周學(xué)鋒，趙景波，

（1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062；2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061）

doi：10.7515/JEE201502003

湖南省常德市近50年極端氣溫變化特征及周期

周學(xué)鋒1，趙景波1，2

（1.陜西師范大學(xué) 旅游與環(huán)境學(xué)院，西安 710062；2.中國(guó)科學(xué)院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710061）

利用1963—2012年湖南省常德市逐日氣溫觀測(cè)資料，運(yùn)用線性擬合、主成分分析、Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)和Morlet復(fù)數(shù)小波等方法對(duì)WMO發(fā)布的10種極端氣溫指數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和分析。結(jié)果表明常德地區(qū)近50年來(lái)，極端最高氣溫、極端最低氣溫都呈上升趨勢(shì)，冰日、霜日、冷夜、冷日數(shù)量呈下降趨勢(shì)，夏日、熱夜、暖夜、暖日數(shù)量呈上升趨勢(shì)。除冰日天數(shù)未出現(xiàn)突變外，各極端氣溫指標(biāo)的突變基本發(fā)生在1980年代到1990年代末。極端最高氣溫、極端最低氣溫、夏日、熱夜、霜日、暖夜、冷日、冷夜、暖日都存在27 a左右的周期，冰日存在29 a左右的周期?？傮w來(lái)說(shuō)，近50年來(lái)，常德地區(qū)極端天氣熱指數(shù)呈上升趨勢(shì)，極端天氣冷指數(shù)呈下降趨勢(shì)，發(fā)生極端天氣現(xiàn)象的可能性增加。由此可能造成夏季高溫干旱和暖冬等災(zāi)害，需要及時(shí)采取預(yù)防措施，防止高溫干旱和暖冬等情況對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活帶來(lái)負(fù)面影響。

常德市；極端氣溫；變化趨勢(shì)；氣溫突變；周期規(guī)律

目前，全球氣候正經(jīng)歷一次以變暖為主要特征的顯著變化，IPCC第五次評(píng)估報(bào)告（AR5）指出近130年（1880—2012年）全球平均地表溫度升高了0.85℃（IPCC，2013）。相關(guān)研究表明，近100多年來(lái)中國(guó)平均地表溫度升高了約0.5～0.8℃（氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告編寫委員會(huì)，2007），而最近的50年，中國(guó)年平均地表溫度則以0.22℃·10a-1的增溫速度升高了1.1℃（丁一匯等，2006）。

伴隨著全球氣候變暖趨勢(shì)的加劇，特大干旱、強(qiáng)降雨等一些極端天氣事件發(fā)生的頻率也是越來(lái)越高（劉吉峰等，2007；徐雨晴等，2009），破壞的程度越來(lái)越強(qiáng)，造成的影響也越來(lái)越廣泛（王瓊等，2013）。尤其是在近10年來(lái)，表現(xiàn)的尤為突出，這些極端天氣事件對(duì)農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸以及工業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)極大影響（施雅風(fēng)等，2002），而且這些影響會(huì)逐漸波及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的其他部門（王新華等，2011）。在此背景下，對(duì)極端天氣的研究顯得越來(lái)越重要。全面認(rèn)識(shí)和了解極端天氣的變化特點(diǎn)，找出極端天氣發(fā)生的一些規(guī)律，對(duì)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)的極端天氣和氣候變化，提高減災(zāi)防災(zāi)的能力有著非常重大的意義。本文研究的常德市地處湖南省北部，洞庭湖西瀕，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，冬冷夏熱，經(jīng)常因?yàn)槌霈F(xiàn)極端天氣而形成自然災(zāi)害，如2013年夏季的干旱和2008年初的冰凍災(zāi)害等。國(guó)內(nèi)以往的研究都關(guān)注大尺度空間區(qū)域或長(zhǎng)株潭等相對(duì)發(fā)達(dá)地區(qū)，對(duì)于湖南北部地區(qū)的研究比較缺乏，有必要對(duì)這一地區(qū)的極端天氣做進(jìn)一步研究。通過(guò)極端天氣指數(shù)對(duì)常德市極端天氣的變化特征和突變性進(jìn)行研究，認(rèn)識(shí)它們的變化特點(diǎn)和規(guī)律，為常德地區(qū)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活應(yīng)對(duì)極端災(zāi)害性天氣提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究地區(qū)自然概況

常德市地處長(zhǎng)江中游，湖南省的西北部，28°～31°N，110°～113°E。東臨洞庭，西接黔渝，南通長(zhǎng)沙，北連荊襄。常德市西北部屬武陵山系，多為中低山區(qū)，中部多見(jiàn)紅巖丘陵區(qū)，東部為沅、澧水下游及洞庭湖平原區(qū)，西南部為雪峰山余脈組成的中山區(qū)。由此構(gòu)成南、北高，中間低，兩山夾一凹的基本地貌輪廓。

常德市屬于中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候向北亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候過(guò)渡的地帶。氣候溫暖，四季分

明，春秋短，夏冬長(zhǎng)。熱量豐富，雨量豐沛，春溫多變，夏季酷熱，秋雨寒秋，冬季嚴(yán)寒。年平均氣溫16.7℃，年降水量1200～1900 mm，由于受地形影響，該地氣候呈現(xiàn)非地帶規(guī)律。西部山區(qū)的東部比西部略低，石門東山峰農(nóng)場(chǎng)年平均氣溫9.2℃，而石門等澧水河谷地帶年平均氣溫16.8℃。

2 資料與方法

2.1 資料來(lái)源

本文所選用的氣象資料均來(lái)源于“中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”（http：//cdc.cma.gov.cn）中地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集常德站。區(qū)域氣候變化情況的分析和檢測(cè)需要時(shí)間長(zhǎng)度盡可能長(zhǎng)和完整的氣候要素作為對(duì)象進(jìn)行研究。但我國(guó)很多氣候數(shù)據(jù)的觀測(cè)記錄是從20世紀(jì)50年代才開(kāi)始的，所以近50年來(lái)的區(qū)域氣象要素研究也是很有意義的。本文采用1963—2012年這50年的氣溫日最高值、日最低值作為數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.2 研究方法

2.2.1 極端氣溫指數(shù)定義與計(jì)算

本研究中的極端氣溫指數(shù)的定義和計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)是基于世界氣象組織（WMO） 氣候委員會(huì)（CCI）的定義和標(biāo)準(zhǔn)（Aguilar et al，2005），極端氣溫指數(shù)是從世界氣象組織（WMO）發(fā)布的極端天氣指數(shù)中選取的10種（表1）。文中將極端氣溫指數(shù)分為3種類型（周雅清和任國(guó)玉，2010），第一類稱為極值指數(shù)，即每年每日最高（最低）氣溫的最大（最?。┲担苯佑蓺庀笳局鹑沼^測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)而來(lái)；第二類稱為絕對(duì)指數(shù)，是在氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上根據(jù)國(guó)際氣象機(jī)構(gòu)定義的固定閾值進(jìn)行處理得到的指數(shù)，包括夏季日數(shù)、冰凍日數(shù)、熱夜日數(shù)、霜凍日數(shù)。第3類稱為相對(duì)指數(shù)，是基于相對(duì)（浮動(dòng)）閾值的指數(shù)，包括冷夜、暖夜、冷日和暖日數(shù)。以冷（暖）夜為例，將1963—2012年每年的同一日最低氣溫進(jìn)行升序排列，以第10（90）個(gè)百分位值作為該日期極端氣溫的閾值，然后將每年的同一日期最低氣溫與該閾值比較，若小于（大于）該閾值，則算當(dāng)年此日期為冷夜（暖夜），冷日、暖日以此類推。

文中極端氣溫指數(shù)是由在1998年到2001年的氣候變化監(jiān)測(cè)會(huì)議中通過(guò)研究和討論（Petersonet al，2001）所提出，這些極端天氣指數(shù)是從逐日最高、最低氣溫計(jì)算得到的，能夠展現(xiàn)極端天氣不同方面的變化。由各指數(shù)的定義表明，上述極端指數(shù)綜合考慮了氣象災(zāi)害的強(qiáng)度與持續(xù)時(shí)間，已成為歐盟計(jì)劃推薦用于描述與氣象災(zāi)害有關(guān)的核心指標(biāo)。

表1 本文所選極端氣溫指數(shù)Table 1 Indices for extreme air temperature used in this study

2.2.2 分析方法

為得到極端天氣指數(shù)的變化特征，本文采用了線性趨勢(shì)擬合進(jìn)行研究，分析其在不同年和年代的變化特征。通常采用一次直線方程擬合其趨勢(shì)，即關(guān)系式（1），關(guān)系式（2）表達(dá)其趨勢(shì)變化率。

把x×10作為氣候變化傾向變化率，單位為℃·10a-1（氣溫變化率）、d·10a-1（極端天氣日變化率）。a ＞0時(shí)，表示某氣候要素序列隨時(shí)間遞增。a＜0時(shí)，表示某氣候要素序列隨時(shí)間遞減。絕對(duì)值越大，趨勢(shì)越明顯。方程（1）和（2）中的a，b用最小二乘法求得。顯著性水平取α=0.05和α=0.01，如果檢驗(yàn)的顯著性水平小于0.05，則認(rèn)為達(dá)到了α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)；如果檢驗(yàn)的顯著性水平小于0.01，則認(rèn)為達(dá)到了α=0.01的顯著性水平檢驗(yàn)。Mann-Kendall（魏鳳英，2007）突變檢驗(yàn)法分析該區(qū)各要素在時(shí)間上的突變，使用SPSS軟件進(jìn)行主成分分析以及相關(guān)性分析（符淙斌和王強(qiáng)，1992）。

由于小波分析在時(shí)域和頻域上同時(shí)具有良好的局部性質(zhì)，可以分析出時(shí)間序列周期變化的局部特征，能更清楚地看出各周期隨時(shí)間的變化情況（林振山，1993，1999），故本文采用Morlet復(fù)小波（施能，2002）研究該地區(qū)年氣溫的特征尺度和周期性。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端氣溫指數(shù)趨勢(shì)與突變分析

根據(jù)計(jì)算獲得的常德市1963—2012年的各項(xiàng)極端氣溫指數(shù)變化趨勢(shì)（圖1～圖3）及表2分析可知，近50年來(lái)，該地區(qū)的年最高氣溫、最低氣溫、夏日、熱夜、暖夜、暖日都呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，冰日、霜日、冷夜、冷日呈波動(dòng)下降趨勢(shì)。其中，暖夜和暖日日數(shù)上升趨勢(shì)很顯著，其年際傾向率分別達(dá)到11.05 d·10a-1和6.02 d·10a-1，而冷夜的下降趨勢(shì)很顯著，年際傾向率為-7.59 d·10a-1。此外，夏日數(shù)和熱夜數(shù)上升趨勢(shì)也較明顯，年際傾向率達(dá)到5.02 d·10a-1和5.06 d·10a-1，霜日數(shù)也有較明顯的下降，年際傾向率為-3.93 d·10a-1。這表明，常德市近50年來(lái)呈現(xiàn)夏季高溫日數(shù)增加，冬季結(jié)冰結(jié)霜日數(shù)減少，夜間變暖、白天變熱，暖期增加、冷期減少的趨勢(shì)，發(fā)生極端天氣現(xiàn)象的概率增大。

圖1顯示了常德市1963—2012年極端最高和最低氣溫變化趨勢(shì)。常德市日最高氣溫極端高值變化總體上呈增加的趨勢(shì)，速率為0.23℃·10a-1，通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)水平。從年代際變化來(lái)看，1960's年代前期到1970's年代初最高氣溫偏高，1973年到1980's年初最高氣溫較之前有明顯下降，1980's年代初之后最高氣溫明顯回升，進(jìn)入21世紀(jì)后，最高氣溫繼續(xù)小幅上升。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為1998年，表明常德市日最高氣溫在1998年左右發(fā)生了突變（圖4）。

圖1 1963—2012年常德市極端最高氣溫、極端最低氣溫變化趨勢(shì)Fig.1 Change in annual extreme maximum / minimum temperature of Changde during 1963—2012

圖2 1963—2012年常德市極端氣溫絕對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.2 Change in extreme temperature absolute index of Changde during 1963—2012

圖3 1963—2012年常德市極端氣候相對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)Fig.3 Change in extreme temperature relative index of Changde during 1963—2012

表2 極端氣溫指標(biāo)變率分析（10a-1）Table 2 Analysis of extreme temperature

圖4 1963—2012年常德市各極端氣溫指數(shù)的突變分析Fig，4 Abrupt change analysis of extreme temperature index of Changde during 1963—2012

同樣的，從時(shí)間尺度來(lái)看，日最低氣溫的極端低值變化總體上也是呈增加的趨勢(shì)，速率為0.8 ℃·10a-1，達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。其在1980's年代以前一直處于大幅波動(dòng)中，進(jìn)入1980's年代后波動(dòng)幅度逐漸變小，進(jìn)入21世紀(jì)后更趨穩(wěn)定。從年代際變化來(lái)看，極端最低氣溫從1960's年代以來(lái)一直處于穩(wěn)定上升的狀態(tài)，進(jìn)入21世紀(jì)后基本無(wú)變化。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為1985年，表明常德市日最低氣溫在1985年左右發(fā)生了突變，且在1997年之后超過(guò)信度線，上升趨勢(shì)顯著。

由此可見(jiàn)，常德市1963—2012年各極端氣溫都呈增加趨勢(shì)，M-K檢驗(yàn)表明，突變時(shí)間發(fā)生在1980's年代到1990's年代。

圖2為1963—2012年常德市極端氣溫絕對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)。其中，夏日日數(shù)和熱夜日數(shù)隨時(shí)間變化呈上升趨勢(shì)，而冰凍日數(shù)和霜凍日數(shù)隨時(shí)間變化呈下降趨勢(shì)。夏日天數(shù)的增加速率達(dá)到5.02 d·10a-1，達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。從年代際變化來(lái)看，近50年夏日天數(shù)呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)后上升幅度更加明顯，在1967年出現(xiàn)了50年來(lái)夏日數(shù)的最小值。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為1996年，表明常德市夏日天數(shù)在1996年后發(fā)生由少到多的突變，且在2004年之后超過(guò)信度線，上升趨勢(shì)顯著。

冰凍日數(shù)下降幅度很小，主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)處于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，全年的冰凍日數(shù)十分有限。冰凍日數(shù)下降速率為-0.25 d·10a-1，未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)水平。由年代際來(lái)看，冰日年代際平均值變化呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)，并在1990's年代降低至最小值0，2008年出現(xiàn)50年來(lái)的最高值，這與2008年年初中國(guó)南方地區(qū)出現(xiàn)的冰凍災(zāi)害相一致。由M-K檢驗(yàn)可知，UF曲線一直大于0，表明常德市冰凍天數(shù)一直呈下降趨勢(shì)。

熱夜天數(shù)呈現(xiàn)穩(wěn)步的增長(zhǎng)趨勢(shì)，增加速率達(dá)到5.06 d·10a-1，達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。從年代際變化來(lái)看，近50年來(lái)熱夜日數(shù)呈現(xiàn)階梯式上升變化，反映出熱夜這一指數(shù)近50年來(lái)穩(wěn)定、較大幅度的增長(zhǎng)趨勢(shì)。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為1991年，表明常德市夏日天數(shù)在1991年后發(fā)生由少到多的突變，且在1996年之后超過(guò)信度線，上升趨勢(shì)顯著。

霜凍日數(shù)隨時(shí)間變化下降趨勢(shì)也較明顯（圖2），但波動(dòng)明顯，下降速率為-3.93 d·10a-1，達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。從年代際變化來(lái)看，霜日呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，其年代際平均值在1990's年代降至最低值，2003年后略有回升。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為1984年，表明常德市霜凍天數(shù)在1984年后發(fā)生由多到少的突變，且在1991年之后超過(guò)信度線，下降趨勢(shì)顯著。

由以上分析可知，常德市1963—2012年的結(jié)冰、結(jié)霜日在減少，而夏日天數(shù)和熱夜天數(shù)在增加，這也表明常德市近50年來(lái)氣溫升高的趨勢(shì)。這與王瓊等（2013）對(duì)長(zhǎng)江流域極端氣溫事件和Lietal（2012）對(duì)西南地區(qū)的研究得出的結(jié)論類似。從M-K檢驗(yàn)來(lái)看，突變時(shí)間發(fā)生在1980's年代到1990's年代。

圖3為1963—2012年常德市極端氣溫相對(duì)指數(shù)變化趨勢(shì)。冷夜天數(shù)在近50年來(lái)明顯下降，2007年出現(xiàn)了50年來(lái)最低的數(shù)值，冷夜僅有6天，相當(dāng)于1969年84天的1/14，冷夜年際傾向率為-7.59 d·10a-1，達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。線性擬合程度較高，表明了冷夜天數(shù)的劇烈變化。由年代際均值變化來(lái)看，總體持續(xù)性下降，1990's和2000's的年代際平均值較為相近。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為1989年，表明常德市冷夜天數(shù)在1989年后發(fā)生由多到少的突變，且在1995年之后超過(guò)信度線，下降趨勢(shì)顯著。

暖夜天數(shù)與冷夜相反，近50年呈現(xiàn)大幅上升趨勢(shì)，變率為11.05 d·10a-1，達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。1960's到1980's年代增加緩慢，但進(jìn)入1990's年代后快速上升且波動(dòng)較大，其年代際平均值持續(xù)上升，且上升幅度逐漸增大，1990's年代后出現(xiàn)明顯上升。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為1992年，表明常德市暖夜天數(shù)在1992年后發(fā)生由少到多的突變，且在1995年之后超過(guò)信度線，上升趨勢(shì)顯著。

與冷、暖夜相比，冷日天數(shù)呈現(xiàn)小幅下降趨勢(shì)，且波動(dòng)幅度很大，變率為-1.43 d·10a-1，未通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)水平。從年代際變化來(lái)看，1980's年代后冷日的年代際平均值呈現(xiàn)較穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，大約在34 d左右。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為1987年，表明常德市冷日天數(shù)在1987年后發(fā)生由多到少的突變。

暖日呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢(shì)，其年際傾向率為6.02 d·10a-1，波動(dòng)較大，達(dá)到了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)水平。由年代際均值變化來(lái)看，1960's年代至1970's年代呈下降趨勢(shì)，1980's年代開(kāi)始回升，進(jìn)入21世紀(jì)后上升幅度更加明顯。由M-K檢驗(yàn)可知，UF與UB曲線交于信度線之間，交點(diǎn)為2000年，表明常德市暖日天數(shù)在2000年后發(fā)生由少到多的突變，且在2005年后超過(guò)信度線，上升趨勢(shì)顯著。

由以上分析可知，常德市1963—2012年冷夜日數(shù)和暖夜日數(shù)變化明顯，表明常德市近50年來(lái)夜間氣溫顯著升高，暖日天數(shù)和冷日天數(shù)隨時(shí)間變化的趨勢(shì)也說(shuō)明常德市近50年來(lái)白天氣溫持續(xù)升高。1990's年代初期之后冷夜天數(shù)減少較快，而暖夜、暖日天數(shù)顯著增加，且暖夜日數(shù)的增加率高于冷夜日數(shù)的減少率，暖日天數(shù)的增加率大于冷日天數(shù)的遞減率，也從側(cè)面表明常德市1963—2012年氣候變暖的趨勢(shì)。從M-K檢驗(yàn)來(lái)看，突變時(shí)間基本發(fā)生在1980's年代末到1990's年代末。

3.2 極端氣溫周期分析

如圖5、圖6、圖7為本文所選10個(gè)極端氣溫指數(shù)的Morlet復(fù)小波變換圖。Morlet 小波變換系數(shù)的實(shí)部可以用來(lái)判別氣候資料序列中所包含的不同時(shí)間尺度氣溫的結(jié)構(gòu)。本文用Morlet 小波研究常德市近50年氣溫的特征尺度和周期性。圖中實(shí)線代表偏多，虛線代表偏少。

圖5表示極端最高氣溫和極端最低氣溫的復(fù)小波分析，從圖中可以看出極端最高氣溫存在17a、27a左右的準(zhǔn)周期，27a左右的振蕩周期為其主要控制周期，極端最高氣溫呈現(xiàn)高—低—高的變化過(guò)程。極端最低氣溫存在2.5a、6a、11a、28a左右的準(zhǔn)周期，6a周期產(chǎn)生于1960's年代，消失于20世紀(jì)末；11a周期產(chǎn)生于1970's年代，消失于1990's年代；28a左右的周期貫穿始終，為其主控周期。

圖6分別為夏日、冰日、熱夜、霜日的小波變換圖。從圖5中可以看出，夏日具有17a、27a左右的準(zhǔn)周期，17a周期于1970's年代出現(xiàn)，消失于20世紀(jì)末。熱夜存在18a、27a左右的準(zhǔn)周期，18a周期開(kāi)始于1970's年代，消失于21世紀(jì)初，變化趨勢(shì)與夏日相同。霜日存在17a、27a左右的準(zhǔn)周期，17a周期開(kāi)始于1970's年代，消失于21世紀(jì)初。以上三個(gè)指數(shù)的27a準(zhǔn)周期都貫穿研究時(shí)域，均為主控周期。近50年來(lái)，常德市這三個(gè)極端氣溫指數(shù)經(jīng)歷了多—少—多的變化過(guò)程。冰日周期變換比較復(fù)雜，存在2.5a、6a、14a、18a、21a、29a左右的準(zhǔn)周期，29a為主控周期。

圖7分別為冷夜、暖夜、冷日、暖日的小波變換圖。從圖6中可以看出，冷夜具有4a、14a、28a左右的準(zhǔn)周期，變化較復(fù)雜，4a周期不明顯，由1960's年代持續(xù)至20世紀(jì)末消失，14a周期出現(xiàn)于1960's年代后期，消失于1990's年代，28a周期貫穿始終，為主要控制周期。冷日存在3a、7a、14a、27a左右的準(zhǔn)周期，變化復(fù)雜，3a、7a周期不明顯，14a周期出現(xiàn)于1960's年代，消失于1990's年代，27a周期貫穿整個(gè)研究時(shí)域，為主要控制周期。暖夜存在3a、10a、27a左右周期，3a周期不明顯，10a周期起始于1960's年代，結(jié)束于1990's年代初，27a周期貫穿始終，為主控周期。暖日存在6a、18a、28a左右的周期，其中28a周期為主控周期。暖夜和暖日均呈現(xiàn)暖—冷—暖趨勢(shì)。

圖5 常德市極端溫度的變化周期Fig.5 The period of extreme temperature of Changde

圖6 常德市極端氣溫絕對(duì)指數(shù)的變化周期Fig.6 The period of extreme temperature absolute index of Changde

4 討論

4.1 極端氣溫指數(shù)的主成分分析

利用SPSS19.0軟件對(duì)常德市極端氣溫指數(shù)的各因子進(jìn)行主成分分析，可以得出主成分和因子間的相關(guān)系數(shù)的載荷矩陣（表3）。主成分分析的結(jié)果表明，前4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到82.4%，完全符合分析的要求。因此，提取這4個(gè)主成分，得出主成分與因子之間的相關(guān)系數(shù)的載荷矩陣。

由表3可知，第一主成分占方差貢獻(xiàn)率的45.5%，其中，夏日日數(shù)、熱夜日數(shù)、暖夜日數(shù)、暖日日數(shù)的荷載值都比較高，以夏日日數(shù)最為突出。在表4中這四個(gè)極端氣溫指數(shù)的相關(guān)關(guān)系均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。第二主成分占方差貢獻(xiàn)率的17.6%，其中冰凍日數(shù)、霜凍日數(shù)、極端最低氣溫的荷載值比較高，從表4中可以看出這3個(gè)極端氣溫指數(shù)的相關(guān)關(guān)系均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。第三主成分占方差貢獻(xiàn)率的12.2%，暖夜日數(shù)、暖日日數(shù)、極端最高氣溫的荷載值比較高，其中極端高溫最為突出，在表4中這3個(gè)指數(shù)的相關(guān)關(guān)系均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。第四主成分占方差貢獻(xiàn)率的7.1%，霜凍日數(shù)、冷夜日數(shù)荷載值較高，從表4中可知，這兩個(gè)指數(shù)的相關(guān)關(guān)系通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)。

總之，除了冰凍日數(shù)和極端高溫之外，各極端氣溫指數(shù)之間都有很好的相關(guān)性，尤其是上面所述的各指數(shù)之間均通過(guò)0.01的顯著性檢驗(yàn)。在相對(duì)指數(shù)和絕對(duì)指數(shù)中，各暖指數(shù)之間、各冷指數(shù)之間均為正相關(guān)關(guān)系，而暖指數(shù)與冷指數(shù)之間則呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系（表4）。前文在分析各指數(shù)的時(shí)間趨勢(shì)變化時(shí)，得出各暖指數(shù)均呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，各冷指數(shù)均呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)的結(jié)論，表明其變化具有一致性，Lietal（2012）在對(duì)我國(guó)西南地區(qū)的研究中，也得出類似的結(jié)論。而極值指數(shù)則表現(xiàn)出不同程度的升高趨勢(shì)，從表4中也可以看出，它們之間表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。

4.2極端溫度變化的原因

圖7 常德市極端氣溫相對(duì)指數(shù)的變化周期Fig.7 The period of extreme temperature relative index of Changde

表3 1963—2012年常德市極端氣溫指數(shù)的因子分析Table 3 Results of factor loadings perceptual explained variance in temperature extremes in Changde from 1963 to 2012

表4 1963—2012年常德市極端氣溫指數(shù)相關(guān)關(guān)系矩陣Table 4 The correlation matrix of temperature extremes in Changde from 1963 to 2012

由以上分析可以看出，常德市近50年極端最高氣溫、極端最低氣溫呈逐漸增大趨勢(shì)，極端氣溫冷指標(biāo)下降，極端氣溫暖指標(biāo)上升，該地區(qū)整體氣溫呈現(xiàn)上升的狀態(tài)。從時(shí)間特征來(lái)看，常德市氣溫存在著2.5～3a、6～7a、11～14a、27～28a的周期變化，其中，3a周期振蕩與對(duì)流層大氣環(huán)流的準(zhǔn)2a周期振蕩（TBO）（賈建穎等，2009）存在一致性關(guān)系。6a周期可能與ENSO事件的5～7a準(zhǔn)周期相聯(lián)系，說(shuō)明ENSO事件一定程度上影響該地區(qū)的氣溫變化。11～14a周期與太陽(yáng)活動(dòng)的準(zhǔn)11a周期有關(guān)，說(shuō)明常德市氣溫受太陽(yáng)活動(dòng)的影響（段長(zhǎng)春和孫績(jī)?nèi)A，2006）。研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)近54年來(lái)氣溫升高趨勢(shì)達(dá)到0.25℃·10a-1，尤其是在1980年代以后上升更為明顯（任國(guó)玉等，2005a，2005b），常德市氣溫與中國(guó)氣溫變化一致。

5 結(jié)論

（1）常德市1963—2012年白天氣溫呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，夜間氣溫呈現(xiàn)顯著變暖趨勢(shì)，秋冬季的結(jié)冰、結(jié)霜日數(shù)呈減少趨勢(shì)，熱夜和夏日天數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。各極值指數(shù)也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，暖指數(shù)增加，冷指數(shù)減小。

（2）除冰日天數(shù)未出現(xiàn)突變外，各極端氣溫指標(biāo)的突變基本發(fā)生在1980年代到1990年代末。其中，各相對(duì)指數(shù)的突變時(shí)間基本發(fā)生在1980年代末到1990年代末，絕對(duì)指數(shù)的突變時(shí)間基本發(fā)生在1980年代到1990年代，各極值指數(shù)的突變時(shí)間發(fā)生在1980年代和1990年代。

（3）冷夜日數(shù)和暖夜日數(shù)年際傾向率分別為-7.59d·10a-1和11.05d·10a-1，夜指數(shù)的變化是常德市在1963—2012年氣溫呈上升趨勢(shì)的主要原因。各冷指數(shù)間、各暖指數(shù)間均為正相關(guān)關(guān)系，而冷指數(shù)與暖指數(shù)之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（4）27a左右可能是本文所選10個(gè)指數(shù)比較穩(wěn)定的周期，共同反映常德地區(qū)極端天氣的周期變化規(guī)律。

（5）可以推測(cè)常德地區(qū)極端天氣現(xiàn)象的變化與人類活動(dòng)和全球氣候變暖相關(guān)。近50年常德地區(qū)極端天氣變化的研究結(jié)果可以為本地區(qū)應(yīng)對(duì)氣候變化和防止氣象災(zāi)害提供理論依據(jù)和參考。

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Variation characteristics of extreme temperature and cycle of Changde in the past f ve decades

ZHOU Xue-feng1，ZHAO Jing-bo1，2
（1.Collage of Tourism and Environment，Shaanxi Normal University，Xi'an 710062，China; 2.State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Institute of Earth Environment，Chinese Academy of Sciences，Xi'an 710061，China）

Based on daily temperature data in Changde of Hunan Province from 1963 to 2012，the indices of ten kinds of extreme temperature published by WMO were calculated and analyzed using linear regression，principal component analysis，Mann-Kendall mutation test and the plural Morlet wavelet.We found that in the past 50 years，the extreme maximum temperature and extreme minimum temperature increased.The occurrence of ice days，frost days，cold nights and cold days decreased，while the occurrence of summer days，tropical nights，warm nights and warm days increased.In addition to the ice days，the mutation of other extreme temperature indices occurred in the 1980's to 1990's.The extreme maximum temperature and extreme minimum temperature，numbers of summer days，tropical nights，frost days，warm nights，cold days，cold nights，warm days all had cycles of 27 years; and the number of ice days had a cycle of 29 years.Overall，in the past 50 years，extreme warm indices increased，and extreme cold indices decreased in Changde.The possibility of occurrence of extreme weather phenomena increased，which might cause drought and high temperature in summer and warm winter.Preventive measures should be taken to protect the industrial and agricultural production and people's life from negative effects.

Changde of Hunan Province; extreme temperatures; variation trend; temperature abrupt change; periods

P467

A

1674-9901（2015）02-0087-11

2014-11-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（40672108）；黃土與第四紀(jì)地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目（SKLLQG0606）

趙景波，E-mail：zhaojb@snnu.edu.cn