遼河流域近60年極端氣溫指數(shù)時空變化特征分析

郭 峰

(遼寧省鞍山水文局，遼寧 鞍山 114000)

受全球氣候變化影響，區(qū)域極端氣溫事件發(fā)生的頻次及程度都有所增強，如何應對氣候變化，是當前國內(nèi)外研究關注的熱點和焦點[1]。分析極端氣溫指數(shù)時空變化有助于制定相應的氣候變化應對措施和方案[2]。為此，世界氣象組織推薦8個極端氣溫指數(shù)用于分析區(qū)域極端氣溫的變化。目前，8個極端氣溫指數(shù)已逐步被國內(nèi)許多學者用于研究區(qū)域極端氣溫指數(shù)的時空變化[3- 12]，各成果均表明受氣候變化影響，區(qū)域極端氣溫均發(fā)生不同程度的變化。但在遼河流域還未進行相關研究，遼河屬于遼寧省第一大河流，其流域覆蓋面積廣，近些年來，受到氣候變化的影響，流域極端氣溫發(fā)生較為明顯的變化特征[13- 15]，為此本文結(jié)合遼河流域主要氣象站點氣溫數(shù)據(jù)，應用8個極端氣溫指數(shù)，對遼河流域極端氣溫指數(shù)時空變化特征進行分析，研究成果對于遼河流域氣候變化影響下的水資源保護規(guī)劃具有參考價值。

1 數(shù)據(jù)來源及分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文選用世界氣象組織推薦8個極端氣溫指數(shù)進行遼河流域極端氣溫指數(shù)時空變化特征分析，各極端氣溫指數(shù)主要含義見表1。氣溫數(shù)據(jù)則來源于流域內(nèi)主要氣象站點，選用的氣溫數(shù)據(jù)包括：日平均及最高、最低氣溫，各極端氣溫指數(shù)主要結(jié)合各氣象站點的均值進行計算。

表1 各極端氣溫指數(shù)的主要含義

1.2 研究方法

主要對極端氣溫數(shù)據(jù)系列的線性及變化趨勢進行檢驗，其中線性變化檢驗方法采用森式斜率進行分析，該斜率主要計算極端氣溫數(shù)據(jù)中的中位數(shù)，具體計算方程為：

(1)

式中，QK—森式斜率；Xj—時間j下的極端氣溫數(shù)值；Xi—時間j下的極端氣溫數(shù)值。

結(jié)合R/S分析方法對極端氣溫數(shù)據(jù)系列進行檢驗，該方法定義極端氣溫數(shù)據(jù)系列為：

(2)

式中，(ξ)τ—極端氣溫數(shù)據(jù)系列；ξ(t)—時間序列；τ—任意整數(shù)。

則其累計方差的計算方程為：

(3)

式中，X(t，τ)—時間t內(nèi)的極端氣溫累計方差；ξ(u)—時間序列。

極差的計算方程為;

(4)

式中，R(τ)—極端氣溫的極差。

其標準差的計算方程為：

(5)

式中，S(τ)—極端氣溫的標準差。

2 極端氣溫時空變化特征

2.1 區(qū)域概況

遼河流域?qū)儆谶|寧省第一大河，其流域面積為21.9×104萬km2，遼河流域?qū)儆跍貛О霛駶櫚敫珊档募撅L氣候，氣溫的分布為平原較高，山地較低，年平均約在4～9℃間，自南向北遞減，每一緯度約差0.8℃，全年氣溫1月份最低，平均在-9～-18℃間，絕對最低溫度，各地都在-30℃以下，7月份溫度最高，平均在21～28℃之間，絕對最高溫度在37～43℃之間。

2.2 各極端氣溫指數(shù)變化趨勢

結(jié)合遼河流域內(nèi)主要氣象站點氣溫數(shù)據(jù)，應用8個極端氣溫指數(shù)，對遼河流域各極端氣溫變化趨勢進行分析，結(jié)果如圖1所示，并結(jié)合R/S分析方法，對其變化趨勢進行檢驗，檢驗結(jié)果見表1。

表1 各極端氣溫指數(shù)趨勢變化檢驗結(jié)果

從圖1中可看出，受氣候變暖影響，遼河流域冰凍日數(shù)及冷夜指數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的遞減變化，遞減率分別為1.32d/10a和1.56d/10a，暖晝指數(shù)呈現(xiàn)遞增變化，遞增率為0.89d/10a，其他指數(shù)總體變化較為平穩(wěn)。從各極端氣溫指數(shù)的趨勢變化結(jié)果可看出，各極端氣溫指數(shù)的森式斜率和其趨勢變化具有較高的相關性，冷夜指數(shù)的森式斜率最大，其非線性變化較為突出，夏季日數(shù)的森式斜率最小，其總體呈現(xiàn)線性變化。結(jié)合各極端氣溫指數(shù)的累計方差、極差及標準差，可計算其Hurst指數(shù)，Hurst指數(shù)主要表征為未來氣候變化趨勢和過去的變化趨

圖1 遼河流域各極端氣溫指數(shù)變化趨勢

續(xù)圖1 遼河流域各極端氣溫指數(shù)變化趨勢

圖2 遼河流域各極端氣溫突變變化特征

勢的一致性程度，當0

2.3 各極端氣溫指數(shù)突變特征

結(jié)合小波突變分析方法對遼河流域各極端氣溫指數(shù)的突變特征進行分析，分析結(jié)果如圖2所示。

各極端氣溫指數(shù)突變特征分析的關鍵在于其受氣候變化影響的時期，從圖2中可看出，代表低溫的4個指數(shù)突變特征具有一定的相關度，且具有明顯的規(guī)律性，均發(fā)生在2000年以后，這主要是因為遼河流域主要氣候變化的關鍵期為2000年以后，受氣候變暖影響，區(qū)域和低溫相關的極端氣溫指數(shù)均有所遞減，溫度存在上升的變化趨勢，而與溫度上升相關的極端氣溫指數(shù)也具有一定的相關度，遼河流域氣溫升高的突變期也主要發(fā)生在2000年以后，受氣候變化影響，其暖溫相關的極端氣溫指數(shù)發(fā)生較為明顯的突變變化。氣溫日較差是高溫和低溫的日平均溫差，從氣溫日較差的突變特征可看出，其突變點主要為2005年以后，可知遼河流域日平均溫差突變主要發(fā)生2005年后。

2.4 各極端氣溫指數(shù)空間變化特征

結(jié)合各氣象站點數(shù)據(jù)，結(jié)合空間分析方法，對遼河流域8個極端氣溫指數(shù)的空間變化特征進行分析，分析結(jié)果如圖3所示。

從圖3中可看出，與低溫相關的極端氣溫指數(shù)在空間呈現(xiàn)明顯的一致性變化，但規(guī)律變化性不明顯，從空間差異程度可看出，冰凍日數(shù)、冷夜指數(shù)、冷晝指數(shù)在空間上存在明顯的差異性，這主要是因為與低溫相關的各指數(shù)其影響因素較為復雜，使得其在空間上存在一定的差異性。受氣候變暖影響，夏季日數(shù)及暖夜指數(shù)空間變化特征具有明顯的一致性，即從南向北指數(shù)逐步遞減。而從氣溫日較差的變化結(jié)果可看出，其指數(shù)從東向西逐步遞增。

結(jié)合各極端氣溫指數(shù)的總體變化結(jié)果可看出，遼河流域未來出現(xiàn)持續(xù)高溫及干旱變化的趨勢性較強。

3 結(jié)論

(1)遼河流域北部極端夏季日數(shù)及暖夜指數(shù)遞增變化明顯，未來發(fā)生干旱及高溫性的概率程度較高，因重點關注這一區(qū)域的抗旱措施規(guī)劃。

(2)遼河流域各極端氣溫Hurst指數(shù)變化程度總體較低，未來氣候變化趨勢變幅相對較小，內(nèi)部氣候系統(tǒng)總體較為穩(wěn)定。