1961-2016年黑龍江省極端氣溫事件變化特征

尹明麗, 徐華君, 趙國永, 韓 艷

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.信陽師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院, 河南 信陽 464000)

近年來，全球變暖及其伴隨的極端天氣和氣候事件引起了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。20世紀(jì)60—90年代，亞洲和中國大部分地區(qū)的氣溫持續(xù)上升。20世紀(jì)80年代以來，東北地區(qū)低溫冷害發(fā)生的頻率明顯減少[4]。特別是20世紀(jì)90年代以后，世界進(jìn)入了百年來最熱的時期[5]。中國極端最低氣溫的變化在春季和秋季是最大的，而在北方則更為明顯[6]。自20世紀(jì)90年代后期以來，冬季極端低溫頻率的變化是漸進(jìn)的[7]。極端溫度是反映一個地區(qū)冷暖的一項重要指標(biāo)[8]，極端氣溫的變化可能會影響該國部分地區(qū)的氣候[9-10]。

黑龍江省位于中國東北部，地理坐標(biāo)為北緯43°26′—53°33′，東經(jīng)121°11′—135°05′，屬于溫帶大陸性氣候。與其他地區(qū)相比，黑龍江省極端氣溫研究相對較低。近幾十年來我國極端溫度事件也表現(xiàn)出區(qū)域性特征，而且東北地區(qū)作為對極端高溫事件和極端低溫事件高度敏感的地區(qū)之一，更應(yīng)該引起注意[11-18]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對極端溫度事件已有較多的研究。劉丹等[19]對哈爾濱地區(qū)極端氣溫進(jìn)行研究得出哈爾濱平均氣溫的升溫幅度高于全國平均升溫值；周曉宇等[20]研究得出東北地區(qū)年極端最高(最低)氣溫呈下降(升溫)趨勢,極端高溫(低溫)日數(shù)呈增加(減少)趨勢；嚴(yán)曉瑜等[21]研究得出東北大部分地區(qū)年極端最高氣溫和年極端最低氣溫均呈升高趨勢，且后者比前者顯著；朱紅蕊等[22]得出空間分布方面，極端氣溫指數(shù)在全區(qū)基本都呈一致的增大或減小分布。然而，這些研究主要集中在極端溫度頻率和強(qiáng)度的變化上，而且關(guān)于溫度的綜合研究很少，特別是關(guān)于黑龍江省與氣候變暖極端氣候事件的時空特征研究還鮮有報道。已有的研究時間跨度不大，本文的研究相比之前的研究時間跨度大，可以充分反映黑龍江省極端氣候的變化。本文研究結(jié)果，有助于黑龍江省在應(yīng)對極端氣候事件方面制定切實可行的措施，減少不必要的損失。黑龍江省27個站點、經(jīng)緯度以及高程信息如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)來自中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。選取1961年1月1日—2016年12月31日逐日記錄完整觀測站，剔除缺失數(shù)據(jù)站點，最終選擇27個站點。研究數(shù)據(jù)包括逐日最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫，并進(jìn)行一系列嚴(yán)格質(zhì)量控制。然后，運用R編輯器和RClimDex軟件進(jìn)一步質(zhì)量控制(消除錯誤值，異常值等)。

1.2 極端溫度指數(shù)概念

本研究使用由WMO-CCL和CLIV氣候變化檢測，監(jiān)測和指標(biāo)專家組(ETCCDMI)確定的指數(shù)系統(tǒng)定義和計算極端溫度指數(shù)[23]。本文選取的溫度指數(shù)包括相對指數(shù)、絕對指數(shù)、極值指數(shù)和其他指數(shù)，這些溫度指數(shù)都是與最高溫和最低溫相關(guān)的指數(shù)(表1)[24]，這些極端氣溫指數(shù)都是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計并能很好反映極端溫度的變化，這些指數(shù)都是采用閾值指標(biāo)來度量的(反映季節(jié)或年內(nèi)最大、最小值的極值指數(shù)除外)。超過閾值指標(biāo)的值被認(rèn)為是極值，該事件稱為極端事件[25]。

圖1 1961-2016年黑龍江省各站點及高程分布

1.3 研究方法

本文主要運用Mann-Kendall檢驗、Morlet復(fù)小波分析以及反距離加權(quán)插值法來分析黑龍江省極端氣溫變化趨勢。Mann-Kendall檢驗是常用的一種揭示時間序列變化的非參數(shù)檢驗，對于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)，有更好的適用性，并能很好揭示時間序列趨勢變化[26-27]。黑龍江極端氣溫指數(shù)的變化周期是采用Morlet復(fù)小波分析來確定的，小波方差變化圖(小波方差隨尺度變化的過程)能反映氣象要素時間序列中包含的各種周期的波動及其強(qiáng)弱隨尺度變化的特性，可以通過小波方差變化圖找出一個時間序列中起主要作用的尺度(周期)[28]。同時，在ArcGIS 10.0環(huán)境下，利用反距離加權(quán)插值法繪制了黑龍江省極端溫度指數(shù)和顯著性檢驗空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 時間變化特征

1961—2016年黑龍江省27個站點相對指數(shù)中，2個指數(shù)(TX10p和TN10p)呈降低趨勢，2個指數(shù)(TX90p和TN90p)呈升高趨勢；絕對指數(shù)中，2個指數(shù)(ID0和FD0)呈降低趨勢。2個指數(shù)(SU25和TR20)呈升高趨勢；所有極值指數(shù)均呈升高趨勢；其他指數(shù)除了DTR外，所有指數(shù)均呈升高趨勢。

其中，F(xiàn)D0，TN10p和TN90p兩個指數(shù)的變化趨勢最顯著，變化的速率分別為3.18，3.8，3.53 d/10 a；13個指數(shù)(TX10p，TN10p，F(xiàn)D0，TNn，Tminmean，DTR，TX90p，TN90p，SU25，TR20，TNx，Tmaxmean和GSL)通過了α=0.05顯著性檢驗(表2)，表明極端氣溫指數(shù)有明顯的升溫趨勢。

表1 極端氣溫指數(shù)定義[21]

表2 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數(shù)變化趨勢及顯著性檢驗

注：*，**，***分別表示通過α=0.05，α=0.01和α=0.001顯著性檢驗，下表同。

綜上所述，近56 a黑龍江省極端氣溫指數(shù)呈顯著暖化趨勢，且與日最低氣溫相關(guān)指數(shù)暖化趨勢最顯著(TN10p，F(xiàn)D0和TN90p)。

2.2 空間變化特征

2.2.1 相對指數(shù) 近56 a黑龍江27個站點的冷晝天數(shù)(TX10p)各站均呈減少趨勢，減少幅度為0.4～3.4 d/10 a，璦琿減幅最大(3.4 d/10 a)，綏芬河減幅最??；通過α=0.05顯著性檢驗的地區(qū)主要分布在黑龍江省西北部以及中部大部分地區(qū)(圖2A)。冷夜天數(shù)(TN10p)各站均呈減少趨勢，減少幅度為0.6～6.0 d/10 a，孫吳減幅最大(6.0 d/10 a)，漠河減幅最??；除漠河站點外其余站點均通過了α=0.05的顯著性檢驗(圖2B)。暖晝天數(shù)(TX90p)各站點均呈增加趨勢，增加幅度為0.2～3.6 d/10 a，漠河增幅最大(3.6 d/10 a)，綏芬河增幅最小(0.2 d/10 a)；59.3%站點通過α=0.05顯著性檢驗(圖2C)。暖夜天數(shù)(TN90p)各站點均呈增加趨勢，增加幅度為1.2～5.7 d/10 a，孫吳增幅最大(5.7 d/10 a)，漠河增幅最?。凰姓军c均通過了α=0.05顯著性檢驗(圖2D)。

2.2.2 絕對指數(shù) 就冰凍天數(shù)(ID0)而言，各站均呈減少趨勢，減少幅度為0～2.2 d/10 a，呼瑪減幅最大(2.2 d/10 a)，富錦、綏芬河、鐵力減幅最??；11.1%站點通過了α=0.05顯著性檢驗。(圖3A)。霜凍天數(shù)(FD0)變化幅度為-6.7～0.6 d/10 a，漠河變幅為正值，其余變幅均為負(fù)值，孫吳減幅最大(6.7 d/10 a)，漠河增幅最大；除漠河站外其余站點。均通過了α=0.05顯著性檢驗(圖3B)。夏季天數(shù)(SU25)各站均呈增加趨勢，增加幅度為0.3～4.6 d/10 a，呼瑪增幅最大(4.6 d/10 a)，綏芬河增幅最小；除雞西和綏芬河外，所有站點均通過了α=0.05顯著性檢驗(圖3C)。熱夜天數(shù)(TR20)各站均呈增加趨勢，增加幅度為0～4.0 d/10 a，齊齊哈爾的增幅最大(4.0 d/10 a)，漠河、綏芬河、伊春增幅最??；88.9%站點通過了α=0.05顯著性檢驗(圖3D)。

注：陰影區(qū)域表示通過α=0.05變化趨勢的顯著性檢驗，下圖同。

圖2 1961-2016年黑龍江省極端氣溫相對指數(shù)變化趨勢及顯著性檢驗空間變化

圖3 1961-2016年黑龍江省極端氣溫絕對指數(shù)變化趨勢及顯著性檢驗空間變化

2.2.3 極值指數(shù) 近56 a日最高溫最大值(TXx)變化幅度為-0.1～0.5 d/10 a，3個站點變幅為負(fù)值，24個站點變幅為正值，嫩江增幅最大(0.5 d/10 a)，漠河減幅最大(0.1 d/10 a)；14.8%站點通過了α=0.05顯著性檢驗(圖4A)。日最高溫最小值(TXn)各站均呈增加趨勢，增加幅度為0.1～1.3℃/10 a，漠河增幅最大(1.3℃/10 a)，鐵力增幅最小(圖4B)。日最低溫最大值(TNx)各站均呈增加趨勢，增加幅度為0～0.7 d/10 a，孫吳增幅最大(0.7 d/10 a)，漠河、通河增加幅度最??；62.9%站點通過α=0.05顯著性檢驗(圖4C)。日最低溫最小值(TNn)各站點均呈升高趨勢，增加幅度為0.1～1.4℃/10 a，孫吳增幅最大(1.4℃/10 a)，富錦增幅最??；62.9%的站點通過α=0.05顯著性檢驗(圖4D)。

圖4 1961-2016年黑龍江省極端氣溫極值指數(shù)變化趨勢及顯著性檢驗空間變化

2.2.4 其他指數(shù) 日最高溫平均值(Tmaxmean)增加幅度為0～0.5 d/10 a，漠河增幅最大(0.5 d/10 a)，綏芬河增幅最??；70.4%站點通過了α=0.05顯著性檢驗(圖5A)。日最低溫平均值(Tminmean)增加幅度為0.1～1.0℃/10 a，孫吳增幅最大(1.0℃/10 a)，漠河增幅最小；除漠河站外其余站點均通過了α=0.05顯著性檢驗(圖5B)。平均氣溫日較差(DTR)變化幅度為-0.7～0.3℃/10 a，漠河變幅為正值，其余站點變幅為負(fù)值，孫吳減幅最大(0.7℃/10 a)，漠河增幅最大(0.3℃/10 a)；96.3%站點通過α=0.05顯著性檢驗(圖5C)。生物生長季(GSL)增加幅度為0.8～3.9 d/10 a，牡丹江增幅最大(3.9 d/10 a)，虎林增幅最小；88.9%站點通過了α=0.05顯著性檢驗(圖5D)。

綜上所述，冷晝天數(shù)(TX10p)、冷夜天數(shù)(TN10p)、冰凍天數(shù)(ID0)各站點均呈減少趨勢；暖晝天數(shù)(TX90p)、暖夜天數(shù)(TN90p)、夏季天數(shù)(SU25)、熱夜天數(shù)(TR20)、日最高溫最小值(TXn)、日最低溫最大值(TNx)、日最低溫最小值(TNn)、日最高溫平均值(Tmaxmean)、日最低溫平均值(Tminmean)、生物生長季(GSL)各站點均呈增加趨勢。表明在空間分布方面，近56 a黑龍江27個站點極端氣溫指數(shù)均呈暖化趨勢，其中，暖化趨勢最為顯著的是漠河、孫吳等地。

在世界變暖這個大背景下，全國各地都表現(xiàn)不同程度的暖化，另外，黑龍江是國家重要的能源工業(yè)基地，是主要的煤炭調(diào)出省之一，而黑龍江相比于全國來說溫度相對較低，冬季人們大量燒煤取暖，產(chǎn)生溫室氣體，使得氣溫變得溫暖。黑龍江省林業(yè)發(fā)達(dá)，但最近這些年樹木數(shù)目呈下降趨勢，同樣加劇了氣候變暖。黑龍江省森林面積減少同樣導(dǎo)致全年日最高氣溫最高(低)值下降、最低氣溫最高值上升[29]。

圖5 1961-2016年黑龍江省極端氣溫其他指數(shù)變化趨勢及顯著性檢驗空間變化

2.3 突變分析

如圖6所示，由Mann-Kendall突變檢驗可知，4個相對指數(shù)中，2個指數(shù)(TX10p，TN10p)分別在1992年、1986年發(fā)生減少突變，TN90p不存在突變點，TX90p于1987年發(fā)生增加突變；對絕對指數(shù)而言，ID0不存在突變點，F(xiàn)D0在1988發(fā)生減少突變，SU25，TR20分別于1997年、1994年發(fā)生增加突變；4個極值指數(shù)變化不大，2個指數(shù)(TXx，TXn)不存在突變點，2個指數(shù)(TNx，TNn)分別在1976年、1981年發(fā)生增加突變；其他指數(shù)中，3個指數(shù)(Tmaxmean，Tminmean和GSL)分別于1988年、1985年、1987年發(fā)生增加突變，DTR在1986年發(fā)生減少突變。綜上所述，大部分指數(shù)約在1980s中后期至1990s中期發(fā)生暖化突變。

圖6 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數(shù)突變檢驗

2.4 極端氣溫小波分析

小波分析能夠較好地揭示地學(xué)中時間序列降水和氣溫多種變化周期以及不同時間尺度中的變化趨勢[30]。關(guān)于小波分析方法的介紹詳見文獻(xiàn)[26,31—32]。利用MATLAB對黑龍江省極端最高氣溫(日最高溫平均值)和極端最低氣溫(日最低溫平均值)進(jìn)行了小波分析。從圖7A可以看出，Tmaxmean大約存在4～8 a，13～18 a，25～30 a共3個尺度的周期變化，25～30 a震蕩周期最為顯著，其中主周期為27 a，日最高溫平均值經(jīng)歷了高—低—高—低等7個循環(huán)交替，說明未來2～3 a日最高溫平均值繼續(xù)增加。Tminmean大約存在5～6 a，8～10 a，13～15 a，18～25 a共4個尺度的周期變化，18～25 a震蕩周期最為顯著，其中主周期為20 a，日最低溫平均值經(jīng)歷了高—低—高—低等9個循環(huán)交替。

圖7 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數(shù)的小波分析

2.5 極端氣溫指數(shù)變化趨勢與海拔高度、經(jīng)緯度的關(guān)系

根據(jù)各項極端氣溫指數(shù)變化趨勢與地理參數(shù)的線性相關(guān)分析來看(表3)，相對指數(shù)與緯度的相關(guān)性普遍較高；絕對指數(shù)和其他指數(shù)與緯度的相關(guān)性不明顯；極值指數(shù)中TXx與緯度的相關(guān)性較高?？赡苁怯捎诤邶埥】缇暥缺容^大所致。所有指數(shù)與經(jīng)度和海拔高度的相關(guān)性不顯著。另外，所有相對指數(shù)與極值指數(shù)中的TXx與緯度的相關(guān)性通過α=0.05顯著性檢驗。指數(shù)與指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系見表4。

表3 黑龍江各項極端氣溫指數(shù)變化趨勢與地理位置的相關(guān)系數(shù)

表4 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數(shù)之間相關(guān)關(guān)系矩陣

3 結(jié) 論

(1) 變化趨勢。時間方面，近56 a黑龍江省極端氣溫指數(shù)呈顯著暖化趨勢，且與日最低氣溫相關(guān)指數(shù)暖化趨勢最顯著(TN10p，F(xiàn)D0和TN90p)。空間方面，近56 a黑龍江27個站點極端氣溫指數(shù)均呈暖化趨勢，說明黑龍江省極端氣溫指數(shù)在時間和空間上均呈暖化趨勢。其中，暖化趨勢最為顯著的是漠河、孫吳等地。

(2) 突變檢驗。根據(jù)M-K檢驗結(jié)果，大部分指數(shù)約在1980s中后期至1990s中期發(fā)生暖化突變。

(3) 小波分析。日最低溫平均值大約存在5～6 a，8～10 a，13～15 a，18～25 a共4個尺度的周期變化，其中主周期為20 a；日最高溫平均值大約存在4～8 a，13～18 a，25～30 a共3個尺度的周期變化，經(jīng)歷了高—低—高—低等7個循環(huán)交替，說明未來2～3 a日最高溫均值繼續(xù)增加。

(4) 相對指數(shù)與緯度的相關(guān)性普遍較高；絕對指數(shù)和其他指數(shù)與緯度的相關(guān)性不明顯；極值指數(shù)中TXx與緯度的相關(guān)性較高；所有指數(shù)與經(jīng)度和海拔高度的相關(guān)性不顯著。