1971-2015年鄂西山地極端氣溫變化特征分析

師銀芳， 熊勁錕， 邢 捷

(西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070)

1 研究背景

IPCC第六次評估報(bào)告(Intergovernmental Panel on Climate Change Sixth Assessment Report, IPCC AR6)指出，已觀測到的極端氣候事件頻率和強(qiáng)度有所增加，包括極端高溫、強(qiáng)降水、干旱和火災(zāi)天氣[1]，以氣溫為主的氣象要素的變化以及極端天氣事件發(fā)生頻率的變化給全球人類的生產(chǎn)和生活帶來了深刻影響[1-2]。此外，大量研究表明極端氣候在農(nóng)業(yè)、環(huán)境等領(lǐng)域所造成的損失尤為嚴(yán)重[3-5]。

在全球氣候變暖的趨勢下，極端氣候事件表現(xiàn)出日趨增多的態(tài)勢，近年來氣溫變化相關(guān)研究逐漸受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的重視。寧忠瑞等[6]在分析1948-2016年全球氣象要素的演變過程中發(fā)現(xiàn)，各大洲的氣溫在過去近70年中均表現(xiàn)出顯著的上升趨勢；近百年來氣溫的實(shí)測資料顯示，我國增暖幅度最大的區(qū)域主要在北方地區(qū)和高原地區(qū)，且出現(xiàn)過氣溫突變的情況[7-8]，這與當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件與大氣環(huán)流的變化密切相關(guān)；劉微等[9]分析了黃河中游流域極端降水與氣溫間的關(guān)系，結(jié)果表明極端降水事件數(shù)量在高溫區(qū)間呈上升趨勢；Trenberth等[10]利用干旱指數(shù)分析了過去幾十年中全球許多地區(qū)氣候變化與干旱間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)全球干旱增長較為明顯；Qi等[11]則重點(diǎn)關(guān)注了中國絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶內(nèi)氣候變化與植被間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)半干旱區(qū)和干旱區(qū)氣溫與植被變化呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；崔鳳琪等[12]通過分析呼倫貝爾草原氣象臺站的逐日氣象數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)表征極端高溫指數(shù)的夏日日數(shù)、暖夜日數(shù)、暖晝?nèi)諗?shù)、暖持續(xù)日數(shù)顯著增多；唐恬等[13]和翟盤茂等[14]分別對2013年夏季我國南方大部分地區(qū)遭遇的罕見持續(xù)性高溫天氣及2015-2016年東太平洋海域強(qiáng)厄爾尼諾事件進(jìn)行了研究，其中不少臺站的極端最高氣溫和高溫持續(xù)時間打破了歷史紀(jì)錄。極端氣候事件的增多是氣候變化的縮影，若不對此類現(xiàn)象進(jìn)行深入研究及高度重視，極有可能對我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面帶來不利影響。

鄂西山地地形復(fù)雜，是地理上的重要分界線，氣候變化響應(yīng)敏感。此外，目前關(guān)于鄂西山地區(qū)域氣候變化的研究還很不充分，因此對該地區(qū)極端氣候的時空變化規(guī)律進(jìn)行研究具有十分重要的意義。本文選取處于不同地貌區(qū)和地理環(huán)境的恩施、巴東、來鳳、房縣4個代表性氣象臺站，分析1971-2015年鄂西地區(qū)的極端氣溫變化特征與規(guī)律，以期為該地區(qū)應(yīng)對氣候變化、構(gòu)建防災(zāi)減災(zāi)及綜合防范體系提供參考。

2 數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

鄂西山地主要包括湖北省西部的丹江口至宜昌一線以西地區(qū)，包括十堰市、襄陽市、宜昌市、恩施土家族苗族自治州和神農(nóng)架林區(qū)[15]，其范圍東界大致在老河口-南漳-宜昌一線，西部與秦嶺、大巴山等山脈相接。鄂西山地平均海拔超過1 000 m，明顯高于東部江漢平原地區(qū)和西部四川盆地地區(qū)，長江河谷如巫山、巴東等地的海拔高程僅為100～200 m，而位于神農(nóng)架林區(qū)的神農(nóng)頂，海拔高程為3 106.2 m，是華中地區(qū)的最高峰，相對落差約達(dá)3 000 m。鄂西山地地勢險峻、地形復(fù)雜，氣候復(fù)雜多變，局地小氣候突出，河谷地區(qū)夏季高溫強(qiáng)度大，高山地區(qū)冬季凍雨、雪災(zāi)等災(zāi)害天氣頻發(fā)，局地氣溫特征受地形因素的影響較大，這給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來了一定影響。鄂西山地地區(qū)高程及所選氣象臺站分布見圖1。

圖1 鄂西山地地區(qū)高程及所選氣象臺站分布

鄂西山地包括武當(dāng)山、大巴山、巫山等眾多山脈，是中國地勢第二級階梯和第三級階梯的界線之一。鄂西山地東西兩側(cè)氣候差異較大，其中四川盆地由于秦嶺和鄂西山地的阻擋，冬季氣溫比山地東側(cè)的江漢平原高，另外由于山脈的阻擋，盆地內(nèi)水汽無法完全消散，使得四川盆地內(nèi)陰雨日數(shù)顯著偏多，日照時數(shù)顯著少于江漢平原地區(qū)，且在四川盆地內(nèi)誘發(fā)的西南渦東移后常引起長江中下游地區(qū)出現(xiàn)強(qiáng)降雨過程[16]。因此，處于四川盆地與江漢平原之間的鄂西山地在氣候上具有一定的過渡特征，這對研究江南中西部和江漢地區(qū)的氣候特征及變化具有重要意義。

2.2 數(shù)據(jù)及預(yù)處理

考慮到部分氣象臺站的氣象要素起始記錄時間不一致，且存在缺測、漏測及臺站遷移等現(xiàn)象，以及研究區(qū)西部高原盆地、低海拔河谷地區(qū)、高原山地以及中北部河谷盆地不同的氣候特征，選取恩施、巴東、來鳳、房縣4個國家級氣象站1971-2015年的逐日氣象數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)來源。

為直觀、全面地反映該區(qū)域內(nèi)的氣候變化，本文選取年極端最低氣溫、年極端最高氣溫、高溫日數(shù)和霜凍日數(shù)共4個指標(biāo)來研究鄂西山地多年來極端氣溫的變化特征，對統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中的異常值和異常指標(biāo)予以剔除或更正。

2.3 研究方法

世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)在1998-2001年的氣候變化監(jiān)測會議中提出了一套極端氣候指數(shù)，其中有27個指數(shù)被認(rèn)為是核心指數(shù)。這一指數(shù)集作為氣候變化研究的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，具有弱極端性、顯著性強(qiáng)等特點(diǎn)，受到不同地區(qū)學(xué)者的廣泛應(yīng)用[17-18]。本文依據(jù)研究區(qū)的實(shí)際特點(diǎn)，選取4個極端氣候指標(biāo)(見表1)進(jìn)行氣候變化的分析。

表1 本研究所采用的極端氣候指標(biāo)

(1)趨勢分析。采用線性回歸和5 a滑動平均法進(jìn)行極端氣溫的變化趨勢分析。線性回歸法可分析各氣象臺站部分指標(biāo)的氣候傾向率，5 a滑動平均法能有效反映極端氣候指標(biāo)隨時間序列的增減波動變化趨勢，且變化較為平和，受極端數(shù)據(jù)的影響小。

(2)突變分析。使用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)[19]進(jìn)行突變分析，監(jiān)測突變點(diǎn)。該方法簡稱M-K檢驗(yàn)，是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法，不受數(shù)據(jù)中個別異常值的干擾，能夠客觀表征樣本序列的整體變化趨勢[20]。其中，UF為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)量，UB則通過將UF按時間序列逆序排列得到。將UF值和UB值繪制在同一張統(tǒng)計(jì)圖中，觀察曲線UF和曲線UB的交點(diǎn)個數(shù)，若僅有一個交點(diǎn)，且位于臨界值±1.96置信度線之間，則說明在交點(diǎn)所對應(yīng)年份處發(fā)生了突變；若有多個交點(diǎn)或交點(diǎn)在臨界值之外，則不能斷定在這些年份發(fā)生了突變，要結(jié)合其他方法進(jìn)行判別。

(3)周期分析。小波能量圖可反映氣候指標(biāo)在不同時間尺度下隨時間的周期性變化特點(diǎn)，且能顯示振蕩周期及幅度的大小，對未來的氣候預(yù)測也能起到很好的指導(dǎo)意義[21]。因此，本文選用小波變換分析極端氣候隨時間變化的周期性特點(diǎn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端氣溫變化趨勢

表2為1971-2015年研究區(qū)4個氣象臺站的極端氣溫變化率；應(yīng)用5 a滑動平均法分析極端最低氣溫和最高氣溫的變化趨勢，結(jié)果分別如圖2、3所示。

表2 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站的極端氣溫變化率

圖2 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站極端最低氣溫變化趨勢

圖3 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站極端最高氣溫變化趨勢

由表2可知，各臺站1971-2015年極端最低氣溫和極端最高氣溫均呈上升趨勢，其中極端最低氣溫的上升幅度大于極端最高氣溫的上升幅度，且相關(guān)性也更高。各臺站的極端最低氣溫上升幅度介于0.37～0.54 ℃/10a之間，其中恩施站的平均上升幅度最大，為0.54 ℃/10a，其次為來鳳站，且該兩臺站的極端最低氣溫增加趨勢均通過了0.01的顯著性檢驗(yàn)；各臺站的極端最高氣溫上升幅度介于0.01～0.24 ℃/10a之間，其中來鳳站的平均上升幅度最大，為0.24 ℃/10a。

圖2顯示，各臺站的極端最低氣溫均呈波動上升趨勢，其中以恩施、來鳳站最為明顯。研究區(qū)在1971-1983年處于冷期，并在1977年出現(xiàn)極端最低氣溫。1983-1995年各臺站極端最低氣溫的5 a滑動平均值先升后降；1995年以后，各臺站的極端最低氣溫呈現(xiàn)較為穩(wěn)定的上升趨勢。圖3顯示，研究時段內(nèi)各臺站極端最高氣溫整體呈現(xiàn)較為緩慢的上升趨勢，其上升的幅度明顯較極端最低氣溫小。從5 a滑動平均曲線來看，各臺站大致經(jīng)歷了熱-冷-熱3個時期，其中1971-1979年各臺站極端最高氣溫較高，1979-1991年有所降低，1991年后呈現(xiàn)較平穩(wěn)的升高趨勢，其中來鳳、房縣站的極端最高氣溫上升趨勢最為明顯。

3.2 極端氣溫的年代際變化

表3反映了1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站極端氣溫的年代際變化。

表3 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站的年代際極端平均氣溫變化 ℃

由表3可知，研究區(qū)各臺站年代際極端最低氣溫呈現(xiàn)比較明顯的上升趨勢，其中20世紀(jì)70年代至80年代升幅最大，平均升幅達(dá)到了1.64 ℃。1990年后升幅趨于平緩，2000年后又經(jīng)歷了一次較強(qiáng)的升溫，2011年后極端最低氣溫較為平穩(wěn)。與整個研究期平均值相比，除巴東站外，其他臺站2011年后的極端最低氣溫均高于研究期平均值，尤其是恩施站2011年以后的年際值比研究期平均值高1.62 ℃，比20世紀(jì)70年代的年際值高3.13 ℃，升溫趨勢十分明顯。研究區(qū)各臺站的極端最高氣溫也大致呈現(xiàn)逐年代升高的趨勢。與極端最低氣溫不同的是，極端最高氣溫的升幅較小，且存在比較明顯的年際波動。其中來鳳站的年代際極端最高平均氣溫呈現(xiàn)先下降后上升的波動變化，20世紀(jì)90年代的極端最高平均氣溫比整個研究期該平均值低0.95 ℃，比20世紀(jì)70年代該平均值低1.09 ℃，2000年后這一數(shù)值大幅增長，2011-2015年的極端最高平均氣溫比20世紀(jì)90年代該平均值升高了將近2 ℃。在所選取的4個氣象臺站中，僅房縣站的極端最高氣溫年代際平均值呈現(xiàn)穩(wěn)定的上升趨勢，且升幅居于4個臺站的首位。

3.3 極端氣溫事件的變化趨勢

氣候分析上通常采用霜凍日數(shù)作為衡量極端冷事件的標(biāo)準(zhǔn)之一，采用高溫日數(shù)作為衡量極端熱事件的標(biāo)準(zhǔn)之一。表4反映了1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站霜凍日數(shù)和高溫日數(shù)的變化率。圖4、5分別為1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站霜凍日數(shù)、高溫日數(shù)的變化趨勢。

表4 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站霜凍日數(shù)和高溫日數(shù)變化率 d/10a

圖4 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站霜凍日數(shù)變化趨勢

由表4可知，整體而言，研究期內(nèi)鄂西山地極端冷事件數(shù)在減少，極端熱事件數(shù)在增加。具體而言，各臺站霜凍日數(shù)均呈下降趨勢，高溫日數(shù)均呈上升趨勢，僅各臺站之間的降幅或升幅略有差異。其中，房縣站的霜凍日數(shù)減少幅度最大，平均減幅為4.05 d/10a；來鳳站的高溫日數(shù)增幅最大，平均增幅為2.62 d/10a。

由圖4可以看出，鄂西山地的霜凍日數(shù)雖有年際波動，但整體上呈現(xiàn)顯著的減少趨勢，其中緯度最高的房縣站減幅最大。絕大多數(shù)臺站的霜凍日數(shù)最大值主要出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代和80年代，80年代之后各臺站的霜凍日數(shù)開始明顯減少，2007年前后達(dá)到谷值。此后幾年間霜凍日數(shù)雖有微弱的增加趨勢，但難以扭轉(zhuǎn)整體減少的大趨勢。上述結(jié)果表明該地區(qū)1971-2015年間極端冷事件數(shù)在逐漸減少，而無霜期的減少可能會給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來一定影響。

由圖5整體來看，各臺站的高溫日數(shù)呈逐步增加趨勢，且研究區(qū)高溫日數(shù)的變化趨勢與其極端最高氣溫的變化趨勢大致相同，經(jīng)歷了多-少-多3個時期。具體而言，1991年后各臺站的高溫日數(shù)有明顯的增加趨勢，其中海拔較高的恩施站和來鳳站的增幅最大。2000年后各臺站的高溫日數(shù)頻創(chuàng)紀(jì)錄，如2013年，房縣站、來鳳站和巴東站高溫日數(shù)達(dá)到最大值，分別為35、38和51 d，較常年平均日數(shù)偏多20 d以上。

3.4 極端氣溫事件的突變分析

為分析鄂西山地極端氣溫事件的突變特征，取各臺站1971-2015年霜凍日數(shù)和高溫日數(shù)的算術(shù)平均值進(jìn)行M-K檢驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示，由圖6的M-K檢驗(yàn)圖可得出該地區(qū)各臺站極端氣溫事件變化趨勢及突變年份，見表5。

圖5 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站高溫日數(shù)變化趨勢

圖6 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站高溫日數(shù)、霜凍日數(shù)均值的M-K檢驗(yàn)

表5 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站極端氣溫事件的變化趨勢

由圖6和表5可見，高溫日數(shù)的增減趨勢與霜凍日數(shù)的增減趨勢截然相反，高溫日數(shù)呈現(xiàn)先減后增的趨勢，其中1987年前后的減少趨勢顯著，2003年后則表現(xiàn)為明顯的增加趨勢；而霜凍日數(shù)則呈現(xiàn)先增后減的趨勢，從1987年開始明顯減少，2000年后減少趨勢顯著。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得到，高溫日數(shù)突變年份大致為2007年，霜凍日數(shù)突變年份為1996年。突變年份前后高溫日數(shù)、霜凍日數(shù)的平均值均發(fā)生了較大變化，這與線性統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致。

3.5 極端氣溫的周期分析

采用Morlet小波分析法分析鄂西山地1971-2015年極端冷事件數(shù)和極端熱事件數(shù)的周期性特征，結(jié)果如圖7、8所示。

在小波實(shí)部等值線圖中，正值表示相應(yīng)的極端氣溫事件數(shù)為正距平，說明該時期處于極端冷事件或極端熱事件頻發(fā)時期；負(fù)值表示相應(yīng)的極端氣溫事件數(shù)為負(fù)距平，說明該時期處于極端冷事件或極端熱事件偏少時期。

由圖7可見，鄂西山地1971-2015年極端冷事件數(shù)存在5和18 a左右的振蕩周期，其中18 a左右的時間尺度能量最強(qiáng)，周期變化最顯著，小波方差值最大，為主周期。需要注意的是，主周期的時間尺度變化呈現(xiàn)逐年增加的趨勢，1980年以前，主周期的時間尺度約為13 a，1993年左右周期變化的時間尺度達(dá)到了18 a，2000年以后周期變化的時間尺度約為20 a。這一變化說明極端冷事件數(shù)的大周期振蕩變化尺度正逐步增大，極端冷事件數(shù)的周期交替頻率趨于緩和。此外，極端冷事件數(shù)還存在5 a的變化小周期，變化最顯著的時段在1981-1996年間。根據(jù)小波分析圖可以預(yù)測，2009-2018年間極端冷事件數(shù)的發(fā)生頻率將較低，尤以2014年左右偏低最為顯著，這與實(shí)際觀測情況大致相符。而2019年之后的10年將可能迎來極端冷事件數(shù)的頻發(fā)階段，結(jié)合小周期來看，2022年左右為極端冷事件數(shù)頻發(fā)大周期內(nèi)的頻發(fā)小周期，極端冷事件數(shù)可能將迎來一個新的頻發(fā)段。

由圖8可見，極端熱事件方面的周期變化波動性較大，不同時間段的主導(dǎo)周期不同，較明顯的時間尺度周期有5、12、17、27 a。其中以5 a為時間尺度的周期變化最為明顯；以12 a為時間尺度的周期變化在1984年后逐漸明顯，并且周期振蕩有增強(qiáng)趨勢；以17或27 a為時間尺度的周期振蕩有減弱趨勢。從實(shí)際來看，應(yīng)以5和12 a時間尺度為主要分析依據(jù)。由于12 a的周期振蕩有增強(qiáng)趨勢，這說明在未來幾年內(nèi)，極端熱事件數(shù)的強(qiáng)度有兩極分化的趨勢，冷夏、熱夏的出現(xiàn)頻率將會更高。

圖7 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站極端冷事件數(shù)小波周期變化

圖8 1971-2015年研究區(qū)各氣象臺站極端熱事件數(shù)小波周期變化

4 討 論

鄂西山地1971-2015年的極端冷事件數(shù)逐漸減少，極端熱事件數(shù)逐漸增加，這與全國范圍內(nèi)極端氣溫事件的變化趨勢相一致[22-23]。通過M-K檢驗(yàn)和小波變換表明研究區(qū)的極端氣溫事件存在突變現(xiàn)象，且有明顯的冷暖交替周期，這與Li等[24]的研究結(jié)果相似，同時與蔡慧君等[21]對遼東山區(qū)春季極端低溫時空分布特征及發(fā)生概率預(yù)測的研究結(jié)果類似。針對可能發(fā)生的極端冷事件和極端熱事件，本文采用小波分析法進(jìn)行周期分析，通過對鄂西山地最近幾年氣候狀況的研判，發(fā)現(xiàn)實(shí)際情況與小波變換得到的結(jié)果基本一致，并進(jìn)一步對鄂西山地未來的氣候狀況做了一定的預(yù)測和判斷，得出未來的極端冷熱事件數(shù)出現(xiàn)頻率可能更高的結(jié)論，并給出了最有可能發(fā)生的時段。

此外，Li等[24]通過對中國西南地區(qū)分布于不同高程的111個氣象站點(diǎn)極端溫度指數(shù)的研究表明，平原站和山間盆地站、山谷站、山峰站的極端氣溫指數(shù)變化有所區(qū)別，因而局地的極端氣溫變化還需進(jìn)一步討論。本文選取的4個氣象臺站有各自的代表性，但由于鄂西山地面積較大，地形復(fù)雜多樣，且氣候變化的研究應(yīng)該與大氣環(huán)流的變化相結(jié)合，因此本研究還具有一定的局限性，具體極端氣溫事件的形成原因，還需結(jié)合宏觀大氣狀況，以及當(dāng)下熱點(diǎn)氣候話題如熱島效應(yīng)、下墊面等進(jìn)行深入討論。

5 結(jié) 論

(1)1971-2015年鄂西山地的極端氣溫呈現(xiàn)較為明顯的波動升高趨勢，其中極端最低氣溫的升幅較極端最高氣溫明顯，極端氣溫年際差表現(xiàn)出逐步減小的趨勢。

(2)1971-2015年鄂西山地極端冷事件數(shù)逐漸減少，極端熱事件數(shù)逐漸增加，且存在年際突變現(xiàn)象。緯度較高區(qū)域的霜凍日數(shù)減少幅度最大，海拔較高區(qū)域的高溫日數(shù)增加幅度最大。

(3)1971-2015年鄂西山地極端氣溫變化呈現(xiàn)較為明顯的周期性波動特征，極端冷事件數(shù)存在以18 a為主周期的周期性變化特征，且主周期的尺度變化有增加趨勢。極端熱事件數(shù)以5 a為時間尺度的周期變化最明顯，以12 a為時間尺度的周期變化在1984年后逐漸明顯，且周期振蕩逐漸增強(qiáng)。

根據(jù)周期分析可知，2019年后的10年間極端冷事件數(shù)可能迎來一個新的頻發(fā)段，極端熱事件數(shù)的強(qiáng)度將呈兩極分化趨勢，極端冷夏和極端熱夏均可能出現(xiàn)。在全球氣候變暖的背景下，極端冷事件數(shù)異常減少，極端熱事件數(shù)逐漸增多，結(jié)合當(dāng)前全國極端氣候頻發(fā)的特征，勢必會對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境和人民生活造成一定的影響，應(yīng)引起重視。本研究僅用4個代表性氣象臺站來研究鄂西山地的極端氣候事件具有一定的局限性，在此基礎(chǔ)上，在以后的研究中將利用多氣象臺站和多極端氣候指標(biāo)從空間、時間角度進(jìn)行系統(tǒng)性的研究與分析。