1980—2019年新鄉(xiāng)市極端氣溫時(shí)空變化特征

于海敬，葛非凡，王金蘭，馬月枝，王 強(qiáng)

(1.新鄉(xiāng)市氣象局，河南新鄉(xiāng) 453000；2. 桐鄉(xiāng)市氣象局，浙江桐鄉(xiāng) 314500；3.黃陵縣氣象局，陜西黃陵 727300)

近年來(lái)，全球氣候變暖已成為地球氣候系統(tǒng)變化的主要特征[1]，極端氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度均在迅速增加，嚴(yán)重影響社會(huì)和人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展[2-3]，其中極端氣候事件中極端氣溫指數(shù)的變化趨勢(shì)特征已成為國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者研究的熱點(diǎn)。1880—2012年全球海陸表面平均氣溫上升了0.85 ℃[4]，陸地上冷夜和冷晝?nèi)諗?shù)呈減少趨勢(shì)，而暖夜和暖晝發(fā)生的日數(shù)卻更加頻繁[4-6]。

國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者通過(guò)研究不同地區(qū)極端氣溫的變化特征，結(jié)果顯示全球極端氣溫呈低溫事件減少、高溫事件增加的趨勢(shì)[7]。我國(guó)內(nèi)蒙古大興安嶺林區(qū)極端最低氣溫日數(shù)呈減少趨勢(shì)，極端最高氣溫日數(shù)在20世紀(jì)80年代中期后呈上升趨勢(shì)[8]。江淮流域的極端最高氣溫、極端最低氣溫和夏日指數(shù)在1979—2011年均呈上升趨勢(shì)，高溫日數(shù)也呈上升趨勢(shì)[9]。麗江的冷指數(shù)呈下降趨勢(shì)，且極端高溫事件的概率在不斷增大[10]。貴州省1960—2016年冷指數(shù)呈下降趨勢(shì)，暖指數(shù)呈上升趨勢(shì)，其中在19世紀(jì)末到20世紀(jì)初多數(shù)極端氣溫指數(shù)均發(fā)生突變[11]。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)極端氣溫事件在不同地方存在一定差異[12]，各地極端氣溫事件的分布和變化也存在地域差異[13]，且在已有的極端氣溫事件研究中大都為研究某個(gè)區(qū)域或者中國(guó)全區(qū)，而對(duì)小尺度范圍的研究較少[14]。新鄉(xiāng)市位于河南省北部，南鄰黃河流域，西鄰太行山脈，地理位置優(yōu)越，是中原城市群和經(jīng)濟(jì)區(qū)的重要城市，市場(chǎng)潛力大，糧食優(yōu)勢(shì)突出[15]，又因河南省極端氣溫事件的變化趨勢(shì)存在明顯的地區(qū)差異[16]，故深入研究新鄉(xiāng)市極端氣溫變化特征具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，能夠?yàn)轱L(fēng)險(xiǎn)調(diào)控和氣候變化的研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用1980—2019年新鄉(xiāng)市8個(gè)國(guó)家氣象站點(diǎn)的逐日最高和最低氣溫(單位：℃)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)來(lái)源于新鄉(xiāng)市氣象局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)，所采用的數(shù)據(jù)均通過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制，數(shù)據(jù)無(wú)缺失，且連續(xù)性、代表性強(qiáng)。

1.2 研究方法

對(duì)世界氣象組織(WMO)發(fā)布常用的10種極端天氣指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并將其分為3類：極值指數(shù)，相對(duì)指數(shù)和絕對(duì)指數(shù)[1]。對(duì)極端氣溫指標(biāo)的定義采用百分位閾值法，因要求氣候參考期在30年內(nèi)需至少選用20年的有效數(shù)據(jù)[9]，本文選取40年數(shù)據(jù)作為基期，基期是通過(guò)8個(gè)站點(diǎn)40年的每年同一日平均最高(最低)氣溫按升序排列進(jìn)行確定，選取第90%的值作為該日的上閾值，第10%的值作為該日的下閾值，將1980—2019年各站點(diǎn)每年的同一日最高(最低)氣溫與閾值進(jìn)行比較[17-19]，得出各站點(diǎn)的指數(shù)值，其閾值的定義見(jiàn)表1[1]。

表1 極端氣溫指數(shù)的定義

采用線性傾向率方法，分析新鄉(xiāng)市極端氣溫指數(shù)的年際變化趨勢(shì)特征；采用空間插值方法，分析極端氣溫指數(shù)的空間變化趨勢(shì)特征和指數(shù)的空間分布特征；采用Morlet復(fù)數(shù)小波方法，分析極端氣溫指數(shù)的周期變化特征；采用M-K突變檢驗(yàn)方法，分析極端氣溫指數(shù)的突變年，以及突變后氣溫指數(shù)的變化趨勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣溫指數(shù)年際變化趨勢(shì)

采用1980—2019年新鄉(xiāng)市極端氣溫指數(shù)8個(gè)站點(diǎn)的日均值，來(lái)分析新鄉(xiāng)市極端氣溫指數(shù)年際變化的線性傾向率。通過(guò)分析可知，各極端氣溫指數(shù)的線性傾向率差值較大，極值指數(shù)中，極端最低氣溫和極端最高氣溫均呈上升趨勢(shì)(線性傾向率分別為0.47 ℃/10 a和0.27 ℃/10 a)，表明該地區(qū)的總體氣溫升高，極端最高氣溫的上升表明該地區(qū)氣溫趨于暖化，且極端最低氣溫的變化幅度大于極端最高氣溫。相對(duì)指數(shù)中，冷夜和冷日呈下降趨勢(shì)(線性傾向率分別為-12.67 d/10 a和-3.71 d/10 a)，暖夜和暖日呈上升趨勢(shì)(線性傾向率分別為10.31 d/10 a和2.68 d/10 a)，其中暖夜和冷夜通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)；冷夜的變化幅度最大，暖日的變化幅度最小。相對(duì)指數(shù)的變化趨勢(shì)表明該地區(qū)的低溫日數(shù)呈減少趨勢(shì)。絕對(duì)指數(shù)中，夏日和熱夜呈上升趨勢(shì)(線性傾向率分別為2.65 d/10 a、5.12 d/10 a)，而冰日和霜日呈下降趨勢(shì)(線性傾向率分別為-0.04 d/10 a、-6.72 d/10 a)，其中熱夜和霜日通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)；霜日的變化幅度最大，冰日的變化幅度最小?？傊?，極端氣溫指數(shù)的變化較明顯，發(fā)生極端天氣現(xiàn)象的概率增大。

2.2 極端氣溫指數(shù)周期性分析

為更好地研究新鄉(xiāng)市極端氣溫各指數(shù)的時(shí)域和頻域局部性質(zhì)，采用Morlet復(fù)數(shù)小波分析新鄉(xiāng)市極端氣溫指數(shù)的周期變化，并進(jìn)行紅噪聲檢驗(yàn)。因暖夜不存在周期性，故對(duì)其不進(jìn)行分析。圖1為存在全域性周期的2種極端氣溫指數(shù)(夏日和冰日)在時(shí)間序列上的周期變化特征及小波方差圖(極端氣溫指數(shù)非全域性周期變化圖略)。

圖1 1980—2019年新鄉(xiāng)市極端氣溫指數(shù)周期變化(a，粗實(shí)線為通過(guò)紅噪聲檢驗(yàn)區(qū))及小波方差線(b，虛線表示紅噪聲檢驗(yàn)顯著)

極端最低氣溫在1984—1998年和2005—2019年存在2 a左右的準(zhǔn)周期，從小波方差圖可知該周期通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)，表明在該時(shí)段存在2 a左右的顯著周期。極端最高氣溫在1993—2001年和1980—2015年分別存在2 a和5 a的準(zhǔn)周期，均通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)，其中5 a為主周期，2 a為第二顯著周期。

冷夜在1982—1996年存在4 a的準(zhǔn)周期，且通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)，表明在該時(shí)段存在顯著周期。暖日在1987—2007年存在2 a的周期、在1996—2019年存在4 a的準(zhǔn)周期，均通過(guò)紅噪聲檢驗(yàn)，其中4 a為主周期，2 a為第二周期。冷日在1981—1989年和1991—2005年存在2 a的非全域性準(zhǔn)周期，且通過(guò)紅噪聲檢驗(yàn)，故在此期間存在2 a的顯著周期。

夏日在1980—2019年存在4 a的準(zhǔn)周期且通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)，震蕩比較穩(wěn)定，表明存在4 a的全域性周期；在2004—2019年還存在6 a左右的準(zhǔn)周期，但未通過(guò)紅噪聲檢驗(yàn)。冰日在不同時(shí)期存在2 a和8 a準(zhǔn)周期，因1994—2004年存在8 a的準(zhǔn)周期，但未通過(guò)紅噪聲檢驗(yàn)，故冰日僅在1980—2019年存在2 a的全域性周期。熱夜在1983—1997年存在2 a左右的準(zhǔn)周期，均通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)，故在此期間存在顯著周期。霜日在1986—2012年分別存在4 a左右的準(zhǔn)周期，且通過(guò)了紅噪聲檢驗(yàn)。通過(guò)分析可知，極端最高氣溫和暖日存在兩種顯著周期，變化相對(duì)較復(fù)雜。

2.3 極端氣溫指數(shù)突變分析

通過(guò)M-K突變檢驗(yàn)方法對(duì)極端氣溫指數(shù)進(jìn)行突變分析，研究各極端氣溫指數(shù)在不同時(shí)間序列中的變化特點(diǎn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新鄉(xiāng)市有6種氣溫指數(shù)產(chǎn)生突變(圖略)。極端最低氣溫的突變年為1986年，之后增加趨勢(shì)不顯著。暖日的突變年為2013年，之后呈顯著增加趨勢(shì)。冷日的突變年為2015年，之后呈顯著減少趨勢(shì)。夏日的突變年為2004年，之后呈顯著增加趨勢(shì)。熱夜的突變年為1997年，之后呈顯著增加趨勢(shì)。霜日的突變年為1993年，之后呈顯著減少趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，極端氣溫指數(shù)的突變主要發(fā)生在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初期。

2.4 各氣溫指數(shù)之間的相關(guān)性

為研究各極端氣溫指數(shù)之間的相關(guān)性特點(diǎn)，采用SPSS中雙變量之間的相關(guān)性對(duì)其進(jìn)行分析(表2)，得出暖夜與熱夜的正相關(guān)性最強(qiáng)，暖夜與霜日的負(fù)相關(guān)性最強(qiáng)。對(duì)于單個(gè)指數(shù)，冷日除極端最高氣溫外，與其他8種指數(shù)之間均呈顯著相關(guān)，說(shuō)明冷日的變化對(duì)其他指數(shù)的影響最大。暖夜除極端最低氣溫、極端最高氣溫和冰日外，與其他6種指數(shù)之間均呈顯著相關(guān)。冷日和夏日與其他5種指數(shù)之間呈顯著相關(guān)，而極端最高氣溫與其他指數(shù)相關(guān)性不顯著，表明各極端氣溫指數(shù)之間的相關(guān)性差異較大。若知某種極端氣溫指數(shù)的變化特征，可通過(guò)采用各氣溫指數(shù)之間的相關(guān)性特點(diǎn)來(lái)推斷出其他指數(shù)的變化特征。

表2 新鄉(xiāng)各極端氣溫指數(shù)的相關(guān)性分析

2.5 極端氣溫指數(shù)空間分布

通過(guò)反距離加權(quán)法對(duì)各站點(diǎn)的極端氣溫指數(shù)進(jìn)行空間插值分析，研究新鄉(xiāng)市極端氣溫指數(shù)的空間變化特征，結(jié)果見(jiàn)圖2。極端最低氣溫大致呈西部高于東部的特征，新鄉(xiāng)本站最高為-9.65 ℃，最低封丘為-11.49 ℃。極端最高氣溫呈西部高，東部次之，中部低的分布特征，最高獲嘉為38.58 ℃，新鄉(xiāng)本站最低為37.89 ℃。暖夜整體呈東西高、中部低的分布特征，低值區(qū)主要分布在延津、封丘和原陽(yáng)，分別為39.38 d、42 d和42.60 d。冷夜呈中部高、東西低的分布特征，其中最高原陽(yáng)為54.6 d。暖日呈由西向東降低的趨勢(shì)，獲嘉最高為53.38 d，延津最低為36.85 d。冷日呈東南向西北降低的分布特征，輝縣最低為26.70 d。夏日西部高于東部，總體呈東西向中部逐漸降低的趨勢(shì)，獲嘉最高為150.80 d，原陽(yáng)最低為144 d。冰日呈東南向西北降低的趨勢(shì)，長(zhǎng)垣最高為6.78 d，最低是輝縣和獲嘉均為4.63 d。熱夜呈東西高、中部低的分布特征，新鄉(xiāng)本站最高均為83.38 d，延津最低為73.88 d。霜日呈中部高、東西低的分布特征，延津最高為87 d，長(zhǎng)垣最低為81.10 d。

圖2 1980—2019年新鄉(xiāng)市極端氣溫指數(shù)空間分布

通過(guò)分析極端指數(shù)的空間分布特征可知，各指數(shù)的空間變化差別較大，但也有指數(shù)的空間變化特征較為相似，其中極端最低氣溫、極端最高氣溫和夏日的西北部高，冷日和冰日的東部高。

2.6 極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)空間分布

為進(jìn)一步分析各站點(diǎn)極端氣溫指數(shù)在空間上的變化趨勢(shì)特征(圖略) ，采用線性傾向率對(duì)各站點(diǎn)的氣溫指數(shù)進(jìn)行空間分析，結(jié)果可知，極端最低氣溫有上升和下降兩種變化趨勢(shì)，線性傾向率為-0.05～0.10 ℃/10 a，其中長(zhǎng)垣的上升趨勢(shì)最強(qiáng)，輝縣、獲嘉、衛(wèi)輝和長(zhǎng)垣的變化趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)；極端最高氣溫中各站點(diǎn)均呈上升趨勢(shì)，線性傾向率變化趨勢(shì)為0.01～0.05 ℃/10 a，新鄉(xiāng)本站和衛(wèi)輝的變化趨勢(shì)通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，其中新鄉(xiāng)本站的上升趨勢(shì)最強(qiáng)。

暖夜和暖日呈上升趨勢(shì)，線性傾向率分別為0.61～2.29 d/10 a、0.47～1.01 d/10 a，其中暖夜上升趨勢(shì)較高，且暖夜各站點(diǎn)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。冷夜和冷日呈下降趨勢(shì)，線性傾向率分別為-0.03～-1.83 d/10 a、-0.16～-0.47 d/10 a，其中冷夜除封丘和原陽(yáng)外均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)，冷日除獲嘉外均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。

夏日和熱夜呈上升趨勢(shì)，夏日的線性傾向率為0.13～0.43 d/10 a，除原陽(yáng)外均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。熱夜的線性傾向率為0.24～0.90 d/10 a，除封丘和衛(wèi)輝外均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。冰日呈上升和下降兩種變化趨勢(shì)，線性傾向率為-0.06～0.06 d/10 a，其中封丘和輝縣呈上升趨勢(shì)，其他站均呈下降趨勢(shì)，但均未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。霜日各站點(diǎn)均呈下降趨勢(shì)，線性傾向率為-0.92～-0.21 d/10 a，除封丘外各站點(diǎn)均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)論與討論

(1)在時(shí)間尺度上，新鄉(xiāng)市有6種氣溫指數(shù)呈上升趨勢(shì)，4種氣溫指數(shù)呈下降趨勢(shì)。其中暖夜的升幅最大和冷夜的降幅最大，表明了該地區(qū)極端氣溫冷指數(shù)與暖指數(shù)均呈顯著的暖化趨勢(shì)；夏日和熱夜的上升、冰日和霜日的下降表明該地區(qū)夏季呈高溫日數(shù)增多、秋冬季呈結(jié)霜日數(shù)減少的趨勢(shì)。

(2)采用小波分析得出新鄉(xiāng)市除冷夜外其他9種極端氣溫指數(shù)均存在周期性。新鄉(xiāng)市有6種氣溫指數(shù)(極端最低氣溫、暖日、冷日、夏日、熱夜、霜日)產(chǎn)生突變，其中冷指數(shù)發(fā)生突變的時(shí)間早于暖指數(shù)，表明新鄉(xiāng)市天氣變暖是從低溫天氣減少開(kāi)始的。通過(guò)分析各氣溫指數(shù)之間的相關(guān)性可知，不同氣溫指數(shù)之間的相關(guān)性差異較大。

(3)在空間分布上，極端最低氣溫呈西部高于東部的特征。極端最高氣溫呈西部高、東部次之、中部低的特征。暖夜和熱夜呈東西高、中部低的分布特征。冷夜和霜日均呈中部高、東西低的分布特征。暖日總體呈由西向東降低的特征，夏日總體呈東西向中部逐漸降低的趨勢(shì)。冷日和冰日呈東南向西北降低的特征。

(4)變化趨勢(shì)空間分布上，各站點(diǎn)的極端最高氣溫、暖夜、暖日、夏日和熱夜均呈上升趨勢(shì)，冷夜、冷日和霜日均呈下降趨勢(shì)，而極端最低氣溫和冰日存在上升和下降兩種趨勢(shì)，表明極端最低氣溫和冰日在空間變化趨勢(shì)上的差異會(huì)逐漸增大。

(5)新鄉(xiāng)市極端氣溫的年較差減少，反映出該地區(qū)極端高溫事件發(fā)生的頻率會(huì)增大。因氣溫升高會(huì)加大土壤水分蒸發(fā)，造成土壤水分含量減少，從而對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)造成影響，甚至可能出現(xiàn)旱災(zāi)，同時(shí)也會(huì)對(duì)人們的生產(chǎn)和生活會(huì)帶來(lái)不利的影響等。氣象部門應(yīng)做好預(yù)防旱災(zāi)的預(yù)報(bào)，農(nóng)業(yè)部門應(yīng)做好減少旱災(zāi)和預(yù)防旱災(zāi)的措施。