秦秀麗，李麗平，魏麗云

（1.南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210000；2.運(yùn)城市氣象局，山西運(yùn)城 044000）

1961—2010年山西極端氣溫年均發(fā)生頻率的時(shí)空特征分析

秦秀麗1，2，李麗平1，魏麗云2

（1.南京信息工程大學(xué)，江蘇南京 210000；2.運(yùn)城市氣象局，山西運(yùn)城 044000）

利用山西省61個(gè)氣象站點(diǎn)逐日最高溫度、最低溫度資料，采用百分位值定義法、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法和Morlet小波變換等方法，分析了山西省近50 a極端溫度事件年均發(fā)生頻率的時(shí)空特征，結(jié)果表明：1961年以來，山西省極端高溫事件年均發(fā)生頻率呈顯著增加趨勢(shì)，趨勢(shì)為6.1 d/10 a，與此同時(shí)，極端低溫事件年均發(fā)生頻率呈顯著減少趨勢(shì)，且極端氣溫事件的變化存在明顯的區(qū)域差異；極端高溫和極端低溫年均發(fā)生頻率均發(fā)生了突變現(xiàn)象，變化趨勢(shì)均在20世紀(jì)90年代以來更加顯著；極端高溫和極端低溫事件年均發(fā)生頻率均呈顯著波動(dòng)變化，在整個(gè)研究期間極端高溫存在5～6 a、4～8 a顯著周期，極端低溫存在4～5 a顯著周期。

極端高溫；極端低溫；時(shí)空變化；山西

近年來，由極端氣候事件（如高溫和低溫、洪水、暴雪、干旱等）造成的經(jīng)濟(jì)社會(huì)損失不斷加劇,已引起各國政府和社會(huì)公眾的普遍關(guān)注[1]，對(duì)極端氣候事件變化趨勢(shì)的評(píng)估與研究成為當(dāng)前全球氣候變化研究的一個(gè)重要議題[8]。其中，極端溫度事件由于對(duì)以氣溫升高為主要特征的全球氣候變化更加敏感而受到更多關(guān)注。政府間氣候變化專門委員會(huì)IPCC第四次（2007）評(píng)估報(bào)告[9]指出，20世紀(jì)后半葉，全球大部分陸地區(qū)域發(fā)生冷晝、冷夜和霜凍日的發(fā)生頻率很可能已經(jīng)減少，而暖晝、暖夜的發(fā)生頻率則已變得更加頻繁。

極端溫度作為一種極端氣候事件，近年來各國氣象學(xué)者已從不同的角度做了研究，Kale[2-5]等對(duì)全球最高、最低溫度研究結(jié)果表明，近40 a在全球變暖過程中，表現(xiàn)出明顯的日夜溫度變化的不對(duì)稱性，并使得日較差呈變小的趨勢(shì)。在中國，氣象學(xué)者對(duì)極端溫度的變化研究同樣做了不少的工作，任福民[6]和Zhai.P[7]等的工作比較系統(tǒng)的分析了中國區(qū)域極端溫度變化的某些特征，他們的工作指出了中國區(qū)域極端事件的季節(jié)特征和區(qū)域差異；翟盤茂[8，10-11]等對(duì)中國北方溫度極端事件時(shí)空變化趨勢(shì)的研究指出，目前國際上在氣候極值變化研究中最多見的是采用某個(gè)百分位值作為極端值的閾值,超過這個(gè)閾值的值被認(rèn)為是極值,該事件可以看作是極端事件,由此對(duì)中國北方極端溫度進(jìn)行研究,認(rèn)為在我國北方地區(qū),極端最低、最高氣溫都在趨于變暖，最低、最高溫度的線性變化趨勢(shì)表現(xiàn)出較為一致的年代際變化特點(diǎn),但卻反映出非常明顯的不對(duì)稱性，同時(shí)指出，中國北方夜間溫度極端偏低的日數(shù)顯著變小，白天溫度極端偏高的日數(shù)則增于偏多。

近些年山西氣溫異常的極端氣溫發(fā)生較頻繁，已經(jīng)給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的日常生活帶來影響，因此很有必要對(duì)極端氣溫事件時(shí)間做一些研究。本文在以上前人工作的基礎(chǔ)上，利用1961—2010年的資料，分析山西省近50 a極端氣溫事件的時(shí)空特征，旨在揭示運(yùn)城極端高（低）溫事件發(fā)生的規(guī)律和特點(diǎn)，作為預(yù)報(bào)和服務(wù)的參考，以提高防災(zāi)減災(zāi)的能力。

1 資料與方法

采用山西氣象信息中心整編的1961—2010年山西地區(qū)均勻分布的61站的逐日最高溫度、最低溫度資料，所選資料為起始年統(tǒng)一，總?cè)睖y(cè)日數(shù)小于5 d的站點(diǎn)資料，所選61個(gè)站點(diǎn)見圖1。

圖1 山西省所選站點(diǎn)分布圖

基于日最高、最低資料，采用國際上通用的百分位值定義法[12]。具體定義為：將1961—2010年山西逐年日最高（低）氣溫資料按照升序排列，得到該日第90（10）個(gè)日最高（低）氣溫百分位值，將之作為該日極端高（低）溫事件的閾值，當(dāng)某站某日的最高（低）氣溫超過（小于）了該日極端高（低）溫事件的閾值，就稱該日發(fā)生了極端高（低）溫事件。

極端氣溫的年際、年代際變化采用線性傾向估計(jì)法，以年為自變量序列，氣溫為因變量序列，利用最小二乘法建立一元線性回歸方程。

極端低溫的突變檢驗(yàn)采用Mann-Kendall法，顯著性水平為95%，這是一種非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法，不僅計(jì)算簡便，而且可以明確突變開始的時(shí)間，且不受少數(shù)異常值的干擾。周期分析采用Morlet小波變換方法。

在分析極端高（低）溫事件年均發(fā)生頻率的變化趨勢(shì)時(shí)，使用了Kendall-tau檢驗(yàn)方法，這是一種檢驗(yàn)時(shí)間序列變化趨勢(shì)的非參數(shù)檢驗(yàn)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它允許缺測(cè)值的存在，并且無需證明資料服從某一特定分布；此外，因?yàn)樵摍z驗(yàn)方法的本質(zhì)是用來檢測(cè)資料的相對(duì)量級(jí)，故當(dāng)資料量級(jí)很小時(shí)，依然可以適用。

統(tǒng)計(jì)量：

式中x為某氣象要素，t為時(shí)間。給定顯著性水平α，在本研究中取0.001，若τ

2 結(jié)果與討論

2.1 極端溫度事件年均發(fā)生頻率變化趨勢(shì)的空間特征

將某個(gè)氣象站1961—2010年中所有1月1日的日最高（低）氣溫資料按照升序排列，得到該日第90（10）個(gè)日最高（低）氣溫百分位值，照此方法求出所有日歷日期（366個(gè)）第90（10）個(gè)百分位值，然后將其中的最大（小）值作為該站近50 a內(nèi)極端最高（低）溫值，山西省極端高溫閾值介于21.5（五臺(tái)山）～38.5℃（鹽湖區(qū)）之間，極端低溫閾值介于-33.1（右玉）～-9.4℃（平陸）。圖2a為極端高溫事件年均發(fā)生頻率變化趨勢(shì)空間分布圖，可以看出，1961年以來，山西極端高溫事件年均發(fā)生頻率均為增多趨勢(shì)，絕大多數(shù)地區(qū)增多趨勢(shì)在4 d/10 a以上，且大多數(shù)地區(qū)通過0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，其中在忻州、陽泉以及臨汾地區(qū)，增多趨勢(shì)尤為明顯，個(gè)別地區(qū)達(dá)到16 d/10 a以上。圖2b為極端低溫事件年均發(fā)生頻率變化趨勢(shì)空間分布圖，可以看出，1961年以來，山西極端低溫事件年均發(fā)生頻率均為減少趨勢(shì)，絕大多數(shù)地區(qū)減少趨勢(shì)在2 d/10 a以上，且大多數(shù)地區(qū)通過0.001的顯著性水平檢驗(yàn)，其中在山西西南部以及北部地區(qū)，減少趨勢(shì)尤為明顯，西南部個(gè)別地區(qū)達(dá)到6 d/10 a以上，北部個(gè)別地區(qū)甚至達(dá)到8 d/10 a以上。

2.2 極端高溫事件年均發(fā)生頻率的時(shí)間變化

2.2.1 極端高溫事件年均發(fā)生頻率的年際變化特征

圖2 山西極端高溫事件（a）和極端低溫事件（b）年均發(fā)生頻率變化趨勢(shì)空間分布（單位：d/a）

由圖3可見，1961—2010年極端高溫事件年均發(fā)生頻率有明顯增加趨勢(shì)，趨勢(shì)為6.1 d/10 a，且通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)。1961—2010年期間，極端高溫事件年均發(fā)生頻率的振幅很大，頻率較小的為：1964年為11.2 d、1976年為14.2 d、1984年為17.3 d、1989年為16.4 d；頻率較大的為：1998年為73.7 d、2002年為73.2 d，最大發(fā)生年是最小發(fā)生年的5倍多。整體來看，20世紀(jì)60年代初期至90年代中期，極端高溫事件年均發(fā)生頻率不明顯，但從90年代后期開始，極端高溫事件年均發(fā)生頻率明顯增加，最近10多年以來年平均為20世紀(jì)90年代中期以前的2倍。

圖3 山西極端高溫事件年均發(fā)生頻率的線性變化

2.2.2 極端高溫事件年均發(fā)生頻率的年代際變化特征

1961—1910年山西極端高溫事件年均發(fā)生頻率的年代際變化見表1，可看出1991—2000年，極端高溫事件年均發(fā)生頻率增大特別明顯，幅度達(dá)16 d；到了2001—2010年，極端高溫事件年均發(fā)生頻率繼續(xù)增大，極端高溫事件年均發(fā)生頻率達(dá)到51 d，可見極端高溫事件有顯著增加趨勢(shì)。整體來看，極端高溫事件年均發(fā)生頻率發(fā)生了低—高—低—高的年代際變化。

表1 山西極端高溫事件年均發(fā)生頻率年代際變化（d/10 a）

2.2.3 極端高溫事件年均發(fā)生頻率的突變性分析

對(duì)山西省1961—2010年極端高溫事件年均發(fā)生頻率進(jìn)行突變分析，分析繪出UB、UK曲線圖（圖4），圖中虛直線為α=0.05顯著性水平臨界值，虛線為UB圖，實(shí)線為UF圖，從圖中可以看出，極端高溫事件年均發(fā)生頻率在1996年發(fā)生了突變，且自1996年以來極端高溫年均發(fā)生頻率的增加趨勢(shì)更加顯著。這種年際變化趨勢(shì)與中國北方干旱與半干旱地區(qū)非常一致，與馬柱國[13]等發(fā)現(xiàn)20世紀(jì)90年代之前中國北方絕大多數(shù)地區(qū)極端高溫事件發(fā)生頻率的變化趨勢(shì)不顯著，但90年代以來卻有明顯的增加趨勢(shì)。

圖4 山西極端高溫事件年均發(fā)生頻率的M-K突變檢驗(yàn)

2.2.4 極端高溫事件年均發(fā)生頻率的周期性分析

圖5是對(duì)1961—2010年極端高溫事件年均發(fā)生頻率作Morlet小波分析的結(jié)果，圖中紅色陰影區(qū)為通過蒙特卡羅檢驗(yàn)的顯著區(qū)，紫色弧形為邊界區(qū)，打點(diǎn)區(qū)為噪聲區(qū)。在1960—1965年具有5～6 a的顯著周期、1971—1977年以及1991—1994年間具有4～8 a的顯著周期。這與前人對(duì)極端高溫事件的年際變化研究的結(jié)論基本一致[14]。

圖5 山西極端高溫事件年均發(fā)生頻率的Morlet小波分析

2.3 極端低溫事件年均發(fā)生頻率的時(shí)間變化

2.3.1 極端低溫事件年均發(fā)生頻率的年際變化特征

由圖6可見，1961—2010年極端低溫事件年均發(fā)生頻率有明顯減少趨勢(shì)，趨勢(shì)為4.7 d/10 a，且通過0.001顯著性水平檢驗(yàn)。1961—2010年期間，極端低溫事件年均發(fā)生頻率的振幅很大，頻率較大的為：1962年，47.9 d；頻率較小的為2007年，9.7 d，最大發(fā)生年是最小發(fā)生年的近5倍。整體來看，也是20世紀(jì)60年代初期至90年代中期，低溫事件年均發(fā)生頻率明顯，但從90年代后期開始，極端低溫事件年均發(fā)生頻率明顯減少，最近10多年以來年平均僅為17.8 d，為20世紀(jì)90年代中期以前的1/2。近50 a來極端低溫事件年均發(fā)生頻率的減少趨勢(shì)主要是由于90年代后期極端低溫的事件年發(fā)生頻率的減少所致。

2.3.2 極端低溫事件年均發(fā)生頻率的年代際變化特征

1961—2010年極端低溫事件年均發(fā)生頻率年代際變化見表2，1991—2000年，極端低溫事件年均發(fā)生頻率減少明顯，幅度達(dá)6 d；2001—2010年，極端低溫事件年均發(fā)生頻率繼續(xù)減少，極端低溫事件年均發(fā)生頻率僅達(dá)18 d，可見極端低溫事件有顯著減少趨勢(shì)。整體來看，極端低溫事件年均發(fā)生頻率發(fā)生了高—低的年代際變化。

表2 山西極端低溫事件年均發(fā)生頻率年代際變化（d/10 a）

2.3.3 極端低溫事件年均發(fā)生頻率的突變性分析

對(duì)山西省1961—1970年極端低溫事件年均發(fā)生頻率進(jìn)行突變分析，分析繪出UB、UK曲線圖（圖7），圖中虛直線為α=0.05顯著性水平臨界值，虛線為UB圖，實(shí)線為UF圖，從圖中可以看出，極端低溫事件年均發(fā)生頻率在1993年發(fā)生了突變，且自1972年以來下降趨勢(shì)更加顯著，這與中國華北的年際變化趨勢(shì)一致[13]。

圖7 山西極端低溫事件年均發(fā)生頻率的M-K突變檢驗(yàn)

2.3.4 極端低溫事件年均發(fā)生頻率的周期性分析

圖8是對(duì)1961—2010年極端低溫事件年均發(fā)生頻率作Morlet小波分析的結(jié)果，途中紅色陰影區(qū)為通過蒙特卡羅檢驗(yàn)的顯著區(qū)，紫色弧形為邊界區(qū)，打點(diǎn)區(qū)為噪聲區(qū)。在1960—1965年、1971—1977年以及1991—1994年間具有4～5 a的顯著周期。

圖8 山西極端低溫事件年均發(fā)生頻率的Morlet小波分析

3 結(jié)論

（1）1961年以來，山西極端高溫事件年均發(fā)生頻率均為增多趨勢(shì)，絕大多數(shù)地區(qū)增多趨勢(shì)在4 d/ 10 a以上；與此同時(shí)，山西極端低溫事件年均發(fā)生頻率均為減少趨勢(shì)，絕大多數(shù)地區(qū)減少趨勢(shì)在2 d/ 10 a以上?？梢姌O端氣溫事件的變化存在明顯的區(qū)域差異。

（2）山西省極端高溫事件年均發(fā)生頻率呈顯著增加趨勢(shì)，趨勢(shì)為6.1 d/10 a，最近10多年以來年平均為20世紀(jì)90年代中期以前的2倍；與此同時(shí)，極端低溫事件年均發(fā)生頻率呈顯著減少趨勢(shì)，趨勢(shì)為4.7 d/10 a，最近10多年以來年平均僅為20世紀(jì)90年代中期以前的1/2。

（3）整體來看，山西省極端高溫事件年均發(fā)生頻率發(fā)生了低—高—低—高的年代際變化；極端低溫事件年均發(fā)生頻率發(fā)生了高—低的年代際變化。

（4）極端高溫和極端低溫年均發(fā)生頻率均發(fā)生了突變現(xiàn)象，極端高溫事件在1996年發(fā)生了突變，極端低溫事件在1993年發(fā)生了突變，變化趨勢(shì)均在20世紀(jì)90年代以來更加顯著。

（5）極端高溫和極端低溫事件年均發(fā)生頻率均呈顯著波動(dòng)變化，在整個(gè)研究期間極端高溫存在5～ 6 a、4～8 a顯著周期，極端低溫存在4～5 a顯著周期。

（6）山西是氣候變化敏感區(qū)，極端溫度事件發(fā)生更加頻繁且變幅較大，很可能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活帶來眾多不利影響，需積極采取措施應(yīng)對(duì)氣候的異常變化。

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Spatial and Temporal Characteristics of Mean Annual Extreme Temperature Frequency in Shanxi Province During 1961-2010

QIN Xiuli1，2，LI Liping1，WEI Liyun2
（1.Nanjing University of Information Technology，Nanjing 210000，China；2.Yuncheng Meteorological Bureau，Yuncheng 044000，China）

Based on the 61 meteorological stations’data of daily maximum temperature and minimum temperature in Shanxi province and using percentile values defineition method，Mann-Kendall mutationg test and wavelet analysis method，the spatial and temporal characteristics of extreme temperature events were studied for the recent 50 years in Shanxi Province.The results showed that annual extreme high temperature frequency have been increasing since 1961 and its trend was 6.1 d/10 a，while there was a decreasing trend in extreme low temperature frequency. Meantime,there were obvious spatial variations in both annual extreme high and low temperature frequency.For the recent 50 years，the abruptions were found in all stations in both annual extreme high and lowtemperaturefrequency and their trends were more significant since 1990s.In addition,fluctuation changes were found with a 5～6 years and 4～8 years period in annual extreme high temperature and 4～5 years period in low temperature.

extreme high temperature；extreme low temperature；spatial and temporal characteristics；Shanxi

P423

B

1002-0799（2014）02-0059-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.02.008

2013-08- 07；

2013-09-26

山西省氣象局2014年度課題“山西省極端溫度的年際年代際異常特征及其成因分析”（SXKYBQH20147851）資助。

秦秀麗（1984-），女，助理工程師，現(xiàn)從事氣象業(yè)務(wù)管理工作。E-mail：qinlily@163.com.

秦秀麗，李麗平，魏麗云.1961—2010年山西極端氣溫年均發(fā)生頻率的時(shí)空特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（2）：59-64.