1980—2019年新鄉市極端氣溫時空變化特征

于海敬，葛非凡，王金蘭，馬月枝，王 強

(1.新鄉市氣象局，河南新鄉 453000；2. 桐鄉市氣象局，浙江桐鄉 314500；3.黃陵縣氣象局，陜西黃陵 727300)

近年來，全球氣候變暖已成為地球氣候系統變化的主要特征[1]，極端氣候事件發生的頻率和強度均在迅速增加，嚴重影響社會和人類生存環境的可持續發展[2-3]，其中極端氣候事件中極端氣溫指數的變化趨勢特征已成為國內外氣象學者研究的熱點。1880—2012年全球海陸表面平均氣溫上升了0.85 ℃[4]，陸地上冷夜和冷晝日數呈減少趨勢，而暖夜和暖晝發生的日數卻更加頻繁[4-6]。

國內外相關領域學者通過研究不同地區極端氣溫的變化特征，結果顯示全球極端氣溫呈低溫事件減少、高溫事件增加的趨勢[7]。我國內蒙古大興安嶺林區極端最低氣溫日數呈減少趨勢，極端最高氣溫日數在20世紀80年代中期后呈上升趨勢[8]。江淮流域的極端最高氣溫、極端最低氣溫和夏日指數在1979—2011年均呈上升趨勢，高溫日數也呈上升趨勢[9]。麗江的冷指數呈下降趨勢，且極端高溫事件的概率在不斷增大[10]。貴州省1960—2016年冷指數呈下降趨勢，暖指數呈上升趨勢，其中在19世紀末到20世紀初多數極端氣溫指數均發生突變[11]。經研究發現我國極端氣溫事件在不同地方存在一定差異[12]，各地極端氣溫事件的分布和變化也存在地域差異[13]，且在已有的極端氣溫事件研究中大都為研究某個區域或者中國全區，而對小尺度范圍的研究較少[14]。新鄉市位于河南省北部，南鄰黃河流域，西鄰太行山脈，地理位置優越，是中原城市群和經濟區的重要城市，市場潛力大，糧食優勢突出[15]，又因河南省極端氣溫事件的變化趨勢存在明顯的地區差異[16]，故深入研究新鄉市極端氣溫變化特征具有實際的應用價值，能夠為風險調控和氣候變化的研究提供理論依據。

1 數據與方法

1.1 數據來源

采用1980—2019年新鄉市8個國家氣象站點的逐日最高和最低氣溫(單位：℃)數據，該數據來源于新鄉市氣象局數據庫，所采用的數據均通過嚴格的質量控制，數據無缺失，且連續性、代表性強。

1.2 研究方法

對世界氣象組織(WMO)發布常用的10種極端天氣指數進行統計分析，并將其分為3類：極值指數，相對指數和絕對指數[1]。對極端氣溫指標的定義采用百分位閾值法，因要求氣候參考期在30年內需至少選用20年的有效數據[9]，本文選取40年數據作為基期，基期是通過8個站點40年的每年同一日平均最高(最低)氣溫按升序排列進行確定，選取第90%的值作為該日的上閾值，第10%的值作為該日的下閾值，將1980—2019年各站點每年的同一日最高(最低)氣溫與閾值進行比較[17-19]，得出各站點的指數值，其閾值的定義見表1[1]。

表1 極端氣溫指數的定義

采用線性傾向率方法，分析新鄉市極端氣溫指數的年際變化趨勢特征；采用空間插值方法，分析極端氣溫指數的空間變化趨勢特征和指數的空間分布特征；采用Morlet復數小波方法，分析極端氣溫指數的周期變化特征；采用M-K突變檢驗方法，分析極端氣溫指數的突變年，以及突變后氣溫指數的變化趨勢。

2 結果與分析

2.1 極端氣溫指數年際變化趨勢

采用1980—2019年新鄉市極端氣溫指數8個站點的日均值，來分析新鄉市極端氣溫指數年際變化的線性傾向率。通過分析可知，各極端氣溫指數的線性傾向率差值較大，極值指數中，極端最低氣溫和極端最高氣溫均呈上升趨勢(線性傾向率分別為0.47 ℃/10 a和0.27 ℃/10 a)，表明該地區的總體氣溫升高，極端最高氣溫的上升表明該地區氣溫趨于暖化，且極端最低氣溫的變化幅度大于極端最高氣溫。相對指數中，冷夜和冷日呈下降趨勢(線性傾向率分別為-12.67 d/10 a和-3.71 d/10 a)，暖夜和暖日呈上升趨勢(線性傾向率分別為10.31 d/10 a和2.68 d/10 a)，其中暖夜和冷夜通過了0.01的顯著性檢驗；冷夜的變化幅度最大，暖日的變化幅度最小。相對指數的變化趨勢表明該地區的低溫日數呈減少趨勢。絕對指數中，夏日和熱夜呈上升趨勢(線性傾向率分別為2.65 d/10 a、5.12 d/10 a)，而冰日和霜日呈下降趨勢(線性傾向率分別為-0.04 d/10 a、-6.72 d/10 a)，其中熱夜和霜日通過了0.01的顯著性檢驗；霜日的變化幅度最大，冰日的變化幅度最小。總之，極端氣溫指數的變化較明顯，發生極端天氣現象的概率增大。

2.2 極端氣溫指數周期性分析

為更好地研究新鄉市極端氣溫各指數的時域和頻域局部性質，采用Morlet復數小波分析新鄉市極端氣溫指數的周期變化，并進行紅噪聲檢驗。因暖夜不存在周期性，故對其不進行分析。圖1為存在全域性周期的2種極端氣溫指數(夏日和冰日)在時間序列上的周期變化特征及小波方差圖(極端氣溫指數非全域性周期變化圖略)。

圖1 1980—2019年新鄉市極端氣溫指數周期變化(a，粗實線為通過紅噪聲檢驗區)及小波方差線(b，虛線表示紅噪聲檢驗顯著)

極端最低氣溫在1984—1998年和2005—2019年存在2 a左右的準周期，從小波方差圖可知該周期通過了紅噪聲檢驗，表明在該時段存在2 a左右的顯著周期。極端最高氣溫在1993—2001年和1980—2015年分別存在2 a和5 a的準周期，均通過了紅噪聲檢驗，其中5 a為主周期，2 a為第二顯著周期。

冷夜在1982—1996年存在4 a的準周期，且通過了紅噪聲檢驗，表明在該時段存在顯著周期。暖日在1987—2007年存在2 a的周期、在1996—2019年存在4 a的準周期，均通過紅噪聲檢驗，其中4 a為主周期，2 a為第二周期。冷日在1981—1989年和1991—2005年存在2 a的非全域性準周期，且通過紅噪聲檢驗，故在此期間存在2 a的顯著周期。

夏日在1980—2019年存在4 a的準周期且通過了紅噪聲檢驗，震蕩比較穩定，表明存在4 a的全域性周期；在2004—2019年還存在6 a左右的準周期，但未通過紅噪聲檢驗。冰日在不同時期存在2 a和8 a準周期，因1994—2004年存在8 a的準周期，但未通過紅噪聲檢驗，故冰日僅在1980—2019年存在2 a的全域性周期。熱夜在1983—1997年存在2 a左右的準周期，均通過了紅噪聲檢驗，故在此期間存在顯著周期。霜日在1986—2012年分別存在4 a左右的準周期，且通過了紅噪聲檢驗。通過分析可知，極端最高氣溫和暖日存在兩種顯著周期，變化相對較復雜。

2.3 極端氣溫指數突變分析

通過M-K突變檢驗方法對極端氣溫指數進行突變分析，研究各極端氣溫指數在不同時間序列中的變化特點，結果發現新鄉市有6種氣溫指數產生突變(圖略)。極端最低氣溫的突變年為1986年，之后增加趨勢不顯著。暖日的突變年為2013年，之后呈顯著增加趨勢。冷日的突變年為2015年，之后呈顯著減少趨勢。夏日的突變年為2004年，之后呈顯著增加趨勢。熱夜的突變年為1997年，之后呈顯著增加趨勢。霜日的突變年為1993年，之后呈顯著減少趨勢。由此可見，極端氣溫指數的突變主要發生在20世紀90年代和21世紀初期。

2.4 各氣溫指數之間的相關性

為研究各極端氣溫指數之間的相關性特點，采用SPSS中雙變量之間的相關性對其進行分析(表2)，得出暖夜與熱夜的正相關性最強，暖夜與霜日的負相關性最強。對于單個指數，冷日除極端最高氣溫外，與其他8種指數之間均呈顯著相關，說明冷日的變化對其他指數的影響最大。暖夜除極端最低氣溫、極端最高氣溫和冰日外，與其他6種指數之間均呈顯著相關。冷日和夏日與其他5種指數之間呈顯著相關，而極端最高氣溫與其他指數相關性不顯著，表明各極端氣溫指數之間的相關性差異較大。若知某種極端氣溫指數的變化特征，可通過采用各氣溫指數之間的相關性特點來推斷出其他指數的變化特征。

表2 新鄉各極端氣溫指數的相關性分析

2.5 極端氣溫指數空間分布

通過反距離加權法對各站點的極端氣溫指數進行空間插值分析，研究新鄉市極端氣溫指數的空間變化特征，結果見圖2。極端最低氣溫大致呈西部高于東部的特征，新鄉本站最高為-9.65 ℃，最低封丘為-11.49 ℃。極端最高氣溫呈西部高，東部次之，中部低的分布特征，最高獲嘉為38.58 ℃，新鄉本站最低為37.89 ℃。暖夜整體呈東西高、中部低的分布特征，低值區主要分布在延津、封丘和原陽，分別為39.38 d、42 d和42.60 d。冷夜呈中部高、東西低的分布特征，其中最高原陽為54.6 d。暖日呈由西向東降低的趨勢，獲嘉最高為53.38 d，延津最低為36.85 d。冷日呈東南向西北降低的分布特征，輝縣最低為26.70 d。夏日西部高于東部，總體呈東西向中部逐漸降低的趨勢，獲嘉最高為150.80 d，原陽最低為144 d。冰日呈東南向西北降低的趨勢，長垣最高為6.78 d，最低是輝縣和獲嘉均為4.63 d。熱夜呈東西高、中部低的分布特征，新鄉本站最高均為83.38 d，延津最低為73.88 d。霜日呈中部高、東西低的分布特征，延津最高為87 d，長垣最低為81.10 d。

圖2 1980—2019年新鄉市極端氣溫指數空間分布

通過分析極端指數的空間分布特征可知，各指數的空間變化差別較大，但也有指數的空間變化特征較為相似，其中極端最低氣溫、極端最高氣溫和夏日的西北部高，冷日和冰日的東部高。

2.6 極端氣溫指數變化趨勢空間分布

為進一步分析各站點極端氣溫指數在空間上的變化趨勢特征(圖略) ，采用線性傾向率對各站點的氣溫指數進行空間分析，結果可知，極端最低氣溫有上升和下降兩種變化趨勢，線性傾向率為-0.05～0.10 ℃/10 a，其中長垣的上升趨勢最強，輝縣、獲嘉、衛輝和長垣的變化趨勢通過了顯著性檢驗；極端最高氣溫中各站點均呈上升趨勢，線性傾向率變化趨勢為0.01～0.05 ℃/10 a，新鄉本站和衛輝的變化趨勢通過了顯著性檢驗，其中新鄉本站的上升趨勢最強。

暖夜和暖日呈上升趨勢，線性傾向率分別為0.61～2.29 d/10 a、0.47～1.01 d/10 a，其中暖夜上升趨勢較高，且暖夜各站點均通過了顯著性檢驗。冷夜和冷日呈下降趨勢，線性傾向率分別為-0.03～-1.83 d/10 a、-0.16～-0.47 d/10 a，其中冷夜除封丘和原陽外均通過了顯著性檢驗，冷日除獲嘉外均通過了顯著性檢驗。

夏日和熱夜呈上升趨勢，夏日的線性傾向率為0.13～0.43 d/10 a，除原陽外均通過了顯著性檢驗。熱夜的線性傾向率為0.24～0.90 d/10 a，除封丘和衛輝外均通過了顯著性檢驗。冰日呈上升和下降兩種變化趨勢，線性傾向率為-0.06～0.06 d/10 a，其中封丘和輝縣呈上升趨勢，其他站均呈下降趨勢，但均未通過顯著性檢驗。霜日各站點均呈下降趨勢，線性傾向率為-0.92～-0.21 d/10 a，除封丘外各站點均通過了顯著性檢驗。

3 結論與討論

(1)在時間尺度上，新鄉市有6種氣溫指數呈上升趨勢，4種氣溫指數呈下降趨勢。其中暖夜的升幅最大和冷夜的降幅最大，表明了該地區極端氣溫冷指數與暖指數均呈顯著的暖化趨勢；夏日和熱夜的上升、冰日和霜日的下降表明該地區夏季呈高溫日數增多、秋冬季呈結霜日數減少的趨勢。

(2)采用小波分析得出新鄉市除冷夜外其他9種極端氣溫指數均存在周期性。新鄉市有6種氣溫指數(極端最低氣溫、暖日、冷日、夏日、熱夜、霜日)產生突變，其中冷指數發生突變的時間早于暖指數，表明新鄉市天氣變暖是從低溫天氣減少開始的。通過分析各氣溫指數之間的相關性可知，不同氣溫指數之間的相關性差異較大。

(3)在空間分布上，極端最低氣溫呈西部高于東部的特征。極端最高氣溫呈西部高、東部次之、中部低的特征。暖夜和熱夜呈東西高、中部低的分布特征。冷夜和霜日均呈中部高、東西低的分布特征。暖日總體呈由西向東降低的特征，夏日總體呈東西向中部逐漸降低的趨勢。冷日和冰日呈東南向西北降低的特征。

(4)變化趨勢空間分布上，各站點的極端最高氣溫、暖夜、暖日、夏日和熱夜均呈上升趨勢，冷夜、冷日和霜日均呈下降趨勢，而極端最低氣溫和冰日存在上升和下降兩種趨勢，表明極端最低氣溫和冰日在空間變化趨勢上的差異會逐漸增大。

(5)新鄉市極端氣溫的年較差減少，反映出該地區極端高溫事件發生的頻率會增大。因氣溫升高會加大土壤水分蒸發，造成土壤水分含量減少，從而對農作物的生長造成影響，甚至可能出現旱災，同時也會對人們的生產和生活會帶來不利的影響等。氣象部門應做好預防旱災的預報，農業部門應做好減少旱災和預防旱災的措施。