1961—2010年山西極端氣溫年均發生頻率的時空特征分析

秦秀麗，李麗平，魏麗云

（1.南京信息工程大學，江蘇南京 210000；2.運城市氣象局，山西運城 044000）

1961—2010年山西極端氣溫年均發生頻率的時空特征分析

秦秀麗1，2，李麗平1，魏麗云2

（1.南京信息工程大學，江蘇南京 210000；2.運城市氣象局，山西運城 044000）

利用山西省61個氣象站點逐日最高溫度、最低溫度資料，采用百分位值定義法、Mann-Kendall突變檢驗法和Morlet小波變換等方法，分析了山西省近50 a極端溫度事件年均發生頻率的時空特征，結果表明：1961年以來，山西省極端高溫事件年均發生頻率呈顯著增加趨勢，趨勢為6.1 d/10 a，與此同時，極端低溫事件年均發生頻率呈顯著減少趨勢，且極端氣溫事件的變化存在明顯的區域差異；極端高溫和極端低溫年均發生頻率均發生了突變現象，變化趨勢均在20世紀90年代以來更加顯著；極端高溫和極端低溫事件年均發生頻率均呈顯著波動變化，在整個研究期間極端高溫存在5～6 a、4～8 a顯著周期，極端低溫存在4～5 a顯著周期。

極端高溫；極端低溫；時空變化；山西

近年來，由極端氣候事件（如高溫和低溫、洪水、暴雪、干旱等）造成的經濟社會損失不斷加劇,已引起各國政府和社會公眾的普遍關注[1]，對極端氣候事件變化趨勢的評估與研究成為當前全球氣候變化研究的一個重要議題[8]。其中，極端溫度事件由于對以氣溫升高為主要特征的全球氣候變化更加敏感而受到更多關注。政府間氣候變化專門委員會IPCC第四次（2007）評估報告[9]指出，20世紀后半葉，全球大部分陸地區域發生冷晝、冷夜和霜凍日的發生頻率很可能已經減少，而暖晝、暖夜的發生頻率則已變得更加頻繁。

極端溫度作為一種極端氣候事件，近年來各國氣象學者已從不同的角度做了研究，Kale[2-5]等對全球最高、最低溫度研究結果表明，近40 a在全球變暖過程中，表現出明顯的日夜溫度變化的不對稱性，并使得日較差呈變小的趨勢。在中國，氣象學者對極端溫度的變化研究同樣做了不少的工作，任福民[6]和Zhai.P[7]等的工作比較系統的分析了中國區域極端溫度變化的某些特征，他們的工作指出了中國區域極端事件的季節特征和區域差異；翟盤茂[8，10-11]等對中國北方溫度極端事件時空變化趨勢的研究指出，目前國際上在氣候極值變化研究中最多見的是采用某個百分位值作為極端值的閾值,超過這個閾值的值被認為是極值,該事件可以看作是極端事件,由此對中國北方極端溫度進行研究,認為在我國北方地區,極端最低、最高氣溫都在趨于變暖，最低、最高溫度的線性變化趨勢表現出較為一致的年代際變化特點,但卻反映出非常明顯的不對稱性，同時指出，中國北方夜間溫度極端偏低的日數顯著變小，白天溫度極端偏高的日數則增于偏多。

近些年山西氣溫異常的極端氣溫發生較頻繁，已經給農業生產及人們的日常生活帶來影響，因此很有必要對極端氣溫事件時間做一些研究。本文在以上前人工作的基礎上，利用1961—2010年的資料，分析山西省近50 a極端氣溫事件的時空特征，旨在揭示運城極端高（低）溫事件發生的規律和特點，作為預報和服務的參考，以提高防災減災的能力。

1 資料與方法

采用山西氣象信息中心整編的1961—2010年山西地區均勻分布的61站的逐日最高溫度、最低溫度資料，所選資料為起始年統一，總缺測日數小于5 d的站點資料，所選61個站點見圖1。

圖1 山西省所選站點分布圖

基于日最高、最低資料，采用國際上通用的百分位值定義法[12]。具體定義為：將1961—2010年山西逐年日最高（低）氣溫資料按照升序排列，得到該日第90（10）個日最高（低）氣溫百分位值，將之作為該日極端高（低）溫事件的閾值，當某站某日的最高（低）氣溫超過（小于）了該日極端高（低）溫事件的閾值，就稱該日發生了極端高（低）溫事件。

極端氣溫的年際、年代際變化采用線性傾向估計法，以年為自變量序列，氣溫為因變量序列，利用最小二乘法建立一元線性回歸方程。

極端低溫的突變檢驗采用Mann-Kendall法，顯著性水平為95%，這是一種非參數統計檢驗方法，不僅計算簡便，而且可以明確突變開始的時間，且不受少數異常值的干擾。周期分析采用Morlet小波變換方法。

在分析極端高（低）溫事件年均發生頻率的變化趨勢時，使用了Kendall-tau檢驗方法，這是一種檢驗時間序列變化趨勢的非參數檢驗方法。這種方法的優點在于它允許缺測值的存在，并且無需證明資料服從某一特定分布；此外，因為該檢驗方法的本質是用來檢測資料的相對量級，故當資料量級很小時，依然可以適用。

統計量：

式中x為某氣象要素，t為時間。給定顯著性水平α，在本研究中取0.001，若τ

2 結果與討論

2.1 極端溫度事件年均發生頻率變化趨勢的空間特征

將某個氣象站1961—2010年中所有1月1日的日最高（低）氣溫資料按照升序排列，得到該日第90（10）個日最高（低）氣溫百分位值，照此方法求出所有日歷日期（366個）第90（10）個百分位值，然后將其中的最大（小）值作為該站近50 a內極端最高（低）溫值，山西省極端高溫閾值介于21.5（五臺山）～38.5℃（鹽湖區）之間，極端低溫閾值介于-33.1（右玉）～-9.4℃（平陸）。圖2a為極端高溫事件年均發生頻率變化趨勢空間分布圖，可以看出，1961年以來，山西極端高溫事件年均發生頻率均為增多趨勢，絕大多數地區增多趨勢在4 d/10 a以上，且大多數地區通過0.001的顯著性水平檢驗，其中在忻州、陽泉以及臨汾地區，增多趨勢尤為明顯，個別地區達到16 d/10 a以上。圖2b為極端低溫事件年均發生頻率變化趨勢空間分布圖，可以看出，1961年以來，山西極端低溫事件年均發生頻率均為減少趨勢，絕大多數地區減少趨勢在2 d/10 a以上，且大多數地區通過0.001的顯著性水平檢驗，其中在山西西南部以及北部地區，減少趨勢尤為明顯，西南部個別地區達到6 d/10 a以上，北部個別地區甚至達到8 d/10 a以上。

2.2 極端高溫事件年均發生頻率的時間變化

2.2.1 極端高溫事件年均發生頻率的年際變化特征

圖2 山西極端高溫事件（a）和極端低溫事件（b）年均發生頻率變化趨勢空間分布（單位：d/a）

由圖3可見，1961—2010年極端高溫事件年均發生頻率有明顯增加趨勢，趨勢為6.1 d/10 a，且通過0.001顯著性水平檢驗。1961—2010年期間，極端高溫事件年均發生頻率的振幅很大，頻率較小的為：1964年為11.2 d、1976年為14.2 d、1984年為17.3 d、1989年為16.4 d；頻率較大的為：1998年為73.7 d、2002年為73.2 d，最大發生年是最小發生年的5倍多。整體來看，20世紀60年代初期至90年代中期，極端高溫事件年均發生頻率不明顯，但從90年代后期開始，極端高溫事件年均發生頻率明顯增加，最近10多年以來年平均為20世紀90年代中期以前的2倍。

圖3 山西極端高溫事件年均發生頻率的線性變化

2.2.2 極端高溫事件年均發生頻率的年代際變化特征

1961—1910年山西極端高溫事件年均發生頻率的年代際變化見表1，可看出1991—2000年，極端高溫事件年均發生頻率增大特別明顯，幅度達16 d；到了2001—2010年，極端高溫事件年均發生頻率繼續增大，極端高溫事件年均發生頻率達到51 d，可見極端高溫事件有顯著增加趨勢。整體來看，極端高溫事件年均發生頻率發生了低—高—低—高的年代際變化。

表1 山西極端高溫事件年均發生頻率年代際變化（d/10 a）

2.2.3 極端高溫事件年均發生頻率的突變性分析

對山西省1961—2010年極端高溫事件年均發生頻率進行突變分析，分析繪出UB、UK曲線圖（圖4），圖中虛直線為α=0.05顯著性水平臨界值，虛線為UB圖，實線為UF圖，從圖中可以看出，極端高溫事件年均發生頻率在1996年發生了突變，且自1996年以來極端高溫年均發生頻率的增加趨勢更加顯著。這種年際變化趨勢與中國北方干旱與半干旱地區非常一致，與馬柱國[13]等發現20世紀90年代之前中國北方絕大多數地區極端高溫事件發生頻率的變化趨勢不顯著，但90年代以來卻有明顯的增加趨勢。

圖4 山西極端高溫事件年均發生頻率的M-K突變檢驗

2.2.4 極端高溫事件年均發生頻率的周期性分析

圖5是對1961—2010年極端高溫事件年均發生頻率作Morlet小波分析的結果，圖中紅色陰影區為通過蒙特卡羅檢驗的顯著區，紫色弧形為邊界區，打點區為噪聲區。在1960—1965年具有5～6 a的顯著周期、1971—1977年以及1991—1994年間具有4～8 a的顯著周期。這與前人對極端高溫事件的年際變化研究的結論基本一致[14]。

圖5 山西極端高溫事件年均發生頻率的Morlet小波分析

2.3 極端低溫事件年均發生頻率的時間變化

2.3.1 極端低溫事件年均發生頻率的年際變化特征

由圖6可見，1961—2010年極端低溫事件年均發生頻率有明顯減少趨勢，趨勢為4.7 d/10 a，且通過0.001顯著性水平檢驗。1961—2010年期間，極端低溫事件年均發生頻率的振幅很大，頻率較大的為：1962年，47.9 d；頻率較小的為2007年，9.7 d，最大發生年是最小發生年的近5倍。整體來看，也是20世紀60年代初期至90年代中期，低溫事件年均發生頻率明顯，但從90年代后期開始，極端低溫事件年均發生頻率明顯減少，最近10多年以來年平均僅為17.8 d，為20世紀90年代中期以前的1/2。近50 a來極端低溫事件年均發生頻率的減少趨勢主要是由于90年代后期極端低溫的事件年發生頻率的減少所致。

2.3.2 極端低溫事件年均發生頻率的年代際變化特征

1961—2010年極端低溫事件年均發生頻率年代際變化見表2，1991—2000年，極端低溫事件年均發生頻率減少明顯，幅度達6 d；2001—2010年，極端低溫事件年均發生頻率繼續減少，極端低溫事件年均發生頻率僅達18 d，可見極端低溫事件有顯著減少趨勢。整體來看，極端低溫事件年均發生頻率發生了高—低的年代際變化。

表2 山西極端低溫事件年均發生頻率年代際變化（d/10 a）

2.3.3 極端低溫事件年均發生頻率的突變性分析

對山西省1961—1970年極端低溫事件年均發生頻率進行突變分析，分析繪出UB、UK曲線圖（圖7），圖中虛直線為α=0.05顯著性水平臨界值，虛線為UB圖，實線為UF圖，從圖中可以看出，極端低溫事件年均發生頻率在1993年發生了突變，且自1972年以來下降趨勢更加顯著，這與中國華北的年際變化趨勢一致[13]。

圖7 山西極端低溫事件年均發生頻率的M-K突變檢驗

2.3.4 極端低溫事件年均發生頻率的周期性分析

圖8是對1961—2010年極端低溫事件年均發生頻率作Morlet小波分析的結果，途中紅色陰影區為通過蒙特卡羅檢驗的顯著區，紫色弧形為邊界區，打點區為噪聲區。在1960—1965年、1971—1977年以及1991—1994年間具有4～5 a的顯著周期。

圖8 山西極端低溫事件年均發生頻率的Morlet小波分析

3 結論

（1）1961年以來，山西極端高溫事件年均發生頻率均為增多趨勢，絕大多數地區增多趨勢在4 d/ 10 a以上；與此同時，山西極端低溫事件年均發生頻率均為減少趨勢，絕大多數地區減少趨勢在2 d/ 10 a以上。可見極端氣溫事件的變化存在明顯的區域差異。

（2）山西省極端高溫事件年均發生頻率呈顯著增加趨勢，趨勢為6.1 d/10 a，最近10多年以來年平均為20世紀90年代中期以前的2倍；與此同時，極端低溫事件年均發生頻率呈顯著減少趨勢，趨勢為4.7 d/10 a，最近10多年以來年平均僅為20世紀90年代中期以前的1/2。

（3）整體來看，山西省極端高溫事件年均發生頻率發生了低—高—低—高的年代際變化；極端低溫事件年均發生頻率發生了高—低的年代際變化。

（4）極端高溫和極端低溫年均發生頻率均發生了突變現象，極端高溫事件在1996年發生了突變，極端低溫事件在1993年發生了突變，變化趨勢均在20世紀90年代以來更加顯著。

（5）極端高溫和極端低溫事件年均發生頻率均呈顯著波動變化，在整個研究期間極端高溫存在5～ 6 a、4～8 a顯著周期，極端低溫存在4～5 a顯著周期。

（6）山西是氣候變化敏感區，極端溫度事件發生更加頻繁且變幅較大，很可能給農業生產及人民生活帶來眾多不利影響，需積極采取措施應對氣候的異常變化。

[1]嚴中偉，楊赤.近幾十年中國極端氣候變化格局[J].氣候與環境研究，2000，5（3）：267-272.

[2]Karl，T R，Kulda G，Razuvayev V N，et al.Global Warming: Evidence for asymmetric diurnal temperature change[J]. Geop hys Res Lett，1991，18，2253-2256.

[3]Horton B.Geograp hical distribution of change in maximum and minimum temperatures[J].Amtos Res.1995，37，101-l17.

[4]Karl T R，Jones P D，Knight R W，et al.A new perspective onrecentglobalwarming：asymmetrictrendofdaily maximum and minimum temperature[J].Bull Amer Meteor Soc，1993，74（6）：1007-1023.

[5]Cooter E J，LeDuk S K.Recent frost data trends in the northern United states[J].Int J Climatology.1993，15：65-275.

[6]任福民，翟盤茂.1951—1990年中國極端溫度變化分析[J].大氣科學,1998，22（2）：217-227.

[7]Zhai P M，Sum A J，Ren Furnin et al.Changes of climate extremes in China[J].Climatic Change.1999，42：203-218.

[8]翟盤茂，潘曉華.中國北方近50a溫度和降水極端事件變化[J].地理學報，2003，58（增）：1-10.

[9]IPCC.Climate change 2007：The physical science basis [M].Solomon S,et al.ed.Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.New York:Cambridge University Press，2007.

[10]翟盤茂，任福民.中國近四十年最高最低溫度變化[J].氣象學報，1997，55（4）：418-529.

[11]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].地理學報，2003，58（9）：1-10.

[12]黃丹青，錢永甫.我國極端溫度事件的定義和趨勢分析[J].中山大學學報：自然科學版，2008，47（3）：112-116.

[13]馬柱國，付淙斌，任小波，等.中國北方年際極端溫度的變化趨勢與區域增暖的聯系[J].地理學報，2003，58（增）：11-20.

[14]王詠梅，張紅雨，郭雪，等.山西省近48a高溫和強降水極端事件變化特征[J].干旱區研究，2012，29（2）：289-295.

Spatial and Temporal Characteristics of Mean Annual Extreme Temperature Frequency in Shanxi Province During 1961-2010

QIN Xiuli1，2，LI Liping1，WEI Liyun2
（1.Nanjing University of Information Technology，Nanjing 210000，China；2.Yuncheng Meteorological Bureau，Yuncheng 044000，China）

Based on the 61 meteorological stations’data of daily maximum temperature and minimum temperature in Shanxi province and using percentile values defineition method，Mann-Kendall mutationg test and wavelet analysis method，the spatial and temporal characteristics of extreme temperature events were studied for the recent 50 years in Shanxi Province.The results showed that annual extreme high temperature frequency have been increasing since 1961 and its trend was 6.1 d/10 a，while there was a decreasing trend in extreme low temperature frequency. Meantime,there were obvious spatial variations in both annual extreme high and low temperature frequency.For the recent 50 years，the abruptions were found in all stations in both annual extreme high and lowtemperaturefrequency and their trends were more significant since 1990s.In addition,fluctuation changes were found with a 5～6 years and 4～8 years period in annual extreme high temperature and 4～5 years period in low temperature.

extreme high temperature；extreme low temperature；spatial and temporal characteristics；Shanxi

P423

B

1002-0799（2014）02-0059-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.02.008

2013-08- 07；

2013-09-26

山西省氣象局2014年度課題“山西省極端溫度的年際年代際異常特征及其成因分析”（SXKYBQH20147851）資助。

秦秀麗（1984-），女，助理工程師，現從事氣象業務管理工作。E-mail：qinlily@163.com.

秦秀麗，李麗平，魏麗云.1961—2010年山西極端氣溫年均發生頻率的時空特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（2）：59-64.