武澤華，趙景波,

（1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062；2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061）

秦皇島市近57年極端氣溫指數(shù)變化特征

武澤華1，趙景波1,2

（1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062；2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061）

利用1957 — 2013年河北省秦皇島市每日氣溫資料，運(yùn)用線性擬合及累積距平、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法、主成分分析法和MATLAB小波分析等方法對(duì)WMO發(fā)布的10種極端氣溫指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果表明，秦皇島市近57年來(lái)，極端最高氣溫、極端最低氣溫都有上升趨勢(shì)，冰日、霜日、冷夜、冷日天數(shù)呈減少趨勢(shì)，夏日、熱夜、暖夜、暖日呈增加趨勢(shì)。由年代際分析可知，近57年來(lái)秦皇島市的極端氣溫存在階段性的變化特征，并有突變現(xiàn)象的發(fā)生，大部分突變年代集中于20世紀(jì)80年代左右。秦皇島市近57年間氣溫上升的原因是夏日、熱夜等暖指數(shù)的增加，其中熱夜和暖夜增加最明顯，對(duì)氣溫上升趨勢(shì)有較大的貢獻(xiàn)。本文所分析的10種極端氣溫指數(shù)都存在30 a左右的周期，部分指數(shù)存在18 a、8 a、3 a左右的周期。極端天氣現(xiàn)象的增加會(huì)造成干旱、病蟲(chóng)、洪澇等氣象災(zāi)害，應(yīng)做好相應(yīng)的防范措施。

極端氣溫；周期規(guī)律；氣溫突變；近57年；秦皇島市

在全球氣候變暖的背景下，極端事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度也都發(fā)生了相應(yīng)的變化，尤其是近年來(lái)，極端高溫和極端低溫發(fā)生頻率的加大給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。因此，開(kāi)展極端氣溫的研究，找出極端氣溫事件發(fā)生的規(guī)律及變化趨勢(shì)，對(duì)于更好地應(yīng)對(duì)極端氣候和防災(zāi)減災(zāi)具有非常重要的意義。

極端天氣氣候事件通常被定義為在特定地區(qū)和時(shí)間發(fā)生的氣候事件，當(dāng)某地的天氣氣候狀態(tài)嚴(yán)重偏離其氣候的平均狀態(tài)時(shí)，就可以認(rèn)為發(fā)生了極端事件（翟盤(pán)茂和劉靜，2012）。IPCC第四次評(píng)估報(bào)告指出，過(guò)去的100年里全球的平均氣溫上升了0.74℃，近50年來(lái)全球氣溫以0.13℃·（10a）-1的速度上升（IPCC，2007）。Gruza et al（1999）研究指出俄羅斯極端高溫天數(shù)有顯著增加趨勢(shì)；Choi et al（2009）分析了亞太地區(qū)1955—2007年極端氣溫事件，發(fā)現(xiàn)其具有類(lèi)似的變化規(guī)律；Jones et al（1999）和Klein Tank and K?nnen（2003）采用極端氣候指數(shù)分別研究了大不列顛群島及歐洲極端氣溫和降水事件的變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)極端氣候事件也存在增加的趨勢(shì)。趙軍等（2012）研究發(fā)現(xiàn)，近50 年來(lái)中國(guó)大陸年平均氣溫表現(xiàn)出顯著的升溫趨勢(shì)，平均上升了0.20 ～ 0.52℃·（10a）-1。鄭祚芳等（2011）研究表明，近49年來(lái)北京平均氣溫增溫速率約為0.39℃·（10a）-1，最高溫和最低溫具有明顯的非對(duì)稱性。張寧等（2008）研究表明，年和四季的極端最低溫均表現(xiàn)出穩(wěn)定的增溫趨勢(shì)，極端低溫的增溫幅度明顯大于極端高溫的增溫增幅。劉芳圓等（2014）研究指出，河北地區(qū)1956 — 2007年年均氣溫表現(xiàn)為波動(dòng)上升趨勢(shì)，平均上升率為0.364℃·（10a）-1。Frich et al（2002）通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，1950年以來(lái)極端最高和最低氣溫的差異在顯著減小。You et al （2011）選取了12個(gè)極端氣溫指數(shù)在全國(guó)尺度下研究了極端氣溫的變化情況，發(fā)現(xiàn)北方極端氣溫的變化趨勢(shì)更為明顯。此外，氣候變化的模擬實(shí)驗(yàn)表明，未來(lái)一些類(lèi)型的極端氣候事件的發(fā)生會(huì)更加頻繁而其影響會(huì)更加嚴(yán)重（王冀等，2008a，2008b）。

秦皇島位于華北平原東北部，是我國(guó)首批沿海開(kāi)放城市之一，南臨渤海，北依燕山。在全球氣候變化的大背景下，秦皇島區(qū)域氣候正在發(fā)生較為顯著的變化。近年來(lái)，氣溫逐漸升高、降水減少、干旱嚴(yán)重，給當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境造成了很大影響。由于秦皇島又是環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)圈中心地帶和東北、華北兩大經(jīng)濟(jì)區(qū)的結(jié)合部，了解它的氣候變化規(guī)律，可以為提高短期氣候預(yù)測(cè)水平和指導(dǎo)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要依據(jù)，同時(shí)對(duì)研究華北、渤海灣沿岸和東北地區(qū)氣候變化具有重要參考意義。雖然近年來(lái)對(duì)極端氣溫變化進(jìn)行了一些研究，但是主要集中于內(nèi)陸地區(qū)，秦皇島地處海邊，極端氣溫變化與內(nèi)陸地區(qū)是否不同值得研究，對(duì)于揭示環(huán)渤海氣溫變化的規(guī)律也具有重要意義。

1 研究區(qū)概況與方法

秦皇島市位于華北地區(qū)、冀東北部，地處北緯39°24′ ～ 40°37′，東經(jīng)118°33′ ～ 119°51′。地勢(shì)北高南低，形成北部山區(qū) — 低山丘陵區(qū) — 山間盆地區(qū) — 沖積平原區(qū) — 沿海區(qū)。秦皇島市地處半濕潤(rùn)區(qū)，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。因受海洋影響較大，氣候比較溫和，春季少雨干燥，夏季溫?zé)釤o(wú)酷暑，秋季涼爽多晴天，冬季漫長(zhǎng)無(wú)嚴(yán)寒。秦皇島市多年平均氣溫10.3℃，夏季最熱在8月份，月平均氣溫24.5℃，冬季最冷在1月，月平均氣溫-6.5℃。年平均降水量656.2 mm，年最大降水量1221.21 mm，年最小降水量419.5 mm。年降水主要在6 — 8月，占全年降水總量的70%以上，日最大降水量215.4 mm。

本文所選取的氣象資料均來(lái)自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，采用了秦皇島、青龍、樂(lè)亭三個(gè)具有代表性的氣象臺(tái)站1957 — 2013年的年平均氣溫，年最高、最低氣溫（年最高、最低氣溫指的是每天最高、最低氣溫的平均值）作為數(shù)據(jù)的來(lái)源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。結(jié)合秦皇島的自然地貌和地理特點(diǎn)，采用WMO發(fā)布的27種極端天氣指數(shù)（周雅清和任國(guó)玉，2010）中的十項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析。其中為了進(jìn)一步表明氣溫變化的規(guī)律與趨勢(shì)，本文采用了線性擬合趨勢(shì)、累計(jì)距平的方法對(duì)這十項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析和描述，采用最小二乘法進(jìn)行計(jì)算估計(jì)，采用了CA法對(duì)氣溫突變年份進(jìn)行檢驗(yàn)，利用Morlet復(fù)小波（孫嫻等，1998）的方法檢測(cè)極端氣溫的周期規(guī)律。

國(guó)際上在氣候極值變化研究中應(yīng)用最多的是閾值，超過(guò)閾值的值被認(rèn)為是極值，該事件為極端事件（趙景波等，2014）。本文所選極端指數(shù)可以分為3類(lèi)（張劍鋒等，2012），第1類(lèi)稱為極值指數(shù)，即每年每日最高（最低）氣溫的最大（最?。┲?，直接由氣象臺(tái)站觀測(cè)所得統(tǒng)計(jì)而來(lái)。第2類(lèi)稱為絕對(duì)指數(shù)，是在氣象臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上根據(jù)國(guó)際氣象機(jī)構(gòu)定義的固定閾值進(jìn)行處理得到的指數(shù)，包括夏日天數(shù)、冰日天數(shù)、熱夜天數(shù)、霜日天數(shù)。第3類(lèi)稱為相對(duì)指數(shù)，是相對(duì)于某一基期的（浮動(dòng)）閾值，冷夜、暖夜、冷日、暖日采用1970—1999年這30年作為基期。以冷夜為例，選取1970—1999年每年的同一日期最低氣溫進(jìn)行升序排列，選取第10個(gè)百分點(diǎn)的值作為該日期的閾值，然后將1957 — 2013年每年的同一日期最低氣溫與該閾值比較，若小于閾值，則算作當(dāng)年該日期為冷夜。暖夜計(jì)算方法類(lèi)似，閾值取為基期升序數(shù)列的第90個(gè)百分點(diǎn)，冷日、暖日以此類(lèi)推。

2 結(jié)果與分析

2.1 秦皇島1957 — 2013年極端氣溫變化趨勢(shì)與

突變分析

計(jì)算得出秦皇島市1957—2013年的各項(xiàng)極端氣溫指數(shù)，從圖1和表2 可知，極端最高溫、極端最低溫、夏日、熱夜、暖夜、暖日幾個(gè)指數(shù)呈上升趨勢(shì)，冰日、霜日、冷夜、冷日四個(gè)指標(biāo)呈下降趨勢(shì)。

近57年來(lái)，秦皇島市的年極端最低氣溫是升高的，其變率為0.63℃·（10a）-1。由圖1可見(jiàn)年極端最低氣溫的變化趨勢(shì)在各個(gè)年代際之間隨時(shí)間的變化并非一致。從年代際來(lái)看，20世紀(jì)60年代、20世紀(jì)70年代、20世紀(jì)80年代、20世紀(jì)90年代的平均最低氣溫是逐漸升高的，而21世紀(jì)第一個(gè)十年，平均最低氣溫又有較大的下降。由圖2的M-K檢驗(yàn)可知，極端最低氣溫的UF與UK曲線交于信度線之間，焦點(diǎn)為1973年，表明秦皇島市極端最低氣溫在1973年出現(xiàn)由小到大的突變。由累積距平（圖3）來(lái)看，極端最低氣溫相對(duì)于近57年的平均值總體上呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。

近57年來(lái)年最高氣溫呈現(xiàn)極其微小的上升趨勢(shì)，沒(méi)有明顯變化，其變率為0.03℃·（10a）-1。20世紀(jì)60年代極端最高氣溫的年代際平均值處于一個(gè)相對(duì)較高的階段，而在20世紀(jì)70年代、20世紀(jì)80年代、20世紀(jì)90年代的極端最高氣溫相對(duì)于20世紀(jì)60年代有所下降，進(jìn)入21世紀(jì)后又有所上升，其年代際平均值和20世紀(jì)60年代基本持平。由圖2的M-K檢驗(yàn)可知，極端最高氣溫存在多個(gè)突變年份，但是UF曲線分別有24年大于0和23年小于0，所以極端最高氣溫在近57年來(lái)基本保持不變。由累積距平（圖3）可知，極端最高氣溫一直處于波動(dòng)狀態(tài)，大約在1960—1978年、1982—1985年、2004—2005年、2009年下半年—2011年，極端最高氣溫相對(duì)于近57年的平均值處于上升趨勢(shì)。

圖1 1957 — 2013年秦皇島市極端最低氣溫、極端最高氣溫變化趨勢(shì)Fig.1 Change in extreme low, high annual temperatures of Qinhuangdao City during 1957 — 2013

表2 極端氣溫指標(biāo)變率分析Tab.2 Analysis of extreme temperature

圖 2 1957 — 2013年秦皇島市極端最低氣溫、極端最高氣溫M-K檢驗(yàn)Fig.2 M-K test in extreme low, high annual temperatures of Qinhuangdao City during 1957—2013

圖3 1957 — 2013年秦皇島市極端氣候指數(shù)累積距平Fig.3 Cumulative anomaly of extreme temperature index of Qinhuangdao City during 1957 — 2013

從圖4來(lái)看，夏日近57年來(lái)變化波動(dòng)較大，呈小幅上升趨勢(shì)，變率為1.33 d·（10a）-1；由年代際來(lái)看呈現(xiàn)上升—下降—上升的變化，20世紀(jì)70年代至20世紀(jì)80年代均值保持在較低水平，然而在1976年出現(xiàn)了近57年來(lái)夏日天數(shù)的最小值。由M-K檢驗(yàn)（圖5）可知，夏日日數(shù)的UF曲線大約在1964年中期到2001年小于0，在1964年中期以前和2001年以后均大于0，表明秦皇島市夏日日數(shù)在1964年中期以前、1964年中期到2001年、2001年以后分別處于上升、下降、上升的趨勢(shì)，但從近57年總體來(lái)看呈小幅上升趨勢(shì)。夏日的UF和UK曲線交于信度線之間，焦點(diǎn)為1999年，表明秦皇島市夏日日數(shù)在1999年出現(xiàn)由少到多的突變。冰日呈小幅下降趨勢(shì)（圖4），變率為-1.93 d·（10a）-1，年代際平均值變化趨勢(shì)呈現(xiàn)先降低再升高的趨勢(shì)，由線性擬合值的R2值（0.07）較接近于0也可以看出冰日的波動(dòng)較大。由M-K檢驗(yàn)（圖5）可知，UF和UK曲線交于信度線之間，焦點(diǎn)為1986年，表明秦皇島市冰日日數(shù)在1986后出現(xiàn)由多到少的突變。熱夜的天數(shù)（圖4）呈現(xiàn)較大的增長(zhǎng)趨勢(shì)，其變率為3.34 d·（10a）-1，年代際變化呈現(xiàn)階梯式的上升趨勢(shì)，反映出熱夜這一指數(shù)近57年來(lái)穩(wěn)定、較大幅度的增長(zhǎng)趨勢(shì)。由M-K檢驗(yàn)（圖5）可知，UF和UK曲線交于信度線之間，焦點(diǎn)為1977年，表明秦皇島市熱夜日數(shù)在1977年后出現(xiàn)由少到多的突變。

圖4 1957 — 2013年秦皇島市極端氣溫絕對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.4 Change in extreme temperature adiabatic index of Qinhuangdao City during 1957 — 2013

霜日同樣呈現(xiàn)較大幅度的下降趨勢(shì)（圖4），變率為-0.28 d·（10a）-1，年代際平均值呈現(xiàn)階梯狀的下降趨勢(shì)，在20世紀(jì)90年代下降趨勢(shì)較大。由M-K檢驗(yàn)（圖5）可知，霜日日數(shù)的UF曲線小于0，表明秦皇島市霜日日數(shù)呈減少趨勢(shì)。UF和UK曲線交于1981年，表明秦皇島市霜日日數(shù)在1981年出現(xiàn)由多到少的突變。由累積距平（圖3）來(lái)看，20世紀(jì)80年代后期冰日、霜日的天數(shù)減少較快，造成了近57年均值的減少，夏日天數(shù)的增加大約在1999年，熱夜天數(shù)的增加大約在20世紀(jì)70年代后期，夏日、熱夜天數(shù)的增加拉動(dòng)了近57年均值的上升。

圖6表明，冷夜變率為-2.21 d·（10a）-1，冷夜天數(shù)在近57年來(lái)持續(xù)下降。由年代際均值變化來(lái)看，冷夜總體呈下降趨勢(shì)，其中20世紀(jì)80年代際均值最低，而在20世紀(jì)90年代以后出現(xiàn)了小幅的上升。由圖7的M-K檢驗(yàn)可知，冷夜日數(shù)的UF曲線絕大部分小于0，表明秦皇島市冷夜日數(shù)總體呈減少趨勢(shì)。UF和UK曲線交于信度線之間，焦點(diǎn)為1983年，表明秦皇島市冷夜天數(shù)在1983年發(fā)生突變。暖夜呈上升趨勢(shì)，變率為2.51 d·（10a）-1，其年代際平均值持續(xù)上升（圖6），其中20世紀(jì)90年代上升幅度較大，20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)第一個(gè)十年的年代際均值較為相近。由圖7 M-K檢驗(yàn)可知，UF和UK曲線交于信度線之間，焦點(diǎn)為1982年，表明秦皇島市暖夜日數(shù)在1982年出現(xiàn)由少到多的突變。

圖 5 1957 — 2013年秦皇島市極端氣溫絕對(duì)指數(shù)M-K檢驗(yàn)Fig.5 M-K test in extreme temperature adiabatic index of Qinhuangdao City during 1957 — 2013

圖6 1957 — 2013年秦皇島市極端氣候相對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.6 Change in extreme temperature relative index of of Qinhuangdao City during 1957 — 2013

冷日天數(shù)呈現(xiàn)小幅度下降趨勢(shì)（圖6），變率為-0.64 d·（10a）-1，冷日的年代際均值在20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)70年代持續(xù)上升，20世紀(jì)80年代以后呈持續(xù)下降趨勢(shì)。由圖7 M-K檢驗(yàn)可知，冷日日數(shù)的UF和UK曲線交于信度線之間，焦點(diǎn)為1991年，表明秦皇島市冷日日數(shù)在1991年發(fā)生了由多到少的突變。暖日呈上升趨勢(shì)（圖6），變率為1.03 d·（10a）-1，上升幅度相比暖夜小。由年代際變化來(lái)看，暖日在20世紀(jì)60年代至20世紀(jì)70年代呈下降趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代以后呈持續(xù)上升趨勢(shì)。由圖7 M-K檢驗(yàn)可知，UF和UK曲線交于信度線之間，焦點(diǎn)為1989年，表明秦皇島市暖日日數(shù)在1989年出現(xiàn)由少到多的突變。

圖7 1957 — 2013年秦皇島市極端氣溫相對(duì)指數(shù)M-K檢驗(yàn)Fig.7 M-K test in extreme temperature relative index of of Qinhuangdao City during 1957 — 2013

累積距平變化（圖3）顯示，冷夜、冷日雖然在變化趨勢(shì)上都表現(xiàn)了一定的波動(dòng)性，但是總體上都呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中冷夜、冷日分別在20世紀(jì)80年代的前期和后期表現(xiàn)下降趨勢(shì)。暖夜、暖日的累積距平變化與冷夜、冷日相反，總體上為先下降后上升，并且分別在20世紀(jì)80年代的后期和20世紀(jì)90年代的前期表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。

2.2 秦皇島市近57年極端氣溫年代際變化

由上文極端氣候指數(shù)的變化趨勢(shì)圖中的年代際平均值以及圖3的累積距平來(lái)看，秦皇島市近57年來(lái)的極端氣溫變化存在時(shí)代變化特征，在不同的時(shí)間序列中具有不同的變化特點(diǎn)。

結(jié)合表3和圖1 ～ 6進(jìn)行綜合分析可以得出，夏日、暖日均呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)，其中夏日、暖日年代際的最低值在20世紀(jì)70年代，夏日、暖日年代際均值在總體上呈上升趨勢(shì)；而冰日則呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，但其天數(shù)在總體上呈下降趨勢(shì)。熱夜、暖夜均出現(xiàn)了階梯式的升高現(xiàn)象，其中熱夜、暖夜分別在20世紀(jì)80年代和20世紀(jì)90年代上升幅度最大，兩者在其他年代的上升幅度分別保持相近。與之相對(duì)應(yīng)，霜日、冷夜在進(jìn)入21世紀(jì)以前均呈現(xiàn)出階梯式的下降趨勢(shì)，其中兩者在20世紀(jì)90年代下降幅度最大，進(jìn)入21世紀(jì)以后兩者又都呈現(xiàn)出小幅的上升，但是總體上依然呈現(xiàn)了下降趨勢(shì)。極端最低氣溫、冷日均表現(xiàn)出了先升高后降低的趨勢(shì)，兩者分別在20世紀(jì)90年代和20世紀(jì)70年代達(dá)到最高值。極端最低氣溫總體表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，而冷日則表現(xiàn)出小幅下降趨勢(shì)。極端最高氣溫的年代際變化相對(duì)于前面幾項(xiàng)指標(biāo)變化較小，各個(gè)年代際的均值基本持平，只有20世紀(jì)60年代和21世紀(jì)第一個(gè)十年出現(xiàn)了微小的上升。極端天氣熱指數(shù)呈增加的趨勢(shì)，夏日由20世紀(jì)60年代至今增加了7 d，熱夜增加了14 d，暖夜增加了11 d，暖日增加了5 d。極端天氣冷指數(shù)呈下降趨勢(shì)，冰日減少了10 d，霜日減少了13 d，冷夜減少了8 d，冷日減少了3 d。通過(guò)以上分析可以看出，秦皇島市近57年氣溫呈上升趨勢(shì)。

表3 極端氣溫年代變化分析Tab.3 Change of decadal extreme temperature

2.3 秦皇島市近57年極端氣溫周期分析

圖8、圖9為利用MATLAB所做的小波分析圖，以此對(duì)極端氣溫指數(shù)進(jìn)行周期檢測(cè)。圖8為極端最高氣溫和極端最低氣溫的小波變換圖，圖9為夏日、冰日、熱夜、霜日、冷夜、暖夜、冷日、暖日的小波分析圖。由圖8可以看出極端最高氣溫具有30 a、18 a左右的周期，18 a周期出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，消失于20世紀(jì)90年代，存在少—多—少的變化趨勢(shì)。極端最低氣溫存在30 a、18 a、8 a左右的周期，對(duì)稱性較好，18 a周期出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，消失于20世紀(jì)90年代，變化趨勢(shì)為多—少—多。

圖8 秦皇島市極端最高氣溫、極端最低氣溫的變化周期Fig.8 The period of extreme high, low annual temperatures of Qinhuangdao City during 1957 — 2013

由圖9可以看出，夏日、熱夜、霜日具有30 a、18 a左右的周期，18 a周期于20世紀(jì)70年代出現(xiàn)，于20世紀(jì)90年代消失，存在少—多—少的變化趨勢(shì)，并且具有較好的對(duì)稱性。30 a作為以上三個(gè)指數(shù)的準(zhǔn)周期貫穿整個(gè)研究時(shí)段，而且均為其主控周期。冰日周期的變化比夏日、熱夜、霜日復(fù)雜，存在30 a、18 a、8 a、3 a左右的周期。冷夜存在30 a、18 a、8 a、3 a左右的準(zhǔn)周期，變化較為復(fù)雜，30 a左右周期持續(xù)始終，為主要控制周期。暖夜存在30 a、14 a、6 a、3 a左右的準(zhǔn)周期，30 a左右周期存在于整個(gè)研究時(shí)段，為主要控制周期；4 a左右的周期起始于20世紀(jì)60年代后期，消失于20世紀(jì)80年代后期。冷日的變化更為復(fù)雜，存在30 a、18 a、8 a、5 a、3 a左右的準(zhǔn)周期，其中30 a左右的周期作為主控周期存在于整個(gè)研究時(shí)段，18 a左右的周期始于20世紀(jì)70年代后期消失于20世紀(jì)90年代后期，8 a左右的周期較為連續(xù)，而5 a、3 a左右的周期則較不明顯。暖日的變化與冷夜相似，存在30 a、16 a、8 a、3 a左右的準(zhǔn)周期，其中30 a左右的周期作為主控周期存在于整個(gè)研究時(shí)段，16 a左右的周期由20世紀(jì)60年代后期持續(xù)至20世紀(jì)70年代，而8 a、3 a左右的準(zhǔn)周期不明顯。

圖9 秦皇島市極端氣溫絕對(duì)指數(shù)和相對(duì)指數(shù)的變化周期Fig.9 The period of extreme temperature adiabatic index and relative index of Qinhuangdao City during 1957 — 2013

3 討論

3.1 極端氣溫指數(shù)的主成分分析

利用SPSS19.0軟件對(duì)秦皇島市極端氣溫指數(shù)的各個(gè)因子進(jìn)行主成分分析，可以得出主成分和因子之間的相關(guān)系數(shù)的載荷矩陣（表4）。由表4可以看出兩個(gè)主成分因子1和因子2分別累積提取了總方差的66.6%。用主成分分析提取的若干主成分能夠很好地解釋原各變量，它們的共同度絕大多數(shù)接近或大于70%。暖夜、暖日、熱夜在主成分1中具有較高的載荷，載荷值分別為0.89、0.77、0.72，這三個(gè)指數(shù)都是暖指數(shù)。第一主成分占方差貢獻(xiàn)率的50.24%，而第二主成分所占的方差貢獻(xiàn)率小于第一主成分。因此，可以認(rèn)為暖指數(shù)的變化是秦皇島市1957—2013年氣溫呈上升趨勢(shì)的主要原因。第二主成分占方差貢獻(xiàn)率的16.32%，日極端最高溫、日極端最低溫、夏日在主成分2中占有較高的載荷值，載荷值分別為0.77、-0.53、0.57，這些指數(shù)表明1957—2013年秦皇島市氣溫呈上升趨勢(shì)。

3.2 極端溫度變化的原因

由上述研究可知，秦皇島市近57年來(lái)的極端最高氣溫、最低氣溫呈增加趨勢(shì)，其中最低氣溫的上升幅度遠(yuǎn)大于最高氣溫的上升幅度，極端天氣冷指標(biāo)下降，極端天氣熱指標(biāo)上升，秦皇島市地區(qū)整體氣溫呈現(xiàn)上升的狀態(tài)。自20世紀(jì)80年代以來(lái)（孫麗華，2007），氣候變化已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中以氣候變暖為標(biāo)志的全球變化已經(jīng)發(fā)生，并將持續(xù)到可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)。研究表明，近百年來(lái)，受氣候變暖的影響，中國(guó)年平均氣溫大約升高了0.65℃，比全球平均增溫0.6℃略高。由此認(rèn)為秦皇島市的極端天氣事件的變化和全球氣候變暖之間存在微妙的聯(lián)系，極端氣溫的升高可能是氣候變暖的一個(gè)突出表現(xiàn)，比如冰日、冷夜等指標(biāo)的減少，熱夜、暖日等熱指標(biāo)的增加，這些指標(biāo)的變化趨勢(shì)和氣候變化是一致的。

關(guān)于全球氣候變暖的原因有很多，但是比較受學(xué)術(shù)界認(rèn)可的一種觀點(diǎn)是人為因素和自然因素共同作用的結(jié)果。人類(lèi)活動(dòng)對(duì)氣候的影響因素包括許多方面， 如城市化、森林砍伐， 以及由工業(yè)化引起的大氣中CO2及其他痕量氣體濃度的增加等， 而后者對(duì)氣候的影響近年來(lái)日益受到人們的關(guān)注。自然因素主要有太陽(yáng)活動(dòng)、海溫變化、火山爆發(fā)、冰雪覆蓋等（章基嘉和殷顯曦，1987），但是不能據(jù)此否認(rèn)人為因素在全球變暖中的作用。目前更多的研究者認(rèn)為氣候變暖是大氣CO2濃度增加造成的。但從極端氣溫指數(shù)的突變及明顯波動(dòng)來(lái)看，還有除全球變暖、極端氣溫指數(shù)變化和大氣CO2濃度升高之外的其他因素，如極端氣溫突變和波動(dòng)并不與大氣CO2濃度穩(wěn)定上升一致。

3.3 極端溫度變化造成的災(zāi)害和預(yù)防

秦皇島區(qū)域是氣象災(zāi)害頻發(fā)的地區(qū)，主要極端天氣現(xiàn)象有暴雨、洪澇、干旱、低溫冷害、連陰雨、冰雹等，其中影響最大的是暴雨、洪澇和干旱等。各種氣象災(zāi)害在不同的時(shí)段影響不同（表5），但主要出現(xiàn)在4 — 10月（孫麗華，2007）。

表4 1957 — 2013年秦皇島市極端氣溫指數(shù)的因子分析Tab.4 Results of factor loadings perceptual explained variance in temperature extremes in Qinhuangdao City during 1957 —2013

表5 秦皇島主要?dú)庀鬄?zāi)害可能或主要影響時(shí)段（孫麗華，2007）Tab.5 The may or main infl uence period of main meteorological disasters in Qinhuangdao City

統(tǒng)計(jì)1979—2005年秦皇島地區(qū)出現(xiàn)極端天氣共164次，其中出現(xiàn)成災(zāi)冰雹次數(shù)最多，共56次，其次是暴雨，共50次（孫麗華，2007）。秦皇島市1960年以來(lái)的1968、1972、1992、1999、2001年出現(xiàn)嚴(yán)重伏旱，1964、1966、1969、1973、1977、1987年出現(xiàn)嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害（居麗玲等，2006）。極端天氣的增加會(huì)導(dǎo)致更多的氣象災(zāi)害，對(duì)社會(huì)、人文、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成不利影響，因此對(duì)于極端溫度變化造成的不良影響，需要根據(jù)科學(xué)規(guī)律進(jìn)行預(yù)防。

通過(guò)對(duì)各個(gè)極端氣溫指數(shù)的周期分析，可以看出本文所選的極端氣溫指數(shù)均存在30 a左右的主控周期，存在于整個(gè)研究時(shí)段，其中極端最高氣溫、極端最低氣溫、夏日、冰日、熱夜、霜日、冷夜、冷日八個(gè)指數(shù)還存在18 a左右的周期。極端最低氣溫、冰日、冷夜、冷日、暖日五個(gè)指數(shù)存在8 a左右的周期。冰日、冷日、暖日、暖夜四個(gè)指數(shù)存在3 a左右的周期。因此，應(yīng)根據(jù)30 a、18 a、8 a、3 a左右的周期做好氣象災(zāi)害預(yù)防工作，尤其是30 a作為主控周期，更應(yīng)做好科學(xué)合理的預(yù)防工作，確實(shí)保障人民生活和財(cái)產(chǎn)安全。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)秦皇島市近57年來(lái)的10個(gè)極端氣溫指數(shù)的研究，得出以下結(jié)論：

（1）近57年來(lái)，秦皇島市地區(qū)的極端最低氣溫、極端最高氣溫處于波動(dòng)狀態(tài)，但是總體上處于上升狀態(tài)，并且極端最低氣溫的上升幅達(dá)大于極端最高氣溫，由線性擬合得出其變率分別為0.63℃·（10a）-1和0.03℃·（10a）-1。

（2）秦皇島地區(qū)近57年來(lái)冰日、霜日、冷夜、冷日四個(gè)冷指標(biāo)呈下降趨勢(shì)，相應(yīng)的夏日、熱夜、暖夜、暖日四個(gè)熱指標(biāo)呈明顯上升趨勢(shì)，其中霜日下降幅度和熱夜上升幅度最大，變率分別為-2.8 d·（10a）-1和3.34 d·（10a）-1，這是秦皇島市近57年氣溫升高的主要原因。

（3）30 a左右的周期是本文所選的10個(gè)極端指數(shù)的較為穩(wěn)定的周期，反應(yīng)了秦皇島市極端天氣的共同規(guī)律，相關(guān)部門(mén)應(yīng)根據(jù)30 a左右的周期做好防范工作。

（4）本文所選定的10個(gè)極端氣溫指數(shù)都存在突變，其中冰日、霜日、冷夜、暖夜、暖日的突變年代發(fā)生在20世紀(jì)80年代，極端最低氣溫和熱夜的突變年份分別為1973年和1977年，夏日和冷日的突變年份分別為1999年和1991年。

（5）秦皇島市近57年來(lái)，極端天氣熱指數(shù)呈上升的趨勢(shì)，夏日由20世紀(jì)60年代至今增加了7 d，熱夜增加了14 d，暖夜增加了11 d，暖日增加了5 d；極端天氣冷指數(shù)呈下降趨勢(shì)，冰日減少了10 d，霜日減少了13 d，冷夜減少了8 d，冷日減少了3 d。秦皇島市發(fā)生極端天氣現(xiàn)象的可能性增加，應(yīng)根據(jù)科學(xué)規(guī)律預(yù)防極端天氣可能造成的災(zāi)害。

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Characteristics of extreme temperature indices in Qinhuangdao City in recent 57 years

WU Ze-hua1, ZHAO Jing-bo1,2
(1. College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China; 2. Stat Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology, Institute of Earth Environment, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710061, China)

Using daily temperature observed in Qinhuangdao from 1957 to 2013, the methods of linear fi tting, accumulative anomaly, Mann-Kendall mutation testing method, principal component analysis, MATLAB wavelet analysis and other correlation analysis were employed to calculate and analyze WMO’s ten indices of extreme temperature. The results showed that: in the past 57 years, the extreme high temperature and the extreme low temperature had upward trends, ice days, frost days, cold days and cold days had downward trends, while summer days, hot nights, warm nights and warm days showed increasing trends. The decadal analysis showed that the extreme temperature had a stage variation and mutant phenomenon in recent 57 years, in addition, the majority mutations focused on about 1980’s. The reason of rising temperatures was warm indices, among them, hot night and warm night increased obviously, had a large contribution to the trend of rising temperature. Ten kinds of extreme temperature indices in this paper existed about 30 a period, a part of indices existed about 18 a, 8 a, 3 a period. The increase of extreme weather events would make drought, diseases, fl ood and other meteorological disasters, thus preventive measures should be taken.

extreme temperature; cycle regularity; temperature mutation; recent 57 years; Qinhuangdao City

P467

A

1674-9901(2015)06-0407-12

10.7515/JEE201506004

2015-09-09

國(guó)家社會(huì)科學(xué)基金重大項(xiàng)目(11&ZD097)；國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作項(xiàng)目（41210002）；黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（SKLLQG1428）

趙景波，E-mail: zhaojb@snnu.edu.cn