1960─2020年陜北極端氣候指數(shù)變化規(guī)律的研究

薛斯文，周 旗

（1.云南大學 國際河流與生態(tài)安全研究院，云南 昆明 650500；2.陜西省災害監(jiān)測與機理模擬實驗室，陜西 寶雞 721013）

0 引言

IPCC第5次評估報告指出，全球大部分地區(qū)均呈明顯升溫趨勢，1951─2012年全球地表平均氣溫的上升率達0.12 ℃/10 a，而中國陸地表面平均氣溫的上升率為0.23 ℃/10 a，明顯高于全球的上升率［1-2］。越來越多的研究也證實全球氣候正在變暖。隨著全球氣候的變暖，極端氣候事件發(fā)生頻率增加，影響范圍更加廣泛，這對世界各國的經(jīng)濟發(fā)展和人民生活造成了很大的不利影響。極端氣溫和極端降水事件已經(jīng)引起越來越多專家、學者們的密切關注。王曉利等［3-4］的研究結(jié)果表明，自1950年以后，全球暖夜數(shù)顯著增加，霜凍、冰凍天數(shù)減少，溫度日較差顯著下降，且在不同地區(qū)間變化速率差異顯著。Keggenhoff等［5］的研究結(jié)果表明，各地區(qū)之間極端降水變化特征有明顯的差異，同時，極端降水事件使得年降水量普遍呈現(xiàn)上升趨勢。極端氣候事件一般采用單個氣象觀測站點的氣候要素（如氣溫、降水量等）在一段時間內(nèi)的異常記錄或超過特定閾值的天數(shù)等來表示［6］。通常極端氣候事件發(fā)生的強度及危害性都很大。近年來，極端氣候指數(shù)時間序列的研究已成為氣候變化研究的熱點，許多學者基于不同的方法或從不同的角度對區(qū)域極端氣候事件的變化特征進行了大量的研究［6-8］。我國關于極端氣候事件的研究表明，極端暖事件顯著上升，極端冷事件顯著下降，極端降水事件明顯增多［9-10］，但是不同類型和不同區(qū)域的極端氣候變化又存在明顯差異［11-12］。中國北方地區(qū)極端氣溫的變化趨勢更明顯［9］，由小雨事件顯著減少導致的干旱化也更明顯［13］；降水日數(shù)和極端降水事件在過去半個世紀顯著減少，但在西部地區(qū)仍有一定程度的增加［14］。

陜北地區(qū)位于半濕潤區(qū)向半干旱區(qū)、干旱區(qū)的過渡地帶，受西風環(huán)流、高原季風和東亞季風環(huán)流的共同影響，是中國典型的生態(tài)脆弱區(qū)和氣候敏感區(qū)［15-18］。在前人研究的基礎上，筆者選取更長時間的降水和氣溫數(shù)據(jù)，應用RClimDex模型計算了陜北地區(qū)的極端氣候指數(shù)，分析了該地區(qū)極端氣候指數(shù)的時空變化規(guī)律及其主要影響因素，以期為該區(qū)域的生態(tài)建設和防災減災工作提供科學依據(jù)。

1 研究區(qū)概括與方法

1.1 研究區(qū)概況

陜西北部地區(qū)位于黃土高原中部，地理坐標為35°21′~39°34′N，107°15′~111°14′E，包括榆林、延安2個市，轄25個縣（區(qū)）（圖1）［19］。受季風活動的影響，陜北地區(qū)西北部氣候干燥，呈現(xiàn)半干旱季風氣候類型，年平均氣溫和降水量分別為7~9 ℃和350~500 mm；東南部屬暖溫帶干旱季風氣候，年平均氣溫和降水量分別為8.5~12.0 ℃和500~650 mm。陜北地區(qū)地勢西北高、東南低，屬于干旱、半干旱區(qū)，受水氣條件和特殊地形地貌的影響，該地區(qū)暴雨、干旱、洪水、水土流失、泥石流等自然災害頻發(fā)［20］。

圖1 陜北地區(qū)的氣象站點及地形地貌

1.2 數(shù)據(jù)來源

1960─2020年陜北地區(qū)9個氣象站點的年降水和氣溫數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http：//data.cma.cn）。各站點的氣候數(shù)據(jù)相對完整，部分站點少量的缺測數(shù)據(jù)采用鄰近均值法進行插補。

1.3 研究方法

依據(jù)國際氣候診斷與指數(shù)小組（ETCDD-MI）提供的極端降水和氣溫事件的相關指標［21-26］，采用ClimDex模型［27-28］計算陜北地區(qū)的27個極端氣候指數(shù)（http://cccma.seos.uvic.ca/ETCCDMI/），從中選取13個與溫度、降水相關的極端氣候指數(shù)分析陜北地區(qū)極端氣候的變化趨勢。采用ArcGIS技術(shù)對極端氣候指數(shù)的時空分布特征進行了探討，并應用SPSS軟件進行相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 極端氣候指數(shù)的時間變化趨勢

由圖2可見，陜北地區(qū)的極端降水指數(shù)除了年總降水量（PRPCPTOT）和連續(xù)濕潤指數(shù)（CWD）呈非顯著上升趨勢外，連續(xù)干旱指數(shù)（CDD）、日最大降水量（RX1day）、極強降水量（R99pTOT）以及大雨日數(shù)（R20）均呈顯著下降趨勢。這與李雙雙等［29］的研究結(jié)果“1960─2013年秦嶺─淮河南北持續(xù)性降水日數(shù)在下降”相反，說明陜北地區(qū)近60 a來極端強降水在減少，而連續(xù)濕潤指數(shù)在增加。這與李雙雙等［30］的研究結(jié)果“近年來陜北地區(qū)降水持續(xù)時間呈現(xiàn)破碎化趨勢，降水強度呈現(xiàn)增加趨勢”類似。在本研究中，CDD、RX1day、R99pTOT和R20均通過了0.05水平的顯著性檢驗，其氣候傾向率分別為-0.695 d/10 a、-0.32 mm/（d·10 a）、0.607 mm/（d·10 a）和-0.024 d/10 a。

圖2 陜北地區(qū)極端降水指數(shù)的變化趨勢

如圖3所示，陜北地區(qū)的極端氣溫指數(shù)除了最低氣溫（TNn）呈顯著上升趨勢外，其他大多數(shù)指數(shù)均呈下降趨勢，其中霜凍日數(shù)（FD）、冷日持續(xù)日數(shù)（CSDI）、最高氣溫（TXx）和冷晝?nèi)諗?shù)（TX10p）均通過了0.05水平的顯著性檢驗，其氣候傾向率分別為-0.591 d/10 a、-0.365 d/10 a、-0.030 ℃/10 a和-0.601 d/10 a；其余指標如暖夜日數(shù)（TN90p）以及夏天日數(shù)（SU）均呈非顯著上升趨勢。說明陜北地區(qū)的氣溫極低值在上升，極端氣溫冷指數(shù)在顯著下降，暖指數(shù)在微弱上升。這與中國大多數(shù)地區(qū)最低氣溫上升幅度較大的趨勢相同［29］，也與李富民等［31-32］的研究結(jié)果類似。

圖3 陜北地區(qū)極端氣溫指數(shù)的變化趨勢

2.2 極端氣候指數(shù)的空間變化趨勢

2.2.1 極端降水指數(shù)的空間變化 從圖4可以看出：陜北地區(qū)的連續(xù)干旱指數(shù)（CDD）、極強降水量（R99pTOT）和年總降水量（PRPCPTOT）均呈現(xiàn)北高、南低的變化趨勢，而連續(xù)濕潤指數(shù)（CWD）呈現(xiàn)北低、南高的變化趨勢；大雨日數(shù)（R20）、日最大降水量（RX1day）均大致呈西高、東低的變化趨勢，這與劉彩紅等［33-34］的研究結(jié)果類似。CDD的范圍為50~81 d，其高值中心位于延長、榆林、綏德以及橫山等地，低值中心主要位于吳起、洛川、靖邊以及定邊等地。CWD的范圍為3.83~5.70 d，其高值中心分布在定邊、吳起、靖邊及橫山等地，低值中心分布在榆林、綏德、延長以及洛川等地。R99pTOT、R20、PRPCPTOT和RX1day的范圍分別為24.89~71.33 mm、4.17~8.83 d、378.12~599.55 mm和46.14 ~67.23 mm。其中，R99pTOT、PRPCPTOT和R20的高值中心均大致位于定邊、靖邊、吳起等地，低值中心均大致位于榆林、橫山、延長以及洛川等地；而R99pTOT的高值中心主要位于神木、綏德、定邊以及靖邊等地，低值中心分布在吳起、洛川、延長等地。

圖4 陜北地區(qū)極端降水指數(shù)的空間分布

2.2.2 極端氣溫指數(shù)的空間分布 如圖5所示，陜北地區(qū)的霜凍日數(shù)（FD）呈東北高、西南低的空間分布趨勢，而夏天日數(shù)（SU）與其相反；冷晝?nèi)諗?shù)（TX10p）呈東高、西低的空間分布規(guī)律，而暖夜日數(shù)（TN90p）與其相反；最高氣溫（TXx）呈西高、東低的變化趨勢，而最低氣溫（TNn）與其相反；冷日持續(xù)日數(shù)（CSDI）呈東北高、西南低的變化趨勢，而暖日持續(xù)日數(shù)（WSDI）呈西北高、東南低的變化趨勢，這與劉彩紅等［33,35-37］的研究結(jié)果相似。

圖5 陜北地區(qū)極端氣溫指數(shù)的空間分布

FD、TX10p、TNn和CSDI的范圍分別為123~158 d、7.47~19.93 d、-25.01~-17.96 ℃和1.34~2.83 d。FD的高值中心位于神木、綏德、延長以及洛川等地；TX10p的高值中心位于橫山、靖邊、綏德以及延長等地；TNn的高值中心位于橫山、靖邊和吳起等地；CSDI的高值中心位于橫山、靖邊、綏德和榆林等地。FD的低值中心在定邊、靖邊以及吳起等地；TN90p的低值中心位于神木、榆林、定邊和洛川等地；TNn的低值中心主要位于榆林、綏德、延長和洛川等地；CSDI的低值中心位于定邊、吳起、洛川和延長等地。SU、TN90p、TXx、WSDI的范圍分別為39~114 d、7.94~20.63 d、30.44~36.45 ℃、3.42~9.31 d。SU、TN90p、TXx、WSDI的高值中心大體一致，均位于神木、綏德、延長等地，其低值中心大多數(shù)集中在吳起、定邊、靖邊和洛川等地。

2.3 極端氣候指數(shù)的突變檢驗

采用Mann-Kendall突變檢驗法對陜北地區(qū)9個氣象站點的極端氣候指數(shù)進行突變檢驗，同時對極端氣候指數(shù)的變化規(guī)律進行顯著性檢驗。結(jié)果表明（圖6）：在極端降水指數(shù)中，連續(xù)干旱指數(shù)（CDD）、連續(xù)濕潤指數(shù)（CWD）、年總降水量（PRPCPTOT）、大雨指數(shù)（R20）、極強降水指數(shù)（R99pTOT）、日最大降水量（RX1day）、降水強度（SDII）的突變在各個氣象站點均通過了0.05水平的顯著性檢驗，說明極端降水指數(shù)在1960─2020年間的突變是顯著的，具有一定的研究意義。這與鄭小華等［38-39］的研究結(jié)果一致。

圖6 陜北地區(qū)極端氣候指數(shù)的突變檢驗結(jié)果

對極端氣溫指數(shù)的突變檢驗結(jié)果顯示：霜凍日數(shù)（FD）的突變在神木、橫山、吳起和洛川達一般顯著水平，但在綏德、延長、靖邊、定邊和榆林不顯著，總的來看，陜北東側(cè)FD突變的顯著性大于西側(cè)；冷晝?nèi)諗?shù)（TX10p）的突變除了在吳起站較為顯著外，在其余站點均不顯著；最低氣溫（TNn）的突變除了在吳起、靖邊、洛川站不顯著外，在其余站點均達一般顯著水平，亦即TNn突變的顯著性自東北向西南降低。這與張揚等［40-41］的研究結(jié)果一致。

2.4 極端氣候指數(shù)的影響因素分析

應用皮爾遜相關系數(shù)法對影響極端氣候指數(shù)的因素進行了探究，發(fā)現(xiàn)連續(xù)干旱指數(shù)（CDD）受年總降水量（PRPCPTOT）的影響較大，相關系數(shù)為-0.777，在0.05的水平上顯著；連續(xù)濕潤指數(shù)（CWD）與年總降水量呈極顯著正相關，相關系數(shù)為0.917，在0.01的水平上顯著；CWD也受經(jīng)度、海拔以及平均氣溫的影響，相關系數(shù)分別為0.727、-0.770和0.784，說明經(jīng)度越大、海拔越低、平均氣溫越高則CWD越大，也說明CWD自南向北、自西向東逐漸變高。大雨指數(shù)（R20）也與年總降水量、經(jīng)度、海拔以及平均氣溫有關，相關系數(shù)分別為0.918、0.752、-0.726、0.675，除了與年總降水量在0.01水平上極顯著相關外，與其余因素均在0.05水平上顯著相關，說明R20自西向東、自北向南升高。降水強度（SDII）與年總降水量和經(jīng)度均呈正相關，相關系數(shù)分別為0.749、0.826，分別在0.05和0.01水平上顯著，說明經(jīng)度越大則SDII越大，也就是說陜北東部的降水強度大于西部的。日最大降水量（RX1day）主要與年總降水量、經(jīng)度和海拔有關，相關系數(shù)分別為0.773、0.886、-0.832，分別在0.05、0.01、0.01的水平上顯著，說明經(jīng)度越大、海拔越低則RX1day越大，亦即陜北地區(qū)的RX1day自西向東、自南向北增加（表1）。

表1 陜北極端氣候指數(shù)與影響因素間的Pearson相關系數(shù)

從表1還可以看出，在極端氣溫指數(shù)中，除了夏季日數(shù)（SU）和暖夜持續(xù)日數(shù)（WSDI）與上述影響因素有關外，其余的指數(shù)與上述因素均無關。具體來說，SU與緯度呈0.05水平的正相關，說明緯度越大則SU越大，陜北東南部的SU多于西北部的；WSDI主要與年總降水量、經(jīng)度、海拔和平均氣溫有關，相關系數(shù)分別為0.713、0.781、-0.885和0.703，除了與海拔在0.01水平上呈極顯著負相關外，與其他因素均在0.05水平上呈顯著正相關，說明年總降水量越大、經(jīng)度越大、海拔越低、平均氣溫越高則WSDI越大，亦即陜北地區(qū)東部的WSDI大于西部的，東南部的大于西北部的。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)：在1960─2020年期間，陜北地區(qū)的極端降水強度在減弱，降水總量和濕潤指數(shù)在增加；陜北地區(qū)的氣溫極低值在上升，極端氣溫冷指數(shù)在顯著下降，暖指數(shù)在微弱上升；大多數(shù)極端氣候指數(shù)的突變較為顯著。說明陜北地區(qū)的氣候趨向于暖濕化，這與王丹等［42］的研究結(jié)果類似。

由陜北地區(qū)多年平均極端氣候指數(shù)的空間分布可知，西北部的連續(xù)濕潤指數(shù)大于東南部的，西部的氣溫高于東部的，但極端氣溫指數(shù)的絕對指標（SU、FD）和相對指標（TN90p、TX10p）均表現(xiàn)為南部大于北部，說明陜北地區(qū)南部的氣候總體上較北部暖濕。這與張菁等［43］的研究結(jié)果“陜甘寧三河源區(qū)的極端降水總體呈現(xiàn)‘南高北低’的空間分布格局，空間差異顯著”較為類似，也與張揚等［44-45］的研究結(jié)果相似。

極端氣候指數(shù)的影響因素主要有經(jīng)度、海拔和平均氣溫。周雅蔓等［46］研究指出夏季極端降水事件、最大日降水量表現(xiàn)出山區(qū)高、盆地低的特點，與海拔有密切的關系。Micu等［47］研究了1961─2018年羅馬尼亞南喀爾巴阡山脈溫度和降水指數(shù)的變化，發(fā)現(xiàn)在高海拔地區(qū)（海拔2000 m以上）溫度和極端降水的變化趨勢不明顯，而經(jīng)度解釋了大降水指數(shù)趨勢的48%~54%。Wang等［48］研究了1960─2016年我國每日極端溫度和降水事件的變化，發(fā)現(xiàn)暖化趨勢隨著經(jīng)度的升高而顯著增強，溫暖指數(shù)和極端日降水指數(shù)隨著海拔的升高而降低。這與本文極端降水指數(shù)（CWD、R20、R99pTOT、WSDI、Rx1day）與海拔呈顯著負相關、極端降水指數(shù)（CWD、R20、SDII、CWD、WSDI）與經(jīng)度呈正相關的結(jié)果一致。李春蘭［49］研究認為蒙古高原極端氣溫事件大多與經(jīng)度呈正相關，與緯度和海拔呈負相關。本研究發(fā)現(xiàn)，極端氣溫指數(shù)中的絕對指標夏季日數(shù)（SU）與緯度有關，暖夜持續(xù)日數(shù)（WSDI）主要與經(jīng)度、海拔和年總降水量有關。焦文慧等［50］通過研究近58 a我國北方地區(qū)極端氣溫的時空變化及影響因素發(fā)現(xiàn)：大多數(shù)極端氣溫指數(shù)與經(jīng)緯度、海拔顯著相關，其中與海拔的相關性較強。但本文只檢測出SU與海拔呈顯著正相關；WSDI與海拔呈顯著負相關，與經(jīng)度和降水量呈顯著正相關。高婧等［51］研究發(fā)現(xiàn)塔城地區(qū)極端氣溫指數(shù)的空間分布受多種因素的影響，如緯度、海拔、地形地貌、大氣環(huán)流和海表溫度等。因此，本研究選取的地理位置和氣候因素可能不足以解釋陜北地區(qū)近60 a來極端氣候指數(shù)的變化規(guī)律，今后需要加入大氣環(huán)流等因子開展進一步研究。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：在1960─2020年期間，陜北地區(qū)的極端降水強度在減弱，降水總量在增加，濕潤程度在增強，極端降水的突變顯著；月極端最低氣溫呈上升趨勢，霜凍日數(shù)和冷晝?nèi)諗?shù)下降顯著，暖夜日數(shù)有微弱上升；連續(xù)干旱日數(shù)、極強降水量和年總降水量呈現(xiàn)北高、南低的變化趨勢；大雨日數(shù)、日最大降水量均大致呈西高、東低的變化趨勢；霜凍日數(shù)呈東北高、西南低的變化趨勢，而冷晝?nèi)諗?shù)呈東高、西低的變化趨勢；極端降水量、極端降水日數(shù)與經(jīng)度、海拔和年平均氣溫有關，而極端氣溫日數(shù)受經(jīng)緯度、海拔和年總降水量的影響較為明顯。