近54年来漳州市极端气温事件分析*

.漳州市热带作物气象试验站 .福建省热带作物科学研究所 李丽容庄文晶张 琳卢松茂

近54年来漳州市极端气温事件分析*

1.漳州市热带作物气象试验站 2.福建省热带作物科学研究所 李丽容1庄文晶1张 琳1卢松茂2

极端气温事件对农业生产具有重要影响。利用漳州市1961～2014年10个站点的逐日气温资料，采用线性趋势、滑动平均、主成分分析及相关分析等方法，进行漳州市极端气温事件变化规律研究。结果表明，（1）漳州市极端气温阈值分布在西北－东南方向存在明显差异。(2)冷昼日数、冷夜日数、霜冻日数和冷持续日数呈减少趋势；暖昼日数、暖夜日数、夏日日数、热夜日数和暖持续日数呈增加趋势；日高气温的极小（大）值、日最低气温的极小（大）值呈增加趋势，而气温日较差呈减小趋势。（3）漳州市沿海和内陆县市的各指数均值和变化幅度均呈现显著差异，且冷暖、昼夜及极值变化呈现明显的不对称性。（4）主成分分析结果将极端气温指数划分为5类，总的贡献率达到81.02%。相关分析表明，各暖指数之间、各冷指数之间基本呈正相关关系。漳州市具有暖化倾向，且气温极值向两极化发展，农业生产应采取相应的适应对策。

漳州市 极端气温 农业生产

1 概述

近50年来，气候向极端方向发展的趋势愈发明显，各国学者对不同地区的极端气温变化展开了深入而广泛的研究。如Frich等[1]指出，全球暖夜日数显著增加，霜冻日数显著减小，年内温度差呈显著减小趋势。Alexander等[2]分析指出，全球有70%的地区都呈现冷夜明显减少、暖夜明显增加的趋势，暖昼和暖夜的变化相似，但是变化幅度较小。Aguilar等[3]研究发现，中美洲和南美洲北部地区暖最高、最低气温出现的频率呈增加趋势，冷最高、最低气温出现的频次呈减少趋势。Choi等[4]研究发现，亚太地区冷夜（昼）日数明显减少，而暖夜（昼）日数明显增加，且暖夜日数变化幅度比冷夜日数变化幅度大。Brabson和Palutikof[5]研究发现，英国中部地区10年一遇的极端气温事件发生频率增大；Vincent等[6]研究指出，西印度地区暖昼和暖夜日数呈增加趋势，而冷昼和冷夜日数呈减少趋势，暖指数变化幅度比冷指数变化幅度大。国外研究学者对极端天气的研究主要集中在对其长期平均趋势方面，而对极端天气气候事件空间变异的研究比较少。我国极端气温事件的变化极其复杂，具有明显的区域性和局地性，诸多学者[7-42]就我国全国、流域、省以及局地等不同尺度的极端气温变化进行了大量的研究工作。如翟盘茂和潘晓华[7]分析指出，中国北方夜间温度极端偏低的日数显著趋于变少；白天温度偏高的日数则趋于增多（只有华北南部例外），同时日最低气温小于0℃的日数显著减少。张徐杰等[8]研究指出，钱塘江流域极端气温有上升的趋势，极端高温有着较为明显的地域差别，沿海一带极端高温上升快，尤以嵊县一带最为严重，而淳安一带变化趋势最不明显。王刚等[9]研究指出，海河流域极端高温的强度、频度和持续时间均有较强的增加趋势，极端低温的强度、频度显著降低。任健美等[10]研究指出，山西暖日事件频率有明显的增加趋势，冷夜事件有减少趋势。王晓东等[11]研究指出，1957～2006年河北省极端高温事件增加而极端低温事件减少，冬季变暖的趋势比较显著；低温日数有显著减少趋势，但高温日数有一个微弱的上升趋势，其变化趋势的空间分布具有很好的一致性。黄琰[12]、周雅清[13]、向旬[14]、江志红[15]、马柱国[16]、师银芳[17]、任志艳[18]、陈效逑[19]、游庆龙[20]、严平勇[21]、孙娴等[22-42]就全国、各流域、各省以及局地地区的极端气温变化进行了大量的研究工作。他们从时空场角度研究区域极端气温事件的变化，发现其内在的一些特定规律。但总体呈现出极端气温呈上升的趋势，暖事件增加，冷事件减少，且变化幅度具有明显的地域差异。

也有学者对漳州市的气温变化特征做了一些相关研究，对于漳州市气温变化的研究多侧重于气温平均场变化研究[43-44]。漳州市属南亚热带海洋性季风气候，降水充沛，干、湿季分明，海洋性气候特点较为突出，西北有高山阻挡寒流入侵，东南有海洋暖湿气流调节，漳州市西北部山区和东南部沿海地区的气候差异性较大。因此非常有必要以不同极端气温变化指数，从时空场角度对漳州市极端气温的变化规律做一个比较全面、详细的研究和探讨,尤其空间差异性的分析。近年来大力发展对台农业，大量引进台湾的珍稀作物和名优水果，漳州市种植的作物或果树多为热带和亚热带作物，大都耐寒性较差，农业生产对极端气温的变化脆弱性特征显著。在极端气温变化的基础上探讨其对漳州农业生产的影响，以期为漳州市农业生产和防灾减灾提供气象依据。

2 资料与方法

2.1 极端气温指数的定义

选取广泛应用在极端气温事件研究的世界气象组织世界研究计划和预测研究项目推荐的15种极端气温指数。极端气温指数（见表1）分为4类，第1类是相对指数，选择冷昼（夜）、暖昼（夜）日数；第2类是绝对指数，是基于原始观测数据和固定阈值的指数，选择热夜日数、夏季日数、霜冻日数。由于漳州地区各站点历年日最高气温均大于0℃，冰冻日数均为0d，本文不再分析。第3类是极值指数，为年内日最高（低）气温的极大（小）值，选择日最高（低）极大（小）值。第4类是其他指数，主要选择气温日较差、暖持续日数和冷持续日数。漳州地区一年四季均适宜作物生长，因此生物生长季指标未进行分析。阈值的确定采用Bonsal[46]的非参数化方案。

表1 极端气温指数的定义

2.2 研究资料和方法

漳州市位于北纬23°32′～25°13′，东经116°53′～118°09′,地处福建省东南部九龙江冲积平原中下游，依山面海，地势由西北山地往东南平原依次过渡（见图1a），属南亚热带海洋性季风气候。在分析过程中综合考虑行政、地形和气候特点，将漳州市分为两个区域即沿海地区和内陆地区。本文所使用数据资料选取漳州市气象局提供的1961年1月1日至2014年12月31日漳州市10个站点（见图1b）逐日最高气温和最低气温资料，温度资料的精度为0.1℃，均已经通过质量控制。区域及代表站点如表2。

采用算术平均的方法获取整个漳州市区域的指标序列。利用Excel2007软件,采用气候倾向率法和滑动平均法对14种极端气温指数时间变化特征进行分析，采用t检验法进行变化趋势的显著性检验。利用Surfer11软件绘制极端气温事件阈值和14种指数倾向率的空间变化分布图，利用SPSS21.0软件对14种极端气温指数进行相关分析和主成分分析。

图1 漳州市地形分布图（a）和站点分布图(b)

表2 分析过程所用的气象台站及所属区域

3 结果分析

3.1 漳州市极端气温事件阈值的空间分布

漳州市各极端气温事件的阈值分布呈现出明显的区域差异（见图2）。冷昼日数阈值（日最高气温的1961～2014年的第10个百分数值）和暖昼日数阈值（日最高气温的1961～2014年的第90个百分数值）的分布自东南部向西北部递增，而冷夜日数阈值（日最低气温的1961～2014年的第10个百分数值）和暖昼日数阈值（日最低气温的1961～2014年的第90个百分数值）的分布自东南部向西北部递减。冷昼日数阈值处于15～18℃，冷夜日数阈值处于7～11℃，暖昼日数阈值处于31～35℃，暖昼日数阈值处于24～26℃。漳州各县市的气温阈值相差在2～4℃。

图2 1961～2014年漳州市极端气温事件阈值的空间分布（℃）

3.2 极端气温指数的时空变化趋势

3.2.1 相对指数

从近54年漳州市极端气温相对指数的年际变化趋势（见图3），可以看出，冷昼和冷夜日数均表现出明显的下降趋势，其年际倾向率分别为-1.89、-3.95d/10a，冷昼日数变化存在显著差异(P＜0.05)，冷夜日数变化存在极显著差异(P＜0.01)。而暖昼和暖夜日数则呈明显的上升趋势，变化均存在极显著差异(P＜0.01),其年际倾向率分别为4.66、4.72 d/10a。暖昼和暖夜的变化趋势比冷昼和冷夜的变化趋势更为明显。从5年滑动曲线可以看出，冷昼日数的变化呈波动减小趋势，在2003年左右，出现最低值，约为23d，之后又呈现微弱的上升趋势；冷夜日数的减小趋势较冷昼日数明显，20世纪60年代末，冷夜日数最大，约48d，之后一直呈波动减小趋势；暖昼和暖夜日数的5年滑动平均曲线基本一致，呈波动增大的趋势，1976年后波动增大趋势比较明显。

图3 1961～2014年漳州市极端气温相对指数趋势的年际变化趋势(d)

从空间分布（见图4）看，冷昼日数各站点处于下降趋势，变化幅度在-1.93～-5.71d/10a之间变化幅度呈现自东南向西北递减，东部台站的变化倾向率最大；冷夜日数各站点也均处于下降趋势，变化幅度在-0.307～-3.216d/10a之间，较冷昼日数小，东部和南部台站的变化幅度较大，西部和北部的变化较小；暖昼日数各站点均处于上升趋势，变化幅度0.22～8.47d/10a，东北部和西南部地区的变化幅度较大。暖夜日数各站点（除华安外）处于上升趋势，变化幅度在-0.4～8.58d/10a之间，呈现自西北向东南部增大。

图4 1961～2014年漳州市极端气温相对指数趋势的空间分布（d/10a）

3.2.2 绝对指数

近54年绝对指数的年际变化趋势同相对指数具有相似性（图5），冷指数表现为减小趋势，而暖指数表现为增加趋势，但变化程度有所不同。霜冻日数的减小趋势不明显，未通过0.05信度水平的显著性检验，其年际倾向率为-0.12d/10a；夏季日数与热夜日数均表现为不同程度的增加趋势，分别通过了0.01、0.05信度水平的显著性检验，其年际倾向率分别为2.56、1.88 d/10a。从5年滑动曲线可以看出，霜冻日数除20世纪60年代初变化比较明显外，之后的50年呈现微弱的减小趋势；夏季日数总体呈现波动增加的变化趋势，1985年左右出现最低值，约为200d，之后又增加至2006年左右出现最大值，约为230d，2006年之后又呈减小趋势；热夜日数变化比较明显，总体呈增加趋势。

图5 1961～2014年漳州市极端气温绝对指数趋势年际变化趋势(d)

从空间分布（图6）看，霜冻日数大部分站点处于下降的趋势，变化幅度在-0.331～0.05d/10a之间，南部的东山和云霄站点历年来没有出现霜冻日数，诏安站点的变化倾向率为0.005，其它站点均呈下降趋势，且自南向北的变化幅度增大。夏季日数各站点处于上升的趋势，变化幅度在1.161～ 5.101d/10a，呈现东部和西南部的变化幅度比较大，西北部地区的变化幅度相对比较小些。热夜日数的变化幅度在-1.027～4.048d/10a之间，呈现西北部地区上升趋势不明显，部分台站甚至呈下降趋势，中部和东南部沿海呈上升趋势，且变化幅度呈现自东南部向中部减小。

图6 1961～2014年漳州市极端气温绝对指数趋势的空间分布（d/10a）

3.2.3 极值指数

从时间尺度上看，近54年来漳州市的极值指数均表现为上升趋势（见图7），日最高气温的极低值（TXn）、日最低气温的极低值（TNn）、日最高气温的极高值（TXx）和日最低气温的极高值（TNx）的年际倾向率分别为0.10、0.31、0.21、0.11℃/10a。其中TXn的变化趋势较小，未通过显著性检验，TXx的变化趋势最明显，通过了0.01信度水平的显著性检验，TNn和TNx的变化趋势通过了0.05信度水平的显著性检验。从5年滑动曲线来看，日最高气温的极低值呈现非常微弱的波动增加外，其余极值指数变化趋势基本一致，都呈现波动增加的趋势。

从空间分布（图8）看，日最高气温的极低值各站点均呈现增加的趋势，变化幅度在0.005～0.165℃/10a之间，但变化趋势不明显。日最低气温的极低值各站点均表现增加的趋势，变化幅度在0.011～0.536℃/10a，呈现出自东向西递减趋势。大部分站点日最高气温的极高值呈现增加的趋势，变化幅度在-0.034～0.373℃/10a之间，东部、北部、西南部地区变化幅度较大。各站点日最低气温的极高值变化趋势差异较大，变化幅度在-0.045～0.239℃/10a之间，东南部沿海台站呈上升趋势，西北部内陆地区呈现下降趋势。

图8 1961～2014年漳州市极端气温极值指数趋势的空间分布(℃/10a)

3.2.4 其它指数

从时间尺度上看，近54年来漳州市的其它指数变化情况见图9，漳州市的暖持续日数（WSDI）呈现显著增多趋势，通过0.01信度水平的显著性检验，其年际倾向率为3.27d/10a；而冷持续日数（CSDI）呈显著减少趋势，通过0.01信度水平的显著性检验，其年际倾向率为-2.69d/10a；气温日较差的变化趋势不明显，未通过显著性检验，呈略微的减少趋势，年际倾向率为-0.08d/10a。从5年滑动曲线上看，暖持续日数在1990年之后变化幅度较大，1997年之后呈明显的波动增大趋势；冷持续日数波动幅度较小，一直呈稳定的减小趋势；而气温日较差相对而言，并无明显的波动趋势。

图9 1961～2014年漳州市极端气温其它指数趋势的年际变化趋势

从空间分布（图10）看，暖持续日数各台站（除漳浦外）均处于上升的趋势，变化幅度在-0.432～6.463 d/10a之间，东北、西南部台站的变化幅度较大，变化倾向率高达6d/10a左右；冷持续日数各站点均处于下降的趋势，变化幅度在-1.667～-3.978d/10a之间，呈现东南部向西北部减小；气温日较差的变化趋势差异较大（变化幅度在-0.51～0.11℃/10a），东部呈下降，北部、南部、西部呈上升趋势。

图10 1961～2014年漳州市极端气温其它指数趋势的空间分布(d/10a或℃/10a)

3.3 极端气温指数的区域差异和冷暖指数的对比分析

3.3.1 极端气温指数的区域差异

从表3可见，极端气温指数（TR、TNn、TNx）的均值内陆县市小于沿海县市，剩余极端气温指数的均值内陆县市大于沿海县市。从两个区域的变化幅度看，相对指数中TX90的变化幅度是内陆大于沿海，极值指数和DTR指数的变化幅度基本相同，剩余指数（暖指数的TX10、TN10、FD、CSDI和冷指数的TN90、SU、TR、WSDI）的变化幅度均表现为沿海大于内陆。总体上看，大部分极端气温指数的均值表现为内陆大于沿海，而变化幅度大部分表现为沿海大于内陆。

表3 1961-2014年漳州沿海和内陆地区极端气温均值（℃或d）与变化幅度（℃/10a或d/10a）对比

3.3.2 冷暖和夜昼极端气温指数的对比分析

为了解日最高气温和日最低气温更多的变化情况，表4将极端冷指数和暖指数的变化趋势进行了比较。从变化幅度的绝对值来看，符合暖昼（TX90）>冷昼（TX10）、暖夜（TN90）>冷夜（TN10）、夏日（SU）、热日（TR）>霜日（FD）、暖持续日数（WSDI）>冷持续日数(CSDI)、暖夜（TN90）>暖昼（TX90）、冷夜（TN10）>冷昼（TX10）的台站所占比例为50%～100%，而80%的台站日最高气温的极高值（TXx）变化幅度大于日最高气温的极低值（TXn），有90%的台站日最低气温的极低值（TNn）大于日最低气温的极高值（TNx）。

表4 1961～2014年漳州市极端气温指数变化幅度对比

总体上说，漳州市冷暖、昼夜及极值变化呈现明显的不对称性，具体表现为暖指数的变化幅度大于冷指数的变化幅度，夜指数的变化幅度大于昼指数的变化幅度。

3.4 极端气温指数之间的关系

主成分分析的结果（见表5）表明，5个主成分的累积贡献率达到81.02%>80%，特征值也都大于1，完全符合分析的要求。因此提取这5个主成分，得出主成分和因子之间相关关系的载荷矩阵。由表5可以看出，第一主成分占方差贡献率的32.0%，除气温日较差（DTR）、热夜日数（TR）、最高气温的极低值（TXn）和霜冻日数（FD）外的其它极端气温指数的载荷值都比较高。第二因子中，高载荷的有DTR、FD、TNn、冷持续日数（CSDI），载荷值分别为0.831、0.615、0.579、0.516、0.514，占方差贡献率的22.3%，其中载荷值最高的为DTR，从表6可以看出，与其相关系数通过显著性检验的均是冷指数（TN10、FD、TNn、CSDI），说明气温日较差的变化受日最低气温的上升变化影响较大。第三因子中，冷昼日数（TX10）、夏季日数（SU）高载荷，占方差贡献率的10.7%，热夜日数（TR）在第四因子中高载荷，而日最高气温的最高值（TXx）在第五因子中高载荷。

总体来说，在相对指数与绝对指数中，各暖指数之间、各冷指数之间均呈正相关关系，而冷指数与暖指数之间均呈负相关关系（表6），前文在分析各指数的时间变化特征时，得出各暖指数均表现为上升趋势，各冷指数均表现为下降趋势的结论，说明其变化具有一致性。而极值指数则表现出不同程度的上升趋势，从表6也可以看出，极值指数之间的相关性比较复杂，主要以正相关为主。其他指数中，暖持续日数（WSDI）与暖相对指数（TX90、TN90）、暖极值指数（TNx、TXx）之间呈极显著正相关，与暖绝对指数（SU、TR）之间不显著正相关。冷持续日数（CSDI）与冷相对指数（TX10、TN10）、冷绝对指数（FD）和冷极值指数（TNn、TXn）之间呈显著正相关，与TN90之间呈显著负相关。DTR指数与TN10、FD、CSDI之间呈极显著正相关，与TNn呈极显著负相关。

表5 1961～2014年漳州市极端气温指数的因子分析结果

表6 1961～2014年漳州市极端气温指数相关关系矩阵

4 结果与讨论

4.1 结果

采用14个极端气温的指标来研究漳州市极端气温事件的时空变化特征，并对14个极端气温指数进行了对比分析得知：

（1）漳州市各极端气温事件的阈值分布呈现出明显的区域差异。冷昼日数和暖昼日数阈值的分布自东南部向西北部递增，而冷夜日数和暖夜日数阈值的分布自东南部向西北部递减。冷昼日数阈值处于15℃～18℃，冷夜日数10阈值处于7℃～11℃，暖昼日数阈值处于31℃～35℃，暖夜日数阈值处于24℃～26℃。

（2）时间尺度上看，冷昼、冷夜、霜冻和冷持续日数以-1.89、-3.95、-0.12、-2.69d/10a的趋势减小，暖昼、暖夜、夏季日数、热夜日数和暖持续日数以4.66、4.72、2.56、1.88、3.27d/10a的趋势增加。与全球变化的趋势呈一致性。极值指数TXn、TNn、TXx和TNx分别以0.10、0.31、2.14、0.11℃/10a的趋势增加，而气温日较差（DTR）以-0.082℃/10a的趋势减小。除霜冻日数和日最高气温的极低值外，各极端气温指数均通过了显著或极显著的检验。

（3）各个指数的空间分布差异显著，大部分极端气温指数的均值表现为内陆大于沿海，而变化幅度大部分表现为沿海大于内陆。各指数（除TR、TNn、TNx外）的多年平均值表现为东南部沿海台站小于西北部内陆台站。绝对指数、相对指数（除暖昼日数外）和其他指数（除气温日较差外）的变化幅度表现为东南部沿海台站大于西北部内陆台站，而暖昼日数则相反，极值指数和气温日较差的变化幅度则差异不大。

（4）漳州市冷暖、昼夜及极值变化呈现明显的不对称性，具体表现为暖指数的变化幅度大于冷指数的变化幅度，夜指数的变化幅度大于昼指数的变化幅度，日最高（低）的极高（低）值的变化幅度大于日最高（低）的极低（高）值。

（5）主成分分析的结果将极端气温指数划分为5类，总的贡献率达到81.02%，第一因子中，高载荷的有TX90、TN90、WSDI、CSDI、TNn、TXx、TNx、SU。第二因子中，高载荷的有DTR、FD、TNn、CSDI，第三因子中，TX10、SU高载荷，第四因子中，TR高载荷，在第五因子中，TXx高载荷。相关分析表明，各暖指数之间、各冷指数之间基本呈正相关关系，而冷指数与暖指数之间基本呈负相关关系，DTR指数与TN10、FD、CSDI之间呈极显著的正相关，与TNn呈极显著的负相关。

4.2 讨论

（1）近54年来，漳州市日最高气温的极高值（TXx）、暖昼（TX90）和暖夜日数呈极显著的上升趋势。漳州市极端高温阈值处于31～35℃，极端高温日数年平均有34.3～36.3d，尤其近10年的日最高气温的极高值表现出明显的上升趋势。这说明近54年来漳州市极端高温事件增加，具有明显的暖化趋势。这有利于热带、亚热带农作物的引种和扩种，但最高气温极高值的升高和暖昼日数增多导致农作物遭受高温热害的风险增大，也可能使南部地区干旱加剧。

（2）近54年来，漳州市极端低温事件的阈值处于7～11℃，冷夜日数各县站平均有34.9～36.3d，霜冻日数变化呈减少的趋势，且霜冻出现的日数较少，漳州市日最低气温的极低值呈显著上升的趋势，冷持续日数呈微弱的下降趋势，冷夜日数呈显著的下降趋势。这说明漳州市极端低温事件减少，这有利于农作物的安全越冬，可能导致农民选择种植耐寒性比以往弱的高产优质品种，生育期更长的品种，虽可获得一定的增产效果，但由于年际间气候具有波动性，一旦遇到冷年就可能会遭受更大的灾害损失；气温偏高有利于土壤热量积累，对我市芥菜、大白菜等冬作物生长发育有利。但气温偏高有利于虫卵、病菌越冬，易导致春季病虫害蔓延，可能给春季的农业生产带来不利影响。且由于漳州市作物、果树多为喜温类，耐寒性较差，低温寒冻害对农业生产的影响仍然不可忽视。

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漳州市科技局自然基金项目（ZZ2016J11）和公益性行业（气象）专项（GYHY201406027）。