孔鋒

（1.清華大學(xué)公共管理學(xué)院，北京100084； 2.清華大學(xué)應(yīng)急管理研究基地，北京100084； 3.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京100081）

0 引 言

“人類世”時代全球氣候變暖已成為當(dāng)前學(xué)界廣泛認(rèn)同的事實[1-3]，給人類社會和生態(tài)系統(tǒng)帶來了重大影響。其通過改變孕災(zāi)環(huán)境穩(wěn)定性和增強(qiáng)致災(zāi)因子危險性，顯著地改變著區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)，并使其趨于復(fù)雜化[4-6]。因此，全球變暖及其引起的系統(tǒng)要素動態(tài)變化，已成為影響可持續(xù)發(fā)展的重要因素，也是學(xué)界廣泛關(guān)注的重大科學(xué)和實踐問題[7-11]。氣溫日較差也稱為氣溫日振幅，為日最高氣溫與日最低氣溫之差，受經(jīng)緯度、地表性質(zhì)、地形地勢和海拔等多種因素的影響[12-16]。一般而言，氣溫日較差在低緯度地區(qū)較大（平均為12 ℃），中緯度地區(qū)次之（7～9℃），高緯度地區(qū)最?。?～4 ℃）[17-18]。在海陸分異上，陸地上的氣溫日較差大于海洋，一般而言，內(nèi)陸地區(qū)的氣溫日較差可達(dá)15 ℃以上，部分地區(qū)甚至高達(dá)25～30 ℃，而海洋上一般為1～2 ℃[18-19]。在地形地勢和海拔分異上，一般山谷的氣溫日較差大于山峰、凹低處大于高地、盆地大于平原、平原大于山地[20-22]。在對氣溫要素的研究上，對氣溫日較差的研究相對較對平均氣溫和極端氣溫的研究缺乏，尤其在大尺度范圍上[23-25]。氣溫日較差的長期變化已經(jīng)顯著影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和規(guī)劃布局[16]，因此，科學(xué)認(rèn)識氣溫日較差的氣候變化特征具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實意義。氣候變化的多樣性包括均值變化、趨向性變化、波動性變化和極端事件變化等，史培軍等[26]用氣溫和降水2 個因素的變化趨勢與波動特征，組合出9 種氣候變化模態(tài)，并基于此模態(tài)開展了1961—2010 年我國氣候變化區(qū)劃研究工作，開創(chuàng)了氣候變化區(qū)劃研究的先河；吳紹洪等[27]從區(qū)域災(zāi)害系統(tǒng)的角度，開展了我國氣候變化風(fēng)險區(qū)劃研究工作。從變化趨勢和波動特征等角度診斷氣候的多層次變化，對于科學(xué)認(rèn)識氣候變化具有重要意義。本文利用氣溫日較差的均值、距平、變化趨勢和波動特征，診斷1961—2018 年我國氣溫日較差的多屬性變化特征，以期為區(qū)域綜合減災(zāi)與可持續(xù)發(fā)展的實踐提供相關(guān)參考。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用的1961—2018 年的氣溫數(shù)據(jù)來自于國家氣象局氣象信息中心的《中國國家級地面氣象站基本氣象要素日值數(shù)據(jù)集（V3.0）》，該數(shù)據(jù)集包括2 482 個氣象觀測站點，其中氣溫指標(biāo)包括平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫3 項。數(shù)據(jù)的空間覆蓋范圍為 73°40' E～135°05' E，4°00' N～53°31' N。鑒于我國多數(shù)氣象觀測站點建站時間在1960 年之后，因此，研究時段從1961 年開始。對所選站點的年值數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗，對缺測數(shù)據(jù)，用臨近站點數(shù)值進(jìn)行插補(bǔ)，插補(bǔ)方法主要參考文獻(xiàn)[28-31]。如一個站點的插補(bǔ)率小于0.1%，則保留該站點，否則剔除該站點，最終得到545 個站點數(shù)據(jù)[28-31]，站點分布如圖1所示。

1.2 計算方法

將5℃、10℃、15℃和20℃以上氣溫日較差分別簡稱為5℃、10℃、15℃和20℃氣溫日較差；將1961—1970、1971—1980、1981—1990、1991—2000、2001—2010、2011—2018 年分別稱為 1960、1970、1980、1990、2000 和2010 年代。首先，根據(jù)上述插補(bǔ)后的站點數(shù)據(jù)分別計算545 個站點的5℃、10℃、15℃和20℃氣溫日較差日數(shù)的多年均值。其次，采用1960年代至2010 年代的不同氣溫日較差日數(shù)年際均值與研究時段對應(yīng)氣溫日較差日數(shù)均值之差，即氣溫日較差日數(shù)年代距平，診斷氣溫日較差日數(shù)的年代演變特征。再次，采用基于最小二乘的一元線性回歸方法計算我國1961—2018 年不同氣溫日較差日數(shù)的變化趨勢及特征。最后，基于變異系數(shù)方法，診斷我國1961—2018 年不同氣溫日較差日數(shù)的年際變異特征，即波動特征。對基于上述站點的計算結(jié)果采用反距離權(quán)重（IDW）進(jìn)行空間插值，分辨率為10 km×10 km。上述變化趨勢和波動特征的具體計算方法如下：

對于樣本量為n的氣溫日較差序列yj，用tj表示所對應(yīng)的時刻，建立yj與tj之間的一元線性回歸方程：

其中，a為方程的回歸常數(shù)，b為回歸系數(shù)。利用最小二乘法可求出a和b:

回歸系數(shù)b的符號表示不同氣溫日較差的線性趨勢，b＞0，表示隨時間增加y呈增加趨勢，即上升趨勢，b＜0，表示隨時間增加y呈減少趨勢，即下降趨勢。b的大小反映上升或下降的速率，即表示上升或下降的傾向程度[4]。

采用變異系數(shù)診斷不同氣溫日較差的波動特征。變異系數(shù)是衡量一組數(shù)據(jù)變異程度的統(tǒng)計量，是標(biāo)準(zhǔn)差與平均值的比值，可用于衡量數(shù)據(jù)的波動性[4]。其計算公式為

其中，S為標(biāo)準(zhǔn)差為平均值。變異系數(shù)可以消除單位和平均值不同對2 個或多個資料變異程度比較的影響。變異系數(shù)越小，氣溫日較差的年際變異越小，即波動程度越?。环粗?，變異系數(shù)越大，氣溫日較差的年際變異越大，即波動程度越大。

2 氣溫日較差的時空演變特征

2.1 氣溫日較差氣候態(tài)的空間分異特征

從氣候態(tài)分布看，圖2 中顏色越藍(lán)，表示年均日數(shù)越多；顏色越紅，表示年均日數(shù)越少。據(jù)此可知，1961—2018 年，我國氣溫日較差年均日數(shù)，因日較差大小不同而呈現(xiàn)不同的空間分異特征（見圖2）。除20℃氣溫日較差外，5℃、10℃和15℃氣溫日較差年均日數(shù)均呈東南少、西北多的空間分異特征。具體來看，5℃氣溫日較差年均日數(shù)西北地區(qū)最多、東北次之、東南最少（見圖2（a））。其中西北地區(qū)5℃氣溫日較差年均日數(shù)多在350 d 以上，而四川東部、貴州、湖南和廣西等地則多在270 d 以下。10℃氣溫日較差年均日數(shù)主要呈東南少、西北多的空間分異特征，其中西北地區(qū)10℃氣溫日較差年均日數(shù)多在300 d 以上，而江淮及其以南地區(qū)多在140 d 以下（見圖2（b））。15℃氣溫日較差年均日數(shù)也呈東南少、西北多的空間分異格局，其中黃河以南多數(shù)地區(qū)15℃氣溫日較差年均日數(shù)多在30 d 以下，而西北地區(qū)則多在130 d 以上（見圖2（c））。值得注意的是，新疆、甘肅和青海毗鄰地區(qū)15℃氣溫日較差年均日數(shù)超過了190 d。20℃氣溫日較差年均日數(shù)在東北、華北、新疆西部和云南等地較少，多數(shù)在35 d 以下；東南沿海和四川等地較多，普遍在60 d 以上（見圖2（d））。隨著氣溫日較差數(shù)的增多，其氣候態(tài)空間分異復(fù)雜化，并呈現(xiàn)次區(qū)域分異特征。

2.2 氣溫日較差年代際距平的空間分異特征

從5℃氣溫日較差日數(shù)距平看，1960 年代至2010 年代，5℃氣溫日較差日數(shù)距平演變具有明顯的東西區(qū)域分異特征（見圖3）。其中胡煥庸線以東地區(qū)的5℃氣溫日較差日數(shù)距平隨年代發(fā)展逐漸由正距平演變?yōu)樨?fù)距平，表明5℃氣溫日較差日數(shù)有減少的態(tài)勢，尤其是黃河中下游以南的東部地區(qū)減少明顯，其中1960 年代和2010 年代較整個研究時段分別偏多和偏少8 d 以上。胡煥庸線以西地區(qū)，深居大陸腹地，且海拔差異巨大，具有明顯的次區(qū)域特征。其中西藏地區(qū)5℃氣溫日較差日數(shù)距平隨年代發(fā)展逐漸由負(fù)距平演變?yōu)檎嗥剑?960 年代和2010 年代較整個研究時段分別偏少和偏多2 d 以上。東南地區(qū)，1960 年代和1970 年代，5℃氣溫日較差日數(shù)距平主要以正距平為主（見圖3（a）和（b））；1980 年代和1990 年代，呈正負(fù)距平交錯分布態(tài)勢（見圖3（c）和（d））；2000 年代和2010 年代，主要以負(fù)距平為主（見圖3（e）和（f））。

圖2 不同氣溫日較差日數(shù)氣候態(tài)空間分異特征Fig.2 Spatial differentiation characteristics of climate state of different daily temperature range days

從10℃氣溫日較差日數(shù)距平看，1960 年代至2010 年代，10℃氣溫日較差日數(shù)由以正距平為主逐漸演變?yōu)橐载?fù)距平為主（見圖4），且伴隨有次區(qū)域的年代變化特征，表明10℃氣溫日較差日數(shù)逐漸減少。其中，1960 年代和1970 年代主要呈全國性的正距平（見圖4（a）和（b））；1980 年代和 1990 年代呈區(qū)域性正負(fù)距平交錯分布態(tài)勢（見圖4（c）和（d））；2000 年代和2010 年代則主要以負(fù)距平為主（見圖4（e）和（f））。其中，1960 年代和 2010 年代，全國多數(shù)地區(qū)的10℃氣溫日較差偏多和偏少日數(shù)超過了12 d，偏少的態(tài)勢在胡煥庸線以東地區(qū)表現(xiàn)最為集中和明顯。四川地區(qū)在1980 年代和2000 年代分別以負(fù)距平和正距平為主，較整個研究時段偏少和偏多3d 以上，且與其周邊地區(qū)差異明顯。

從15℃氣溫日較差日數(shù)距平看，1960 年代至2010 年代，我國15℃氣溫日較差日數(shù)由以正距平為主逐漸演變?yōu)橐载?fù)距平為主（見圖5）。其中1960 年代和2010 年代較整個研究時段分別偏多和偏少16 d 以上。其中，1960 年代和1970 年代呈全國性的正距平（見圖5（a）和（b））；1980 年代和 1990 年代在東南地區(qū)主要以負(fù)距平為主（見圖5（c）和（d））；2000 年代和2010 年代呈全國性的負(fù)距平（見圖5（e）和（f））。值得注意的是，廣西南部、廣東南部和海南地區(qū)的15℃氣溫日較差日數(shù)呈正距平，與其周邊地區(qū)截然不同，且多數(shù)地區(qū)較整個研究時段偏多16 d。15℃氣溫日較差日數(shù)距平較5℃和10℃明顯偏多，表明在全球變暖背景下，15℃氣溫日較差日數(shù)的變化幅度較其他氣溫日較差日數(shù)大。

從20℃氣溫日較差日數(shù)距平看，1960 年代至2010 年代，20℃氣溫日較差日數(shù)主要由以正距平為主演變?yōu)橐载?fù)距平為主，并呈現(xiàn)年代性的次區(qū)域分異特征（見圖6）。1960 年代，以天津至云南中部一線為界，該線以南和以東地區(qū)主要以負(fù)距平為主，尤其以江淮、黃淮和華南地區(qū)的負(fù)距平最明顯，較整個研究時段偏少3 d 以上（見圖6（a））。該線以北和以西地區(qū)主要以正距平為主，尤其是青藏高原地區(qū)較研究時段偏多12 d 以上。1970 年代，全國以正距平為主，且零散分布。其中西藏地區(qū)整體呈正距平，較整個研究時段偏多 3 d 以上（見圖6（b））。華北南部、黃淮東部和云南等地呈負(fù)距平，較研究時段偏少3 d 以上。1980 年代，長江中下游地區(qū)以正距平為主，相比偏多3 d 以上；而西北中部地區(qū)主要以負(fù)距平為主，較研究時段偏少 3 d 以上（見圖6（c））。1990年代，我國東南的黃淮東部、江淮東部、長江中下游南岸等地以正距平為主，較研究時段偏多3d 以上。青藏高原主要以負(fù)距平為主，較研究時段偏少3 d 以上，西藏地區(qū)較研究時段偏多6 d 以上（見圖6（d））。2000 年代，華北南部、黃淮東部和云南南部等地以負(fù)距平為主，多數(shù)地區(qū)較研究時段偏多3 d 以上（見圖6（e））。青藏高原和西北中部地區(qū)呈明顯的負(fù)距平，較研究時段偏少3 d 以上。2010 年代，除黃淮東部和華南南部呈負(fù)距平外，全國其他地區(qū)主要以正距平為主（見圖6（f））。

圖3 氣溫日較差超過5℃日數(shù)的年代際距平空間分異特征Fig.3 Spatial differentiation characteristics of interdecadal anomaly with daily temperature range over 5℃days

綜上，通過對比1961—2018 年我國不同氣溫日較差日數(shù)的距平年代變化，可以發(fā)現(xiàn)在全球變暖背景下，我國氣溫日較差隨年代發(fā)展主要呈減少態(tài)勢，且具有明顯的年代分異和次區(qū)域分異特征，表明在增暖背景下日最高氣溫和日最低氣溫的差異特征趨于減少。

圖4 氣溫日較差超過10℃日數(shù)的年代際距平空間分異特征Fig.4 Spatial differentiation characteristics of interdecadal anomaly with daily temperature range over 10℃days

2.3 氣溫日較差變化趨勢的空間分異特征

圖7 為1961—2018 年不同氣溫日較差變化趨勢的空間分異特征，圖7 中黑點區(qū)域表示通過了0.05 顯著性水平檢驗。1961—2018 年5℃氣溫日較差在東南地區(qū)以減少趨勢為主，且多數(shù)地區(qū)的減少速率超過了4 d/10 a，通過了0.05顯著性水平檢驗（見圖7（a））。西藏地區(qū)以增加趨勢為主，且多數(shù)地區(qū)的增加速率達(dá)1 d/10 a，局部地區(qū)的增加速率超過了4 d/10 a。除西藏外，胡煥庸線以西的廣大西北地區(qū)增減趨勢較小。我國10℃氣溫日較差以減少趨勢為主，其中胡煥庸線以東地區(qū)減少趨勢最明顯，多數(shù)地區(qū)減少速率超過了8 d/10 a，且通過了0.05 顯著性水平檢驗；西北地區(qū)減少速率次之，其中新疆地區(qū)通過了0.05顯著性水平檢驗；西南地區(qū)最小，基本未通過0.05顯著性水平檢驗（見圖7（b））。15℃氣溫日較差以減少趨勢為主，且減少速率明顯較10℃氣溫日較差大，通過0.05 顯著性水平檢驗的區(qū)域面積也大大增加。東南地區(qū)和西北地區(qū)的減少速率多數(shù)超過了4 d/10 a（見圖7（c））。20℃氣溫日較差在西北地區(qū)以減少趨勢為主，減少速率大多超過了2 d/10 a（見圖7（d））；山東和河南東部以增加趨勢為主，增加速率多數(shù)超過了2 d/10 a；東部多數(shù)地區(qū)變化較小。20℃氣溫日較差的變化趨勢僅西北和西藏局部地區(qū)通過了0.05 顯著性水平檢驗?？傮w來看，我國東部地區(qū)的氣溫日較差以減少趨勢為主，表明在全球變暖背景下，日最高氣溫趨于增加，日最低氣溫也趨于增加，氣溫日較差的減少趨勢表明，日最低氣溫增加速率超過了日最高氣溫。在變化趨勢顯著性區(qū)域面積上，15℃氣溫日較差最大，10℃氣溫日較差次之，20℃氣溫日較差最小。

圖5 氣溫日較差超過15℃日數(shù)的年代際距平空間分異特征Fig.5 Spatial differentiation characteristics of interdecadal anomaly with daily temperature range over 15℃days

2.4 氣溫日較差波動的空間分異特征

基于變異系數(shù)，診斷了1961—2018 年不同氣溫日較差的年際變異特征，結(jié)果如圖8 所示。除20℃氣溫日較差外（見圖8（a）），5℃、10℃和15℃氣溫日較差波動特征均呈東南波動大、西北波動小的空間分異特征（見圖8（b）、（c）和（d）），僅波動較大的面積和分布區(qū)域有所差異，表明東南地區(qū)的氣溫日較差變異較大，穩(wěn)定性較低。對比4 種氣溫日較差的波動特征發(fā)現(xiàn)，隨著氣溫日較差的增加，波動特征也趨于增加，即20℃和15℃氣溫日較差的整體波動明顯高于10℃和5℃日較差，表明氣溫日較差越大，其變異程度越大，即穩(wěn)定性越低。具體來看，5℃氣溫日較差波動相對較大的地區(qū)主要分布在四川東部、貴州和湖南等地，黃河以北和以西、四川以西地區(qū)的波動相對較?。ㄒ妶D8（a））。10℃氣溫日較差波動較大的地區(qū)主要分布在東部沿海、江淮及以南地區(qū)（見圖8（b））。15℃氣溫日較差波動較大的地區(qū)主要分布在四川東部、長江中下游沿岸、兩廣和海口（見圖8（c））。20℃氣溫日較差波動較大的地區(qū)主要分布在西部沿邊地區(qū)，如云貴、華北、黑龍江等，東南沿海地區(qū)20℃氣溫日較差波動較?。ㄒ妶D8（d））。隨著氣溫日較差的增加，變異特征在全國趨于增加的態(tài)勢。

圖6 氣溫日較差超過20℃日數(shù)的年代際距平空間分異特征Fig.6 Spatial differentiation characteristics of interdecadal anomaly with daily temperature range over 20℃days

2.5 對氣溫日較差風(fēng)險防范的政策建議

青藏高原和東南部地區(qū)要高度關(guān)注氣溫日較差變化帶來的風(fēng)險，尤其是山區(qū)要高度注意防范氣溫日較差變化引發(fā)的崩塌災(zāi)害。氣溫日較差過大對水利工程建設(shè)、油氣管線、高鐵建設(shè)等影響較大。山區(qū)應(yīng)加強(qiáng)崩滑流災(zāi)害的監(jiān)測，通過綠色種植，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性規(guī)劃與調(diào)整，降低氣溫日較差變化帶來的災(zāi)害風(fēng)險。

圖7 不同氣溫日較差日數(shù)變化趨勢空間分異特征Fig.7 Spatial variation characteristics of trend of different daily temperature range days

3 結(jié)論與討論

在氣候態(tài)上，1961—2018 年 5℃、10℃、15℃和20℃氣溫日較差日數(shù)隨氣溫日較差值的增加而減少。其中5℃、10℃和15℃氣溫日較差日數(shù)主要呈西北多、東南少的空間分異格局。20℃氣溫日較差日數(shù)除在東南沿海分布較多外，其他地區(qū)具有明顯的次區(qū)域分異特征。

在年代距平上，1961—2018 年的6 個年代中，5℃、10℃、15℃和20℃氣溫日較差日數(shù)隨年代發(fā)展逐漸由以正距平為主演變?yōu)橐载?fù)距平為主，并具有明顯的年代分異和次區(qū)域分異特征，表明在全球變暖背景下日最高氣溫和日最低氣溫均趨于增加，且日最低氣溫的增加速率和幅度超過了日最高氣溫。

在變化趨勢上，1961—2018 年5℃、10℃、15℃和20℃氣溫日較差日數(shù)整體趨于減少。5℃氣溫日較差日數(shù)在西藏地區(qū)趨于增加，20℃氣溫日較差日數(shù)在黃淮東部地區(qū)趨于增加。15℃氣溫日較差日數(shù)呈減少趨勢的區(qū)域面積最大，10℃氣溫日較差日數(shù)次之，5℃氣溫日較差日數(shù)再次之，20℃氣溫日較差日數(shù)最少。

在波動特征上，1961—2018 年20℃和15℃氣溫日較差日數(shù)的整體年際波動最大，10℃氣溫日較差日數(shù)次之，5℃氣溫日較差日數(shù)最小。5℃、10℃和15℃氣溫日較差日數(shù)整體均呈東南波動大、西北波動小的空間分異格局。20℃氣溫日較差日數(shù)則在東北、華北和黃淮東部、云南等地波動較大，長江沿岸整體波動較小。

在氣候變化和災(zāi)害風(fēng)險防范上，青藏高原和東南地區(qū)要高度關(guān)注因氣溫日較差變化引發(fā)的崩滑流風(fēng)險，尤其要關(guān)注對水利工程、油氣管線和高鐵建設(shè)等的影響。

采用545 個氣象站點數(shù)據(jù)診斷了近60 a 來我國不同氣溫日較差日數(shù)的時空演變特征。由于站點分布東多西少，尤其是西藏等高海拔地區(qū)分布較少，其結(jié)果相比東部站點密集區(qū)具有空間細(xì)節(jié)分布上的不確定性，未來有待采用精度較高的替代數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步診斷。在站點分布上，根據(jù)夜間燈光數(shù)據(jù)的數(shù)值范圍[0，63]，本文將其分為 6 個等級，即：[0，10)，[10，20)，[20，30)，[30，40)，[40，50)，[50，63]，分別定義為 1，2，…，6 級，結(jié)果表明，5 級以上的站點占總站點的34.8%，可見有近1/3 的站點已經(jīng)處于城市化進(jìn)程較高的地區(qū)或邊緣地帶，其氣溫觀測很可能已經(jīng)受到城市熱島效應(yīng)的影響。因此，未來有待于進(jìn)一步區(qū)分自然情況下的氣溫日較差變化和人類活動帶來的氣溫日較差變化，這對于科學(xué)認(rèn)識區(qū)域氣候具有重要意義。然而，值得肯定的是無論是自然變化還是受人類活動影響，兩種作用疊加下的氣溫日較差相較工業(yè)革命前已發(fā)生了重大變化。通常情況下，氣溫日較差較大地區(qū)的白天日照充足、氣溫高、太陽輻射強(qiáng)，對植物的光合作用十分有利；而夜晚氣溫較低，致使植物呼吸作用弱、能量消耗較少[16]。氣溫日較差較大地區(qū)的經(jīng)濟(jì)作物一般較為優(yōu)質(zhì)。隨著城市化進(jìn)程的加快，連綿的城市群已經(jīng)對區(qū)域的氣溫日較差產(chǎn)生了不可忽視的影響[23-25]，因此，診斷不同城市化程度下的氣溫日較差變化特征，對于深入認(rèn)識城市氣候具有十分重要的意義。同時，隨著我國科學(xué)實踐的不斷深入和拓展，應(yīng)持續(xù)開展對高海拔地區(qū)的研究和探索，尤其是對“一帶一路”和全球氣候變化敏感的青藏高原地區(qū)，應(yīng)關(guān)注其氣溫日較差變化，高度重視其對鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重大影響[32-36]。

圖8 不同氣溫日較差日數(shù)波動特征空間分異特征Fig.8 Spatial variation characteristics of fluctuation of different daily temperature range days