1980—2019年新乡市极端气温时空变化特征

2021-07-09于海敬葛非凡王金兰马月枝

陕西气象 2021年4期

于海敬，葛非凡，王金兰，马月枝，王强

(1.新乡市气象局，河南新乡 453000；2. 桐乡市气象局，浙江桐乡 314500；3.黄陵县气象局，陕西黄陵 727300)

近年来，全球气候变暖已成为地球气候系统变化的主要特征[1]，极端气候事件发生的频率和强度均在迅速增加，严重影响社会和人类生存环境的可持续发展[2-3]，其中极端气候事件中极端气温指数的变化趋势特征已成为国内外气象学者研究的热点。1880—2012年全球海陆表面平均气温上升了0.85 ℃[4]，陆地上冷夜和冷昼日数呈减少趋势，而暖夜和暖昼发生的日数却更加频繁[4-6]。

国内外相关领域学者通过研究不同地区极端气温的变化特征，结果显示全球极端气温呈低温事件减少、高温事件增加的趋势[7]。我国内蒙古大兴安岭林区极端最低气温日数呈减少趋势，极端最高气温日数在20世纪80年代中期后呈上升趋势[8]。江淮流域的极端最高气温、极端最低气温和夏日指数在1979—2011年均呈上升趋势，高温日数也呈上升趋势[9]。丽江的冷指数呈下降趋势，且极端高温事件的概率在不断增大[10]。贵州省1960—2016年冷指数呈下降趋势，暖指数呈上升趋势，其中在19世纪末到20世纪初多数极端气温指数均发生突变[11]。经研究发现我国极端气温事件在不同地方存在一定差异[12]，各地极端气温事件的分布和变化也存在地域差异[13]，且在已有的极端气温事件研究中大都为研究某个区域或者中国全区，而对小尺度范围的研究较少[14]。新乡市位于河南省北部，南邻黄河流域，西邻太行山脉，地理位置优越，是中原城市群和经济区的重要城市，市场潜力大，粮食优势突出[15]，又因河南省极端气温事件的变化趋势存在明显的地区差异[16]，故深入研究新乡市极端气温变化特征具有实际的应用价值，能够为风险调控和气候变化的研究提供理论依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

采用1980—2019年新乡市8个国家气象站点的逐日最高和最低气温(单位：℃)数据，该数据来源于新乡市气象局数据库，所采用的数据均通过严格的质量控制，数据无缺失，且连续性、代表性强。

1.2 研究方法

对世界气象组织(WMO)发布常用的10种极端天气指数进行统计分析，并将其分为3类：极值指数，相对指数和绝对指数[1]。对极端气温指标的定义采用百分位阈值法，因要求气候参考期在30年内需至少选用20年的有效数据[9]，本文选取40年数据作为基期，基期是通过8个站点40年的每年同一日平均最高(最低)气温按升序排列进行确定，选取第90%的值作为该日的上阈值，第10%的值作为该日的下阈值，将1980—2019年各站点每年的同一日最高(最低)气温与阈值进行比较[17-19]，得出各站点的指数值，其阈值的定义见表1[1]。

表1 极端气温指数的定义

采用线性倾向率方法，分析新乡市极端气温指数的年际变化趋势特征；采用空间插值方法，分析极端气温指数的空间变化趋势特征和指数的空间分布特征；采用Morlet复数小波方法，分析极端气温指数的周期变化特征；采用M-K突变检验方法，分析极端气温指数的突变年，以及突变后气温指数的变化趋势。

2 结果与分析

2.1 极端气温指数年际变化趋势

采用1980—2019年新乡市极端气温指数8个站点的日均值，来分析新乡市极端气温指数年际变化的线性倾向率。通过分析可知，各极端气温指数的线性倾向率差值较大，极值指数中，极端最低气温和极端最高气温均呈上升趋势(线性倾向率分别为0.47 ℃/10 a和0.27 ℃/10 a)，表明该地区的总体气温升高，极端最高气温的上升表明该地区气温趋于暖化，且极端最低气温的变化幅度大于极端最高气温。相对指数中，冷夜和冷日呈下降趋势(线性倾向率分别为-12.67 d/10 a和-3.71 d/10 a)，暖夜和暖日呈上升趋势(线性倾向率分别为10.31 d/10 a和2.68 d/10 a)，其中暖夜和冷夜通过了0.01的显著性检验；冷夜的变化幅度最大，暖日的变化幅度最小。相对指数的变化趋势表明该地区的低温日数呈减少趋势。绝对指数中，夏日和热夜呈上升趋势(线性倾向率分别为2.65 d/10 a、5.12 d/10 a)，而冰日和霜日呈下降趋势(线性倾向率分别为-0.04 d/10 a、-6.72 d/10 a)，其中热夜和霜日通过了0.01的显著性检验；霜日的变化幅度最大，冰日的变化幅度最小。总之，极端气温指数的变化较明显，发生极端天气现象的概率增大。

2.2 极端气温指数周期性分析

为更好地研究新乡市极端气温各指数的时域和频域局部性质，采用Morlet复数小波分析新乡市极端气温指数的周期变化，并进行红噪声检验。因暖夜不存在周期性，故对其不进行分析。图1为存在全域性周期的2种极端气温指数(夏日和冰日)在时间序列上的周期变化特征及小波方差图(极端气温指数非全域性周期变化图略)。

图1 1980—2019年新乡市极端气温指数周期变化(a，粗实线为通过红噪声检验区)及小波方差线(b，虚线表示红噪声检验显著)

极端最低气温在1984—1998年和2005—2019年存在2 a左右的准周期，从小波方差图可知该周期通过了红噪声检验，表明在该时段存在2 a左右的显著周期。极端最高气温在1993—2001年和1980—2015年分别存在2 a和5 a的准周期，均通过了红噪声检验，其中5 a为主周期，2 a为第二显著周期。

冷夜在1982—1996年存在4 a的准周期，且通过了红噪声检验，表明在该时段存在显著周期。暖日在1987—2007年存在2 a的周期、在1996—2019年存在4 a的准周期，均通过红噪声检验，其中4 a为主周期，2 a为第二周期。冷日在1981—1989年和1991—2005年存在2 a的非全域性准周期，且通过红噪声检验，故在此期间存在2 a的显著周期。

夏日在1980—2019年存在4 a的准周期且通过了红噪声检验，震荡比较稳定，表明存在4 a的全域性周期；在2004—2019年还存在6 a左右的准周期，但未通过红噪声检验。冰日在不同时期存在2 a和8 a准周期，因1994—2004年存在8 a的准周期，但未通过红噪声检验，故冰日仅在1980—2019年存在2 a的全域性周期。热夜在1983—1997年存在2 a左右的准周期，均通过了红噪声检验，故在此期间存在显著周期。霜日在1986—2012年分别存在4 a左右的准周期，且通过了红噪声检验。通过分析可知，极端最高气温和暖日存在两种显著周期，变化相对较复杂。

2.3 极端气温指数突变分析

通过M-K突变检验方法对极端气温指数进行突变分析，研究各极端气温指数在不同时间序列中的变化特点，结果发现新乡市有6种气温指数产生突变(图略)。极端最低气温的突变年为1986年，之后增加趋势不显著。暖日的突变年为2013年，之后呈显著增加趋势。冷日的突变年为2015年，之后呈显著减少趋势。夏日的突变年为2004年，之后呈显著增加趋势。热夜的突变年为1997年，之后呈显著增加趋势。霜日的突变年为1993年，之后呈显著减少趋势。由此可见，极端气温指数的突变主要发生在20世纪90年代和21世纪初期。

2.4 各气温指数之间的相关性

为研究各极端气温指数之间的相关性特点，采用SPSS中双变量之间的相关性对其进行分析(表2)，得出暖夜与热夜的正相关性最强，暖夜与霜日的负相关性最强。对于单个指数，冷日除极端最高气温外，与其他8种指数之间均呈显著相关，说明冷日的变化对其他指数的影响最大。暖夜除极端最低气温、极端最高气温和冰日外，与其他6种指数之间均呈显著相关。冷日和夏日与其他5种指数之间呈显著相关，而极端最高气温与其他指数相关性不显著，表明各极端气温指数之间的相关性差异较大。若知某种极端气温指数的变化特征，可通过采用各气温指数之间的相关性特点来推断出其他指数的变化特征。

表2 新乡各极端气温指数的相关性分析

2.5 极端气温指数空间分布

通过反距离加权法对各站点的极端气温指数进行空间插值分析，研究新乡市极端气温指数的空间变化特征，结果见图2。极端最低气温大致呈西部高于东部的特征，新乡本站最高为-9.65 ℃，最低封丘为-11.49 ℃。极端最高气温呈西部高，东部次之，中部低的分布特征，最高获嘉为38.58 ℃，新乡本站最低为37.89 ℃。暖夜整体呈东西高、中部低的分布特征，低值区主要分布在延津、封丘和原阳，分别为39.38 d、42 d和42.60 d。冷夜呈中部高、东西低的分布特征，其中最高原阳为54.6 d。暖日呈由西向东降低的趋势，获嘉最高为53.38 d，延津最低为36.85 d。冷日呈东南向西北降低的分布特征，辉县最低为26.70 d。夏日西部高于东部，总体呈东西向中部逐渐降低的趋势，获嘉最高为150.80 d，原阳最低为144 d。冰日呈东南向西北降低的趋势，长垣最高为6.78 d，最低是辉县和获嘉均为4.63 d。热夜呈东西高、中部低的分布特征，新乡本站最高均为83.38 d，延津最低为73.88 d。霜日呈中部高、东西低的分布特征，延津最高为87 d，长垣最低为81.10 d。

图2 1980—2019年新乡市极端气温指数空间分布

通过分析极端指数的空间分布特征可知，各指数的空间变化差别较大，但也有指数的空间变化特征较为相似，其中极端最低气温、极端最高气温和夏日的西北部高，冷日和冰日的东部高。

2.6 极端气温指数变化趋势空间分布

为进一步分析各站点极端气温指数在空间上的变化趋势特征(图略) ，采用线性倾向率对各站点的气温指数进行空间分析，结果可知，极端最低气温有上升和下降两种变化趋势，线性倾向率为-0.05～0.10 ℃/10 a，其中长垣的上升趋势最强，辉县、获嘉、卫辉和长垣的变化趋势通过了显著性检验；极端最高气温中各站点均呈上升趋势，线性倾向率变化趋势为0.01～0.05 ℃/10 a，新乡本站和卫辉的变化趋势通过了显著性检验，其中新乡本站的上升趋势最强。

暖夜和暖日呈上升趋势，线性倾向率分别为0.61～2.29 d/10 a、0.47～1.01 d/10 a，其中暖夜上升趋势较高，且暖夜各站点均通过了显著性检验。冷夜和冷日呈下降趋势，线性倾向率分别为-0.03～-1.83 d/10 a、-0.16～-0.47 d/10 a，其中冷夜除封丘和原阳外均通过了显著性检验，冷日除获嘉外均通过了显著性检验。

夏日和热夜呈上升趋势，夏日的线性倾向率为0.13～0.43 d/10 a，除原阳外均通过了显著性检验。热夜的线性倾向率为0.24～0.90 d/10 a，除封丘和卫辉外均通过了显著性检验。冰日呈上升和下降两种变化趋势，线性倾向率为-0.06～0.06 d/10 a，其中封丘和辉县呈上升趋势，其他站均呈下降趋势，但均未通过显著性检验。霜日各站点均呈下降趋势，线性倾向率为-0.92～-0.21 d/10 a，除封丘外各站点均通过了显著性检验。