長江流域年極端氣溫的時(shí)空變化特征研究

陳恬宇, 李東峰, 王立雪, 馬浩艷, 趙志錳, 張 文, 鄔佳賓, 許麗麗*

(1.華中師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 武漢 430079; 2.武漢大學(xué)遙感信息工程學(xué)院, 武漢 430079;3.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020)

氣溫是衡量氣候變化的一項(xiàng)重要指標(biāo).近百年來地球表面氣溫呈明顯升溫態(tài)勢.據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的資料顯示[1-2],從1880年到2012年全球地表平均溫度上漲了約0.85 ℃,2001—2020年全球地表溫度平均比1850—1900年高0.99 ℃.極端氣溫是氣溫冷暖的重要指標(biāo)[3],與平均氣溫相比,極端氣溫對人類社會、經(jīng)濟(jì)及自然生態(tài)環(huán)境的影響更為顯著.頻繁發(fā)生的極端氣溫事件將對人類社會變革、全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和自然生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的后果和損失[4].在全球變暖這一大背景下,已有研究表明可能今后發(fā)生極端事件的頻率會更高,強(qiáng)度更大,持續(xù)時(shí)間更長[5].因此,探索區(qū)域極端氣溫的發(fā)展變化規(guī)律,對于理解區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)演化過程及應(yīng)對未來極端氣候變化有重要意義.另一方面,極端高/低溫導(dǎo)致的電力需求和能源消耗增加會加速區(qū)域碳排放[6].研究極端氣溫的變化特征對區(qū)域乃至全國的碳排放評估、節(jié)能減排規(guī)劃以及“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)具有重要意義.

目前全球范圍內(nèi)針對極端氣溫的研究均表明全球極端氣溫呈明顯上升趨勢,且極端最低氣溫的升溫幅度大于極端最高氣溫.如Karl等[7]對全球最低和最高溫度的研究顯示,二者均上升且最低溫度的升幅明顯高于最高溫度.Frich Petal[8]的研究同樣證實(shí),在全球范圍內(nèi)極端最低和最高溫度的差值顯著縮小.Jayawardena等[9]研究發(fā)現(xiàn)斯里蘭卡大部分地區(qū)年平均最低氣溫在增加.

以我國為研究區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)中國整體及大部分區(qū)域均呈增暖趨勢,極端最低氣溫的升幅比極端最高氣溫高.如劉學(xué)華等[10]分析了中國1961—2000年極端氣溫的時(shí)間趨勢變化特征,極端低溫事件減少高溫事件增加,表現(xiàn)出氣溫明顯變暖的趨勢.曹晴等[11]對1960—2017年中國極端氣溫時(shí)空變化的研究同樣發(fā)現(xiàn)極端低溫和高溫呈增溫趨勢,極端低溫的升溫幅度高于極端高溫,說明極端低溫對氣候變化的響應(yīng)更敏感.劉學(xué)華和曹晴等的研究結(jié)果表明,我國氣溫變暖趨勢與Karl等[7]全球的研究結(jié)果是一致的.但是,針對中國局部地區(qū)的研究有時(shí)會得到與此相反的結(jié)論.如孔鋒等[12]對中國極端氣溫變化趨勢的空間分異特征進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)西藏等地區(qū)極端氣溫呈下降趨勢.在對極端氣溫的突變特征進(jìn)行研究時(shí),可以認(rèn)為大部分地區(qū)的增暖具有明顯的突變特征.如焦文慧等[13]對1960—2017年中國北方極端氣溫時(shí)空變化趨勢和突變特征的研究發(fā)現(xiàn),最低和最高氣溫的極值指數(shù)均呈上升趨勢,突變年份多發(fā)生在20世紀(jì)八、九十年代.劉盼等[14]對黃土高原地區(qū)極端氣溫進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)最高氣溫和最低氣溫指數(shù)呈顯著上升趨勢, MK(Mann-Kendall)突變檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)最高氣溫和最低氣溫分別在1996年和1998年發(fā)生突變.

綜上所述,目前大部分研究的結(jié)果支持中國與全球的極端氣溫變化一致這一結(jié)論.即極端最低和最高氣溫都呈增暖趨勢,極端最低氣溫的升幅高于極端最高氣溫.但在區(qū)域研究上,不同地區(qū)的研究結(jié)果存在差異,甚至表現(xiàn)出與此相反的結(jié)論[12].長江流域作為我國重要的經(jīng)濟(jì)區(qū)、糧食基地和水源地,極端氣溫對流域內(nèi)外生產(chǎn)生活的影響巨大.目前對長江流域極端氣溫的研究多集中在挖掘其變化趨勢上,對于突變特征的研究較少.本文采用SMK(Sen Mann Kendall)趨勢分析和MK突變檢驗(yàn)方法,從流域和站點(diǎn)兩個(gè)尺度,研究長江流域1962—2021年60年間極端最低和最高氣溫的時(shí)空變化趨勢和突變階段特征.這將有助于理解區(qū)域極端氣溫變化的時(shí)空格局,對預(yù)測未來氣候變化趨勢,制定防災(zāi)減災(zāi)策略,助力全球氣候治理,實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)具有重要意義.

1 研究區(qū)及數(shù)據(jù)

1.1 研究區(qū)概況

長江流域(24°27′～35°54′N,90°33′～122°19′E)是我國面積最大的流域,占全國國土總面積的18.8%,約180萬km2(圖1).流域內(nèi)地形呈三級階梯狀,西高東低,地形地貌復(fù)雜,山地、高原和丘陵盆地占據(jù)了總面積的84.7%.長江流域大部分區(qū)域地處亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū).多年平均年降水量約1 126.7 mm,降水充沛,但由于季風(fēng)、地形等因素的影響,降水量空間分布不均,呈東南向西北遞減的趨勢[15],多年平均氣溫從東南向西北遞減.

長江流域共流經(jīng)19個(gè)省級行政單元,橫跨西南、華中、華東三大經(jīng)濟(jì)快速增長地區(qū),在我國經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展中扮演著至關(guān)重要的戰(zhàn)略角色.流域內(nèi)GDP超過30 000億元,占全國的40%;耕地面積達(dá)到2 000多萬hm2,成都平原、江漢平原、洞庭湖平原等是我國重要的商品糧基地;流域內(nèi)水資源豐富,是中國東、中、西三大南水北調(diào)調(diào)水工程的取水地,也是我國水電開發(fā)的主要基地.

1.2 數(shù)據(jù)源與數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文使用的極端最低、最高氣溫?cái)?shù)據(jù)來源于國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺http://cdc.cma.gov.cn/.因區(qū)域內(nèi)部分站點(diǎn)有較多數(shù)據(jù)缺測,缺測站點(diǎn)時(shí)間序列不連續(xù),時(shí)空格局分析可靠性差.因此,剔除缺失數(shù)據(jù)超過一年的站點(diǎn),最終有效站點(diǎn)數(shù)為137個(gè).將各站點(diǎn)的月極端最低和最高氣溫?cái)?shù)據(jù)按年求均值,得到各站點(diǎn)各年的年極端最低和最高氣溫.將137個(gè)站點(diǎn)的年極端最低和最高氣溫均值作為區(qū)域年極端最低和最高氣溫.

2 研究方法

2.1 SMK趨勢檢測方法

Sen趨勢度可計(jì)算序列中值[16],能有效減少噪聲對數(shù)據(jù)質(zhì)量的影響,但其本身無法判斷序列趨勢的顯著性.Mann-Kendall是基于秩的非參數(shù)方法[17],該方法不受樣本值、分布類型等的影響且對異常值不敏感,能客觀反映樣本序列總體趨勢變化.因此選擇使用該方法檢驗(yàn)序列趨勢是否顯著.Sen趨勢度計(jì)算公式為:

(1)

當(dāng)β值為正時(shí),時(shí)序數(shù)據(jù)呈上升趨勢,當(dāng)β為負(fù)時(shí),則為下降趨勢.

使用Mann-Kendall法檢驗(yàn)趨勢顯著性,對于時(shí)間序列變量X1,X2,…,Xn,n表示時(shí)間序列數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù),定義統(tǒng)計(jì)量S:

(2)

(3)

其中,sgn(…)為符號函數(shù),Xj、Xk分別為第j和k年的值(j>k).

在此基礎(chǔ)上,假設(shè)H0表示時(shí)序數(shù)據(jù)隨機(jī)排列無顯著趨勢.本文研究的時(shí)間序列長度為60年(1962—2021年),S近似服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布.因此使用檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量Z進(jìn)行趨勢檢驗(yàn):

(4)

VAR(S)=n(n-1)(2n+5)/18.

(5)

運(yùn)用雙邊趨勢檢驗(yàn),在給定顯著性水平α下,若|Z|>Z1-α/2則拒絕H0,認(rèn)為趨勢顯著;|Z|≤Z1-α/2時(shí)接受H0,趨勢不顯著.取顯著性水平α=0.05,Z1-α/2=Z0.975=1.96.當(dāng)β>0且|Z|>1.96,序列呈顯著上升趨勢,如果β>0且|Z|≤1.96上升趨勢則不顯著.同樣地,β<0且|Z|>1.96時(shí)呈顯著下降趨勢,β<0且|Z|≤1.96下降趨勢不顯著.

2.2 MK突變檢驗(yàn)方法

MK突變檢驗(yàn)方法要求序列隨機(jī)獨(dú)立且概率分布相同的平穩(wěn)序列.具有不受樣本分布限制、對異常值不敏感、適用于類型變量和順序變量、定量化程度高、檢測范圍廣、受到人為影響較小、能確定突變時(shí)間和區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)[18].對時(shí)間序列x1,x2,…,xn構(gòu)造一秩序列,其中n為樣本數(shù),sk表示第i時(shí)刻值大于j時(shí)刻值的累計(jì)數(shù):

(6)

(7)

假定x1,x2,…,xn隨機(jī)獨(dú)立且有相同連續(xù)分布,計(jì)算sk的均值和方差如下:

(8)

將sk標(biāo)準(zhǔn)化,得到統(tǒng)計(jì)量:

(9)

UF1=0,UFk是按時(shí)間序列x順序x1,x2,…,xn計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)量序列.按時(shí)間序列x的逆序列重復(fù)上述過程,使UBk=-UFk,UB1=0.若UFk>0表明序列呈上升趨勢,小于零則為下降趨勢.給定顯著性水平α通過查正態(tài)分布表獲得臨界值,若|UFk|>Uα超過臨界值,說明序列趨勢變化顯著.若UFk和UBk的交點(diǎn)在臨界值之間,突變開始的時(shí)間就是交點(diǎn)所對應(yīng)的時(shí)刻.

3 研究結(jié)果

3.1 年極端氣溫的趨勢變化

3.1.1 年極端最低氣溫 在流域尺度上,對長江流域1962—2021年的年極端最低氣溫進(jìn)行SMK趨勢分析,Z值為7.88,大于臨界值1.96,說明極端最低氣溫在p=0.05的顯著性水平下呈現(xiàn)顯著增加的趨勢,增長率為每10年0.35 ℃.

在站點(diǎn)尺度上,137個(gè)站點(diǎn)的年極端最低氣溫的SMK結(jié)果顯示,99.27%的站點(diǎn)年極端最低氣溫呈現(xiàn)增加趨勢,且97.08%的站點(diǎn)是顯著增加的,只有0.73%的站點(diǎn)呈現(xiàn)不顯著的降低趨勢,不存在顯著降低的站點(diǎn)(表1).

表1 長江流域年極端最低氣溫的趨勢變化

空間上,137個(gè)站點(diǎn)的增長率在每10年-0.01～0.79 ℃之間.其中只有四川越西站點(diǎn)呈現(xiàn)不顯著降低趨勢,增長率為每10年-0.01 ℃.在呈增長趨勢的136個(gè)站點(diǎn)中,只有云南元謀、陜西商州和貴州貴陽三個(gè)站點(diǎn)的增長趨勢不顯著,增長率均不超過每10年0.1 ℃,這些站點(diǎn)分布在長江流域最外緣地區(qū)(圖2).長江上游的金沙江和雅礱江水系,多數(shù)站點(diǎn)年極端最低氣溫增長率超過每10年0.5 ℃,增溫速度最快;長江上游嘉陵江水系的站點(diǎn)增溫速度最慢,多數(shù)站點(diǎn)增長率不超過每10年0.3 ℃;長江上游岷江、烏江水系和中游地區(qū)沅江、湘江水系,站點(diǎn)增溫速度相對較慢,多數(shù)站點(diǎn)增長率在每10年0.2～0.5 ℃之間;長江中游漢江、贛江水系和下游地區(qū),站點(diǎn)年極端最低氣溫的增長速度相對較快,多數(shù)站點(diǎn)增長率在每10年0.3～0.5 ℃之間,部分站點(diǎn)增長率達(dá)到每10年0.5 ℃以上.

3.1.2 年極端最高氣溫 在流域尺度上,對長江流域1962—2021年的年極端最高氣溫進(jìn)行SMK趨勢分析,Z值為5.13,大于臨界值1.96,即在p=0.05的顯著性水平下呈現(xiàn)增加趨勢,增長率為每10年0.26℃.

在站點(diǎn)尺度上,137個(gè)站點(diǎn)的年極端最高氣溫SMK結(jié)果(表2)顯示,98.54%的站點(diǎn)的年極端最高氣溫呈現(xiàn)增加趨勢,其中91.97%的站點(diǎn)呈現(xiàn)顯著性增加趨勢.1.46%的站點(diǎn)呈現(xiàn)不顯著的降低趨勢,不存在顯著降低的站點(diǎn).

表2 長江流域年極端最高氣溫的趨勢變化

137個(gè)站點(diǎn)的增長率在每10年-0.09～0.98 ℃之間.呈降低趨勢的站點(diǎn)為四川小金和貴州貴陽,但趨勢不顯著,增長率分別為每10年-0.04 ℃和-0.09 ℃.呈增長趨勢的135個(gè)站點(diǎn)中有9個(gè)站點(diǎn)的增長趨勢不顯著,增長率在每10年0.005～0.15 ℃之間,主要分布在烏江、沅江和長江流域最外緣地區(qū)(圖3).站點(diǎn)年極端最高氣溫變化趨勢具有明顯的南北差異,長江以北的金沙江、雅礱江、岷江、嘉陵江和漢江水系,大部分站點(diǎn)增長率高于每10年0.2 ℃,增長率小于每10年0.2 ℃的站點(diǎn)非常少;長江以南的烏江、沅江、湘江和贛江水系,大部分站點(diǎn)增長率小于每10年0.3 ℃.增長率大于每10年0.5 ℃的站點(diǎn)大都分布在長江以北,增長率小于每10年0.2 ℃的站點(diǎn)大都分布在長江以南.

3.2 年極端氣溫的突變特征

3.2.1 年極端最低氣溫 流域尺度上,極端最低氣溫呈顯著增暖趨勢但并未發(fā)生突變.UF曲線從1978年開始持續(xù)大于0,表明長江流域年極端最低氣溫開始增加,其中1988年UF曲線超過置信區(qū)間臨界線,年極端最低氣溫的上升趨勢顯著.而UF和UB曲線的交點(diǎn)位置在臨界線外,說明年極端最低氣溫沒有發(fā)生突變(圖4).1962—2021年間極端最低氣溫呈明顯波動增長趨勢,年極端最低氣溫從1962年26.18 ℃逐漸波動增長到2021年28.19 ℃,年平均增長率達(dá)到每10年0.35 ℃(圖2).

圖4 長江流域年極端最低氣溫的突變特征

站點(diǎn)尺度上,36.5%的站點(diǎn)(50個(gè))極端最低氣溫發(fā)生突變并且均呈現(xiàn)增暖趨勢.長江流域站點(diǎn)年極端最低氣溫突變出現(xiàn)的時(shí)間集中在20世紀(jì)90年代初,突變數(shù)最多的年份是1994年,其次是1995年.上游地區(qū)的突變多發(fā)生在1990—1998年間,部分發(fā)生在1999—2007年和2008—2014年;中游地區(qū)站點(diǎn)的突變年份主要是1982—1989年和1990—1998年;下游地區(qū)站點(diǎn)的突變年份同樣以1990—1998年間為主(圖5).

圖5 研究區(qū)137個(gè)氣象站點(diǎn)年極端最低氣溫的突變特征

3.2.2 年極端最高氣溫 流域尺度上,年極端最高氣溫增暖趨勢顯著并且在2001年發(fā)生突變,突變后最高氣溫平均增速較突變前有所提升.圖6a顯示,UF曲線從1996年開始持續(xù)大于0,2003年UF曲線超過置信區(qū)間臨界線,年極端最高氣溫上升趨勢顯著.此外,通過UF和UB曲線的交點(diǎn)確定突變發(fā)生在2001年.圖6b中,突變年之前的時(shí)段年極端最高氣溫呈明顯波動變化,突變年之后的時(shí)段則呈波動增長趨勢.計(jì)算可知,2001年之前年極端最高氣溫增長率為每10年0.07 ℃,增長速度緩慢,2001年之后則以每10年0.27 ℃的速度增長,增長速度明顯加快.

圖6 長江流域年極端最高氣溫的突變特征(a)及其分段變化(b)

站點(diǎn)尺度上,年極端最高氣溫存在突變的站點(diǎn)占80.3%(110個(gè)).其中,呈現(xiàn)增暖趨勢的站點(diǎn)占98.2%(108個(gè)),呈現(xiàn)降溫趨勢的站點(diǎn)占1.8%(2個(gè)).突變時(shí)間主要在21世紀(jì)初,突變數(shù)最多的年份是2002年,其次是2001年和2005年.長江上游地區(qū)年極端最高氣溫的突變年份多發(fā)生在1999—2006年間,部分發(fā)生在1992—1998年和2007—2013年;中游地區(qū)突變年份以1992—1998年和1999—2006年為主,部分發(fā)生在2007—2013年;下游地區(qū)突變年份則集中在1999—2006年和2014—2018年間(圖7).

圖7 研究區(qū)137個(gè)氣象站點(diǎn)年極端最高氣溫的突變特征

4 結(jié)論與討論

本文利用時(shí)間序列趨勢分析和突變檢驗(yàn)方法,從流域和站點(diǎn)兩個(gè)尺度分析了長江流域年極端最高和最低氣溫1962—2021年間的時(shí)空變化特征,主要得到以下結(jié)論.

1) 流域尺度上,趨勢分析的結(jié)果顯示長江流域年極端最低和最高氣溫均呈顯著升高趨勢,增長率分別為每10年0.35 ℃和0.26 ℃.

2) 站點(diǎn)尺度上,137個(gè)站點(diǎn)的年極端最低氣溫和最高氣溫的增長率分別在每10年-0.01～0.79 ℃和-0.09～0.98 ℃之間.分別有97.08%和91.97%的氣象站點(diǎn)的年極端最低氣溫和最高氣溫顯著升高.上游金沙江、雅礱江水系、中下游和下游站點(diǎn)年極端最低氣溫增長較快,上游其他水系和長江中上游地區(qū)增長較慢;長江以北的站點(diǎn)年極端最高氣溫增長較快,長江以南增長較慢.下游站點(diǎn)年極端最低和最高氣溫均增長較快,而年極端氣

溫呈降低趨勢的區(qū)域則主要分布在流域的西南地區(qū).

3) 流域尺度上,突變檢驗(yàn)的結(jié)果確定長江流域年極端最低氣溫沒有明顯突變,極端最高氣溫在2001年發(fā)生增暖突變,突變后平均增速加快.

4) 站點(diǎn)尺度上,年極端最低氣溫中存在突變的站點(diǎn)占比36.5%(50個(gè)).突變點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間集中在20世紀(jì)90年代初,1994年發(fā)生突變的站點(diǎn)最多.上游和下游站點(diǎn)的突變多發(fā)生在1990—1998年間;中游站點(diǎn)的突變年份主要是1982—1989年和1990—1998年.年極端最高氣溫中存在突變的站點(diǎn)占80.3%(110個(gè)),在存在突變的110個(gè)站點(diǎn)中,呈現(xiàn)增暖趨勢的站點(diǎn)為98.2%(108個(gè)).突變發(fā)生最多的年份集中在21世紀(jì)初,上游年極端最高氣溫的突變年份多發(fā)生在1999—2006年間;中游突變年份以1992—1998年和1999—2006年間為主;下游突變年份則集中在1996—2006年和2014—2018年間.

上述研究結(jié)果表明,長江流域呈顯著變暖趨勢,年極端最低氣溫的上升速度大于年極端最高氣溫,這與全中國和全球的變暖趨勢一致[7,10].中國主要的河流區(qū)域,如遼河流域[19]、黃河流域[20]、珠江流域[21]等,同樣呈顯著變暖的趨勢.相較于長江流域,遼河、黃河和珠江流域極端最低氣溫分別以每10年0.58 ℃、0.37 ℃和0.41 ℃的速率增長;極端最高氣溫增長率分別為每10年0.21 ℃、0.28 ℃和0.13 ℃.黃河流域極端氣溫的增長率與長江流域較為接近,而遼河和珠江流域極端最低氣溫的增長率高于黃河和長江流域,極端最高氣溫增長率比黃河和長江流域低.說明中國主要河流流域極端氣溫整體的增暖趨勢是一致的.

長江流域年極端最低氣溫的上升速度大于年極端最高氣溫,流域的氣溫區(qū)間變小,對物種多樣性、植被生長發(fā)育等會造成一定的影響.長江流域作為我國重要的糧食產(chǎn)區(qū),其極端氣溫明顯上升的趨勢可能會引發(fā)高溫?zé)崂?、干旱等氣象?zāi)害,造成糧食減產(chǎn)威脅糧食安全.為了應(yīng)對風(fēng)險(xiǎn),可以適當(dāng)擴(kuò)大多熟農(nóng)作物的種植面積,調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn).另一方面,極端氣溫升高會使植物生長期和春季物候期提前,可能導(dǎo)致長江流域春季農(nóng)作物易受低溫凍害影響,進(jìn)而影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn).

根據(jù)賈艷青[22]等對長江三角洲1960—2014年的ENSO事件和La Nina事件的研究,可以發(fā)現(xiàn)長江流域年極端最高氣溫的突變年份2001年,是拉尼娜現(xiàn)象發(fā)生的后一年,由此推測突變的發(fā)生可能與此有關(guān).未來可分析極端氣溫突變年份與厄爾尼諾和拉尼娜事件的關(guān)系及規(guī)律;也可以進(jìn)一步探究碳排放對于極端氣溫變化的具體影響以及二者的變化情況可能存在的關(guān)聯(lián).

本文對長江流域極端氣溫的趨勢變化和突變特征的研究及相關(guān)結(jié)論,有助于了解氣溫變化的時(shí)空格局,對于預(yù)測未來氣候變化趨勢,制定防災(zāi)減災(zāi)策略,實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)助力全球氣候治理都具有重要意義.