努爾比亞·吐尼牙孜

(喀什地區(qū)氣象臺(tái)，新疆喀什　844000)

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喀什市極端氣溫指數(shù)長(zhǎng)期變化及突變特征分析

努爾比亞·吐尼牙孜

(喀什地區(qū)氣象臺(tái)，新疆喀什844000)

摘要：利用喀什市1961—2012年逐日最高、最低、平均氣溫資料，采用回歸分析、R/S分析、Morlet小波分析及Mann-kendall突變檢驗(yàn)等方法，分析了喀什市極端氣溫長(zhǎng)期變化趨勢(shì)、持續(xù)性、周期變化及突變特征。結(jié)果表明：喀什市年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，升溫率高于全球及全國(guó)水平且主要變暖從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，較全國(guó)同期增溫時(shí)間滯后；極端高溫、夏季日數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，極端低溫、霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)，經(jīng) R/S分析，極端氣溫指數(shù)及年平均氣溫序列具有較好的連續(xù)性，未來(lái)喀什市氣溫保持升高，極端高溫、夏季日數(shù)增加，極端低溫、霜凍日數(shù)減少；喀什市極端氣溫指數(shù)在時(shí)間域上包含了多個(gè)尺度的周期變化，各類極端氣溫指數(shù)具有不同強(qiáng)度的周期變化特征；近52 a極端高溫日數(shù)在1995年發(fā)生突變，夏季日數(shù)、極端低溫、霜凍日數(shù)的突變均發(fā)生在2001年左右。

關(guān)鍵詞：喀什市；極端氣溫指數(shù)；周期變化；突變特征

IPCC第五次評(píng)估報(bào)告指出，1880—2012年全球平均地面氣溫升高了0.85 ℃[1]，人類活動(dòng)可能是近百年來(lái)氣候變暖的主要原因，氣候變化可能影響極端天氣氣候事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度[2]。在全球變暖的背景下我國(guó)的平均氣溫變暖趨勢(shì)明顯，極端氣候事件頻發(fā)[3-5]。陳少勇等[6]研究西北地區(qū)極端高溫事件的演變特征發(fā)現(xiàn)，氣候變暖導(dǎo)致極端高溫事件增多，強(qiáng)度增強(qiáng)；翟盤茂等[7]研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)北方夜間低溫事件在減少，白天極端高溫事件在增多；秦秀麗等[8]對(duì)山西極端氣溫年均發(fā)生頻率的研究表明，山西省極端高溫事件年均發(fā)生頻率呈顯著增加趨勢(shì)；白冰等[9]研究甘肅省氣候變化特征,指出甘肅省年平均氣溫顯著增加,而降水呈明顯減少趨勢(shì)。同時(shí)也有氣象工作者研究新疆的極端氣候事件,普宗朝等[10]研究新疆極端最低氣溫指出，近50 a新疆平均極端氣溫以0.74 ℃/10 a的傾向率呈極顯著上升趨勢(shì)。潘淑坤等[11]研究新疆初霜日及無(wú)霜日的變化特征,指出新疆初霜日推遲11 d，終霜日提前7 d，無(wú)霜期延長(zhǎng)17 d。可見(jiàn)由于地域差異，各地極端天氣事件分布及變化不一致，喀什市極端氣溫變化趨勢(shì)的研究尚未見(jiàn)報(bào)道，因此利用喀什市1961—2012年逐日氣溫資料，分析喀什市近52 a極端氣溫變化及突變特征，旨在揭示喀什市極端氣溫變化規(guī)律，進(jìn)而為調(diào)整喀什市農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù)。

1資料與方法

1.1資料選取

資料采用喀什市1961—2012年逐日最高、最低、平均氣溫，由中國(guó)科學(xué)氣象數(shù)據(jù)共享平臺(tái)提供，地面氣溫資料已進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制和均一性檢驗(yàn)。多年平均值采用1961—2012年的52 a平均值。

1.2極端氣溫指數(shù)定義

描述溫度極值的氣候特征，一般采用極端氣候指數(shù)的方法。定義霜凍日數(shù)：每年日最低氣溫小于0 ℃的全部天數(shù)；夏季日數(shù)為每年日最高氣溫大于25 ℃的全部天數(shù)。文中所選用的霜凍日數(shù)及夏季日數(shù)的指標(biāo)均由世界氣象組織在1998—2011年氣候變化監(jiān)測(cè)會(huì)議中通過(guò)研究和討論提出[12]，這些極端氣溫指數(shù)能夠展現(xiàn)極端氣候不同方面的變化，具有極端性較弱、噪聲低、顯著性強(qiáng)的特點(diǎn)，能直接反應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂蜃兓卣鳌?/p>

目前，在氣候極值變化研究中多采用百分位閾值法作為極端值的閾值[13]。將1961—2012年逐月日最高(低)氣溫資料按升(降)序排列，得到各月第95個(gè)百分位值，作為各月極端高(低)氣溫閾值。如果某日最高(低)氣溫大于(小于)該月極端高(低)溫閾值，則認(rèn)為該日出現(xiàn)極端高(低)溫事件。

1.3研究方法

采用一元線性回歸，分析極端氣溫指數(shù)隨時(shí)間演變趨勢(shì)，用T檢驗(yàn)方法檢測(cè)其趨勢(shì)變化的顯著性。利用R/S分析，估算各極端氣溫Hurst指數(shù)，分析其持續(xù)性。Hurst指數(shù)H是定量描述氣候長(zhǎng)程依賴性的主要方法之一，該方法屬于非參數(shù)分析法，具有較好的穩(wěn)健性[14]。H取值范圍為(0,1),當(dāng)H=0.5時(shí)，表示序列是隨機(jī)的，不具備長(zhǎng)程依賴性，將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)與已經(jīng)發(fā)生的事件沒(méi)有關(guān)系；0.5

2結(jié)果與分析

2.1極端氣溫變化及持續(xù)性

2.1.1極端氣溫變化趨勢(shì)圖1給出了喀什市年平均氣溫變化及七點(diǎn)平滑曲線圖。由圖1可見(jiàn),喀什市年平均氣溫呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.3 ℃/10 a，相關(guān)系數(shù)R通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明喀什市近52 a平均氣溫變暖趨勢(shì)顯著，高于全球(0.13 ℃/10 a)及全國(guó)(0.22 ℃/10 a)同期的增溫率[16]，是我國(guó)變暖較明顯的區(qū)域之一。20世紀(jì)90年代之前喀什市年平均氣溫變化緩慢，升溫不明顯，90年代中期開(kāi)始出現(xiàn)了一次跳躍性增長(zhǎng)。年平均氣溫1961—1989年為11.7 ℃, 而1990—2012年為12.5 ℃，升高了0.8 ℃，說(shuō)明90年代以后喀什市升溫顯著。任國(guó)玉等[17]的研究指出，我國(guó)年平均氣溫的增加主要從80年代中期開(kāi)始，且此后一直呈明顯的上升趨勢(shì)，可見(jiàn)喀什市增溫較全國(guó)水平滯后。

圖1　1961—2012年喀什市年平均氣溫變化

從表1可看出，極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)、極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)的變化傾向率分別為-0.27、-0.34、0.28、0.25 d/10 a，除夏季日數(shù)通過(guò)α=0.05的顯著性檢驗(yàn)外，其他3個(gè)指數(shù)均通過(guò)了α=0.01的顯著性檢驗(yàn)，說(shuō)明喀什市極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，極端高溫日數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，夏季日數(shù)也呈增加趨勢(shì)。極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)、極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)與年平均氣溫相關(guān)系數(shù)均通過(guò)了α=0.01的信度檢驗(yàn)，說(shuō)明隨著年平均氣溫的升高，極端低溫日數(shù)及霜凍日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)，極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)。從相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大小來(lái)看，霜凍日數(shù)與年平均氣溫之間的線性相關(guān)更顯著，間接說(shuō)明喀什市年平均氣溫對(duì)霜凍日數(shù)影響更明顯，而對(duì)夏季日數(shù)的影響相對(duì)較弱，即在喀什市氣候變暖的背景下，霜凍日數(shù)減少更顯著。

表1　1961—2012年喀什市各極端氣溫變化傾向率及與年平均氣溫的相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示通過(guò)了α=0.05和α=0.01的顯著性檢驗(yàn)

2.1.2極端氣溫R/S分析為了進(jìn)一步分析喀什市年平均氣溫及極端氣溫的未來(lái)變化趨勢(shì)，計(jì)算了Hurst指數(shù)。由表2可見(jiàn)，喀什市年平均氣溫及各類極端氣溫的Hurst指數(shù)均大于0.5，變化趨勢(shì)同過(guò)去保持一致，具有較好的持續(xù)性，即在未來(lái)喀什市年平均氣溫呈上升趨勢(shì)，極端高溫日數(shù)及夏季日數(shù)呈增加趨勢(shì)，極端低溫日數(shù)及霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)。綜上所述，可預(yù)測(cè)在未來(lái)，喀什市平均氣溫升高，夏季日數(shù)、極端高溫日數(shù)增多，霜凍日數(shù)、極端低溫日數(shù)減少。

表2　1961—2012年喀什市各極端氣溫

2.2極端氣溫周期變化

為了進(jìn)一步驗(yàn)證喀什市氣溫在時(shí)間域上的周期特征，對(duì)各類極端指數(shù)時(shí)間序列進(jìn)行小波變換。從各類極端指數(shù)小波系數(shù)(圖2)和小波模(圖略)變化可以看出，小波系數(shù)分布形成了各種尺度正負(fù)相間的不同強(qiáng)度的振蕩中心。極端低溫日數(shù)(圖2a)存在較明顯的6、16、36 a周期振蕩，其中6 a左右的高頻振蕩在20世紀(jì)60年代至90年代末較為明顯；16 a左右振蕩在70年代初至90年代末較明顯；而36 a左右低頻振蕩則貫穿整個(gè)時(shí)間域，穩(wěn)定少變，經(jīng)歷了兩個(gè)極端低溫偏少期和一個(gè)偏多期。極端高溫日數(shù)(圖2b)存在3、8、15、28 a周期振蕩，其中3 a左右高頻振蕩,貫穿整個(gè)時(shí)間域，但70年代末至80年代初表現(xiàn)較弱；8 a左右高頻振蕩在80年代開(kāi)始表現(xiàn)明顯；15 a左右低頻振蕩在60年代至90年代較為明顯，后期受20 a以上低頻振蕩影響，強(qiáng)度削弱，表現(xiàn)不明顯；28 a左右振蕩貫穿整個(gè)時(shí)間域，經(jīng)歷了兩個(gè)極端高溫偏少期和兩個(gè)偏多期。夏季日數(shù)(圖2c)存在明顯的5、12、24 a周期振蕩，其中5 a左右高頻振蕩貫穿整個(gè)時(shí)間域，振蕩強(qiáng)度較強(qiáng)，穩(wěn)定少變；12 a左右振蕩在60年代至80年代強(qiáng)度較強(qiáng)，之后強(qiáng)度減弱，表現(xiàn)不明顯；24 a左右振蕩則穩(wěn)定貫穿整個(gè)時(shí)間域，經(jīng)歷了兩個(gè)偏少期和兩偏多期。霜凍日數(shù)(圖2d)存在較明顯的8、28 a周期振蕩，其中8 a左右高頻振蕩在60年代初至90年代初較強(qiáng)，之后表現(xiàn)不明顯；而28 a左右振蕩貫穿整個(gè)時(shí)間域且穩(wěn)定，經(jīng)歷了兩個(gè)偏少期和一個(gè)偏多期。綜上所述,喀什市各類極端氣溫指數(shù)包含了多個(gè)時(shí)間尺度的周期變化，具有不同強(qiáng)度的周期變化特征。

圖2　1961—2012年喀什市各極端氣溫指數(shù)小波變換系數(shù)(a 極端低溫日數(shù)；b 極端高溫日數(shù)；c 夏季日數(shù)；d霜凍日數(shù))

2.3極端氣溫突變特征

圖3給出了1961—2012年喀什市各極端氣溫指數(shù)的M-K檢驗(yàn)圖。由圖3可知，喀什市極端氣溫指數(shù)均存在明顯的年際變化，并伴有突變現(xiàn)象(UF、UB曲線交點(diǎn)為突變年)發(fā)生，但突變時(shí)間有差異。極端低溫日數(shù)(圖3a)，UF曲線1961—1994年圍繞0值線波動(dòng)，表現(xiàn)為弱上升趨勢(shì)，1995年發(fā)生了突變，UF曲線呈快速下降趨勢(shì)，于2003年通過(guò)α=0.05臨界值，表明極端低溫日數(shù)減少趨勢(shì)顯著。極端高溫日數(shù)(圖3b)，UF曲線整體呈上升趨勢(shì)，2000年發(fā)生突變，UF曲線快速上升，2006、2008年分別通過(guò)了α=0.05、α=0.001的臨界值，說(shuō)明極端高溫日數(shù)增加趨勢(shì)十分顯著。夏季日數(shù)(圖3c)，UF曲線呈上升趨勢(shì)，2002年發(fā)生突變，UF曲線于2009年通過(guò)α=0.05臨界值，可見(jiàn)夏季日數(shù)增加趨勢(shì)顯著。霜凍日數(shù)(圖3d)，60年代至80年代初期UF曲線在0值以下波動(dòng)，其中1978—1981年超過(guò)α=0.05的臨界值，說(shuō)明此階段霜凍日數(shù)減少趨勢(shì)顯著但未發(fā)生突變；1986—1997年UF曲線增加趨勢(shì)顯著但未發(fā)生突變；1997年之后UF曲線呈減少趨勢(shì)，2000年發(fā)生突變，UF曲線于2007、2009年分別超過(guò)α=0.05、α=0.001的臨界值，說(shuō)明2000年后霜凍日數(shù)減少趨勢(shì)顯著。

圖3　1961—2012年喀什極端氣溫指數(shù)M-K檢驗(yàn)(a 極端低溫日數(shù)；b 極端高溫日數(shù)；c 夏季日數(shù)；d霜凍日數(shù)，虛線為α=0.05臨界值)

3結(jié)論

(1)近52 a喀什市年平均氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，升溫率高于全球及全國(guó)水平，且主要變暖是從20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始，較全國(guó)同期增溫時(shí)間滯后。

(2)極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)呈顯著增加趨勢(shì)，極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)呈顯著減少趨勢(shì)；極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)與年平均氣溫呈正相關(guān)，極端低溫日數(shù)、霜凍日數(shù)與年平均氣溫呈負(fù)相關(guān)。氣候變暖對(duì)霜凍日數(shù)的影響更明顯。

(3)各極端氣溫指數(shù)及年平均氣溫序列具有較好的連續(xù)性，在未來(lái)變化趨勢(shì)同過(guò)去保持一致，即未來(lái)幾年內(nèi)，氣溫持續(xù)升高，極端高溫日數(shù)、夏季日數(shù)增加，霜凍日數(shù)、極端低溫日數(shù)減少。

(4)各類極端氣溫指數(shù)在時(shí)間域上包含了多個(gè)尺度的周期變化，具有不同強(qiáng)度的周期變化特征。極端低溫日數(shù)具有6、16、36 a的波動(dòng)周期,極端高溫日數(shù)具有3、8、15、28 a的波動(dòng)周期,夏季日數(shù)具有5、12、24 a的波動(dòng)周期,霜凍日數(shù)具有8、28 a的波動(dòng)周期。

(5)各類極端氣溫指數(shù)均存在明顯的年際變化特征，并伴有突變現(xiàn)象發(fā)生。除極端高溫日數(shù)突變發(fā)生在1995年外，其他指數(shù)的突變均發(fā)生在2001年左右。

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中圖分類號(hào)：468.021

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：新疆氣象局青年基金(Q201408)

作者簡(jiǎn)介：努爾比亞·吐尼牙孜(1988—)，女，維吾爾族，新疆喀什人，學(xué)士，助工，從事氣候變化研究。

收稿日期：2015-08-21

文章編號(hào)：1006-4354(2016)01-0020-05

努爾比亞·吐尼牙孜. 喀什市極端氣溫指數(shù)長(zhǎng)期變化及突變特征分析[J].陜西氣象，2016(1)：20-24.