1960-2017年黃河流域極端氣溫的季節(jié)變化特征及其與ENSO的相關(guān)性分析

張克新, 董小剛, 廖空太, 蔣志成, 曹立國

(1.貴州財(cái)經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院, 貴陽 550025; 2.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,蘭州 730070; 3.甘肅祁連山國家級(jí)自然保護(hù)區(qū)管理局, 甘肅 張掖 734000;4.揚(yáng)州紅碩環(huán)境與生物工程研究有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225127; 5.陜西師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院, 西安 710119)

近年來，由于全球氣候變暖，對(duì)極端氣候事件(如熱浪、干旱、龍卷風(fēng)和洪水)的研究一直是眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)：在1880—2015年發(fā)生的16個(gè)最熱年份中，有15個(gè)最熱年份發(fā)生在2001年之后[1]。這意味著，自2001年以來的15 a里，每一年都比1910—2000年的長期平均氣溫升高了至少0.54℃。也有研究表明：中國近100多年來平均地表溫度升高了約0.5～0.8℃[2]；根據(jù)IPCC[3]的調(diào)查結(jié)果，在世界大部分地區(qū)，溫度的升高不僅直接影響溫度極端值的變化，而且可能會(huì)導(dǎo)致高溫干旱和暴雨洪澇等極端氣候事件的發(fā)生強(qiáng)度、頻率、持續(xù)時(shí)間和范圍等都有增加的趨勢。對(duì)極端氣溫的已有研究均表明[4-6]：最高氣溫和最低氣溫都呈現(xiàn)出上升趨勢，但最高氣溫的上升趨勢要明顯小于最低氣溫的上升趨勢；極端高溫指數(shù)呈增加趨勢，極端低溫指數(shù)呈減小趨勢。Cohen等[7]對(duì)北半球熱帶外大陸的季節(jié)溫度變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)春、夏、秋季的溫度一直呈增暖趨勢，而冬季溫度在近十幾年內(nèi)呈變冷趨勢。中國極端高溫和極端低溫變化的區(qū)域差異性顯著，且呈現(xiàn)出明顯的不對(duì)稱，極端低溫的增溫幅度明顯要高于極端高溫的增溫幅度；且極端最低溫度在冬、秋季增溫趨勢顯著，極端最高溫度在秋季降溫趨勢明顯[8-11]。Li等[12]研究表明：我國大部分地區(qū)在1998—2012年夏季平均最高氣溫指數(shù)增暖幅度最大，而冬季平均最低氣溫指數(shù)略有變冷的趨勢。雖然研究的區(qū)域范圍有所不同，但對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)幾乎是一致的。

黃河是我國第二大河，全長5 464 km，流域面積約7.5×106km2，區(qū)域跨度大，氣候類型復(fù)雜多樣，區(qū)域差異較為明顯，西部干旱，東部濕潤，大致可分為干旱、半干旱和半濕潤氣候。隨著全球氣候變暖，黃河流域極端氣候事件頻發(fā)，氣象災(zāi)害帶來的損失也愈加嚴(yán)重，對(duì)該區(qū)域農(nóng)、林、牧業(yè)和整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)等敏感領(lǐng)域都存在直接或間接的影響。目前，對(duì)黃河流域氣溫方面的研究主要側(cè)重于平均狀態(tài)及年時(shí)間序列，分析資料截止年份也相對(duì)較早[13-18]，而針對(duì)極端氣溫季節(jié)變化的研究尚不多見。極端氣溫天氣在任何季節(jié)都會(huì)發(fā)生，且冬季氣溫是影響黃河流域凌汛和開、封河的一個(gè)重要因子[17]，所以研究極端氣溫的季節(jié)變化將有助于了解黃河流域復(fù)雜、多變的氣候特征，并對(duì)黃河流域民眾的生產(chǎn)生活提供科學(xué)指導(dǎo)。因此，本文用最新的氣象資料和統(tǒng)一的極端氣溫指數(shù)，對(duì)黃河流域極端氣溫事件變化特征及其與大尺度環(huán)流因子的相互關(guān)系進(jìn)行全面深入分析，力求為當(dāng)?shù)孛癖姂?yīng)對(duì)極端氣候事件變化和防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選取黃河流域1960—2017年內(nèi)有完整記錄的66個(gè)氣象站點(diǎn)(圖1)的逐日平均氣溫資料，所有數(shù)據(jù)序列經(jīng)過質(zhì)量控制與均一化處理；資料來源于國家氣象信息中心(http:∥www.nmic.gov.cn/)。厄爾尼諾—南方濤動(dòng)(ENSO)指數(shù)采用多元ENSO指數(shù)[19](即MEI)，數(shù)據(jù)來自http:∥www.cdc.noaa.gov/people/klaus.wolter/MEI/。

1.2 研究方法

本文極端氣溫的統(tǒng)計(jì)方法是，將某一站點(diǎn)1960—2017年日平均氣溫?cái)?shù)據(jù)按升序排列，將第90個(gè)和第10個(gè)百分位值作為極端氣溫的閾值；當(dāng)某日的氣溫高于第90個(gè)百分位值時(shí)，則認(rèn)為該日出現(xiàn)了極端高溫事件；當(dāng)某日的氣溫低于第10個(gè)百分位值時(shí)，則認(rèn)為該日出現(xiàn)了極端低溫事件。采用Sen斜率計(jì)算極端氣溫指數(shù)的變化趨勢，并使用Mann-Kendall(M-K)方法進(jìn)行變化趨勢的顯著性檢驗(yàn)(本文顯著性檢驗(yàn)均通過α=0.01的顯著性)和突變檢測；并根據(jù)Sen計(jì)算極端氣溫指數(shù)的變化趨勢，利用軟件ArcGIS 10.2生成黃河流域各極端氣溫指數(shù)傾向率空間分布圖，來分析要素的空間分布規(guī)律；最后，采用交叉小波對(duì)極端氣候天氣與ENSO指數(shù)做相關(guān)分析。交叉小波是將小波變換和交叉譜分析兩種方法結(jié)合產(chǎn)生的一種新型信號(hào)分析技術(shù)[20-21]，可以從多時(shí)間尺度來研究兩個(gè)時(shí)間序列在時(shí)頻域中的相互關(guān)系；且該方法可以揭示兩序列在不同時(shí)段尺度上的相關(guān)性和一致性，并能再現(xiàn)時(shí)頻空間中的相位關(guān)系。其中本文黃河流域極端氣溫指數(shù)用66個(gè)站點(diǎn)的算術(shù)平均值表示，季節(jié)劃分為：春季為3—5月、夏季為6—8月、秋季為9—11月和冬季12月—次年2月。

圖1 黃河流域氣象站點(diǎn)分布

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫的季節(jié)年際變化

在1960—2017年，黃河流域春、夏、秋、冬季的極端高溫天氣日數(shù)均呈增加趨勢(圖2A—D)，其年際變化率分別為0.196，0.227，0.216，0.304 d/a，均通過0.01的置信度檢驗(yàn)，這表明在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)黃河流域各季節(jié)極端高溫天氣日數(shù)的增加趨勢非常顯著；這其中冬季增幅最大，春季最小。相對(duì)于極端高溫，黃河流域在1960—2017年間春、夏、秋、冬季的極端低溫天氣日數(shù)均呈減少趨勢(圖2E—H)，其年際變化率分別為-0.215，-0.075，-0.230，-0.244 d/a；除夏季極端低溫天氣日數(shù)減少趨勢不顯著外，春、秋和冬季的極端低溫天氣日數(shù)減少趨勢顯著(均通過0.01的置信度檢驗(yàn))；其中冬季極端低溫天氣日數(shù)減幅最大，夏季最小。為了更加深入地分析黃河流域極端氣溫季節(jié)變化的年際變化趨勢，我們將1960—2017年時(shí)間段劃分成1960—1990年、1991—2017年時(shí)段(圖3)，對(duì)各時(shí)段極端高溫和低溫的季節(jié)年際變化趨勢進(jìn)行分析。從圖3可以看出，在1960—1990年時(shí)段內(nèi)，黃河流域春、夏季極端低溫天氣日數(shù)呈現(xiàn)微弱的增加趨勢，而秋、冬季的極端低溫天氣日數(shù)卻呈現(xiàn)減少趨勢；而極端高溫天氣日數(shù)的變化呈現(xiàn)出與極端低溫相反的趨勢，即春、夏季極端高溫天氣日數(shù)呈現(xiàn)微弱的減少趨勢，而秋、冬季卻呈現(xiàn)增加的趨勢。與1960—1990年時(shí)段不同的是，在1991—2017年時(shí)段內(nèi)黃河流域春、夏、秋、冬季的極端低溫天氣日數(shù)均呈減少趨勢，且減少趨勢較為顯著；而極端高溫天氣日數(shù)在四季內(nèi)均呈現(xiàn)出顯著增加趨勢。經(jīng)過上述分析可以得出：在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，黃河流域平均氣溫的升溫趨勢(極端高溫天氣增多和極端低溫天氣減少)較為顯著，且升溫趨勢主要發(fā)生在1991—2017年。

2.2 極端氣溫的季節(jié)空間變化

從空間尺度來看，春季極端高溫天氣日數(shù)有97%的站點(diǎn)處于增加趨勢(圖4A)，其中有56%的站點(diǎn)通過了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，黃河中下游地區(qū)增加趨勢較為明顯，有兩個(gè)站點(diǎn)的變化趨勢呈現(xiàn)出減少趨勢，但未通過顯著性檢驗(yàn)；夏季極端高溫天氣日數(shù)有86%的站點(diǎn)處于增加趨勢(圖4B)，其中39%的通過了顯著性檢驗(yàn)，增加顯著的區(qū)域主要集中在黃河上、中游，下游部分地區(qū)卻呈現(xiàn)出減少趨勢；秋季極端高溫天氣日數(shù)有98%的站點(diǎn)處于增加趨勢(圖4C)，其中44%的站點(diǎn)通過顯著性檢驗(yàn)，主要集中在黃河上、中游部分地區(qū)，而僅有一個(gè)站點(diǎn)(黃河上游的河南蒙古自治縣)呈現(xiàn)出減少趨勢。這主要是因?yàn)辄S河流域上游的河南蒙古自治縣為高原大陸性氣候，海拔較高，地勢復(fù)雜，使得該區(qū)域的近57 a來的春、秋季極端高溫天氣日數(shù)的變化趨勢呈現(xiàn)出減少趨勢。而冬季極端高溫天氣日數(shù)在整個(gè)區(qū)域均呈現(xiàn)出增加趨勢(圖4D)，且有85%的站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)，最顯著的區(qū)域集中在黃河流域中游大部分地區(qū)。對(duì)于極端低溫天氣而言，春季極端低溫天氣日數(shù)有98%的站點(diǎn)處于減少趨勢(圖4E)，但僅有約58%的站點(diǎn)呈現(xiàn)出顯著減少趨勢；夏季極端低溫天氣日數(shù)雖然有80%的站點(diǎn)呈現(xiàn)出減少趨勢(圖4F)，但僅有12%的站點(diǎn)呈現(xiàn)出顯著減少的趨勢，這些站點(diǎn)主要零星分布在黃河中上游地區(qū)；而20%站點(diǎn)的夏季極端低溫卻呈現(xiàn)出增加趨勢，但均未通過顯著性檢驗(yàn)。秋、冬季極端低溫天氣日數(shù)的變化趨勢基本相似(圖4G—H)，除了僅有一個(gè)站點(diǎn)(河南蒙古自治縣)呈現(xiàn)出增加趨勢外，其余站點(diǎn)均呈現(xiàn)出減少趨勢；不過秋季有61%的站點(diǎn)通過了顯著性檢驗(yàn)，而冬季只有38%左右。總之，整個(gè)黃河流域春、夏、秋、冬季極端高溫天氣發(fā)生的頻率在增加，極端低溫天氣發(fā)生的頻率在減小。

注：T為趨勢系數(shù)，p為顯著性。

圖2 黃河流域1960-2017年春、夏、秋、冬季極端高溫天氣和極端低溫天氣的天數(shù)年際變化趨勢

圖3 黃河流域1960-1990年、1991-2017年春、夏、秋、冬季極端高溫天氣和極端低溫天氣的年際變化趨勢

2.3 極端氣溫的突變分析

在0.05(U0.05=±1.96)的置信度水平下，黃河流域極端氣溫在各個(gè)季節(jié)都發(fā)生了突變(圖5)，但各個(gè)季節(jié)發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)各不相同。極端高溫天氣在春、夏、秋和冬季發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)分別為2000年、2001年、1994年和1995年(圖5A—D)；突變前分別為15.7，15.7，14.6，13.8 d，突變后分別為24.6，25.4，21.9，23.6 d；突變后比突變前分別增加了8.9，9.7，7.3，9.8 d。極端低溫天氣在春、夏、秋和冬季發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)分別為2006年、2015年、1988年、1990年(圖5E—H)；春、秋和冬季突變前分別為19.7，21.5，21.0 d，突變后分別為11.4，14.7，13.8 d；突變后比突變前分別減少了8.3，6.8，7.2 d。夏季極端低溫天氣因發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)較晚，為2015年(圖5F)，在本研究時(shí)間序列尾端，故不予討論。由于各季節(jié)極端天氣發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)不一致，春、夏季極端天氣發(fā)生突變的時(shí)間較晚，均在21世紀(jì)初增加或減少；而秋、冬季均在20世紀(jì)80，90年代中后期增加或減少。此外，秋、冬季極端高溫天氣在1994年和1995年突變?cè)龆?，極端低溫天氣在1988年和1990年突變減少，秋、冬季極端低溫天氣突變的時(shí)間比極端高溫天氣突變?cè)? a，5 a左右。由此可見，秋、冬季極端氣溫天氣的變化是從極端低溫天氣的變化開始的，且秋、冬季極端氣溫天氣對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)比春、夏季早。

2.4 極端氣溫與ENSO的關(guān)系

本文采用交叉小波探討極端氣候天氣與ENSO之間的多時(shí)間尺度相關(guān)關(guān)系。由圖6A可以看出，黃河流域春季極端高溫天氣與ENSO指數(shù)在1964—1973年表現(xiàn)出1～3 a共振周期，在此頻率上有共振關(guān)系；而夏季極端高溫天氣與ENSO指數(shù)在1975—1980年、1988—1992年、2005—2010年存在2～4，4～6 a的共振周期(圖6B)，它們?cè)诖祟l率上有共振關(guān)系；秋季極端高溫天氣與ENSO指數(shù)的共振關(guān)系和夏季相似，都存在多時(shí)間跨度的共振周期，它們分別在1965—1972年，1976—1990年，2006—2012年存在2～6，7～9 a的共振周期(圖6C)；冬季極端高溫天氣與ENSO在1962—1968年、2008—2014年存在2～4 a的共振周期(圖6D)。黃河流域春季極端低溫天氣與ENSO指數(shù)在1962—1968年，1988—1994年，2004—2010年表現(xiàn)出2～4，4～6 a的共振周期(圖6E)，在此頻率上有共振關(guān)系；而夏季極端低溫天氣與ENSO指數(shù)在1968—1970年、1996—2000年、2005—2010年存在2～4，4～6 a的共振周期(圖6F)，它們?cè)诖祟l率上有共振關(guān)系；秋季極端低溫天氣與ENSO指數(shù)在1984—1992年、2008—2012年存在6～8，1～3 a的共振周期(圖6G)；冬季極端高溫天氣與ENSO在1978—1986年、1988—1992年、2008—2012年存在6～8，2～3 a的共振周期(圖6H)。

圖5 黃河流域春、夏、秋、冬季極端高溫天氣和極端低溫天氣的突變檢驗(yàn)

注：粗黑線包圍的范圍通過了α=0.05顯著性水平下的紅噪聲標(biāo)準(zhǔn)譜的檢驗(yàn)；細(xì)黑線為影響錐曲線，在該曲線以外的功率譜由于受到邊界效應(yīng)的影響而不予考慮。箭頭表示相對(duì)位相差，→表示兩者同位相變化；←表示兩者反位相變化；↑表示春、夏、秋、冬季極端高/低溫天氣變化位相比ENSO變化位相提前90°，↓表示春、夏、秋、冬季極端高/低溫天氣變化位相比ENSO變化位相落后90°。

圖6 黃河流域春、夏、秋、冬季極端高溫天氣和極端低溫天氣與ENSO的交叉小波變換

3 結(jié) 論

(1) 黃河流域1960—2017年各季節(jié)的極端高溫天氣日數(shù)均呈顯著增加趨勢，而極端低溫天氣日數(shù)均呈顯著減少趨勢；且在整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)，黃河流域平均氣溫的升溫趨勢(極端高溫天氣增多和極端低溫天氣減少)較為顯著，且升溫趨勢主要發(fā)生在1991 —2017年。總之，整個(gè)黃河流域春、夏、秋、冬季極端高溫天氣發(fā)生的頻率在增加，而極端低溫天氣發(fā)生的頻率在減小。

(2) 從空間尺度來看，春、夏和秋季黃河流域極端高溫天氣日數(shù)在大多數(shù)地區(qū)呈現(xiàn)出增加趨勢，僅有個(gè)別站點(diǎn)呈現(xiàn)出減少趨勢；而冬季極端高溫天氣日數(shù)在整個(gè)研究區(qū)域內(nèi)均呈現(xiàn)出增加趨勢，最顯著的區(qū)域集中在黃河中游大部分地區(qū)。而各季節(jié)極端低溫天氣日數(shù)變化在大多數(shù)站點(diǎn)呈現(xiàn)出減少趨勢，而僅有少數(shù)站點(diǎn)呈現(xiàn)增加趨勢。

(3) 黃河流域極端高溫天氣日數(shù)在春、夏、秋和冬季發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)分別為2000年、2001年、1994年和1995年，極端低溫天氣日數(shù)在春、夏、秋、冬季發(fā)生突變的時(shí)間點(diǎn)分別為2006年、2015年、1988年和1990年；除夏季外，其他季節(jié)極端高溫天氣與極端低溫天氣的突變時(shí)間點(diǎn)較為接近，秋、冬季極端氣溫天氣對(duì)全球氣候變暖的響應(yīng)均比春、夏季要早。

(4) 交叉小波分析表明，黃河各季節(jié)流域極端氣溫均與ENSO存在不同時(shí)段不同頻率的共振周期。