喀什市极端气温指数长期变化及突变特征分析

2016-04-07努尔比亚吐尼牙孜

陕西气象 2016年1期

关键词：喀什市

努尔比亚·吐尼牙孜

(喀什地区气象台，新疆喀什　844000)

喀什市极端气温指数长期变化及突变特征分析

努尔比亚·吐尼牙孜

(喀什地区气象台，新疆喀什844000)

摘要：利用喀什市1961—2012年逐日最高、最低、平均气温资料，采用回归分析、R/S分析、Morlet小波分析及Mann-kendall突变检验等方法，分析了喀什市极端气温长期变化趋势、持续性、周期变化及突变特征。结果表明：喀什市年平均气温呈显著上升趋势，升温率高于全球及全国水平且主要变暖从20世纪90年代开始，较全国同期增温时间滞后；极端高温、夏季日数呈显著增加趋势，极端低温、霜冻日数呈减少趋势，经 R/S分析，极端气温指数及年平均气温序列具有较好的连续性，未来喀什市气温保持升高，极端高温、夏季日数增加，极端低温、霜冻日数减少；喀什市极端气温指数在时间域上包含了多个尺度的周期变化，各类极端气温指数具有不同强度的周期变化特征；近52 a极端高温日数在1995年发生突变，夏季日数、极端低温、霜冻日数的突变均发生在2001年左右。

关键词：喀什市；极端气温指数；周期变化；突变特征

IPCC第五次评估报告指出，1880—2012年全球平均地面气温升高了0.85 ℃[1]，人类活动可能是近百年来气候变暖的主要原因，气候变化可能影响极端天气气候事件发生的频率和强度[2]。在全球变暖的背景下我国的平均气温变暖趋势明显，极端气候事件频发[3-5]。陈少勇等[6]研究西北地区极端高温事件的演变特征发现，气候变暖导致极端高温事件增多，强度增强；翟盘茂等[7]研究发现我国北方夜间低温事件在减少，白天极端高温事件在增多；秦秀丽等[8]对山西极端气温年均发生频率的研究表明，山西省极端高温事件年均发生频率呈显著增加趋势；白冰等[9]研究甘肃省气候变化特征,指出甘肃省年平均气温显著增加,而降水呈明显减少趋势。同时也有气象工作者研究新疆的极端气候事件,普宗朝等[10]研究新疆极端最低气温指出，近50 a新疆平均极端气温以0.74 ℃/10 a的倾向率呈极显著上升趋势。潘淑坤等[11]研究新疆初霜日及无霜日的变化特征,指出新疆初霜日推迟11 d，终霜日提前7 d，无霜期延长17 d。可见由于地域差异，各地极端天气事件分布及变化不一致，喀什市极端气温变化趋势的研究尚未见报道，因此利用喀什市1961—2012年逐日气温资料，分析喀什市近52 a极端气温变化及突变特征，旨在揭示喀什市极端气温变化规律，进而为调整喀什市农业结构提供科学依据。

1资料与方法

1.1资料选取

资料采用喀什市1961—2012年逐日最高、最低、平均气温，由中国科学气象数据共享平台提供，地面气温资料已进行了严格的质量控制和均一性检验。多年平均值采用1961—2012年的52 a平均值。

1.2极端气温指数定义

描述温度极值的气候特征，一般采用极端气候指数的方法。定义霜冻日数：每年日最低气温小于0 ℃的全部天数；夏季日数为每年日最高气温大于25 ℃的全部天数。文中所选用的霜冻日数及夏季日数的指标均由世界气象组织在1998—2011年气候变化监测会议中通过研究和讨论提出[12]，这些极端气温指数能够展现极端气候不同方面的变化，具有极端性较弱、噪声低、显著性强的特点，能直接反应当地气候变化特征。

目前，在气候极值变化研究中多采用百分位阈值法作为极端值的阈值[13]。将1961—2012年逐月日最高(低)气温资料按升(降)序排列，得到各月第95个百分位值，作为各月极端高(低)气温阈值。如果某日最高(低)气温大于(小于)该月极端高(低)温阈值，则认为该日出现极端高(低)温事件。

1.3研究方法

采用一元线性回归，分析极端气温指数随时间演变趋势，用T检验方法检测其趋势变化的显著性。利用R/S分析，估算各极端气温Hurst指数，分析其持续性。Hurst指数H是定量描述气候长程依赖性的主要方法之一，该方法属于非参数分析法，具有较好的稳健性[14]。H取值范围为(0,1),当H=0.5时，表示序列是随机的，不具备长程依赖性，将来的发展趋势与已经发生的事件没有关系；0.5

2结果与分析

2.1极端气温变化及持续性

2.1.1极端气温变化趋势图1给出了喀什市年平均气温变化及七点平滑曲线图。由图1可见,喀什市年平均气温呈波动上升趋势，气候倾向率为0.3 ℃/10 a，相关系数R通过了α=0.01的显著性检验，说明喀什市近52 a平均气温变暖趋势显著，高于全球(0.13 ℃/10 a)及全国(0.22 ℃/10 a)同期的增温率[16]，是我国变暖较明显的区域之一。20世纪90年代之前喀什市年平均气温变化缓慢，升温不明显，90年代中期开始出现了一次跳跃性增长。年平均气温1961—1989年为11.7 ℃, 而1990—2012年为12.5 ℃，升高了0.8 ℃，说明90年代以后喀什市升温显著。任国玉等[17]的研究指出，我国年平均气温的增加主要从80年代中期开始，且此后一直呈明显的上升趋势，可见喀什市增温较全国水平滞后。

图1　1961—2012年喀什市年平均气温变化

从表1可看出，极端低温日数、霜冻日数、极端高温日数、夏季日数的变化倾向率分别为-0.27、-0.34、0.28、0.25 d/10 a，除夏季日数通过α=0.05的显著性检验外，其他3个指数均通过了α=0.01的显著性检验，说明喀什市极端低温日数、霜冻日数呈显著减少趋势，极端高温日数呈显著增加趋势，夏季日数也呈增加趋势。极端低温日数、霜冻日数、极端高温日数、夏季日数与年平均气温相关系数均通过了α=0.01的信度检验，说明随着年平均气温的升高，极端低温日数及霜冻日数呈显著减少趋势，极端高温日数、夏季日数呈显著增加趋势。从相关系数绝对值大小来看，霜冻日数与年平均气温之间的线性相关更显著，间接说明喀什市年平均气温对霜冻日数影响更明显，而对夏季日数的影响相对较弱，即在喀什市气候变暖的背景下，霜冻日数减少更显著。

表1　1961—2012年喀什市各极端气温变化倾向率及与年平均气温的相关系数

注：*和**分别表示通过了α=0.05和α=0.01的显著性检验

2.1.2极端气温R/S分析为了进一步分析喀什市年平均气温及极端气温的未来变化趋势，计算了Hurst指数。由表2可见，喀什市年平均气温及各类极端气温的Hurst指数均大于0.5，变化趋势同过去保持一致，具有较好的持续性，即在未来喀什市年平均气温呈上升趋势，极端高温日数及夏季日数呈增加趋势，极端低温日数及霜冻日数呈减少趋势。综上所述，可预测在未来，喀什市平均气温升高，夏季日数、极端高温日数增多，霜冻日数、极端低温日数减少。

表2　1961—2012年喀什市各极端气温

2.2极端气温周期变化

为了进一步验证喀什市气温在时间域上的周期特征，对各类极端指数时间序列进行小波变换。从各类极端指数小波系数(图2)和小波模(图略)变化可以看出，小波系数分布形成了各种尺度正负相间的不同强度的振荡中心。极端低温日数(图2a)存在较明显的6、16、36 a周期振荡，其中6 a左右的高频振荡在20世纪60年代至90年代末较为明显；16 a左右振荡在70年代初至90年代末较明显；而36 a左右低频振荡则贯穿整个时间域，稳定少变，经历了两个极端低温偏少期和一个偏多期。极端高温日数(图2b)存在3、8、15、28 a周期振荡，其中3 a左右高频振荡,贯穿整个时间域，但70年代末至80年代初表现较弱；8 a左右高频振荡在80年代开始表现明显；15 a左右低频振荡在60年代至90年代较为明显，后期受20 a以上低频振荡影响，强度削弱，表现不明显；28 a左右振荡贯穿整个时间域，经历了两个极端高温偏少期和两个偏多期。夏季日数(图2c)存在明显的5、12、24 a周期振荡，其中5 a左右高频振荡贯穿整个时间域，振荡强度较强，稳定少变；12 a左右振荡在60年代至80年代强度较强，之后强度减弱，表现不明显；24 a左右振荡则稳定贯穿整个时间域，经历了两个偏少期和两偏多期。霜冻日数(图2d)存在较明显的8、28 a周期振荡，其中8 a左右高频振荡在60年代初至90年代初较强，之后表现不明显；而28 a左右振荡贯穿整个时间域且稳定，经历了两个偏少期和一个偏多期。综上所述,喀什市各类极端气温指数包含了多个时间尺度的周期变化，具有不同强度的周期变化特征。

图2　1961—2012年喀什市各极端气温指数小波变换系数(a 极端低温日数；b 极端高温日数；c 夏季日数；d霜冻日数)

2.3极端气温突变特征

图3给出了1961—2012年喀什市各极端气温指数的M-K检验图。由图3可知，喀什市极端气温指数均存在明显的年际变化，并伴有突变现象(UF、UB曲线交点为突变年)发生，但突变时间有差异。极端低温日数(图3a)，UF曲线1961—1994年围绕0值线波动，表现为弱上升趋势，1995年发生了突变，UF曲线呈快速下降趋势，于2003年通过α=0.05临界值，表明极端低温日数减少趋势显著。极端高温日数(图3b)，UF曲线整体呈上升趋势，2000年发生突变，UF曲线快速上升，2006、2008年分别通过了α=0.05、α=0.001的临界值，说明极端高温日数增加趋势十分显著。夏季日数(图3c)，UF曲线呈上升趋势，2002年发生突变，UF曲线于2009年通过α=0.05临界值，可见夏季日数增加趋势显著。霜冻日数(图3d)，60年代至80年代初期UF曲线在0值以下波动，其中1978—1981年超过α=0.05的临界值，说明此阶段霜冻日数减少趋势显著但未发生突变；1986—1997年UF曲线增加趋势显著但未发生突变；1997年之后UF曲线呈减少趋势，2000年发生突变，UF曲线于2007、2009年分别超过α=0.05、α=0.001的临界值，说明2000年后霜冻日数减少趋势显著。