1955-2017年陕西省极端气温事件时空变化特征

安 彬, 张淑兰, 肖薇薇, 孙 虎

(1.秦巴国土资源利用与环境保护协同创新中心, 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.陕西省科协院士专家工作站, 陕西 安康 725000; 4.陕西师范大学 地理科学与旅游学院, 西安 710119)

IPCC第5次评估报告指出，自1880年以来全球呈显著变暖态势，地表平均气温上升了0.85℃[1]；预计到21世纪末全球海陆表面平均气温将持续升高1.1～6.4℃[2]。1951—2017年，中国地表平均气温升温率高于同期全球平均水平，达到0.24℃/10 a[3]。全球变暖背景下，极端气候事件可能会导致旱涝等气象灾害频发，致使人类的生产生活经济损失风险加剧，还会给生态系统带来深刻影响[4]。这些问题及影响已经引起了公众的广泛关注，国内外众多学者已从不同角度对此展开了研究[5-7]；其中，利用气候变化监测与指数专家组(Expert Team on Climate Change Detection and Indices，ETCCDI)推荐的极端气温指数受到广泛应用。Alexander[6]和Donat[8]等研究均发现，1950年以来全球均霜冻和冷夜日数呈减少、暖夜显著增加趋势。对中国整个区域极端气温事件的分析表明，冰冻、霜冻、冷昼和冷夜日数均呈显著减少趋势，暖昼和暖夜日数显著增多趋势，且存在区域差异[9]；黄小燕等[10]对中国沿海的极端气温事件进行分析，亦发现类似规律，但各指数变化程度不一。大量不同时空尺度的极端气温事件研究[11-13]，进一步揭示了中国各地区的极端气温事件规律。

陕西省深居西北内陆，处于我国夏季风边缘区。境内下垫面复杂多变，气候类型多样，是全球气候变化响应敏感地区之一，也是极端气候事件频发地区之一。从730 B.C.—2010 A.D.近2700多年间，陕西省发生寒冻灾害251次，平均每9.74 a发生一次[14]；而其夏季高温发生频率、高温日数呈增多趋势[15]。因此，分析陕西省极端气温事件变化规律，为积极应对气象灾害提供依据。张宁[16]研究了1961—2010年陕西省极端气候变化事件，主要侧重于研究极端高温、低温指数和极端降水。此外，涉及陕西榆林[17]、安康[18]、西安[19]及陕北[20]等区域的极端气温事件也有所研究，但研究区域主要集中于陕西部分区域，且研究指标较少。通过以上可以发现，对陕西整体的长时间序列极端气温事件的研究相对缺乏。因此，在前人工作基础上，本文选择陕西省20个气象站的逐日气温资料，借助线性拟合、Mann-Kendall突变检验、累积距平、相关分析等方法，对1955—2017年陕西省极端气温事件时空变化特征进行研究，为全面认识该区极端气温事件提供科学依据。

1 研究资料与方法

1.1 数据来源

遵循连续性和完整性、最长时间序列原则，从中国气象数据网(http:∥data.cma.cn/)获取了陕西省20个气象站逐日最高和最低气温数据，时段为1955年1月1日—2017年12月31日，具体站点位置见图1。对获取的气温资料均经台站气温极值、气候界限值等质量控制，并利用RClimDex软件[21]对数据进行进一步质量检查，包括日最低气温是否低于最高气温、错误值与异常值筛选等，以保证结果的可信度。对于缺失数据的站点，选取其周边时间段完整的站点，采用线性回归模型修正的方法进行插补。

1.2 研究方法

本文采用ETCCDI推荐的10种极端气温指数(表1)，分为极值指数、绝对指数和相对指数，所有极端气温指数均在R语言环境下RClimDex(1.0)软件计算[21]。采用线性拟合法分析极端气温指数的变化趋势，结合M-K突变和累积距平曲线进行突变性检验，利用SPSS 22.0软件进行极端气温指数的主成分及相关分析。

2 结果与分析

2.1 极端气温指数时间变化特征

2.1.1 极值指数时间变化 由图2可知，1955—2017年期间，陕西省极端最高气温(TXx)和极端最低气温(TNn)均呈上升趋势，其气候倾向率分别为0.17，0.19℃/10 a；其中极端最高气温的上升趋势通过0.05显著性检验，表明极端最高气温升温显著，而极端最低气温的上升趋势不显著。极端最高气温最小值出现在1983年(33.48℃)，最大值出现在2017年(38.50℃)；极端最低气温最小值出现在1955年(-19.27℃)，最大值出现在2017年(-11.48℃)，可以看出，近63 a陕西省气温总体呈增暖趋势，与尹红等[22]认为2017年中国TXx和TNn处于1961年以来的第2位观点几乎一致。从累积距平看，TXx在1993年之前为下降趋势，之后转为上升趋势，呈V型曲线变化；TNn在1977年之前为下降趋势，之后转为上升趋势，且1977—2000年上升幅度大。

2.1.2 绝对指数时间变化 从时间看，1955—2017年陕西省极端气温绝对指数均表现显著变化趋势(p<0.01)，夏日日数(SU25)呈显著上升趋势，其速率为2.21 d/10 a(图3)，与中国大陆1956—2008年(2.10 d/10 a)增加速率相当[9]；热夜日数(TR20)以1.12 d/10 a速率呈显著上升趋势，低于中国(2.00 d/10 a)增加速率[9]。霜冻(FD0)、冰冻日数(ID0)均表现出极明显的下降趋势，其速率分别为-2.55，-1.43 d/10 a，均低于中国霜冻日数(-3.00 d/10 a)和冰冻日数(-1.80 d/10 a)下降速率[9]。可见近63 a陕西省SU25上升趋势快于TR20，FD0下降趋势快于ID0。从累积距平看，ID0呈双峰型曲线，SU25和TR20呈V型曲线，FD0则呈倒V曲线变化。SU25，TR20均在1993年之前为下降趋势，之后转为上升趋势，与TXx变化年份一致；FD0在1996年之前为上升趋势，之后变为下降趋势；ID0在80年代中后期以前为上升趋势，之后变为下降趋势。

图1 陕西省气象站空间位置分布

表1 极端气温指数类型及其概念界定

2.1.3 相对指数时间变化 由图4可以看出，1955—2017年陕西省极端气温相对指数与绝对指数的变化特征相似，具体看，暖昼日数(TX90)和暖夜日数(TN90)的上升速率分别为1.58，2.05 d/10 a，均高于全球暖昼(0.80 d/10 a)和暖夜日数(1.17 d/10 a)上升速率[8]；冷昼日数(TX10)和冷夜日数(TN10)的下降速率分别为1.34，1.85 d/10 a，高于全球冷昼(0.67 d/10 a)和冷夜日数(1.09 d/10 a)的下降幅度[8]。进一步分析发现，近63 a陕西省夜指数(TN90，TN10)增加速率高于昼指数(TX90，TX10)。从累积距平看，极端气温相对指数的累积距平曲线均呈抛物线型变化，且均在1993年发生转折，TX10和TN10在1993年前为上升，而后转为下降；TX90和TN90情况与之相反(图4)。

综上所述，1955—2017年陕西省极端气温暖指数(TXx，SU25，TR20，TX90和TN90)均呈显著上升趋势(p<0.05)，除了TNn呈不显著的上升趋势，其余极端气温冷指数(FD0，ID0，TX10和TN10)均呈极显著下降趋势(p<0.001)，这些指数的变化趋势都指示出近63 a来陕西省气温呈上升趋势，验证了董思等[23]对陕西省气温呈增加趋势(1955—2013年)的结论，也表明了陕西省变暖趋势响应了全球气候变暖大背景。

图2 1955-2017年陕西省极端气温极值指数时间变化

图3 1955-2017年陕西省极端气温绝对指数时间变化

2.2 极端气温指数的突变特征

为进一步研究1955—2017年陕西省极端气温的时间变化特征，综合运用M-K和累积距平曲线对10项极端气温指数进行突变分析，结果见表2。近63 a年陕西省多数极端气温指数发生了突变，突变年份集中在20世纪90年代中后期—21世纪初。其中，SU25，TR20，TX90和TN90等暖指数经历了由少到多的上升突变，FD0，ID0和TX10等冷指数经历了由多到少的下降突变，而TXx，TNn和TN10未发生突变。具体来看，SU25在1997年发生突变，突变后较突变前增加10.83 d；TR20在2000年发生突变，突变后较突变前增加5.72 d；FD0和ID0均在1994年发生突变，分别由突变前的105.21，19.71 d降为突变后的95.51，14.48 d；暖昼日数突变点为1996年，突变后较突变前分别增加了7.89 d；暖夜日数在1987年突变，由突变前的12.31 d上升至突变后的19.66 d；冷昼日数在2011年发生突变，突变后较突变前分别减少10.52 d。

2.3 极端气温指数的空间变化特征

2.3.1 极值指数的空间变化 由图5可知，1955—2017年陕西省极端最高气温(TXx)、极端最低气温(TNn)整体表现为上升趋势，其倾向率变化分别介于-0.07～0.89℃/10 a，-0.22～0.63℃/10 a，分别有25%，40%站点通过显著性水平(p<0.05)检验。TXx上升趋势最显著的为定边站，TNn增加趋势最显著的为铜川站。作为区域高温重要指标TXx，陕西省共有18个站点的TXx呈上升趋势，这使得该区域高温热浪风险增大。

图4 1955-2017年陕西省极端气温相对指数时间变化

表2 1955-2017年陕西省极端气温指数突变特征

图5 1955-2017年陕西省极端气温极值指数倾向率空间分布

2.3.2 绝对指数空间变化 近63 a陕西省绝对指数趋势变化空间分布如图6所示，所有站点的夏日日数(SU25)和95%站点的热夜日数(TR20)呈上升趋势，其倾向率变化分别为0.25～9.14，-0.80～3.88 d/10 a，其中通过显著性水平(p<0.05)检验的站点比例分别为75%，60%。SU25以镇安站上升趋势最为显著，TR20以佛坪站上升趋势最为显著。所有站点的霜冻日数(FD0)和冰冻日数(ID0)均呈一致下降趋势，其倾向率变化分别为-6.55～-1.22 d/10 a，-3.27～0.08 d/10 a，85%站点的FD0，80%站点的ID0通过显著性水平(p<0.05)检验。FD0和ID0分别以定边站和长武站下降趋势最为显著。此外，SU25上升幅度高于TR20的气象站占全部站点的75%，FD0下降幅度高于ID0的占全部站点的85%，验证了陕西省气温变化的昼夜不对称性。

图6 1955-2017年陕西省极端气温绝对指数倾向率空间分布

2.3.3 相对指数空间变化 由图7可知，近63 a陕西省暖昼日数(TX90)和暖夜日数(TN90)均表现为一致的增加趋势，其倾向率变化分别为0.32～5.53，0.25～5.19 d/10 a，其中75%气象站点的TX90，90%站点的TN90增加趋势显著(p<0.05)。TX90上升幅度最大的出现在镇安站，TN90上升幅度最大的出现在铜川站。95%气象站点的冷昼日数(TX10)和冷热日数(TN10)表现为减少趋势，其倾向率变化分别为-4.43～0.07，-3.31～0.08 d/10 a，其中80%气象站点的TX10，85%站点的TN10减少趋势显著(p<0.05)。TX10和TN10下降幅度最大的分别出现在镇安站和延安站。进一步统计发现，TX90倾向率变化低于TN90的站点占全部站点的65%，TX10倾向率变化低于TN10的站点占全部站点的20%，表明近63 a陕西省暖夜日数上升趋势快于暖昼，冷昼日数下降趋势快于冷夜，存在昼夜指数变化的不对称性。

图7 1955-2017年陕西省极端气温相对指数倾向率空间分布

2.4 极端气温指数的主成分分析

运用主成分分析得到1957—2017年陕西省极端气温指数的主成分，KMO指数为0.63，Bartlett球形检验显著，3个主成分特征值均大于1，分别占方差贡献率的50.15%，13.01%，11.59%，累积方差贡献率达到74.75%，符合分析要求(表3)。第1主成分在TXx，SU25，TR20，TX90和TN90的载荷均高于0.64，主要反映了极端气温暖指数变化特征，与全球气候变暖背景吻合。相关性分析(表4)表明，各项极端气温暖指数之间均呈正相关，且相关性显著(p<0.01)，与FD0，ID0，TN90和TX10均呈显著负相关(p<0.05)。第2主成分在FD0，ID0，TN90和TX10的载荷较高，均在0.62以上，主要反映了极端气温冷指数变化特征，且这4项指数间均呈显著正相关(p<0.01)。TNn在第3主成分中的载荷高达0.89，反映了极端最低气温变化特征，与ID0的相关系数为-0.35，且通过0.01显著检验。进一步由表4可知，除与TNn相关性不显著外，TXx与SU25等指数均呈显著相关，而TNn仅与ID0呈显著负相关，表明近63 a陕西省气温的增加主要受到最高气温变化的影响，日最高温的升高对各指数变化的影响程度更为明显。

表3 陕西省极端气温指数主成分分析

表4 陕西省极端气温指数相关系数矩阵

3 讨论与结论

3.1 讨 论

1955—2017年期间，陕西省极端气温的极值指数及表征暖指数均呈上升趋势，冷指数均呈下降趋势，说明陕西省气温变化响应了全球气候变暖背景。其研究结果与陕西省各地区研究基本一致[17-20]，但各指数变化倾向率略有差异。以冷昼和冷夜指数为例，本研究分别以-1.34 d/10 a和-1.85 d/10 a的速率下降(1955—2017年)，均低于张宁[16]的研究结果-2.82 d/10 a和-4.05 d/10 a(1961—2010年)，其原因与研究时段不同有关。研究时段内，陕西省白昼增温幅度低于夜间增温幅度，存在气温变化的昼夜不对称性现象，表明该地区各极端气温指数的变化受日最高温影响更为明显。在极端气温指数突变方面，陕西省多数极端气温指数突变集中在20世纪90年代中后期—21世纪初，与贵州省突变的时期一致[11]，早于内蒙古自治区突变时期[12]。以上陕西省极端气温变化特征与其境内跨中温带、暖温带及北亚热带季风气候，南北气候差异大有关。此外，本文所采用陕西省20个气象站点的逐日最高和最低温数据均已经过严格质量检验，但存在站点少，且未考虑气象站迁址、土地覆被变化等因素所带来的气温影响，进而影响到极端气温指数的变化特征。因此，未来的研究应该还需收集更多气温数据，同时注重气温均一化等处理方法，才能更全面了解陕西省极端气温事件的时空变化特征。

3.2 结 论

(1) 1955—2017年陕西省极端气温指数中，TXx，TNn，SU25，TR20，TX90和TN90分别以0.17℃/10 a，0.19℃/10 a，2.21 d/10 a，1.12 d/10 a，1.58 d/10 a，2.05 d/10 a倾向率上升，FD0，ID0，TX10和TN10分别以-2.55 d/10 a，-1.43 d/10 a，-1.34 d/10 a，-1.85 d/10 a倾向率下降。

(2) 陕西省多数极端气温指数在20世纪90年代中后期—21世纪初发生了突变，SU25，TR20，TX90和TN90经历了由少到多的上升突变，FD0，ID0和TX10经历了由多到少的下降突变。

(3) 空间尺度上，多数站点TXx，TNn，TR20和所有站点SU25，TX90，TN90，的倾向率呈上升趋势，多数站点TX10，TN10和所有站点FD0，ID0的倾向率呈下降趋势；镇安、定边和铜川站的各指数倾向率变幅最为明显。

(4) 1955—2017年陕西省存在气温变化的昼夜不对称性，极端气温事件主要受日最高、最低温升高的影响，而日最高温的上升对各指数影响更为明显。