-K突變分析正、反序列值，繪制了近60年漢中地區(qū)極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的突變曲線(圖4)。夏日日數(shù)、熱夜日數(shù)和霜凍日數(shù)的UF曲線和UB曲線均超出了顯著性水平0.05臨界線，且UF和UB之間都只有一個(gè)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為2002、2005和1998年，說明自1955年開始夏日日數(shù)的突變發(fā)生在2002年，熱夜日數(shù)突變發(fā)生在2005年，霜凍日數(shù)突變發(fā)生在1998年。此外，極端氣溫絕對(duì)指數(shù)UF曲線在突變年份后甚至超過0.001顯著性水平(U0.001=±2.56)，其中夏日日數(shù)和熱夜日數(shù)UF曲線突變上升，霜凍日數(shù)UF曲線突變下降，表明夏日日數(shù)和熱夜日數(shù)上升趨勢(shì)十分顯著，而霜凍日數(shù)下降趨勢(shì)非常顯著。

a.夏日數(shù)；b.熱夜日數(shù)； c.霜凍日數(shù)。

3.3 相對(duì)指數(shù)變化特征

漢中地區(qū)極端氣溫相對(duì)指數(shù)包括冷日、暖日、冷夜和暖夜日數(shù)4個(gè)基期閾值指標(biāo)，本文選擇1960～1990年作為基期。計(jì)算原理以暖日日數(shù)指標(biāo)為例，選取1961～1990年每年同一日期最高氣溫進(jìn)行升序排列，選取第90個(gè)百分點(diǎn)的值作為該日期的閾值，將1955～2015年每年同一日期最高氣溫與該閾值進(jìn)行比較，若大于閾值，則算作暖日；冷日計(jì)算方法類似，閾值為最高氣溫升序第10個(gè)百分點(diǎn)值；冷夜、暖夜以此類推[22,24]。

近60年漢中地區(qū)冷日日數(shù)呈下降趨勢(shì)，速率為-0.57 d/10 a，年代際平均值在20世紀(jì)80年代最高，21世紀(jì)以來冷日日數(shù)持續(xù)下降(圖5a)。暖日日數(shù)總體上呈小幅上升趨勢(shì)，變化率為-0.67 d/10 a。由年代際平均值變化看，暖日日數(shù)呈現(xiàn)先下降后上升的變化特征，20世紀(jì)50年代中期至80年代，暖日日數(shù)持續(xù)下降；80年代暖日日數(shù)均值為6.97 d/10 a，為近60年最低值；80年代末期以后，暖日日數(shù)開始波動(dòng)上升，至21世紀(jì)初葉達(dá)到最大值(圖5b)。冷夜日數(shù)總體上呈一定幅度的下降趨勢(shì)，變化速率為-1.93 d/10 a，線性擬合值R2值為0.613，通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)，說明近60年漢中地區(qū)冷夜日數(shù)呈顯著下降趨勢(shì)。冷夜日數(shù)年代際平均值呈持續(xù)下降，20世紀(jì)60年代和70年代冷夜日數(shù)接近(圖5c)。暖夜日數(shù)總體呈上升趨勢(shì)，每10年增加2.66 d，并且通過了0.001顯著性水平檢驗(yàn)。由年代際平均值變化看，20世紀(jì)50年代中期至90年代，暖夜日數(shù)均在10 d左右，變化幅度較?。贿M(jìn)入21世紀(jì)后，暖夜日數(shù)迅速上升，并于2013年達(dá)到最高值(圖5d)?？傮w上看，近60年漢中地區(qū)的冷日日數(shù)下降慢于冷夜日數(shù)，暖日日數(shù)上升慢于暖夜日數(shù)，與北京極端氣溫指數(shù)的變化特征相似[15]。

圖6為1955～2015年漢中地區(qū)極端氣溫相對(duì)指數(shù)的M-K檢驗(yàn)結(jié)果?？芍淙杖諗?shù)和暖日日數(shù)的UF、UB曲線在顯著性水平0.05臨界線之間都只有一個(gè)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為2012、2013年；冷日日數(shù)的UF曲線在2012年后突破了0.05顯著性臨界線，而暖日日數(shù)的在2013年后未突破臨界線，表明近60年漢中地區(qū)冷日日數(shù)在2012年出現(xiàn)了由多到少的突變，暖日日數(shù)未發(fā)生突變。由冷夜日數(shù)(圖6c)和暖夜日數(shù)(圖6d)的M-K統(tǒng)計(jì)量可知，冷夜、暖夜日數(shù)的UF和UB曲線均只有一個(gè)交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)時(shí)間分別為2000、2004年，但交點(diǎn)位于顯著性水平臨界線區(qū)間之外，說明近60年漢中地區(qū)冷夜、暖夜日數(shù)均未發(fā)生突變。

圖5 1955～2015年漢中地區(qū)極端氣溫相對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)

3.4 持續(xù)指數(shù)變化特征

為探究漢中極端氣溫持續(xù)時(shí)間的變化特征，選取作物生長(zhǎng)季和氣溫日較差指標(biāo)進(jìn)行分析。圖7a為1955～2015年漢中地區(qū)作物生長(zhǎng)期的變化趨勢(shì)。由此可知，近60年作物生長(zhǎng)期呈小幅增加趨勢(shì)，變化率為3.89 d/10 a，線性擬合值R2為0.129，通過了0.01顯著性水平檢驗(yàn)，表明漢中地區(qū)作物生長(zhǎng)期增加趨勢(shì)明顯。氣溫日較差總體呈顯著下降趨勢(shì)，速率為-0.15 ℃/10 a(圖7b)。從年代際平均值變化情況看，20世紀(jì)50年代中后期氣溫日較差為近60年最高值，60至80年代逐漸下降并達(dá)到最低值，90年代較大幅度增加后開始下降。

由漢中地區(qū)極端氣溫持續(xù)指數(shù)的M-K統(tǒng)計(jì)量(圖8)可知，作物生長(zhǎng)期和氣溫日較差的正序列UF曲線和反序列UB曲線均超出了顯著性水平臨界線，均在臨界線區(qū)間內(nèi)相交，交點(diǎn)分別為2003、1973年，且UF曲線在交點(diǎn)后均突破了0.05顯著性水平，表明近60年來漢中作物生長(zhǎng)期在2003年后出現(xiàn)了由少到多的突變，氣溫日較差在1973年出現(xiàn)了由多到少的突變。

圖7 1955～2015年漢中地區(qū)極端氣溫持續(xù)指數(shù)變化趨勢(shì)

a.作物生長(zhǎng)期；b.氣溫日較差。

4 結(jié)論

本文選取11項(xiàng)極端氣溫指數(shù)，分析了1955～2015年漢中市極端氣溫事件的變化趨勢(shì)及突變特征，得出如下結(jié)論：

(1)1955～2015年漢中增溫趨勢(shì)明顯，極端最高氣溫以0.06 ℃/10 a速率上升，極端最低氣溫以0.45 ℃/10 a速率顯著上升。夏日日數(shù)、熱夜日數(shù)、暖夜日數(shù)、作物生長(zhǎng)期均呈顯著上升趨勢(shì)，速率分別為2.91 d/10 a、3.31 d/10 a、2.66 d/10 a、3.89 d/10 a，暖日日數(shù)以0.67 d/10 a速率上升；霜凍日數(shù)、冷夜日數(shù)和氣溫日較差均呈顯著下降趨勢(shì)，速率分別為-4.41 d/10 a、-1.93 d/10 a和-0.15 ℃/10 a，冷日日數(shù)以-0.57 d/10 a速率下降。

(2)1955～2015年漢中各極端氣溫指數(shù)突變年不一，主要集中在20世紀(jì)60至70年代、90年代至21世紀(jì)初葉。極端高溫、極端低溫、氣溫日較差指數(shù)在20世紀(jì)60至70年代發(fā)生突變，熱夜日數(shù)、霜凍日數(shù)、夏日日數(shù)、冷日日數(shù)和作物生長(zhǎng)期在90年代至21世紀(jì)初葉發(fā)生突變，暖日日數(shù)、冷夜日數(shù)和暖夜日數(shù)未發(fā)生突變。