張心萍,陳建宇,陳宏飛

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710062)

氣候變化下河套地區(qū)1960～2013年極端氣溫變化特征研究

張心萍,陳建宇,陳宏飛*

(陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710062)

根據(jù)1960～2013年河套地區(qū)13個(gè)站點(diǎn)的每日氣象資料,應(yīng)用線性擬合及累積距平、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)法、主成分分析法、Morlet復(fù)數(shù)小波和R/S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)算和研究。結(jié)果表明：在近54年里,河套地區(qū)平均氣溫、極端最高氣溫、極端最低氣溫和熱指數(shù)(夏日、熱夜、暖日和暖夜)均呈現(xiàn)上升趨勢(shì),冷指數(shù)(冰日、霜日、冷日和冷夜)均顯著減少；河套地區(qū)極端氣溫指數(shù)的變化具有明顯的空間分布特征,并伴有突變現(xiàn)象,突變發(fā)生在20世紀(jì)80和90年代；暖指數(shù)的上升和冬季氣溫升高是河套地區(qū)全年平均氣溫上升的主要原因；極端高溫事件在20世紀(jì)90年代后期和21世紀(jì)初發(fā)生的次數(shù)較多，在全年各月中以7月份發(fā)生次數(shù)最多,尤其是7月中旬；AO與NAO指數(shù)對(duì)河套地區(qū)冬春季(尤其是冬季)極端氣溫指數(shù)具有顯著的影響。

極端氣溫;河套地區(qū);變化特征；氣候變化

全球氣候變化不僅使全球氣溫上升,并且還帶來(lái)了日益頻繁的自然災(zāi)害(如旱災(zāi)、雪災(zāi)和洪澇)、極端天氣事件增多與增強(qiáng),顯著影響了人們的生產(chǎn)生活。日益顯著的氣候變化,已導(dǎo)致許多冰川退縮、干旱加強(qiáng)、草地退化、生物多樣性減少等,使許多地區(qū)的生態(tài)環(huán)境惡化。研究表明,過(guò)去100年特別是過(guò)去50年全球陸地表面氣溫升高明顯多于海洋表層水溫升高,最顯著的氣候變暖區(qū)域位于亞洲中高緯度地帶[1]。IPCC第四次報(bào)告指出,人類對(duì)全球氣候有著顯著的影響,并且影響的范圍越來(lái)越大,廣泛分布在世界各地[2]。如果不加以阻止,則人類的居住環(huán)境將會(huì)由于氣候的變化而受到嚴(yán)重、普遍不利的影響[3]。近些年來(lái),世界各地都在廣泛地進(jìn)行氣候變化的研究[4-5],這些研究表明極端氣溫的顯著變化與氣候變暖有關(guān)。Manton等[6]對(duì)東南亞地區(qū)進(jìn)行研究時(shí),發(fā)現(xiàn)在1961～1998年間暖日和暖夜天數(shù)大幅度增加,冷日、冷夜日數(shù)大幅度減少。Moberg等[7]對(duì)歐洲氣溫進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)歐洲近100年來(lái)升溫明顯,且冬季升溫幅度大于夏季。對(duì)于中東地區(qū)[8],1990年后極端高溫事件持續(xù)增加,極端低溫事件發(fā)生頻率和氣溫日較差在1970年以后均一致減少。在非洲南部和西部[9],暖日和暖夜天數(shù)則大幅度增加，而冷日和冷夜天數(shù)下降明顯。翟盤茂等[10]發(fā)現(xiàn)中國(guó)大陸平均氣溫增長(zhǎng)顯著,在北方地區(qū)的冬天更明顯。李宗興等[11]研究得出,在中國(guó)西南部,最低氣溫的升高程度比最高氣溫的升高程度高出許多。另外,在最近幾年,對(duì)中國(guó)其他地區(qū)也進(jìn)行了廣泛的研究[12-14],也都證實(shí)了氣候變暖,降水減少。

近些年來(lái),有關(guān)學(xué)者對(duì)我國(guó)河套地區(qū)的氣候變化進(jìn)行了一些研究。王旭明等[15]研究了氣候變化對(duì)河套灌溉區(qū)參考蒸發(fā)量的影響,指出河套地區(qū)濕度和風(fēng)速有明顯的下降。鐘海玲等[16]研究指出近40年來(lái)河套地區(qū)降水以每10年2%～3%的速度減少。劉普幸等[17]對(duì)河套五原綠洲進(jìn)行了研究,得出研究區(qū)氣溫呈顯著增暖趨勢(shì),而降水量在波動(dòng)中略有下降。然而,迄今對(duì)河套地區(qū)的極端氣溫的變化缺少研究。河套地區(qū)是沙地分布廣泛的干旱區(qū)和我國(guó)重要的糧食產(chǎn)地,該區(qū)極端氣溫的變化能夠代表干旱沙地極端氣溫的變化,而當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)極易受到極端天氣的危害,因此開(kāi)展河套地區(qū)極端氣溫的研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際意義。

1 研究區(qū)概況

廣義的河套地區(qū)包括寧夏自治區(qū)的銀川平原,內(nèi)蒙古自治區(qū)的臨河市、五原縣、烏拉特前旗、瞪口縣、杭錦后旗、包頭市、呼和浩特市和伊克昭盟全部,以及陜北長(zhǎng)城以北地區(qū),總面積20多萬(wàn)km2[18](圖1)。其地理坐標(biāo)為北緯36°50′～41°50′、東經(jīng)105°24′～112°28′。根據(jù)氣候和地形的差異,河套地區(qū)由鄂爾多斯高原和河套平原組成。河套地區(qū)海拔900～1500 m,地勢(shì)由西向東微傾。黃河附近為沖積平原,其余為鄂爾多斯高原。鄂爾多斯高原西部地勢(shì)較高,南部為毛烏素沙地,中部為草原并夾有鹽堿湖沼，而北部為庫(kù)布齊沙漠。研究區(qū)屬于東南夏季風(fēng)影響的西北邊緣地區(qū)。該區(qū)年均溫度為6.0～8.5 ℃,夏季炎熱,冬季寒冷,溫差較大,春季風(fēng)力較強(qiáng)。降水量從東南向西北由490 mm遞減到150 mm,降水集中在7～9月份,主要為干旱氣候。

2 數(shù)據(jù)來(lái)源與研究方法

本文所選取的氣象資料來(lái)自“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”(http://cdc.nmic.cn/home.do)的氣象站數(shù)據(jù)以及美國(guó)海洋大氣局(NOAA)氣候預(yù)測(cè)中心(CPC)網(wǎng)站(http://www.cpc.ncep.noaa.gov/)公布的北極濤動(dòng)(AO)和北大西洋濤動(dòng)(NAO)指數(shù),其資料完整且時(shí)段為1960～2013年。本文采用了河套地區(qū)13個(gè)氣象站點(diǎn)的每日最高氣溫和最低氣溫?cái)?shù)值。同時(shí)結(jié)合河套地區(qū)的地理自然特點(diǎn)和氣象狀況,選用世界氣象組織(WMO)發(fā)布的10種極端氣溫指數(shù)(表1)。

圖1 河套地區(qū)及氣象站點(diǎn)分布

應(yīng)用由WMO專家開(kāi)發(fā)的一套用于氣候變遷探測(cè)、檢測(cè)與指標(biāo)方面的Rclimdex軟件來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。對(duì)于這10項(xiàng)極端氣溫指數(shù),選用線性方程和累積距平的方法進(jìn)行描述和研究,計(jì)算估計(jì)采用最小二乘法進(jìn)行。采用M-K法進(jìn)行突變檢驗(yàn),利用Morlet復(fù)小波的方法檢測(cè)極端氣溫的周期規(guī)律。

10種極端氣溫指數(shù)可以分為3類[19]：第1類為極值指數(shù),其中有極端最高(最低)氣溫；第2類為絕對(duì)指數(shù),包括夏日、冰日、熱夜和霜日；第3類為相對(duì)指數(shù),其中有冷夜、暖夜、冷日和暖日。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端氣溫極值指數(shù)的變化趨勢(shì)與突變

由圖2可見(jiàn),50多年來(lái)的極端最高氣溫呈現(xiàn)小幅上升的趨勢(shì),變化率為0.09 ℃/10 a,但是并不是一直升高的,是有上下波動(dòng)的。由年代際變化來(lái)看,20世紀(jì)60與80年代,極端最高氣溫相對(duì)較低,而70和90年代則較高,進(jìn)入21世紀(jì)后再度升高,為50多年來(lái)的最高值。由圖3的累計(jì)距平來(lái)看,距平值在1996年前后發(fā)生了突變,說(shuō)明在1996年前后發(fā)生了氣溫由低到高的突變。圖3為極端最高氣溫的M-K曲線,其中,突變點(diǎn)有兩處,分別為1976年和1996年,第一次突變表明極端最高氣溫緩慢降低,而第二次表明氣溫出現(xiàn)由低到高的突變,這與累計(jì)距平值的結(jié)果大致相同。

極端最低氣溫同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì),變化率為0.28 ℃/10 a。由年代際來(lái)看,20世紀(jì)90年代之前極端最低氣溫波動(dòng)上升,最高值出現(xiàn)在90年代,2000年后有所下降。極端最低氣溫的累計(jì)距平值變化(圖3)顯示,20世紀(jì)60年代短暫升高,爾后大幅度下降,1990年后上升強(qiáng)烈,進(jìn)入2000年后出現(xiàn)平穩(wěn)的波動(dòng)。由M-K圖(圖4)得出極端最低氣溫的突變點(diǎn)出現(xiàn)在1982年。

表1 本文選定的極端氣溫指數(shù)

圖2 河套地區(qū)1960～2013年極端最高氣溫、極端最低氣溫的變化趨勢(shì)

圖3 河套地區(qū)1960～2013年極端最高氣溫、極端最低氣溫的累積距平

3.2 極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的變化趨勢(shì)與突變

夏日天數(shù)在54年來(lái)呈小幅上升趨勢(shì),變率為2.58 d/10 a;其數(shù)值變化先下降后上升,20世紀(jì)70、80年代數(shù)值較低,90年代和21世紀(jì)初期數(shù)值較高。由M-K(圖5)來(lái)看,夏日天數(shù)的UF與UK相交于1997年,交點(diǎn)在信度線之內(nèi),表明突變出現(xiàn)在1997年,夏日天數(shù)呈現(xiàn)由少到多的變化趨勢(shì)。由累積距平(圖6)來(lái)看,1985年前的夏日天數(shù)比整體平均值略少,而1997年后夏日天數(shù)的增加對(duì)整體均值起到了提升的作用。

圖4 河套地區(qū)1960～2013年極端最高氣溫、極端最低氣溫的M-K統(tǒng)計(jì)值

熱夜天數(shù)(圖5)總體呈上升趨勢(shì),變化率為1.89 d/10 a。圖6顯示,20世紀(jì)90年代中后期熱夜天數(shù)的上升對(duì)于增加50年來(lái)熱夜天數(shù)的均值起到了重要作用。由M-K檢驗(yàn)結(jié)果(圖5)來(lái)看,熱夜天數(shù)的UF和UK曲線交于1993年,交點(diǎn)在信度線之內(nèi),說(shuō)明熱夜天數(shù)在1993年出現(xiàn)了由少到多的突變。

圖5 河套地區(qū)1960～2013年極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的M-K統(tǒng)計(jì)值

圖6 河套地區(qū)1960～2013年極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的累積距平

冰日日數(shù)在54年間呈下降趨勢(shì),變化率為-2.78 d/10 a；其數(shù)值的走勢(shì)表現(xiàn)出波動(dòng)下降的特點(diǎn)。由M-K(圖5)來(lái)看,冰日日數(shù)的UF和UK交于1986年,交點(diǎn)在信度線之內(nèi)，表明冰日日數(shù)在1986年出現(xiàn)了由多到少的突變。累積距平(圖6)指示,冰日日數(shù)在1986年出現(xiàn)最高值,之后到2004年都逐步降低,說(shuō)明這個(gè)期間冰日日數(shù)比整體的均值少，這與M-K顯示的變化大體一致。

霜日日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì),其變化率為-4 d/10 a；其數(shù)值的走勢(shì)呈現(xiàn)震蕩下降的特點(diǎn)。通過(guò)M-K(圖5)來(lái)看,霜日日數(shù)的UF和UK交于1989年,交點(diǎn)在信度線之內(nèi)。圖6顯示,霜日日數(shù)的累積距平值先平穩(wěn)上升后下降,拐點(diǎn)在1989年,表明霜日日數(shù)在1989年出現(xiàn)了由多到少的突變,這與M-K顯示的變化大體一致。

3.3 極端氣溫相對(duì)指數(shù)的變化趨勢(shì)與突變

冷夜天數(shù)在50多年間大幅度下降,變化率為-1.95 d/10 a；其數(shù)值在20世紀(jì)60年代末有小幅上升,之后開(kāi)始波動(dòng)下降。M-K檢驗(yàn)結(jié)果(圖7)表明,冷夜天數(shù)的UF與UK交于1985年,而且在1985年后冷夜天數(shù)的UF曲線表現(xiàn)為顯著性下降,爾后超過(guò)0.001臨界線(U0.001=2.56),表明冷夜天數(shù)的下降趨勢(shì)是十分顯著的。圖8顯示,1960～1975年冷夜天數(shù)的累積距平值明顯升高，而1993～2013年則顯著下降。

暖夜天數(shù)波動(dòng)劇烈,變化率為3.05 d/10 a,整體來(lái)看處于波動(dòng)上升的趨勢(shì)。M-K(圖7)顯示, 暖夜天數(shù)的UF曲線在絕大多數(shù)年份大于0,而且在1993年后暖夜天數(shù)增加的趨勢(shì)大大超過(guò)0.05顯著性水平,甚至超過(guò)0.001顯著性水平,表明暖夜天數(shù)的上升趨勢(shì)十分顯著。由累積距平(圖8)可知,20世紀(jì)90年代中后期暖夜天數(shù)的上升對(duì)于增加50年來(lái)暖夜天數(shù)的均值起到了重要作用。

冷日天數(shù)總體上呈現(xiàn)下降趨勢(shì),變化率為-1.02 d/10 a。由圖7可知,冷日天數(shù)的UF和UK曲線相交于1988年,交點(diǎn)在信度線之內(nèi),說(shuō)明冷日天數(shù)從1988年開(kāi)始出現(xiàn)由多到少的突變。而且在1994年后冷日天數(shù)減少的趨勢(shì)大大超過(guò)0.05顯著性水平,表明冷日天數(shù)的下降趨勢(shì)是十分顯著的。由累積距平(圖8)可知,前20年冷日天數(shù)較多對(duì)54年來(lái)冷日天數(shù)均值的增加起到了重要作用,20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初相對(duì)于54年冷日均值而言處于較低的階段。

圖7 河套地區(qū)1960～2013年極端氣溫相對(duì)指數(shù)的M-K統(tǒng)計(jì)值

圖8 河套地區(qū)1960～2013年極端氣溫相對(duì)指數(shù)的累積距平

暖日天數(shù)在54年來(lái)處于上升趨勢(shì),變化率為1.6 d/10 a。M-K檢驗(yàn)(圖7)顯示,暖日天數(shù)的UF和UK曲線相交于1996年,交點(diǎn)在信度線之內(nèi),表明河套地區(qū)暖日日數(shù)的突變時(shí)間為1996年,突變點(diǎn)前后暖日日數(shù)由少變多。由累積距平(圖8)來(lái)看,1996為最低點(diǎn),說(shuō)明在1996年出現(xiàn)了從少到多的突變，這與M-K得出的結(jié)論大致相同。

3.4 極端氣溫指數(shù)的主成分分析

利用SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析,得出河套地區(qū)極端氣溫指數(shù)主成分和因子間的相關(guān)關(guān)系(表2)。通過(guò)主成分分析可見(jiàn),前3個(gè)因子一共提取了總方差的77.61%,其中因子1占55.43%,為主要因子。因子1中各指數(shù)都具有較高的載荷,其中暖夜最高,為0.91,且暖指數(shù)為正數(shù),冷指數(shù)為負(fù)數(shù),說(shuō)明整體河套地區(qū)氣溫上升趨勢(shì)明顯。在因子2中具有高載荷的有熱夜、極端最低氣溫、極端最高氣溫,載荷值分別為0.84、-0.68、0.49,占方差貢獻(xiàn)的12.47%。霜日、極端最高氣溫和極端最低氣溫在因子3中載荷較高。各極端氣溫指數(shù)的共同度多數(shù)大于0.70。氣溫的上升導(dǎo)致了霜日和冷夜天數(shù)的明顯減少,同時(shí)影響到夏日和暖日天數(shù)的上升[28]。前文在分析各指數(shù)的時(shí)間趨勢(shì)變化特征時(shí),得出各暖指數(shù)均表現(xiàn)出升高趨勢(shì),各冷指數(shù)均表現(xiàn)出降低趨勢(shì)的結(jié)論,表明其變化具有一致性。

3.5 極端氣溫的季節(jié)變化

河套地區(qū)極端氣溫的季節(jié)變化十分明顯,平均氣溫的季節(jié)變化率也各不一致。徐影等[20]對(duì)中國(guó)西北地區(qū)未來(lái)氣候變化進(jìn)行了分析,總結(jié)出西北地區(qū)冬夏季氣溫將來(lái)會(huì)明顯變暖。從表3可以看出,河套地區(qū)的春、夏和秋季的平均氣溫變化率相差不大,在0.33～0.38 ℃/10 a之間,而冬季氣溫的變化率最大,為0.58 ℃/10 a。這與其他研究者的結(jié)論[21-23]基本一致。本文計(jì)算結(jié)果(表3)表明：相對(duì)熱指數(shù)TN90、TX90在夏季的變化率都是最大的,分別為3.74和1.94 d/10 a；它們?cè)谄渌竟?jié)的變化率由大到小依次是冬、春和秋季；在相對(duì)冷指數(shù)中,TN10的變化率在夏季最大,為-2.46 d/10 a;TX10在冬季的變化率最大,為-1.47 d/10 a。由此可見(jiàn),夏季是熱指數(shù)上升的最大誘因,而冬季氣溫升高是河套地區(qū)拉動(dòng)全年平均氣溫上升的主要原因。

3.6 夏季極端高溫事件分析

先將研究區(qū)域內(nèi)的13個(gè)站點(diǎn)1960～2013年的54個(gè)夏季(6、7、8月)共4968 d的最高氣溫進(jìn)行區(qū)域平均,再按升序排列,取99百分位上的值作為閾值,選取大于該閾值(36. 5 ℃)的天數(shù)為極端高溫事件的日數(shù)[24]。根據(jù)極端高溫的定義[25],可將河套地區(qū)99百分位的高溫事件定義為極端高溫事件(A級(jí)),54年里共有50 d；另得到54年內(nèi)99～95百分位(B級(jí))和95～85百分位(C級(jí))高溫事件的天數(shù)，分別為248 d和447 d。

表2 1960～2013年河套地區(qū)極端氣溫指數(shù)的因子分析

表3 1960～2013年河套地區(qū)平均氣溫和相對(duì)指數(shù)的季節(jié)變化率

圖9a為極端日高溫事件的年際變化,從中可以看出極端高溫事件在20世紀(jì)90年代中后期至21世紀(jì)初發(fā)生的次數(shù)較多,呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢(shì)。A級(jí)極端高溫事件在1999和2005年發(fā)生次數(shù)最多,均為7 d。B級(jí)極端高溫事件在2010年發(fā)生次數(shù)最多,為15 d。圖9b為各百分位高溫事件在夏季各旬的發(fā)生次數(shù),從中可以看出極端高溫事件主要出現(xiàn)在6月中下旬、7月和8月上旬。54年來(lái),A級(jí)極端事件總共有50 d,在7月份發(fā)生次數(shù)最多,占到74%,而在7月中旬頻次最高,為17 d；而7月中旬同樣是B級(jí)和C級(jí)極端高溫事件出現(xiàn)頻次最高的時(shí)段。

圖9 研究區(qū)域夏季各百分位(99%、99%～95%、95%～85%)高溫事件發(fā)生次數(shù)的逐年變化(a)和旬變化(b)

3.7 冬春季極端氣溫指數(shù)與北極濤動(dòng)和北大西洋濤動(dòng)的關(guān)系

表4為1960～2013年河套地區(qū)冬春季極端氣溫指數(shù)與北極濤動(dòng)(AO)的相關(guān)性。由表4可知,極端氣溫指數(shù)在冬季與AO具有一定的相關(guān)性,除平均氣溫外均為負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中AO與TX10和TN10的相關(guān)性通過(guò)了0.10水平的顯著性檢驗(yàn),與TN90的相關(guān)性通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn),而與TX90和平均氣溫的相關(guān)性不明顯,沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。河套地區(qū)春季AO與TX10、TX90、TN10和平均氣溫均為負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中與TX90和TN90的相關(guān)性分別通過(guò)了0.10和0.05水平的顯著性檢驗(yàn)。

表4 河套地區(qū)1960～2013年冬春季極端氣溫指數(shù)與北極濤動(dòng)的相關(guān)性

注:“*”、“**”和“***”分別表示通過(guò)0.10、0.05和0.01顯著性檢驗(yàn)水平。下同。

表5為河套地區(qū)1960～2013年冬春季極端氣溫指數(shù)與北大西洋濤動(dòng)(NAO)的相關(guān)性。從表5中可以看出,河套地區(qū)冬季的NAO指數(shù)與極端氣溫指數(shù)普遍具有明顯的相關(guān)性,與TX10、TX90和TN10呈負(fù)相關(guān),而與TN90和平均氣溫呈正相關(guān),其中與TX10、TN10和平均氣溫的相關(guān)性均通過(guò)了0.01水平的顯著性檢驗(yàn)。河套地區(qū)春季的NAO指數(shù)與TX10、TN10呈負(fù)相關(guān),而與TX90、TN90和平均氣溫呈正相關(guān),其中與TX10和TN10的相關(guān)性均通過(guò)了0.05水平的顯著性檢驗(yàn),與平均氣溫的相關(guān)性通過(guò)了0.10水平的顯著性檢驗(yàn)。

綜上所述,AO與NAO對(duì)河套地區(qū)冬春季的極端氣溫指數(shù)和平均氣溫均具有一定的影響；相較于春季,AO與NAO指數(shù)在冬季與極端氣溫指數(shù)的相關(guān)性更為顯著,且冬季的AO和NAO指數(shù)對(duì)河套地區(qū)極端氣溫具有一定的預(yù)測(cè)作用。TN10在冬、春季與AO和NAO指數(shù)均具有顯著的相關(guān)性,說(shuō)明TN10可以確切地反映出當(dāng)季AO與NAO指數(shù)的狀況。

表5 河套地區(qū)1960～2013年冬春季極端氣溫指數(shù)與北大西洋濤動(dòng)的相關(guān)性

4 討論

Ojima等[29]指出中國(guó)內(nèi)蒙一帶的干旱半干旱區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化的能力是脆弱的。河套地區(qū)也是一個(gè)氣候敏感地區(qū),因此該地區(qū)極端溫度發(fā)生的頻率以及強(qiáng)度有其自身的特點(diǎn)[30]。逐漸成為人們的共識(shí)的是:氣候變化不僅可能影響自然系統(tǒng)的生態(tài)和生理特征,而且還會(huì)對(duì)人類系統(tǒng)產(chǎn)生影響[31],所以了解河套地區(qū)氣候變化的原因,對(duì)于科學(xué)家和施政者來(lái)說(shuō)都很重要。由上述可知,河套地區(qū)54年來(lái)極端最高溫、極端最低溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì),冷指數(shù)下降而熱指數(shù)上升,說(shuō)明河套地區(qū)的整體氣溫呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。這與全國(guó)整體的升溫趨勢(shì)[32]相同。雖然現(xiàn)在沒(méi)有準(zhǔn)確說(shuō)明極端天氣與氣溫的上升之間存在某種必然的聯(lián)系,但是整體趨勢(shì)的變化還是值得我們注意,河套地區(qū)的氣溫上升與全球背景下的氣溫升高存在著必然的聯(lián)系。因此,全球氣候變暖應(yīng)是導(dǎo)致河套地區(qū)極端氣溫變化的重要原因之一。關(guān)于全球變暖,其主要原因是人為向空氣中排放了過(guò)量的溫室氣體,使其濃度迅速增加[33]。IPCC第五次報(bào)告指出，20世紀(jì)50年代以來(lái)全球氣候變暖的一半以上是人類活動(dòng)造成的,并且未來(lái)氣候變暖的趨勢(shì)將不會(huì)改變[34]。河套地區(qū)極端氣溫變化應(yīng)是由溫室氣體濃度升高而引起的。但是在極端氣溫指數(shù)發(fā)生突變的年份中并沒(méi)有出現(xiàn)溫室氣體濃度的突變,例如極端最高氣溫在1996年前后發(fā)生了由小到大的突變,熱夜天數(shù)在1993年發(fā)生了由低到高的突變，霜日天數(shù)在1989年發(fā)生了由多到少的突變，而據(jù)氣象站觀測(cè),溫室氣體的濃度在過(guò)去60年間是穩(wěn)步上升的。因此,河套地區(qū)極端氣溫的變化還可能與某些自然因素有關(guān)。

冰日和冷日的減少也會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)爻鞘凶≌┡枨螽a(chǎn)生影響,同時(shí)熱夜和夏日天數(shù)的增加,則會(huì)對(duì)空調(diào)用電量的上升產(chǎn)生積極影響。Ali M等[35]指出氣溫與用電量呈一定的線性相關(guān)性。

一些學(xué)者通過(guò)分析每日氣溫也證實(shí)了河套地區(qū)呈現(xiàn)明顯升溫態(tài)勢(shì)[36]。由于冷空氣的影響,河套地區(qū)冬季時(shí)常出現(xiàn)冰凍災(zāi)害。但是極端天氣的變化也會(huì)帶來(lái)一些有益的影響,尤其是冷指數(shù)的降低,將減少對(duì)農(nóng)作物的損害,并且熱指數(shù)的上升和植物生長(zhǎng)期的延長(zhǎng)將共同提升農(nóng)作物的產(chǎn)量[37]。同時(shí),河套地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉也會(huì)通過(guò)水汽反饋來(lái)影響當(dāng)?shù)氐臍夂?有研究指出灌溉可以對(duì)當(dāng)?shù)貧夂蜃兓a(chǎn)生一定的緩和作用[38]。Qi L等[39]指出中國(guó)北方地區(qū)冬季的冷指數(shù)和平均氣溫極易受到北極濤動(dòng)的影響,而其將帶來(lái)更為嚴(yán)重的冷空氣,這說(shuō)明未來(lái)河套地區(qū)有可能受到極端天氣帶來(lái)的更為嚴(yán)重的影響。河套地區(qū)溫度的升高,也將會(huì)影響到當(dāng)?shù)氐乃?而在未來(lái)河套地區(qū)降雨量下降的情況下[40],當(dāng)?shù)赝寥浪趾繉?huì)降低,這會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物的生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。而土壤沙漠化、土地退化等也會(huì)嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)。雖然近幾年當(dāng)?shù)厮Y源利用率有所提高,但是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在一定程度上還需依賴于“靠天吃飯”,所以今后還需對(duì)極端天氣進(jìn)行持續(xù)的關(guān)注。

5 結(jié)論

本研究結(jié)果表明：(1)河套地區(qū)平均氣溫、極端最高氣溫和極端最低氣溫呈現(xiàn)上升趨勢(shì),變化率分別為0.39、0.09和0.28 ℃/10 a；(2)近54年來(lái),河套地區(qū)的ID0、FD0、TN10和TX10這4個(gè)冷指數(shù)呈下降趨勢(shì)，而SU25、TR20、TN90和TX90這4個(gè)熱指數(shù)呈上升趨勢(shì)。夏季是熱指數(shù)上升的最大誘因,而冬季氣溫升高是河套地區(qū)拉動(dòng)全年平均氣溫上升的主要原因；(3)極端最高氣溫、極端最低氣溫、SU25、TR20、ID0、FD0、TX10和TX90都存在突變,且突變發(fā)生在20世紀(jì)80和90年代；(4)極端高溫事件在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初發(fā)生的次數(shù)較多;在全年各月中,在7月份極端高溫事件發(fā)生次數(shù)最多,尤其是在7月中旬；(5)AO和NAO指數(shù)對(duì)河套地區(qū)冬春季(尤其是冬季)極端氣溫指數(shù)有一定的影響,且TN10能確切地反映AO和NAO指數(shù)。

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(責(zé)任編輯:黃榮華)

Study on Characteristics of Extreme Air Temperature Changes in Hetao Area from 1960 to 2013 under Climatic Change

ZHANG Xin-ping, CHEN Jian-yu, CHEN Hong-fei*

(College of Tourism and Environment, Shaanxi Normal University, Xi’an 710062, China)

Based on the daily air temperature data of 13 meteorological stations in Hetao area from 1960 to 2013, using the methods of linear fitting, accumulative anomaly, Mann-Kendall test, principal component analysis, Morlet complex wavelet, and R/S analysis, we calculated and studied 10 kinds of extreme air temperature indices released by WMO. The results were obtained as follows: in Hetao area in recent 54 years, the average air temperature, extreme maximum air temperature, extreme minimum air temperature, and heat indices (summer day, heat night, warm day, and warm night) all showed an increasing trend, while the cold indices (ice day, frost day, cold day, and cold night) all decreased significantly. The changes in extreme air temperature indices in Hetao area had obvious spatial distribution characteristics and sudden change phenomenon, and the sudden changes occurred mainly in the 1980s and 1990s. The rising of both heat indices and winter air temperature was the main reason for the increase in annual average air temperature in Hetao area. The extreme high temperature events happened for many times in the later 1990s and the beginning of the 21st century, and occurred mostly in July (especially in the middle of July). AO and NAO indexes had significant influences on the extreme air temperature indices in winter and spring (especially in winter) in Hetao area.

Extreme air temperature; Hetao area; Variation characteristic; Climatic change

2017-02-07

國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際合作重大項(xiàng)目(41210002);教育部人文社會(huì)科學(xué)研究項(xiàng)目(16YJCZH005);陜西師范大學(xué)院士創(chuàng)新 項(xiàng)目(999521)。

張心萍(1990─),女,山東高密人,碩士研究生,從事資源開(kāi)發(fā)與GIS研究。*通訊作者:陳宏飛。

S161.22

A

1001-8581(2017)05-0086-08