肖薇薇, 安 彬, 賈 丹

(1.安康學院 旅游與資源環(huán)境學院, 陜西 安康 725000; 2.安康市漢江水資源保護與利用工程技術研究中心, 陜西 安康 725000; 3.陜南生態(tài)經濟研究中心, 陜西 安康 725000)

相對于氣候變化的均值，極端氣候事件(如洪澇、干旱、臺風、風暴、酷暑、嚴寒等)具有突發(fā)性、不可預測性、破壞性強等特點，對自然系統(tǒng)影響巨大，對生態(tài)環(huán)境和人類生活造成嚴重破壞，并可能影響全球糧食安全和水資源供應[1-3]。Wang[4]、尹紅[5]等對近50年中國極端氣候事件變化規(guī)律的研究表明，中國極端氣候事件發(fā)生的頻率越來越高，且生態(tài)脆弱區(qū)受極端天氣影響更為劇烈。學者們采用線性回歸、趨勢分析、空間分析、突變檢驗等研究方法對中國東部地區(qū)[6]、黃淮海地區(qū)[7]、錫林河流域[8]、三江源地區(qū)[9]、海南省[10]、寶雞市[11]、漢中市等[12]不同尺度區(qū)域的極端氣候變化規(guī)律進行了分析，結果都表明極端氣溫和降水事件都呈增加趨勢，且表現出時空分布和強度上的變化，不同區(qū)域極端氣候變化差異對于農業(yè)生產、氣候資源開發(fā)利用等均會產生不同影響。

安康市地處秦巴腹地，是國家主體功能區(qū)建設示范市和南水北調中線工程的核心水源區(qū)，是環(huán)境變化的敏感區(qū)和生態(tài)脆弱區(qū)，洪災與滑坡、泥石流等次生地質災害頻繁發(fā)生，研究其極端氣候特征變化對于當地防災減災具有重要意義。目前，趙景波[13]、靳俊芳[14]等分別選用了8個極端氣溫指標和4個極端降水指標對安康市1955—2012年的極端氣溫和極端降水變化規(guī)律做了研究，但僅單獨考慮某一氣候要素對于全面揭示區(qū)域極端氣候變化趨勢還有一定的局限性，本文選用11個極端氣溫指數和8個極端降水指數，分析安康市1955—2017年的極端氣溫和降水事件變化規(guī)律及突變特征，以期為該區(qū)農業(yè)生產、生態(tài)環(huán)境建設與保護以及氣象災害預防等提供更全面的參考依據。

1 研究資料和研究方法

1.1 研究區(qū)概況

安康市(31°42′—33°50′N，108°01′—110°12′E)位于陜西省東南部，北依秦嶺，南靠巴山，漢水橫貫東西，河谷盆地居中，屬亞熱帶大陸性季風氣候。年均溫12～15℃，年降水量750～1 100 mm，全市無霜期210～280 d，生長期年平均290 d，年平均日照時數為1 610 h。因地形、氣候等多種因素的影響，該區(qū)極端氣候事件頻繁發(fā)生。

1.2 研究方法

本文從中國氣象科學數據共享服務平臺(https:∥data.cma.cn/)獲取安康站(32°25′48″N，109°1′12″E)1955—2017年的逐日最高、最低氣溫數據及降水數據。從世界氣象組織(WMO)推薦的27個極端氣候指數(http:∥etccdi.pacificclimate.org/list_27_indices)中選取11個極端溫度指數和8個極端降水指數(見表1)，利用RClimDex軟件計算極端氣候指數值，運用線性擬合、Mann-Kendall法分析安康市極端氣溫和極端降水事件變化規(guī)律及突變特征。

表1 極端指數及概念界定

Mann-Kendall法是一種非參數統(tǒng)計檢驗方法，可以明確突變開始的時間，是一種常用的突變檢測方法。計算方法如下[7,14-16]:

假定時間序列為{xi}(i=1，2，3，…n)，mi表示第i個樣本xi>xj(1≤j≤i)的累計數。定義統(tǒng)計量dk：

(1)

在時間序列獨立的假定下，定義統(tǒng)計量如下：

(2)

(3)

式中：E(dk)和var(dk)分別為累計數dk的均值和方差。UFk為標準正態(tài)分布,其判斷依據為:當UF>0,則表征該時間序列呈上升趨勢;UF<0則為下降趨勢,當其超過95%置信水平α時,說明該上升或下降趨勢顯著。當UF和UB曲線在臨界線內存在交叉點,則該交點即為該時間序列的突變發(fā)生時間。

2 安康市極端氣候事件時序變化特征

2.1 極端氣溫時間變化特征

2.1.1 極值指數變化特征 由圖1A可見，1955—2017年安康市的極端最高氣溫大致以0.016℃/10 a的速率波動下降，但變化趨勢不顯著(p>0.05)。20世紀50年代中期至60年代后期，極端最高氣溫呈小幅上升；70年代開始下降，80年代后期出現了35.7℃的極端最高氣溫，為近63年最低；20世紀90年代至21世紀初極端最高氣溫年際變化較大；2010年后極端最高氣溫持續(xù)上升，2017年極端最高氣溫達41.9℃，為近63年最高。極端最高氣溫反序列UB曲線超過了顯著性水平臨界線，且在臨界線內的1959年，1961年，1979年及2016年出現相交，但UB曲線僅在1979年后突破了顯著性水平臨界線，表明極端最高氣溫僅在1979年發(fā)生顯著突變(圖1A′)。由圖1B可見，近63年安康市的極端最低氣溫呈顯著上升趨勢(p<0.05)，增加速率為0.295℃/10 a，且增加速率高于極端最高氣溫。20世紀50年代后期至60年代初迅速上升；60年代末至70年代下降；80年代至90年代持續(xù)上升，1991年出現了近63年最低氣溫，為-9.7℃；90年代末至21世紀初，極端最低氣溫小幅下降；2005年以來，波動上升，2017年極端最低氣溫高至-2.7℃，為近63年最高。極端最低氣溫的正序列UF曲線超出了顯著性水平臨界線，且UF和UB之間僅有一個交點，對應時間為1959年，表明安康市極端最低氣溫在1959年發(fā)生突變上升；突變前年均極端最低氣溫為-8℃，突變后升至-5.9℃(圖1B′)。

圖1 1955-2017年安康市極端氣溫變化趨勢及突變特征

2.1.2 絕對指數變化特征 從圖2A可以看出，近63年安康市的夏日日數呈顯著上升趨勢(p<0.05)，速率為1.754 d/10 a；夏日日數波動幅度較大，最大值出現在2013年，為169 d，最小值出現在1964年，僅為119 d，兩者差值達到50 d。夏日日數的UF曲線和UB曲線均超出了顯著性水平0.05臨界線，UF和UB之間都有6個交點，對應時間分別為1957年、1959年、1961年、2006年、2009年、2011年，其中，UF，UB曲線在1959年相交后均突破了顯著性水平線、在1961年UF和UB曲線在顯著性水平線之外相交，其余4年UF和UB曲線的交點均顯著性水平線之間，說明夏日日數在1957年發(fā)生了突變，在1957年突變前為142 d，突變后升至162 d(圖2A′)。從圖2B可以看出，近63年安康市的熱夜日數呈顯著上升趨勢(p<0.05)，速率為1.355 d/10 a；除20世紀60年代、20世紀末及21世紀初熱夜日數呈下降趨勢外，其余年份熱夜日數都呈上升趨勢；1993年熱夜日數最少，僅有64 d，其次為1976年的66 d；2007年熱夜日數最多，出現了99 d，其次是2013年的97 d，2017年的95 d。熱夜日數的正序列UF曲線和反序列UB曲線在0.05顯著性水平臨界線區(qū)間內相交，交點對應的時間為2012年，且UF曲線在和UB曲線相交后突破了0.05顯著性水平線，表明近63年來安康市熱夜日數在2012年發(fā)生了突變(圖2B′)。從圖2C可以看出霜凍日數整體上呈大幅下降趨勢(p<0.001)，變化速率為-3.197 d/10 a。從年代際變化趨勢看，霜凍日數呈先波動平穩(wěn)變化而后下降趨勢；近63年霜凍日數最高值集中在20世紀50年代末和60年代中期，其中最多的1967年達到了62 d、其次為1956年的60 d。霜凍日數的正序列UF曲線和反序列UB曲線在0.05顯著性水平臨界線區(qū)間內相交，交點對應的時間為1989年，且UF曲線在和UB曲線相交后均突破了0.05顯著性水平線，表明近63年來安康市霜凍日數在1989年發(fā)生了突變。此外，霜凍UF曲線在突變年份后甚至超過0.01顯著性水平(U0.01=±2.56)，UF曲線在1989年突變下降，表明霜凍日數下降趨勢十分顯著(圖2C′)。

圖2 1955-2017年安康市極端氣溫絕對指數變化趨勢及突變特征

2.1.3 相對指數變化特征 安康市極端氣溫相對指數包括冷日、暖日、冷夜和暖夜日數4個基期閾值指標，本文選擇1961—1990年作為基期。計算原理以暖日日數指標為例，選取1961—1990年每年同一日期最高氣溫進行升序排列，選取第90個百分點的值作為該日期的閾值，將1955—2017年每年同一日期最高氣溫與該閾值進行比較，若大于閾值，則算作暖日；冷日計算方法類似，閾值為最高氣溫升序第10個百分點值；冷夜、暖夜以此類推。

由圖3A所示，近63年安康市冷日日數呈顯著下降趨勢(p<0.05)，速率為-0.961 d/10 a，年代際平均值在20世紀80年代最高，21世紀以來冷日日數持續(xù)下降。冷日日數的UF，UB曲線在顯著性水平0.05臨界線之間只有一個交點，對應時間分別為2012年，且冷日日數的UF曲線在2012年后突破了0.05顯著性臨界線，表明近63年安康市冷日日數在2012年發(fā)生突變(圖3A′)。由圖3B可見，暖日日數總體上呈小幅上升趨勢，但變化趨勢不顯著(p>0.05)，變化率為0.32 d/10 a。由年代際平均值變化看，暖日日數呈現先上升后下降再上升的變化特征，20世紀50年代中期至70年代初，暖日日數持續(xù)上升；70年代末至80年代暖日日數持續(xù)下降，其中1983年暖日日數年均值為4.78 d，為近63年最低值；90年代以后，暖日日數開始波動上升，至21世紀初葉達到最大值。暖日日數的UF，UB曲線在顯著性水平0.05臨界線之間有6個交點，對應時間分別為1962年、1974年、1997年、2012年、2013年、2016年，其中只有1974年UF，UB曲線相交后UB曲線突破了0.05顯著性水平線，表明近63年安康市暖日日數在1974年發(fā)生突變(圖3B′)。由圖3C可見，冷夜日數總體呈大幅下降趨勢(p<0.001)，變化速率為-1.885 d/10 a。冷夜日數年代際平均值除60年代有所上升外呈持續(xù)下降，最高值是1973年的12.76 d，最低值是2017年的1.64 d。冷夜日數的UF和UB曲線只有一個交點，但交點位于顯著性水平臨界線區(qū)間之外，說明近63年安康市冷夜日數未發(fā)生突變(圖3C′)。由圖3D可見，暖夜日數總體呈顯著上升趨勢(p<0.05)，每10 a增加1.118 d。由年代際平均值變化看，20世紀50年代中期起，暖夜日數緩慢上升，70年代變化幅度較小，80年代初有所下降，90年代起波動上升，并且增速較快，2006年達29.45 d，為近63年最高。暖夜日數的UF，UB曲線在顯著性水平0.05臨界線之間有7個交點，對應時間分別為1959年、1960年、1961年、1971年、1997年、2011年、2013年，其中1959年、1960年、1997年的交點位于顯著性水平臨界線區(qū)間之間，1971年、2011年交點位于顯著性水平臨界線區(qū)間之外，1961年和2013年UF，UB曲線相交后UF曲線突破了0.05顯著性水平線，表明近63年安康市暖夜日數在1961年、2013年發(fā)生突變(圖3D′)?？傮w上看，近63年安康市的冷日日數下降速度慢于冷夜日數，暖日日數上升速度慢于暖夜日數。

圖3 1955-2017年安康市極端氣溫相對指數變化趨勢及突變特征

2.1.4 持續(xù)指數變化特征 為探究安康市極端氣溫持續(xù)時間的變化特征，選取作物生長季和氣溫日較差兩個指標進行分析。圖4A為1955—2017年安康市作物生長期的變化趨勢，近63年作物生長期呈大幅增加趨勢(p<0.001)，變化率為4.64 d/10 a。作物生長期的正序列UF曲線和反序列UB曲線均超出了顯著性水平臨界線，且在臨界線區(qū)間內相交，交點分別為2002年、2004年、2006年，且UF曲線在2006年后均突破了0.05顯著性水平，表明近63年來安康市作物生長期在2006年發(fā)生了突變(圖4A′)。由圖4B可看出1955—2017年安康市氣溫日較差總體呈波動下降趨勢，但變化趨勢不顯著(p>0.05)，速率為-0.074℃/10 a。從年代際平均值變化情況看，20世紀50年代中后期氣溫日較差為近63年最高值，60年代末至70年代初較為平緩，70年代末逐漸下降，80年代小幅度增加后趨于平穩(wěn)。氣溫日較差的正序列UF曲線和反序列UB曲線有5個交點，對應的時間分別是1958年、2004年、2005年、2007年、2015年，但僅在1958年后UF曲線在突破了0.05顯著性水平，表明近63年安康市氣溫日較差在1958年發(fā)生了突變(圖4B′)。

圖4 1955-2017年安康市極端氣溫持續(xù)指數變化趨勢及突變特征

2.2 極端降水時間變化特征

2.2.1 絕對指數變化特征 從圖5A可見，1955—2017年安康市的1日最大降水量大致以0.885 mm/10 a的速率波動上升，但變化趨勢不顯著(p>0.05)。1日最大降水量在20世紀50年代中期至60年代初緩慢下降，1965年僅有32.2 mm，為近63年最低；20世紀60年代末至70年代迅速上升，1978年達161.9 mm，為近63年最高；80年代出現大幅度的下降；進入90年代后，最大降水量趨于平穩(wěn)。1日最大降水量的正序列UF曲線和反序列UB曲線在0.05顯著性水平臨界線區(qū)間內相交，對應的時間為1972年，且UF曲線在1972年后均突破了0.05顯著性水平線，表明近63年來安康市1日最大降水量在1972年發(fā)生了突變，1日最大降水量突變前為37.9 mm，突變后增至60.2 mm(圖5A′)。從圖5B可見，1955—2017年安康市5日最大降水量大致以1.476 mm/10 a的速率波動下降，但變化趨勢不顯著(p>0.05)。5日最大降水量在20世紀50年代末波動明顯，1960年達270.3 mm，為近63年最高；20世紀60年代末至70年代迅速上升；80年代至90年代初出現大幅度的下降，1993年5日最大降水量低至56.9 mm，為近63年最低；90年代后期開始，5日最大降水量趨于平穩(wěn)(與1日最大降水量相似)。5日最大降水量的正序列UF曲線和反序列UB曲線有7個交點，對應的時間分別是1955年、1956年、1960年、1961年、1964年、2012年、2015年，但僅在1964年后UF曲線在突破了0.05顯著性水平，表明近63年來安康市5日最大降水量在1964年發(fā)生了突變(圖5B′)。

圖5 1955-2017年安康市極端降水絕對指數變化趨勢及突變特征

2.2.2 門限指數變化特征 從圖6A可見，1955—2017年安康市中雨日數大致以0.079 d/10 a的速率波動上升，但變化趨勢不顯著(p>0.05)。中雨日數在20世紀50年代末至60年代迅速上升，1967年中雨日數為37 d，是近63年最高值；20世紀70年代中雨日數變化較為平穩(wěn)；20世紀80年代至90年代中雨日數持續(xù)下降，1999年低至14 d，為近63年最低值；中雨日數在21世紀初迅速上升至25 d左右后變化平穩(wěn)。中雨日數的正序列UF曲線和反序列UB曲線在0.05顯著性水平臨界線區(qū)間內相交，交點有6個，對應的時間分別是1986年、2008年、2013年、2014年、2016年、2017年，但UF和UB曲線均未突破0.05顯著性水平線，表明近63年來安康市中雨日數未出現突變(圖6A′)。從圖6B可見，1955—2017年安康市的大雨日數大致以0.438 d/10 a的速率顯著上升(p<0.05)。大雨日數在50年代末60年代初變化劇烈，1957年大雨日數為3 d，是近63年的最低值；20世紀60年代后期至70年代緩慢上升；20世紀80年代至90年代中雨日數持續(xù)下降(與中雨日數一致)；進入21世紀后大雨日數迅速上升，2010年大雨日數達17 d，為近63年最高；2010—2017年，大雨日數持續(xù)下降。大雨日數的正序列UF曲線和反序列UB曲線有個交點，對應的時間分別是1964年、1965年、1968年，但僅在1968年后UF曲線在突破了0.05顯著性水平，表明近63年安康市大雨日數在1968年發(fā)生了突變(圖6B′)。

圖6 1955-2017年安康市極端降水門限指數變化趨勢及突變特征

2.2.3 相對指數變化特征 由圖7A所示，1955—2017年安康市強降水量大致以11.617 mm/10 a的速率波動上升，但變化趨勢不顯著(p>0.05)。強降水量在20世紀50年代中后期至60年代前期小幅下降，其中1961年的37.6 mm是近63年的最小值；20世紀60年代末至80年代初大幅上升；80年代初出現小幅下降；從20世紀90年代起，強降水量的年際變化變大，總趨勢為上升。2010—2014年間強降水量連年下降，其中2010年強降水量達613.5 mm，為近63年最高，2014年僅96 mm，4年下降了517.5 mm；2014—2017年強降水量逐年上升。2010—2017年這一時期為強降水量年際變化最大的一個時期。強降水量的正序列UF曲線和反序列UB曲線有5個交點，對應的時間分別是1960年、1961年、1969年、2015年、2016年，但僅在1969年后UF曲線在突破了0.05顯著性水平，表明近63年安康市強降水量在1964年發(fā)生了突變，強降水量突變前為126 mm，突變后為198.1 mm(圖7B)。

圖7 1955-2017年安康市極端降水相對指數變化趨勢和突變特點

2.2.4 持續(xù)指數 由圖8A可見，1955—2017年安康市年總降水量大致以11.05 mm/10 a的速率波動上升，但變化趨勢不顯著(p>0.05)。年降水量在20世紀50年代末至70年代波動上升；20世紀80年代至90年代持續(xù)下降，1999年年降水量僅509.5 mm，為近63年最低值；21世紀初迅速上升，2010年年降水量達1221.6 mm，為近63年的最高值；進入21世紀10年代，年降水量開始持續(xù)的下降。年降水量的正序列UF曲線和反序列UB曲線在0.05顯著性水平臨界線區(qū)間內相交，交點有8個，對應的時間為1973年、1988年、2004年、2005年、2013年、2014年、2016年、2017年，但UF和UB曲線均未突破了0.05顯著性水平線，表明近63年來安康市年降水量未出現突變(圖8A′)。圖8B可見，1955—2017年安康市連續(xù)干旱日數日數大致以1.495 d/10 a的速率波動上升，但變化趨勢不顯著(p>0.05)。連續(xù)干旱日數在20世紀50年代末至60年代初平穩(wěn)變化；20世紀60年代末至70年代出現小幅下降；20世紀80年代中期出現大幅下降，1987年連續(xù)干旱日數僅22 d，為近63年最低；20世紀90年代出現大幅度的增長，2000年連續(xù)干旱日數達85 d，為近63年最高；21世紀前17年，連續(xù)干旱日數呈“N”字形變化，即先減再增再減。連續(xù)干旱日數的正序列UF曲線和反序列UB曲線在0.05顯著性水平臨界線區(qū)間內相交，交點有5個，對應的時間分別是1956年、1957年、1958年、1959年、1995年，但UF和UB曲線均未突破了0.05顯著性水平線，表明近63年安康市連續(xù)干旱日數未出現突變(圖8B′)。從圖8C可見，1955—2017年安康市連續(xù)濕潤日數大致以0.001 d/10 a的速率波動下降，但變化趨勢不顯著(p>0.05)。連續(xù)濕潤日數在20世紀50年代末至80年代的變化幅度極大，50年代末下降至4 d，60年代上升至9 d，70年代下降至4 d，80年代初迅速上升，1981年達11d，為近63年最高，80年代中后期大幅下降至4 d；20世紀90年代至21世紀初持續(xù)穩(wěn)定上升；2005年后趨于穩(wěn)定。連續(xù)濕潤日數的正序列UF曲線和反序列UB曲線在0.05顯著性水平臨界線區(qū)間內相交，對應的時間為1985年、2002年，但UF曲線在這兩次相交后均未突破了0.05顯著性水平線，表明近63年安康市連續(xù)濕潤日數未出現突變(圖8C′)。

圖8 1955-2017年安康市極端降水持續(xù)指數變化趨勢及突變特征

3 結 論

(1) 1955—2017年安康市極端暖事件呈增加趨勢。極端最低氣溫以0.295℃/10 a速率顯著上升，但極端最高氣溫以0.016℃/10 a速率不顯著下降；夏日日數、熱夜日數、暖夜日數均呈顯著增加趨勢(p<0.05)，速率分別為1.754 d/10 a，1.355 d/10 a，1.118 d/10 a，作物生長期以4.64 d/10 a的速率極顯著增加(p<0.001);暖日日數以0.32 d/10 a速率上升；霜凍日數、冷夜日數分別為以-3.197 d/10 a，-1.885 d/10 a速率極顯著下降(p<0.001)，冷日日數以-0.961 d/10 a速率顯著下降(p<0.05)，和氣溫日較差以-0.074℃/10 a速率下降。

(2) 1955—2017年安康市極端降水呈增長趨勢，1日最大降水量、中雨日數和大雨日數分別以0.885 mm/10 a，0.079 d/10 a和0.438 d/10 a的速率增長，其中大雨日數呈顯著增加；強降水量和年降水量均呈上升趨勢，速率分別為11.617 mm/10 a和11.05 mm/10 a；暖日日數以0.32 d/10 a速率上升；5日最大降水量以-1.476 mm/10 a的速率下降；連續(xù)干旱日數顯著上升，連續(xù)濕潤日數略微下降，速率分別為1.495 d/10 a和-0.001 d/10 a，說明了極端降水事件頻發(fā)。

(3) 1955—2017年安康市各極端氣溫指數和極端降水指數突變年不一，主要集中在20世紀60至70年代、90年代至21世紀初。極端高溫、極端低溫、氣溫日較差指數在20世紀60至70年代發(fā)生突變，熱夜日數、霜凍日數、夏日日數、冷日日數和作物生長期在90年代至21世紀初發(fā)生突變，暖日日數、冷夜日數和暖夜日數未發(fā)生突變；1日最大降水量、5日最大降水量、大雨日數和強降水量在20世紀60至70年代發(fā)生突變，連續(xù)干旱指數在20世紀90年代發(fā)生突變，中雨日數、年降水量和連續(xù)濕潤日數未發(fā)生突變。

(4) 總體來看，近63年安康市氣候整體向暖干化趨勢發(fā)展，尤其以20世紀90年代之后增溫最為顯著。極端氣溫的變化會使得該區(qū)旱災、高溫災害、農業(yè)病蟲害增加，同時，在年總降水量增加且極端強降水等災害事件發(fā)生頻率增加的背景下，一方面極易引發(fā)洪災及此生地質災害，另一方面導致旱災的風險進一步增大，因此相關部門應該提前部署減災防災工作，以最大程度降低災損。