朱展鵬，李忠木

（大理大學(xué)天文研究所，云南大理 671003）

近年來，氣候變化正在給全球不同區(qū)域帶來多種復(fù)合性變化，例如加劇水循環(huán)、海平面上升和凍土融化等〔1〕。穩(wěn)定的氣候條件是人類賴以生存的基礎(chǔ)，氣候變化已經(jīng)成為社會各界高度重視的問題。IPCC 第六次評估報告顯示，2010—2019 年這10 年期間全球平均表面溫度升高了0.9～1.2 ℃〔2〕，伴隨著溫室氣體排放，未來幾十年全球?qū)⑸郎?.5～2.0℃〔3〕。隨著全球變暖，極端氣候事件發(fā)生的強(qiáng)度和頻次不斷增加〔4〕，這些事件是在特定場合或在一定時間內(nèi)某一氣候變量超過閾值時出現(xiàn)的小概率事件，通常其發(fā)生概率小于10%或更低〔5-6〕。相較于平均氣候，極端氣候事件有更強(qiáng)的破壞性、突發(fā)性和影響范圍。全球變暖導(dǎo)致的極端事件（河流洪水、熱帶氣旋、作物歉收、野火、干旱和熱浪）影響到的全球土地面積和全球人口增加了一倍多〔7〕。自1980 年以來，與天氣有關(guān)的自然災(zāi)害總共造成了約4.2 萬億元的損失，并造成近100 萬人死亡。因此，研究極端氣候事件的變化趨勢對保障生態(tài)環(huán)境和人類生命財產(chǎn)安全等有著重要意義。

很多極端氣候事件的研究都集中在對極端氣溫指數(shù)和極端降水指數(shù)的連續(xù)持續(xù)日數(shù)、變化趨勢和強(qiáng)度的分析上。在全球尺度上，超過70%的地區(qū)冷夜日數(shù)明顯下降，暖夜日數(shù)上升〔8〕；在區(qū)域尺度上，亞太地區(qū)、沙特阿拉伯、中美洲和南美洲北部、中東地區(qū)和加拿大等地區(qū)在極端氣溫指數(shù)變化上有顯著的一致性，但在極端降水指數(shù)上沒有系統(tǒng)的區(qū)域趨勢〔9-13〕。國內(nèi)也有許多學(xué)者對中國極端氣候進(jìn)行了研究。在全球變暖的影響下，中國近幾十年極端氣溫指數(shù)變化與其他國家一致，極端暖指數(shù)上升，極端冷指數(shù)下降。在極端降水指數(shù)上，雖然總體降水頻率和強(qiáng)度均呈現(xiàn)出增加的趨勢〔14-15〕，但有明顯的空間異質(zhì)性。東北地區(qū)降水增加，干旱日數(shù)減少，濕日數(shù)增加，氣候逐漸變濕〔16〕；華南地區(qū)降雨沒有明顯趨勢，但降雨日數(shù)減少，降雨強(qiáng)度增加〔17〕。

研究表明，高原和山地是氣候變化的敏感和脆弱區(qū)域〔18〕。云南省位于中國西南部，高原和山地占總面積的90%以上，在南北方向和垂直方向上均有氣候帶差異〔19〕，氣候條件復(fù)雜多樣。隨著全球變暖，干旱、洪澇等氣象災(zāi)害頻繁發(fā)生，給云南省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了巨大損失。截至2010 年，全省農(nóng)作物和果林因干旱受災(zāi)2.788×106hm2，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)143 億元〔20〕。

目前關(guān)于云南省極端氣候指數(shù)的時空變化特征研究還很少。雖然有學(xué)者對此進(jìn)行了研究〔19-21〕，但是所選擇的站點數(shù)量不多。云南省海拔高，地形復(fù)雜多樣，較稀疏的站點分布并不能準(zhǔn)確反映整個研究區(qū)的氣候變化特征。本研究旨在分析云南省極端氣候指數(shù)的時空變化特征，以進(jìn)一步完善該領(lǐng)域的研究。利用RClimDex 1.0 軟件，計算云南省116個氣象站點1959—2015 年17 個極端氣候指數(shù)，分析其時空變化特征。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及處理云南省116 個氣象站點每日降水量、最高氣溫和最低氣溫數(shù)據(jù)由國家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供。由于部分站點數(shù)據(jù)缺失，為確保氣象站點擁有更廣的覆蓋面積，從而提高極端指數(shù)空間分布特征的準(zhǔn)確性，本研究只選取了大部分站點共有的1959—2015 年氣象數(shù)據(jù)。采用RClimDex 1.0 軟件進(jìn)行質(zhì)量控制，將錯誤數(shù)據(jù)如降水量小于0、日最低氣溫高于日最高氣溫，以及將超過4 倍標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)據(jù)修改為軟件要求的-99.9。

1.2 研究方法

1.2.1 極端氣候指數(shù)定義 從氣候變化監(jiān)測和指標(biāo)專家組（expert team on climate change detection and indices，ETCCDI）推薦的27 項極端氣候指數(shù)中，選取與研究區(qū)發(fā)生的氣候變化和自然災(zāi)害緊密相關(guān)的9 個極端氣溫指數(shù)和8 個極端降水指數(shù)。使用RClimDex 1.0 軟件計算極端氣候指數(shù)，各指數(shù)的定義見表1。

表1 極端氣候指數(shù)定義

1.2.2 時空變化特征分析方法 使用Mann-Kendall 統(tǒng)計檢驗評估極端氣候指數(shù)變化趨勢在0.05 的顯著性水平下的統(tǒng)計學(xué)顯著性〔22〕、使用Sen 斜率檢測趨勢幅度。這2 種方法都已廣泛應(yīng)用于極端氣候指數(shù)的變化趨勢研究〔23-24〕。因此，本研究使用這2 種方法研究極端氣候指數(shù)的時空變化特征。

2 極端氣溫指數(shù)的變化特征

2.1 時間變化特征表2 為極端氣溫指數(shù)的Mann-Kendall 檢驗結(jié)果。極端暖指數(shù)中，SU、TN90p、TX90p 和WSDI 分 別 以4.56、2.93、2.08 和3.76 d/（10 a）的速率顯著上升；TN90p 上升速率大于TX90p，表明云南省夜間增溫速率高于白天；TXx 和TNn 上升趨勢顯著，速率分別為0.13、0.15 ℃/（10 a）。極端冷指數(shù)中，F(xiàn)D 和TN10p 變化趨勢均通過0.01顯著性水平（|Z|＞2.56），下降速率為-1.97、-1.46 d/（10 a）。DTR 顯著減小，速率為-0.07 ℃/（10 a）。

表2 極端氣溫指數(shù)的Mann-Kendall 檢驗統(tǒng)計結(jié)果

2.2 空間變化特征表3 列出了極端氣溫指數(shù)中上升和下降最為顯著的前五個站點名稱。若通過0.05 顯著性水平（|Z|＞1.96），則表明變化顯著?？傮w上看，空間異質(zhì)性明顯。極端暖指數(shù)中，SU 變化幅度為-0.98～29.84 d/（10 a），75%的站點呈顯著上升趨勢，高值中心在紅河州中部（元陽）、大理州西北部（云龍）、普洱市西部（西盟）、昆明市南部（晉寧）和中部（昆明）；TX90p 空間變化呈現(xiàn)出自東向西逐漸上升的趨勢，變化幅度為-0.32～9.68 d/（10 a），高值中心在紅河州中部（元陽）、大理州西北部（云龍）、普洱市西部（西盟）、迪慶州北部（德欽）、昆明市中部（昆明）；TN90p 變化幅度為-1.08～11.26 d/（10 a），94%的站點顯著上升，高值中心位于普洱市南部（普洱）和西部（西盟）、紅河州中部（元陽）、昆明市中部（昆明）、迪慶州北部（德欽）；TXx 沒有明顯的空間變化性，變化幅度為-0.23～2.21 ℃/（10 a），顯著上升站點位于紅河州中部（元陽）、普洱市西部（西盟）和北部（鎮(zhèn)沅）、大理州西北部（云龍）、迪慶州北部（德欽）；WSDI 變化速率在0.00～25.95 d/（10 a）之間，無下降站點，84%的站點顯著上升，高值中心在紅河州中部（元陽）、普洱市西部（西盟）、大理州西北部（云龍）、迪慶州北部（德欽）、昆明市中部（昆明）。極端冷指數(shù)中的FD 自南向北逐漸下降，變化速率在-15.00～0.00 d/（10 a）之間，下降速率顯著的站點主要分布在滇西北（云龍和賓川）和滇中（安寧）地區(qū)；TNn 表現(xiàn)出與FD 相同的空間分布特征，變化速率在-0.13～1.09 ℃/（10 a）之間，上升速率顯著的站點主要分布在紅河州中部（元陽）、普洱市中部（景谷）、西部（西盟）和南部（普洱）、德宏州西北部（盈江）；TN10p 自西向東逐漸上升，變化速率在-2.86～0.43 d/（10 a）之間，無上升站點，91%的站點顯著下降，低值中心在普洱市南部（普洱）和西南部（瀾滄）、西雙版納州西部（勐海）、迪慶州東部（香格里拉）、保山市西部（騰沖）；DTR 空間變化性不明顯，變化幅度為-0.48～0.51 ℃/（10 a），低值中心在楚雄州中部（楚雄）、迪慶州東部（香格里拉）、紅河州東部（個舊和蒙自）、昆明市中部（昆明）。

表3 極端氣溫指數(shù)變化顯著站點

3 極端降水指數(shù)的變化特征

3.1 時間變化特征表4 為極端降水指數(shù)的Mann-Kendall 檢驗結(jié)果。R20mm 和R25mm 下降速率較小，分別為-0.10、-0.04 d/（10 a）；R95pTOT和R99pTOT 呈上升趨勢，速率分別為0.66、0.80 mm/（10 a）；CDD 呈上升趨勢，而CWD 呈下降趨勢，速率分別為0.98、-0.21 d/（10 a）；Rx5day 下降速率較小，為-0.03 mm/（10 a）；PRCPTOT 下降速率最大，為-8.89 mm/（10 a）。

表4 極端降水指數(shù)的Mann-Kendall 檢驗統(tǒng)計結(jié)果

3.2 空間變化特征表5 列出了極端降水指數(shù)中上升和下降最為顯著的前五個站點名稱。若通過0.05 顯著性水平（|Z|＞1.96），則表明變化顯著?？傮w上看，降水指數(shù)沒有明顯的空間變化趨勢。CDD 變化幅度為-2.81～4.82 d/（10 a），高值中心在西雙版納州中部（景洪）、臨滄市東部（臨滄）、紅河州東北部（瀘西）和中部（元陽）、保山市東北部（保山）。CWD 變化幅度為-1.74～0.00 d/（10 a），低值位于普洱市西部（西盟）、紅河州中部（元陽）和東部（個舊）、臨滄市東部（臨滄）、德宏州中部（芒市）。除無趨勢站點外，其余站點均呈下降趨勢，這表明云南省總體CWD 在下降，干旱趨勢明顯。R20mm 和R25mm 變化幅度分別為-3.50～0.45 d/（10 a）和-3.00～0.45 d/（10 a），大部分站點變化為無趨勢，但有相同的低值中心，位于普洱市西部（西盟）、紅河州中部（元陽）、德宏州西南部（隴川）；R95pTOT 變化幅度為-76.71～13.17 mm/（10 a），3%的站點顯著下降，低值位于普洱市西部（西盟）、紅河州中部（元陽）、曲靖市中部（沾益）、德宏州西南部（隴川）；R99pTOT 變化幅度為-19.79～11.29 mm/（10 a），5%的站點顯著下降，低值分布在普洱市西部（西盟）、德宏州西南部（隴川）、紅河州中部（元陽）、昭通市東北部（鎮(zhèn)雄）；PRCPTOT 變化幅度最大，為-177.18～18.47 mm/（10 a），6%的站點顯著下降，低值分布在普洱市西部（西盟）、紅河州中部（元陽）和東北部（瀘西）、臨滄市西北部（永德）、德宏州西南部（隴川）；Rx5day 變化幅度為-15.98～3.69 mm/（10 a），低值中心位于普洱市西部（西盟）和南部（普洱）、紅河州中部（元陽）和西部（紅河）、保山市西南部（龍陵）。

表5 極端降水指數(shù)變化顯著站點

4 結(jié)果分析

研究表明，云南省1959—2015 年極端暖指數(shù)（SU、TN90p、TX90p 和WSDI）呈上升趨勢，極端冷指數(shù)（FD 和TN10p）呈下降趨勢，氣溫極值（TNn 和TXx）顯著上升，這與之前的研究〔19〕一致。極端氣溫的變化主要受季節(jié)平均氣溫變化的控制〔25〕，而云南省年平均氣溫上升趨勢明顯，線性上升率達(dá)0.21 ℃/（10 a）〔26〕，平均氣溫上升在一定程度上影響了極端氣溫的變化。

SU 和TX90p 上升可能是因為白天云量減少，弱化了大氣對太陽輻射的吸收能力，以致白天更加溫暖。夜晚云量增加，增強(qiáng)了大氣反輻射能力，夜晚地面更加溫暖〔27〕，使得TN90p 增加，TN10p 減少。夜晚溫度上升是DTR 減小的主要原因。

滇西北（云龍和賓川）及滇中（安寧）地區(qū)FD 下降速率顯著高于其他地區(qū)，與夏范燕等〔28〕近50 年內(nèi)滇西北極端氣候變化研究的部分結(jié)論一致。這表明滇西北和滇中地區(qū)冬季增溫速率顯著。這可能是由于冬季滇西北和滇中地區(qū)高山經(jīng)常積雪，但是隨著溫室氣體排放增加，平均地表溫度不斷升高〔29〕，減少了積雪深度和積雪反射率。積雪反射率減弱使得地表短波輻射增強(qiáng)，使地表溫度進(jìn)一步提升〔25〕。在這種反饋下，冬季滇西北和滇中地區(qū)溫度上升，F(xiàn)D 下降。

滇南（西盟和元陽）地區(qū)極端暖指數(shù)（SU、TN90p和TNn）上升速率顯著。究其原因，可能是因為冬春季青藏高原積雪減少，高原熱力增強(qiáng)，青藏高壓強(qiáng)度上升〔30〕。并且烏拉爾山脈高壓脊發(fā)展較弱，增強(qiáng)了中緯度地區(qū)的緯向環(huán)流，阻礙了冷空氣南下〔31-32〕。人類活動包括森林砍伐、水土流失、水資源浪費和城鎮(zhèn)化等對滇南地區(qū)氣溫上升的影響也不可忽略〔33-34〕。滇東北地區(qū)極端氣溫變化沒有明顯的一致性。

極端降水指數(shù)空間分析結(jié)果表明，紅河州中部元陽和普洱市西南部西盟降水量指數(shù)（R20mm、R25mm 和R95pTOT）下降趨勢顯著。研究〔35〕表明，西南地區(qū)是云南省內(nèi)森林大量減少的主要區(qū)域，天然橡膠大面積種植使得熱帶雨林面積急劇減少。缺少熱帶雨林產(chǎn)出水汽凝結(jié)核留住水汽，可能是西南部降水減少的重要原因。此外橡膠林加速了土壤酸化導(dǎo)致水源涵養(yǎng)能力下降〔36〕，使云南西南地區(qū)更容易發(fā)生旱災(zāi)。

5 結(jié)論

本研究基于RClimDex 1.0 計算了17 個極端氣候指數(shù)，使用Mann-Kendall 檢驗和Sen 斜率估計，分析了云南省1959—2015 年極端氣候指數(shù)的時空變化特征。研究結(jié)論如下：

整體上，云南省境內(nèi)極端暖指數(shù)（SU、TN90p、TX90p、TNn、TXx 和WSDI）顯著上升，極端冷指數(shù)（FD 和TN10p）顯著下降。夜間升溫速率高于白天，DTR 減小。9 個極端氣溫指數(shù)中有8 個指數(shù)均通過0.01 顯著性水平檢驗。這表明云南省1959—2015年變暖趨勢顯著。在空間分布上，滇西北及滇中地區(qū)FD 下降趨勢顯著。紅河州中部和普洱市西部多個極端氣溫指數(shù)（SU、TN90p、TX90p、TXx 和WSDI）的變化速率明顯高于其他地區(qū)。

8 個極端降水指數(shù)中，PRCPTOT、CWD、R20mm、R25mm 和Rx5day 在 減少，R95pTOT、R99pTOT 和CDD 在增加。這表明云南省總降水量在減少，強(qiáng)降水量在增強(qiáng)，降水更加趨向集中爆發(fā)，干旱和洪澇風(fēng)險增加。空間分布上，紅河州中部、臨滄市東部CDD 上升，CWD 下降；紅河州中部、普洱市西部和德宏州西南部R20mm、R25mm、R95pTOT、R99pTOT都呈下降趨勢，這些地區(qū)干旱風(fēng)險高于其他地區(qū)。