西安地区近50年极端气温变化研究

赵景波，程 勇，周 旗，马晓华

（1.宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，宝鸡 721007；2.陕西师范大学 旅游与环境学院，西安 710062）

西安地区近50年极端气温变化研究

赵景波1,2，程 勇2，周 旗1，马晓华2

（1.宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室，宝鸡 721007；2.陕西师范大学 旅游与环境学院，西安 710062）

为了揭示西安地区近50年极端气温的变化和可能造成的灾害，本文根据1959—2008年间的气象数据，利用线性倾向估计法、Mann-Kendall突变检验法、主成分分析法以及相关性分析法，研究了西安地区年最低气温、年最高气温、暖夜、暖日、夏天日数、热夜日数、冷夜、冷日、霜日、冰日的变化特点、趋势以及周期。结果表明，西安地区1959—2008年间气温总体呈上升趋势，尤其暖夜日数上升最明显，速率为18.82 d·10a−1。霜日、冰日、冷夜呈下降趋势，下降速率分别为0.5 d·10a−1、6.45 d·10a−1和4.22 d·10a−1。西安地区1959—2008年间夏天日数、热夜日数、暖日日数、暖夜日数呈上升趋势，上升速率分别为2.35 d·10a−1、5.38 d·10a−1、6.48 d·10a−1、18.82 d·10a−1。极端高温呈先下降后上升趋势，极端低温呈略上升趋势。西安地区1959—2008年间极端气温存在突变，突变主要发生在1990年代，夏日日数和暖日日数的突变发生在2000年代。暖指数的增加是西安市1959—2008年间气温呈上升趋势的主要表现。小波分析显示西安地区极端气温普遍存在27 a左右的主控周期，极端最高气温、夏日、暖日、冷夜、冷日、霜日、冰日存在15 a左右的振荡周期。极端暖指数增加和极端冷指数的减少表明高温灾害与旱灾发生的机率可能增大，需要做好防范工作。

极端气温；气候变暖；近50年；气温突变；小波分析；西安地区

许多观测资料表明，近百年来地球气候正经历着一次全球变暖的过程。政府间气候变化专门委员会（IPCC）第四次评估报告指出，1906—2005年全球地表平均气温升高了0.74℃，变暖幅度自1990s以来明显加速，未来100年全球气温将升高1.1～6.4℃（IPCC，2007）。在全球气候变暖的大背景下，近50年来增温尤其明显，约增加0.62～0.94℃（赵宗慈等，2007）。同时极端天气气候事件发生频率增大，对经济社会发展造成了严重的不利影响。因此，有关极端天气气候事件成因及气候变化受到了国内外学者的广泛关注（龚道溢和韩晖，2004；胡宜昌等，2007；陈晓光等，2008）。Karl et al（1991）研究发现，美国和前苏联极端最低气温在过去几十年上升幅度较大。Frich et al（2002）通过研究发现，1950年以来极端最高和最低气温的差异在显著减小。任富民和翟盘茂（1998）对中国极端气温变化的研究表明，极端最低温度显著上升，极端最高温度在缓慢下降。唐红玉等（2005）通过对1951—2002年中国最高、最低气温及日较差变化的研究得出，中国最高气温在南方变化不明显或呈弱的降温趋势，而北方增暖明显，年平均最低气温变化在中国各地基本一致，呈明显的变暖趋势。任国玉等（2010）通过总结近年有关中国极端气候变化观测研究成果认为，在全球气候明显变暖的半个多世纪里，中国极端气候类型变化非常复杂，不同类型和不同区域极端气候变化存在明显差异。全国范围内与异常偏冷相关的极端事件如寒潮、冷夜和冷昼天数、霜冻日数等显著减少、减弱，与异常偏暖相关的暖夜、暖昼日数明显增多，暖夜日数增多尤其明显。许多研究结果表明，全球变暖主要发生在夜间（如唐红玉等，2005）。姜创业等（2011）分析了1961—2008年陕西省不同区域近年来的气候变化特征，表明年平均气温上升的趋势明显。

西安地区由于气候因素年际与年内变化幅度大，干旱和洪涝灾害时有发生，严重影响社会经济发展和人民生活。本文基于西安地区的极端气温指数，对西安地区近50年极端气温变化进行研究，以期为该区减灾防灾和应对气候变化提供科学依据。

1 地区自然概况

西安市位于黄河流域中部关中盆地，北纬33°42′～34°44′30″，东经107°40′～109°49′。南和东南以秦岭山脉主脊为界，与佛坪、宁陕、柞水、洛南县、商州市相邻，西以黑河之西太白山及青化台塬为界，与太白、眉县接壤。北以渭河为界，与扶风、武功、兴平县及咸阳市的杨陵、秦都、渭城区隔河相望。东北大致以荆山黄土台塬为界，与富平、三原、泾阳县毗连。东以零河和灞源山地为界，与华县、渭南市相接。南北宽约100公里，东西长约204公里，平面轮廓略呈西南倾的斜长方形。城区中心位置地处北纬34°15′24″，东经108°55′45″，辖境面积9983平方公里，其中市区面积1066平方公里。境内河流基本属于黄河流域的渭河水系，较大的河流有渭河、泾河、石川河、黑河、涝河、灞河、浐河、沣河、戏河、零河等。由于受气候特点制约，降水分布很不均衡，河流径流量季节性变化明显。西安市位于东南沿海湿润气候向西北内陆干旱气候的过渡带上，兼有两种类型气候特征，属暖温带半湿润季风气候，年平均气温为13.1℃，年平均降水量为600 mm，四季冷暖干湿分明。

2 资料来源与研究方法

本文中日最高、最低日平均气温来源于“中国气象科学数据共享服务网”（http://cdc. cma. gov.cn）中公布的西安气象站的资料。为了资料尽可能完整，气象资料时间跨度一致取为1959年至2008年。将1959—2008年间闰年的2月29日数据进行剔除，即1959—2008年间每年按365日进行计算。

从WMO发布的极端天气指数中选取了西安气象站的10种极端气温指数（表1）分析西安地区的极端气温的变化趋势。文中采用线性倾向估计法分析极端气温变化趋势，计算采用最小二乘法进行估计，用其线性倾向值来分析要素的年际变化率。研究显著性水平取0.05和0.01，如果统计量小于0.05，则认为趋势是显著的，统计量小于0.01，则认为趋势是极显著的。用Morlet复小波分析极端气温的周期性（施能，2002）。用Mann-Kendall突变检验法研究极端气温突变发生的年代。

目前，国际上在气候极值变化研究中最多的是采用阈值，超过阈值的值被认为是极值，该事件为极端事件，阈值又分为绝对阈值和百分比阈值，绝对阈值即选取一固定值，而百分比阈值则不同。本文中气温百分比阈值定义方法是根据每个测站的日最高（低）气温分别确定其极端高（低）温阈值，方法如下：选取1959—2008年的日最高（低）气温作为基期进行分析，将某站1959—2008年中同日的最高（低）气温资料按升序排列，得到该日第90（10）个最高（低）气温的百分位值，按照此方法得到365个最高（低）气温的第90（10）个百分位值，将之作为极端高（低）气温事件的上（下）阈值。如果某日的最高温度超越了该日极端气温事件的上阈值，则认为该日出现了极端高温事件；同理如果某日的最低温度超越了该日极端气温事件的下阈值，则认为该日出现了极端低温事件。

表1 极端气温的指标Table 1 Indices for extreme temperature

3 结果与分析

3.1 极端气温指数的变化趋势与突变分析

图1a、图1b分别为西安地区极端最高气温、极端最低气温的时间序列。从图1a可以看出，西安地区的极端最高气温变化总体上呈下降趋势，速率为0.07℃·10a−1，达到95%信度检验（表2）。从年代际变化来看，极端最高气温在1960's年代到1980's年代期间呈下降趋势，1983年降到最低值，为35.4℃，1980's后又有所增加。其中1998年和2005年达到峰值，分别为41.8℃、41.7℃。由M-K检验可知，极端最高气温的UF曲线在50年期间的前五年和后五年小于0，其余年份都大于0，表明西安市日最高气温总体呈上升趋势。且极端最高气温的UF曲线与UK曲线交于信度线之间，交点为1964年，表明西安市极端最高气温在1964年出现由低到高的突变。

从图1b统计整个序列得到极端最低气温有增加的趋势，速率为0.48·10a−1。1969年达50年来最低值−18.7℃。2000's年代比1960's极端最低气温高2℃。由M-K检验可知，极端最低气温的UF曲线与UK曲线交于信度线之间，交点为1996年，表明西安市极端最低气温在1996年出现由高到低的突变。

图1 西安1959—2008年极端温度事件的变化Fig.1 Changes in extreme temperature events in Xi'an from 1959 to 2008

图2a、图2b分别为西安地区夏天日数和热夜日数的时间序列。从图2a可以看出，夏天日数以2.35 d·10a−1速率上升，达到99%信度检验（表2）。从年代际变化来看，1960's年代前期呈下降趋势，期间最低值为1964年112天。1970's呈上升趋势，1980's年代后期至今（2008）年呈逐步上升趋势。由M-K检验可知，夏日日数的UF曲线均小于0，表明夏日日数一直处于下降趋势，且夏日日数的UF曲线与UK曲线交于信度线之间，交点为2003年，表明西安市夏日日数在2003年出现由少到多的突变。从图2b可以看出热夜日数以5.38 d·10a−1的速率上升，也通过了99%信度检验（表2）。从图1可以看出热夜日数基本一直呈上升趋势，其上升的速率较快可能与近年来西安总体气温上升有关。由M-K检验可知，热夜日数的UF曲线除个别年份外均大于0，表明西安市热夜日数总体呈上升趋势。

图2c、图2d分别为西安地区霜日和冰日天数的时间序列。从图2c可以看出，霜日日数随时间总体呈下降趋势，速率为6.45 d·10a−1，达到99%信度检验（表2）。50年来在1969年（103天），1985年（101天），1992年霜日超过100天。1959—2000年霜日都在60天以上。但2000年后的2002年（49天），2004年（46天），2007年（40天）出现霜日40天左右的情况。但2008年又上升到71天，这可能与2008年出现的气温异常情况有关。由M-K检验可知，霜日日数的UF曲线与UK曲线交于信度线之间，交点为1998年，表明西安市极端霜日日数在1998年出现由多到少的突变。从图2d可以看出，冰日日数随时间总体也呈下降趋势，速率为0.51 d·10a−1，未通过信度检验（表2）。其年代际变化来看，1960's呈上升趋势，1970's到2000's缓慢下降。2008年（20天）比2007年（0天）冰日高出20天。由M-K检验可知，冰日日数的UF曲线2000's之前绝大部分时间大于0，2000's以后均小于0，表明西安市冰日日数呈先增多后减少的变化趋势，且冰日日数的UF与UK曲线交于信度线之间，交点为1994年，表明西安市冰日日数在1994年出现由多到少的突变。

图3a、图3b分别为西安地区暖日和冷日天数的时间序列。从图3a可以看出，西安地区的暖日呈增加趋势，速率为6.48 d·10a−1，通过了99%的信度检验（表2）。从年代变化来看，1960's—1970's中期暖日呈下降趋势，1970's中期以后呈上升趋势。由M-K检验可知，暖日日数的UF曲线绝大部分时间大于0，表明西安市暖日日数整体处于增加趋势，且暖日日数的UF与UK曲线交于信度线之间，交点为2002年，表明西安市暖日日数在2002年出现由多到少的突变。从图3b可以看出，西安地区的冷日也有增加趋势，变率为0.95 d·10a−1，未通信度检验（表2）。由M-K检验可知，冷日日数的UF曲线均大于0，表明冷日日数一直处于上升趋势。

图2 西安1959—2008年夏天日数、热夜日数、霜日和冰日变化Fig.2 Change of extreme temperature events in Xi'an during 1959—2008

表2 1959—2008年西安站极端气温变化趋势Table 2 Spatial distribution of temperature indices in Xi'an 1959—2008

图3c、图3d分别为西安地区暖夜和冷夜天数的时间序列，从图3c可以看出，暖夜随时间呈明显的增加趋势，其速率为18.82 d·10a−1，通过99%的信度检验（表2）。从年代际变化来看，暖夜基本呈阶梯式增加趋势，在1960's年代至1980's年代变化较为稳定和缓慢，到1990's年代后迅速增加。由M-K检验可知，暖夜日数的UF曲线2005年之前均大于0，表明西安市暖夜日数整体呈上升趋势，且暖夜日数的UF与UK曲线交于信度线之间，交点为1999年，表明西安市暖夜日数在1999年出现由多到少的突变。从图3d统计整个序列得到冷夜呈很强的减少趋势，速率为4.22 d·10a−1，通过了99%的信度检验（表2）。强的趋势主要是由于1970's年代以及1990's后的异常减少造成的。由M-K检验可知，冷夜日数的UF曲线1980s之前绝大部分时间大于0，1980s以后均小于0，表明西安市冷夜日数呈先增多后减少的变化趋势，且冷夜日数的UF与UK曲线交于信度线之间，交点为1999年，表明西安市冷夜日数在1999年出现由多到少的突变。

总之，西安地区1959—2008年极端最高气温为下降趋势，速率为0.07℃·10a−1，极端最低气温呈上升趋势，速率为0.48℃·10a−1。这与马柱国等（2003）对中国北方极端温度变化的研究不太一致，马柱国等研究的中国北方极端最高温度和极端最低温度虽然都为增加趋势，但极端最低气温的变率明显大于极端最高气温的变率；但与翟盘茂和潘晓华（2003）、任福民和翟盘茂（1998）对中国极端气温变化的研究结果一致，翟盘茂和任福民研究表明极端最低温度显著上升，极端最高温度在缓慢下降（马柱国等，2003；唐红玉等，2005）。造成该差异的原因还需要进一步研究。冷日呈小幅上升趋势，冷夜有较大幅度的减少趋势，暖日和暖夜为增加趋势，这与文献中前人对中国北方1951—1999年以及中国和全球1961—2003年极端气温变化研究的结论一致。霜日与冰日都呈下降趋势，夏天日数，热夜日数呈上升趋势（游庆龙等，2009；You et al，2011）。其中暖日日数的上升速率为6.48 d·10a−1，暖夜日数上升速率为18.83 d·10a−1，和其他指标速率相比，相对偏高，这与唐红玉等（2005）得出的全球变暖主要发生在夜间的结论相一致。

图3 西安1959—2008年暖日、冰日、暖夜和冷夜变化Fig.3 Change of extreme temperature events in Xi'an during 1959—2008

3.2 极端气温变化周期分析

图4和图5为西安1959—2008年极端温度事件的Morlet复小波变换图，图中实线表示偏高、偏多或偏暖，虚线表示偏低、偏少或偏冷。从图4a可见，极端最高气温存在10 a、15 a 和27 a左右的准周期，27 a左右的振荡周期为主要控制周期，贯穿始终，冷日的变化过程为偏高—偏低—偏高，15 a左右周期也很显著，经历偏高—偏低—偏高—偏低—偏高的变化，10 a左右的周期振荡并不是很明显。从图4b可见，极端最低气温存在8 a、10 a和27 a左右的准周期，27 a、8 a左右的振荡周期为主要控制周期，贯穿始终，27 a周期极端最低气温的变化过程为偏低—偏高—偏低，8 a左右周期极端最低气温的变化过程为偏低—偏高—偏低的交替变化。

从图4c可见，夏天日数存在15 a、27 a左右的准周期，27 a左右的振荡周期为主要控制周期，贯穿始终，夏天日数的变化过程为偏多—偏少—偏多。15 a左右的周期不是很明显，其在21世纪初期消失。从图4d可见，热夜日数存在3 a 、7 a、12 a、27 a左右的准周期，3 a、7 a、27 a周期贯穿始终，且都是偏多—偏少反复变化，最终都以偏多结束。12 a左右的周期在1970's中期才出现。但变化都相同。

从图4e和图4f得出，霜日和冰日都存在15 a和27 a左右的振荡周期，霜日和冰日的主控周期都为27 a左右的振荡周期，且贯穿始终，在27 a左右的振荡周期上，都经历着偏多—偏少—偏多的交替变化。15 a左右的周期不明显，大体经历着偏多—偏少—偏多的交替变化。

图4 西安极端温度事件的变化周期Fig.4 The period of extreme temperature events in Xi'an

从图5a可以看出，冷夜存在3 a、10 a、25 a左右的振荡周期，25 a左右的振荡周期为主要控制周期，贯穿始终，经历着偏多—偏少—偏多—偏少的交替变化。3 a、10 a左右的周期不是特别明显。大体都经历着同样的交替变化。从图5b可以看出，暖夜存在27 a左右的振荡周期且贯穿始终，同时经历着偏多—偏少—偏多的变化。

从图5c可以看出，冷日存在3 a、10 a、27 a左右的振荡周期。3 a、27 a左右的振荡周期为主要控制周期，贯穿始终，且都是偏多—偏少的反复交替变化。10 a左右的周期在1959—1989年不明显，1980's以后比较明显。从图5d可以看出，暖日存在5 a、15 a、27 a左右的振荡周期。27 a左右的振荡周期为主要控制周期，贯穿始终，经历着偏多—偏少—偏多交替变化。15 a左右的周期在1959—1979年比较明显，1980's以后不明显。

由此得出，西安地区极端气温事件普遍存在27 a左右的主控周期；极端最高气温、夏日、霜日、冰日、暖日存在15 a 左右的振荡周期；极端最高气温、极端最低气温、冷夜、冷日也存在10 a 左右的振荡周期；冷日、冷夜、暖夜、热夜还存在3 a左右的小振荡周期。

图5 西安1959—2008年冷日、暖日、冷夜、暖夜的变化周期Fig.5 The period of extreme temperature events in Xi'an

3.3 极端气温指数的主成分分析

利用SPSS13.0软件对西安市极端气温指数的各因子进行主成分分析，可以得出主成分和因子间的相关系数的载荷矩阵（表4），由表4可见，前3个主成分分别累计提取了总方差的76.46%。由表4中共同度可以看出，用主成分分析法提取的若干主成分能够很好地解释原各变量，共同度绝大多数在70%以上。从表4中可见，暖夜日数和暖日日数，在主成分1中具有较高的载荷，载荷值分别为0.919和0.877，这两个指数都为暖指数。第一主成分占方差贡献率的45.04%，而其后的主成分所占的方差贡献率逐渐减少，因此，可以认为暖指数的变化是西安市1959—2008年气温呈上升趋势的主要原因。第二主成分占方差贡献率的16.8%，日极端最高气温和冷日日数在主成分2中占有较高的载荷，载荷值分别为0.60和0.70，该冷指数的增加能很好地反映西安市1959—2008年日最低气温呈上升趋势。冰日在主成分3中占有较高的载荷，载荷值为0.75，说明气温日较差的变化受冷指数的影响较大。

表4 1960—2012年西安市极端气温指数的因子分析Table 4 Results of factor loadings perceptual explained variance in temperature extremes in Xi'an from 1959 to 2008

4 结论

（1）根据极端气温线性趋势分析得知，西安地区在1959—2008年极端暖事件呈明显上升趋势，而极端冷事件总体呈下降趋势。

（2）线性趋势分析表明，西安地区1959—2008年极端最低温略呈上升趋势，极端最高温度呈先降低后上升趋势。

（3）西安地区1959—2008年，气温总体呈上升趋势，尤其暖夜日数以18.82 d·10a−1速率上升，表明西安地区气温总体上升。西安地区1959—2008年气温上升主要是夜间气温上升造成的。

（4）西安市极端气温存在突变，突变主要发生在1990年代，而最高气温在1964年出现由低到高的突变，夏日日数和暖日日数在2000年代年出现由多到少的突变。暖指数的增加是西安市1959—2008年气温呈上升趋势的主要表现。

（5）西安地区极端气温事件普遍存在27 a左右的主控周期，极端最高气温、夏日、暖日、霜日、冰日存在15 a左右的振荡周期，极端最高气温、极端最低气温、冷夜、冷日也存在10 a 左右的振荡周期，冷日、冷夜、暖夜、热夜还存在3 a左右的小振荡周期。

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Variations of the extreme temperature in Xi'an in recent 50 years

ZHAO Jing-bo1,2, CHENG Yong2, ZHOU Qi1, MA Xiao-hua2
(1. Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721007, China; 2. Collage of tourism and environment, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China)

In order to analyze the variational characteristics of extreme temperature and disasters in Xi'an area, meteorological data from 1959 to 2008 which contains daily average temperature, the highest temperature and lowest temperature, methods of linear fitting, Mann-Kendall examination, principal component analysis and correlation analysis were comprehensive employed to analyze each year's variation trends, mutation and the oscillation period of extreme temperature indicators, such as the extreme minimum temperature, extreme maximum temperature, warm nights and warm days, summer days and hot nights, cold nights, cold days, frost days, ice days. The results showed that: the overall temperature of Xi'an area from 1959 to 2008 had an upward trend, especially warm nights increased signif cantly at 18.82 d·10a−1rate. Frost days, ice days, cold nights had downward trends, the decline rate were 0.5 d·10a−1, 6.45 d·10a−1and 4.22 d·10a−1respectively. Summer days, hot days, warm days and warm nights of Xi'an area rised from 1959 to 2008, the rate were 2.35 d·10a−1, 5.38 d·10a−1, 6.48 d·10a−1,

18.82 d·10a−1respectively. The extreme maximum temperature increased firstly and then decreased, the extreme minimum temperature had a slightly rising trend. From 1959 to 2008, extreme temperature mutation mainly occurred in the 1990s, while warm days and summer days mutation occurred in the 2000s. The increasing trend of temperature from 1959 to 2008 was mainly due to warm indices. Wavelet analysis showed that extreme temperatures of Xi'an area had around 27 a master cycle, extreme maximum temperature, summer days, warm days, cold nights, cold days and ice days had about 15 a oscillation. Both the increasing number of extreme warm indices and the reducing number of extreme cold indices would increase the probability of high temperature and drought disasters, and needed some preventive work.

extreme temperature; variation tendency; in recent 50 years; wavelet analysis; the temperature trend in Xi'an

P467

：A

：1674-9901(2014)05-0301-10

10.7515/JEE201405001

2014-07-31

宝鸡文理学院陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室项目（13JS012） ；国家自然科学基金项目（40672108）

赵景波，E-mail: zhaojb@snnu.edu.cn