1961—2010年山西极端气温年均发生频率的时空特征分析

秦秀丽，李丽平，魏丽云

（1.南京信息工程大学，江苏南京 210000；2.运城市气象局，山西运城 044000）

1961—2010年山西极端气温年均发生频率的时空特征分析

秦秀丽1，2，李丽平1，魏丽云2

（1.南京信息工程大学，江苏南京 210000；2.运城市气象局，山西运城 044000）

利用山西省61个气象站点逐日最高温度、最低温度资料，采用百分位值定义法、Mann-Kendall突变检验法和Morlet小波变换等方法，分析了山西省近50 a极端温度事件年均发生频率的时空特征，结果表明：1961年以来，山西省极端高温事件年均发生频率呈显著增加趋势，趋势为6.1 d/10 a，与此同时，极端低温事件年均发生频率呈显著减少趋势，且极端气温事件的变化存在明显的区域差异；极端高温和极端低温年均发生频率均发生了突变现象，变化趋势均在20世纪90年代以来更加显著；极端高温和极端低温事件年均发生频率均呈显著波动变化，在整个研究期间极端高温存在5～6 a、4～8 a显著周期，极端低温存在4～5 a显著周期。

极端高温；极端低温；时空变化；山西

近年来，由极端气候事件（如高温和低温、洪水、暴雪、干旱等）造成的经济社会损失不断加剧,已引起各国政府和社会公众的普遍关注[1]，对极端气候事件变化趋势的评估与研究成为当前全球气候变化研究的一个重要议题[8]。其中，极端温度事件由于对以气温升高为主要特征的全球气候变化更加敏感而受到更多关注。政府间气候变化专门委员会IPCC第四次（2007）评估报告[9]指出，20世纪后半叶，全球大部分陆地区域发生冷昼、冷夜和霜冻日的发生频率很可能已经减少，而暖昼、暖夜的发生频率则已变得更加频繁。

极端温度作为一种极端气候事件，近年来各国气象学者已从不同的角度做了研究，Kale[2-5]等对全球最高、最低温度研究结果表明，近40 a在全球变暖过程中，表现出明显的日夜温度变化的不对称性，并使得日较差呈变小的趋势。在中国，气象学者对极端温度的变化研究同样做了不少的工作，任福民[6]和Zhai.P[7]等的工作比较系统的分析了中国区域极端温度变化的某些特征，他们的工作指出了中国区域极端事件的季节特征和区域差异；翟盘茂[8，10-11]等对中国北方温度极端事件时空变化趋势的研究指出，目前国际上在气候极值变化研究中最多见的是采用某个百分位值作为极端值的阈值,超过这个阈值的值被认为是极值,该事件可以看作是极端事件,由此对中国北方极端温度进行研究,认为在我国北方地区,极端最低、最高气温都在趋于变暖，最低、最高温度的线性变化趋势表现出较为一致的年代际变化特点,但却反映出非常明显的不对称性，同时指出，中国北方夜间温度极端偏低的日数显著变小，白天温度极端偏高的日数则增于偏多。

近些年山西气温异常的极端气温发生较频繁，已经给农业生产及人们的日常生活带来影响，因此很有必要对极端气温事件时间做一些研究。本文在以上前人工作的基础上，利用1961—2010年的资料，分析山西省近50 a极端气温事件的时空特征，旨在揭示运城极端高（低）温事件发生的规律和特点，作为预报和服务的参考，以提高防灾减灾的能力。

1 资料与方法

采用山西气象信息中心整编的1961—2010年山西地区均匀分布的61站的逐日最高温度、最低温度资料，所选资料为起始年统一，总缺测日数小于5 d的站点资料，所选61个站点见图1。

图1 山西省所选站点分布图

基于日最高、最低资料，采用国际上通用的百分位值定义法[12]。具体定义为：将1961—2010年山西逐年日最高（低）气温资料按照升序排列，得到该日第90（10）个日最高（低）气温百分位值，将之作为该日极端高（低）温事件的阈值，当某站某日的最高（低）气温超过（小于）了该日极端高（低）温事件的阈值，就称该日发生了极端高（低）温事件。

极端气温的年际、年代际变化采用线性倾向估计法，以年为自变量序列，气温为因变量序列，利用最小二乘法建立一元线性回归方程。

极端低温的突变检验采用Mann-Kendall法，显著性水平为95%，这是一种非参数统计检验方法，不仅计算简便，而且可以明确突变开始的时间，且不受少数异常值的干扰。周期分析采用Morlet小波变换方法。

在分析极端高（低）温事件年均发生频率的变化趋势时，使用了Kendall-tau检验方法，这是一种检验时间序列变化趋势的非参数检验方法。这种方法的优点在于它允许缺测值的存在，并且无需证明资料服从某一特定分布；此外，因为该检验方法的本质是用来检测资料的相对量级，故当资料量级很小时，依然可以适用。

统计量：

式中x为某气象要素，t为时间。给定显著性水平α，在本研究中取0.001，若τ

2 结果与讨论

2.1 极端温度事件年均发生频率变化趋势的空间特征

将某个气象站1961—2010年中所有1月1日的日最高（低）气温资料按照升序排列，得到该日第90（10）个日最高（低）气温百分位值，照此方法求出所有日历日期（366个）第90（10）个百分位值，然后将其中的最大（小）值作为该站近50 a内极端最高（低）温值，山西省极端高温阈值介于21.5（五台山）～38.5℃（盐湖区）之间，极端低温阈值介于-33.1（右玉）～-9.4℃（平陆）。图2a为极端高温事件年均发生频率变化趋势空间分布图，可以看出，1961年以来，山西极端高温事件年均发生频率均为增多趋势，绝大多数地区增多趋势在4 d/10 a以上，且大多数地区通过0.001的显著性水平检验，其中在忻州、阳泉以及临汾地区，增多趋势尤为明显，个别地区达到16 d/10 a以上。图2b为极端低温事件年均发生频率变化趋势空间分布图，可以看出，1961年以来，山西极端低温事件年均发生频率均为减少趋势，绝大多数地区减少趋势在2 d/10 a以上，且大多数地区通过0.001的显著性水平检验，其中在山西西南部以及北部地区，减少趋势尤为明显，西南部个别地区达到6 d/10 a以上，北部个别地区甚至达到8 d/10 a以上。

2.2 极端高温事件年均发生频率的时间变化

2.2.1 极端高温事件年均发生频率的年际变化特征

图2 山西极端高温事件（a）和极端低温事件（b）年均发生频率变化趋势空间分布（单位：d/a）

由图3可见，1961—2010年极端高温事件年均发生频率有明显增加趋势，趋势为6.1 d/10 a，且通过0.001显著性水平检验。1961—2010年期间，极端高温事件年均发生频率的振幅很大，频率较小的为：1964年为11.2 d、1976年为14.2 d、1984年为17.3 d、1989年为16.4 d；频率较大的为：1998年为73.7 d、2002年为73.2 d，最大发生年是最小发生年的5倍多。整体来看，20世纪60年代初期至90年代中期，极端高温事件年均发生频率不明显，但从90年代后期开始，极端高温事件年均发生频率明显增加，最近10多年以来年平均为20世纪90年代中期以前的2倍。

图3 山西极端高温事件年均发生频率的线性变化

2.2.2 极端高温事件年均发生频率的年代际变化特征

1961—1910年山西极端高温事件年均发生频率的年代际变化见表1，可看出1991—2000年，极端高温事件年均发生频率增大特别明显，幅度达16 d；到了2001—2010年，极端高温事件年均发生频率继续增大，极端高温事件年均发生频率达到51 d，可见极端高温事件有显著增加趋势。整体来看，极端高温事件年均发生频率发生了低—高—低—高的年代际变化。

表1 山西极端高温事件年均发生频率年代际变化（d/10 a）

2.2.3 极端高温事件年均发生频率的突变性分析

对山西省1961—2010年极端高温事件年均发生频率进行突变分析，分析绘出UB、UK曲线图（图4），图中虚直线为α=0.05显著性水平临界值，虚线为UB图，实线为UF图，从图中可以看出，极端高温事件年均发生频率在1996年发生了突变，且自1996年以来极端高温年均发生频率的增加趋势更加显著。这种年际变化趋势与中国北方干旱与半干旱地区非常一致，与马柱国[13]等发现20世纪90年代之前中国北方绝大多数地区极端高温事件发生频率的变化趋势不显著，但90年代以来却有明显的增加趋势。

图4 山西极端高温事件年均发生频率的M-K突变检验

2.2.4 极端高温事件年均发生频率的周期性分析

图5是对1961—2010年极端高温事件年均发生频率作Morlet小波分析的结果，图中红色阴影区为通过蒙特卡罗检验的显著区，紫色弧形为边界区，打点区为噪声区。在1960—1965年具有5～6 a的显著周期、1971—1977年以及1991—1994年间具有4～8 a的显著周期。这与前人对极端高温事件的年际变化研究的结论基本一致[14]。

图5 山西极端高温事件年均发生频率的Morlet小波分析

2.3 极端低温事件年均发生频率的时间变化

2.3.1 极端低温事件年均发生频率的年际变化特征

由图6可见，1961—2010年极端低温事件年均发生频率有明显减少趋势，趋势为4.7 d/10 a，且通过0.001显著性水平检验。1961—2010年期间，极端低温事件年均发生频率的振幅很大，频率较大的为：1962年，47.9 d；频率较小的为2007年，9.7 d，最大发生年是最小发生年的近5倍。整体来看，也是20世纪60年代初期至90年代中期，低温事件年均发生频率明显，但从90年代后期开始，极端低温事件年均发生频率明显减少，最近10多年以来年平均仅为17.8 d，为20世纪90年代中期以前的1/2。近50 a来极端低温事件年均发生频率的减少趋势主要是由于90年代后期极端低温的事件年发生频率的减少所致。

2.3.2 极端低温事件年均发生频率的年代际变化特征

1961—2010年极端低温事件年均发生频率年代际变化见表2，1991—2000年，极端低温事件年均发生频率减少明显，幅度达6 d；2001—2010年，极端低温事件年均发生频率继续减少，极端低温事件年均发生频率仅达18 d，可见极端低温事件有显著减少趋势。整体来看，极端低温事件年均发生频率发生了高—低的年代际变化。

表2 山西极端低温事件年均发生频率年代际变化（d/10 a）

2.3.3 极端低温事件年均发生频率的突变性分析

对山西省1961—1970年极端低温事件年均发生频率进行突变分析，分析绘出UB、UK曲线图（图7），图中虚直线为α=0.05显著性水平临界值，虚线为UB图，实线为UF图，从图中可以看出，极端低温事件年均发生频率在1993年发生了突变，且自1972年以来下降趋势更加显著，这与中国华北的年际变化趋势一致[13]。

图7 山西极端低温事件年均发生频率的M-K突变检验

2.3.4 极端低温事件年均发生频率的周期性分析

图8是对1961—2010年极端低温事件年均发生频率作Morlet小波分析的结果，途中红色阴影区为通过蒙特卡罗检验的显著区，紫色弧形为边界区，打点区为噪声区。在1960—1965年、1971—1977年以及1991—1994年间具有4～5 a的显著周期。

图8 山西极端低温事件年均发生频率的Morlet小波分析

3 结论

（1）1961年以来，山西极端高温事件年均发生频率均为增多趋势，绝大多数地区增多趋势在4 d/ 10 a以上；与此同时，山西极端低温事件年均发生频率均为减少趋势，绝大多数地区减少趋势在2 d/ 10 a以上。可见极端气温事件的变化存在明显的区域差异。

（2）山西省极端高温事件年均发生频率呈显著增加趋势，趋势为6.1 d/10 a，最近10多年以来年平均为20世纪90年代中期以前的2倍；与此同时，极端低温事件年均发生频率呈显著减少趋势，趋势为4.7 d/10 a，最近10多年以来年平均仅为20世纪90年代中期以前的1/2。

（3）整体来看，山西省极端高温事件年均发生频率发生了低—高—低—高的年代际变化；极端低温事件年均发生频率发生了高—低的年代际变化。

（4）极端高温和极端低温年均发生频率均发生了突变现象，极端高温事件在1996年发生了突变，极端低温事件在1993年发生了突变，变化趋势均在20世纪90年代以来更加显著。

（5）极端高温和极端低温事件年均发生频率均呈显著波动变化，在整个研究期间极端高温存在5～ 6 a、4～8 a显著周期，极端低温存在4～5 a显著周期。

（6）山西是气候变化敏感区，极端温度事件发生更加频繁且变幅较大，很可能给农业生产及人民生活带来众多不利影响，需积极采取措施应对气候的异常变化。

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Spatial and Temporal Characteristics of Mean Annual Extreme Temperature Frequency in Shanxi Province During 1961-2010

QIN Xiuli1，2，LI Liping1，WEI Liyun2
（1.Nanjing University of Information Technology，Nanjing 210000，China；2.Yuncheng Meteorological Bureau，Yuncheng 044000，China）

Based on the 61 meteorological stations’data of daily maximum temperature and minimum temperature in Shanxi province and using percentile values defineition method，Mann-Kendall mutationg test and wavelet analysis method，the spatial and temporal characteristics of extreme temperature events were studied for the recent 50 years in Shanxi Province.The results showed that annual extreme high temperature frequency have been increasing since 1961 and its trend was 6.1 d/10 a，while there was a decreasing trend in extreme low temperature frequency. Meantime,there were obvious spatial variations in both annual extreme high and low temperature frequency.For the recent 50 years，the abruptions were found in all stations in both annual extreme high and lowtemperaturefrequency and their trends were more significant since 1990s.In addition,fluctuation changes were found with a 5～6 years and 4～8 years period in annual extreme high temperature and 4～5 years period in low temperature.

extreme high temperature；extreme low temperature；spatial and temporal characteristics；Shanxi

P423

B

1002-0799（2014）02-0059-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.02.008

2013-08- 07；

2013-09-26

山西省气象局2014年度课题“山西省极端温度的年际年代际异常特征及其成因分析”（SXKYBQH20147851）资助。

秦秀丽（1984-），女，助理工程师，现从事气象业务管理工作。E-mail：qinlily@163.com.

秦秀丽，李丽平，魏丽云.1961—2010年山西极端气温年均发生频率的时空特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（2）：59-64.