青海高原1961—2019年暖冷昼(夜)日数比变化特征研究

罗 静，郑国强，刘峰贵，周 强，陈 琼

(1.青海师范大学 地理科学学院，青海 西宁 810008； 2.青海省工程咨询中心，青海 西宁 810001；3.高原科学与可持续发展研究院，青海 西宁 810008)

近百年来，全球气候经历了显著的变暖趋势，IPCC第五次评估报告显示，1880—2012年全球地表平均温度升高了约0.85℃[1]。持续变暖的全球气候导致极端气候事件频发[2-3]，对人类社会、经济和自然生态系统造成了严重的破坏[4-8]。在全球气候变暖背景下，探索极端气候事件的变化特征及形成机理将有助于人类正确应对气候变化[9-10]，越来越引起国内外科学界的普遍关注。

越来越多的研究发现，在全球变暖过程中，极端高温和极端低温的变化幅度呈明显的不对称性，并表现出日较差变小的趋势[11-12]。中国受东亚季风的影响，气候变化程度剧烈。目前全国年均最高气温和最低气温都呈明显的变暖趋势，而大部分地区的年均最低气温的变暖幅度要大于最高气温的变暖幅度[13-14]。由此可见，极端气温在全球变暖过程中变化显著。

Alexander等[15]研究发现近50年全球70%的地区都显示冷夜明显减少，暖夜明显增加的趋势；Scott等[16]研究分析了北美洲地区1980—2016年极端气温事件变化趋势，研究表明极端高温事件呈上升趋势，极端低温事件呈下降趋势；张扬等[17]采用克里金插值法研究分析了秦岭山地陕西段南北坡极端气温空间变化特征，结果表明极端气温的频率、强度和持续时间均表现为增加趋势；王琼等[18]研究发现中国长江流域的冷昼日数、冷夜日数显著减小，暖昼日数、暖夜日数显著增加；江晓菲等[19]基于第五次耦合模式比较计划的23个全球气候模式所提供的最高气温与最低气温在RCP4.5情景下的逐日格点资料，使用秩加权方法研究表明2046—2066年中国区域平均最高气温和平均最低气温的增加幅度相对于历史时期(1986—2005年)可能超过2.0℃(概率>66%)。

位于欧亚大陆腹地的青藏高原是全球气候变化和地球系统科学研究的天然实验室，已成为全球关注的热点[20]。青海高原地处青藏高原东北部边缘地区，随着全球气候变暖，出现了气温显著升高、蒸发量增大以及降水增加的气候暖湿化趋势[21]。近年来，青海高原气象灾害对农牧业、生态环境等敏感领域带来的损失愈发严重，极端气温的影响尤为显著。尽管目前对青海高原气温方面的研究已有不少，但往往是侧重于平均状态，而针对整体以及不同区域极端气温事件比较全面的分析研究尚不多见，尤其是对整体及不同区域昼和夜极端气温日数比变化的研究尚未开展。故文中采用世界气象组织(WMO)推荐使用的极端气温相对指数来探讨青海高原昼夜极端气温日数比变化特征及其演变规律，力求能为本地区经济社会发展、防灾减灾提供参考，同时为开展灾害预警服务和制定应急预案提供理论依据。

1 研究资料与方法

1.1 研究区概况

青海高原位于青藏高原东北部边缘地区，是黄河、长江和澜沧江的发源地，是“国家公园省”和“中华水塔”。青海高原远离海洋，日照时数长，辐射能力强，降水量地区差异大，是典型的高原大陆性气候[22]。年平均降水量在100～550 mm之间，年平均气温在-5.0～9.0℃之间。境内地形复杂多样，全境87%以上的土地海拔在3 000 m以上。依据研究所需，将青海高原划分为东部农业区、环湖地区、柴达木地区和青南牧区。东部农业区主要包括西宁市、海东市、海南州贵德县、黄南州尖扎县、同仁县、海北州门源县，总计14站；环湖地区包括海北州(除门源县)、海西州天峻县、海南州共和县、贵南县，总计8站；柴达木地区包括海西州(除天峻县)、格尔木市(除沱沱河)，总计10站；青南牧区包括玉树州、果洛州、黄南州泽库县、河南县、海南州兴海县、同德县，总计18站(图1)。

图1 青海高原气象观测站分布示意图Fig.1 Distribution diagram of meteorological observation stations in Qinghai Plateau

1.2 数据与方法

1.2.1 数据来源

本文数据来源于青海省气象信息中心CIMISS数据平台，包括青海高原50个气象观测站1961—2019年逐日和逐年气温观测资料，包括逐日最高气温、逐日最低气温、逐日平均气温、逐年平均最高气温、逐年平均最低气温。所有数据均经过了较为严格的质量控制，包括极值检验、时间一致性检验。对个别台站的资料数据利用RClimDex软件进行了质量控制，包括数据记录日期是否与现实一致、日最低气温是否大于日最高气温、错误值与异常值的筛选等等。经过订正处理后的50个台站的各要素资料具有较好的连续性。

1.2.2 研究方法

本研究对极端气候指数的定义和计算采用的标准是基于世界气象组织气候委员会(WMO-CCI)、全球气候研究计划(WCRP)、气候变化和可预测性计划气候变化专家组(CLIVAR)等确定的“气候变化检测和指标”，该方法在极端气候事件研究中被国内外学者广泛应用[23]。本研究重点探讨青海高原昼夜不同极端气温变化比特征及其演变规律，因此选择广泛应用的极端气温相对指数，分别为暖昼日数、暖夜日数、冷昼日数和冷夜日数。这些指数能够反应出昼和夜极端气温不同方面的变化，具有较弱的极端性、噪声低、显著性强的特点。

文中极端气温相对指数采用的是百分位阈值法，具体计算方法是：将某站1961—2019年中某日的最高气温或最低气温资料按升序排列，将第90个和第10个百分位值作为极端气温的阈值[24-25]。

表1 极端气温相对指数定义Table 1 Definition of extreme temperature relative index

2 暖冷昼(夜)临界温度划分

文中选用青海高原50个国家气象站1961—2019年气象数据，严格按照暖冷昼(夜)指数定义规定，计算了所有气象站点暖冷昼(夜)临界温度阈值(图2)。暖昼临界温度值最高的是民和，达到了27.7℃，最低的是曲麻莱的3.1℃，整个高原暖昼临界温度值平均为20.7℃(图2(a))。冷昼临界温度值最高的是贵德，达到了3.6℃，最低的是五道梁的-8.3℃，整个高原冷昼临界温度值平均为-1.7℃(图2(b))。暖夜临界温度值最高的也是民和，达到了14.6℃，最低的是五道梁的0.6℃，整个高原暖夜临界温度值平均为7.8℃(图2(c))。冷夜临界温度值最高的是循化，达到了-10.5℃，最低的是清水河的-27.2℃，整个高原暖昼临界温度值平均为-18.5℃(图2(d))。由此可以看出，东部地区和青南地区温度差异特征显著。

图2 青海高原暖冷昼(夜)临界温度阈值分布图Fig.2 Critical temperature threshold distribution map of warm-cold day or night in Qinghai Plateau

3 暖冷昼(夜)日数比变化特征分析

3.1 暖冷昼(夜)日数比时间变化特征

3.1.1 青海高原暖冷昼(夜)日数比时间变化特征

图3显示的是青海高原1961—2019年暖冷昼(夜)日数比年际及年代际变化(图3)。由图看出，青海高原1961—2010年暖冷昼日数比均呈显著增大趋势，2011—2019年略有下降(图3(a))，表明1961—2019年青海高原暖昼日数逐步多于冷昼日数。暖冷昼日数比最小的年份是1967年，仅为0.36，表明1967年冷昼日数是暖昼日数的2.8倍左右。暖冷昼日数比最大的年份是2010年，达到了3.0，表明2010年暖昼日数是冷昼日数的3.0倍。从年代际分布状况来看，1961—1970、1971—1980、1981—1990年平均暖冷昼日数比均小于1.0，分别为0.68、0.72、0.88，表明20世纪60年代—20世纪80年代暖昼日数均明显少于冷昼日数(图3(a))。1991—2000、2001—2010、2011—2019年平均暖冷昼日数比均大于1.0，分别为1.12、1.86、1.51，表明20世纪90年代—21世纪10年代暖昼日数均显著多于冷昼日数。其中21世纪00年代暖昼日数是冷昼日数的1.9倍左右(图3(a))。

青海高原1961—2019年暖冷夜日数比呈显著增大趋势(图3(b))，表明1961—2019年青海高原暖夜日数逐步多于冷夜日数。暖冷夜日数比最小的年份是1968年，仅为0.4，表明1968年冷夜日数是暖夜日数的2.5倍。暖冷夜日数比最大的年份是2006年，达到了3.79，表明2006年暖夜日数是冷夜日数的3.8倍左右。从年代际分布状况来看，1961—1970、1971—1980、1981—1990年平均暖冷夜日数比均小于1.0，分别为0.52、0.72、0.90，表明20世纪60年代—20世纪80年代暖夜日数均明显少于冷夜日数。1991—2000、2001—2010、2011—2019年平均暖冷夜日数比均大于1.0，分别为1.10、2.17、2.44，表明20世纪90年代—21世纪10年代暖夜日数均明显多于冷夜日数，其中21世纪10年代平均暖夜日数是冷夜日数的2.4倍左右。

图3 1961—2019年青海高原暖冷昼(夜)日数比年际及年代际变化Fig.3 Inter-annual and decadal variations of warm-cold day or night in Qinghai Plateau from 1961—2019

青海高原暖冷昼(夜)日数比均呈显著增大趋势，该结论与赵国永等[26]对新疆1961—2016年极端气温变化特征研究结果、鲁同所等[27]对拉萨市近50年极端气温变化特征研究结果和赵安周等[28]对黄土高原1965—2013年极端气温变化特征研究结果一致，但增大趋势在区域空间上表现出不一致性。此外，青海高原暖冷昼比从2011年开始呈现减小趋势，但暖冷夜比仍然呈现增大趋势，究其主要原因是从2011年开始，青海高原年平均最高气温较2001—2010年相比降低，四分区降低幅度为0.02—0.14℃(图8(a))，而年平均最低气温较2001—2010年相比仍然升高，四分区升高幅度为0.13～0.59℃(图8(b))。

3.1.2 青海高原各分区暖冷昼(夜)日数比时间变化特征

图4显示的是青海高原四分区1961—2019年暖冷昼日数比年际及年代际变化情况(图4)。由图看出，青海高原各分区1961—2010年暖冷昼日数比均呈显著增大趋势，2011—2019年略有下降(图4)。青海高原东部农业区暖冷昼日数比最小的年份是1967年，仅为0.28，最大的年份是2010年，达到了2.59(图4(a))。环湖地区暖冷昼日数比最小的年份是1976年，仅为0.29，最大的年份是2010年，达到了3.17(图4(b))。柴达木地区暖冷昼日数比最小的年份是1967年，仅为0.27，最大的年份是2006年，达到了2.69(图4(c))。青南牧区暖冷昼日数比最小的年份是1965年，仅为0.36，最大的年份是2010年，达到了4.36(图4(d))。

从年代际分布状况来看，东部农业区、环湖地区、柴达木地区1961—1970、1971—1980、1981—1990年平均暖冷昼日数比均小于1.0，1991—2000、2001—2010、2011—2019年平均暖冷昼日数比均大于1.0，表明东部农业区、环湖地区、柴达木地区20世纪60年代—20世纪80年代暖昼日数均明显少于冷昼日数，20世纪90年代—21世纪10年代暖昼日数均明显多于冷昼日数(图4(a)、(b)、(c))，与整个高原的年代际变化趋势一致。青南牧区1961—1970、1971—1980、1981—1990、1991—2000年平均暖冷昼日数比均小于1.0，2001—2010、2011—2019年平均暖冷昼日数比均大于1.0(图4(d))。青海高原各分区20世纪00年代平均暖冷昼日数比均最大，分别达到了1.75、1.94、1.81、2.05(图4)。

图5显示的是青海高原四分区1961—2019年暖冷夜日数比年际及年代际变化情况(图5)。由图看出，青海高原各分区暖冷夜日数比除柴达木地区在2011—2019年略有下降外，其余地区1961—2019年均呈显著增大趋势(图5)。青海高原东部农业区暖冷夜日数比最小的年份是1969年，仅为0.34，最大的年份是2015年，达到了4.34(图5(a))。环湖地区暖冷夜日数比最小的年份是1976年，仅为0.39，最大的年份是2006年，达到了3.25(图5(b))。柴达木地区暖冷夜日数比最小的年份是1968年，仅为0.29，最大的年份是2006年，达到了4.9(图5(c))。青南牧区暖冷夜日数比最小的年份是1963年，仅为0.44，最大的年份是2018年，达到了3.53(图5(d))。

图4 1961—2019年青海高原各分区暖冷昼日数比年际及年代际变化Fig.4 Inter-annual and decadal variations of warm-cold day in each regions of Qinghai Plateau from 1961—2019

图5 1961—2019年青海高原各分区暖冷夜日数比年际及年代际变化Fig.5 Inter-annual and decadal variations of warm-cold night in each regions of Qinghai Plateau from 1961—2019

从年代际分布状况来看，东部农业区、环湖地区、柴达木地区1961—1970、1971—1980、1981—1990年平均暖冷夜日数比均小于1.0，1991—2000、2001—2010、2011—2019年平均暖冷夜日数比均大于1.0，表明东部农业区、环湖地区、柴达木地区20世纪60年代—20世纪80年代暖夜日数均明显少于冷夜日数，20世纪90年代—21世纪10年代暖夜日数均明显多于冷夜日数(图5(a)、5(b)、5(c))，与整个高原的年代际变化趋势一致。青南牧区1961—1970、1971—1980、1981—1990、1991—2000年平均暖冷夜日数比值小于1.0，2001—2010、2011—2019年平均暖冷夜日数比大于1.0(图5(d))。青海高原东部农业区、环湖地区、青南牧区20世纪10年代平均暖冷夜日数比值均最大，分别达到了2.89、2.17、2.48，柴达木地区20世纪00年代最大达到了2.42(图5)。

青海高原北部海拔较低的东部农业区、环湖地区、柴达木地区暖冷昼(夜)日数比大于1.0均发生在1991—2000年之间，该结论与赵国永等[26]对新疆1961—2016年极端气温变化特征研究结果较一致。青海高原南部海拔较高的青南牧区暖冷昼(夜)日数比大于1.0却发生在2001—2010年之间，该结论与鲁同所等[27]对拉萨市近50年极端气温变化特征研究结果较一致。由此表明，青海高原各分区暖冷昼(夜)日数比变化特征与海拔高度存在较密切的联系。

3.2 暖冷昼(夜)日数比空间分布特征

3.2.1 青海高原暖冷昼日数比空间分布

图6显示的是青海高原1961—2019年暖冷昼日数比空间分布状况(图6)。由图可以看出，20世纪60年代—70年代青海高原全境冷昼日数显著多于暖昼日数(图6)。其中，20世纪60年代柴达木中西部、青南牧区西部、东部农业区、环湖地区暖昼日数仅为冷昼日数的70%(图6(a))。20世纪70年代柴达木、青南牧区中部地区暖昼日数仅为冷昼日数的70%(图6(b))。20世纪80年代青海高原全境暖昼日数与冷昼日数基本持平或略少 (图6(c))。从20世纪90年代开始青海高原全境暖昼日数显著多于冷昼日数 (图6)。 其中，20世纪90年代青南牧区中西部地区暖昼日数与冷昼日数基本持平，高原其余地区暖昼日数是冷昼日数的1.2～1.4倍左右，柴达木地区的茫崖暖昼日数是冷昼日数的2.0倍(图6(d))。21世纪00年代是青海高原暖冷昼日数比最大的时期，高原全境暖昼日数是冷昼日数的1.5～3.0倍左右，青南牧区中西部、柴达木中西部地区暖昼日数是冷昼日数的2.5倍以上，尤其是青南牧区中部的同德，达到了3.4倍左右(图6(e))。21世纪10年代青海高原暖冷昼日数比相较21世纪00年代有所减小，东部农业区、环湖北部、柴达木西部地区暖昼日数是冷昼日数的1.1～1.5倍左右，青南牧区中部地区在1.8～2.2倍左右，高原其余地区在1.5～1.8倍左右(图6(f))。

3.2.2 青海高原暖冷夜日数比空间分布

图7显示的是青海高原1961—2019年暖冷夜日数比空间分布状况(图7)。由图可以看出，20世纪60年代—70年代青海高原全境冷夜日数显著多于暖夜日数(图7)。其中，20世纪60年代柴达木中西部地区暖夜日数仅为冷夜日数的40%，高原其余地区仅为60%～80%(图7(a))。20世纪70年代除青南牧区东南部地区外，青海高原全境暖夜日数仅为冷昼日数的70%～80%左右(图7(b))。20世纪80年代青海高原全境暖夜日数与冷夜日数基本持平或略少(图7(c))。从20世纪90年代开始青海高原全境暖夜日数显著多于冷夜日数(图7)。其中，20世纪90年代柴达木地区的茫崖暖夜日数是冷夜日数的1.7倍左右，高原其余地区暖夜日数是冷夜日数的1.2～1.6倍左右 (图7(d))。21世纪00年代柴达木中西部、 青南牧区西部地区暖夜日数是冷夜日数的2.4～3.5倍左右，尤其是柴达木地区的格尔木达到了3.8倍左右，青南牧区中部、柴达木东部地区在2.0～2.4倍左右，高原其余地区在2.5-3.5倍之间(图7(e))。21世纪10年代是青海高原暖冷夜日数比最大的时期，东部农业区、环湖地区、青南牧区西部、柴达木中西部地区暖夜日数是冷昼日数的2.4～3.5倍左右，尤其是柴达木地区的格尔木(图7(f))。

图7 1961—2019年青海高原暖冷夜日数比空间分布图Fig.7 Spatial distribution of warm-cold night ratio in Qinghai Plateau from 1961-2019

3.3 暖冷昼(夜)日数比与气温要素相关性分析

青海高原1961—2019年暖冷昼(夜)日数比均呈显著增大趋势，但是这种增大是由暖昼(夜)日数显著增多造成的，还是冷昼(夜)日数显著减少造成的，本文通过暖冷昼(夜)日数比与气温要素进行Pearson相关性分析进行了探讨(表2、表3、图8)。

表2 青海高原暖冷昼日数比与气温要素相关性分析Table 2 Analysis of the correlation between the ratio of warm-cold days and air temperature in Qinghai Plateau

表3 青海高原暖冷夜日数比与气温要素相关性分析Table 3 Analysis of the correlation between the ratio of warm-cold nights and air temperature in Qinghai Plateau

图8 1961—2019年青海高原年平均最高(a)和最低(b)气温变化趋势Fig.8 Changes in the annual average maximum (a) and minimum (b) temperature of Qinghai Plateau from 1961-2019

表2显示的是青海高原暖冷昼日数比与气温要素相关性分析(表2)。由表分析可知，年平均最高气温与青海高原四分区的相关性系数分别为0.86、0.83、0.85和0.81，均通过了0.01显著性检验，平均相关性系数达到了0.84。年平均最低气温与青海高原四分区的相关性系数分别为0.71、0.72、0.74和0.66，均通过了0.01显著性检验，平均相关性系数达到了0.71。从图8青海高原年平均最高气温变化趋势看出，青海高原四分区年平均最高气温变化趋势与暖冷昼日数比变化趋势高度一致(图4、图8(a))。由此表明，最高气温的显著上升是造成青海高原四分区暖冷昼日数比呈显著增大趋势的主要原因。从年平均最高最低气温差方面来看，东部农业区和青南牧区暖冷昼日数比与其呈不显著的正相关，而在环湖地区和柴达木地区呈不显著的负相关。

表3显示的是青海高原暖冷夜日数比与气温要素相关性分析(表3)。由表分析可知，年平均最高气温与青海高原四分区的相关性系数分别为0.73、0.71、0.77和0.72，均通过了0.01显著性检验，平均相关性系数达到了0.73。年平均最低气温与青海高原四分区的相关性系数分别为0.92、0.92、0.89和0.93，均通过了0.01显著性检验，平均相关性系数达到了0.92。从图8青海高原年平均最低气温变化趋势看出，青海高原四分区年平均最低气温变化趋势与暖冷夜日数比变化趋势高度一致(图5、图8(b))。由此表明，最低气温的显著上升是造成青海高原四分区暖冷夜日数比呈显著增大趋势的主要原因。从年平均最高最低气温差方面来看，青海高原四分区暖冷夜日数比与其呈显著的负相关。由此表明，青海高原日平均最高最低气温差呈显著减小趋势，且日平均最低气温的上升幅度显著大于日平均最高气温的上升幅度。

4 结论与讨论

文中选用青海高原50个气象观测站点1961—2019年的逐日最高气温、逐日最低气温、逐日平均气温、逐年平均最高气温、逐年平均最低气温资料，采用极端气温相对指数来探讨青海高原昼夜不同极端气温日数比变化特征及其演变规律，研究主要得到以下结论：

(1)青海高原整体平均暖昼、冷昼、暖夜、冷夜临界温度值分别为20.7、-1.7、7.8、-18.5℃。暖昼临界温度值最高的是民和的27.7℃，最低的是曲麻莱的3.1℃。冷昼临界温度值最高的是贵德的3.6℃，最低的是五道梁的-8.3℃。暖夜临界温度值最高的是民和的14.6℃，最低的是五道梁的0.6℃。冷夜临界温度值最高的是循化的-10.5℃，最低的是清水河的-27.2℃。由此可以看出，青海高原东部农业区和青南牧区温度差异特征显著。

(2)从年际和年代际分布情况看，青海高原整体和各分区暖冷昼日数比均在1961—2010年呈显著增大趋势，2011—2019年略有下降，暖冷夜日数比均在1961—2019年呈显著增大趋势。青海高原整体和各分区暖冷昼(夜)日数比最小年份主要集中在20世纪60年代，最大年份主要集中在21世纪00年代。东部农业区、环湖地区、柴达木地区20世纪60年代—80年代平均暖冷昼(夜)日数比均小于1.0，20世纪90年代—21世纪10年代均大于1.0，而青南牧区暖冷昼(夜)日数比突变是20世纪90年代。

(3)20世纪60年代—70年代东部农业区、柴达木中西部、青南牧区中西部地区暖昼日数显著少于冷昼日数，暖夜日数显著少于冷夜日数，暖冷昼(夜)日数比均不到0.7～0.8。20世纪80年代青海高原全境和各分区暖冷昼日数比和暖冷夜日数比基本持平或略少。20世纪90年代—21世纪10年代青海高原全境和各分区暖昼日数显著多于冷昼日数，暖夜日数显著多于冷夜日数，青南牧区中西部、柴达木中西部地区暖昼日数是冷昼日数的2.5倍以上，青南牧区西部、东部农业区、柴达木中西部地区暖夜日数是冷夜日数的2.8倍以上。

(4)最高气温的显著上升是造成青海高原暖冷昼日数比呈显著增大趋势的主要原因，最低气温的显著上升是造成青海高原暖冷夜日数比呈显著增大趋势的主要原因，且青海高原日平均最低气温的上升幅度显著大于日平均最高气温的上升幅度。

近年来，随着生态环境保护上升为国家重大战略目标，青海高原迎来了重大发展机遇与挑战，如何保护好三江源国家公园、祁连山国家公园，如何确保“中华水塔”一江清水向东流，极端气候变化所产生的影响定要关注。戴广婷等[29]研究发现1961—2010年青海省年平均气温升高0.65℃，年平均最高、最低气温变化存在着明显的不对称性。申红艳等[30]进一步研究发现青海省年平均气温与极端气温相对指数具有很高的相关性，气候变暖突变前后极端气温指数表现出明显差异。这些研究结论与本文研究结论高度一致。暖昼、暖夜日数持续增加，冷昼、冷夜日数持续减少，所产生的直接后果是导致局地光热水气候要素的匹配发生变化，导致气候资源和相对应的气候生产潜力发生变化[31]。一方面，低温事件减少有利于高原冬小麦的播种，高温事件增加有利于农作物生长期延长。另一方面，低温事件较少可能导致病虫害增多，高温事件增加可能加剧土壤水分无效蒸发、冰川冻土快速消融、极端干旱频发、草地退化等。因此，随着全球气候变暖，青海高原极端气温事件发生的频率和变率将继续增大，积极应对可能出现的情况，积极开展灾害预警服务，积极制定相应的应急预案，积极为青海高原生态环境保护持续健康发展提供参考将十分必要。