贾文雄
西北师范大学地理与环境科学学院, 甘肃 兰州 730070
JIA Wen-xiong
中图分类号: P467
文献标识码: A
文章编号: 1000-0690(2012)11-1377-07
收稿日期: 2011-11-20
修回日期: 2012-05-20
网络出版日期: 2012-11-20
版权声明: 2012 《地理科学》编辑部 本文是开放获取期刊文献，在以下情况下可以自由使用：学术研究、学术交流、科研教学等，但不允许用于商业目的.
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作者简介:
作者简介：贾文雄(1974-),男,甘肃渭源人,博士,副教授,主要从事气候变化与生态水文研究。E-mail: wxjiaxy@163.com
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摘要
利用1960~2009年的日平均气温资料,采用线性趋势、Morlet小波分析、Mann-Kendall法对祁连山及河西走廊极端气温的季节变化特征进行了分析。结果表明：各季节极端高温天气呈显著增多趋势,极端低温天气呈显著减少趋势;各季节极端气温天气的变化周期略有不同,春、夏、秋、冬季极端高温天气的主周期分别为8、14、16、16 a,极端低温天气的主周期分别为14、16、14、6 a;春、夏、秋、冬季极端高温天气分别在2002、1997、1994、1986年突变增多,极端低温天气分别在2002、1997、1987、1986年突变减少,秋、冬季极端气温天气对全球气候变暖的响应比春、夏季早。
关键词：
Abstract
Based on daily temperature data of 18 meteorological stations in Qilian Mountains and Hexi Corridor from 1960 to 2009, the seasonal characteristics of extreme temperature change were analyzed by methods of linear trend, Morlet wavelet and Mann-Kendall. The results indicate that extreme high temperature days in each season are on the rise significantly, especially increased with larger scales after the middle of 1980s. But that is contrary to extreme low temperature days, which decreased with larger scales after the middle of 1980s in spring and summer, and decreased after the middle and later of 1960s in autumn and winter. The changing scale of extreme temperature days is the largest in winter, and the changes of them are before ten years in winter than in other seasons, which indicated that the significant change of extreme temperature days took place in winter firstly. The cycle changes of extreme temperature days in different seasons are different, but they are grouped in 6-10 a、12-16 a and 18-22 a. The major cycle of extreme high temperature days in spring, summer, autumn and winter are changing respectively with 8 a、14 a、16 a and 16 a, and that of extreme low temperature days are changing respectively with 14 a、16 a、14 a and 6 a. The mutation of extreme high temperature days in spring, summer, autumn and winter increased in 2002、1997、1994、1986, respectively, but that of extreme low temperature days decreased in 2002、1997、1987、1986, respectively. Except autumn, the abrupt changes of extreme high temperature days and extreme low temperature days in other seasons are coincident. The response to global warming of extreme temperature days is earlier in autumn and winter than that in spring and summer. The change of extreme temperature days will bring some effect to the Qilian Mountains and Hexi Corridor. The increase of extreme high temperature days will add pressure of preventing fire for forest and grasslands in Qilian Mountains. The decrease of extreme low temperature days will reduce the occurrence frequency of freeze damage, but it will be contribute to destructive insect to crossing the winter, which will cause the disasters of plant disease and insect pest in forest, grasslands and farmland, and it will be a potential threaten for protection of ecology environment and agriculture production.
Keywords：
在气候变暖的背景下,全球极端天气和气象灾害发生的频率增大,气象灾害造成的损失加重,这严重影响农业生产、社会经济和区域可持续发展。IPCC第四次报告指出,未来在气候变暖的背景下,强降水、洪涝、干旱发生的可能性都增大,热浪可能强度更强、持续时间更长而且发生频率更高。就全球而言,日夜温度变化不对称,最低气温升温幅度较大,而最高气温升温辐度较小,日较差呈变小趋势[1],暖夜日数显著增加,霜冻日数显著减少[2]。中国极端高温和极端低温变化不对称,极端低温的增温幅度明显大于极端高温的增幅[3~9],霜冻日数和结冰日数明显减少,夏季日数和炎热夜数明显增多[10~16],极端最低温度在冬、秋季增温趋势显著,极端最高温度在秋季降温趋势明显[4,10,17]。尽管研究的区域范围有所不同,但对全球气候变暖的响应是一致的。
祁连山及其北坡的河西走廊是不同的自然地理单元,是水资源这一纽带将它们联系在一起。研究表明,河西地区在20世纪90年代中后期以后高温天气明显增多,影响范围扩大[18~20]。已有研究主要涉及河西地区夏季极端高温天气的变化,而极端气温天气在任何季节都会发生。祁连山及河西走廊受不同环流系统的影响,局地气候变化比较复杂,干旱、洪涝、沙尘暴、干热风、低温冻害、雪灾等气象灾害频繁发生。本文将它们作为一个整体,从极端高温和低温两个方面来研究极端气温的季节变化,进而为地方政府应对气候变化和防治气象灾害提供科学依据。
收集了祁连山及河西走廊18个气象站（图1）1960~2009年的日平均气温资料,资料来源于国家气象局信息中心。从概率分布的角度来看,极端天气事件就是发生概率极小的事件,通常发生概率只占该类天气现象的10%或者更低[21],常用的做法是将观测气温中最高的10%定义为异常高温事件,最低的10%定义为异常低温事件[11]。本文极端气温的统计方法是,将某站1960~2009年中某日的气温数据按升序排列,将第90个和第10个百分位值作为极端气温的阈值,当某日的气温高于第90个百分位值,则认为该日出现了极端高温事件,当某日的气温低于第10个百分位值,则认为该日出现了极端低温事件。
小波分析方法在时域和频域上同时具有良好的局部性质,可以分析出时间序列周期变化的局部特征[22]。Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法,它的优点是不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,更适用于类型变量和顺序变量,广泛用于气候序列的突变分析[23]。在数据处理之后,运用线性趋势和5 a趋势滑动对季节极端气温天气的年际变化进行分析;在Matlab软件中利用复方Morlet小波分析对季节极端气温天气的周期变化进行分析,并用小波方差来确定主周期;利用Mann-Kendall法,对季节极端气温天气的变化进行了突变分析。此外,季节的划分是：3~5月为春季,6~8月为夏季,9~11月为秋季,12月至笠年2月为冬季。
祁连山及河西走廊春、夏、秋、冬季的极端高温天气均呈增多趋势（图2a、c、e、g）,年际变化率分别为0.190 5、0.196 9、0.198 9、0.206 4 d/a,其中冬季增幅最大,春季最小,与年份的相关系数分别为0.522 6、0.530 4、0.525 4、0.583 6,均通过0.001的置信度检验,表明各季节极端高温天气的增多非常显著。春、夏季极端高温天气的年际变化趋势大体一致,20世纪80年代中期之前呈波状减少趋势,之后呈大幅波状增多趋势。秋、冬季极端高温天气的年际变化基本相似,20世纪80年代中期之前呈小幅波状增多趋势,之后呈大幅波状增多趋势。春、夏、秋季的极端高温天气在90年代中期之前偏少,之后偏多,而冬季极端高温天气在80年代中后期之前偏少,之后偏多,可见冬季极端高温天气开始增多的时间比其它各季节早10 a左右。
春、夏、秋、冬季的极端低温天气均呈减少趋势（图2b、d、f、h）,年际变化率分别为-0.115 5、-0.110 7、-0.150 3、-0.167 5 d/a,其中冬季减少幅度最大,秋季次之,夏季最小,与年份的相关系数分别为-0.429 8、-0.388 2、-0.444 7、-0.385 4,均通过0.01的置信度检验,表明各季节极端低温天气的减少是显著的。春、夏季极端低温天气的年际变化趋势基本相似,不过春季在20世纪60年代中期之前大幅减少,而夏季大幅增多,之后均呈小幅波状增多趋势,80年代中后期之后均呈大幅波状减少趋势。秋、冬季极端低温天气的年际变化趋势也大体一致,不过秋季在60年代中期之前先减少后增多,冬季在60年代中后期之前增多,之后均呈大幅波状减少趋势。春、夏、秋季极端低温天气在90年代中期之前大部分时间偏多,之后偏少,而冬季在80年代中期之前偏多,之后偏少,可见冬季极端低温天气开始减少的时间比其它各季节也早10 a左右。
祁连山及河西走廊春季极端高温天气存在6~10、12~16、18~22 a三个振荡周期（图3a、4a）;在8、14、20 a左右的周期变化上振荡强烈,其中8 a左右的周期变化是主周期;8 a左右的周期变化在20世纪60年代至80年代初、2005年以后明显,10 a左右的周期变化在90年代中期后明显,14 a左右的周期变化90年代中期以后明显,20 a左右的周期变化在60~70年代初明显。夏季极端高温天气存在6~8、12~16、18~22 a三个振荡周期（图3c、4c）;在6、14、20 a左右的周期变化上振荡强烈,其中14 a左右的周期变化是主周期;6 a左右的周期变化在70年代中期至90年代中期明显,14 a左右的周期变化在90年代中期以后明显,20 a左右的周期变化不太明显。秋季极端高温天气存在6~8、12~18 a两个振荡周期（图3e,4e）;在6、16 a左右的周期变化上振荡强烈,其中16 a左右的周期变化是主周期;6 a左右的周期变化在2003年以后明显,8 a左右的周期变化在90年代中期至2003年明显,16 a左右的周期变化在60年代中期之前、80年代以后明显。冬季极端高温天气存在6~10、12~18、24 a以上三个振荡周期（图3g,4g）;在8、12、16、26 a左右的周期变化上振荡强烈,其中16 a左右的周期变化是主周期;8 a左右的周期变化在90年代中期至2005年明显,12 a左右的周期变化不太明显,16 a左右的周期变化在60年代中期至90年代初明显,26 a左右的周期变化在60年代中后期之前、90年代初之后明显。
图1 祁连山及河西走廊气象站点的分布
Fig.1 Distribution of meteorological stations in Qilian Mountains and Hexi Corridor
图2 祁连山及河西走廊春、夏、秋、冬季极端高温天气(a,c,e,g)和极端低温天气(b,d,f,h)的年际变化趋势(折线为年际变化;曲线为5 a滑动趋势;斜线为多年趋势;短线为多年平均)
Fig.2 Inter-annual change of extreme high temperature days(a,c,e,g) and extreme low temperature days(b,d,f,h) in spring, summer, autumn and winter in Qilian Mountains and Hexi Corridor
春季极端低温天气存在6~10、12~16 a两个振荡周期（图3b,4b）;在6、14 a左右的周期变化上振荡强烈,其中14 a左右的周期变化是主周期;6 a左右的周期变化在20世纪70~80年代中期明显,8 a左右的周期变化在60~70年代初明显,14 a左右的周期变化在60~80年代中期、2005年以后明显。夏季极端低温天气存在6~8、12~18 a两个振荡周期（图3d、4d）;在6、16 a左右的周期变化上振荡强烈,其中16 a左右的周期变化是主周期;6 a左右的周期变化在70年代中期至90年代末明显,8 a左右的周期变化在80年代至90年代中期明显,16 a左右的周期变化在80年代以后明显。秋季极端低温天气存在6~10、12~16、18~22 a三个振荡周期（图3f、4f）;在10、14、20 a的周期变化上振荡强烈,其中14 a左右的周期变化是主周期;10 a左右的周期变化在80年代中期至90年代中期明显,14 a左右的周期变化在60~80年代初、2000年以后明显,20 a左右的周期变化不太明显。冬季极端低温天气存在6~8、12~16、24 a以上三个振荡周期（图3h,4h）;在6、14、26 a左右的周期变化上振荡强烈,其中6 a左右的周期变化是主周期;6 a左右的周期变化在60年代中后期之前、70年代中后期至80年代中期、2005年以后明显,14 a左右的周期变化在60~80年代初明显,26 a左右的周期变化也在60~80年代初明显。
图3 祁连山及河西走廊春、夏、秋、冬季极端高温天气(a,c,e,g)和极端低温天气(b,d,f,h)的小波变换实部时频
Fig.3 The distribution of time frequency on real part of wavelet transform of extreme high temperature days(a,c,e,g) and extreme low temperature days(b,d,f,h) in spring, summer, autumn and winter in Qilian Mountains and Hexi Corridor
在0.05的置信度水平下（u0.05=±1.96）,祁连山及河西走廊各季节极端气温天气均发生突变（图5）,但突变的时间点有所不同。春、夏、秋、冬季极端高温天气分别在2002、1997、1994、1986年发生突变（图5a、c、e、g）,突变前平均分别为7.62、6.59、6.93、6.07 d,突变后平均分别为16.76、16.06、13.51、12.28 d,突变后比突变前分别增多9.14、9.47、6.58、6.21 d。春、夏、秋、冬季极端低温天气分别在2002、1997、1987、1986年发生突变（图5b、d、f、h）,突变前平均分别为9.67、10.29、10.75、11.61 d,突变后平均分别为5.65、4.86、6.55、5.82 d,突变后比突变前分别减少4.02、5.43、4.2、5.79 d。春、夏、冬季极端高温和极端低温天气突变的时间点是一致的,春季在本世纪初突变增多或减少,夏季在20世纪90年代中后期突变增多或减少,冬季在80年代中期突变增多或减少,而秋季极端高温天气在90年代中期突变增多,极端低温天气在80年代中后期突变减少,极端低温天气突变的时间比极端高温天气突变早8 a左右,可见秋季极端气温天气的变化是从极端低温天气的变化开始的。
图4 祁连山及河西走廊春、夏、秋、冬季极端高温天气(a,c,e,g)和极端低温天气(b,d,f,h)的小波变换模平方时频
Fig.4 The distribution of time frequency on modulus square of wavelet transform of extreme high temperature days(a,c,e,g) and extreme low temperature days(b,d,f,h) in spring, summer, autumn and winter in Qilian Mountains and Hexi Corridor
图5 祁连山及河西走廊春、夏、秋、冬季极端高温天气(a,c,e,g)和极端低温天气(b,d,f,h)的突变检验(实折线为UF曲线;虚折线为UB曲线;短线为临界值)
Fig.5 Abrupt analysis of extreme high temperature days(a,c,e,g) and extreme low temperature days(b,d,f,h) in spring, summer, autumn and winter in Qilian Mountains and Hexi Corridor
1） 祁连山及河西走廊各季节的极端高温天气均呈显著增多趋势,在20世纪80年代中期之后大幅波状增多,极端低温天气均呈显著减少趋势,春、夏季在80年代中期之后大幅波状减少,而秋、冬季在60年代中后期之后大幅波状减少。冬季极端高温和极端低温天气的变化比其它各季节早10 a左右,可见极端气温天气的显著变化先是从冬季开始的。
2） 祁连山及河西走廊各季节极端气温天气的周期变化略有不同,但主要集中在6~10、12~16、18~22 a。春、夏、秋、冬季极端高温天气的主周期分别为8、14、16、16 a,极端低温天气的主周期分别为14、16、14、6 a。各季节极端气温天气变化的周期在不同的时间段上振荡程度不同,在某些时间段振荡强烈,周期性变化明显。
3） 祁连山及河西走廊春、夏、秋、冬季极端高温天气分别在2002、1997、1994、1986年突变增多,极端低温天气分别在2002、1997、1987、1986年突变减少。除秋季外,其它季节极端高温天气与极端低温天气的突变具有同步性,秋、冬季极端气温天气对全球气候变暖的响应比春、夏季早。
4） 祁连山及河西走廊极端高温天气发生的频率在增加,极端低温天气发生的频率在减小。极端高温天气增多会加大祁连山森林和草原的防火压力,河西走廊干热风发生的频率也会随之增加,而极端低温天气减少虽降低冻害发生的频率,但也有利于害虫越冬,易导致发生森林、草原和农田的病虫灾害,对生态环境保护和农业生产具有潜在威胁。
The authors have declared that no competing interests exist.
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