陜西安康近50年來極端氣溫指數變化研究*

趙景波, 楊曉玉, 許永紅, 周　旗

(1.寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室, 陜西 寶雞 721007；2.陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

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陜西安康近50年來極端氣溫指數變化研究*

趙景波1,2, 楊曉玉2, 許永紅2, 周旗1

(1.寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室, 陜西 寶雞 721007；2.陜西師范大學 旅游與環境學院，陜西 西安 710062)

摘要:利用1963-2012年陜西省安康市每日氣溫資料，運用線性擬合、累積距平、Morlet復數小波等方法對WMO發布的10種極端氣溫指數進行了計算和分析。結果表明，安康近50年來，極端最低溫、熱夜、暖夜、暖日都呈上升趨勢，而極端最高溫、夏日、冰日、霜日、冷夜、冷日呈下降趨勢。各極端氣溫均存在27年左右的長周期，16年左右的中周期和6年左右的短周期。各氣溫指數存在突變，1980-1990年代是各氣溫指數的突變年。極端熱指數呈增加趨勢，熱夜由1960年代至今平均增加了9 d，暖夜增加15 d，暖日增加3 d。極端天氣冷指數呈下降趨勢，冰日減少了0.4 d，霜日減少10 d，冷夜減少12 d，冷日減少9 d。安康極端氣溫的變化會使得該區旱災、高溫災害、農業病蟲害增加。

關鍵詞:極端氣溫；變化趨勢；指數變化；周期規律；陜西安康

極端天氣現象通常被定義為在一段時間范圍內異常高于或低于平均值的事件[1]。IPCC第四次報告指出在過去的50年內，全球氣溫呈現出逐年升高的趨勢，每10年升高0.13 ℃(0.10~0.16 ℃)。與1850-1899年相比，2001-2005年氣溫升高了0.76 ℃(0.57~0.95 ℃)。氣候的顯著變化常常會引發極端天氣現象，因此，極端氣候變化已受到了國內外學術界的廣泛關注和研究。在國內，任國玉等研究指出[2]，全國范圍內異常偏冷的極端事件如寒潮、冷夜、霜凍日等顯著減少減弱，而異常偏暖的極端事件如暖夜等則明顯增多。王遵婭等認為[3]，在1951-2000年間中國平均氣溫增加最顯著的時期發生在20世紀80年代。唐國利等[4]根據中國1905-2001年的最高和最低氣溫研究得出，中國平均氣溫在以每百年0.79 ℃的速率增加。在國外，Alexande等研究表明[5]，在1951-2003年間，全球70%的陸地暖夜顯著增加，冷夜以相同的速率減少。Karl等的研究發現[6]，在過去的幾十年里，全球極端低溫事件發生的頻率和霜凍天數均顯示出減少趨勢。雖然前人對安康地區氣候變化趨勢進行過一些研究[7]，但對該區極端氣溫變化尚缺少研究。針對以往研究的不足，本文將主要研究安康地區近50年來極端氣溫指數的變化，以期為該區減輕極端氣溫變化造成的災害提供科學依據。

1安康地區自然概況

安康地處陜西省東南部，位于108°00′58″～110°12′E，31°42′24″～33°50′34″N之間。安康南依巴山北坡，北靠秦嶺主脊，東與湖北省接壤，南接重慶，西與漢中市的鎮巴縣、西鄉縣、洋縣相連，北與西安市的戶縣、長安區接壤，東北與商洛市的柞水縣、鎮安縣毗連[8]。安康地區地貌呈現南北高山夾峙，河谷盆地居中的特點。氣候類型為亞熱帶大陸性季風氣候，氣候溫和濕潤，四季分明。年均溫在15～17 ℃之間，無霜期長。年平均降水量為938 mm，集中于6-9月[8]。主要植被類型有常綠闊葉林、常綠-落葉混交林、落葉闊葉林、針葉林以及面積廣大的竹林[8]。區內面積最大的土壤類型為黃棕壤[8]。

表1　本文所選極端氣溫指數

2資料和方法

所用資料來自“中國氣象科學數據共享服務網”(http://cdc. cma. gov.cn)中安康站的氣象觀測數據。區域氣候變化情況的分析和檢測需要長時間尺度的、完整的氣候要素作為對象進行研究，本文采用了1963-2012年這50年的氣溫日最高值、日最低值作為基礎數據進行統計分析，并結合安康的自然地理特點和氣象狀況，選用WMO發布的20種極端天氣指數中的10項[9]進行統計、繪圖以及分析(表1)。采用線性擬合趨勢、累積距平的方法對這10項指數的變化進行研究，采用最小二乘法進行計算估計。同時，采用Morlet復小波方法對極端氣溫的周期進行分析。

本文所選極端指數可以分為3類，第1類稱為極值指數，即每年每日最高或最低氣溫的最大或最小值，直接由氣象臺站觀測值統計而來。第2類稱為絕對指數，是在氣象臺站觀測數據基礎上根據國際氣象機構定義的固定閾值進行處理得到的指數，包括夏日天數、冰日天數、熱夜天數、霜日天數四項。第3類稱為相對指數，是相對于某一基期的(浮動)閾值，如冷夜、暖夜、冷日、暖日采用1970-1999這30年作為基期。以冷夜為例，選取1970-1999年每年的同一日期最低氣溫進行升序排列，選取第10個百分點的值作為該日期的閾值，然后將1963-2012年每年的同一日期最低氣溫與該閾值比較，若小于閾值，則當年此日期為冷夜。暖夜計算方法類似，閾值取為基期升序數列的第90個百分點，冷日與暖日以此類推。

3結果與分析

3.1極端氣溫變化的趨勢分析

線性趨勢擬合的方法一般被用作描述氣象要

素的變化趨勢，通常采用一次直線方程y(t)=at+b擬合其趨勢，用關系式dy(t)/dt=a表達其趨勢變化率。

根據計算得出的安康市1963-2012年的各項極端氣溫指數如圖1所示。由圖1可知，極端最低溫、熱夜、暖夜、暖日幾個指數呈上升趨勢，極端最高溫、夏日、冰日、霜日、冷夜、冷日6個指標呈下降趨勢，其變率如表2所示。霜日、暖夜在過去50年內發生的變化較大，變率超過3 d/3年，而其他幾個變量變化相對較小。這表明安康市近50年來氣溫整體呈升高的趨勢，秋冬季結冰、結霜日減少，夏天高溫日減少，夜間氣溫升高，白天氣溫降低，極端最高溫度呈下降趨勢。總之，安康地區氣候變暖，極端氣溫指數變化較明顯。

圖1　安康市1963-2012年極端最高氣溫、極端最低氣溫變化趨勢

極端最高氣溫/℃極端最低氣溫/℃夏日/d冰日/d熱夜/d霜日/d冷夜/d暖夜/d冷日/d暖日/d-0.110.18-2.09-0.111.42-3.56-2.614.12-2.082.20

近50年來，安康市的年極端最低氣溫呈小幅上升，其變率為0.18 ℃/10年。由圖1可知，極端最低氣溫的變化趨勢隨時間序列的延續并非一致，從年代際變化來看，1970年代相較1960年代最低氣溫有小幅下降，1980年代平均最低氣溫較之前有較小的回升，1990年代最低氣溫仍然回升，21世紀初葉又有大幅回落。由極端最高、最低氣溫累積距平圖(圖2)來看，近50年來極端最低氣溫一直處于波動狀態，1998之前處于較低值，之后處于較高值。近50年極端最高氣溫呈現小幅下降趨勢，其變率為-0.11 ℃/10年。同樣的，在1960至1970年代，極端高氣溫年代際平均值呈現下降趨勢，而1980年代的極端最高溫年代際均值仍有所下降，1990年代均值小幅上升，進入21世紀后又小幅下降。

圖2　安康市1963-2012年極端氣候指數累積距平圖

圖3顯示，近50年夏日天數變化波動較大，呈小幅下降趨勢，變率為2.09 d/10年。由年代際來看，1970較1960呈略有下降趨勢，1980年代至1990年代有明顯下降趨勢，而后的20年里，夏日天數持續增加，但總體來看增幅略小于降幅。近50年來，安康出現冰日的天數僅有10 d，其中1960年代出現5 d，1970年代有4 d，21世紀初葉出現1 d，而1980至1990年代這20年內，無一日最高氣溫小于0 ℃。因此，冰日出現的天數呈明顯下降趨勢，變率為-0.11 d/10年。熱夜天數呈現增長趨勢，變率1.42 d/10年。由年代際的變化來看，1960到1970年代，熱夜天數快速上升，1980年代，熱夜天數下降，之后的20年里，熱夜天數呈現階梯式上升變化，反映出熱夜這一指數在近20年來呈穩定的增長趨勢。霜日呈現出較大幅度的下降趨勢，變率為-3.56 d/10年，其年代際平均值僅在21世紀初出現了一個上升階段，其余年份均呈現下降趨勢。

圖3　安康市1963-2012年極端氣溫絕對指數變化趨勢

由其累積距平圖(圖4)看出，1990年代后夏日天數明顯減少，造成了近50年來夏日天數均值的減少。相應的，熱夜天數也有輕微下降趨勢。而1980年代后霜日的減少，起到了減少近50年來熱夜天數均值的作用。可以推測，1980-1990年代間，氣候變暖的幅度較大，1980年代應該是突變發生的年代。

圖4　安康市1963-2012年極端氣候指數累積距平

由圖5可以看出，冷夜天數在50年來持續波動下降，尤其是在1960年代向1970年代過渡時，下降的幅度為歷年最大。在之后的年份，雖有所上升，但升幅較小。由圖5可以清楚地看出，冷夜變率為-2.61 d/10年，變率較大。相反，暖夜呈現明顯的上升趨勢，變率為4.12 d/10年，是10個指數中變率最大的。由年代際的變化來看，近50年中，前30年暖夜天數小幅度下降，而后20年則以較大幅度上升。冷日天數的變化趨勢同冷夜天數的變化趨勢具很高的相似度。但其變率稍小于冷夜，僅-2.084 d/10年，呈現小幅下降。冷日的年代際平均值在1960向1970年代過渡時，下降幅度較大，而在21世紀初葉有所上升，但升幅較小。暖日的波動幅度較大，但總體呈上升趨勢，其變率為2.201d/10年。由年代際均值變化來看，1980年代前后變化趨勢截然相反，1960年代至1980年代呈下降趨勢，1980年代之后呈大幅度上升。冷夜、冷日的累積距平變化(圖6)顯示，1990年代前期冷夜、冷日天數減少較快，而暖夜、暖日的快速變化則出現在1990年代中期。

3.2極端氣溫的年代際變化

由上述極端氣候指數變化趨勢圖中的年代際平均值和圖2、4、6中的累積距平值來看，安康市近50年來的極端氣溫變化存在年代際變化特征，不同的時間序列有不同的變化。

結合表3和圖1~圖6進行綜合分析，可以看出極端最低氣溫、夏日、冰日、熱夜、霜日、暖夜、暖日均呈現一個U型變化，其年代最低值出現在1980年代或1990年代。極端最高氣溫近年來

表3　安康市1963-2012極端氣溫指數年代際變化

圖5　安康市1963-2012年極端氣候相對指數變化趨勢

圖6　安康市1963-2012年極端氣候指數累積距平

有所下降。冰日出現的天數雖較少，但下降趨勢明顯，進入21世紀后冰日數量有所回升。熱夜數量在過去50年來逐年代呈上升趨勢，霜日數量總體呈下降趨勢，但進入21世紀后出現回升。冷夜數量波動較大，下降的趨勢也較大，從1960年代到21世紀初下降了近11 d/年，尤其是1960-1970年代間，下降的竟有14 d/年。暖夜數量除1980年的突減以外增幅也較大，從1980年到21世紀初增加了近30 d/年。冷日的年代際變化與冷夜的年代際變化極為相似，均呈波動下降趨勢。同樣，暖日的變化趨勢也同暖夜相似，但變化的幅度略小于暖夜，從1980到21世紀上升了27 d/年。極端熱指數呈增加趨勢，熱夜由1960年代至今平均增加了9 d，暖夜15 d，暖日3 d；極端天氣冷指數呈下降趨勢，冰日減少了0.4 d，霜日10 d，冷夜12 d，冷日9 d。

3.3極端氣溫的周期分析

小波分析方法[10]是一種介于方波分析與傳統傅里葉分析之間的時域—頻域分析方法，被譽為“數學顯微鏡”，具有良好的時域和頻域局部性質。相較其他小波函數而言，復數的Morlet小波具有很好的頻率分析能力。對于總能量譜而言，復小波實部和虛部的能量譜在不影響小波的頻域分辨率的同時，能夠明顯提高分析結果的時間分辨率。因此，本文運用此方法對極端氣溫指數進行了周期檢測，下列小波分析圖中實線代表偏多，虛線代表偏少。

由圖7可見，極端最低氣溫存在6年、16年、27年左右的準周期，27年左右的振蕩周期為其主要控制周期，6年周期較為復雜且變化多樣。極端最高氣溫存在15年、27年左右的準周期，同樣的，27年左右的周期貫穿始終，為其主要控制周期。由圖5可看出，極端最高氣溫呈現出高-低-高的變化過程。

圖7　安康1963-2012年極端溫度事件的變化周期

圖8為夏日、冰日、熱夜、霜日的小波周期圖。由圖8可以看出，夏日具有11年、16年、27年左右的準周期，27年左右的準周期仍然是夏日的主控周期。11年周期及16年周期均于1970年代出現，到20世紀末期消失。熱夜存在17年，27年左右的準周期，對稱性較好，27年周期貫穿始終，但17年周期出現于1970年代早期，消失于20世紀末，呈現出多-少-多的變化趨勢。霜日存在7年、17年、27年左右的準周期，7年周期呈現出多次波動的特點，其主控周期仍為27年。以上三個極端指數的主控周期都是27年，且都經歷了多-少-多的周期變換。冰日周期變換較為復雜，存在6年、27年左右的周期，周期性表現不明顯。

圖8　安康極端氣溫絕對指數的變化周期

圖9為冷夜、暖夜、冷日、暖日的小波周期圖。由圖9可知冷夜存在5年、16年、27年左右的準周期，5年周期不明顯且不連續，16年和27年周期始終貫穿研究時域，都很明顯。其中27年周期呈現出冷-暖-冷的變化的特點，16年周期變化更為多樣。冷日的周期變化與冷夜較為相似，存在7年、17年、27年左右的準周期，同樣的，7年周期不太連續，出現于1960年代中期，之后一直持續到研究時域結束。17年、28年周期明顯而連續，且始終貫穿于研究時域。暖夜存在8年、28年左右的準周期，8年周期不明顯，28年周期為其主導周期。暖日也存在8年、28年左右的準周期，且28年周期也是主導周期，但相比于暖夜的周期來說，8年周期連續性更好，更明顯一些。另外，圖9顯示，暖夜、暖日二者均呈現暖-冷-暖的變化特點。

圖9　安康1963-2012年極端氣溫絕對指數的變化周期

4討論

4.1極端氣溫變化的原因

由以上分析可知，近50年來安康地區極端天氣冷指標下降，熱指標上升，安康地區整體氣溫呈現上升的狀態。雖然目前沒有足夠理論依據說明氣候變暖與極端天氣事件之間的必然聯系，但不能否認兩者之間的微妙聯系，可以推測安康地區極端天氣現象的變化與全球氣候變暖的大趨勢相關。氣候變暖[11]指的是以大氣溫度升高為主要特征的氣候系統總溫度隨時間變化不斷升高的趨勢。極端氣溫的升高可能是氣候變暖的表現，而如冰日、冷夜等冷指數的減少，以及熱夜、夏日等熱指數的增加，也可以反映出氣溫上升的大趨勢。

關于氣候變暖的原因還存在不同認識[12-13]，但廣泛受到學術界支持的說法是氣候變暖是人類活動和自然因素共同作用的結果。人類活動主要指的是生產生活中大量溫室氣體的排放，以及二十世紀以來快速城市化過程中的土地利用，還有與之相關的人為植被破壞、人口激增等等。當然，太陽輻射變化、地球內部能量變化以及大氣成分變化也有可能是造成氣候變暖現象的部分原因，但我們不能忽視人類活動在近幾十年的全球氣候變暖過程中所起的重要推動作用。

4.2極端氣溫變化造成的災害

極端氣溫的變化對區域的降水造成了極大的影響。據資料[14]顯示，安康地區1957-1985年間發生特大旱災，持續時間為60～90 d，對農作物生長以及人們的生產生活造成巨大影響。近30年來，陜南共發生8次旱災，其中連旱次數5次[15]。干旱使農作物枯死，糧食產量銳減，嚴重影響該區人們的經濟收入及區域的經濟發展。然而，在1983年安康卻發生特大洪水災害，同樣造成了巨大的損失及危害。除此之外，安康地區還易發生冰雹災害。據統計[14]，自建國以來，安康就發生過百次左右的雹災。以上這些災害與極端氣溫的變化密切相關。另外，由于陜南地區特殊的地質構造及地形地貌，干旱和洪澇災害還會帶來許多次生災害，如蝗災、水荒、火災、滑坡、泥石流等。因此，我們在防治旱澇災害的同時，也應對這些次生災害有一定的認識和了解，以求達到防災減災的目的。

4.3極端氣溫的規律和未來變化

極端氣溫指數的周期規律表明，極端最高氣溫、極端最低氣溫、夏日、熱夜都存在27年左右的周期，冰日存在29年左右周期，暖夜存在28年左右的周期，暖日存在28年左右周期，都為27年左右。因此，我們應當利用災害發生以27年為周期的規律，預測未來極端天氣事件發生的時間范圍，以減少災害損失。同時，根據安康近50年氣候變化趨勢分析，安康地區未來年平均氣溫還將增高。之后可能會進入相對的冷期，極端氣溫冷指數值有可能繼續增加，這意味著霜凍、干旱等氣象災害的發生概率增加，而極端氣溫熱指數值有可能會進入低谷期，夏季持續高熱的現象可能會減少。就現有科技手段和觀測技術來看，人類完全掌握地球大氣變化還不能實現，但就目前全球各地的增溫趨勢來看，要警惕這種異常的增溫現象，做好觀測、預報工作。

5結論

本文對陜西安康地區近50年的10個極端氣溫指數進行了分析研究，得出以下結論。

(1)安康地區近50年的極端最高氣溫有較小下降趨勢，而極端最低氣溫有上升趨勢，其變率分別為-0.11 ℃/10年和0.176 ℃/10年，極端最低氣溫的變化趨勢大于極端最高氣溫。

(2)近50年來，安康地區冰日、霜日、冷夜、冷日呈下降趨勢，其中霜日的下降趨勢最大。熱指數中除了夏日之外，其他的幾個指數均呈上升趨勢，其中暖夜的上升趨勢最大。近50年熱夜由1960年代至今平均增加了9 d，暖夜增加15 d，暖日增加3 d；冰日減少了0.4 d，霜日減少10 d，冷夜減少12 d，冷日減少9 d。

(3)1980年代到1990年代是各氣溫指數的突變年。暖日及暖夜在1980年代后上升的幅度最大。而霜日、冷日、冷夜等指數在1990年代達到一個最低點。

(4)安康地區近50年極端氣溫變化存在周期規律，包括27年左右的長周期，16年左右的中周期和6年左右的短周期。

(5)安康近50年極端氣溫的變化會使得該區旱災、高溫災害、農業病蟲害增加，應該做好防治措施。

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Research on the Variation of Extreme Temperature Index in Ankang, Shaanxi in Recent 50 Years

Zhao Jingbo1, 2, Yang Xiaoyu2, Xu Yonghong2and Zhou Qi1

(1.ShaanxiProvincialKeyLaboratoryofDisasterMonitoringandSimulationMechanism,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721007,China; 2.CollegeofTourismandEnvironmentalSciences,ShaanxiNormalUniversity,

Xi’an710062,China)

Abstract:Based on the daily temperature data from 1963 to 2012 of Ankang, 10 kinds of extreme temperature indices which suggested by WMO are calculated by using the linear trend method, accumulative anomaly method and Morlet wavelet analysis. The results show that four indices including the minimum temperature, hot night, warm night and warm day are on the rise, while the six indices including the maximum temperature, summer day, ice day, frost day, cold night and cold day are on the decline in the Ankang region in recent 50 a. The extreme temperature indices has three type of cycles in change, that is the long cycle of 27 a, the middle cycle of 16 a and the short cycle of 6 a. The change of extreme temperature indices has mutations which occurred in the 1980’s to 1990’s. The extreme thermal indices showed an increasing trend, such as hot night increased 9 d from 1960’s to now, warm night increased 15 d and warm day increased 3 d. While, the extreme cold indices show a downward trend, such as ice day decreased 0.4 d, frost day reduced 10 d, cold night reduced 12 d and cold day decreased 9 d. The change of extreme temperature in Ankang will make the drought, high temperature, agricultural pests and diseases increased in the future.

Key words:extreme temperature; variation trend; changes of indices; regularity of cycle; Ankang of Shaanxi Province

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.02.018

中圖分類號：X43；P423

文獻標志碼：A

文章編號：1000-811X(2016)02-0089-06

作者簡介：趙景波(1953-)，山東滕州人，博士，教授，博士生導師，從事第四紀與環境科學研究. E-mail: zhaojb@snnu.edu.cn

基金項目：寶雞文理學院陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室項目(13JS012)；國家自然科學基金項目(40672108)

*收稿日期：2015-09-23修回日期：2015-11-20

趙景波, 楊曉玉, 許永紅，等. 陜西安康近50年來極端氣溫指數變化研究[J].災害學, 2016,31(2):89-94.[ Zhao Jingbo, Yang Xiaoyu, Xu Yonghong,et al. Research on the Variation of Extreme Temperature Index in Ankang, Shaanxi in Recent 50 Years[J].Journal of Catastrophology, 2016,31(2)：89-94.]