張志高，苗運玲，邱雙娟，耿益新，姬曼琪

(1. 安陽師范學院 資源環(huán)境與旅游學院, 河南 安陽455000; 2. 新疆烏魯木齊市氣象局, 新疆 烏魯木齊830006)

20世紀以來，全球氣候顯著變暖，政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次全球氣候變化研究報告（AR5）指出，1880—2012年全球表面平均溫度升高了0.85?C，1951—2012 年全球平均地表溫度以0.12?C/10a的速率上升，在北半球，1983—2012年可能是1 400年來最暖的30年[1].與全球氣候變暖基本一致，我國1960—2009年年均地表平均氣溫上升1.38?C[2]，增溫速率接近0.22?C/10a，比全球或半球同期平均增溫速率明顯偏高[3].在全球氣候變暖的背景下，高溫、干旱和洪澇等災害日益頻繁，極端氣候事件呈增多增強趨勢，嚴重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、社會經(jīng)濟以及人類安全健康[4?6].Karl等[7]認為極端低溫事件發(fā)生率有減少的趨勢；Alexander等[8]認為近50年里，全球70%的地區(qū)暖夜、暖晝?nèi)諗?shù)呈增加趨勢，而冷晝、冷夜日數(shù)逐漸減少.對我國極端氣溫事件的相關研究表明，暖夜、暖晝?nèi)諗?shù)顯著增多，霜凍、結冰、冷夜和冷晝?nèi)諗?shù)顯著減少[9].與全國極端氣溫變化一致，新疆地區(qū)極端低溫、高溫呈上升趨勢[10?11]，并于1986年左右發(fā)生突變[12].由于新疆地域遼闊，地形復雜，不同地區(qū)極端氣候變化又具有明顯的地域性特點[13,14].

哈密市位于新疆東部，地處亞歐大陸中部，跨越天山南北，特殊的自然地理條件使哈密兼有南疆和北疆氣候特點.哈密屬典型的溫帶大陸性干旱氣候，炎熱干燥、干旱少雨，是我國最酷熱干燥的地區(qū)之一.已有對哈密氣溫變化特征的研究多側重于平均氣溫場變化及其突變方面[15?17]，涉及極端氣溫變化方面的研究[18]僅是采用了極端高溫和極端低溫兩個指標，因此，本文利用哈密市1951—2016年逐日最高溫、最低溫和平均氣溫等基礎數(shù)據(jù)，采用世界氣象組織（WMO）發(fā)布的16個極端氣溫指數(shù)進行統(tǒng)計分析，探討哈密極端氣溫氣候特征及其變化規(guī)律，以期為該市合理利用氣候資源和防災減災提供科學依據(jù).

1 資料來源及研究方法

1.1 資料來源

本文逐日平均氣溫、日最高氣溫和日最低氣溫等數(shù)據(jù)來自哈密國家基準氣象站（42?29′N，93?19′E，海拔高度737.2m），數(shù)據(jù)資料時段為1951—2016年，氣象數(shù)據(jù)下載于中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務網(wǎng)（http://cdc.Cma.Gov.cn），經(jīng)整理后66a氣溫資料具有較好的連續(xù)性.

1.2 研究方法

采用世界氣象組織“氣候變化檢測和指標”推薦使用的16個極端氣溫指數(shù)研究哈密極端氣溫事件變化特征，如表1所示.具體可分為四類：相對指數(shù)、絕對指數(shù)、極值指數(shù)和持續(xù)指數(shù).運用RHtest方法[19]對氣溫數(shù)據(jù)序列進行均一性檢驗和質量控制.極值指數(shù)直接由氣象觀測獲得，絕對指數(shù)基于絕對閾值獲得，相對指數(shù)和持續(xù)性指數(shù)基于相對閾值用百分位閾值法進行計算.基于逐日最高和最低氣溫，運用RClimdex軟件計算極端氣候指數(shù).采用一元線性回歸法分析極端氣溫指數(shù)變化趨勢，并對時間序列和各氣溫指數(shù)之間的相關系數(shù)進行顯著性檢驗.運用Mann-Kendall檢驗法[20]對1951—2016年哈密極端氣溫進行突變性檢驗，使用SPSS軟件對各極端氣溫指數(shù)進行主成分和相關關系分析.

2 結果分析

2.1 極端氣溫變化特征

哈密市年均溫、年均最高溫與年均最低溫隨時間變化趨勢如圖1所示.1951—2016年哈密市年平均溫度為10.08?C，其中最大值出現(xiàn)在2016年，為11.63?C，最低為1954年8.26?C，從時間尺度上看，哈密年均溫呈明顯上升趨勢，速率為0.15?C/10a.1951—2016年哈密年均最高溫呈波動上升趨勢，線性變化率為0.28?C/10a，最大值為2007年的19.96?C，最低為1954年的15.64?C.1951—2016年哈密年均最低溫亦呈上升趨勢，升溫速率小于年均最高溫，為0.16?C/10a，最高為2016年的4.75?C，最低為1954年的1.18?C.

2.2 哈密極端氣溫相對指數(shù)變化特征

極端氣溫相對指數(shù)包括冷晝、冷夜、暖晝和暖夜日數(shù)，主要反映極端氣溫晝夜冷暖的變化特征.1951—2016年哈密極端氣溫相對指數(shù)隨時間變化趨勢如圖2所示.從圖2可以看出，66a來哈密冷晝?nèi)諗?shù)平均值為9.93d，最大值為1954年的32.33d，最小值出現(xiàn)在2007年，為3.29d.哈密冷夜日數(shù)平均值為10.32d，其中最大值為1954年的29.32d，最小值為2016年的2.47d.從趨勢上看，1951—2016年哈密冷晝和冷夜日數(shù)均呈下降趨勢，下降速率分別為1.36d/10a和1.12d/10a，冷晝下降速度快于冷夜.1951—2016年哈密暖晝?nèi)諗?shù)平均值為13.22d，其中最大值為2016年的26.85d，最小值出現(xiàn)在1984年，為3.52d，哈密暖晝指數(shù)呈明顯上升趨勢，速率為1.46d/10a.66a來哈密暖夜日數(shù)平均值為12.57d，最大值為2015年的23.84d，最小為1967年的4.65d，隨時間亦呈上升趨勢，速率為0.50d/10a，低于暖晝上升速率.

表1 極端氣溫指標的定義Tab 1 The Definition of Extreme Temperature Indices

圖1 1951—2016年哈密氣溫變化Fig 1 The Change of Temperature in Hami from 1951 to 2016

2.3 哈密極端氣溫絕對指數(shù)變化特征

極端氣溫相對指數(shù)包括夏季、霜凍、熱夜和冰凍日數(shù)，主要反映極端氣溫季節(jié)冷暖的變化特征.哈密極端氣溫相對指數(shù)如圖3所示，近66a哈密夏季日數(shù)平均值為150.12d，最大值出現(xiàn)在2009年為172d，最小值為1992年和1970年的134d，夏季日數(shù)表現(xiàn)出明顯的上升趨勢，速率為2.08d/10a.熱夜日數(shù)平均值為25.29d，最大值為1951年的60d，最小值為1995年的6d，整體上熱夜日數(shù)呈下降趨勢，速率為-1.78d/10a，從年代際變化來看，1996年前熱夜日數(shù)呈下降趨勢，1996年后熱夜日數(shù)呈波動上升趨勢.1951—2016年哈密霜凍日數(shù)平均值為150.58d，最大值為1960年的168d，最小值為2006年的129d，霜凍日數(shù)隨時間變化呈明顯下降趨勢，速率為-1.70 d/10a.哈密冰凍日數(shù)平均值為53.52d，最大值為1954年的93d，最小值為1994年的35d，66a來冰凍日數(shù)呈明顯下降趨勢，速率為-2.06 d/10a，下降速度快于霜凍日數(shù).

圖2 1951—2016年哈密極端氣溫相對指數(shù)變化Fig 2 Change of Annual Extreme Temperature Relative Index of Hami During 1951—2016

圖3 1951—2016年哈密極端氣溫絕對指數(shù)變化Fig 3 Absolute Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

2.4 哈密極端氣溫極值指數(shù)變化特征

極端氣溫極值指數(shù)包括日最高氣溫極低值、日最低氣溫最低值、日最高氣溫極高值和日最低氣溫極高值4個年內(nèi)日最高（低）氣溫的極大（小）值的指數(shù)，主要反映極端氣溫在極點的變化特征，哈密極端氣溫極值指數(shù)變化趨勢如圖4所示.1951—2016年哈密最高氣溫的極高值和最低溫極高值呈下降趨勢，下降速率分別為0.07?C/10a和0.24?C/10a，最高氣溫的極低值和最低氣溫的極低值均表現(xiàn)出明顯上升趨勢，上升速率分別為0.88?C/10a和0.70?C/10a，為哈密氣候暖化的主要因素.

圖4 1951—2016年哈密極端氣溫極值指數(shù)變化Fig 4 Extremal Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

圖5 1951—2016年哈密極端氣溫持續(xù)性指數(shù)變化Fig 5 Durative Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

2.5 哈密極端氣溫持續(xù)性指數(shù)變化特征

極端氣溫持續(xù)性指數(shù)包括暖持續(xù)日數(shù)、冷持續(xù)日數(shù)、生物生長季和年均氣溫日較差，主要反映極端氣溫在持續(xù)時間的變化特征，哈密極端氣溫持續(xù)性指數(shù)變化趨勢如圖5所示.1951—2016年哈密暖持續(xù)日數(shù)平均值為10.85d，最大值為2016年的49d，最小值為0，哈密暖持續(xù)日數(shù)呈上升趨勢，速率為3.20d/10a.哈密冷持續(xù)日數(shù)平均值為7.85d，最大值為1954年的68d，最小值為0，隨時間變化呈下降趨勢，速率為-2.66 d/10a.66a來哈密生物生長季日數(shù)均值為236.14d，最大值為2006年的266d，最小值為1987年的204d，隨時間變化呈增長趨勢，速率為1.74 d/10a.66a來哈密年均氣溫日較差呈上升趨勢，速率為0.11?C/10a.

2.6 哈密極端氣溫指數(shù)對比分析

1951—2016年哈密極端氣溫指數(shù)變化特征與新疆、全國及全球對比情況如表2所示.總體來看，1951年以來哈密極端氣溫變化與全球其他地區(qū)的變化趨勢基本相同，但也有差異.哈密極端氣溫相對指數(shù)（TX10%、TN10%、TX90%、TN90%）變化幅度遠小于其他地區(qū)水平.哈密熱夜日數(shù)總體呈減小趨勢，而新疆熱夜日數(shù)上升速率為1.71d/10 a.分析原因發(fā)現(xiàn)，哈密熱夜日數(shù)在1996年前呈減小趨勢，1996年后呈上升趨勢，1951—1959年哈密熱夜日數(shù)在36～60d之間，處于66a年的最高值區(qū)域，導致66a來熱夜日數(shù)的線性傾向率為負值.哈密最高溫最高值呈減小趨勢，而新疆地區(qū)呈上升趨勢.哈密暖持續(xù)日數(shù)上升速率為3.20d/10a，遠高于新疆0.88d/10a的上升速率.這些差異可能跟所選站點、研究區(qū)域以及氣象資料時間序列不同有關.綜合來看，哈密冷指數(shù)（TN10%、TXn、TNn）增幅幅度明顯大于部分暖指數(shù)（TN90%、TXx、TNx），原因可能是由于冬季比夏季較大的變暖幅度造成，由于中國北方冬季空氣中的水汽含量小于夏季，同時冬季燃煤取暖導致溫室氣體大量排放，因此，冬季容易引起更大幅度的升溫[22].

表2 1951—2016年哈密極端氣溫事件變化趨勢對比表Tab 2 The Comparison of the Linear Trends of Extreme Temperature Indices between Hami and other Regions

2.7 哈密極端氣溫突變特征

氣候從一種常態(tài)突然變?yōu)榱硪环N狀態(tài)叫氣候突變，表現(xiàn)為氣候變化的不連續(xù)性，是相對氣候漸變的一種變化方式.1951—2016年哈密極端氣溫絕對指數(shù)的Mann—Kendall突變檢驗分析如圖6所示.最低溫極低值總體呈波動上升的趨勢，UF與UB曲線相交于1958和2011年，其中2011年的突變點超過了a=0.05的信度線，因此哈密最低溫極低值的增溫突變發(fā)生于1958年，其值在1962年絕大部分年份超過a=0.05的信度線，表明1962年后最低溫極低值增溫趨勢顯著.最高溫極高值的UF與UB曲線相交于1954年，表明哈密最高溫極高值在1954年發(fā)生突變，1954年后其值呈減小趨勢，仔細觀察最高溫極高值變化趨勢（圖4）發(fā)現(xiàn)，最高溫極高值于1993年以來呈上升趨勢，但并未形成突變點（圖6）.最低溫極高值的UF與UB曲線相交于1957年，表明哈密最低溫極高值在1957年發(fā)生突變，1957年后其值呈減小趨勢，與最高溫極高值的變化相似，哈密最低溫極高值于1995年由減小趨勢轉為上升趨勢（圖4），但并未形成突變點.1951—2016年哈密最高溫極低值總體呈上升趨勢，其UF與UB曲線相交于1961年，表明最高溫極低值于1961年發(fā)生突變，1982年后最高溫極低值均超過a=0.05的信度線，表明1982年后增溫趨勢顯著.

圖6 哈密極端氣溫極值指數(shù)Mann—Kendall檢驗曲線Fig 6 Mann-Kendall Test Curve of Extreme Temperature Extremal Indices in Hami

2.8 極端氣溫指數(shù)的主成分分析

采用降維的思想，主成分分析能把多個指標濃縮為幾個代表性指標，從而降低研究的復雜性.利用Eviews8.0軟件對1951—2016年哈密的極端氣溫指數(shù)進行主成分分析，得到主成分和各個因子旋轉之后的相關系數(shù)載荷矩陣（表3）.根據(jù)特征值及累計貢獻率選取第一、第二、第三和第四主成分作為影響哈密整體溫度的成分.第一主成分占方差總貢獻率最高為34.49%，高載荷指數(shù)有冷持續(xù)日數(shù)0.815、最高溫極低值-0.775、最低溫極低值均為-0.775、冷晝?nèi)諗?shù)0.754、冷夜日數(shù)0.721，此5個指數(shù)的變化對哈密的整體溫度存在主要影響.第二主成分方差貢獻率為23.26%，其中，熱夜日數(shù)載荷最高為0.841；其次是暖夜日數(shù)載荷為0.704；最低溫極高值的載荷值也達到了0.631.第三主成分占方差貢獻率的10.46%，高載荷指標是暖晝?nèi)諗?shù)和暖持續(xù)日數(shù)，載荷值分別為0.845、0.816，它們的高載荷和正傾向率決定了哈密總體溫度上揚.第四主成分占方差貢獻率較小為6.89%，其主導因子是霜凍日數(shù)，載荷值為0.475.對各極端氣溫指數(shù)的相關關系分析表明，各指數(shù)間相關性較好，各冷指數(shù)之間和各暖指數(shù)之間呈較為顯著的正相關關系，各冷指數(shù)和暖指數(shù)之間呈明顯的負相關關系，與前文分析的哈密極端氣溫暖指數(shù)呈上升趨勢，冷指數(shù)呈下降趨勢一致.

3 結論

（1）1951—2016年哈密市氣溫暖化趨勢明顯，年均溫、年均最高溫和年均最低溫均呈上升趨勢，增溫速率分別為年均溫（0.15?C/10a）＜年均最低溫（0.16?C/10a）<年均最高溫（0.28?C/10a）.

（2）1951—2016年哈密暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)、夏季日數(shù)、暖持續(xù)日數(shù)和生物生長季均呈上升趨勢，分別以1.46、0.50、2.08、3.20和1.74d/10a的速率增加，熱夜日數(shù)于1996年后呈上升趨勢，年均氣溫日較差以0.11?C/10a的速率上升.

（3）冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)、霜凍日數(shù)、冰凍日數(shù)、冷持續(xù)日數(shù)均呈下降趨勢，分別以-1.36、-1.12、-1.70、-2.06、-2.66d/10a的速率減小.

（4）最高溫極低值和最低溫極低值分別以0.88、0.70?C/10a的速率上升，最高溫極高值和最低溫極高值分別以-0.07、-0.24?C/10a的速率下降，Mann—Kendall檢驗表明，哈密極端氣溫極值指數(shù)于20世紀50年代和60年代初期發(fā)生突變.

表3 1951—2016年哈密極端氣溫指數(shù)的因子分析Tab 3 The Factor Analysis of Extreme Temperature Indices in Hami During 1951—2016

（5）主成分分析表明哈密極端氣溫指數(shù)可分為4類，相關分析表明各暖指數(shù)之間、各冷指數(shù)之間呈正相關關系，暖指數(shù)和冷指數(shù)之間顯著負相關.