近52 a秦岭南北极端温度变化及其与区域增暖的关系

王　钊，彭　艳，魏　娜

(1.陕西省农业遥感信息中心，陕西　西安　710014；2.陕西省气象科学研究所，陕西　西安　710016；3.陕西省气候中心，陕西　西安　710014)



近52 a秦岭南北极端温度变化及其与区域增暖的关系

王钊1，彭艳2，魏娜3

(1.陕西省农业遥感信息中心，陕西西安710014；2.陕西省气象科学研究所，陕西西安710016；3.陕西省气候中心，陕西西安710014)

摘要：利用中国气象局提供的地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)中均一化温度数据，分析了1961～2012年陕西境内秦岭山脉南北两侧4个地貌单元平均最高温度和最低温度的趋势分布特征，同时采用极端气候指标计算软件RClimdex计算了5种极端温度指数，并分析其变化特征及其与区域增暖的关系。结果表明：不同季节秦岭地区极端温度变化存在较大的差异，平均最高温度春季增暖信号最明显，而平均最低温度冬季升温明显，不同的增暖趋势导致了秦岭地区春季、秋季气温日较差变大，冬季、夏季气温日较差变小。陕北黄土高原、关中盆地、秦岭南坡和汉水流域平均最高、最低温度变化趋势基本一致，但变化幅度存在一定差异，其中秦岭北部黄土高原和关中盆地平均最低、最高温度的变化幅度均大于南部的秦岭南坡和汉水流域，尤其平均最低温度关中盆地增幅更明显。秦岭北部2区域极端最低温度相关指数的变化幅度大于极端最高温度指数，而南部2区域前者的变化幅度小于后者。秦岭山脉区域增暖与平均最高、最低温度变化密切相关，还受极端温度变化的影响，其北部地区增暖主要是暖夜增加的贡献，而南部地区增暖主要与暖昼增加有关。

关键词：秦岭；RClimdex；极端温度

引言

近百年来，全球正经历着一场以变暖为主要特征的显著变化。随着全球气候的变暖，极端天气气候事件发生的频率和强度也随之发生改变，某些极端天气气候事件可能增加或者增强。因此，对各类极端天气气候事件的研究再次成为新目标。Karl等研究揭示，美国和前苏联极端最低温度在过去几十年有明显上升趋势，而极端最高温度的变化则表现出较强的区域性，从大范围看无显著的变化趋势[1]。Frich等发现20世纪后半叶逐年的极端最高温度与极端最低温度的差异在显著减小[2]。国内研究表明，近些年中国最高温度和最低温度均有所增加，极端最低温度的显著增高是平均气温增高的主要贡献因素[3-14]。Qian等[15]统计分析了11个极端气温指数后指出，目前沿黄河流域附近地区，冷日显著减少，黄河中上游、华南沿海及其它一些地区暖日均增加，全国大部分地区冷夜减少、暖夜增加，霜冻期明显缩短，华北、东北地区生长季延长，持续暖日数在华北明显增加, 而持续冷日数大部分地区都减小。

秦岭是我国北方干冷空气南下和南方湿暖空气北上的自然屏障，是地理、地质、水文、生态、环境和气候的天然分界线。其特殊的位置和地形形成了独特的山地气候，在水源涵养、物种保护、生态景观等方面发挥着重要作用，是我国中部重要的生态安全屏障。近年来随着关中地区和汉江沿线的快速城市化，秦岭生态环境显得尤为脆弱。方建刚[16]、李双双[17]、张立伟[18]、周琪[19]等对陕西地区温度变化研究主要偏重于变化趋势及突变等方面，而对于秦岭地区温度变化对区域增暖的贡献涉及较少。本文旨在深入研究秦岭山脉南北两侧极端温度变化特征，探讨极端温度的变化对秦岭山区增温的可能影响。

1资料和方法

选用1961～2012年秦岭山区(32°N～35°N、106°E～112°E)陕西境内47个气象站日平均温度、最高温度和最低温度的均一化资料，站点海拔高度285～2 065 m。根据不同海拔和地貌单元，将其分成4个研究区域：北部的陕北黄土高原(7站)和关中盆地(22站)，南部的秦岭南坡(5站)和汉水流域(13站)。上述气候资料来源于国家气象信息中心“地面基础气象资料建设”专项的“中国国家级地面气象站基本气象要素日值数据集(V3.0)”。该数据集经过严格的质量控制，其完整性和质量较以往发布的版本均有明显提高。

采用WMO等国际机构认可的由加拿大等科研机构研发的RClimdex软件计算了5个极端温度事件的指数(表1)，用以反映秦岭山脉南北两侧极端温度事件的变化特征。

表1　极端温度指数定义(单位：d)

2结果分析

2.1秦岭地区平均最高温度和最低温度变化特征

2.1.1年变化特征

图1给出了秦岭地区年平均最高温度和最低温度的变化特征。由图1a可看出，年平均最高温度各站均呈增加趋势，增温范围较均匀，南北差异较小，其中秦岭北部的陕北黄土高原和关中盆地平均增温幅度均为0.20 ℃/10 a，南部的秦岭南坡和汉水流域平均增幅分别为0.18 ℃/10 a、0.12 ℃/10 a，北部略高于南部。就年平均最低温度而言(图1b)，除中东部个别站点外，其余站点均呈增加趋势，整体上秦岭山脉北部增温明显强于南部，北部陕北黄土高原和关中盆地平均增温率为0.20 ℃/10 a、0.25 ℃/10 a，南部秦岭南坡和汉水流域平均增温率为0.02 ℃/10 a、0.14 ℃/10 a，其中北部关中盆地有5个站点最低温度增幅超过0.40 ℃/10 a，户县最高达0.58 ℃/10 a。

2.1.2季节变化特征

分析了1961～2012年秦岭山脉各站点(图2)及南北两侧不同地域单元(图3)季节平均最高温度的变化趋势。可以看出，近52 a秦岭山脉各站平均最高温度在春、秋、冬季的变化趋势一致，均呈现出不同程度的增暖趋势(图2)，其中北部的陕北黄土高原春、秋、冬季最高温度的平均增温率分别为0.43 ℃/10 a、0.31 ℃/10 a、0.37 ℃/10 a，关中盆地分别为0.45 ℃/10 a、0.27 ℃/10 a、0.29 ℃/10 a；南部的秦岭南坡分别为0.46 ℃/10 a、0.33 ℃/10 a、0.38 ℃/10 a，汉水流域分别为0.35 ℃/10 a、0.15 ℃/10 a、0.13 ℃/10 a，增温幅度春季最大，且北部黄土高原和南部秦岭南坡高海拔区秋、冬季的增温幅度均较高，不同季节最高气温的升降时间略有不同。其中，春季平均最高气温1980年代以前波动上升，此后至1990年代中期有弱的下降趋势，1990年代后期再次迅速增加；秋季和冬季平均最高温度则呈持续波动增加趋势。然而夏季除个别站点外，其余站点平均最高温度的气候倾向率均为负，秦岭南坡最高温度呈弱的增加趋势，其余3区域均呈微弱的减少趋势，其中1960年代末至1980年代中期下降趋势明显，此后到2000年代初有一个回升，整体上仍以下降趋势为主。

图1　1961～2012年秦岭山脉南北两侧各站点平均

图2　1961～2012年秦岭山脉南北两侧各站点四季平均最高温度变化趋势分布(单位:℃/10 a)

图3　1961～2012年秦岭山脉南北两侧四季平均最高温度变化趋势

与平均最高温度相比，秦岭山脉各站季节平均最低温度的变化趋势不尽一致，整体上均呈增加趋势(图4)，秦岭北部的陕北黄土高原和关中盆地四季平均最低温度的增温幅度高于南部的秦岭南坡和汉水流域，增温幅度差异春季和冬季最明显，其中黄土高原春、夏、秋、冬季的平均增温率分别为0.26 ℃/10 a、0.07 ℃/10 a、0.12 ℃/10 a、0.39 ℃/10 a，关中盆地分别为0.30 ℃/10 a、0.16 ℃/10 a、0.19 ℃/10 a、0.38 ℃/10 a，秦岭南坡分别为-0.03 ℃/10 a、-0.03 ℃/10 a、0.13 ℃/10 a、0.12 ℃/10 a，汉水流域分别为0.10 ℃/10 a、0.04 ℃/10 a、0.15 ℃/10 a、0.23 ℃/10 a，其中以冬季最低温度增暖最明显(图5)。

图4　1961～2012年秦岭山脉南北两侧各站点四季平均最低温度变化趋势分布(单位:℃/10 a)

图5　1961～2012年秦岭山脉南北两侧四季平均最低温度变化趋势

上述最高、最低气温分析表明，秦岭山脉北侧的陕北黄土高原、关中盆地和秦岭南坡3区域春、秋季的气温日较差增大，冬、夏季的气温日较差减小，而汉水流域除春季气温日较差增加外，其余季节气温日较差均呈减小趋势。

2.2极端温度指数变化特征

图6给出秦岭山脉南北两侧极端温度指数的变化特征。可知，近52 a秦岭北部陕北黄土高原、关中盆地和南部秦岭南坡、汉水流域的霜冻日数均呈明显下降趋势，下降幅度分别为-2.5 d/10 a、-3.7 d/10 a、-1.6 d/10 a、-2.6 d/10 a，下降主要始于1980年代中后期，其中1990年代末至2000年代中期下降最明显。除秦岭南坡冷夜日数呈弱的增加趋势外(0.04 d/10 a)，其余地区冷昼、冷夜日数均呈下降趋势，其中秦岭北部陕北黄土高原上述2指数下降幅度分别为-0.6 d/10 a和-0.8 d/10 a，关中地区分别为-0.8 d/10 a、-1.4 d/10 a，汉水流域分别为-0.4 d/10 a和-0.8 d/10 a，前两者较后者的降幅大且更显著。进一步分析发现，冷昼日数大致经历了2个变化阶段，2000年代以前偏多，2000年代以后明显偏少；而冷夜日数则表现为1960年代明显偏多、2000年代明显偏少的变化特征。暖昼、暖夜日数的变化特征与上述3指数正相反，整体表现为增多趋势，其中陕北黄土高原区上升幅度分别为1.4 d/10 a和1.7 d/10 a，关中盆地分别为0.8 d/10 a和1.5 d/10 a，秦岭南坡分别为1.0 d/10 a和0.6 d/10 a，汉水流域分别为0.6 d/10 a和0.7 d/10 a。除秦岭南坡外，其余地区暖夜日数的增幅较暖昼日数大，且北部黄土高原和关中盆地的增幅较南部汉水流域大。进一步分析发现，暖昼日数1970～1980年代偏少，1990年代末至2000年代明显偏多；而暖夜日数1960年代中后期至1990年代初期偏少，1990年代后期至2000年代明显偏多。可见，对于秦岭山脉北部而言，与最低温度相关的指数变化幅度大于与最高温度相关的指数变化幅度，表明近52 a来北部黄土高原和关中盆地夜间增暖明显；而秦岭山脉南部则相反，与最高温度相关的指数变化幅度大于与最低温度相关的指数，表明秦岭南部地区日间增温略高于夜间增温。综上所述，近52 a霜冻、冷昼、冷夜日数的减少及暖昼、暖夜的增加表明秦岭山脉有气候增暖趋势，且北部增暖幅度高于南部，北部主要以夜间增暖为主，南部主要以日间增暖为主。

图6　秦岭山脉南北两侧极端温度指数年变化特征

2.3最高、最低温度变化与区域增暖的关系

研究表明，20世纪以来全球表面气温增加了0.6 ℃，全球大范围增暖基本是从1976年开始的，中国近50 a增暖尤其明显, 增暖主要发生在20世纪80年代中期以后[20]，但是不同地域存在一定的差异。图7给出了秦岭山脉南北两侧的陕北黄土高原、关中盆地、秦岭南坡和汉水流域平均温度的变化趋势。可看出，陕北黄土高原、关中盆地、汉水流域3区域温度增暖的趋势存在较好的一致性，增暖基本上是从20世纪80年代中期开始，一直持续到21世纪初期，但是增暖幅度略有差异，北部高于南部。

图7　秦岭山脉南北两侧平均温度距平年变化

为明确年平均最高温度、最低温度与区域增暖(用年平均温度表示)的关系，计算了它们之间的相关系数，得出陕北黄土高原、关中盆地、秦岭南坡和汉水流域4个区域平均最高温度与区域增暖的相关系数分别为0.88、0.91、0.85、0.87，而平均最低温度与区域增暖的相关系数分别为0.68、0.77、0.49、0.63，表明平均最高温度、最低温度的增加均会直接导致秦岭地区区域增暖，且对其北部区域增暖的影响明显高于南部，平均最高温度的增加对区域增暖的影响明显高于平均最低温度的增加。

2.4极端温度变化与区域增暖的关系

为进一步明确极端温度事件对区域增暖的贡献，分析了5个极端温度指数与区域增暖(用年平均温度变化表示)的相关关系(表2，均通过α=0.01的显著性检验)。由表2可见，陕北黄土高原、关中盆地、秦岭南坡和汉水流域4地区的霜冻日数均与区域增暖呈显著负相关，二者的相关系数分别为-0.66、-0.74、-0.52、-0.50，表明这4个区域霜冻日数的减少会导致区域增暖；同霜冻日数一样，冷夜、冷昼日数与区域增暖也呈明显的负相关关系，4个区域冷夜日数与区域增暖的相关系数分别为-0.65、-0.62、-0.49、-0.51，冷昼日数与区域增暖的相关系数分别为-0.73、-0.71、-0.69、-0.77，说明冷夜与冷昼日数的减少也会引起区域性增暖，且冷昼的影响更大；与上述3指标相反，暖夜、暖昼与区域增暖呈明显正相关关系，4个区域暖夜日数与区域增暖的相关系数分别为0.81、0.87、0.70、0.72，暖昼日数与区域增暖的相关系数分别为0.82、0.78、0.73、0.78，表明黄土高原夜间增暖与日间增暖对区域增暖的贡献基本相当，关中盆地夜间增暖对区域增暖的贡献高于白天增暖的贡献，而秦岭南部区域增暖白天的贡献高于夜间。

表2　秦岭山脉南北两侧极端温度

秦岭山脉南北两侧4个区域内的极端温度及其与之相关的5个指数变化特征的差异可能与城市化气候效应差异有关[21]，关中盆地位于秦岭和陕北高原中间河谷盆地，城市化发展明显快于秦岭南坡和汉水流域，从而造成其城市上空温室气体和气溶胶浓度高于秦岭南部[22-23]，这些温室气体和气溶胶粒子吸收和散射太阳短波和大气长波辐射，加之特殊的地形和气象条件下春季和冬季易在关中城市群上空形成较厚的逆温层，阻挡城市热量的扩散，进而导致关中盆地春、冬季城市最低温度明显增加现象高于黄土高原、秦岭南坡和汉水流域。

3结论

(1) 秦岭山脉北部的黄土高原、关中盆地最低、最高温度的增幅均较其南部的秦岭南坡和汉水流域明显，其中关中盆地、黄土高原、秦岭南坡和汉水流域年平均最低温度的增温幅度分别为0.25 ℃/10 a、0.20 ℃/10 a、0.02 ℃/10 a、0.14 ℃/10 a；年平均最高温度的增幅分别为0.20 ℃/10 a、0.20 ℃/10 a、0.18 ℃/10 a、0.12 ℃/10 a，且4区域的差异相对较小。

(2) 就季节而言，秦岭地区最高温度春季增温最明显，北部黄土高原、关中盆地春季增温幅度分别为0.43 ℃/10 a、0.45 ℃/10 a，南部秦岭南坡和汉水流域分别为0.46 ℃/10 a，0.36 ℃/10 a；而最低温度则在冬季增温最明显，4个区域的增温率依次为0.40 ℃/10 a、0.39 ℃/10 a、0.13 ℃/10 a、0.24 ℃/10 a。秦岭地区春、秋季气温日较差变大，冬、夏季气温日较差变小。其中南北两侧黄土高原、关中盆地和秦岭南坡春、秋季气温日较差增大，冬、夏季气温日较差减小；而汉水流域除春季气温日较差增加外，其余季节均呈减小趋势。

(3) 极端温度指数的变化特征表明，近52 a来霜冻、冷昼、冷夜日数的减少及暖昼、暖夜日数的增加表明秦岭山脉气候呈增暖趋势，且北部增暖幅度高于南部，北部主要以夜间增暖为主，南部主要以日间增暖为主。

(4)平均最高温度和最低温度的增加直接导致秦岭山脉区域增暖，且对其北部区域增暖的影响明显高于南部，平均最高温度的增加对区域增暖的影响明显高于平均最低温度的增加。

(5)极端最低温度和极端最高温度的增加对秦岭山脉区域增暖均有明显贡献，黄土高原和关中盆地夜间增暖对区域增暖的贡献高于白天，而秦岭南坡和汉水流域区域增暖夜间和白天的贡献基本相当。

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Variation Trends of the Extreme Temperature and Its Relationship with Regional Warming in the South and North Sides of the Qinling Mountain During 1961-2012

WANG Zhao1, PENG Yan2, WEI Na3

(1.ShaanxiRemoteSensingInformationCenterforAgriculture,Xi’an710014,China;2.MeteorologicalInstituteofShaanxiProvince,Xi’an710016,China;3.ClimateCenterofShaanxiProvince,Xi’an710014,China)

Abstract:Based on homogeneous daily average, maximum and minimum temperature data of 47 weather stations in Shaanxi Province from China Meteorological Administration, the trend characteristics of the averaged maximum and minimum temperature during 1961-2012 in four geomorphic units in the south and north sides of the Qinling Mountain were analyzed firstly. Then five indices of extreme temperature were calculated by RClimdex software, and its relationship with regional warming was studied. The results showed that the variation trends of extreme temperature over the study area in four seasons had great differences, the increase of maximum temperature during 1961-2012 was most significant in spring, but for minimum temperatures increase was obvious in winter, and the climatic increasing rates of the maximum and minimum temperature in four seasons were different, which amplified the daily temperature range in spring and autumn and reduced that in summer and winter. The extreme temperatures all appeared increasing trends in loess plateau, Guanzhong basin, south slope of the Qinling Mountain and Hanshui basin, but the increasing rates in loess plateau and Guanzhong basin of northern Qinling Mountain were higher than that in south slope and Hanshui basin of southern Qinling Mountain, especially the increasing of minimum temperature in Guanzhong basin. The variation rates of extreme minimum temperature indexes in northern Qinling Mountain were greater than that of extreme maximum temperature, while that of the former in southern Qinling Mountain was less than the latter. In addition, the regional warming in the Qinling Mountain was not only bound up with the maximumn and minimum temperature, but also was affected by the extreme temperature, and that in north part of the Qinling Mountain was closely related to the increase of warm nights(TN90P), while in south part of Qinling Mountain it was more likely related to increasing of warm days (TX90P).

Key words:Qinling Mountain; RClimdex; extreme temperature

中图分类号：P467

文献标识码：A

文章编号：1006-7639(2016)-02-0269-07

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0269

作者简介：王钊(1980- )男，甘肃庆阳人，高级工程师，硕士，主要从事城市气象及气溶胶卫星遥感研究. E-mail:sandstom@163.com

收稿日期：2015-02-06；改回日期：2015-05-18

王钊，彭艳，魏娜.近52 a秦岭南北极端温度变化及其与区域增暖的关系[J].干旱气象，2016，34(2)：269-275, [WANG Zhao, PENG Yan, WEI Na. Variation Trends of the Extreme Temperature and Its Relationship with Regional Warming in the South and North Sides of the Qinling Mountain During 1961-2012[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(2):269-275], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-02-0269