1955-2017年陜西省極端氣溫事件時空變化特征

安 彬, 張淑蘭, 肖薇薇, 孫 虎

(1.秦巴國土資源利用與環境保護協同創新中心, 陜西 安康 725000;2.安康市漢江水資源保護與利用工程技術研究中心, 陜西 安康 725000;3.陜西省科協院士專家工作站, 陜西 安康 725000; 4.陜西師范大學 地理科學與旅游學院, 西安 710119)

IPCC第5次評估報告指出，自1880年以來全球呈顯著變暖態勢，地表平均氣溫上升了0.85℃[1]；預計到21世紀末全球海陸表面平均氣溫將持續升高1.1～6.4℃[2]。1951—2017年，中國地表平均氣溫升溫率高于同期全球平均水平，達到0.24℃/10 a[3]。全球變暖背景下，極端氣候事件可能會導致旱澇等氣象災害頻發，致使人類的生產生活經濟損失風險加劇，還會給生態系統帶來深刻影響[4]。這些問題及影響已經引起了公眾的廣泛關注，國內外眾多學者已從不同角度對此展開了研究[5-7]；其中，利用氣候變化監測與指數專家組(Expert Team on Climate Change Detection and Indices，ETCCDI)推薦的極端氣溫指數受到廣泛應用。Alexander[6]和Donat[8]等研究均發現，1950年以來全球均霜凍和冷夜日數呈減少、暖夜顯著增加趨勢。對中國整個區域極端氣溫事件的分析表明，冰凍、霜凍、冷晝和冷夜日數均呈顯著減少趨勢，暖晝和暖夜日數顯著增多趨勢，且存在區域差異[9]；黃小燕等[10]對中國沿海的極端氣溫事件進行分析，亦發現類似規律，但各指數變化程度不一。大量不同時空尺度的極端氣溫事件研究[11-13]，進一步揭示了中國各地區的極端氣溫事件規律。

陜西省深居西北內陸，處于我國夏季風邊緣區。境內下墊面復雜多變，氣候類型多樣，是全球氣候變化響應敏感地區之一，也是極端氣候事件頻發地區之一。從730 B.C.—2010 A.D.近2700多年間，陜西省發生寒凍災害251次，平均每9.74 a發生一次[14]；而其夏季高溫發生頻率、高溫日數呈增多趨勢[15]。因此，分析陜西省極端氣溫事件變化規律，為積極應對氣象災害提供依據。張寧[16]研究了1961—2010年陜西省極端氣候變化事件，主要側重于研究極端高溫、低溫指數和極端降水。此外，涉及陜西榆林[17]、安康[18]、西安[19]及陜北[20]等區域的極端氣溫事件也有所研究，但研究區域主要集中于陜西部分區域，且研究指標較少。通過以上可以發現，對陜西整體的長時間序列極端氣溫事件的研究相對缺乏。因此，在前人工作基礎上，本文選擇陜西省20個氣象站的逐日氣溫資料，借助線性擬合、Mann-Kendall突變檢驗、累積距平、相關分析等方法，對1955—2017年陜西省極端氣溫事件時空變化特征進行研究，為全面認識該區極端氣溫事件提供科學依據。

1 研究資料與方法

1.1 數據來源

遵循連續性和完整性、最長時間序列原則，從中國氣象數據網(http:∥data.cma.cn/)獲取了陜西省20個氣象站逐日最高和最低氣溫數據，時段為1955年1月1日—2017年12月31日，具體站點位置見圖1。對獲取的氣溫資料均經臺站氣溫極值、氣候界限值等質量控制，并利用RClimDex軟件[21]對數據進行進一步質量檢查，包括日最低氣溫是否低于最高氣溫、錯誤值與異常值篩選等，以保證結果的可信度。對于缺失數據的站點，選取其周邊時間段完整的站點，采用線性回歸模型修正的方法進行插補。

1.2 研究方法

本文采用ETCCDI推薦的10種極端氣溫指數(表1)，分為極值指數、絕對指數和相對指數，所有極端氣溫指數均在R語言環境下RClimDex(1.0)軟件計算[21]。采用線性擬合法分析極端氣溫指數的變化趨勢，結合M-K突變和累積距平曲線進行突變性檢驗，利用SPSS 22.0軟件進行極端氣溫指數的主成分及相關分析。

2 結果與分析

2.1 極端氣溫指數時間變化特征

2.1.1 極值指數時間變化 由圖2可知，1955—2017年期間，陜西省極端最高氣溫(TXx)和極端最低氣溫(TNn)均呈上升趨勢，其氣候傾向率分別為0.17，0.19℃/10 a；其中極端最高氣溫的上升趨勢通過0.05顯著性檢驗，表明極端最高氣溫升溫顯著，而極端最低氣溫的上升趨勢不顯著。極端最高氣溫最小值出現在1983年(33.48℃)，最大值出現在2017年(38.50℃)；極端最低氣溫最小值出現在1955年(-19.27℃)，最大值出現在2017年(-11.48℃)，可以看出，近63 a陜西省氣溫總體呈增暖趨勢，與尹紅等[22]認為2017年中國TXx和TNn處于1961年以來的第2位觀點幾乎一致。從累積距平看，TXx在1993年之前為下降趨勢，之后轉為上升趨勢，呈V型曲線變化；TNn在1977年之前為下降趨勢，之后轉為上升趨勢，且1977—2000年上升幅度大。

2.1.2 絕對指數時間變化 從時間看，1955—2017年陜西省極端氣溫絕對指數均表現顯著變化趨勢(p<0.01)，夏日日數(SU25)呈顯著上升趨勢，其速率為2.21 d/10 a(圖3)，與中國大陸1956—2008年(2.10 d/10 a)增加速率相當[9]；熱夜日數(TR20)以1.12 d/10 a速率呈顯著上升趨勢，低于中國(2.00 d/10 a)增加速率[9]。霜凍(FD0)、冰凍日數(ID0)均表現出極明顯的下降趨勢，其速率分別為-2.55，-1.43 d/10 a，均低于中國霜凍日數(-3.00 d/10 a)和冰凍日數(-1.80 d/10 a)下降速率[9]。可見近63 a陜西省SU25上升趨勢快于TR20，FD0下降趨勢快于ID0。從累積距平看，ID0呈雙峰型曲線，SU25和TR20呈V型曲線，FD0則呈倒V曲線變化。SU25，TR20均在1993年之前為下降趨勢，之后轉為上升趨勢，與TXx變化年份一致；FD0在1996年之前為上升趨勢，之后變為下降趨勢；ID0在80年代中后期以前為上升趨勢，之后變為下降趨勢。

圖1 陜西省氣象站空間位置分布

表1 極端氣溫指數類型及其概念界定

2.1.3 相對指數時間變化 由圖4可以看出，1955—2017年陜西省極端氣溫相對指數與絕對指數的變化特征相似，具體看，暖晝日數(TX90)和暖夜日數(TN90)的上升速率分別為1.58，2.05 d/10 a，均高于全球暖晝(0.80 d/10 a)和暖夜日數(1.17 d/10 a)上升速率[8]；冷晝日數(TX10)和冷夜日數(TN10)的下降速率分別為1.34，1.85 d/10 a，高于全球冷晝(0.67 d/10 a)和冷夜日數(1.09 d/10 a)的下降幅度[8]。進一步分析發現，近63 a陜西省夜指數(TN90，TN10)增加速率高于晝指數(TX90，TX10)。從累積距平看，極端氣溫相對指數的累積距平曲線均呈拋物線型變化，且均在1993年發生轉折，TX10和TN10在1993年前為上升，而后轉為下降；TX90和TN90情況與之相反(圖4)。

綜上所述，1955—2017年陜西省極端氣溫暖指數(TXx，SU25，TR20，TX90和TN90)均呈顯著上升趨勢(p<0.05)，除了TNn呈不顯著的上升趨勢，其余極端氣溫冷指數(FD0，ID0，TX10和TN10)均呈極顯著下降趨勢(p<0.001)，這些指數的變化趨勢都指示出近63 a來陜西省氣溫呈上升趨勢，驗證了董思等[23]對陜西省氣溫呈增加趨勢(1955—2013年)的結論，也表明了陜西省變暖趨勢響應了全球氣候變暖大背景。

圖2 1955-2017年陜西省極端氣溫極值指數時間變化

圖3 1955-2017年陜西省極端氣溫絕對指數時間變化

2.2 極端氣溫指數的突變特征

為進一步研究1955—2017年陜西省極端氣溫的時間變化特征，綜合運用M-K和累積距平曲線對10項極端氣溫指數進行突變分析，結果見表2。近63 a年陜西省多數極端氣溫指數發生了突變，突變年份集中在20世紀90年代中后期—21世紀初。其中，SU25，TR20，TX90和TN90等暖指數經歷了由少到多的上升突變，FD0，ID0和TX10等冷指數經歷了由多到少的下降突變，而TXx，TNn和TN10未發生突變。具體來看，SU25在1997年發生突變，突變后較突變前增加10.83 d；TR20在2000年發生突變，突變后較突變前增加5.72 d；FD0和ID0均在1994年發生突變，分別由突變前的105.21，19.71 d降為突變后的95.51，14.48 d；暖晝日數突變點為1996年，突變后較突變前分別增加了7.89 d；暖夜日數在1987年突變，由突變前的12.31 d上升至突變后的19.66 d；冷晝日數在2011年發生突變，突變后較突變前分別減少10.52 d。

2.3 極端氣溫指數的空間變化特征

2.3.1 極值指數的空間變化 由圖5可知，1955—2017年陜西省極端最高氣溫(TXx)、極端最低氣溫(TNn)整體表現為上升趨勢，其傾向率變化分別介于-0.07～0.89℃/10 a，-0.22～0.63℃/10 a，分別有25%，40%站點通過顯著性水平(p<0.05)檢驗。TXx上升趨勢最顯著的為定邊站，TNn增加趨勢最顯著的為銅川站。作為區域高溫重要指標TXx，陜西省共有18個站點的TXx呈上升趨勢，這使得該區域高溫熱浪風險增大。

圖4 1955-2017年陜西省極端氣溫相對指數時間變化

表2 1955-2017年陜西省極端氣溫指數突變特征

圖5 1955-2017年陜西省極端氣溫極值指數傾向率空間分布

2.3.2 絕對指數空間變化 近63 a陜西省絕對指數趨勢變化空間分布如圖6所示，所有站點的夏日日數(SU25)和95%站點的熱夜日數(TR20)呈上升趨勢，其傾向率變化分別為0.25～9.14，-0.80～3.88 d/10 a，其中通過顯著性水平(p<0.05)檢驗的站點比例分別為75%，60%。SU25以鎮安站上升趨勢最為顯著，TR20以佛坪站上升趨勢最為顯著。所有站點的霜凍日數(FD0)和冰凍日數(ID0)均呈一致下降趨勢，其傾向率變化分別為-6.55～-1.22 d/10 a，-3.27～0.08 d/10 a，85%站點的FD0，80%站點的ID0通過顯著性水平(p<0.05)檢驗。FD0和ID0分別以定邊站和長武站下降趨勢最為顯著。此外，SU25上升幅度高于TR20的氣象站占全部站點的75%，FD0下降幅度高于ID0的占全部站點的85%，驗證了陜西省氣溫變化的晝夜不對稱性。

圖6 1955-2017年陜西省極端氣溫絕對指數傾向率空間分布

2.3.3 相對指數空間變化 由圖7可知，近63 a陜西省暖晝日數(TX90)和暖夜日數(TN90)均表現為一致的增加趨勢，其傾向率變化分別為0.32～5.53，0.25～5.19 d/10 a，其中75%氣象站點的TX90，90%站點的TN90增加趨勢顯著(p<0.05)。TX90上升幅度最大的出現在鎮安站，TN90上升幅度最大的出現在銅川站。95%氣象站點的冷晝日數(TX10)和冷熱日數(TN10)表現為減少趨勢，其傾向率變化分別為-4.43～0.07，-3.31～0.08 d/10 a，其中80%氣象站點的TX10，85%站點的TN10減少趨勢顯著(p<0.05)。TX10和TN10下降幅度最大的分別出現在鎮安站和延安站。進一步統計發現，TX90傾向率變化低于TN90的站點占全部站點的65%，TX10傾向率變化低于TN10的站點占全部站點的20%，表明近63 a陜西省暖夜日數上升趨勢快于暖晝，冷晝日數下降趨勢快于冷夜，存在晝夜指數變化的不對稱性。

圖7 1955-2017年陜西省極端氣溫相對指數傾向率空間分布

2.4 極端氣溫指數的主成分分析

運用主成分分析得到1957—2017年陜西省極端氣溫指數的主成分，KMO指數為0.63，Bartlett球形檢驗顯著，3個主成分特征值均大于1，分別占方差貢獻率的50.15%，13.01%，11.59%，累積方差貢獻率達到74.75%，符合分析要求(表3)。第1主成分在TXx，SU25，TR20，TX90和TN90的載荷均高于0.64，主要反映了極端氣溫暖指數變化特征，與全球氣候變暖背景吻合。相關性分析(表4)表明，各項極端氣溫暖指數之間均呈正相關，且相關性顯著(p<0.01)，與FD0，ID0，TN90和TX10均呈顯著負相關(p<0.05)。第2主成分在FD0，ID0，TN90和TX10的載荷較高，均在0.62以上，主要反映了極端氣溫冷指數變化特征，且這4項指數間均呈顯著正相關(p<0.01)。TNn在第3主成分中的載荷高達0.89，反映了極端最低氣溫變化特征，與ID0的相關系數為-0.35，且通過0.01顯著檢驗。進一步由表4可知，除與TNn相關性不顯著外，TXx與SU25等指數均呈顯著相關，而TNn僅與ID0呈顯著負相關，表明近63 a陜西省氣溫的增加主要受到最高氣溫變化的影響，日最高溫的升高對各指數變化的影響程度更為明顯。

表3 陜西省極端氣溫指數主成分分析

表4 陜西省極端氣溫指數相關系數矩陣

3 討論與結論

3.1 討 論

1955—2017年期間，陜西省極端氣溫的極值指數及表征暖指數均呈上升趨勢，冷指數均呈下降趨勢，說明陜西省氣溫變化響應了全球氣候變暖背景。其研究結果與陜西省各地區研究基本一致[17-20]，但各指數變化傾向率略有差異。以冷晝和冷夜指數為例，本研究分別以-1.34 d/10 a和-1.85 d/10 a的速率下降(1955—2017年)，均低于張寧[16]的研究結果-2.82 d/10 a和-4.05 d/10 a(1961—2010年)，其原因與研究時段不同有關。研究時段內，陜西省白晝增溫幅度低于夜間增溫幅度，存在氣溫變化的晝夜不對稱性現象，表明該地區各極端氣溫指數的變化受日最高溫影響更為明顯。在極端氣溫指數突變方面，陜西省多數極端氣溫指數突變集中在20世紀90年代中后期—21世紀初，與貴州省突變的時期一致[11]，早于內蒙古自治區突變時期[12]。以上陜西省極端氣溫變化特征與其境內跨中溫帶、暖溫帶及北亞熱帶季風氣候，南北氣候差異大有關。此外，本文所采用陜西省20個氣象站點的逐日最高和最低溫數據均已經過嚴格質量檢驗，但存在站點少，且未考慮氣象站遷址、土地覆被變化等因素所帶來的氣溫影響，進而影響到極端氣溫指數的變化特征。因此，未來的研究應該還需收集更多氣溫數據，同時注重氣溫均一化等處理方法，才能更全面了解陜西省極端氣溫事件的時空變化特征。

3.2 結 論

(1) 1955—2017年陜西省極端氣溫指數中，TXx，TNn，SU25，TR20，TX90和TN90分別以0.17℃/10 a，0.19℃/10 a，2.21 d/10 a，1.12 d/10 a，1.58 d/10 a，2.05 d/10 a傾向率上升，FD0，ID0，TX10和TN10分別以-2.55 d/10 a，-1.43 d/10 a，-1.34 d/10 a，-1.85 d/10 a傾向率下降。

(2) 陜西省多數極端氣溫指數在20世紀90年代中后期—21世紀初發生了突變，SU25，TR20，TX90和TN90經歷了由少到多的上升突變，FD0，ID0和TX10經歷了由多到少的下降突變。

(3) 空間尺度上，多數站點TXx，TNn，TR20和所有站點SU25，TX90，TN90，的傾向率呈上升趨勢，多數站點TX10，TN10和所有站點FD0，ID0的傾向率呈下降趨勢；鎮安、定邊和銅川站的各指數傾向率變幅最為明顯。

(4) 1955—2017年陜西省存在氣溫變化的晝夜不對稱性，極端氣溫事件主要受日最高、最低溫升高的影響，而日最高溫的上升對各指數影響更為明顯。