黃淮海地區(qū)1961-2015年極端氣溫及其初終日序的變化特征

管 玥, 何奇瑾, 劉佳鴻, 李若晨, 胡 琦, 黃彬香, 潘學(xué)標

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193)

IPCC第5次評估報告預(yù)計21世紀將持續(xù)變暖，極端氣候事件的發(fā)生頻率、持續(xù)時間和范圍將增加[1]。極端氣候、極端天氣作為氣候變化的重要方面，其演變特征引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[2-4]。氣候極值作為極端氣候事件發(fā)生的必要條件，對分析極端氣候現(xiàn)象具有重要的指示作用，氣溫最能反映一個地區(qū)的氣候環(huán)境特征，作為全球氣候變化區(qū)域響應(yīng)與互饋作用研究的關(guān)鍵天氣氣候要素，它是氣候變化和極端天氣氣候事件研究最重要的指標之一[5]。氣候變化背景下近50 a全球70%的地區(qū)冷夜明顯減少，暖夜明顯增加[6]，體現(xiàn)在亞洲太平洋地區(qū)[7]、東南亞及南太平洋地區(qū)[8]、中國[9]、俄羅斯[10]、加拿大等[11]，國內(nèi)學(xué)者從不同區(qū)域尺度上對中國的極端氣溫演變特征進行研究，包括長江流域[12]、淮河流域[13]、西北[14]、華南[15]、華北等[16]多個地區(qū)，前人研究表明極端低溫有明顯升高趨勢，而極端高溫由于受地理位置、地形、城市化程度等因素影響有不同的變化特征。雖然對極端氣溫的研究已成果頗豐，但以往研究大多以分析極端氣溫的變化趨勢為主，對極端氣溫的發(fā)生日序少有研究，對極端氣溫發(fā)生最早、最遲日期的趨勢分析也有重要意義。黃淮海地區(qū)是中國典型的氣候脆弱區(qū)，也是全國政治、經(jīng)濟、文化中心所在地，在國家經(jīng)濟發(fā)展格局中具有十分重要的戰(zhàn)略地位。本文通過百分位閾值法計算極端氣溫，由于儒歷便于對日序進行統(tǒng)計分析，采用儒歷定義日期，即每年的1月1日日序為1、1月2日日序為2，對氣候變化背景下1961—2015年黃淮海地區(qū)極端氣溫及極端氣溫初終日序的時空變化特征進行分析，以期對當前中國防災(zāi)減災(zāi)政策制定、科學(xué)應(yīng)對氣候變化提供參考。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)域和數(shù)據(jù)來源

參考行政區(qū)劃，將北京市、天津市、河北省、河南省和山東省5個省(市)作為研究區(qū)域，地理位置為31°—43°N,110°—123°E。選取研究區(qū)域內(nèi)資料完整且分布均勻的氣象站點，共收集了51個站點1961—2015年的逐日氣象數(shù)據(jù)(圖1)，以日最高氣溫和日最低氣溫為主要研究對象，數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。

圖1 研究區(qū)域氣象站點分布

1.2 研究方法

1.2.1 極端氣溫計算方法 極端值通常用百分位閾值描述，該方法數(shù)學(xué)意義明確，可以反映出變量的發(fā)生概率，同時其數(shù)學(xué)意義不受數(shù)據(jù)量大小的影響，而且百分位閾值與變量的概率密度間有很好的對應(yīng)關(guān)系[17]。具體方法如下[18]:

選定氣象要素按大小升序排列，得到X1,X2,…,Xj,…，Xn，某個值小于或等于Xj的概率

(1)

式中:j為氣象要素按照升序排列后的序號;n為氣象要素的個數(shù);p為對應(yīng)的百分位值。例如求年氣象要素的95%極端值,則n=365,p=0.95,通過式(1)可算出j=347.42,則95%氣候極值為j=347和j=348所對應(yīng)的氣象要素的線性插值。

本文以日最高氣溫、日最低氣溫為研究對象，以每一年日最高氣溫的95%極端值代表極端高溫、日最低氣溫的5%極端值代表極端低溫，將日最高氣溫高于當年極端高溫的第一天定義為極端高溫發(fā)生初日，最后一天定義為發(fā)生終日。將日最低氣溫低于當年極端低溫的第一天定義為極端低溫發(fā)生初日，最后一天定義為發(fā)生終日。

1.2.2 氣候傾向率 氣候傾向率用來描述氣候變化的趨勢，以一元線性回歸斜率的10倍值來表示。用X表示樣本量為n的某一氣候要素，用t表示對應(yīng)的年序，采用最小二乘法擬合得到一元線性回歸方程，即

x=a+bt(t=1,2,3，…,n)

(2)

式中:b為回歸系數(shù);a和b用最小二乘法進行估計。以b的10倍作為氣象要素的氣候傾向率;b值為正表明該氣象要素有增加的趨勢,為負表明該氣象要素有減少的趨勢,單位為/10 a,用F檢驗判斷b值是否達到顯著性水平[19]。

1.2.3 M-K突變檢驗 Mann-Kendall檢驗法是WMO(世界氣象組織)推薦的用于提取序列變化趨勢和突變的有效工具，是一種非參數(shù)檢驗方法，優(yōu)點在于不受異常值的干擾，能客觀反映時間序列趨勢，目前已被廣泛用于氣候參數(shù)中，計算方法如下[20]:

對于具有n個樣本量的時間序列X，構(gòu)造一個秩序列:

(3)

(4)

秩序列Sk是第i時刻數(shù)值大于j時刻數(shù)值個數(shù)的累計數(shù)。在時間序列隨機獨立的假定下，定義統(tǒng)計量UFk

(5)

式中:UF1=0；E(Sk)，var(Sk)是累計數(shù)Sk的均值和方差,在X1,X2,…,Xn相互獨立,且有相同連續(xù)分布時,由下式算出:

(6)

(7)

UFi為標準正態(tài)分布，它是按時間序列X順序X1,X2,…,Xn計算出的統(tǒng)計量序列，給定顯著性水平α，查正態(tài)分布表，若|UFi|>Uα，則表明序列存在明顯的趨勢變化。

按時間序列X逆序Xn,Xn-1,…,X1，再重復(fù)上述過程，同時使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。

如果UFk>0則說明該時間序列表現(xiàn)為上升趨勢;如果UFk<0，則說明該時間序列表現(xiàn)為下降趨勢，當UFk超過了臨界直線時，說明時間序列的上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條正反序列曲線出現(xiàn)交叉點，且交叉點出現(xiàn)在臨界線之間，則該交叉點所對應(yīng)的時刻即可確認為是突變開始發(fā)生的時間。本文給定顯著性水平α=0.05，則臨界值U0.05=±1.96。

2 結(jié)果和分析

2.1 極端氣溫的時空變化特征

2.1.1 空間分布特征 黃淮海地區(qū)平均的極端高溫為32.6℃，極端低溫為-9.0℃(附圖1)，海拔較高的幾個站點(冀北豐寧、圍場、張北、張家口、蔚縣、山東泰山以及河南欒川)極端氣溫明顯偏低。極端低溫大致表現(xiàn)為緯向分布，而極端高溫大體呈現(xiàn)自東北向西南增加的趨勢，特別在沿海地區(qū)經(jīng)向分布十分明顯。表明極端低溫受緯度影響較大，而極端高溫受海陸位置影響更大。中部平原地區(qū)的極端高溫達到了34℃以上，最高值出現(xiàn)在南宮和許昌，為34.9℃。冀北由于屬相對高緯高海拔地區(qū)，極端高溫分別都在33℃以下，最低值為25.1℃(張北)。魯東沿海地區(qū)極端高溫在26.5～29.9℃，泰山站由于海拔高(1 522.7 m)，僅為22.1℃。冀北極端低溫變化范圍在-23.3～-13.3℃。京津、冀南以及魯西的變化范圍分別為-10.4～-6.1℃，濟南極端低溫明顯高于其他站點。山東沿海地區(qū)極端低溫略高于西部內(nèi)陸地區(qū)，極端低溫變化范圍在-4.3～-9.2℃。河南地區(qū)極端低溫最高且空間分布差異最小，平均值為-5.0℃，最低值為-7.3℃(盧氏)，最高值為-2.7℃(固始)。

2.1.2 年代際變化 將1961—2015年劃分為5個時段對極端氣溫求平均值，并且計算相鄰兩個年代的差值，用D1表示1961—1970年，D2表示1971—1980年，D3表示1981—1990年，D4表示1991—2000年，D5表示2000—2015年。

D1—D2時段，極端高溫在大部分站點有所下降，河南地區(qū)降低明顯，下降了0.9～1℃，冀南、魯西也有顯著降低趨勢，降幅在0.5～0.8℃，冀北和魯東地區(qū)下降幅度較小;全區(qū)極端低溫都有上升的趨勢，平均上升0.9℃，河北以及魯北上升明顯，其中秦皇島和張家口與D1年代相比上升了2.3℃。D2—D3時段，極端高溫呈現(xiàn)較小的波動變化，河南有持續(xù)下降的趨勢，極端高溫降幅0.3～1℃;大部分站點極端低溫持續(xù)升高，平均上升0.4℃，京津冀地區(qū)明顯上升，其中北京升幅最大，上升了1.6℃，少部分站點有所降低，平均下降了0.5℃。D1—D2時段同D2—D3時段的極端高溫和極端低溫表現(xiàn)出非對稱性變化，而D3—D4時段絕大多數(shù)站點極端低溫和極端高溫都一致性升高。D3—D4時段上升幅度有大有小，京津冀北部上升明顯，其中蔚縣增幅最大，為1.4℃，山東沿海地區(qū)上升幅度較小;極端低溫升幅北部大于南部，河北升高幅度較大，其中蔚縣升幅達到了3.4℃。D4—D5時段變化趨于變緩，大多數(shù)站點極端高溫有小幅度上升;極端低溫在河南、山東沿海地區(qū)略有升高的趨勢，在京津冀地區(qū)有所下降。

2.1.3 趨勢性分析 極端高溫呈現(xiàn)出高—低—高的變化趨勢且年際間波動較大(圖2A),60—80年代，極端高溫呈現(xiàn)出波動下降的趨勢，且下降幅度大，1961—1980年的極端高溫下降趨勢達到了-0.68℃/10 a,80年代以后開始波動上升，1996年以后變化趨勢不明顯，呈現(xiàn)出波動的狀態(tài)。氣候傾向率整體呈現(xiàn)由中南部向東向北逐漸遞增的空間分布特征，冀北以及山東沿海地區(qū)極端高溫顯著上升，表明北部及山東沿海地區(qū)面臨的高溫風(fēng)險有增加趨勢，上升范圍為0.14～0.33℃/10 a。河南、魯西和冀南的極端高溫呈現(xiàn)降低趨勢，4個站點顯著下降，趨勢小于0.15℃/10 a。黃淮海地區(qū)極端低溫1987年以前低于平均值，而1987年以后高于平均值，其中1969—1989年持續(xù)上升且上升速度快，1989年與1969年相比上升了5.8℃,1990年以后變化不明顯(圖2B),M-K突變分析表明突變年份為1984年(圖3)。絕大多數(shù)站點氣候傾向率為正且達到了顯著性水平，且呈現(xiàn)出河北西部較高，逐漸向東北東南減小的分布特征，其中京津冀地區(qū)升高幅度最大，氣候傾向率均在0.6℃/10 a以上，遵化、邢臺、蔚縣、樂亭超過了1℃/10 a，最大值為蔚縣的1.3℃/10 a，1.44℃/10 a，山東地區(qū)和河南北部氣候傾向率大部分在0.46～0.6℃/10 a，河南大部分地區(qū)的范圍為0.2～0.5℃/10 a(附圖2)，極端低溫的顯著上升對氣候變化背景下平均溫度的升高有正向響應(yīng)。

圖2 黃淮海地區(qū)1961-2015年極端氣溫距平值

圖3 黃淮海地區(qū)1961-2015年極端氣溫M-K突變檢驗

2.2 極端氣溫初終日序的時空變化特征

2.2.1 空間分布特征 黃淮海地區(qū)大多數(shù)站點極端高溫發(fā)生初日在5月21—6月21日，西部早于東部;發(fā)生終日主要在8月上旬—8月下旬，分布特征為由河北南部向四周逐漸推遲。大多數(shù)站點極端低溫初日發(fā)生在12月10日—12月20日，京津冀平原地區(qū)及山東北部發(fā)生較晚，12月14日以后才發(fā)生;大部分站點5%極端氣溫于2月10日—2月20日結(jié)束，山東沿海地區(qū)極端低溫結(jié)束較晚，而京津冀平原地區(qū)結(jié)束早。山東沿海地區(qū)極端低溫發(fā)生晚且結(jié)束晚，證明了沿海地區(qū)相對于內(nèi)陸地區(qū)氣溫變化的延遲性，京津冀平原地區(qū)極端低溫發(fā)生晚且結(jié)束早，與該地區(qū)多年來極端低溫顯著上升有一定關(guān)系。

2.2.2 趨勢性分析 極端氣溫發(fā)生初終日序年際間波動性較大(圖4),M-K突變分析也表明其變化不穩(wěn)定。多數(shù)站點極端高溫發(fā)生初日氣候傾向率小于0，極端高溫發(fā)生初日整體呈現(xiàn)提前的趨勢，傾向率最小值為-3.4 d/10 a(日照)，達到顯著性水平的站點主要位于黃淮海南部。只有冀北和魯西極端高溫發(fā)生初日有推遲，其中朝陽、惠民縣極端高溫發(fā)生初日顯著推遲，傾向率小于2 d/10 a(附圖3)。極端高溫發(fā)生終日均推遲，越往北氣候傾向率越大，最大為3.5 d/10 a(南宮)，黃淮海北部5個站點極端高溫顯著推遲。極端高溫發(fā)生初日的提前和初日的推遲表明極端高溫發(fā)生更早，持續(xù)時段正在延長。黃淮海地區(qū)極端低溫初日均有提前，提前幅度最大為青龍，傾向率達到了3.0 d/10 a。極端低溫終日變化趨勢有明顯的區(qū)域特征，表現(xiàn)為京津冀地區(qū)顯著提前，傾向率1.7～2.7 d/10 a，而在河南、山東呈推遲特征，但推遲并不顯著。整體來看極端低溫有提前發(fā)生、提前結(jié)束的特征。

圖4 黃淮海地區(qū)1961-2015年極端氣溫初終日距平值

3 結(jié)論和討論

(1) 黃淮海地區(qū)的平均極端高溫為32.6℃，極端低溫為-9.0℃。極端低溫呈緯向分布，極端高溫更偏向于經(jīng)向分布，表明極端高溫受海陸位置影響較大。(2) 黃淮海地區(qū)極端高溫有上升趨勢但不顯著，年代際變化表明極端高溫呈現(xiàn)出高—低—高的變化趨勢，D3時段是一個變化節(jié)點，D1—D2時段同D2—D3時段的極端高溫和極端低溫表現(xiàn)出非對稱性變化，而D3—D4時段絕大多數(shù)站點極端低溫和極端高溫都一致性升高，D4—D5時段變化趨于變緩。柏會子基于ETCCDI(氣候變化與監(jiān)測指數(shù)專家團隊)定義的8個極端溫度對華北地區(qū)極端氣候事件進行研究，發(fā)現(xiàn)極端高溫事件的指數(shù)均呈上升趨勢[21]。60年代是一個高溫年代，由于華北地區(qū)易受大陸高壓脊的控制，衛(wèi)捷等認為60年代的高溫與夏季亞洲中高緯500 hPa高度場在烏拉爾山、貝加爾湖及鄂霍茨克海地區(qū)分別出現(xiàn)長波槽、脊及槽的環(huán)流有關(guān)，且90年代夏季亞洲中高緯地區(qū)再次出現(xiàn)類似環(huán)流，又呈現(xiàn)出升溫的趨勢[22]，本文結(jié)果也印證了這一趨勢。極端低溫在1961—2015年呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢，這與全國大部分地區(qū)變化基本一致[23-26]，且有學(xué)者認為極端最低氣溫的顯著升高是造成近幾十年平均氣溫升高、日較差減小的主要原因[27]。其中京津冀地區(qū)升高幅度最大，大部分站點極端高溫氣候傾向率達到了0.6℃/10 a以上，周雅清等認為城市化對華北地區(qū)極端低溫相關(guān)指數(shù)的貢獻率在50%以上[28]。D5時段極端高溫、極端低溫變化趨勢均變緩，響應(yīng)了1998—2012年全球變暖停滯現(xiàn)象[29]，且極端低溫的變化幅度和趨勢明顯高于極端高溫，反映了氣溫的非對稱性變化[12]。極端氣溫的形成和演變具有復(fù)雜性，除了海拔、地形、城市化程度等，大氣環(huán)流異常是影響極端氣候事件的時空演變的重要因子，有學(xué)者分析得出副熱帶高壓、南極濤動和北極濤動是影響中國大陸東部極端氣溫事件的重要因素[5]，且北極濤動的持續(xù)增強可能是東亞北部地區(qū)冬季增暖的重要原因之一[30]。此外，氣候變化背景下地表覆蓋的改變、溫室氣體的排放、風(fēng)速場的變化等是否與極端氣溫有關(guān)還有待更深一步的探索。

(3) 黃淮海地區(qū)大多數(shù)站點極端高溫發(fā)生初日在5—6月，終日在8月下旬—9月上旬。極端高溫發(fā)生初日整體呈現(xiàn)提前的趨勢，未來需要更早做好防范高溫的準備。全區(qū)極端高溫發(fā)生終日均推遲，黃淮海北部地區(qū)推遲明顯，越往北氣候傾向率越大，推遲幅度最大達到了3.5 d/10 a(南宮)。極端高溫發(fā)生初日的提前和初日的推遲表明氣候變化背景下黃淮海地區(qū)極端高溫可能發(fā)生更早，且持續(xù)時段正在延長。極端低溫最早發(fā)生在11月下旬—12月上旬，終日在2月中旬—3月上旬。京津冀平原地區(qū)極端低溫發(fā)生晚且結(jié)束早，與該地區(qū)多年來極端低溫顯著上升有一定關(guān)系。整體來看極端低溫有提前發(fā)生、提前結(jié)束的特征，表明黃淮海地區(qū)將出現(xiàn)秋季降溫和春季升溫提前趨勢，將對冬小麥和夏玉米生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。