1971—2018 年西藏极端气温时空变化特征

胡文渊，李治国，姚荣鹏，赵静静，范蕊谊

（1.云南师范大学地理学部，昆明 650500；2.商丘师范学院测绘与规划学院，河南 商丘 476000；3.西北师范大学地理与环境科学学院，兰州 730070）

政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告指出近百年时间全球地表温度升高了约0.9 ℃［1］。升温引发极端气候事件增多，对生态环境以及人类的生产生活带来日益增加的不利影响［2，3］。目前，极端气候变化在世界范围内引发广泛关注，许多学者对全球极端气温开展了大量的研究，如Song 等［4］通过研究全球1981—2010 年的极端温度事件，发现全球热浪发生频率增加了2.7 倍，而寒流事件的发生频率增加了 6.4 倍。Alexander 等［5］的研究表明，全球大多数地区表现出冷夜逐渐减少而暖夜逐渐增加的趋势。中国极端气温变化总体上与全球极端气温变化趋势一致，但由于受区域自然环境状况、大气环流背景和人为活动影响的不同，不同区域的极端气温呈现出不一致的变化趋势和分布格局［6］。高海拔地区对气候变化敏感，近年来已先后开展了黄土高原［7］、内蒙古［8］、贵州［9］等地区的研究。西藏位于中国西南边陲，平均海拔4 000 m 以上，是全球变暖最强烈的地区，导致水资源和水灾害风险增加，影响全球气候变化和水循环［10］。因此，开展西藏极端气温变化研究具有重要的科学价值和现实意义。

近年来对西藏气温变化的研究多集中于平均状态，而针对极端气温变化的研究较少。近期仅杨志刚等［11］开展了1961—2012 年西藏色林错流域和杜军等［12］进行了1971—2012 年珠穆朗玛峰地区的研究，但近几年西藏的冰川、湖泊变化强烈，灾害事件增加［10］，因此，有必要在全球变化背景下对西藏极端气温时空变化特征及演变规律进行深入的分析，旨在为应对当地气候变化和气象灾害提供参考依据。本研究利用1971—2018 年西藏22 个气象站的数据，采用国际ETCCDI 推荐的12 种极端气温指标，结合 Pearson 相关性分析、Mann-Kendall 检验、Krig⁃ing 插值等方法，分析了西藏极端气温指标（冷指标和暖指标）的时空变化特征，以期为西藏农牧业生产、经济社会发展及灾害预警提供决策参考。

1 研究区概况

西藏（78°25′—99°06′E，26°50′—36°53′N）位于中国的西南部，是青藏高原的主体部分。平均海拔在4 000 m 以上，地域辽阔，地形地貌复杂多样，拥有独特的高原气候［13］。本研究选取了西藏22 个气象站点为研究对象，气象站点如图1 所示。

2 数据与方法

2.1 极端指标定义及其分类

对极端气温指标的定义和计算采用世界气象组织委员会提出的16 个极端气温指标，由于西藏气温较低，故从中选取了以下12 个极端气温指标对西藏极端气温事件进行研究，详见表1。

表1 极端气温指标选取与定义

2.2 数据来源与处理

1971—2018 年西藏22 个气象站点逐日最高气温、最低气温等数据来源于中国气象科学数据共享服务网，已经过严格的质量检验和修正。对于个别缺失的数据采用均值插值方法，即使用前后2 d 平均值或者多年平均值进行插补，校正后与相邻站点数值进行对比［14，15］，确保经过处理修正后的气象数据具有很好的连续性和合理性。

2.3 研究方法

极端气候指标计算方法采用基于R 编辑器开发的RClimDex（1.0）软件。在分析各极端气温指标时间尺度变化趋势时，利用线性方程对序列变量进行拟合［16］。对于突变检验分析，采用Mann-Kendall（M-K）突变检验对极端气温指标的变化趋势进行显著性检验，结合滑动t检验对各指标进行突变型分析［17］。同时采用年代距平的方法直观地反映各极端气温指标的年际变化。在分析各极端气温指标空间尺度变化趋势时，采用Surfer 13.0 软件并结合Kriging 插值法绘制西藏气温指标变化趋势空间分布图，采用Pearson 相关性分析方法结合t检验分析各极端气温指标与经度、纬度和海拔的相关性。

3 结果与分析

3.1 极端气温指标时间变化特征

3.1.1 极端气温指标年际变化特征 图2 为各极端气温指标的年际变化特征。由图2 可知，冷昼日数、冷夜日数、冰冻日数和霜冻日数整体呈下降趋势，其变化速率分别为-3.20、-4.79、-3.23、-4.96 d/10 年（图2a、图2b、图2c、图2d）；日最高气温极小值和日最低气温极小值整体呈上升趋势，其变化速率分别为 0.33、0.56 ℃/10 年（图2e、图 2f）。对于极端高温而言，暖昼日数、暖夜日数、夏日日数、日最高气温极大值和日最低气温极大值整体呈上升趋势，其变化速率分别为 3.39 d/10 年、5.02 d/10 年、1.21 d/10 年、0.21 ℃/10 年和 0.34 ℃/10 年（图 2g、图 2h、图 2i、图2k、图2l）；气温日较差呈下降趋势，其变化速率为-0.10 ℃/10 年（图 2j）。其中，冷昼日数、冷夜日数、冰冻日数和霜冻日数均值分别为15.00、16.35、31.86、198.22 d，其最大值与最小值分别相差25.48、28.89、47.41、16.27 d。日最高气温极小值和日最低气温极小值均值分别为-4.59 ℃和-20.61 ℃，其最大值与最小值分别相差6.73 ℃和7.41 ℃。暖昼日数、暖夜日数、夏日日数均值分别为16.56、16.27、10.66 d，其最大值与最小值分别相差31.63、27.92、16.55 d。气温日较差、日最高气温极大值和日最低气温极大值均值分别为13.78、23.88、10.88 ℃，最大值与最小值分别相差27.69、3.02、2.26 ℃。在48 年当中，冷昼日数、冷夜日数和暖昼日数、暖夜日数的变化相差不大，而日最高气温极小值和日最低气温极小值变化大于日最高气温极大值和日最低气温极大值，气温日较差在1971—2018 年变化较大，相差27.69 ℃。

3.1.2 极端气温指标突变检验 气候突变指的是气候从常态转变为不连续的一种气候变化［18］，依据突变原理对1971—2018 年西藏极端低温进行Mann-Kendall 突变检验分析，结果如图3 所示。冷夜日数的UF 和UB 曲线交点在临界点外侧，说明冷夜日数在48 年间不存在突变点（图3b）。而冷昼日数、冰冻日数、霜冻日数、日最高气温极小值和日最低气温极小值UF 和UB 曲线交点均处于临界点内侧，这些指标发生突变的年份分别为2000 年、2006 年、1995 年、1998 年和1996年（图3a、图3c、图3d、图3e、图3f）。对于极端高温指数暖夜日数而言，UF和UB曲线交点也在临界点外侧，和冷夜日数同样在48年间不存在突变（图3h）。而暖昼日数、夏日日数、日最高气温极大值UF和UB曲线交点均处于临界点内侧，这些指标发生突变的年份分别为2003 年、2002 年、1987 年（图 3g、图3i、图3k）。气温日较差突变年份发生较早，为1977 年（图 3j）。日最低气温极大值的 UF 和 UB 曲线交点紧邻临界点，其突变年份为1998 年（图3l）。

3.1.3 极端气温指标年代距平 极端低温指标的变化大致以21 世纪初为界，极端高温指标的变化大致以2006 年为界，极端低温变化年份早于极端高温变化年份，且极端低温指标的变化趋势较为明显。极端气温指标总体上反映了西藏气温呈升高趋势。

以21 世纪初为界，冷昼日数、冷夜日数、冰冻日数和霜冻日数在1971—2018 年距平分为2 部分，前期大多数为正距平，后期变化特征与前期大致相反（图4a、图4b、图4c、图4d）。在1971—2018年日最高气温极小值和日最低气温极小值同样以21世纪初为界，大致也分为2部分，前期大多数为负距平，后期多为正距平（图4e、图4f）。以2006 年为界，暖昼日数、暖夜日数、夏日日数以及日最低气温极大值在1971—2018 年大致分为2 部分，前期多为负距平，后期多为正距平（图4g、图4h、图4i、图4l）。气温日较差以1987年为界，前期多为正距平，后期多为负距平（图4j）。日最高气温极大值仅在2013年以后正距平趋势较突出，在此期间气温日较差有增大的趋势（图4k）。

3.1.4 极端气温指标四季变化特征 西藏极端气温指标季节变化趋势经检验可知（表2），冷昼日数、冷夜日数、暖夜日数、日最高气温极大值、日最低气温极大值、日最高气温极小值和日最低气温极小值在1971—2018 年各季节均通过了极显著性检验（P<0.01），暖昼日数在夏、冬季和春、秋季分别通过了P<0.01 和P<0.05 的检验，气温日较差在春、夏季变化均为极显著（P<0.01），而秋、冬季节变化未通过显著性检验。

3.2 极端气温指标空间变化特征

3.2.1 极端气温指标空间变化 由1971—2018 年西藏极端低温指标空间差异可以看出，6 个指数呈不同程度的变化（图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f）。冷昼日数在空间上差异较小，其中冷昼日数最小值出现在南部的江孜站和当雄站，最大值出现在东南部的察隅站（图5a）。冷夜日数的分布在中部表现出几个极低值点，分别为定日站、隆子站和察隅站，而最大值出现在西部的狮泉河站，为16.60 d，冷夜日数在空间上差异同样不大（图5b）。冰冻日数空间分布格局大体上呈由东南向西北依次增大的趋势，空间差异较大，最小值出现在波密和察隅站，为0 d，最大值在安多站，为107.79 d（图5c）。霜冻日数也表现出了由东南向西北依次增大的趋势，最小值同样出现在察隅站，为43.48 d，最大值也同样出现在北部的安多站，为265.92 d（图5d）。日最高气温极小值和日最低气温极小值空间变化趋势与霜冻日数和冰冻日数的趋势相反，表现为由东南向西北减小，最小值均出现在安多站，其值分别为-13.18 ℃和-28.81 ℃，最大值均出现在察隅站，其值分别为4.09 ℃和-3.60 ℃（图 5e、图5f）。

表2 1971—2018 年部分极端气温指标的季节变化趋势

由1971—2018 年西藏极端高温指标空间差异可以看出，6 个指标也出现了不同程度的变化（图5g、图5h、图 5i、图5j、图 5k、图5l）。暖昼日数在空间上差异不大，其中暖昼日数最小值出现在南部的波密站和林芝站，最大值出现在东部昌都站和中部的江孜站（图5g）；暖夜日数变化范围同样不大，最小值同样出现在南部的波密站和林芝站，最大值出现在中部的班戈站，且从东至西气温变化表现出逐渐变大的趋势（图5h）；夏日日数空间变化较为明显，从南至北趋势逐渐减小，其最大值和最小值相差72.7 d（图5i）；对于气温日较差而言，最大值和最小值变化较为明显，二者相差6.9 ℃，最小值出现在聂拉木、错那和察隅站，而最大值出现在江孜站、隆子站和定日站（图5j）；日最高气温极大值和日最低气温极大值空间变化较为一致，都表现出中部数值较低，东部数值较高，其极值分别相差14.0 ℃和10.9 ℃（图5k、5l）。

3.2.2 极端气温指标变化趋势与地理位置的关系由表3 可知，霜冻日数、夏日日数、日最高气温极小值和日最高气温极大值与经度呈显著相关（P<0.05）；日最高气温极小值、冰冻日数和暖夜日数与纬度呈显著相关（P<0.05）；各极端气温指标与海拔高度的相关性较为显著，除冷昼日数、冷夜日数、暖昼日数和气温日较差与海拔高度没有表现出明显的相关性，其余极端气温指标均与海拔高度呈显著（P<0.05）或极显著相关（P<0.01）。

表3 西藏各项极端气温指标变化趋势与地理位置的相关系数

4 讨论

1971—2018 年西藏冷指标变暖幅度大于暖指标，冷指标与暖指标的变化表现出不对称性，这与其他学者对西藏的研究一致［19，20］。西藏各项极端气温指标与中国大部分地区气温变化情况类似［21］，气温整体上表现出变暖的趋势。

与全国相比，西藏极端气温指标变化速率远高于全国水平，其中同期已有数据TX10p、TN10p、TX90p 和TN90p 变化速率分别是全国水平的3.0、3.3、3.4、2.3 倍［21］。黄土高原［7］、内蒙古［8］和贵州［9］的研究表明，伴随海拔高度的增加，极端气温指标的变化更显著。与黄土高原［7］、内蒙古［8］和贵州［9］极端气温指标变化相比，西藏 TX10p、TX90p、ID 变化速率是内蒙古的2.0 倍，FD 变化速率是内蒙古的1.5 倍；TXx 和TNx 变化速率与黄土高原相同，TXn 和TNn变化速率分别是黄土高原的10.0 倍和1.4 倍；FD、TX90p 和 SU25 分别是云贵高原的 3.1、1.3、2.0 倍，云贵高原仅TX10P 变化速率高于西藏，为西藏的1.7倍。这说明总体上西藏各极端气温指标相对于其他地区变化更快，极端气温指标的影响可能更为显著。快速的气候变化将会给西藏带来一系列的影响，一方面可能诱发病虫害、高温热害、干旱等问题，从而使农牧业生产变得更加脆弱和敏感，另外一方面可能引发冰崩、湖泊溃决等灾害。

5 小结

1）1971—2018 年，西藏冷指标（TX10P、TN10p、ID、FD）表现出显著的下降趋势，暖指标（TX90p、TN90p、SU25、TXx、TNx）表现出显著的上升趋势，此外，DTR 呈下降趋势，冷指标TXn 和TNn 虽呈下降趋势，但与其他指标相比，其变化较为缓慢。其中，冷指标变暖幅度大于暖指标，冷指标与暖指标的变化表现出不对称性。

2）通过 M-K 检验可知，1971—2018 年西藏极端气温指标发生突变的时间多集中于20 世纪90 年代至21 世纪初，且在此期间，后期变化趋势高于前期，极端气温年代距平也同样显示，近20 年西藏极端气温升高较为显著。

3）西藏极端气温指标在空间上表现出一定的差异，经度和纬度与大部分极端气温指标的关系不显著。海拔与大多数极端气温指标具有显著的相关性，其中ID、FD 和TN90p 与海拔呈显著（P<0.05）或极显著正相关（P<0.01），SU25、TXn、TNn、TXx 和TNx 与海拔呈极显著负相关（P<0.01）。