辽河流域近60年极端气温指数时空变化特征分析

2020-04-13郭峰

水利规划与设计 2020年4期

郭峰

(辽宁省鞍山水文局，辽宁鞍山 114000)

受全球气候变化影响，区域极端气温事件发生的频次及程度都有所增强，如何应对气候变化，是当前国内外研究关注的热点和焦点[1]。分析极端气温指数时空变化有助于制定相应的气候变化应对措施和方案[2]。为此，世界气象组织推荐8个极端气温指数用于分析区域极端气温的变化。目前，8个极端气温指数已逐步被国内许多学者用于研究区域极端气温指数的时空变化[3- 12]，各成果均表明受气候变化影响，区域极端气温均发生不同程度的变化。但在辽河流域还未进行相关研究，辽河属于辽宁省第一大河流，其流域覆盖面积广，近些年来，受到气候变化的影响，流域极端气温发生较为明显的变化特征[13- 15]，为此本文结合辽河流域主要气象站点气温数据，应用8个极端气温指数，对辽河流域极端气温指数时空变化特征进行分析，研究成果对于辽河流域气候变化影响下的水资源保护规划具有参考价值。

1 数据来源及分析方法

1.1 数据来源

本文选用世界气象组织推荐8个极端气温指数进行辽河流域极端气温指数时空变化特征分析，各极端气温指数主要含义见表1。气温数据则来源于流域内主要气象站点，选用的气温数据包括：日平均及最高、最低气温，各极端气温指数主要结合各气象站点的均值进行计算。

表1 各极端气温指数的主要含义

1.2 研究方法

主要对极端气温数据系列的线性及变化趋势进行检验，其中线性变化检验方法采用森式斜率进行分析，该斜率主要计算极端气温数据中的中位数，具体计算方程为：

(1)

式中，QK—森式斜率；Xj—时间j下的极端气温数值；Xi—时间j下的极端气温数值。

结合R/S分析方法对极端气温数据系列进行检验，该方法定义极端气温数据系列为：

(2)

式中，(ξ)τ—极端气温数据系列；ξ(t)—时间序列；τ—任意整数。

则其累计方差的计算方程为：

(3)

式中，X(t，τ)—时间t内的极端气温累计方差；ξ(u)—时间序列。

极差的计算方程为;

(4)

式中，R(τ)—极端气温的极差。

其标准差的计算方程为：

(5)

式中，S(τ)—极端气温的标准差。

2 极端气温时空变化特征

2.1 区域概况

辽河流域属于辽宁省第一大河，其流域面积为21.9×104万km2，辽河流域属于温带半湿润半干旱的季风气候，气温的分布为平原较高，山地较低，年平均约在4～9℃间，自南向北递减，每一纬度约差0.8℃，全年气温1月份最低，平均在-9～-18℃间，绝对最低温度，各地都在-30℃以下，7月份温度最高，平均在21～28℃之间，绝对最高温度在37～43℃之间。

2.2 各极端气温指数变化趋势

结合辽河流域内主要气象站点气温数据，应用8个极端气温指数，对辽河流域各极端气温变化趋势进行分析，结果如图1所示，并结合R/S分析方法，对其变化趋势进行检验，检验结果见表1。

表1 各极端气温指数趋势变化检验结果

从图1中可看出，受气候变暖影响，辽河流域冰冻日数及冷夜指数呈现较为明显的递减变化，递减率分别为1.32d/10a和1.56d/10a，暖昼指数呈现递增变化，递增率为0.89d/10a，其他指数总体变化较为平稳。从各极端气温指数的趋势变化结果可看出，各极端气温指数的森式斜率和其趋势变化具有较高的相关性，冷夜指数的森式斜率最大，其非线性变化较为突出，夏季日数的森式斜率最小，其总体呈现线性变化。结合各极端气温指数的累计方差、极差及标准差，可计算其Hurst指数，Hurst指数主要表征为未来气候变化趋势和过去的变化趋

图1 辽河流域各极端气温指数变化趋势

续图1 辽河流域各极端气温指数变化趋势

图2 辽河流域各极端气温突变变化特征

势的一致性程度，当0

2.3 各极端气温指数突变特征

结合小波突变分析方法对辽河流域各极端气温指数的突变特征进行分析，分析结果如图2所示。

各极端气温指数突变特征分析的关键在于其受气候变化影响的时期，从图2中可看出，代表低温的4个指数突变特征具有一定的相关度，且具有明显的规律性，均发生在2000年以后，这主要是因为辽河流域主要气候变化的关键期为2000年以后，受气候变暖影响，区域和低温相关的极端气温指数均有所递减，温度存在上升的变化趋势，而与温度上升相关的极端气温指数也具有一定的相关度，辽河流域气温升高的突变期也主要发生在2000年以后，受气候变化影响，其暖温相关的极端气温指数发生较为明显的突变变化。气温日较差是高温和低温的日平均温差，从气温日较差的突变特征可看出，其突变点主要为2005年以后，可知辽河流域日平均温差突变主要发生2005年后。

2.4 各极端气温指数空间变化特征

结合各气象站点数据，结合空间分析方法，对辽河流域8个极端气温指数的空间变化特征进行分析，分析结果如图3所示。

从图3中可看出，与低温相关的极端气温指数在空间呈现明显的一致性变化，但规律变化性不明显，从空间差异程度可看出，冰冻日数、冷夜指数、冷昼指数在空间上存在明显的差异性，这主要是因为与低温相关的各指数其影响因素较为复杂，使得其在空间上存在一定的差异性。受气候变暖影响，夏季日数及暖夜指数空间变化特征具有明显的一致性，即从南向北指数逐步递减。而从气温日较差的变化结果可看出，其指数从东向西逐步递增。

结合各极端气温指数的总体变化结果可看出，辽河流域未来出现持续高温及干旱变化的趋势性较强。