近57年舞水河流域极端温度变化特征分析

2018-12-28刘文彬

中国农村水利水电 2018年12期

易泽，刘文彬

(1.交通运输部科学研究院，北京 100029；2.中国科学院地理科学与资源研究所，北京 100101)

1 研究背景

在全球气候变暖的大背景下，干旱、洪涝、剧烈降水等极端天气气候事件的频发及其导致的灾害呈现出增大的趋势[1]。极端温度的异常变化不仅会引起农业气象灾害，而且会影响人类的生存和居住环境[2]。因此，气候变暖的过程中极端温度的变化特征引起了国内外学者的广泛关注[3,4]。我国地域辽阔，区域气候差异明显，极端温度在不同的空间尺度和时间尺度表现出不同的变化特征[5]。分析极端温度在流域尺度的变化特征，有助深入了解流域气候变化规律，探讨气候变化原因。

舞水河(图1)发源于贵州省瓮安县境内，于湖南省黔城镇汇入沅江，是沅江的一级支流。本文根据舞水河流域及其周边3个基本气象站近57年长系列逐日气象观测资料，采用统计学分析方法分析最高、最低气温及极端温度事件的变化特征，对进一步研究气候变化对该流域及周边地区的农业生产及生态环境影响具有重要意义。

图1 舞水河流域地理位置Fig.1 location of the Wushui river basin

2 资料和方法

2.1 研究数据

本文基于铜仁、芷江和三穗三个基本气象站1958-2014年逐日最高温度和最低温度观测数据分析舞水河流域极端温度的变化特征。主要的数据来自于中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)，各站点位置及详细信息见图1与表1。季节划分采用气象学标准，以12月至翌年2月为冬季、3-5月为春季、6-8月为夏季、9-11月为秋季。流域平均温度采用泰森多边形法计算。

表1 气象站基本信息Tab.1 Information of the meteorological stations

2.2 极端温度指数

RClimdex是由加拿大气象研究中心基于R语言开发的，用于计算多种极端气候指数的模型[7]。该模型为世界气象组织气候委员会所推荐用于气候变化检测、监测及极端气候指数的分析[8]。本文采用RClimdex模型计算舞水河流域6个极端温度事件指数来反映极端温度事件的变化特征，各极端温度事件指数的详细说明如表2所示。

表2 极端温度事件指数 d

2.3 气候倾向率

本文通过线性回归分析方法对最高和最低温度的年、季及极端温度事件时间序列的气候倾向率进行分析，公式如下：

y=at+b

(1)

式中：y为温度；a为线性趋势项；t为年份；b为常数。

2.4 趋势分析方法

采用Mann-Kendall(MK)非参数检验法[9]对最高和最低温度的年、季及极端温度事件时间序列进行趋势性检验。对于时间序列Xn=(x1,x2,…,xn)，MK检验Z统计量由以下公式计算：

(2)

(3)

(4)

其中：sgn( )为符号函数，当xj-xi小于、等于、大于零时，sgn(xj-xi)分布为-1、0、1；Z值的正(负)表示被检验时间序列呈增加(减少)趋势；Z的绝对值在大于等于1.64、1.96、2.58时表示被检验时间序列的趋势性通过了置信度分别为90%、95%和99%的显著性检验。

3 结果分析

3.1 最高温度变化特征

铜仁、芷江和三穗三个气象站的年、季平均最高温度及其气候倾向率见表3所示。1958-2014年舞水河流域最高温度的年平均值为21.1 ℃。春、夏、秋、冬四季平均最高温度分别为20.9、31.0、22.3和10.1 ℃。变化趋势上，春、秋、冬季和年最高温度表现为一致上升趋势，其变化率为冬季(0.03 ℃/10 a)<全年(0.08 ℃/10 a)<秋季(0.13 ℃/10 a)<春季(0.16 ℃/10 a)。芷江站春、秋季和年平均最高温度具有显著的上升趋势，通过了置信度为95%的显著性检验。夏季平均最高温度在铜仁、芷江两个气象站呈现出轻微的下降趋势，在海拔较高的三穗气象站呈现出轻微的上升趋势。流域平均最高温度也表现为轻微的下降趋势，其变化率为-0.01 ℃/10 a。

铜仁、芷江和三穗气象站年、季平均最高温度的距平变化及阶段性特征见图2所示。从流域平均温度距平的5年滑动平均曲线可知：①春季，最高温度从1950s末到1970s中期波动变化；1970s中期到1990s末期处于持续负距平期；1990s中期开始处于持续正距平期；②夏季，最高温度从1950s末期到1990s初期波动变化；1990s初期到2000s中期处于持续负距平期；2006年以后进入持续正距平期；③秋季，最高温度从1950s末期到1990s末期波动变化，负距平比例较大；1990s末期以后进入持续正距平期；④冬季，1958-2014年正负距平期交替变化，1990s中期后正距平年份比例有明显增加。⑤就全年时段而言，最高温度在1990s中期后进入持续正距平期。

3.2 最低温度变化特征

1958-2014年舞水河流域最低温度年平均值为13.0 ℃。春、夏、秋、冬最低温度的平均值分别为12.6、22.1、13.9和3.3 ℃。全球陆面温度的升高过程表现出日夜增暖的不对称性，多数地区的最低温度的升高幅度明显高于最高温度[10]，舞水河流域也不例外。由表3可知，与最高温度相比，最低温度都呈现出显著上升趋势(通过置信度为95%显著性检验)，且增幅更加明显。平均最低温度变化率为夏季(0.14 ℃/10 a)<春季(0.17 ℃/10 a)<全年(0.19 ℃/10 a)<秋季(0.23 ℃/10 a)=冬季(0.23 ℃/10 a)。由全年和四季变化趋势可知，舞水河流域最低温度增加以秋、冬季最为明显。

表3 最高最低温度变化统计特征Tab.3 Statistical characters of the annual and seasonal mean maximum and minimum temperature

图2 舞水河流域各站点平均最高温度的年季变化Fig.2 Annual and seasonal mean maximum temperature of the study area

1958-2014年舞水河流域周边铜仁、芷江、三穗气象站年度、季节平均最低温度距平变化如图3所示。从流域平均最低温度距平5年滑动平均曲线可知：①春季，最低温度从1950s末期到1990s末期之间有两个持续负距平阶段；1998年以后则处于持续的正距平期。②夏季，最低温度在1990s末期以前，除了1980s中后期为正距平期外，其余时段均为负距期；1990s末期以后进入持续正距平期。③秋季，最高温度从1950s末期到1990s末期呈波动变化，负距平比例较大；1990s末期以后进入持续正距平期。④冬季，1990s初期以前，最低温度在1970s末期出现了短暂的正距平期，其余时段均为负距平期；1990s初期后为持续正距平期。⑤就全年而言，最低温度从1950s末期到1990末期为负距平期；1990s末期以后进入持续正距平期。

3.3 极端温度指数变化特征

舞水河流域极端温度指数变化具有差异性。由图4可知，霜日日数(FD0)、高温日数(SU35)、暖夜日数(TN10p)、冷夜日数(TN90p)、暖昼日数(TX10p)和冷昼日数(TX90p)距平时间序列的气候倾向率分别为0.31、-1.92、-2.20、2.13、0.95和-0.31日/10 a；MK检验Z统计量分别为-2.77、0.45、-4.23、4.10、1.86和-0.61。其中FD0、TN10p和TN90p通过置信度为95%的显著性检验。

图3 舞水河流域各站点平均最低温度的年季变化Fig.3 Annual and seasonal mean minimum temperature of the study area

霜日日数在年代际变化上呈显著的减少趋势，1986-2014年以负距平为主。高温日数呈轻微上升趋势，2002年以后正距平概率增大。近57年来，冷夜日数在年代际变化上呈显著的减少趋势，自1986-2014年以负距平为主；相反暖夜日数呈显著增加趋势，自1986-2014年以正距平为主。暖昼日数呈不显著的上升趋势，冷昼日数呈轻微下降趋势。暖昼日数阶段性波动较为明显，自1970-2001年冷夜数以负距平为主，2002年以后以正距平为主。

图4 1958-2014年极端温度指数年变化特征Fig.4 Annual variation of six extreme temperature indices from 1958 to 2014

3.4 极端温度变化原因

温度是受太阳活动、地球自转、各种遥相关指数等多种因素影响的天气要素[11]。最高、最低温度的上升以及相对高温天数的增加和低温天数的减少现象导致了舞水河流域的整体增温。影响极端温度变化的物理因子及其相互关系十分复杂，很多学者对极端温度变化原因进行了分析。史军等[12]研究认为高温日数多寡和高温频数及其进程受大气环流要素场及其距平场的变动影响较大；唐国利等[13]研究指出极端温度变化的主要原因是全球的大气环流的变异和调整；龚志强等[1]的研究表明厄尔尼诺与厄尔尼诺-南方涛动指数对我国中南地区气候异常的影响最为显著。