管 玥, 何奇瑾, 劉佳鴻, 李若晨, 胡 琦, 黃彬香, 潘學(xué)標(biāo)
(中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院, 北京 100193)
IPCC第5次評(píng)估報(bào)告預(yù)計(jì)21世紀(jì)將持續(xù)變暖,極端氣候事件的發(fā)生頻率、持續(xù)時(shí)間和范圍將增加[1]。極端氣候、極端天氣作為氣候變化的重要方面,其演變特征引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[2-4]。氣候極值作為極端氣候事件發(fā)生的必要條件,對(duì)分析極端氣候現(xiàn)象具有重要的指示作用,氣溫最能反映一個(gè)地區(qū)的氣候環(huán)境特征,作為全球氣候變化區(qū)域響應(yīng)與互饋?zhàn)饔醚芯康年P(guān)鍵天氣氣候要素,它是氣候變化和極端天氣氣候事件研究最重要的指標(biāo)之一[5]。氣候變化背景下近50 a全球70%的地區(qū)冷夜明顯減少,暖夜明顯增加[6],體現(xiàn)在亞洲太平洋地區(qū)[7]、東南亞及南太平洋地區(qū)[8]、中國[9]、俄羅斯[10]、加拿大等[11],國內(nèi)學(xué)者從不同區(qū)域尺度上對(duì)中國的極端氣溫演變特征進(jìn)行研究,包括長江流域[12]、淮河流域[13]、西北[14]、華南[15]、華北等[16]多個(gè)地區(qū),前人研究表明極端低溫有明顯升高趨勢,而極端高溫由于受地理位置、地形、城市化程度等因素影響有不同的變化特征。雖然對(duì)極端氣溫的研究已成果頗豐,但以往研究大多以分析極端氣溫的變化趨勢為主,對(duì)極端氣溫的發(fā)生日序少有研究,對(duì)極端氣溫發(fā)生最早、最遲日期的趨勢分析也有重要意義。黃淮海地區(qū)是中國典型的氣候脆弱區(qū),也是全國政治、經(jīng)濟(jì)、文化中心所在地,在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局中具有十分重要的戰(zhàn)略地位。本文通過百分位閾值法計(jì)算極端氣溫,由于儒歷便于對(duì)日序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,采用儒歷定義日期,即每年的1月1日日序?yàn)?、1月2日日序?yàn)?,對(duì)氣候變化背景下1961—2015年黃淮海地區(qū)極端氣溫及極端氣溫初終日序的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析,以期對(duì)當(dāng)前中國防災(zāi)減災(zāi)政策制定、科學(xué)應(yīng)對(duì)氣候變化提供參考。
參考行政區(qū)劃,將北京市、天津市、河北省、河南省和山東省5個(gè)省(市)作為研究區(qū)域,地理位置為31°—43°N,110°—123°E。選取研究區(qū)域內(nèi)資料完整且分布均勻的氣象站點(diǎn),共收集了51個(gè)站點(diǎn)1961—2015年的逐日氣象數(shù)據(jù)(圖1),以日最高氣溫和日最低氣溫為主要研究對(duì)象,數(shù)據(jù)來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)。
圖1 研究區(qū)域氣象站點(diǎn)分布
1.2.1 極端氣溫計(jì)算方法 極端值通常用百分位閾值描述,該方法數(shù)學(xué)意義明確,可以反映出變量的發(fā)生概率,同時(shí)其數(shù)學(xué)意義不受數(shù)據(jù)量大小的影響,而且百分位閾值與變量的概率密度間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[17]。具體方法如下[18]:
選定氣象要素按大小升序排列,得到X1,X2,…,Xj,…,Xn,某個(gè)值小于或等于Xj的概率
(1)
式中:j為氣象要素按照升序排列后的序號(hào);n為氣象要素的個(gè)數(shù);p為對(duì)應(yīng)的百分位值。例如求年氣象要素的95%極端值,則n=365,p=0.95,通過式(1)可算出j=347.42,則95%氣候極值為j=347和j=348所對(duì)應(yīng)的氣象要素的線性插值。
本文以日最高氣溫、日最低氣溫為研究對(duì)象,以每一年日最高氣溫的95%極端值代表極端高溫、日最低氣溫的5%極端值代表極端低溫,將日最高氣溫高于當(dāng)年極端高溫的第一天定義為極端高溫發(fā)生初日,最后一天定義為發(fā)生終日。將日最低氣溫低于當(dāng)年極端低溫的第一天定義為極端低溫發(fā)生初日,最后一天定義為發(fā)生終日。
1.2.2 氣候傾向率 氣候傾向率用來描述氣候變化的趨勢,以一元線性回歸斜率的10倍值來表示。用X表示樣本量為n的某一氣候要素,用t表示對(duì)應(yīng)的年序,采用最小二乘法擬合得到一元線性回歸方程,即
x=a+bt(t=1,2,3,…,n)
(2)
式中:b為回歸系數(shù);a和b用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。以b的10倍作為氣象要素的氣候傾向率;b值為正表明該氣象要素有增加的趨勢,為負(fù)表明該氣象要素有減少的趨勢,單位為/10 a,用F檢驗(yàn)判斷b值是否達(dá)到顯著性水平[19]。
1.2.3 M-K突變檢驗(yàn) Mann-Kendall檢驗(yàn)法是WMO(世界氣象組織)推薦的用于提取序列變化趨勢和突變的有效工具,是一種非參數(shù)檢驗(yàn)方法,優(yōu)點(diǎn)在于不受異常值的干擾,能客觀反映時(shí)間序列趨勢,目前已被廣泛用于氣候參數(shù)中,計(jì)算方法如下[20]:
對(duì)于具有n個(gè)樣本量的時(shí)間序列X,構(gòu)造一個(gè)秩序列:
(3)
(4)
秩序列Sk是第i時(shí)刻數(shù)值大于j時(shí)刻數(shù)值個(gè)數(shù)的累計(jì)數(shù)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下,定義統(tǒng)計(jì)量UFk
(5)
式中:UF1=0;E(Sk),var(Sk)是累計(jì)數(shù)Sk的均值和方差,在X1,X2,…,Xn相互獨(dú)立,且有相同連續(xù)分布時(shí),由下式算出:
(6)
(7)
UFi為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,它是按時(shí)間序列X順序X1,X2,…,Xn計(jì)算出的統(tǒng)計(jì)量序列,給定顯著性水平α,查正態(tài)分布表,若|UFi|>Uα,則表明序列存在明顯的趨勢變化。
按時(shí)間序列X逆序Xn,Xn-1,…,X1,再重復(fù)上述過程,同時(shí)使UBk=-UFk(k=n,n-1,…,1),UB1=0。
如果UFk>0則說明該時(shí)間序列表現(xiàn)為上升趨勢;如果UFk<0,則說明該時(shí)間序列表現(xiàn)為下降趨勢,當(dāng)UFk超過了臨界直線時(shí),說明時(shí)間序列的上升或下降趨勢顯著。如果UFk和UBk兩條正反序列曲線出現(xiàn)交叉點(diǎn),且交叉點(diǎn)出現(xiàn)在臨界線之間,則該交叉點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即可確認(rèn)為是突變開始發(fā)生的時(shí)間。本文給定顯著性水平α=0.05,則臨界值U0.05=±1.96。
2.1.1 空間分布特征 黃淮海地區(qū)平均的極端高溫為32.6℃,極端低溫為-9.0℃(附圖1),海拔較高的幾個(gè)站點(diǎn)(冀北豐寧、圍場、張北、張家口、蔚縣、山東泰山以及河南欒川)極端氣溫明顯偏低。極端低溫大致表現(xiàn)為緯向分布,而極端高溫大體呈現(xiàn)自東北向西南增加的趨勢,特別在沿海地區(qū)經(jīng)向分布十分明顯。表明極端低溫受緯度影響較大,而極端高溫受海陸位置影響更大。中部平原地區(qū)的極端高溫達(dá)到了34℃以上,最高值出現(xiàn)在南宮和許昌,為34.9℃。冀北由于屬相對(duì)高緯高海拔地區(qū),極端高溫分別都在33℃以下,最低值為25.1℃(張北)。魯東沿海地區(qū)極端高溫在26.5~29.9℃,泰山站由于海拔高(1 522.7 m),僅為22.1℃。冀北極端低溫變化范圍在-23.3~-13.3℃。京津、冀南以及魯西的變化范圍分別為-10.4~-6.1℃,濟(jì)南極端低溫明顯高于其他站點(diǎn)。山東沿海地區(qū)極端低溫略高于西部內(nèi)陸地區(qū),極端低溫變化范圍在-4.3~-9.2℃。河南地區(qū)極端低溫最高且空間分布差異最小,平均值為-5.0℃,最低值為-7.3℃(盧氏),最高值為-2.7℃(固始)。
2.1.2 年代際變化 將1961—2015年劃分為5個(gè)時(shí)段對(duì)極端氣溫求平均值,并且計(jì)算相鄰兩個(gè)年代的差值,用D1表示1961—1970年,D2表示1971—1980年,D3表示1981—1990年,D4表示1991—2000年,D5表示2000—2015年。
D1—D2時(shí)段,極端高溫在大部分站點(diǎn)有所下降,河南地區(qū)降低明顯,下降了0.9~1℃,冀南、魯西也有顯著降低趨勢,降幅在0.5~0.8℃,冀北和魯東地區(qū)下降幅度較小;全區(qū)極端低溫都有上升的趨勢,平均上升0.9℃,河北以及魯北上升明顯,其中秦皇島和張家口與D1年代相比上升了2.3℃。D2—D3時(shí)段,極端高溫呈現(xiàn)較小的波動(dòng)變化,河南有持續(xù)下降的趨勢,極端高溫降幅0.3~1℃;大部分站點(diǎn)極端低溫持續(xù)升高,平均上升0.4℃,京津冀地區(qū)明顯上升,其中北京升幅最大,上升了1.6℃,少部分站點(diǎn)有所降低,平均下降了0.5℃。D1—D2時(shí)段同D2—D3時(shí)段的極端高溫和極端低溫表現(xiàn)出非對(duì)稱性變化,而D3—D4時(shí)段絕大多數(shù)站點(diǎn)極端低溫和極端高溫都一致性升高。D3—D4時(shí)段上升幅度有大有小,京津冀北部上升明顯,其中蔚縣增幅最大,為1.4℃,山東沿海地區(qū)上升幅度較小;極端低溫升幅北部大于南部,河北升高幅度較大,其中蔚縣升幅達(dá)到了3.4℃。D4—D5時(shí)段變化趨于變緩,大多數(shù)站點(diǎn)極端高溫有小幅度上升;極端低溫在河南、山東沿海地區(qū)略有升高的趨勢,在京津冀地區(qū)有所下降。
2.1.3 趨勢性分析 極端高溫呈現(xiàn)出高—低—高的變化趨勢且年際間波動(dòng)較大(圖2A),60—80年代,極端高溫呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢,且下降幅度大,1961—1980年的極端高溫下降趨勢達(dá)到了-0.68℃/10 a,80年代以后開始波動(dòng)上升,1996年以后變化趨勢不明顯,呈現(xiàn)出波動(dòng)的狀態(tài)。氣候傾向率整體呈現(xiàn)由中南部向東向北逐漸遞增的空間分布特征,冀北以及山東沿海地區(qū)極端高溫顯著上升,表明北部及山東沿海地區(qū)面臨的高溫風(fēng)險(xiǎn)有增加趨勢,上升范圍為0.14~0.33℃/10 a。河南、魯西和冀南的極端高溫呈現(xiàn)降低趨勢,4個(gè)站點(diǎn)顯著下降,趨勢小于0.15℃/10 a。黃淮海地區(qū)極端低溫1987年以前低于平均值,而1987年以后高于平均值,其中1969—1989年持續(xù)上升且上升速度快,1989年與1969年相比上升了5.8℃,1990年以后變化不明顯(圖2B),M-K突變分析表明突變年份為1984年(圖3)。絕大多數(shù)站點(diǎn)氣候傾向率為正且達(dá)到了顯著性水平,且呈現(xiàn)出河北西部較高,逐漸向東北東南減小的分布特征,其中京津冀地區(qū)升高幅度最大,氣候傾向率均在0.6℃/10 a以上,遵化、邢臺(tái)、蔚縣、樂亭超過了1℃/10 a,最大值為蔚縣的1.3℃/10 a,1.44℃/10 a,山東地區(qū)和河南北部氣候傾向率大部分在0.46~0.6℃/10 a,河南大部分地區(qū)的范圍為0.2~0.5℃/10 a(附圖2),極端低溫的顯著上升對(duì)氣候變化背景下平均溫度的升高有正向響應(yīng)。
圖2 黃淮海地區(qū)1961-2015年極端氣溫距平值
圖3 黃淮海地區(qū)1961-2015年極端氣溫M-K突變檢驗(yàn)
2.2.1 空間分布特征 黃淮海地區(qū)大多數(shù)站點(diǎn)極端高溫發(fā)生初日在5月21—6月21日,西部早于東部;發(fā)生終日主要在8月上旬—8月下旬,分布特征為由河北南部向四周逐漸推遲。大多數(shù)站點(diǎn)極端低溫初日發(fā)生在12月10日—12月20日,京津冀平原地區(qū)及山東北部發(fā)生較晚,12月14日以后才發(fā)生;大部分站點(diǎn)5%極端氣溫于2月10日—2月20日結(jié)束,山東沿海地區(qū)極端低溫結(jié)束較晚,而京津冀平原地區(qū)結(jié)束早。山東沿海地區(qū)極端低溫發(fā)生晚且結(jié)束晚,證明了沿海地區(qū)相對(duì)于內(nèi)陸地區(qū)氣溫變化的延遲性,京津冀平原地區(qū)極端低溫發(fā)生晚且結(jié)束早,與該地區(qū)多年來極端低溫顯著上升有一定關(guān)系。
2.2.2 趨勢性分析 極端氣溫發(fā)生初終日序年際間波動(dòng)性較大(圖4),M-K突變分析也表明其變化不穩(wěn)定。多數(shù)站點(diǎn)極端高溫發(fā)生初日氣候傾向率小于0,極端高溫發(fā)生初日整體呈現(xiàn)提前的趨勢,傾向率最小值為-3.4 d/10 a(日照),達(dá)到顯著性水平的站點(diǎn)主要位于黃淮海南部。只有冀北和魯西極端高溫發(fā)生初日有推遲,其中朝陽、惠民縣極端高溫發(fā)生初日顯著推遲,傾向率小于2 d/10 a(附圖3)。極端高溫發(fā)生終日均推遲,越往北氣候傾向率越大,最大為3.5 d/10 a(南宮),黃淮海北部5個(gè)站點(diǎn)極端高溫顯著推遲。極端高溫發(fā)生初日的提前和初日的推遲表明極端高溫發(fā)生更早,持續(xù)時(shí)段正在延長。黃淮海地區(qū)極端低溫初日均有提前,提前幅度最大為青龍,傾向率達(dá)到了3.0 d/10 a。極端低溫終日變化趨勢有明顯的區(qū)域特征,表現(xiàn)為京津冀地區(qū)顯著提前,傾向率1.7~2.7 d/10 a,而在河南、山東呈推遲特征,但推遲并不顯著。整體來看極端低溫有提前發(fā)生、提前結(jié)束的特征。
圖4 黃淮海地區(qū)1961-2015年極端氣溫初終日距平值
(1) 黃淮海地區(qū)的平均極端高溫為32.6℃,極端低溫為-9.0℃。極端低溫呈緯向分布,極端高溫更偏向于經(jīng)向分布,表明極端高溫受海陸位置影響較大。(2) 黃淮海地區(qū)極端高溫有上升趨勢但不顯著,年代際變化表明極端高溫呈現(xiàn)出高—低—高的變化趨勢,D3時(shí)段是一個(gè)變化節(jié)點(diǎn),D1—D2時(shí)段同D2—D3時(shí)段的極端高溫和極端低溫表現(xiàn)出非對(duì)稱性變化,而D3—D4時(shí)段絕大多數(shù)站點(diǎn)極端低溫和極端高溫都一致性升高,D4—D5時(shí)段變化趨于變緩。柏會(huì)子基于ETCCDI(氣候變化與監(jiān)測指數(shù)專家團(tuán)隊(duì))定義的8個(gè)極端溫度對(duì)華北地區(qū)極端氣候事件進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)極端高溫事件的指數(shù)均呈上升趨勢[21]。60年代是一個(gè)高溫年代,由于華北地區(qū)易受大陸高壓脊的控制,衛(wèi)捷等認(rèn)為60年代的高溫與夏季亞洲中高緯500 hPa高度場在烏拉爾山、貝加爾湖及鄂霍茨克海地區(qū)分別出現(xiàn)長波槽、脊及槽的環(huán)流有關(guān),且90年代夏季亞洲中高緯地區(qū)再次出現(xiàn)類似環(huán)流,又呈現(xiàn)出升溫的趨勢[22],本文結(jié)果也印證了這一趨勢。極端低溫在1961—2015年呈現(xiàn)出明顯上升的趨勢,這與全國大部分地區(qū)變化基本一致[23-26],且有學(xué)者認(rèn)為極端最低氣溫的顯著升高是造成近幾十年平均氣溫升高、日較差減小的主要原因[27]。其中京津冀地區(qū)升高幅度最大,大部分站點(diǎn)極端高溫氣候傾向率達(dá)到了0.6℃/10 a以上,周雅清等認(rèn)為城市化對(duì)華北地區(qū)極端低溫相關(guān)指數(shù)的貢獻(xiàn)率在50%以上[28]。D5時(shí)段極端高溫、極端低溫變化趨勢均變緩,響應(yīng)了1998—2012年全球變暖停滯現(xiàn)象[29],且極端低溫的變化幅度和趨勢明顯高于極端高溫,反映了氣溫的非對(duì)稱性變化[12]。極端氣溫的形成和演變具有復(fù)雜性,除了海拔、地形、城市化程度等,大氣環(huán)流異常是影響極端氣候事件的時(shí)空演變的重要因子,有學(xué)者分析得出副熱帶高壓、南極濤動(dòng)和北極濤動(dòng)是影響中國大陸東部極端氣溫事件的重要因素[5],且北極濤動(dòng)的持續(xù)增強(qiáng)可能是東亞北部地區(qū)冬季增暖的重要原因之一[30]。此外,氣候變化背景下地表覆蓋的改變、溫室氣體的排放、風(fēng)速場的變化等是否與極端氣溫有關(guān)還有待更深一步的探索。
(3) 黃淮海地區(qū)大多數(shù)站點(diǎn)極端高溫發(fā)生初日在5—6月,終日在8月下旬—9月上旬。極端高溫發(fā)生初日整體呈現(xiàn)提前的趨勢,未來需要更早做好防范高溫的準(zhǔn)備。全區(qū)極端高溫發(fā)生終日均推遲,黃淮海北部地區(qū)推遲明顯,越往北氣候傾向率越大,推遲幅度最大達(dá)到了3.5 d/10 a(南宮)。極端高溫發(fā)生初日的提前和初日的推遲表明氣候變化背景下黃淮海地區(qū)極端高溫可能發(fā)生更早,且持續(xù)時(shí)段正在延長。極端低溫最早發(fā)生在11月下旬—12月上旬,終日在2月中旬—3月上旬。京津冀平原地區(qū)極端低溫發(fā)生晚且結(jié)束早,與該地區(qū)多年來極端低溫顯著上升有一定關(guān)系。整體來看極端低溫有提前發(fā)生、提前結(jié)束的特征,表明黃淮海地區(qū)將出現(xiàn)秋季降溫和春季升溫提前趨勢,將對(duì)冬小麥和夏玉米生產(chǎn)產(chǎn)生重大影響。