近54年來漳州市極端氣溫事件分析*

.漳州市熱帶作物氣象試驗站 .福建省熱帶作物科學研究所 李麗容莊文晶張 琳盧松茂

近54年來漳州市極端氣溫事件分析*

1.漳州市熱帶作物氣象試驗站 2.福建省熱帶作物科學研究所 李麗容1莊文晶1張 琳1盧松茂2

極端氣溫事件對農業生產具有重要影響。利用漳州市1961～2014年10個站點的逐日氣溫資料，采用線性趨勢、滑動平均、主成分分析及相關分析等方法，進行漳州市極端氣溫事件變化規律研究。結果表明，（1）漳州市極端氣溫閾值分布在西北－東南方向存在明顯差異。(2)冷晝日數、冷夜日數、霜凍日數和冷持續日數呈減少趨勢；暖晝日數、暖夜日數、夏日日數、熱夜日數和暖持續日數呈增加趨勢；日高氣溫的極小（大）值、日最低氣溫的極小（大）值呈增加趨勢，而氣溫日較差呈減小趨勢。（3）漳州市沿海和內陸縣市的各指數均值和變化幅度均呈現顯著差異，且冷暖、晝夜及極值變化呈現明顯的不對稱性。（4）主成分分析結果將極端氣溫指數劃分為5類，總的貢獻率達到81.02%。相關分析表明，各暖指數之間、各冷指數之間基本呈正相關關系。漳州市具有暖化傾向，且氣溫極值向兩極化發展，農業生產應采取相應的適應對策。

漳州市 極端氣溫 農業生產

1 概述

近50年來，氣候向極端方向發展的趨勢愈發明顯，各國學者對不同地區的極端氣溫變化展開了深入而廣泛的研究。如Frich等[1]指出，全球暖夜日數顯著增加，霜凍日數顯著減小，年內溫度差呈顯著減小趨勢。Alexander等[2]分析指出，全球有70%的地區都呈現冷夜明顯減少、暖夜明顯增加的趨勢，暖晝和暖夜的變化相似，但是變化幅度較小。Aguilar等[3]研究發現，中美洲和南美洲北部地區暖最高、最低氣溫出現的頻率呈增加趨勢，冷最高、最低氣溫出現的頻次呈減少趨勢。Choi等[4]研究發現，亞太地區冷夜（晝）日數明顯減少，而暖夜（晝）日數明顯增加，且暖夜日數變化幅度比冷夜日數變化幅度大。Brabson和Palutikof[5]研究發現，英國中部地區10年一遇的極端氣溫事件發生頻率增大；Vincent等[6]研究指出，西印度地區暖晝和暖夜日數呈增加趨勢，而冷晝和冷夜日數呈減少趨勢，暖指數變化幅度比冷指數變化幅度大。國外研究學者對極端天氣的研究主要集中在對其長期平均趨勢方面，而對極端天氣氣候事件空間變異的研究比較少。我國極端氣溫事件的變化極其復雜，具有明顯的區域性和局地性，諸多學者[7-42]就我國全國、流域、省以及局地等不同尺度的極端氣溫變化進行了大量的研究工作。如翟盤茂和潘曉華[7]分析指出，中國北方夜間溫度極端偏低的日數顯著趨于變少；白天溫度偏高的日數則趨于增多（只有華北南部例外），同時日最低氣溫小于0℃的日數顯著減少。張徐杰等[8]研究指出，錢塘江流域極端氣溫有上升的趨勢，極端高溫有著較為明顯的地域差別，沿海一帶極端高溫上升快，尤以嵊縣一帶最為嚴重，而淳安一帶變化趨勢最不明顯。王剛等[9]研究指出，海河流域極端高溫的強度、頻度和持續時間均有較強的增加趨勢，極端低溫的強度、頻度顯著降低。任健美等[10]研究指出，山西暖日事件頻率有明顯的增加趨勢，冷夜事件有減少趨勢。王曉東等[11]研究指出，1957～2006年河北省極端高溫事件增加而極端低溫事件減少，冬季變暖的趨勢比較顯著；低溫日數有顯著減少趨勢，但高溫日數有一個微弱的上升趨勢，其變化趨勢的空間分布具有很好的一致性。黃琰[12]、周雅清[13]、向旬[14]、江志紅[15]、馬柱國[16]、師銀芳[17]、任志艷[18]、陳效逑[19]、游慶龍[20]、嚴平勇[21]、孫嫻等[22-42]就全國、各流域、各省以及局地地區的極端氣溫變化進行了大量的研究工作。他們從時空場角度研究區域極端氣溫事件的變化，發現其內在的一些特定規律。但總體呈現出極端氣溫呈上升的趨勢，暖事件增加，冷事件減少，且變化幅度具有明顯的地域差異。

也有學者對漳州市的氣溫變化特征做了一些相關研究，對于漳州市氣溫變化的研究多側重于氣溫平均場變化研究[43-44]。漳州市屬南亞熱帶海洋性季風氣候，降水充沛，干、濕季分明，海洋性氣候特點較為突出，西北有高山阻擋寒流入侵，東南有海洋暖濕氣流調節，漳州市西北部山區和東南部沿海地區的氣候差異性較大。因此非常有必要以不同極端氣溫變化指數，從時空場角度對漳州市極端氣溫的變化規律做一個比較全面、詳細的研究和探討,尤其空間差異性的分析。近年來大力發展對臺農業，大量引進臺灣的珍稀作物和名優水果，漳州市種植的作物或果樹多為熱帶和亞熱帶作物，大都耐寒性較差，農業生產對極端氣溫的變化脆弱性特征顯著。在極端氣溫變化的基礎上探討其對漳州農業生產的影響，以期為漳州市農業生產和防災減災提供氣象依據。

2 資料與方法

2.1 極端氣溫指數的定義

選取廣泛應用在極端氣溫事件研究的世界氣象組織世界研究計劃和預測研究項目推薦的15種極端氣溫指數。極端氣溫指數（見表1）分為4類，第1類是相對指數，選擇冷晝（夜）、暖晝（夜）日數；第2類是絕對指數，是基于原始觀測數據和固定閾值的指數，選擇熱夜日數、夏季日數、霜凍日數。由于漳州地區各站點歷年日最高氣溫均大于0℃，冰凍日數均為0d，本文不再分析。第3類是極值指數，為年內日最高（低）氣溫的極大（小）值，選擇日最高（低）極大（小）值。第4類是其他指數，主要選擇氣溫日較差、暖持續日數和冷持續日數。漳州地區一年四季均適宜作物生長，因此生物生長季指標未進行分析。閾值的確定采用Bonsal[46]的非參數化方案。

表1 極端氣溫指數的定義

2.2 研究資料和方法

漳州市位于北緯23°32′～25°13′，東經116°53′～118°09′,地處福建省東南部九龍江沖積平原中下游，依山面海，地勢由西北山地往東南平原依次過渡（見圖1a），屬南亞熱帶海洋性季風氣候。在分析過程中綜合考慮行政、地形和氣候特點，將漳州市分為兩個區域即沿海地區和內陸地區。本文所使用數據資料選取漳州市氣象局提供的1961年1月1日至2014年12月31日漳州市10個站點（見圖1b）逐日最高氣溫和最低氣溫資料，溫度資料的精度為0.1℃，均已經通過質量控制。區域及代表站點如表2。

采用算術平均的方法獲取整個漳州市區域的指標序列。利用Excel2007軟件,采用氣候傾向率法和滑動平均法對14種極端氣溫指數時間變化特征進行分析，采用t檢驗法進行變化趨勢的顯著性檢驗。利用Surfer11軟件繪制極端氣溫事件閾值和14種指數傾向率的空間變化分布圖，利用SPSS21.0軟件對14種極端氣溫指數進行相關分析和主成分分析。

圖1 漳州市地形分布圖（a）和站點分布圖(b)

表2 分析過程所用的氣象臺站及所屬區域

3 結果分析

3.1 漳州市極端氣溫事件閾值的空間分布

漳州市各極端氣溫事件的閾值分布呈現出明顯的區域差異（見圖2）。冷晝日數閾值（日最高氣溫的1961～2014年的第10個百分數值）和暖晝日數閾值（日最高氣溫的1961～2014年的第90個百分數值）的分布自東南部向西北部遞增，而冷夜日數閾值（日最低氣溫的1961～2014年的第10個百分數值）和暖晝日數閾值（日最低氣溫的1961～2014年的第90個百分數值）的分布自東南部向西北部遞減。冷晝日數閾值處于15～18℃，冷夜日數閾值處于7～11℃，暖晝日數閾值處于31～35℃，暖晝日數閾值處于24～26℃。漳州各縣市的氣溫閾值相差在2～4℃。

圖2 1961～2014年漳州市極端氣溫事件閾值的空間分布（℃）

3.2 極端氣溫指數的時空變化趨勢

3.2.1 相對指數

從近54年漳州市極端氣溫相對指數的年際變化趨勢（見圖3），可以看出，冷晝和冷夜日數均表現出明顯的下降趨勢，其年際傾向率分別為-1.89、-3.95d/10a，冷晝日數變化存在顯著差異(P＜0.05)，冷夜日數變化存在極顯著差異(P＜0.01)。而暖晝和暖夜日數則呈明顯的上升趨勢，變化均存在極顯著差異(P＜0.01),其年際傾向率分別為4.66、4.72 d/10a。暖晝和暖夜的變化趨勢比冷晝和冷夜的變化趨勢更為明顯。從5年滑動曲線可以看出，冷晝日數的變化呈波動減小趨勢，在2003年左右，出現最低值，約為23d，之后又呈現微弱的上升趨勢；冷夜日數的減小趨勢較冷晝日數明顯，20世紀60年代末，冷夜日數最大，約48d，之后一直呈波動減小趨勢；暖晝和暖夜日數的5年滑動平均曲線基本一致，呈波動增大的趨勢，1976年后波動增大趨勢比較明顯。

圖3 1961～2014年漳州市極端氣溫相對指數趨勢的年際變化趨勢(d)

從空間分布（見圖4）看，冷晝日數各站點處于下降趨勢，變化幅度在-1.93～-5.71d/10a之間變化幅度呈現自東南向西北遞減，東部臺站的變化傾向率最大；冷夜日數各站點也均處于下降趨勢，變化幅度在-0.307～-3.216d/10a之間，較冷晝日數小，東部和南部臺站的變化幅度較大，西部和北部的變化較小；暖晝日數各站點均處于上升趨勢，變化幅度0.22～8.47d/10a，東北部和西南部地區的變化幅度較大。暖夜日數各站點（除華安外）處于上升趨勢，變化幅度在-0.4～8.58d/10a之間，呈現自西北向東南部增大。

圖4 1961～2014年漳州市極端氣溫相對指數趨勢的空間分布（d/10a）

3.2.2 絕對指數

近54年絕對指數的年際變化趨勢同相對指數具有相似性（圖5），冷指數表現為減小趨勢，而暖指數表現為增加趨勢，但變化程度有所不同。霜凍日數的減小趨勢不明顯，未通過0.05信度水平的顯著性檢驗，其年際傾向率為-0.12d/10a；夏季日數與熱夜日數均表現為不同程度的增加趨勢，分別通過了0.01、0.05信度水平的顯著性檢驗，其年際傾向率分別為2.56、1.88 d/10a。從5年滑動曲線可以看出，霜凍日數除20世紀60年代初變化比較明顯外，之后的50年呈現微弱的減小趨勢；夏季日數總體呈現波動增加的變化趨勢，1985年左右出現最低值，約為200d，之后又增加至2006年左右出現最大值，約為230d，2006年之后又呈減小趨勢；熱夜日數變化比較明顯，總體呈增加趨勢。

圖5 1961～2014年漳州市極端氣溫絕對指數趨勢年際變化趨勢(d)

從空間分布（圖6）看，霜凍日數大部分站點處于下降的趨勢，變化幅度在-0.331～0.05d/10a之間，南部的東山和云霄站點歷年來沒有出現霜凍日數，詔安站點的變化傾向率為0.005，其它站點均呈下降趨勢，且自南向北的變化幅度增大。夏季日數各站點處于上升的趨勢，變化幅度在1.161～ 5.101d/10a，呈現東部和西南部的變化幅度比較大，西北部地區的變化幅度相對比較小些。熱夜日數的變化幅度在-1.027～4.048d/10a之間，呈現西北部地區上升趨勢不明顯，部分臺站甚至呈下降趨勢，中部和東南部沿海呈上升趨勢，且變化幅度呈現自東南部向中部減小。

圖6 1961～2014年漳州市極端氣溫絕對指數趨勢的空間分布（d/10a）

3.2.3 極值指數

從時間尺度上看，近54年來漳州市的極值指數均表現為上升趨勢（見圖7），日最高氣溫的極低值（TXn）、日最低氣溫的極低值（TNn）、日最高氣溫的極高值（TXx）和日最低氣溫的極高值（TNx）的年際傾向率分別為0.10、0.31、0.21、0.11℃/10a。其中TXn的變化趨勢較小，未通過顯著性檢驗，TXx的變化趨勢最明顯，通過了0.01信度水平的顯著性檢驗，TNn和TNx的變化趨勢通過了0.05信度水平的顯著性檢驗。從5年滑動曲線來看，日最高氣溫的極低值呈現非常微弱的波動增加外，其余極值指數變化趨勢基本一致，都呈現波動增加的趨勢。

從空間分布（圖8）看，日最高氣溫的極低值各站點均呈現增加的趨勢，變化幅度在0.005～0.165℃/10a之間，但變化趨勢不明顯。日最低氣溫的極低值各站點均表現增加的趨勢，變化幅度在0.011～0.536℃/10a，呈現出自東向西遞減趨勢。大部分站點日最高氣溫的極高值呈現增加的趨勢，變化幅度在-0.034～0.373℃/10a之間，東部、北部、西南部地區變化幅度較大。各站點日最低氣溫的極高值變化趨勢差異較大，變化幅度在-0.045～0.239℃/10a之間，東南部沿海臺站呈上升趨勢，西北部內陸地區呈現下降趨勢。

圖8 1961～2014年漳州市極端氣溫極值指數趨勢的空間分布(℃/10a)

3.2.4 其它指數

從時間尺度上看，近54年來漳州市的其它指數變化情況見圖9，漳州市的暖持續日數（WSDI）呈現顯著增多趨勢，通過0.01信度水平的顯著性檢驗，其年際傾向率為3.27d/10a；而冷持續日數（CSDI）呈顯著減少趨勢，通過0.01信度水平的顯著性檢驗，其年際傾向率為-2.69d/10a；氣溫日較差的變化趨勢不明顯，未通過顯著性檢驗，呈略微的減少趨勢，年際傾向率為-0.08d/10a。從5年滑動曲線上看，暖持續日數在1990年之后變化幅度較大，1997年之后呈明顯的波動增大趨勢；冷持續日數波動幅度較小，一直呈穩定的減小趨勢；而氣溫日較差相對而言，并無明顯的波動趨勢。

圖9 1961～2014年漳州市極端氣溫其它指數趨勢的年際變化趨勢

從空間分布（圖10）看，暖持續日數各臺站（除漳浦外）均處于上升的趨勢，變化幅度在-0.432～6.463 d/10a之間，東北、西南部臺站的變化幅度較大，變化傾向率高達6d/10a左右；冷持續日數各站點均處于下降的趨勢，變化幅度在-1.667～-3.978d/10a之間，呈現東南部向西北部減小；氣溫日較差的變化趨勢差異較大（變化幅度在-0.51～0.11℃/10a），東部呈下降，北部、南部、西部呈上升趨勢。

圖10 1961～2014年漳州市極端氣溫其它指數趨勢的空間分布(d/10a或℃/10a)

3.3 極端氣溫指數的區域差異和冷暖指數的對比分析

3.3.1 極端氣溫指數的區域差異

從表3可見，極端氣溫指數（TR、TNn、TNx）的均值內陸縣市小于沿海縣市，剩余極端氣溫指數的均值內陸縣市大于沿海縣市。從兩個區域的變化幅度看，相對指數中TX90的變化幅度是內陸大于沿海，極值指數和DTR指數的變化幅度基本相同，剩余指數（暖指數的TX10、TN10、FD、CSDI和冷指數的TN90、SU、TR、WSDI）的變化幅度均表現為沿海大于內陸。總體上看，大部分極端氣溫指數的均值表現為內陸大于沿海，而變化幅度大部分表現為沿海大于內陸。

表3 1961-2014年漳州沿海和內陸地區極端氣溫均值（℃或d）與變化幅度（℃/10a或d/10a）對比

3.3.2 冷暖和夜晝極端氣溫指數的對比分析

為了解日最高氣溫和日最低氣溫更多的變化情況，表4將極端冷指數和暖指數的變化趨勢進行了比較。從變化幅度的絕對值來看，符合暖晝（TX90）>冷晝（TX10）、暖夜（TN90）>冷夜（TN10）、夏日（SU）、熱日（TR）>霜日（FD）、暖持續日數（WSDI）>冷持續日數(CSDI)、暖夜（TN90）>暖晝（TX90）、冷夜（TN10）>冷晝（TX10）的臺站所占比例為50%～100%，而80%的臺站日最高氣溫的極高值（TXx）變化幅度大于日最高氣溫的極低值（TXn），有90%的臺站日最低氣溫的極低值（TNn）大于日最低氣溫的極高值（TNx）。

表4 1961～2014年漳州市極端氣溫指數變化幅度對比

總體上說，漳州市冷暖、晝夜及極值變化呈現明顯的不對稱性，具體表現為暖指數的變化幅度大于冷指數的變化幅度，夜指數的變化幅度大于晝指數的變化幅度。

3.4 極端氣溫指數之間的關系

主成分分析的結果（見表5）表明，5個主成分的累積貢獻率達到81.02%>80%，特征值也都大于1，完全符合分析的要求。因此提取這5個主成分，得出主成分和因子之間相關關系的載荷矩陣。由表5可以看出，第一主成分占方差貢獻率的32.0%，除氣溫日較差（DTR）、熱夜日數（TR）、最高氣溫的極低值（TXn）和霜凍日數（FD）外的其它極端氣溫指數的載荷值都比較高。第二因子中，高載荷的有DTR、FD、TNn、冷持續日數（CSDI），載荷值分別為0.831、0.615、0.579、0.516、0.514，占方差貢獻率的22.3%，其中載荷值最高的為DTR，從表6可以看出，與其相關系數通過顯著性檢驗的均是冷指數（TN10、FD、TNn、CSDI），說明氣溫日較差的變化受日最低氣溫的上升變化影響較大。第三因子中，冷晝日數（TX10）、夏季日數（SU）高載荷，占方差貢獻率的10.7%，熱夜日數（TR）在第四因子中高載荷，而日最高氣溫的最高值（TXx）在第五因子中高載荷。

總體來說，在相對指數與絕對指數中，各暖指數之間、各冷指數之間均呈正相關關系，而冷指數與暖指數之間均呈負相關關系（表6），前文在分析各指數的時間變化特征時，得出各暖指數均表現為上升趨勢，各冷指數均表現為下降趨勢的結論，說明其變化具有一致性。而極值指數則表現出不同程度的上升趨勢，從表6也可以看出，極值指數之間的相關性比較復雜，主要以正相關為主。其他指數中，暖持續日數（WSDI）與暖相對指數（TX90、TN90）、暖極值指數（TNx、TXx）之間呈極顯著正相關，與暖絕對指數（SU、TR）之間不顯著正相關。冷持續日數（CSDI）與冷相對指數（TX10、TN10）、冷絕對指數（FD）和冷極值指數（TNn、TXn）之間呈顯著正相關，與TN90之間呈顯著負相關。DTR指數與TN10、FD、CSDI之間呈極顯著正相關，與TNn呈極顯著負相關。

表5 1961～2014年漳州市極端氣溫指數的因子分析結果

表6 1961～2014年漳州市極端氣溫指數相關關系矩陣

4 結果與討論

4.1 結果

采用14個極端氣溫的指標來研究漳州市極端氣溫事件的時空變化特征，并對14個極端氣溫指數進行了對比分析得知：

（1）漳州市各極端氣溫事件的閾值分布呈現出明顯的區域差異。冷晝日數和暖晝日數閾值的分布自東南部向西北部遞增，而冷夜日數和暖夜日數閾值的分布自東南部向西北部遞減。冷晝日數閾值處于15℃～18℃，冷夜日數10閾值處于7℃～11℃，暖晝日數閾值處于31℃～35℃，暖夜日數閾值處于24℃～26℃。

（2）時間尺度上看，冷晝、冷夜、霜凍和冷持續日數以-1.89、-3.95、-0.12、-2.69d/10a的趨勢減小，暖晝、暖夜、夏季日數、熱夜日數和暖持續日數以4.66、4.72、2.56、1.88、3.27d/10a的趨勢增加。與全球變化的趨勢呈一致性。極值指數TXn、TNn、TXx和TNx分別以0.10、0.31、2.14、0.11℃/10a的趨勢增加，而氣溫日較差（DTR）以-0.082℃/10a的趨勢減小。除霜凍日數和日最高氣溫的極低值外，各極端氣溫指數均通過了顯著或極顯著的檢驗。

（3）各個指數的空間分布差異顯著，大部分極端氣溫指數的均值表現為內陸大于沿海，而變化幅度大部分表現為沿海大于內陸。各指數（除TR、TNn、TNx外）的多年平均值表現為東南部沿海臺站小于西北部內陸臺站。絕對指數、相對指數（除暖晝日數外）和其他指數（除氣溫日較差外）的變化幅度表現為東南部沿海臺站大于西北部內陸臺站，而暖晝日數則相反，極值指數和氣溫日較差的變化幅度則差異不大。

（4）漳州市冷暖、晝夜及極值變化呈現明顯的不對稱性，具體表現為暖指數的變化幅度大于冷指數的變化幅度，夜指數的變化幅度大于晝指數的變化幅度，日最高（低）的極高（低）值的變化幅度大于日最高（低）的極低（高）值。

（5）主成分分析的結果將極端氣溫指數劃分為5類，總的貢獻率達到81.02%，第一因子中，高載荷的有TX90、TN90、WSDI、CSDI、TNn、TXx、TNx、SU。第二因子中，高載荷的有DTR、FD、TNn、CSDI，第三因子中，TX10、SU高載荷，第四因子中，TR高載荷，在第五因子中，TXx高載荷。相關分析表明，各暖指數之間、各冷指數之間基本呈正相關關系，而冷指數與暖指數之間基本呈負相關關系，DTR指數與TN10、FD、CSDI之間呈極顯著的正相關，與TNn呈極顯著的負相關。

4.2 討論

（1）近54年來，漳州市日最高氣溫的極高值（TXx）、暖晝（TX90）和暖夜日數呈極顯著的上升趨勢。漳州市極端高溫閾值處于31～35℃，極端高溫日數年平均有34.3～36.3d，尤其近10年的日最高氣溫的極高值表現出明顯的上升趨勢。這說明近54年來漳州市極端高溫事件增加，具有明顯的暖化趨勢。這有利于熱帶、亞熱帶農作物的引種和擴種，但最高氣溫極高值的升高和暖晝日數增多導致農作物遭受高溫熱害的風險增大，也可能使南部地區干旱加劇。

（2）近54年來，漳州市極端低溫事件的閾值處于7～11℃，冷夜日數各縣站平均有34.9～36.3d，霜凍日數變化呈減少的趨勢，且霜凍出現的日數較少，漳州市日最低氣溫的極低值呈顯著上升的趨勢，冷持續日數呈微弱的下降趨勢，冷夜日數呈顯著的下降趨勢。這說明漳州市極端低溫事件減少，這有利于農作物的安全越冬，可能導致農民選擇種植耐寒性比以往弱的高產優質品種，生育期更長的品種，雖可獲得一定的增產效果，但由于年際間氣候具有波動性，一旦遇到冷年就可能會遭受更大的災害損失；氣溫偏高有利于土壤熱量積累，對我市芥菜、大白菜等冬作物生長發育有利。但氣溫偏高有利于蟲卵、病菌越冬，易導致春季病蟲害蔓延，可能給春季的農業生產帶來不利影響。且由于漳州市作物、果樹多為喜溫類，耐寒性較差，低溫寒凍害對農業生產的影響仍然不可忽視。

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漳州市科技局自然基金項目（ZZ2016J11）和公益性行業（氣象）專項（GYHY201406027）。