尹明麗, 徐華君, 趙國(guó)永, 韓 艷

(1.新疆大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 烏魯木齊 830046; 2.信陽(yáng)師范學(xué)院 地理科學(xué)學(xué)院, 河南 信陽(yáng) 464000)

近年來，全球變暖及其伴隨的極端天氣和氣候事件引起了人們的廣泛關(guān)注[1-3]。20世紀(jì)60—90年代，亞洲和中國(guó)大部分地區(qū)的氣溫持續(xù)上升。20世紀(jì)80年代以來，東北地區(qū)低溫冷害發(fā)生的頻率明顯減少[4]。特別是20世紀(jì)90年代以后，世界進(jìn)入了百年來最熱的時(shí)期[5]。中國(guó)極端最低氣溫的變化在春季和秋季是最大的，而在北方則更為明顯[6]。自20世紀(jì)90年代后期以來，冬季極端低溫頻率的變化是漸進(jìn)的[7]。極端溫度是反映一個(gè)地區(qū)冷暖的一項(xiàng)重要指標(biāo)[8]，極端氣溫的變化可能會(huì)影響該國(guó)部分地區(qū)的氣候[9-10]。

黑龍江省位于中國(guó)東北部，地理坐標(biāo)為北緯43°26′—53°33′，東經(jīng)121°11′—135°05′，屬于溫帶大陸性氣候。與其他地區(qū)相比，黑龍江省極端氣溫研究相對(duì)較低。近幾十年來我國(guó)極端溫度事件也表現(xiàn)出區(qū)域性特征，而且東北地區(qū)作為對(duì)極端高溫事件和極端低溫事件高度敏感的地區(qū)之一，更應(yīng)該引起注意[11-18]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)極端溫度事件已有較多的研究。劉丹等[19]對(duì)哈爾濱地區(qū)極端氣溫進(jìn)行研究得出哈爾濱平均氣溫的升溫幅度高于全國(guó)平均升溫值；周曉宇等[20]研究得出東北地區(qū)年極端最高(最低)氣溫呈下降(升溫)趨勢(shì),極端高溫(低溫)日數(shù)呈增加(減少)趨勢(shì)；嚴(yán)曉瑜等[21]研究得出東北大部分地區(qū)年極端最高氣溫和年極端最低氣溫均呈升高趨勢(shì)，且后者比前者顯著；朱紅蕊等[22]得出空間分布方面，極端氣溫指數(shù)在全區(qū)基本都呈一致的增大或減小分布。然而，這些研究主要集中在極端溫度頻率和強(qiáng)度的變化上，而且關(guān)于溫度的綜合研究很少，特別是關(guān)于黑龍江省與氣候變暖極端氣候事件的時(shí)空特征研究還鮮有報(bào)道。已有的研究時(shí)間跨度不大，本文的研究相比之前的研究時(shí)間跨度大，可以充分反映黑龍江省極端氣候的變化。本文研究結(jié)果，有助于黑龍江省在應(yīng)對(duì)極端氣候事件方面制定切實(shí)可行的措施，減少不必要的損失。黑龍江省27個(gè)站點(diǎn)、經(jīng)緯度以及高程信息如圖1所示。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。選取1961年1月1日—2016年12月31日逐日記錄完整觀測(cè)站，剔除缺失數(shù)據(jù)站點(diǎn)，最終選擇27個(gè)站點(diǎn)。研究數(shù)據(jù)包括逐日最高氣溫、最低氣溫和平均氣溫，并進(jìn)行一系列嚴(yán)格質(zhì)量控制。然后，運(yùn)用R編輯器和RClimDex軟件進(jìn)一步質(zhì)量控制(消除錯(cuò)誤值，異常值等)。

1.2 極端溫度指數(shù)概念

本研究使用由WMO-CCL和CLIV氣候變化檢測(cè)，監(jiān)測(cè)和指標(biāo)專家組(ETCCDMI)確定的指數(shù)系統(tǒng)定義和計(jì)算極端溫度指數(shù)[23]。本文選取的溫度指數(shù)包括相對(duì)指數(shù)、絕對(duì)指數(shù)、極值指數(shù)和其他指數(shù)，這些溫度指數(shù)都是與最高溫和最低溫相關(guān)的指數(shù)(表1)[24]，這些極端氣溫指數(shù)都是基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)并能很好反映極端溫度的變化，這些指數(shù)都是采用閾值指標(biāo)來度量的(反映季節(jié)或年內(nèi)最大、最小值的極值指數(shù)除外)。超過閾值指標(biāo)的值被認(rèn)為是極值，該事件稱為極端事件[25]。

圖1 1961-2016年黑龍江省各站點(diǎn)及高程分布

1.3 研究方法

本文主要運(yùn)用Mann-Kendall檢驗(yàn)、Morlet復(fù)小波分析以及反距離加權(quán)插值法來分析黑龍江省極端氣溫變化趨勢(shì)。Mann-Kendall檢驗(yàn)是常用的一種揭示時(shí)間序列變化的非參數(shù)檢驗(yàn)，對(duì)于非正態(tài)分布數(shù)據(jù)，有更好的適用性，并能很好揭示時(shí)間序列趨勢(shì)變化[26-27]。黑龍江極端氣溫指數(shù)的變化周期是采用Morlet復(fù)小波分析來確定的，小波方差變化圖(小波方差隨尺度變化的過程)能反映氣象要素時(shí)間序列中包含的各種周期的波動(dòng)及其強(qiáng)弱隨尺度變化的特性，可以通過小波方差變化圖找出一個(gè)時(shí)間序列中起主要作用的尺度(周期)[28]。同時(shí)，在ArcGIS 10.0環(huán)境下，利用反距離加權(quán)插值法繪制了黑龍江省極端溫度指數(shù)和顯著性檢驗(yàn)空間分布圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 時(shí)間變化特征

1961—2016年黑龍江省27個(gè)站點(diǎn)相對(duì)指數(shù)中，2個(gè)指數(shù)(TX10p和TN10p)呈降低趨勢(shì)，2個(gè)指數(shù)(TX90p和TN90p)呈升高趨勢(shì)；絕對(duì)指數(shù)中，2個(gè)指數(shù)(ID0和FD0)呈降低趨勢(shì)。2個(gè)指數(shù)(SU25和TR20)呈升高趨勢(shì)；所有極值指數(shù)均呈升高趨勢(shì)；其他指數(shù)除了DTR外，所有指數(shù)均呈升高趨勢(shì)。

其中，F(xiàn)D0，TN10p和TN90p兩個(gè)指數(shù)的變化趨勢(shì)最顯著，變化的速率分別為3.18，3.8，3.53 d/10 a；13個(gè)指數(shù)(TX10p，TN10p，F(xiàn)D0，TNn，Tminmean，DTR，TX90p，TN90p，SU25，TR20，TNx，Tmaxmean和GSL)通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(表2)，表明極端氣溫指數(shù)有明顯的升溫趨勢(shì)。

表1 極端氣溫指數(shù)定義[21]

表2 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)

注：*，**，***分別表示通過α=0.05，α=0.01和α=0.001顯著性檢驗(yàn)，下表同。

綜上所述，近56 a黑龍江省極端氣溫指數(shù)呈顯著暖化趨勢(shì)，且與日最低氣溫相關(guān)指數(shù)暖化趨勢(shì)最顯著(TN10p，F(xiàn)D0和TN90p)。

2.2 空間變化特征

2.2.1 相對(duì)指數(shù) 近56 a黑龍江27個(gè)站點(diǎn)的冷晝天數(shù)(TX10p)各站均呈減少趨勢(shì)，減少幅度為0.4～3.4 d/10 a，璦琿減幅最大(3.4 d/10 a)，綏芬河減幅最??；通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)的地區(qū)主要分布在黑龍江省西北部以及中部大部分地區(qū)(圖2A)。冷夜天數(shù)(TN10p)各站均呈減少趨勢(shì)，減少幅度為0.6～6.0 d/10 a，孫吳減幅最大(6.0 d/10 a)，漠河減幅最小；除漠河站點(diǎn)外其余站點(diǎn)均通過了α=0.05的顯著性檢驗(yàn)(圖2B)。暖晝天數(shù)(TX90p)各站點(diǎn)均呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0.2～3.6 d/10 a，漠河增幅最大(3.6 d/10 a)，綏芬河增幅最小(0.2 d/10 a)；59.3%站點(diǎn)通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖2C)。暖夜天數(shù)(TN90p)各站點(diǎn)均呈增加趨勢(shì)，增加幅度為1.2～5.7 d/10 a，孫吳增幅最大(5.7 d/10 a)，漠河增幅最?。凰姓军c(diǎn)均通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖2D)。

2.2.2 絕對(duì)指數(shù) 就冰凍天數(shù)(ID0)而言，各站均呈減少趨勢(shì)，減少幅度為0～2.2 d/10 a，呼瑪減幅最大(2.2 d/10 a)，富錦、綏芬河、鐵力減幅最?。?1.1%站點(diǎn)通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)。(圖3A)。霜凍天數(shù)(FD0)變化幅度為-6.7～0.6 d/10 a，漠河變幅為正值，其余變幅均為負(fù)值，孫吳減幅最大(6.7 d/10 a)，漠河增幅最大；除漠河站外其余站點(diǎn)。均通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖3B)。夏季天數(shù)(SU25)各站均呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0.3～4.6 d/10 a，呼瑪增幅最大(4.6 d/10 a)，綏芬河增幅最??；除雞西和綏芬河外，所有站點(diǎn)均通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖3C)。熱夜天數(shù)(TR20)各站均呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0～4.0 d/10 a，齊齊哈爾的增幅最大(4.0 d/10 a)，漠河、綏芬河、伊春增幅最小；88.9%站點(diǎn)通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖3D)。

注：陰影區(qū)域表示通過α=0.05變化趨勢(shì)的顯著性檢驗(yàn)，下圖同。

圖2 1961-2016年黑龍江省極端氣溫相對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)空間變化

圖3 1961-2016年黑龍江省極端氣溫絕對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)空間變化

2.2.3 極值指數(shù) 近56 a日最高溫最大值(TXx)變化幅度為-0.1～0.5 d/10 a，3個(gè)站點(diǎn)變幅為負(fù)值，24個(gè)站點(diǎn)變幅為正值，嫩江增幅最大(0.5 d/10 a)，漠河減幅最大(0.1 d/10 a)；14.8%站點(diǎn)通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖4A)。日最高溫最小值(TXn)各站均呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0.1～1.3℃/10 a，漠河增幅最大(1.3℃/10 a)，鐵力增幅最小(圖4B)。日最低溫最大值(TNx)各站均呈增加趨勢(shì)，增加幅度為0～0.7 d/10 a，孫吳增幅最大(0.7 d/10 a)，漠河、通河增加幅度最??；62.9%站點(diǎn)通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖4C)。日最低溫最小值(TNn)各站點(diǎn)均呈升高趨勢(shì)，增加幅度為0.1～1.4℃/10 a，孫吳增幅最大(1.4℃/10 a)，富錦增幅最小；62.9%的站點(diǎn)通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖4D)。

圖4 1961-2016年黑龍江省極端氣溫極值指數(shù)變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)空間變化

2.2.4 其他指數(shù) 日最高溫平均值(Tmaxmean)增加幅度為0～0.5 d/10 a，漠河增幅最大(0.5 d/10 a)，綏芬河增幅最??；70.4%站點(diǎn)通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖5A)。日最低溫平均值(Tminmean)增加幅度為0.1～1.0℃/10 a，孫吳增幅最大(1.0℃/10 a)，漠河增幅最??；除漠河站外其余站點(diǎn)均通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖5B)。平均氣溫日較差(DTR)變化幅度為-0.7～0.3℃/10 a，漠河變幅為正值，其余站點(diǎn)變幅為負(fù)值，孫吳減幅最大(0.7℃/10 a)，漠河增幅最大(0.3℃/10 a)；96.3%站點(diǎn)通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖5C)。生物生長(zhǎng)季(GSL)增加幅度為0.8～3.9 d/10 a，牡丹江增幅最大(3.9 d/10 a)，虎林增幅最??；88.9%站點(diǎn)通過了α=0.05顯著性檢驗(yàn)(圖5D)。

綜上所述，冷晝天數(shù)(TX10p)、冷夜天數(shù)(TN10p)、冰凍天數(shù)(ID0)各站點(diǎn)均呈減少趨勢(shì)；暖晝天數(shù)(TX90p)、暖夜天數(shù)(TN90p)、夏季天數(shù)(SU25)、熱夜天數(shù)(TR20)、日最高溫最小值(TXn)、日最低溫最大值(TNx)、日最低溫最小值(TNn)、日最高溫平均值(Tmaxmean)、日最低溫平均值(Tminmean)、生物生長(zhǎng)季(GSL)各站點(diǎn)均呈增加趨勢(shì)。表明在空間分布方面，近56 a黑龍江27個(gè)站點(diǎn)極端氣溫指數(shù)均呈暖化趨勢(shì)，其中，暖化趨勢(shì)最為顯著的是漠河、孫吳等地。

在世界變暖這個(gè)大背景下，全國(guó)各地都表現(xiàn)不同程度的暖化，另外，黑龍江是國(guó)家重要的能源工業(yè)基地，是主要的煤炭調(diào)出省之一，而黑龍江相比于全國(guó)來說溫度相對(duì)較低，冬季人們大量燒煤取暖，產(chǎn)生溫室氣體，使得氣溫變得溫暖。黑龍江省林業(yè)發(fā)達(dá)，但最近這些年樹木數(shù)目呈下降趨勢(shì)，同樣加劇了氣候變暖。黑龍江省森林面積減少同樣導(dǎo)致全年日最高氣溫最高(低)值下降、最低氣溫最高值上升[29]。

圖5 1961-2016年黑龍江省極端氣溫其他指數(shù)變化趨勢(shì)及顯著性檢驗(yàn)空間變化

2.3 突變分析

如圖6所示，由Mann-Kendall突變檢驗(yàn)可知，4個(gè)相對(duì)指數(shù)中，2個(gè)指數(shù)(TX10p，TN10p)分別在1992年、1986年發(fā)生減少突變，TN90p不存在突變點(diǎn)，TX90p于1987年發(fā)生增加突變；對(duì)絕對(duì)指數(shù)而言，ID0不存在突變點(diǎn)，F(xiàn)D0在1988發(fā)生減少突變，SU25，TR20分別于1997年、1994年發(fā)生增加突變；4個(gè)極值指數(shù)變化不大，2個(gè)指數(shù)(TXx，TXn)不存在突變點(diǎn)，2個(gè)指數(shù)(TNx，TNn)分別在1976年、1981年發(fā)生增加突變；其他指數(shù)中，3個(gè)指數(shù)(Tmaxmean，Tminmean和GSL)分別于1988年、1985年、1987年發(fā)生增加突變，DTR在1986年發(fā)生減少突變。綜上所述，大部分指數(shù)約在1980s中后期至1990s中期發(fā)生暖化突變。

圖6 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數(shù)突變檢驗(yàn)

2.4 極端氣溫小波分析

小波分析能夠較好地揭示地學(xué)中時(shí)間序列降水和氣溫多種變化周期以及不同時(shí)間尺度中的變化趨勢(shì)[30]。關(guān)于小波分析方法的介紹詳見文獻(xiàn)[26,31—32]。利用MATLAB對(duì)黑龍江省極端最高氣溫(日最高溫平均值)和極端最低氣溫(日最低溫平均值)進(jìn)行了小波分析。從圖7A可以看出，Tmaxmean大約存在4～8 a，13～18 a，25～30 a共3個(gè)尺度的周期變化，25～30 a震蕩周期最為顯著，其中主周期為27 a，日最高溫平均值經(jīng)歷了高—低—高—低等7個(gè)循環(huán)交替，說明未來2～3 a日最高溫平均值繼續(xù)增加。Tminmean大約存在5～6 a，8～10 a，13～15 a，18～25 a共4個(gè)尺度的周期變化，18～25 a震蕩周期最為顯著，其中主周期為20 a，日最低溫平均值經(jīng)歷了高—低—高—低等9個(gè)循環(huán)交替。

圖7 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數(shù)的小波分析

2.5 極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)與海拔高度、經(jīng)緯度的關(guān)系

根據(jù)各項(xiàng)極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)與地理參數(shù)的線性相關(guān)分析來看(表3)，相對(duì)指數(shù)與緯度的相關(guān)性普遍較高；絕對(duì)指數(shù)和其他指數(shù)與緯度的相關(guān)性不明顯；極值指數(shù)中TXx與緯度的相關(guān)性較高?？赡苁怯捎诤邶埥】缇暥缺容^大所致。所有指數(shù)與經(jīng)度和海拔高度的相關(guān)性不顯著。另外，所有相對(duì)指數(shù)與極值指數(shù)中的TXx與緯度的相關(guān)性通過α=0.05顯著性檢驗(yàn)。指數(shù)與指數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系見表4。

表3 黑龍江各項(xiàng)極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)與地理位置的相關(guān)系數(shù)

表4 1961-2016年黑龍江省極端氣溫指數(shù)之間相關(guān)關(guān)系矩陣

3 結(jié) 論

(1) 變化趨勢(shì)。時(shí)間方面，近56 a黑龍江省極端氣溫指數(shù)呈顯著暖化趨勢(shì)，且與日最低氣溫相關(guān)指數(shù)暖化趨勢(shì)最顯著(TN10p，F(xiàn)D0和TN90p)。空間方面，近56 a黑龍江27個(gè)站點(diǎn)極端氣溫指數(shù)均呈暖化趨勢(shì)，說明黑龍江省極端氣溫指數(shù)在時(shí)間和空間上均呈暖化趨勢(shì)。其中，暖化趨勢(shì)最為顯著的是漠河、孫吳等地。

(2) 突變檢驗(yàn)。根據(jù)M-K檢驗(yàn)結(jié)果，大部分指數(shù)約在1980s中后期至1990s中期發(fā)生暖化突變。

(3) 小波分析。日最低溫平均值大約存在5～6 a，8～10 a，13～15 a，18～25 a共4個(gè)尺度的周期變化，其中主周期為20 a；日最高溫平均值大約存在4～8 a，13～18 a，25～30 a共3個(gè)尺度的周期變化，經(jīng)歷了高—低—高—低等7個(gè)循環(huán)交替，說明未來2～3 a日最高溫均值繼續(xù)增加。

(4) 相對(duì)指數(shù)與緯度的相關(guān)性普遍較高；絕對(duì)指數(shù)和其他指數(shù)與緯度的相關(guān)性不明顯；極值指數(shù)中TXx與緯度的相關(guān)性較高；所有指數(shù)與經(jīng)度和海拔高度的相關(guān)性不顯著。