1955～2015年汉中极端气温事件变化特征

安 彬，肖薇薇

(1.安康学院 旅游与资源环境学院，陕西 安康 725000；2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心，陕西 安康 725000；3.秦巴国土资源利用与环境保护协同创新中心，陕西 安康 725000；4.陕南生态经济研究中心，陕西 安康 725000)

IPCC第五次评估报告指出，近百年来全球地表持续升温且升温速率加快[1]。1951～2017年，中国地表平均气温呈显著上升趋势，且升温率高于同期全球平均水平，达到0.24 ℃/10 a；近20年是20世纪初以来的最暖时期[2]。气候变暖将会导致极端气温事件更加频繁[3]，因而引起国内外学者的广泛关注。在全球每年发生的极端气温事件中，超过70%的地区暖夜日数明显增加、冷夜日数明显减少[4-5]。中国极端气温的异常偏冷偏暖现象主要发生在20世纪70年代以后[6]，且极端高温和极端低温事件发生频次分别呈增加、减少趋势[7]。朱大运[8]、刘学智等[9]以及其他学者[10-12]采用线性回归、趋势分析、空间分析、突变检验等研究方法对贵州、宁夏、天山山区、黄河流域、陕西南部等不同尺度区域的极端气温进行了分析，都反映出了极端气温事件增加趋势。

2017年底，中国城市化率达到了58.52%，正处在城市化快速推进期[13]。城市是引领和带动全社会实现可持续发展的引擎和支点，同时也是环境资源问题的高发地[14]，更是气候变化响应的敏感区[15]。近年来，学者们已对城市极端气温事件有所关注，并对此展开了一系列研究，也得出了许多有益的结论[15-18]，但对汉中地区极端气温事件变化的研究较少[19]。为此，本文利用1955～2015年汉中站最高气温与最低气温数据，分析了汉中主城区的极端气温指数变化特征，以期为有效评估汉中极端气候影响提供科学依据。

1 研究区概况

汉中市位于陕西省西南部，界于105°29′14″～108°16′49″ E、32°08′52″～33°52′46″N之间，其中市域下辖汉台、南郑2区，幅员面积3353.1 km2。汉中市主城区属于典型的北亚热北缘地带山地气候，温暖湿润，四季分明；多年平均气温在14.6 ℃左右，日照时数1590.6 h，多年平均降水量863.1 mm，降水集中分布在5～9月，占年降水总量的73.9%左右。因降水年际、年内季节分配不均影响，形成了干旱、暴雨洪涝等主要气象灾害[20]。

2 资料与分析方法

本文选择汉中市主城区气象站(地理位置为107°1′ E、33°2′ N，海拔509.5 m)的气象观测实测数据，从中国气象科学数据共享服务平台(http://data.cma.cn/)获取该站1955～2015年逐日最高气温、最低气温数据。结合汉中市自然地理实际情况，选用WMO[21]划定的各类极端气温指数中极值指数、绝对指数、相对指数和持续指数共4类11项进行分析，具体见表1。极端气温指数在RClimDex软件中完成计算，其计算原理见文献[22]。此外，采用线性拟合极端气温指数的变化趋势，并检验趋势的显著性；同时利用非参数统计Mann-Kendall (M-K)法进行各类指数的突变检验[23]。

表1 选定的极端气温指数

3 结果与分析

3.1 极端气温变化特征

由图1可见，1955～2015年汉中地区的极端最高气温大致以0.06 ℃/10 a的速率波动上升。20世纪50年代中后期至70年代，极端最高气温呈小幅下降；而到了80年代极端最高气温只有34.65 ℃，为近60年最低；20世纪90年代以后，极端最高气温持续上升，直至2010年以后的36.18 ℃，为近60年最高。由近60年极端最高气温的M-K突变检验可知(图2a)，正序列UF曲线和反序列UB曲线均超过了显著性水平临界线，且在临界线内的1958、1963及2014年出现相交，但UF曲线仅在1963年后突破了显著性水平临界线，表明极端最高气温仅在1963年发生显著突变。

近60年来，汉中地区的极端最低气温同样呈波动上升趋势，增加速率为0.45 ℃/10 a(图1b)，且增加速率高于极端最高气温。20世纪50年代中后期，极端最低气温为近60年来最低；除了90年代略有下降外，极端最低气温持续上升，直至2010年以后的-4.28 ℃，为近60年最高。极端最低气温的正序列UF曲线和反序列UB曲线均超出了显著性水平临界线(图2b)，且UF和UB之间仅有一个交点，对应时间为1979年，表明汉中地区极端最低气温在1979年发生突变上升；突变前年均极端最低气温为-6.55 ℃，突变后升至-5.05 ℃。

3.2 绝对指数变化特征

从图3a可以看出，近60年汉中地区的夏日日数呈显著上升趋势，速率为2.91 d/10 a；夏日日数波动幅度较大，最大值出现在2013年，为152 d，最小值出现在1976年，仅为96 d，两者差值达到56 d。夏日日数的年代际变化特征与极端最高气温相似，80年代夏日日数只有110.5 d，为近60年最低，21世纪前10年夏日日数为近60年最高值，达131.5 d。热夜日数总体上亦呈显著上升趋势，速率为3.31 d/10 a(图3b)。从年代际变化情况看，20世纪50年代中后期至60年代，热夜日数有所上升；70年代为近60年最少，其中1976年的46 d为最少热夜日数；70年代以来，热夜日数继续上升。霜冻日数整体上呈波动下降趋势，变化速率为-4.41 d/10 a，线性拟合值R2值为0.406，通过0.001显著性水平检验，说明近60年汉中地区霜冻日数呈显著下降趋势(图3c)。从年代际变化趋势看，霜冻日数呈先小幅上升而后下降趋势，近60年最高值集中在20世纪60年代，其中1967、1969年的67 d为最多霜冻日数。

图1 1955～2015年汉中地区极端气温变化趋势

a.极端最高气温；b.极端最低气温。

图3 1955～2015年汉中地区极端气温绝对指数变化趋势

通过计算极端气温绝对指数M-K突变分析正、反序列值，绘制了近60年汉中地区极端气温绝对指数的突变曲线(图4)。夏日日数、热夜日数和霜冻日数的UF曲线和UB曲线均超出了显著性水平0.05临界线，且UF和UB之间都只有一个交点，对应时间分别为2002、2005和1998年，说明自1955年开始夏日日数的突变发生在2002年，热夜日数突变发生在2005年，霜冻日数突变发生在1998年。此外，极端气温绝对指数UF曲线在突变年份后甚至超过0.001显著性水平(U0.001=±2.56)，其中夏日日数和热夜日数UF曲线突变上升，霜冻日数UF曲线突变下降，表明夏日日数和热夜日数上升趋势十分显著，而霜冻日数下降趋势非常显著。

a.夏日数；b.热夜日数； c.霜冻日数。

3.3 相对指数变化特征

汉中地区极端气温相对指数包括冷日、暖日、冷夜和暖夜日数4个基期阈值指标，本文选择1960～1990年作为基期。计算原理以暖日日数指标为例，选取1961～1990年每年同一日期最高气温进行升序排列，选取第90个百分点的值作为该日期的阈值，将1955～2015年每年同一日期最高气温与该阈值进行比较，若大于阈值，则算作暖日；冷日计算方法类似，阈值为最高气温升序第10个百分点值；冷夜、暖夜以此类推[22,24]。

近60年汉中地区冷日日数呈下降趋势，速率为-0.57 d/10 a，年代际平均值在20世纪80年代最高，21世纪以来冷日日数持续下降(图5a)。暖日日数总体上呈小幅上升趋势，变化率为-0.67 d/10 a。由年代际平均值变化看，暖日日数呈现先下降后上升的变化特征，20世纪50年代中期至80年代，暖日日数持续下降；80年代暖日日数均值为6.97 d/10 a，为近60年最低值；80年代末期以后，暖日日数开始波动上升，至21世纪初叶达到最大值(图5b)。冷夜日数总体上呈一定幅度的下降趋势，变化速率为-1.93 d/10 a，线性拟合值R2值为0.613，通过0.001显著性水平检验，说明近60年汉中地区冷夜日数呈显著下降趋势。冷夜日数年代际平均值呈持续下降，20世纪60年代和70年代冷夜日数接近(图5c)。暖夜日数总体呈上升趋势，每10年增加2.66 d，并且通过了0.001显著性水平检验。由年代际平均值变化看，20世纪50年代中期至90年代，暖夜日数均在10 d左右，变化幅度较小；进入21世纪后，暖夜日数迅速上升，并于2013年达到最高值(图5d)。总体上看，近60年汉中地区的冷日日数下降慢于冷夜日数，暖日日数上升慢于暖夜日数，与北京极端气温指数的变化特征相似[15]。

图6为1955～2015年汉中地区极端气温相对指数的M-K检验结果。可知，冷日日数和暖日日数的UF、UB曲线在显著性水平0.05临界线之间都只有一个交点，对应时间分别为2012、2013年；冷日日数的UF曲线在2012年后突破了0.05显著性临界线，而暖日日数的在2013年后未突破临界线，表明近60年汉中地区冷日日数在2012年出现了由多到少的突变，暖日日数未发生突变。由冷夜日数(图6c)和暖夜日数(图6d)的M-K统计量可知，冷夜、暖夜日数的UF和UB曲线均只有一个交点，对应时间分别为2000、2004年，但交点位于显著性水平临界线区间之外，说明近60年汉中地区冷夜、暖夜日数均未发生突变。

图5 1955～2015年汉中地区极端气温相对指数变化趋势

3.4 持续指数变化特征

为探究汉中极端气温持续时间的变化特征，选取作物生长季和气温日较差指标进行分析。图7a为1955～2015年汉中地区作物生长期的变化趋势。由此可知，近60年作物生长期呈小幅增加趋势，变化率为3.89 d/10 a，线性拟合值R2为0.129，通过了0.01显著性水平检验，表明汉中地区作物生长期增加趋势明显。气温日较差总体呈显著下降趋势，速率为-0.15 ℃/10 a(图7b)。从年代际平均值变化情况看，20世纪50年代中后期气温日较差为近60年最高值，60至80年代逐渐下降并达到最低值，90年代较大幅度增加后开始下降。

由汉中地区极端气温持续指数的M-K统计量(图8)可知，作物生长期和气温日较差的正序列UF曲线和反序列UB曲线均超出了显著性水平临界线，均在临界线区间内相交，交点分别为2003、1973年，且UF曲线在交点后均突破了0.05显著性水平，表明近60年来汉中作物生长期在2003年后出现了由少到多的突变，气温日较差在1973年出现了由多到少的突变。

图7 1955～2015年汉中地区极端气温持续指数变化趋势

a.作物生长期；b.气温日较差。

4 结论

本文选取11项极端气温指数，分析了1955～2015年汉中市极端气温事件的变化趋势及突变特征，得出如下结论：

(1)1955～2015年汉中增温趋势明显，极端最高气温以0.06 ℃/10 a速率上升，极端最低气温以0.45 ℃/10 a速率显著上升。夏日日数、热夜日数、暖夜日数、作物生长期均呈显著上升趋势，速率分别为2.91 d/10 a、3.31 d/10 a、2.66 d/10 a、3.89 d/10 a，暖日日数以0.67 d/10 a速率上升；霜冻日数、冷夜日数和气温日较差均呈显著下降趋势，速率分别为-4.41 d/10 a、-1.93 d/10 a和-0.15 ℃/10 a，冷日日数以-0.57 d/10 a速率下降。

(2)1955～2015年汉中各极端气温指数突变年不一，主要集中在20世纪60至70年代、90年代至21世纪初叶。极端高温、极端低温、气温日较差指数在20世纪60至70年代发生突变，热夜日数、霜冻日数、夏日日数、冷日日数和作物生长期在90年代至21世纪初叶发生突变，暖日日数、冷夜日数和暖夜日数未发生突变。