1991—2020年甘南州主要極端氣候指數(shù)變化趨勢

魏瑋　孟憲德　韓步龍　賀海燕　楊德鋒　楊揚(yáng)

摘要 利用1991—2020年甘南藏族自治州8個國家級氣象站逐日氣溫和降水資料，計算極端氣候指數(shù)，并運(yùn)用趨勢分析法、Morlet復(fù)小波分析法對相關(guān)指數(shù)的變化特征進(jìn)行分析。結(jié)果表明：在甘南州7個極端氣溫指數(shù)中，暖晝等暖指數(shù)呈上升趨勢，冷夜等冷指數(shù)趨于下降，且冷夜下降趨勢比暖晝上升趨勢更顯著，3個降水指數(shù)均呈增加趨勢，說明甘南州有明顯的變濕、變暖傾向，且極端降水事件頻次增加。極端氣溫指數(shù)大多在20世紀(jì)90年代中后期出現(xiàn)突變。極端降水指數(shù)周期特征明顯，存在著10年和6年附近的周期。

關(guān)鍵詞 甘南藏族自治州；極端氣候指數(shù)；變化趨勢

中圖分類號：P458 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）06–0101-03

甘南藏族自治州處于青藏高原東部邊緣和青藏高原與黃土高原過渡地帶，氣候具有一定特殊性。同時，作為高海拔生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)域，甘南州受人類社會經(jīng)濟(jì)活動和全球氣候變化等因素的影響顯著，極端氣候事件頻發(fā)[1]。研究表明：這些事件的形成機(jī)制并不是單一孤立的，而是相互關(guān)聯(lián)的。翟盤茂等[2]提出了定義極端值和極端值閾值的方法，其研究結(jié)果表明西北地區(qū)強(qiáng)降水事件趨于增多；我國平均最高溫度略有升高，最低溫度顯著增加，日較差顯著變小[3]；我國近50余年降水強(qiáng)度增加，降水日數(shù)除西北地區(qū)外，其他大部分地區(qū)顯著減少[4]。周晶[5]的研究表明，暖夜、暖晝等暖指標(biāo)呈上升趨勢，霜凍日數(shù)等冷指標(biāo)呈下降趨勢，且在1990年左右存在突變年。唐紅玉等[6]

對中國極端降水的研究發(fā)現(xiàn)，西北大部分地區(qū)極端降水（大于日降水序列的99%）事件頻率顯著增加，西北北部和華東極端降水事件頻率有增加趨勢，而且這種趨勢與平均降水變化趨勢空間分布一致[7]。以往的研究大多針對較大范圍的極端氣候事件，而很少聚焦于某個地區(qū)，在研究甘南州極端氣候指數(shù)的變化特征和演變規(guī)律的基礎(chǔ)上，直觀反映甘南州極端氣候指數(shù)變化趨勢和周期規(guī)律，為該地區(qū)的農(nóng)牧業(yè)發(fā)展與生態(tài)環(huán)境管理提供參考。

1 資料與方法

1.1 資料

利用甘南藏族自治州8個國家級氣象站1991—2020年常規(guī)地面觀測資料（逐日最高、最低氣溫和逐日降水資料），計算甘南州極端氣候指數(shù)。采用氣候變化檢測與極端氣候事件指標(biāo)專家組（Expert Team on Climate Change Detection and? Indices，ETCCDI）所定義的指標(biāo)體系[8]。選取7個極端氣溫指數(shù)和3個極端降水指數(shù)（表1）進(jìn)行研究。

1.2 方法

采用趨勢系數(shù)法分析極端氣候指數(shù)隨時間變化的趨勢，值為正（負(fù)）時，表示該要素在所計算的n年內(nèi)有線性上升（下降）趨勢；采用Mann-Kendall法（簡稱M-K檢驗）對極端氣候指數(shù)進(jìn)行突變分析，以檢測各指數(shù)序列突變點(diǎn)發(fā)生的時間，并對其進(jìn)行顯著性檢驗。這種非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法不需要樣本遵從一定的分布，而且可以明確指出突變開始的時間和突變的區(qū)域，是目前突變性檢驗方法中計算簡便、應(yīng)用較多且理論意義最為明顯的一種[9]。采用Matlab小波工具箱中的信號延伸功能對降水序列進(jìn)行對稱延伸，以減少邊界效應(yīng)，利用Morlet復(fù)小波分析法探討極端氣候指數(shù)的周期特征[10]。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度指數(shù)的變化趨勢

從圖1可看出，甘南州極端氣溫指數(shù)的趨勢變化，年平均最高、最低氣溫，暖晝、暖夜等暖指數(shù)呈上升趨勢，系數(shù)分別為0.0327、0.0473、0.3047、0.6131；與其相對應(yīng)，霜日、冷夜、冷晝等冷指數(shù)呈下降趨勢，系數(shù)分別為-0.4044、-0.7025、-0.2001；且除冷晝外，其他指數(shù)均在α=0.05顯著性水平上顯著。相對比，冷夜的增加趨勢比暖晝更顯著，年平均最低氣溫的上升趨勢大于年平均最高氣溫，表征晝夜溫差變小，極端天氣事件可能增多。

2.2 溫度指數(shù)的突變檢驗

經(jīng)過M-K檢驗分析繪出的曲線圖（圖2），給定α=0.05的顯著性水平，則臨界值u0.05=±1.96，暖晝指數(shù)（a）在1996年前后存在突變點(diǎn)，冷夜指數(shù)（b）在1999年出現(xiàn)突變點(diǎn)，冷晝指數(shù)（d）在1996年出現(xiàn)突變點(diǎn)。而暖夜指數(shù)（c）的交點(diǎn)出現(xiàn)在2002年，其UF值在2007年超出臨界線范圍，表明暖夜指數(shù)在2002出現(xiàn)突變，2007年后上升趨勢顯著。暖夜指數(shù)突變相比其他2個指數(shù)有一定的滯后性。

2.3 降水指數(shù)的變化趨勢

日降水強(qiáng)度、強(qiáng)降水日數(shù)（圖3）以及年降水量變化均呈上升趨勢，且都通過0.05的顯著性檢驗。其中，日降水強(qiáng)度的變化趨勢比其他2個指數(shù)較為平緩。從各年代變化趨勢來看，21世紀(jì)20年代比10年代略大，20世紀(jì)90年代變化值最小，這種變化在3個指數(shù)中均有所體現(xiàn)。甘南州降水極端指數(shù)變化特征和整個西北區(qū)的變化特征一致。

2.4 降水指數(shù)的小波變換

利用Morlet復(fù)小波對年降水量進(jìn)行分析可知（圖4），甘南州年降水量具有明顯的周期特征。1991—2020年降水量存在著10年和6年附近的振蕩周期，且2個以上時間尺度的周期變化表現(xiàn)穩(wěn)定，在整個時間尺度上出現(xiàn)5個偏多中心和4個偏少中心，分別為1993、1998、2006、2013、2020年，1995、2003、2009、2016年。圖4b表征年降水量存在著4個較明顯的峰值，依次對應(yīng)14年、11年、6年和3年的時間尺度，其中最大峰值為11年，為甘南州降水量的第一主振蕩周期，14年的時間尺度對應(yīng)第2峰值，為年降水量的第二主振蕩周期。

3 結(jié)論

（1）1991—2020年甘南州年平均最高、最低氣溫、暖晝、暖夜等暖指數(shù)呈上升趨勢；霜日、冷夜、冷晝等冷指數(shù)呈下降趨勢。冷夜的增加趨勢比暖晝更顯著，年平均最低氣溫的上升趨勢大于年平均最高氣溫，表征白天和夜間的溫差變小，極端天氣事件可能增多。

（2）暖晝、冷晝和冷夜指數(shù)在20世紀(jì)

90年代中后期發(fā)生突變，暖夜指數(shù)在21世紀(jì)初出現(xiàn)突變，2007年后上升趨勢顯著。暖夜指數(shù)突變比其他3個指數(shù)有一定的滯后性。

（3）日降水強(qiáng)度和強(qiáng)降水日數(shù)以及年降水量變化均呈上升趨勢，日降水強(qiáng)度變化趨勢比其他2個指數(shù)較平緩。甘南州降水極端指數(shù)變化特征和整個西北區(qū)的變化特征一致。

（4）甘南州年降水量存在明顯周期特征，1991—2020年降水量存在10年和6年附近的振蕩周期，且2個以上時間尺度的周期變化表現(xiàn)穩(wěn)定。年降水量存在著4個較明顯的峰值，最大峰值為11年，為甘南州降水量的第一主振蕩周期。

（5）在全球變暖背景下，甘南州平均最低氣溫、最高氣溫升高，年降水量和極端降水頻率增加，年降水量存在顯著周期變化。甘南州氣候在20世紀(jì)90年代中后期有明顯的變暖、變濕趨勢，可能導(dǎo)致強(qiáng)降水頻次和比例增加，導(dǎo)致高原生態(tài)發(fā)生變化，研究極端氣候事件的變化可為生態(tài)防護(hù)、防災(zāi)減災(zāi)及農(nóng)牧業(yè)發(fā)展提供科學(xué)參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 李紅梅，李林.2 ℃全球變暖背景下青藏高原平均氣候和極端氣候事件變化[J].氣候變化研究進(jìn)展，2015，11（3）：157–164.

[2] 翟盤茂，潘曉華.中國北方近50年溫度和降水極端事件變化[J].地理學(xué)報， 2003（S1）：1-10.

[3] 翟盤茂，任福民.中國近四十年最高最低溫度變化[J].氣象學(xué)報，1997（4）：35-46.

[4] 翟盤茂，干萃萃，李威.極端降水爭件變化的觀測研究[J].氣候變化研究進(jìn)展，2007，3（3）：144-148.

[5] 周晶.中國極端氣候事件的數(shù)值模擬及其對土壤濕度異常響應(yīng)的敏感性分析[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2011.

[6] 唐紅玉，翟盤茂，王振宇.1951-2002年中國平均最高、最低氣溫及日較差變化[J].氣候與環(huán)境研究，2005，10（4）：728-735.

[7] 趙慶，張武，王式功，等.西北地區(qū)東部干旱半干旱區(qū)極端降水事件的變化[J].中國沙漠，2005，25（6）：904-909.

[8] 王曉利.中國沿海極端氣候變化及其對NDVI的影響特征研究[D].煙臺：中國科學(xué)院煙臺海岸帶研究所，2017.

[9] 符淙斌，王強(qiáng).氣候突變的定義和檢測方法[J].大氣科學(xué)，1992，l6（4）：482-493.

[10] 林振山，鄧白旺.子波氣候診斷技術(shù)的研究[M].北京：氣象出版社，1999.

責(zé)任編輯：黃艷飛

Change Trend of Main Extreme Climate Indexes in Gannan Prefecture from 1991 to 2020

Wei Wei et al（Zhuoni Meteorological Bureau， Zhuoni， Gansu 747600）

Abstract Based on the daily temperature and precipitation data of eight national meteorological stations in Gannan Tibetan Autonomous Prefecture from 1991 to 2020， the extreme climate index was calculated， and the change characteristics of the relevant index were analyzed using trend analysis and Morlet complex wavelet analysis. The results show that among the seven extreme temperature indexes in Gannan Prefecture， the warm day isoparametric index shows an upward trend， and the cold night isoparametric index tends to decline， and the cold night decline trend was more significant than the warm day rise trend， and the three precipitation indexes show an upward trend， indicating that Gannan Prefecture has an obvious trend of wetting and warming， and the frequency of extreme precipitation events increases. Most of the extreme temperature indexes changed abruptly in the middle and late 1990s. The cycle characteristics of extreme precipitation index are obvious， and there are periods around 10 a and 6 a.

Key words Gannan Tibetan Autonomous Prefecture; Extreme climate index; Change trend

作者簡介 魏瑋（1995—），女，甘肅臨夏人，助理工程師，主要從事縣級綜合氣象業(yè)務(wù)工作。

收稿日期 2023-03-16