1960-2017年黃土高原不同等級(jí)寒冷日數(shù)時(shí)空演變特征

安 彬, 肖薇薇, 朱 妮, 劉宇峰, 單治彬

(1.安康學(xué)院 旅游與資源環(huán)境學(xué)院/陜西省院士專家工作站, 陜西 安康 725000;2.安康市漢江水資源保護(hù)與利用工程技術(shù)研究中心, 陜西 安康 725000;3.陜南鄉(xiāng)村振興研究中心, 陜西 安康 725000; 4.咸陽師范學(xué)院 地理與環(huán)境學(xué)院, 陜西 咸陽 712000)

IPCC第一工作組第六次評(píng)估報(bào)告(AR6)指出：人類活動(dòng)導(dǎo)致地球變暖，高溫極端天氣發(fā)生強(qiáng)度頻率迅速增加，如熱浪和干旱事件的發(fā)生時(shí)間很接近、甚至是同時(shí)發(fā)生[1]，而諸如寒潮、冷晝等極端低溫冰凍事件將可能趨于減少[2-4]，影響了區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公眾的健康[5-6]。近年來，類似于2018年初美國東部的“寒流炸彈”、2008年初中國南方的低溫雨雪等[7]典型極端低溫冰凍事件屢有發(fā)生，對(duì)人身生命安全及交通、電力等基礎(chǔ)設(shè)施造成了巨大損失。為此，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)全球不同尺度的冰凍、寒潮等極端低溫事件變化特征[4,8-11]以及發(fā)生原因[11-13]展開研究，并取得豐富的研究成果。

黃土高原(33°41′—41°16′N，100°52′—114°33′E)處于我國東部季風(fēng)區(qū)向西北干旱區(qū)的過渡地帶，是全球生態(tài)環(huán)境脆弱帶、氣候變化敏感區(qū)之一。相關(guān)研究表明，自1960s以來黃土高原地區(qū)的降水量、降水日數(shù)持續(xù)下降[14]，冷晝、冷夜、冰凍和霜凍日數(shù)顯著下降[15]，氣候呈明顯暖干化趨勢(shì)[16]。然而，1997—2013年期間全球出現(xiàn)了溫室氣體濃度持續(xù)增長，地面氣溫沒有明顯增加甚至出現(xiàn)變冷的全球變暖停滯(Hiatus)現(xiàn)象[17]，黃土高原地區(qū)氣溫變化對(duì)Hiatus現(xiàn)象響應(yīng)明顯，且表現(xiàn)出季節(jié)差異[18]。當(dāng)前學(xué)界多關(guān)注的是黃土高原極端高溫事件，而對(duì)不同等級(jí)寒冷天氣日數(shù)研究鮮有報(bào)道。全球變暖停滯現(xiàn)象前后，黃土高原地區(qū)極端氣候如何變化，尤其是寒冷天氣日數(shù)如何變化？藉此，本文結(jié)合氣象行業(yè)的“寒冷程度等級(jí)”標(biāo)準(zhǔn)，利用黃土高原地區(qū)1960—2017年逐日最低氣溫資料，分析不同等級(jí)寒冷天氣日數(shù)時(shí)空演變特征，并探討其對(duì)Hiatus現(xiàn)象的響應(yīng)，為正確認(rèn)識(shí)黃土高原地區(qū)寒冷天氣變化規(guī)律及制定服務(wù)三農(nóng)等措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 研究資料

本文采用的逐日最低氣溫(Tmin)數(shù)據(jù)均來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)，通過經(jīng)臺(tái)站氣溫極值、氣候界限值、缺失或錯(cuò)誤數(shù)據(jù)低于2%等質(zhì)量控制，建立了黃土高原地區(qū)(1960—2017年)均一、穩(wěn)定的日最低氣溫序列，58個(gè)氣象站點(diǎn)具體位置見圖1。

圖1 黃土高原地區(qū)氣象站點(diǎn)分布

1.2 方法

參照氣象學(xué)“寒冷程度等級(jí)”[10,19]，結(jié)合黃土高原實(shí)際情況，本文研究的寒冷等級(jí)從高到低有：嚴(yán)寒(Tmin<-20℃)、大寒(-20℃≤Tmin<-10℃)、小寒(-10℃≤Tmin<-5℃)、輕寒(-5℃≤Tmin<0℃)、微寒(0℃≤Tmin<5℃)、涼(5℃≤Tmin<10℃)。在此基礎(chǔ)上，分別統(tǒng)計(jì)黃土高原58個(gè)氣象站點(diǎn)Tmin相應(yīng)寒冷等級(jí)日數(shù)，總寒冷日數(shù)為6個(gè)等級(jí)寒冷日數(shù)總和。各等級(jí)寒冷天氣日數(shù)的變化趨勢(shì)和波動(dòng)特征(CV)分別采用線性擬合法、變異系數(shù)法計(jì)算分析，具體計(jì)算步驟參考文獻(xiàn)[20]；基于計(jì)算結(jié)果，利用Arc GIS 10.2中反距離權(quán)重插值法(IDW)表達(dá)空間變化特征。為了對(duì)比1997年Hiatus現(xiàn)象前后黃土高原不同等級(jí)寒冷天氣變化差異，采用1997年后(1998—2017年)減去1997年前(1960—1997年)各等級(jí)寒冷日數(shù)的變化趨勢(shì)和波動(dòng)特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同等級(jí)寒冷日數(shù)空間分布特征

受地理位置、地勢(shì)地形等因素綜合影響，1960—2017年黃土高原不同寒冷等級(jí)日數(shù)表現(xiàn)出明顯的空間差異(圖2)；整體上隨著寒冷等級(jí)的降低而逐漸增加(表1)。具體來看，黃土高原地區(qū)嚴(yán)寒日數(shù)自北向南逐漸減少，東北部和西北部局部地區(qū)的嚴(yán)寒日數(shù)超過了40 d，大部分地區(qū)的嚴(yán)寒日數(shù)低于5 d，其中黃土高原南部的甘肅北道至河南孟津一帶未曾出現(xiàn)過嚴(yán)寒天氣。山西北部、青海西部和內(nèi)蒙古等地區(qū)的大寒日數(shù)均超過了60 d，而汾渭河谷地南部和河南北部的大寒日數(shù)低于15 d，與嚴(yán)寒天氣日數(shù)的空間分布特征相似。對(duì)于小寒日數(shù)而言，在空間整體上表現(xiàn)出西高東低格局，黃土高原中部、東部等廣大地區(qū)的小寒日數(shù)為35～45 d，中寧至長武以西、山西太原周邊等地區(qū)則介于45～55 d，其中以甘肅華家?guī)X站以63 d為最高。1960—2017年黃土高原輕寒天氣日數(shù)自北向南逐漸增加，表現(xiàn)出較為明顯的緯向地帶性特征；其中銀川—定邊—興縣以北地區(qū)的輕寒日數(shù)普遍低于45 d，關(guān)中平原西南部的輕寒日數(shù)則高于65 d。黃土高原微寒天氣日數(shù)空間上呈北少南多、東少西多特征，以西部門源的82.1 d為最多；全區(qū)中部和北部廣大地區(qū)的微寒日數(shù)均低于45 d，自甘肅東北部、陜西中南部、山西與河南交界等地區(qū)形成了45～50 d帶狀分布區(qū)。黃土高原涼日數(shù)表現(xiàn)出西多東少空間特征，涼天氣日數(shù)變化介于45～50 d是最主要的形式，較微寒日數(shù)相比其分布更廣，集中在山西、陜西及內(nèi)蒙古南部等區(qū)域，其中以青海同仁站的82.6 d為最多。對(duì)于總寒天氣日數(shù)而言，空間上自東南向西北逐漸增多，與黃土高原極端最低氣溫空間格局基本一致[21]。年均總寒日數(shù)在汾渭谷地普遍低于210 d，在陜西北部、山西中部和寧夏西北部等地區(qū)普遍在210～240 d，在黃土高原中部和東部其余地區(qū)變化介于240～270 d，而在西部青海等局部地區(qū)超過了300 d。結(jié)合表1可知，在黃土高原各等級(jí)寒冷日數(shù)中，多數(shù)區(qū)域以涼天氣日數(shù)為主，其次是輕寒和微寒日數(shù)，分別占總寒日數(shù)的21.59%，20.59%和19.10%。

2.2 不同等級(jí)寒冷日數(shù)變化趨勢(shì)的空間特征

除1960—2017年黃土高原總寒和大寒日數(shù)降幅高于0.3 d/a外，其他等級(jí)寒冷日數(shù)趨勢(shì)變化幅度整體偏小，均低于0.09 d/a。具體來看，嚴(yán)寒日數(shù)多呈減少趨勢(shì)(圖3)，減少幅度以0～0.1 d/a分布最廣，空間上表現(xiàn)出北部高于南部，最為明顯的為青海門源(-0.64 d/a)。具體來看，除黃土高原東北、西北局地外，全區(qū)絕大部分地區(qū)大寒日數(shù)呈減少趨勢(shì)，且以0.2～0.4 d/a的降幅分布最廣，集中分布在陜西北部、山西中部和南部、內(nèi)蒙古、甘肅隴東等地區(qū)；其中青海同仁(-0.91 d/a)降幅最為明顯。相對(duì)于大寒日數(shù)，黃土高原地區(qū)的小寒、輕寒和微寒日數(shù)均以增加趨勢(shì)為主。小寒日數(shù)變化趨勢(shì)以固原、臨汾一線為界，表現(xiàn)出東南局地減少、西北廣大區(qū)域增加的空間特征，其中以河南孟津(-0.40 d/a)降幅、青海同仁(0.34 d/a)增幅最為明顯。輕寒日數(shù)呈減少趨勢(shì)的集中分布在內(nèi)蒙古、山西、青海及寧夏北部地區(qū)，整體呈南增北減的空間特征，其中以青海門源(-0.30 d/a)降幅、甘肅西峰鎮(zhèn)(0.22 d/a)增幅最為明顯。微寒日數(shù)整體上表現(xiàn)自西北向東南遞增空間特征，孟津增加幅度為全區(qū)最高(0.20 d/a)；呈減少趨勢(shì)僅分布在寧夏及其周邊、山西東北部等少數(shù)區(qū)域。從黃土高原涼日數(shù)變化趨勢(shì)來看，多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，減幅自東向西呈“低—高—低—最高”特征；關(guān)中平原、山西及河南交界、青海西北等局地的涼日數(shù)表現(xiàn)出增加趨勢(shì)。除西寧、榆社和河曲等極少數(shù)地區(qū)外，黃土高原地區(qū)總寒日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)(p<0.05)，減幅自東南向西北逐漸增加，青海同仁(-0.85 d/a)減幅最為明顯。綜上可知，1960—2017年黃土高原總寒日數(shù)減少主要是由大寒日數(shù)減少導(dǎo)致的，其次是嚴(yán)寒日數(shù)和涼日數(shù)，而小寒、輕寒和微寒日數(shù)引起了總寒日數(shù)的增加(表1)。

由表1可知，黃土高原發(fā)生Hiatus現(xiàn)象后，年均總寒冷日數(shù)減少了14.05 d；其中嚴(yán)寒日數(shù)減少最為明顯(10.22 d)，對(duì)總寒冷日數(shù)貢獻(xiàn)最為突出，達(dá)到72.66%。從Hiatus現(xiàn)象前后不同等級(jí)寒冷日數(shù)變化趨勢(shì)幅度方面看，輕寒(-0.43 d/a)>大寒(0.33 d/a)>涼(0.21 d/a)>小寒(-0.19 d/a)>嚴(yán)寒(0.05 d/a)>微寒(0.02 d/a)。進(jìn)一步分析黃土高原發(fā)生Hiatus現(xiàn)象前后不同等級(jí)寒冷日數(shù)變化趨勢(shì)空間分布，結(jié)果見圖4。黃土高原發(fā)生Hiatus現(xiàn)象后的嚴(yán)寒日數(shù)變化趨勢(shì)以偏高為主，集中分布在青海至內(nèi)蒙古一帶和山西東北部，尤其是北部鄂爾多斯高原地區(qū)偏高幅度超過了0.2 d/a；趨勢(shì)偏低地區(qū)集中在山西、陜西東部及陜甘寧交界處，說明Hiatus現(xiàn)象發(fā)生后并未改變上述地區(qū)嚴(yán)寒日數(shù)的變化趨勢(shì)，即增減趨勢(shì)低于Hiatus現(xiàn)象發(fā)生前。大寒、微寒和涼天氣日數(shù)變化趨勢(shì)在Hiatus現(xiàn)象后均以偏高為主，且偏高分布面積涼天氣>大寒>微寒。大寒日數(shù)趨勢(shì)變化偏高分布區(qū)域表現(xiàn)出以臨河—耀縣一線向東北和西南方向?qū)ΨQ的空間特征，偏高幅度最明顯超出了0.6 d/a；微寒日數(shù)趨勢(shì)偏高分布在除汾渭谷地和甘青交界以外地區(qū)，偏高幅度呈南少北多，且最明顯地區(qū)多達(dá)0.4 d/a；除甘青和晉蒙交界毗鄰地區(qū)外，其余廣大地區(qū)的涼天氣日數(shù)趨勢(shì)呈偏高特征，并在陜西中部至甘肅東北部形成了超過0.45 d/a的偏高幅度中心。在黃土高原發(fā)生Hiatus現(xiàn)象后，小寒和輕寒日數(shù)變化趨勢(shì)均以偏低為主，且偏低分布面積輕寒>小寒。小寒日數(shù)趨勢(shì)偏低主要分布在除山西和陜西南部、太原至河曲一帶以外地區(qū)，偏低幅度呈東南少、西北多空間特征，且最明顯地區(qū)多達(dá)0.6 d/a。自黃土高原的東南至西北方向，輕寒日數(shù)偏低幅度表現(xiàn)出“次低—高—次低—低”空間規(guī)律，其中以洛川、北道等局地0.9 d/a最明顯。黃土高原發(fā)生Hiatus現(xiàn)象后，總寒日數(shù)變化趨勢(shì)自東向西呈“偏低—偏高—偏低”空間格局，偏低幅度最多的集中分布在甘青交界、晉陜蒙交界至山西中部等地區(qū)，而偏高幅度最明顯的集中分布在臨河至洛川一線及其毗鄰地區(qū)。

圖2 1960-2017年黃土高原不同等級(jí)寒冷日數(shù)空間分布

表1 1960-2017年和Hiatus現(xiàn)象前后黃土高原不同等級(jí)寒冷日數(shù)及其變化趨勢(shì)對(duì)比

圖3 1960-2017年黃土高原不同等級(jí)寒冷日數(shù)變化趨勢(shì)空間分布

圖4 Hiatus現(xiàn)象前后黃土高原不同等級(jí)寒冷日數(shù)變化趨勢(shì)空間分布

2.3 不同等級(jí)寒冷日數(shù)的波動(dòng)特征

隨著寒冷等級(jí)的降低，黃土高原寒冷日數(shù)的變異系數(shù)逐漸降低，即嚴(yán)寒日數(shù)的波動(dòng)最大，遠(yuǎn)比其他寒冷等級(jí)的大，而總寒日數(shù)反而波動(dòng)最小(表2)。具體從空間分布來看，黃土高原嚴(yán)寒日數(shù)波動(dòng)特征呈自中部偏南向南北向逐漸減少空間規(guī)律，南部的關(guān)中平原、晉豫交界處的波動(dòng)為0，波動(dòng)特征較大的集中在青海南部、隴東高原東部及山西臨汾毗鄰區(qū)域(圖5)。大寒日數(shù)波動(dòng)特征自東南向西北逐漸降低，表現(xiàn)出緯向地帶性規(guī)律。小寒日數(shù)波動(dòng)特征在青海、甘肅西南至寧夏南部最小，上述地區(qū)以外的小寒日數(shù)波動(dòng)特征空間上表現(xiàn)出大寒日數(shù)相似規(guī)律。對(duì)于輕寒日數(shù)而言，在黃土高原中部偏西零星區(qū)域其波動(dòng)特征較大，且自東南向西北方向呈“小—大—小—大”交替空間分布。整體上，黃土高原的微寒和涼日數(shù)的波動(dòng)特征空間上自西向東逐漸增加，其中微寒日數(shù)波動(dòng)以0.14～0.16為主，集中分布在陜西、山西及內(nèi)蒙古北部地區(qū)；涼日數(shù)波動(dòng)以0.12～0.14為主，集中隴東高原中部以東的廣大地區(qū)。對(duì)于總寒日數(shù)而言，波動(dòng)特征較大的地區(qū)集中分布在汾河谷底南部、黃土高原西北角以及河曲、同仁等零星區(qū)域，自東南至西北方向、東向西均表現(xiàn)出“大—小—大”交替空間分布特征。綜上所述，雖然1960—2017年黃土高原嚴(yán)寒日數(shù)等6類寒冷日數(shù)波動(dòng)特征較大，并沒有導(dǎo)致總寒日數(shù)波動(dòng)出現(xiàn)較大幅度變化。

表2 1960-2017年和Hiatus現(xiàn)象前后黃土高原不同等級(jí)寒冷日數(shù)波動(dòng)變化特征對(duì)比

圖5 1960-2017年黃土高原不同等級(jí)寒冷日數(shù)波動(dòng)特征空間分布

由表2可知，不同等級(jí)寒冷日數(shù)在黃土高原發(fā)生Hiatus現(xiàn)象前后兩個(gè)時(shí)段呈微小的波動(dòng)變化特征，整體上波動(dòng)變化幅度表現(xiàn)出嚴(yán)寒日數(shù)最大(0.065 9)，其次是小寒(-0.032 1)、涼(0.019 0)、大寒(0.014 1)，而輕寒、微寒和總寒日數(shù)均低于0.01。黃土高原嚴(yán)寒日數(shù)波動(dòng)偏高和偏低的分布面積大致相當(dāng)，偏高的地區(qū)集中分布在山西中北部、鄂爾多斯高原中部以西廣大地區(qū)(圖6)。Hiatus現(xiàn)象發(fā)生后，黃土高原大寒日數(shù)波動(dòng)變化以偏高為主，且表現(xiàn)出西低東高空間分布，偏低集中分布在黃土高原東南部和青海等區(qū)域。整體上，黃土高原小寒、輕寒和微寒日數(shù)的波動(dòng)變化主要表現(xiàn)為偏低，其中小寒日數(shù)波動(dòng)變化偏低集中分布以黃土高原東北至西南的較寬帶狀地區(qū)，波動(dòng)變化偏高的僅分布在晉豫交界處。輕寒日數(shù)波動(dòng)變化差異自東南至西北表現(xiàn)出“偏低—偏高—偏低—偏高”交替的空間分布特征，其中山西北部、內(nèi)蒙古東北和西北角等局地的偏高程度最為明顯。微寒日數(shù)波動(dòng)變化偏高集中分布在青海和寧夏及其毗鄰區(qū)、關(guān)中平原至?xí)x豫交界一帶。黃土高原Hiatus現(xiàn)象發(fā)生后，涼日數(shù)波動(dòng)變化呈東部偏高、西部偏低空間格局，其中山西中北部偏東、晉陜和晉豫交界處的偏高程度最為明顯。對(duì)于總寒日數(shù)而言，波動(dòng)偏高集中分布在黃土高原南部、東北角和西部局地，偏低程度較為明顯的地區(qū)零星分布在晉陜蒙毗鄰、山西離石和陜西武功等地區(qū)。綜上可知，隨著寒冷等級(jí)的升高，黃土高原寒冷日數(shù)的波特變化差異逐漸降低。值得注意的是，在黃土高原Hiatus現(xiàn)象發(fā)生后，盡管嚴(yán)寒和大寒日數(shù)波動(dòng)變化偏高，但其日數(shù)占總寒日數(shù)比例較低，并未導(dǎo)致總寒日數(shù)波動(dòng)差異發(fā)生明顯變化。

圖6 Hiatus現(xiàn)象前后黃土高原不同等級(jí)寒冷日數(shù)波動(dòng)特征變化空間分布

3 結(jié) 論

(1) 隨著寒冷等級(jí)的降低，1960—2017年黃土高原不同寒冷等級(jí)日數(shù)逐漸增加，且表現(xiàn)出明顯空間差異特征。嚴(yán)寒和大寒日數(shù)自北向南逐漸減少，但微寒和輕寒日數(shù)則自北向南逐漸增加；小寒和涼日數(shù)呈西高東低格局，但微寒日數(shù)呈西低東高格局；總寒日數(shù)自東南向西北逐漸增多。研究期黃土高原多數(shù)區(qū)域以大寒日數(shù)為主，其次是輕寒和涼日數(shù)。

(2) 在寒冷日數(shù)變化趨勢(shì)特征方面，1960—2017年黃土高原嚴(yán)寒、大寒、涼和總寒日數(shù)多呈減少趨勢(shì)，小寒、輕寒和微寒日數(shù)均以增加趨勢(shì)為主，且總寒日數(shù)減少主要是由大寒日數(shù)減少導(dǎo)致的。Hiatus現(xiàn)象發(fā)生后，嚴(yán)寒、大寒、微寒和涼天氣日數(shù)變化趨勢(shì)均以偏高為主，且偏高分布面積涼天氣>大寒>微寒>嚴(yán)寒；小寒和輕寒日數(shù)變化趨勢(shì)均以偏低為主，且偏低分布面積輕寒>小寒；總寒日數(shù)變化趨勢(shì)偏高與偏低分布相當(dāng)。

(3) 在寒冷日數(shù)波動(dòng)特征方面，1960—2017年黃土高原寒冷日數(shù)的變異系數(shù)隨著寒冷等級(jí)的降低逐漸變小，各等級(jí)寒冷日數(shù)的波動(dòng)特征空間分布較為復(fù)雜。Hiatus現(xiàn)象發(fā)生后，各寒冷等級(jí)波動(dòng)變化總體差別不大；小寒、輕寒和微寒日數(shù)波動(dòng)變化以偏低為主，大寒日數(shù)以偏低為主，總寒、嚴(yán)寒和涼日數(shù)波動(dòng)偏高和偏低大致相當(dāng)?shù)目臻g分布格局。