西北干旱區(qū)極端高溫時空變化特征分析

韓雪云，趙 麗，張 倩，姚俊強，楊 青

（1.新疆氣候中心，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆信息工程學校，新疆 烏魯木齊830013；3.中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002）

氣候變化不僅影響自然系統(tǒng)和人類生存環(huán)境，也將影響世界經(jīng)濟發(fā)展和社會進步[1]。21 世紀末全球平均地表溫度在1986—2005 年的基礎(chǔ)上將升高0.3～4.8 ℃[2]。IPCC 最新評估報告指出20 世紀50 年代以來全球氣候變暖的一半以上是人類活動造成的，預(yù)估未來全球氣候變暖仍將持續(xù)。過去50 a 極端天氣事件特別是強降雨、高溫熱浪等極端事件呈現(xiàn)不斷增多增強的趨勢，預(yù)計今后這種極端事件的出現(xiàn)將更加頻繁。極端氣候事件指特定時段內(nèi)某類氣候要素量值或統(tǒng)計量顯著偏離其平均態(tài)、且達到或超出其觀測或統(tǒng)計量值區(qū)間上下限附近特定閾值的事件。盡管這類事件在統(tǒng)計意義上屬于較少發(fā)生的小概率事件，但由于其突發(fā)性強、不易防范，且一旦發(fā)生所造成的影響大，因而備受關(guān)注，是當前氣候變化研究的熱點領(lǐng)域。

過去千年極端氣候事件變化研究有助于辨識當前極端事件發(fā)生特征（特別是強度和頻率）的歷史地位，且可為極端氣候事件的災(zāi)害風險管理和氣候變化適應(yīng)提供歷史借鑒，因而被IPCC（2012）的極端事件評估特別報告列為重要問題[3]。近年來，一系列事件和研究表明，極端天氣氣候事件將是今后長期影響全球變化的重要指標。國內(nèi)外眾多專家學者對各區(qū)域的極端氣候事件進行分析探討，發(fā)現(xiàn)不同地域的平均氣溫升高、極端高溫的變化規(guī)律及出現(xiàn)冷、暖夜（日）日數(shù)變化有相似的結(jié)論[4-12]。地區(qū)氣溫的均值會增加，偏熱天氣頻率明顯增加，極熱天氣可能出現(xiàn)概率增大，高溫熱浪等極端天氣事件將變得頻繁[13，14]。

中國西北干旱區(qū)位于亞洲中部，深居大陸腹地，為多年平均降水量＜200 mm 的極端干旱區(qū)和干旱區(qū)，屬于典型的大陸性氣候[15]，自然條件惡劣。該地區(qū)東以賀蘭山為界，南至昆侖山—阿爾金山—祁連山，北側(cè)和西側(cè)直抵國界，介于73°～107°E 和35°～50°N，包括新疆維吾爾自治區(qū)全境、甘肅河西走廊、青海祁連山區(qū)、內(nèi)蒙古阿拉善高原及黃河寧夏段以西的寧夏自治區(qū)部分。中國西北干旱區(qū)是亞洲中部干旱區(qū)的重要組成部分之一，是全球同緯度最干旱地區(qū)。該區(qū)域地形復雜，山—盆相間，沙漠與綠洲共存，是生態(tài)環(huán)境嚴重脆弱地區(qū)，也是全球氣候變化的最敏感地區(qū)[16]。西北干旱區(qū)受地勢地形影響，自然條件獨特，是氣候敏感區(qū)，易發(fā)生極端氣溫事件[17，18]，對西北干旱區(qū)造成經(jīng)濟生態(tài)雙重影響。氣溫變化定量分析對指導人類社會的生產(chǎn)、生活實踐具有重要意義，因此，討論西北干旱區(qū)極端高溫特征變化，認識氣候變暖態(tài)勢下西北干旱區(qū)極端高溫變化研究具有重要科學意義。

1 資料與方法

為反映西北干旱區(qū)極端高溫的變化，根據(jù)新疆氣象信息中心整編的資料，剔除缺測及不完整時間序列站點，選取了包括新疆全境，內(nèi)蒙古、甘肅、青海和寧夏的部分共83 個站點，1961—2010 年近50 a的逐日氣溫資料，選擇了其中的日平均氣溫，日最高氣溫。數(shù)據(jù)序列經(jīng)過了嚴格的質(zhì)量控制，完整性和準確性良好。

目前科學上通常采用某類氣候要素量值或統(tǒng)計量在一定觀測時段（稱“基準時段”或“參照時段”）內(nèi)的概率密度函數(shù)，以事件發(fā)生概率≤1%或5%或10%定義極端事件的閾值標準。本文選用事件發(fā)生概率≤5%為極端高溫事件的閾值，即將1961—2010 年各個站點的逐年（季）日最高氣溫資料按降序排列，第5%的值為該觀測站的年（季）極端高溫閾值。大于高溫閾值即大于第5%的數(shù)值的氣溫為極端高溫，也稱出現(xiàn)了極端高溫事件[3，10，19]。根據(jù)定義，將數(shù)據(jù)處理整合，年（季）極端高溫變化包括極端高溫強度及其出現(xiàn)的頻數(shù)，通過定義提取各個站點日數(shù)據(jù)得出年（季）極端高溫的閾值，即：將日數(shù)據(jù)降序排列后大于第5%的值做統(tǒng)計，對得出的83 個站點的極端高溫及極端高溫日數(shù)平均，可得出近50 a西北干旱區(qū)的極端高溫及極端高溫日數(shù)。另外本文也統(tǒng)計分析了日最高氣溫≥35 ℃的日數(shù)（高溫日數(shù)）。

1.1 線性趨勢法

用xi表示樣本量為n 的某一氣候變量，用ti表示xi所對應(yīng)的時間，建立xi與ti之間的一元線性回歸方程[20]：

方程（1）可以看做一種特殊的、最簡單的線性回歸形式。公式中a 為常數(shù)，b 為回歸系數(shù)，表示氣候變量x 的趨勢傾向。當b＞0 時，說明隨時間t 的增減x 呈上升趨勢，反之亦然。b 值的大小反映了上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度。

1.2 Mann-Kendall 法

Mann-Kendall 法是比較常用和普遍的突變檢驗方法，是非參數(shù)統(tǒng)計檢驗方法，理論基礎(chǔ)強，人為性少。其優(yōu)點是不需要樣本遵從一定的分布，也不受異常值的干擾[21]，更適用于類型變量和順序變量，計算也比較簡便。

1.3 相關(guān)分析法

為研究氣象要素在氣候變化中升降的定量程度，并對其進行統(tǒng)計檢驗，計算了其相關(guān)系數(shù)r，它為n 個時刻（年）的要素序列與自然數(shù)列1，2，3，……n 的相關(guān)系數(shù)：

式中，r 表示變量x 與時間y 之間線性相關(guān)的密切程度，當r=0 時，回歸系數(shù)b 為0，即用最小二乘法估計確定的回歸直線平行于x 軸，說明x 的變化與時間t 無關(guān)；當r>0 時，b>0，說明x 隨時間y 呈上升趨勢；當r＜0 時，b≥0，說明x 隨時間y 呈下降趨勢，越接近于0，x 與y 之間的線性相關(guān)就越小，反之越大。當然，要判斷變化趨勢的程度是否顯著，就要對相關(guān)系數(shù)進行顯著性檢驗[20]。

2 平均氣溫變化

2.1 平均氣溫趨勢變化

2.1.1 年平均氣溫

圖1 西北干旱區(qū)1961—2010 年年平均氣溫變化趨勢（a）及M-K 統(tǒng)計量曲線（b）

利用線性傾向估計可得出西北干旱區(qū)50 a 平均氣溫的變化情況（圖1）。由圖1 可知，西北干旱區(qū)1961—2010 年年平均氣溫為9.2 ℃，年平均氣溫總體呈逐漸升高的趨勢，速率為0.25 ℃/10 a。通過多項式比較發(fā)現(xiàn)，近50 a 并不是直線上升，波動增長主要表現(xiàn)為前20 a 增長相對緩慢，后30 a 增長顯著。自1987 年以來，增溫顯著且通過0.05 顯著性水平檢驗，這一結(jié)論與其他研究西北干旱區(qū)氣溫的結(jié)論相當[22-23]。

2.1.2 四季平均氣溫變化

西北干旱區(qū)春、夏、秋、冬季的平均氣溫分別為11.0、22.8、9.1 ℃和-6.5 ℃，平均氣溫增溫速率分別為0.22、0.12、0.28 ℃/10 a 和0.49 ℃/10 a。在全球變暖的背景下，西北干旱區(qū)的總體趨勢都在變暖，冬季的增暖最顯著。

3 極端高溫變化

3.1 年極端高溫趨勢變化

3.1.1 年極端高溫

由圖2 分析知，西北干旱區(qū)1961—2010 年極端高溫的平均值為32.7 ℃，年極端高溫呈現(xiàn)上升趨勢，并以0.056 ℃/10 a 的速率增長，最高極端高溫出現(xiàn)在2000 年，為33.3 ℃，低值為1993 年的32.1 ℃，差值相對較小。通過分析M-K 統(tǒng)計量（圖2b）可以得出UF 正序列變化情況，1973 年以前變化波動較大，以后則穩(wěn)步上升，并通過0.05 的顯著水平檢驗，突變明顯，突變點為1987 年。

圖2 年極端高溫（a）和年極端高溫M-K統(tǒng)計量曲線（b）

西北干旱區(qū)年極端高溫空間分布是西北干旱區(qū)各個站點的極端高溫分布的具體表現(xiàn)。由圖3 可以得出，西北干旱區(qū)年極端高溫西部大于東部，盆地南緣大于北緣。最高值出現(xiàn)在吐魯番，為43.1 ℃，低值出現(xiàn)在吐爾尕特，為17.7 ℃，具體相對低區(qū)為新疆北部山區(qū)附近，河西走廊一帶及新疆南疆地區(qū)，大都在30～17.7 ℃之間。高值區(qū)分布較不集中，西北地區(qū)東部額濟納旗、拐子湖、哈密、十三間房、吐魯番，以及沙漠邊緣站點如蔡家湖、克拉瑪依、庫米什、若羌、鐵干里克、阿拉山口等地年極端高溫均＞37 ℃。最大極值差為25.4 ℃。

圖3 西北干旱區(qū)年極端高溫的空間分布（單位：℃）

3.1.2 年極端高溫日數(shù)

西北干旱區(qū)1961—2010 年年極端高溫日數(shù)呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，上升速率為1.54 d/10 a（圖4a）。發(fā)生極端高溫事件頻率最大的是1997 年的30 d，1993 年出現(xiàn)發(fā)生頻數(shù)最少的4.7 d。通過分析M-K 統(tǒng)計量可以得出，極端高溫日數(shù)從正序列來看自1993 年開始穩(wěn)定上升并且上升速度較快，2003年以后增溫顯著（圖4b），通過顯著性檢驗。

分析極端高溫，不僅能對極端事件進行預(yù)報，且可以得知西北干旱區(qū)哪些地方易發(fā)生極端事件，為預(yù)防和防御做準備。通過對西北干旱區(qū)各站點極端高溫日數(shù)做統(tǒng)計，得出整個西北干旱區(qū)的極端高溫日數(shù)的空間分布，判斷西北干旱區(qū)極端高溫易發(fā)區(qū)。

西北干旱區(qū)年極端高溫日數(shù)空間分布圖中（圖5），如圖例半徑越大發(fā)生極端高溫日數(shù)越多，為極端高溫易發(fā)區(qū)。

西北干旱區(qū)極端高溫易發(fā)區(qū)主要分布在東部和西北部，即河西走廊一帶、吐哈盆地及準噶爾盆地西部、西北部地區(qū)，最大值出現(xiàn)在門源站。

3.1.3 高溫日數(shù)變化

西北干旱區(qū)1961—2010 年日最高氣溫≥35 ℃的日數(shù)不斷增多（圖6a），在研究的50 a 范圍內(nèi)呈上升趨勢，以0.68 d/10 a 的速率增長。正序列UF 曲線呈波動上升（圖6b），自1996 年起，處于不斷增長的狀態(tài)，2003 年后增加顯著，通過顯著性檢驗。

圖4 年極端高溫日數(shù)（a）和年極端高溫日數(shù)M-K 統(tǒng)計量曲線（b）

圖5 年極端高溫日數(shù)空間分布（單位：d）

圖6 高溫日數(shù)（a）和高溫日數(shù)M-K 統(tǒng)計量曲線（b）

比較極端高溫日數(shù)和高溫日數(shù)可以得出，兩者變化趨勢一致，均呈現(xiàn)增加趨勢，且二者的顯著突變點均為2003 年，但極端高溫日數(shù)變化幅度為高溫日數(shù)的兩倍之多，說明極端高溫日數(shù)出現(xiàn)的概率遠大于高溫日數(shù)，極端高溫發(fā)生頻率逐年增多。

分析西北干旱區(qū)近50 a 各個站點的高溫日數(shù)得出，年均出現(xiàn)高溫日數(shù)的最多的地區(qū)是吐魯番，每年大致會出現(xiàn)近100 d 高溫日數(shù)，若羌和鐵干里克站點年均也會出現(xiàn)40～50 d 的高溫日數(shù)，這和當?shù)厮幍牡乩憝h(huán)境有很大關(guān)系，若羌、鐵干里克是西北干旱區(qū)南部塔克拉瑪干沙漠邊緣站點，受緯度位置和下墊面影響較大。其他較高的站點分布在內(nèi)蒙古西部，新疆東部戈壁，及塔克拉瑪干沙漠周邊，北部古爾班通古特沙漠周邊個別站，如蔡家湖、額濟納旗、拐子湖、哈密、十三間房、庫米什、民豐、皮山、若羌、鐵干里克、吐魯番、克拉瑪依等。

出現(xiàn)高溫日數(shù)較少的地方，均分布在緯度較高或海拔較高站點。年均出現(xiàn)高溫日數(shù)＜1 d 的有23個站點，有14 個站點近50 a 沒有出現(xiàn)高溫天氣，如巴侖臺、巴音布魯克、北塔山、德令哈、剛察、門源、祁連、塔什庫爾干、吐爾尕特、托勒、烏鞘嶺、野牛溝、伊吾、昭蘇等。

3.1.4 極端高溫年代際變化

由表1 可知年極端高溫自20 世紀90 年代起穩(wěn)定增長，強度增強。春季由20 世紀60 年代起極端高溫強度不斷增長，20 世紀90 年代下降，隨后21 世紀初開始升高；夏季極端高溫在50 a 里波動起伏，21 世紀初強度有所減弱；秋季極端高溫表現(xiàn)出波動上升，20 世紀90 年代最強，21 世紀初強度減弱；冬季極端高溫強度在20 世紀90 年代起不斷上升，冬季增溫在年代際變化中貢獻突出。

年極端高溫日數(shù)除20 世紀80 年代有減少外，總體極端高溫日數(shù)明顯增多（表2）；高溫日數(shù)同年極端高溫日數(shù)變化相同，但變化幅度沒有年極端高溫日數(shù)大。春季極端高溫日數(shù)前30 a 呈減少趨勢，近20 a 極端高溫日數(shù)不斷增多；夏、冬季除20 世紀80年代外，極端高溫日數(shù)持續(xù)增多；秋季極端高溫日數(shù)的波動出現(xiàn)在20 世紀80 年代，近20 a 不斷增多。

3.2 四季極端高溫變化特征

3.2.1 四季極端高溫強度

將西北干旱區(qū)每個季節(jié)的日最高氣溫數(shù)值降序排序，大于第5%閾值的都為季極端高溫，四季極端高溫變化趨勢分別為0.031、0.011、0.08、0.009 ℃/10 a。這與年極端高溫變化趨勢一致，而年極端高溫增暖的趨勢中每個季節(jié)的極端高溫都占一定的比重，春、秋季貢獻相對較多。四季的增溫速率都相對較小，但總體都表現(xiàn)為增暖趨勢。

表1 極端高溫的年代距平 ℃

表2 極端高溫日數(shù)及高溫日數(shù)的年代距平 d

全區(qū)的春季極端高溫特點是高值區(qū)分布在西部的沙漠及邊緣區(qū)，天山東部伊吾、哈密，內(nèi)蒙古西部地區(qū)各站（圖7a）。極高值是拐子湖、吐魯番，超過39 ℃。極低區(qū)分布不明顯，祁連山附近地區(qū)分布相對較多。

70 個站點的夏季極端高溫均＞30 ℃，僅有13 個站點的夏季極端高溫＜30 ℃（圖7b）。夏季極端高溫＞40 ℃的有若羌、拐子湖、蔡家湖、阿拉山口和吐魯番，最高值出現(xiàn)在吐魯番，夏季極端高溫為44.7 ℃。其他高值區(qū)位于西北干旱區(qū)東部德令哈、剛察、門源、祁連、托勒、烏鞘嶺、野牛溝、伊吾，西部托里、昭蘇，巴音布魯克、南部塔什庫爾干、吐爾尕特等。夏季極端高溫的最小值出現(xiàn)在吐爾尕特站，為19.6 ℃。夏季太陽直射北回歸線上，北半球進入氣溫最高的時段，因此除個別站點受山地等非地帶性影響外，夏季極端高溫值均較大。

秋季極端高溫在空間分布特點是，西部大于東部，北部地區(qū)較小，河西走廊一帶偏小（圖7c）。最高值仍在吐魯番，低值在吐爾尕特，相差23.3 ℃。天山西段、伊犁河谷地，塔里木盆地周邊地帶及天山東部戈壁區(qū)域極值較高。低值區(qū)分布在準噶爾盆地以北，塔克拉瑪干沙漠西南方向的部分高海拔站點及河西走廊部分站點。

由冬季極端高溫空間分布（圖7d）可以看出，隨緯度增加，極值越低，高值區(qū)均在緯度較低區(qū)域。冬季極高值出現(xiàn)在西北干旱區(qū)南部的民豐，為15.3 ℃。極端高溫強度冬季普遍不低，≤0 ℃的僅有3 個站：福海、青河、巴音布魯克。

3.2.2 四季極端高溫日數(shù)變化

西北干旱區(qū)春季出現(xiàn)極端高溫日數(shù)不斷增加，線性傾向率為0.45 d/10 a；夏季極端高溫日數(shù)增加的速度較春季快，以0.52 d/10 a 的速度在增長；秋季極端高溫日數(shù)近50 a 來也在不斷增加，且增長速率最大，為0.64 d/10 a；冬季的極端高溫日數(shù)相對較少，但增長顯著，以0.57 d/10 a 的速度增長。綜合來看，西北干旱區(qū)四季極端高溫出現(xiàn)的日數(shù)均呈上升趨勢，說明出現(xiàn)極端高溫事件的頻率不斷增加。對于自然環(huán)境相對脆弱的西北干旱區(qū)來說，極端高溫日數(shù)在不同季節(jié)的增長會對人類的生產(chǎn)生活產(chǎn)生很大影響。

圖7 西北干旱區(qū)春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季極端高溫空間分布（單位：℃）

通過M-K 統(tǒng)計量曲線，分別列出春季、夏季、秋季和冬季極端高溫日數(shù)發(fā)生突然變化的時間點。通過判讀UF 正序列，在春季，極端高溫日數(shù)波動變化較大，可以認為2005 年為春季極端高溫日數(shù)不斷增加的突變時間點。夏季前期波動較大，1996 年后，夏季極端高溫日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，并且通過了0.05 的顯著性水平檢驗，突變顯著。秋季極端高溫日數(shù)的統(tǒng)計量在1995 年開始通過了0.05 顯著性水平檢驗。冬季極端高溫日數(shù)自1986 年起不斷增加，突變點在1995 年。

綜上，春季、夏季、秋季和冬季的極端高溫強度增長趨勢相對緩慢，各個季節(jié)極端高溫日數(shù)的增加趨勢比較明顯。通過分析，在四季中秋季的極端高溫日數(shù)增長速率最大，自1995 年起在秋季出現(xiàn)極端高溫事件日數(shù)不斷增加。分析四季極端高溫日數(shù)的空間分布，可以得出，春季極端高溫日數(shù)西北—東南分布較多，西南地區(qū)極高日數(shù)相對較少，春季出現(xiàn)極端高溫日數(shù)普遍較少，每年春季出現(xiàn)4～5 d，各個站點所取的極端高溫閾值不同，因此各個站點均出現(xiàn)了極高日數(shù)且日數(shù)差異較小。夏季極端高溫日數(shù)分布呈現(xiàn)為東部、西部大于中部地區(qū)，昭蘇、且末出現(xiàn)的極端高溫日數(shù)相對較多。秋季極端高溫日數(shù)，西北干旱區(qū)為年均4～5 d，東部地區(qū)、天山中部周邊站點及西南個別站點出現(xiàn)日數(shù)相對較高。冬季極端高溫特點為北部明顯大于南部，天山以北、河西走廊以北區(qū)域均是高發(fā)區(qū)，天山以南站點相對發(fā)生概率較小，日數(shù)較少，河西走廊部分站點相對較少。

4 相關(guān)性分析

近年來，全球變暖日益顯著，氣候系統(tǒng)的變暖毋庸置疑，與氣候的平均狀態(tài)相比較，極端氣候事件對氣候變化更敏感，變率更大，造成危害更顯著。氣候平均態(tài)有根據(jù)歷史序列的發(fā)展趨勢，而極端高溫隨著全球增暖加劇，發(fā)生頻率亦可增加。分析年平均氣溫與年、季極端高溫的變化，有助于預(yù)測極端氣候事件的發(fā)生和發(fā)展。由表3 可知，四季極端高溫與年平均氣溫相關(guān)性不大，僅年極端高溫與年平均氣溫有0.287 的相關(guān)系數(shù)，且通過了0.05 的顯著性水平檢驗。說明年極端高溫與年平均氣溫的變化有關(guān)。

極端高溫日數(shù)與年平均氣溫均呈現(xiàn)出較大的相關(guān)性，年、季極端高溫日數(shù)均與年平均氣溫有顯著的相關(guān)，通過了0.01 的顯著性水平檢驗。說明極端高溫事件的發(fā)生對年平均氣溫的高低有很大影響，且各季節(jié)的極端高溫事件的發(fā)生亦對年平均氣溫具有較大貢獻。

表3 年平均氣溫與年、季極端高溫的相關(guān)性

5 結(jié)論

西北干旱區(qū)極端高溫強度和出現(xiàn)頻率均以持續(xù)升高為主，年代際、季節(jié)極端高溫呈增加趨勢，氣候變暖對西北干旱區(qū)的自然信號和經(jīng)濟影響不容小覷。

（1）自1989 年年極端高溫呈顯著上升趨勢，以0.056 ℃/10 a 的速率增長。極端高溫日數(shù)呈明顯的上升趨勢，增長速率為1.54 d/10 a。空間上西部大于東部，局部地區(qū)盆地南緣大于北緣。年高溫日數(shù)自1996 年以來亦呈顯著上升趨勢，戈壁沙漠周邊遠大于緯度較高或山區(qū)及附近站點。

（2）四季極端高溫均有上升趨勢，秋季增長速率最大，冬季增長速率最小，冬季出現(xiàn)日數(shù)最少，與年日數(shù)突變一致，極端高溫日數(shù)大值區(qū)多分布在西北和東南部的盆地邊緣，沙漠邊緣及戈壁區(qū)，北部地區(qū)較小。

（3）年極端高溫與年平均氣溫呈正相關(guān)關(guān)系。年、季極端高溫日數(shù)均與年平均氣溫相關(guān)性顯著。

西北干旱區(qū)氣候變化具有一定的復雜性，僅從短期內(nèi)很難準確揭示其變化過程及趨勢，且難以定論區(qū)域氣候轉(zhuǎn)型還是波動變化，本文得出了一些有意義的結(jié)論，但在許多方面還存在不足，未來可進一步揭示歷史百年尺度氣候變化規(guī)律，加強不同時空尺度氣候系統(tǒng)演變及其相互作用規(guī)律的研究。