李謝輝, 劉子堂,2

(1.成都信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院, 高原大氣與環(huán)境四川省重點實驗室,成都 610225; 2.石河子市人工影響天氣辦公室, 新疆 石河子 832000)

20世紀以來，在由全球變暖導(dǎo)致的極端天氣和氣候事件頻發(fā)和增強中，極端氣溫事件被認為是全球變暖的主要表現(xiàn)之一，其影響范圍之大已囊括全世界。如，Alexander等研究證實，全球變暖導(dǎo)致全球大部分地區(qū)冷夜日數(shù)顯著減少，而暖夜日數(shù)顯著增加[1-3]，且在最近幾十年，全球熱浪和寒流事件發(fā)生頻率分別增加了2.7倍和6.4倍[4-5]。Diffenbaugh等研究發(fā)現(xiàn)，在歷史變暖的過程中，可在>80%的全球可用觀測區(qū)域內(nèi)，觀測到年最熱月份和年最熱天數(shù)在程度和頻率上有明顯的增加；模式結(jié)果還表明，歷史氣候強迫則使最干旱年份和5日最大降水的發(fā)生概率增加，分別在全球可用觀測區(qū)域中增加了57%和41%[6]。Grotjahn等采用POT(Peaks over Threshold)間接擬合GEV(Generalized Extreme Value)的方法對北美地區(qū)進行研究，其結(jié)果表明日最低溫度的冷尾部分出現(xiàn)的變暖區(qū)域最寬；在美國許多地區(qū)，變暖的積極趨勢顯而易見，有些地區(qū)具有超過90%置信度的統(tǒng)計學(xué)意義[7]。學(xué)者們在對歐洲地中海[8]、亞太[9-10]、俄羅斯[11]、墨西哥[12]、非洲西部[13]、印度尼西亞等[14]區(qū)域的相關(guān)研究中也都呈現(xiàn)出不同程度的類似增加趨勢。對中國的研究也呈現(xiàn)出了相同的結(jié)果，且同時證明了冷夜指數(shù)和暖夜指數(shù)在中國絕大部分地區(qū)呈現(xiàn)出變化強度相仿、變化趨勢相反的特征，具有較好的對稱性；日夜溫度變化則表現(xiàn)出明顯的不對稱性，同時日較差呈變小的趨勢，直接影響了溫度極值的變化，并且在一定程度上加劇了水循環(huán)的過程，改變了水資源的分配[15-17]。

四川盆地位于我國西南部，是中國四大盆地之一，其不僅是我國重要的人口密集和農(nóng)業(yè)區(qū)，也是成渝地區(qū)雙城經(jīng)濟圈的重要區(qū)域。四川盆地屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，氣溫東高西低，南高北低，年內(nèi)降水量分配不均，70%～75%的降水集中于夏季，近年來，盆地內(nèi)極端氣溫事件頻發(fā)，典型事件如四川和重慶部分地區(qū)在2006—2007年發(fā)生的特旱，其中重慶因旱農(nóng)作物受災(zāi)面積為132.7萬hm2，直接經(jīng)濟損失達90.7億元，四川農(nóng)作物成災(zāi)面積為116.6萬hm2，伏旱造成直接經(jīng)濟損失達125.7億元[18]。之后，2012年10月—2013年3月上旬，四川和重慶等地的嚴重干旱，以及后續(xù)的秋冬春連旱，2015—2019年的階段性局地重特旱，特別是2017年夏季四川盆地的持久高溫大旱，其氣溫高達44℃，是當?shù)刈?951年有氣象記錄以來最嚴重的一次；而重慶地區(qū)也在2017年遭遇了60年不遇的大旱，是有氣象記錄以來最長時間的伏旱，這些都對四川盆地及西南地區(qū)造成了巨大的經(jīng)濟損失，對人民生命財產(chǎn)安全造成了嚴重威脅。

由于全球氣候變化在不同地理區(qū)域和緯度上的變化不同，在與四川盆地大致相同緯度帶的研究中，Oscar等在對墨西哥部分地區(qū)與溫度有關(guān)指數(shù)的重要變化分析表明，最高氣溫上升，最低氣溫下降[12]；高佳佳等利用拉薩市1961—2014年逐日最高和最低氣溫數(shù)據(jù)的分析表明，近54年來拉薩市極端高溫指數(shù)變化幅度不大，而極端低溫指數(shù)逐年增高，極端高溫發(fā)生頻次呈現(xiàn)增加趨勢，極端低溫則總體呈現(xiàn)減少趨勢[19]。目前，已有部分學(xué)者對西南地區(qū)和四川省的極端氣溫事件進行了一些研究[20-22]，但還缺乏針對在全球變暖背景下極端氣溫事件頻發(fā)，且更小尺度區(qū)域四川盆地的細致和較全面研究。因此，本文通過選取和計算由WMO推薦的10個極端氣溫指數(shù)，首先對四川盆地1970—2019年的10個極端氣溫指數(shù)進行時空變化特征分析，然后采用Mann-Kendall和滑動T檢驗進行突變特征分析，并對極端氣溫指數(shù)與地理因子的關(guān)系進行討論，最后利用Hurst指數(shù)對四川盆地的未來極端氣溫事件的趨勢進行預(yù)測分析。其研究結(jié)果能為中國西部川渝經(jīng)濟區(qū)在應(yīng)對氣候變暖背景下的防旱抗旱措施制定提供重要的科學(xué)參考決策和理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

四川盆地(26°03′—34°19′N，97°21′—108°33′E)地處青藏高原東部，長江上游地帶，主要包括了四川省中東部和重慶大部分地區(qū)，總面積約26萬km2。由于所處地形整體比較封閉，北部存在高大山脈秦嶺，阻擋了冷空氣的進入，冬季盆地內(nèi)的氣溫高于同緯度其他地區(qū)；盆地內(nèi)部常年多霧且濕氣較重，陰雨天氣在盆地內(nèi)較多，且日照時數(shù)和太陽輻射均為全國較低值[23]。圖1是本文所選研究區(qū)的地理位置和海拔高度圖。

圖1 四川盆地氣象站點分布和海拔高度

2 數(shù)據(jù)資料與研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文根據(jù)中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.cn/)所提供的四川盆地內(nèi)均勻分布的14個氣象站點(圖1)1970—2019年的逐日氣溫數(shù)據(jù)進行分析，由于該數(shù)據(jù)采用了內(nèi)部一致性檢查、氣候界限值檢查、臺站極值檢查3種質(zhì)量控制方法，通過對個別缺失數(shù)據(jù)進行插補處理，能保證修正后數(shù)據(jù)的科學(xué)性、準確性和連續(xù)性。統(tǒng)計可知，1970—2019年間14個氣象站的年平均氣溫為17.7℃，年平均最低氣溫為14.0℃，年平均最高氣溫為21.4℃；50 a中的最低氣溫出現(xiàn)在四川的萬源站，為-9.4℃(1975年12月15日)，最高氣溫出現(xiàn)在重慶的沙坪壩站，為43℃(2006年8月15日)，最低氣溫的標準差為7.2，最高氣溫的標準差為8.6。

2.2 極端氣溫指數(shù)

由于極端氣溫指數(shù)的變化比使用平均值更適合監(jiān)測、檢測和分析氣候變化的影響，因此本文采用由世界氣象組織WMO推薦的10個表征極端氣候變化的溫度指數(shù)來進行分析，具體見表1。

表1 所選10個極端氣溫指數(shù)定義

2.3 研究方法

利用線性傾向法對四川盆地近50年的10個極端氣溫指數(shù)時間序列進行擬合，在ArcGIS 10環(huán)境下，利用普通克里金插值法繪制四川盆地近50年的10個極端氣溫指數(shù)空間分布；為減少單一突變方法檢驗的不準確性，采用Mann-Kendall趨勢檢驗[24-25]和滑動T檢驗[24]兩種方法互相驗證對近50年的10個極端氣溫指數(shù)突變特征進行分析；為具體了解極端氣溫指數(shù)與地理因子的關(guān)系，通過計算相關(guān)系數(shù)對10個極端氣溫指數(shù)與經(jīng)緯度和海拔高度之間的相關(guān)性進行分析；由于用重標極差法(R/S分析法)[26]得到的Hurst指數(shù)可以衡量一個時間序列的統(tǒng)計相關(guān)性，并可對長期記憶過程進行分析，因此利用近年來在氣候預(yù)測方面有較多應(yīng)用的Hurst指數(shù)估計方法(R/S分析法)對四川盆地極端氣溫指數(shù)的未來變化趨勢進行預(yù)測。

3 結(jié)果與分析

3.1 時間變化趨勢

圖2為四川盆地內(nèi)10個極端氣溫指數(shù)在1970—2019年隨時間變化的線性趨勢結(jié)果，其中，除了最小日最高氣溫Txn通過了0.05的顯著性水平檢驗，其他9個指數(shù)都通過了0.01的顯著性水平檢驗，趨勢變化明顯。

圖2 1970-2019年四川盆地10個極端氣溫指數(shù)的年際變化趨勢

可以看出，除霜日日數(shù)FD、冷夜日數(shù)Tn10和冷晝?nèi)諗?shù)Tx10分別以1.008 d/10 a，2.794 d/10 a和 1.475 d/10 a的速率下降外，其他7個指數(shù)Tnn，Tnx，SU，Txn，Txx，Tn90和Tx90都分別以0.333℃/10 a，0.254℃/10 a，4.625 d/10 a，0.262℃/10 a，0.413℃/10 a，3.174 d/10 a，3.845 d/10 a呈現(xiàn)上升趨勢。其中，最小日最低溫度Tnn、最大日最低溫度Tnx、最小日最高溫度Txn、最大日最高溫度Txx的增加表明在近50年內(nèi)四川盆地的氣溫極值都以增加為主。5個極端冷指數(shù)FD，Tnn，Tnx，Tn10和Tx10均呈現(xiàn)溫度上升或日數(shù)減少的趨勢，一致具有暖化特征；5個極端暖指數(shù)SU，Txn，Txx，Tn90和Tx90與5個極端冷指數(shù)相互印證，均呈現(xiàn)暖化的趨勢；不同類型指數(shù)在變化幅度上表現(xiàn)出較強的差異，暖指數(shù)中的SU和Tx90日數(shù)變動幅度大于其他極端氣溫指數(shù)。總之，在近50年內(nèi)，四川盆地的極端氣溫指數(shù)都呈現(xiàn)暖化趨勢，是全球變暖的正響應(yīng)區(qū)。

3.2 空間分布特征

圖3為四川盆地近50年中10個極端氣溫指數(shù)的空間分布情況?？梢钥闯觯杖諗?shù)FD主要出現(xiàn)在四川盆地的北部(廣元和萬源)，50年平均日數(shù)最多可達28 d，南部較少，一些地區(qū)為0 d；最小日最低溫度Tnn和最大日最低氣溫Tnx都是盆地南部高于盆地北部和西北部，其中位于重慶市的沙坪壩地區(qū)最高，可分別為1.37℃和29.46℃；冷夜日數(shù)Tn10和冷晝?nèi)諗?shù)Tx10表現(xiàn)為盆地的西部(溫江和都江堰)最多，多于東部和其他地區(qū)，其地區(qū)的最高和最低日數(shù)分別相差為2.33 d和6.26 d；夏日日數(shù)SU、最小日最高溫度Txn和最大日最高溫度Txx這3個指數(shù)的空間分布基本一致，都表現(xiàn)為盆地東部高于盆地西部和北部，其中萬州和沙坪壩地區(qū)較高，3個指數(shù)的最高值分別為158.79 d，6.32℃和39.88℃，都江堰、溫江、萬源地區(qū)較低，3個指數(shù)的最低值可達110.01 d，1.81℃和33.55℃；暖夜日數(shù)Tn90和暖晝?nèi)諗?shù)Tx90都表現(xiàn)為盆地東部高于西部，最低值位于溫江和都江堰地區(qū)，其地區(qū)的最高和最低日數(shù)分別相差為2.21 d和6.32 d，并與Tn10和Tx10的空間分布相對應(yīng)?？傮w而言，F(xiàn)D從南向北增加，Tnn和Tnx從南向北減少，都與緯度對應(yīng)；Tn10和Tx10從東向西增加，SU，Txn，Txx，Tn90和Tx90從東向西減少，都與經(jīng)度和海拔高度對應(yīng)；整體上，5個極端冷指數(shù)表現(xiàn)為盆地的北部和西部高于南部和中東部地區(qū)，其中四川的溫江和都江堰地區(qū)普遍較低，5個極端暖指數(shù)表現(xiàn)為盆地的中東部高于西部和北部地區(qū)，其中重慶市的萬州和沙坪壩地區(qū)普遍較高。

3.3 突變特征

圖4—5分別為利用M-K突變檢驗和步長為5的滑動T檢驗對10個極端氣溫指數(shù)的檢驗結(jié)果。

由四川盆地近50年中10個極端氣溫指數(shù)的M-K和滑動T檢驗兩種方法綜合判斷的結(jié)果表明，除了冷晝?nèi)諗?shù)Tx10存在綜合突變年外，其余9個指數(shù)都未檢測到綜合突變年。由圖4可以看出Tx10在1970—2004年呈現(xiàn)出上升趨勢，其中在1985—1995年超過了顯著性水平0.05的臨界線，表現(xiàn)出顯著上升趨勢，之后呈現(xiàn)下降趨勢，UF下降，UB上升，且兩統(tǒng)計值在2012年存在交點，并在臨界線內(nèi)，表明由M-K方法檢驗出Tx10在2012年發(fā)生了突變；對應(yīng)滑動T檢驗(圖5)的結(jié)果可知，統(tǒng)計值在1970—1979年下降，且在1979年、1980年超過了0.05顯著線，之后呈現(xiàn)上升趨勢，特別是在2010年之后呈現(xiàn)顯著上升趨勢，并在2011年、2012年超過了0.05顯著線，由滑動T檢驗出存在1979年、1980年、2011年、2012年、2014年5個突變年，但綜合二者檢驗結(jié)果印證可知，Tx10只存在2012年一個真實突變年。對所有10個極端氣溫指數(shù)的綜合分析表明，在1970—2019年只有1個指數(shù)Tx10存在突變年(2012年)，其余9個指數(shù)都無明顯突變年，即在近50年里四川盆地的極端氣溫并無明顯突變，但于20世紀初期有平穩(wěn)上升的趨勢。

3.4 極端氣溫指數(shù)與地理因子關(guān)系分析

表2列出了10個極端氣溫指數(shù)與經(jīng)緯度和海拔高度之間的相關(guān)系數(shù)，所有結(jié)果都通過了0.01的顯著性水平檢驗，相關(guān)性顯著。

可以看出，Tnn，Tn10，Tx10這3個極端冷指數(shù)與經(jīng)度呈負相關(guān)，其余7個指數(shù)FD，Tnx，SU，Txn，Txx，Tn90，Tx90與經(jīng)度呈正相關(guān)，Txx與經(jīng)度的正相關(guān)系數(shù)最大，為0.696；10個指數(shù)中有3個指數(shù)FD，Tn90，Tx90與緯度呈正相關(guān)，其余7個指數(shù)Tnn，Tnx，Tn10，Tx10，SU，Txn，Txx與緯度呈負相關(guān)，Tnn與緯度的負相關(guān)系數(shù)最大，為-0.826；3個極端冷指數(shù)FD，Tn10，Tx10與海拔高度呈正相關(guān)，其余7個指數(shù)Tnn，Tnx，SU，Txn，Txx，Tn90，Tx90與海拔高度呈負相關(guān)，Txn與海拔高度的負相關(guān)系數(shù)最大，為-0.893。綜合分析結(jié)果表明，極端氣溫指數(shù)的變化主要與經(jīng)度呈正相關(guān)，自西向東隨經(jīng)度的增加而增大；主要與緯度呈負相關(guān)，隨緯度從南向北遞減；與海拔高度呈負相關(guān)，隨海拔高度的升高而降低，即經(jīng)度越大，緯度越低，海拔高度越低，極端氣溫指數(shù)值變化越大，體現(xiàn)為盆地的東南部地區(qū)極端氣溫事件變化最大，其結(jié)果與前述時空變化特征分析相對應(yīng)。

3.5 極端氣溫指數(shù)的未來變化趨勢

為探討四川盆地極端氣溫指數(shù)的未來變化趨勢，本文分別計算了10個極端氣溫指數(shù)的Hurst指數(shù)，結(jié)果見表3，主要通過過去趨勢變化和Hurst指數(shù)對未來極端氣溫指數(shù)的總體變化趨勢進行預(yù)測。

圖3 1970-2019年四川盆地極端氣溫指數(shù)的空間分布

圖5 四川盆地1970-2019年10個極端氣溫指數(shù)的滑動T檢驗

表2 極端氣溫指數(shù)與地理因子的相關(guān)性分析

可以看出，除了Txn的Hurst指數(shù)小于0.5，為0.476，其余9個極端氣溫指數(shù)的Hurst指數(shù)都大于0.5。而當Hurst<0.5，則時間序列表現(xiàn)出反持久性的或逆狀態(tài)持續(xù)性的，很有可能是記憶的轉(zhuǎn)弱和反轉(zhuǎn)的開始，即未來的變化趨勢會呈現(xiàn)出與過去相反的趨勢變化，且Hurst指數(shù)越接近于0，反持續(xù)性越強，因此Txn的結(jié)果表明在未來時期，年內(nèi)日最高氣溫的最小值將呈現(xiàn)弱的減少趨勢；而當Hurst>0.5，反映了序列中隱藏的長期趨勢，即長期記憶強，具有正效應(yīng)，繼續(xù)保持現(xiàn)有趨勢的可能性強，且越接近于1，持續(xù)性越強，因此其余9個指數(shù)的結(jié)果表明在未來時期，霜日日數(shù)、冷夜日數(shù)、冷晝?nèi)諗?shù)3個極端冷指數(shù)將繼續(xù)減少，年內(nèi)日最低氣溫的最小值、年內(nèi)日最低氣溫的最大值、夏日日數(shù)、最大日最高氣溫、暖夜日數(shù)、暖晝?nèi)諗?shù)將繼續(xù)增加?？傮w來說，未來四川盆地的冷事件減少，暖事件增加，極端氣溫事件將繼續(xù)呈現(xiàn)增加趨勢。

表3 10個極端氣溫指數(shù)的Hurst指數(shù)

4 討論與結(jié)論

4.1 討 論

本文研究結(jié)果表明近50年來四川盆地的10個極端氣溫指數(shù)都呈現(xiàn)出顯著暖化趨勢，在將此結(jié)論與已有袁文德[20]、羅玉[21]、孫晨[22]、賈艷青[27]等對西南地區(qū)和四川省極端氣溫的相關(guān)研究進行對比后發(fā)現(xiàn)，本文得到的關(guān)于極端氣溫事件在近50 a的時空整體變化趨勢與他們研究內(nèi)容中涉及到的四川盆地結(jié)論較一致，即，冷系列極端氣溫指數(shù)整體上呈現(xiàn)暖化趨勢，暖系列極端氣溫指數(shù)整體上呈現(xiàn)上升趨勢，氣候變暖趨勢明顯，然而由于研究區(qū)所選范圍的不同，所選時間研究尺度和極端氣溫指數(shù)的不同，在時空變化的范圍幅度值上有所差異，同時對四川盆地來說，極端低溫的增溫幅度是小于極端高溫的增幅，這個結(jié)論與已有對西南地區(qū)極端氣溫的研究剛好相反，這和兩者的研究區(qū)域選取和地形差異有很大關(guān)系。同時本文還結(jié)合M-K和滑動T檢驗兩種方法對突變特征和未來趨勢進行了研究，相比其他類似分析更加全面具體和細致。然而，在對引起極端氣溫事件的原因進行分析時，本文僅對極端氣溫指數(shù)和地理因子的相關(guān)性進行討論還不夠全面，由于影響極端氣溫事件的原因眾多而且復(fù)雜，未來還可進一步從自然和人為兩大因素中挑選主要因子進行更全面的分析，在對未來趨勢的預(yù)測上，也可以結(jié)合CMIP6的未來模式預(yù)估數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計和動力降尺度方法，對未來不同情景下的極端溫度事件進行預(yù)估，這些都將是后續(xù)可進一步深入開展的工作。

4.2 結(jié) 論

(1) 近50年內(nèi)，四川盆地的極端氣溫指數(shù)都呈現(xiàn)暖化趨勢，是全球變暖的正響應(yīng)區(qū)。5個極端暖指數(shù)SU，Txn，Txx，Tn90，Tx90與5個極端冷指數(shù)FD，Tnn，Tnx，Tn10，Tx10相互印證，均呈現(xiàn)暖化的趨勢；不同類型指數(shù)在變化幅度上表現(xiàn)出較強的差異，暖指數(shù)中的SU和Tx90日數(shù)變動幅度大于其他極端氣溫指數(shù)。

(2) 5個極端冷指數(shù)表現(xiàn)為盆地的北部和西部高于南部和中東部地區(qū)，其中四川的溫江和都江堰地區(qū)普遍較低，5個極端暖指數(shù)表現(xiàn)為盆地的中東部高于西部和北部地區(qū)，其中重慶市的萬州和沙坪壩地區(qū)普遍較高。

(3) 在1970—2019年只有1個極端氣溫指數(shù)Tx10存在突變年(2012年)，其余9個極端氣溫指數(shù)都無明顯突變年，即在近50年里四川盆地的極端氣溫并無明顯突變，但于20世紀初期有平穩(wěn)上升的趨勢。

(4) 四川盆地內(nèi)極端氣溫指數(shù)的變化主要與經(jīng)度呈正相關(guān)，自西向東隨經(jīng)度的增加而增大；主要與緯度呈負相關(guān)，隨緯度從南向北遞減；與海拔高度呈負相關(guān)，隨海拔高度的升高而降低，即經(jīng)度越大，緯度越低，海拔高度越低，極端氣溫指數(shù)值變化越大，體現(xiàn)為盆地的東南部地區(qū)極端氣溫事件變化最大。

(5) Hurst指數(shù)分析表明，在未來時期，Txn將呈現(xiàn)弱的減少趨勢；FD，Tn10，Tx10這3個極端冷指數(shù)將繼續(xù)減少，Tnn，Tnx，SU，Txx，Tn90和Tx90將繼續(xù)增加?？傮w來說，未來四川盆地的冷事件減少，暖事件增加，極端氣溫事件將繼續(xù)呈現(xiàn)增加趨勢。