陕西安康近50年来极端气温指数变化研究*

赵景波, 杨晓玉, 许永红, 周　旗

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



陕西安康近50年来极端气温指数变化研究*

赵景波1,2, 杨晓玉2, 许永红2, 周旗1

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

摘要:利用1963-2012年陕西省安康市每日气温资料，运用线性拟合、累积距平、Morlet复数小波等方法对WMO发布的10种极端气温指数进行了计算和分析。结果表明，安康近50年来，极端最低温、热夜、暖夜、暖日都呈上升趋势，而极端最高温、夏日、冰日、霜日、冷夜、冷日呈下降趋势。各极端气温均存在27年左右的长周期，16年左右的中周期和6年左右的短周期。各气温指数存在突变，1980-1990年代是各气温指数的突变年。极端热指数呈增加趋势，热夜由1960年代至今平均增加了9 d，暖夜增加15 d，暖日增加3 d。极端天气冷指数呈下降趋势，冰日减少了0.4 d，霜日减少10 d，冷夜减少12 d，冷日减少9 d。安康极端气温的变化会使得该区旱灾、高温灾害、农业病虫害增加。

关键词:极端气温；变化趋势；指数变化；周期规律；陕西安康

极端天气现象通常被定义为在一段时间范围内异常高于或低于平均值的事件[1]。IPCC第四次报告指出在过去的50年内，全球气温呈现出逐年升高的趋势，每10年升高0.13 ℃(0.10~0.16 ℃)。与1850-1899年相比，2001-2005年气温升高了0.76 ℃(0.57~0.95 ℃)。气候的显著变化常常会引发极端天气现象，因此，极端气候变化已受到了国内外学术界的广泛关注和研究。在国内，任国玉等研究指出[2]，全国范围内异常偏冷的极端事件如寒潮、冷夜、霜冻日等显著减少减弱，而异常偏暖的极端事件如暖夜等则明显增多。王遵娅等认为[3]，在1951-2000年间中国平均气温增加最显著的时期发生在20世纪80年代。唐国利等[4]根据中国1905-2001年的最高和最低气温研究得出，中国平均气温在以每百年0.79 ℃的速率增加。在国外，Alexande等研究表明[5]，在1951-2003年间，全球70%的陆地暖夜显著增加，冷夜以相同的速率减少。Karl等的研究发现[6]，在过去的几十年里，全球极端低温事件发生的频率和霜冻天数均显示出减少趋势。虽然前人对安康地区气候变化趋势进行过一些研究[7]，但对该区极端气温变化尚缺少研究。针对以往研究的不足，本文将主要研究安康地区近50年来极端气温指数的变化，以期为该区减轻极端气温变化造成的灾害提供科学依据。

1安康地区自然概况

安康地处陕西省东南部，位于108°00′58″～110°12′E，31°42′24″～33°50′34″N之间。安康南依巴山北坡，北靠秦岭主脊，东与湖北省接壤，南接重庆，西与汉中市的镇巴县、西乡县、洋县相连，北与西安市的户县、长安区接壤，东北与商洛市的柞水县、镇安县毗连[8]。安康地区地貌呈现南北高山夹峙，河谷盆地居中的特点。气候类型为亚热带大陆性季风气候，气候温和湿润，四季分明。年均温在15～17 ℃之间，无霜期长。年平均降水量为938 mm，集中于6-9月[8]。主要植被类型有常绿阔叶林、常绿-落叶混交林、落叶阔叶林、针叶林以及面积广大的竹林[8]。区内面积最大的土壤类型为黄棕壤[8]。

表1　本文所选极端气温指数

2资料和方法

所用资料来自“中国气象科学数据共享服务网”(http://cdc. cma. gov.cn)中安康站的气象观测数据。区域气候变化情况的分析和检测需要长时间尺度的、完整的气候要素作为对象进行研究，本文采用了1963-2012年这50年的气温日最高值、日最低值作为基础数据进行统计分析，并结合安康的自然地理特点和气象状况，选用WMO发布的20种极端天气指数中的10项[9]进行统计、绘图以及分析(表1)。采用线性拟合趋势、累积距平的方法对这10项指数的变化进行研究，采用最小二乘法进行计算估计。同时，采用Morlet复小波方法对极端气温的周期进行分析。

本文所选极端指数可以分为3类，第1类称为极值指数，即每年每日最高或最低气温的最大或最小值，直接由气象台站观测值统计而来。第2类称为绝对指数，是在气象台站观测数据基础上根据国际气象机构定义的固定阈值进行处理得到的指数，包括夏日天数、冰日天数、热夜天数、霜日天数四项。第3类称为相对指数，是相对于某一基期的(浮动)阈值，如冷夜、暖夜、冷日、暖日采用1970-1999这30年作为基期。以冷夜为例，选取1970-1999年每年的同一日期最低气温进行升序排列，选取第10个百分点的值作为该日期的阈值，然后将1963-2012年每年的同一日期最低气温与该阈值比较，若小于阈值，则当年此日期为冷夜。暖夜计算方法类似，阈值取为基期升序数列的第90个百分点，冷日与暖日以此类推。

3结果与分析

3.1极端气温变化的趋势分析

线性趋势拟合的方法一般被用作描述气象要

素的变化趋势，通常采用一次直线方程y(t)=at+b拟合其趋势，用关系式dy(t)/dt=a表达其趋势变化率。

根据计算得出的安康市1963-2012年的各项极端气温指数如图1所示。由图1可知，极端最低温、热夜、暖夜、暖日几个指数呈上升趋势，极端最高温、夏日、冰日、霜日、冷夜、冷日6个指标呈下降趋势，其变率如表2所示。霜日、暖夜在过去50年内发生的变化较大，变率超过3 d/3年，而其他几个变量变化相对较小。这表明安康市近50年来气温整体呈升高的趋势，秋冬季结冰、结霜日减少，夏天高温日减少，夜间气温升高，白天气温降低，极端最高温度呈下降趋势。总之，安康地区气候变暖，极端气温指数变化较明显。

图1　安康市1963-2012年极端最高气温、极端最低气温变化趋势

极端最高气温/℃极端最低气温/℃夏日/d冰日/d热夜/d霜日/d冷夜/d暖夜/d冷日/d暖日/d-0.110.18-2.09-0.111.42-3.56-2.614.12-2.082.20

近50年来，安康市的年极端最低气温呈小幅上升，其变率为0.18 ℃/10年。由图1可知，极端最低气温的变化趋势随时间序列的延续并非一致，从年代际变化来看，1970年代相较1960年代最低气温有小幅下降，1980年代平均最低气温较之前有较小的回升，1990年代最低气温仍然回升，21世纪初叶又有大幅回落。由极端最高、最低气温累积距平图(图2)来看，近50年来极端最低气温一直处于波动状态，1998之前处于较低值，之后处于较高值。近50年极端最高气温呈现小幅下降趋势，其变率为-0.11 ℃/10年。同样的，在1960至1970年代，极端高气温年代际平均值呈现下降趋势，而1980年代的极端最高温年代际均值仍有所下降，1990年代均值小幅上升，进入21世纪后又小幅下降。

图2　安康市1963-2012年极端气候指数累积距平图

图3显示，近50年夏日天数变化波动较大，呈小幅下降趋势，变率为2.09 d/10年。由年代际来看，1970较1960呈略有下降趋势，1980年代至1990年代有明显下降趋势，而后的20年里，夏日天数持续增加，但总体来看增幅略小于降幅。近50年来，安康出现冰日的天数仅有10 d，其中1960年代出现5 d，1970年代有4 d，21世纪初叶出现1 d，而1980至1990年代这20年内，无一日最高气温小于0 ℃。因此，冰日出现的天数呈明显下降趋势，变率为-0.11 d/10年。热夜天数呈现增长趋势，变率1.42 d/10年。由年代际的变化来看，1960到1970年代，热夜天数快速上升，1980年代，热夜天数下降，之后的20年里，热夜天数呈现阶梯式上升变化，反映出热夜这一指数在近20年来呈稳定的增长趋势。霜日呈现出较大幅度的下降趋势，变率为-3.56 d/10年，其年代际平均值仅在21世纪初出现了一个上升阶段，其余年份均呈现下降趋势。

图3　安康市1963-2012年极端气温绝对指数变化趋势

由其累积距平图(图4)看出，1990年代后夏日天数明显减少，造成了近50年来夏日天数均值的减少。相应的，热夜天数也有轻微下降趋势。而1980年代后霜日的减少，起到了减少近50年来热夜天数均值的作用。可以推测，1980-1990年代间，气候变暖的幅度较大，1980年代应该是突变发生的年代。

图4　安康市1963-2012年极端气候指数累积距平

由图5可以看出，冷夜天数在50年来持续波动下降，尤其是在1960年代向1970年代过渡时，下降的幅度为历年最大。在之后的年份，虽有所上升，但升幅较小。由图5可以清楚地看出，冷夜变率为-2.61 d/10年，变率较大。相反，暖夜呈现明显的上升趋势，变率为4.12 d/10年，是10个指数中变率最大的。由年代际的变化来看，近50年中，前30年暖夜天数小幅度下降，而后20年则以较大幅度上升。冷日天数的变化趋势同冷夜天数的变化趋势具很高的相似度。但其变率稍小于冷夜，仅-2.084 d/10年，呈现小幅下降。冷日的年代际平均值在1960向1970年代过渡时，下降幅度较大，而在21世纪初叶有所上升，但升幅较小。暖日的波动幅度较大，但总体呈上升趋势，其变率为2.201d/10年。由年代际均值变化来看，1980年代前后变化趋势截然相反，1960年代至1980年代呈下降趋势，1980年代之后呈大幅度上升。冷夜、冷日的累积距平变化(图6)显示，1990年代前期冷夜、冷日天数减少较快，而暖夜、暖日的快速变化则出现在1990年代中期。

3.2极端气温的年代际变化

由上述极端气候指数变化趋势图中的年代际平均值和图2、4、6中的累积距平值来看，安康市近50年来的极端气温变化存在年代际变化特征，不同的时间序列有不同的变化。

结合表3和图1~图6进行综合分析，可以看出极端最低气温、夏日、冰日、热夜、霜日、暖夜、暖日均呈现一个U型变化，其年代最低值出现在1980年代或1990年代。极端最高气温近年来

表3　安康市1963-2012极端气温指数年代际变化

图5　安康市1963-2012年极端气候相对指数变化趋势

图6　安康市1963-2012年极端气候指数累积距平

有所下降。冰日出现的天数虽较少，但下降趋势明显，进入21世纪后冰日数量有所回升。热夜数量在过去50年来逐年代呈上升趋势，霜日数量总体呈下降趋势，但进入21世纪后出现回升。冷夜数量波动较大，下降的趋势也较大，从1960年代到21世纪初下降了近11 d/年，尤其是1960-1970年代间，下降的竟有14 d/年。暖夜数量除1980年的突减以外增幅也较大，从1980年到21世纪初增加了近30 d/年。冷日的年代际变化与冷夜的年代际变化极为相似，均呈波动下降趋势。同样，暖日的变化趋势也同暖夜相似，但变化的幅度略小于暖夜，从1980到21世纪上升了27 d/年。极端热指数呈增加趋势，热夜由1960年代至今平均增加了9 d，暖夜15 d，暖日3 d；极端天气冷指数呈下降趋势，冰日减少了0.4 d，霜日10 d，冷夜12 d，冷日9 d。

3.3极端气温的周期分析

小波分析方法[10]是一种介于方波分析与传统傅里叶分析之间的时域—频域分析方法，被誉为“数学显微镜”，具有良好的时域和频域局部性质。相较其他小波函数而言，复数的Morlet小波具有很好的频率分析能力。对于总能量谱而言，复小波实部和虚部的能量谱在不影响小波的频域分辨率的同时，能够明显提高分析结果的时间分辨率。因此，本文运用此方法对极端气温指数进行了周期检测，下列小波分析图中实线代表偏多，虚线代表偏少。

由图7可见，极端最低气温存在6年、16年、27年左右的准周期，27年左右的振荡周期为其主要控制周期，6年周期较为复杂且变化多样。极端最高气温存在15年、27年左右的准周期，同样的，27年左右的周期贯穿始终，为其主要控制周期。由图5可看出，极端最高气温呈现出高-低-高的变化过程。

图7　安康1963-2012年极端温度事件的变化周期

图8为夏日、冰日、热夜、霜日的小波周期图。由图8可以看出，夏日具有11年、16年、27年左右的准周期，27年左右的准周期仍然是夏日的主控周期。11年周期及16年周期均于1970年代出现，到20世纪末期消失。热夜存在17年，27年左右的准周期，对称性较好，27年周期贯穿始终，但17年周期出现于1970年代早期，消失于20世纪末，呈现出多-少-多的变化趋势。霜日存在7年、17年、27年左右的准周期，7年周期呈现出多次波动的特点，其主控周期仍为27年。以上三个极端指数的主控周期都是27年，且都经历了多-少-多的周期变换。冰日周期变换较为复杂，存在6年、27年左右的周期，周期性表现不明显。

图8　安康极端气温绝对指数的变化周期

图9为冷夜、暖夜、冷日、暖日的小波周期图。由图9可知冷夜存在5年、16年、27年左右的准周期，5年周期不明显且不连续，16年和27年周期始终贯穿研究时域，都很明显。其中27年周期呈现出冷-暖-冷的变化的特点，16年周期变化更为多样。冷日的周期变化与冷夜较为相似，存在7年、17年、27年左右的准周期，同样的，7年周期不太连续，出现于1960年代中期，之后一直持续到研究时域结束。17年、28年周期明显而连续，且始终贯穿于研究时域。暖夜存在8年、28年左右的准周期，8年周期不明显，28年周期为其主导周期。暖日也存在8年、28年左右的准周期，且28年周期也是主导周期，但相比于暖夜的周期来说，8年周期连续性更好，更明显一些。另外，图9显示，暖夜、暖日二者均呈现暖-冷-暖的变化特点。

图9　安康1963-2012年极端气温绝对指数的变化周期

4讨论

4.1极端气温变化的原因

由以上分析可知，近50年来安康地区极端天气冷指标下降，热指标上升，安康地区整体气温呈现上升的状态。虽然目前没有足够理论依据说明气候变暖与极端天气事件之间的必然联系，但不能否认两者之间的微妙联系，可以推测安康地区极端天气现象的变化与全球气候变暖的大趋势相关。气候变暖[11]指的是以大气温度升高为主要特征的气候系统总温度随时间变化不断升高的趋势。极端气温的升高可能是气候变暖的表现，而如冰日、冷夜等冷指数的减少，以及热夜、夏日等热指数的增加，也可以反映出气温上升的大趋势。

关于气候变暖的原因还存在不同认识[12-13]，但广泛受到学术界支持的说法是气候变暖是人类活动和自然因素共同作用的结果。人类活动主要指的是生产生活中大量温室气体的排放，以及二十世纪以来快速城市化过程中的土地利用，还有与之相关的人为植被破坏、人口激增等等。当然，太阳辐射变化、地球内部能量变化以及大气成分变化也有可能是造成气候变暖现象的部分原因，但我们不能忽视人类活动在近几十年的全球气候变暖过程中所起的重要推动作用。

4.2极端气温变化造成的灾害

极端气温的变化对区域的降水造成了极大的影响。据资料[14]显示，安康地区1957-1985年间发生特大旱灾，持续时间为60～90 d，对农作物生长以及人们的生产生活造成巨大影响。近30年来，陕南共发生8次旱灾，其中连旱次数5次[15]。干旱使农作物枯死，粮食产量锐减，严重影响该区人们的经济收入及区域的经济发展。然而，在1983年安康却发生特大洪水灾害，同样造成了巨大的损失及危害。除此之外，安康地区还易发生冰雹灾害。据统计[14]，自建国以来，安康就发生过百次左右的雹灾。以上这些灾害与极端气温的变化密切相关。另外，由于陕南地区特殊的地质构造及地形地貌，干旱和洪涝灾害还会带来许多次生灾害，如蝗灾、水荒、火灾、滑坡、泥石流等。因此，我们在防治旱涝灾害的同时，也应对这些次生灾害有一定的认识和了解，以求达到防灾减灾的目的。

4.3极端气温的规律和未来变化

极端气温指数的周期规律表明，极端最高气温、极端最低气温、夏日、热夜都存在27年左右的周期，冰日存在29年左右周期，暖夜存在28年左右的周期，暖日存在28年左右周期，都为27年左右。因此，我们应当利用灾害发生以27年为周期的规律，预测未来极端天气事件发生的时间范围，以减少灾害损失。同时，根据安康近50年气候变化趋势分析，安康地区未来年平均气温还将增高。之后可能会进入相对的冷期，极端气温冷指数值有可能继续增加，这意味着霜冻、干旱等气象灾害的发生概率增加，而极端气温热指数值有可能会进入低谷期，夏季持续高热的现象可能会减少。就现有科技手段和观测技术来看，人类完全掌握地球大气变化还不能实现，但就目前全球各地的增温趋势来看，要警惕这种异常的增温现象，做好观测、预报工作。

5结论

本文对陕西安康地区近50年的10个极端气温指数进行了分析研究，得出以下结论。

(1)安康地区近50年的极端最高气温有较小下降趋势，而极端最低气温有上升趋势，其变率分别为-0.11 ℃/10年和0.176 ℃/10年，极端最低气温的变化趋势大于极端最高气温。

(2)近50年来，安康地区冰日、霜日、冷夜、冷日呈下降趋势，其中霜日的下降趋势最大。热指数中除了夏日之外，其他的几个指数均呈上升趋势，其中暖夜的上升趋势最大。近50年热夜由1960年代至今平均增加了9 d，暖夜增加15 d，暖日增加3 d；冰日减少了0.4 d，霜日减少10 d，冷夜减少12 d，冷日减少9 d。

(3)1980年代到1990年代是各气温指数的突变年。暖日及暖夜在1980年代后上升的幅度最大。而霜日、冷日、冷夜等指数在1990年代达到一个最低点。

(4)安康地区近50年极端气温变化存在周期规律，包括27年左右的长周期，16年左右的中周期和6年左右的短周期。

(5)安康近50年极端气温的变化会使得该区旱灾、高温灾害、农业病虫害增加，应该做好防治措施。

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Research on the Variation of Extreme Temperature Index in Ankang, Shaanxi in Recent 50 Years

Zhao Jingbo1, 2, Yang Xiaoyu2, Xu Yonghong2and Zhou Qi1

(1.ShaanxiProvincialKeyLaboratoryofDisasterMonitoringandSimulationMechanism,BaojiUniversityofArtsandSciences,Baoji721007,China; 2.CollegeofTourismandEnvironmentalSciences,ShaanxiNormalUniversity,

Xi’an710062,China)

Abstract:Based on the daily temperature data from 1963 to 2012 of Ankang, 10 kinds of extreme temperature indices which suggested by WMO are calculated by using the linear trend method, accumulative anomaly method and Morlet wavelet analysis. The results show that four indices including the minimum temperature, hot night, warm night and warm day are on the rise, while the six indices including the maximum temperature, summer day, ice day, frost day, cold night and cold day are on the decline in the Ankang region in recent 50 a. The extreme temperature indices has three type of cycles in change, that is the long cycle of 27 a, the middle cycle of 16 a and the short cycle of 6 a. The change of extreme temperature indices has mutations which occurred in the 1980’s to 1990’s. The extreme thermal indices showed an increasing trend, such as hot night increased 9 d from 1960’s to now, warm night increased 15 d and warm day increased 3 d. While, the extreme cold indices show a downward trend, such as ice day decreased 0.4 d, frost day reduced 10 d, cold night reduced 12 d and cold day decreased 9 d. The change of extreme temperature in Ankang will make the drought, high temperature, agricultural pests and diseases increased in the future.

Key words:extreme temperature; variation trend; changes of indices; regularity of cycle; Ankang of Shaanxi Province

doi:10.3969/j.issn.1000-811X.2016.02.018

中图分类号：X43；P423

文献标志码：A

文章编号：1000-811X(2016)02-0089-06

作者简介：赵景波(1953-)，山东滕州人，博士，教授，博士生导师，从事第四纪与环境科学研究. E-mail: zhaojb@snnu.edu.cn

基金项目：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)

*收稿日期：2015-09-23修回日期：2015-11-20

赵景波, 杨晓玉, 许永红，等. 陕西安康近50年来极端气温指数变化研究[J].灾害学, 2016,31(2):89-94.[ Zhao Jingbo, Yang Xiaoyu, Xu Yonghong,et al. Research on the Variation of Extreme Temperature Index in Ankang, Shaanxi in Recent 50 Years[J].Journal of Catastrophology, 2016,31(2)：89-94.]