西安地區近50年極端氣溫變化研究

趙景波，程 勇，周 旗，馬曉華

（1.寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，寶雞 721007；2.陜西師范大學 旅游與環境學院，西安 710062）

西安地區近50年極端氣溫變化研究

趙景波1,2，程 勇2，周 旗1，馬曉華2

（1.寶雞文理學院 陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室，寶雞 721007；2.陜西師范大學 旅游與環境學院，西安 710062）

為了揭示西安地區近50年極端氣溫的變化和可能造成的災害，本文根據1959—2008年間的氣象數據，利用線性傾向估計法、Mann-Kendall突變檢驗法、主成分分析法以及相關性分析法，研究了西安地區年最低氣溫、年最高氣溫、暖夜、暖日、夏天日數、熱夜日數、冷夜、冷日、霜日、冰日的變化特點、趨勢以及周期。結果表明，西安地區1959—2008年間氣溫總體呈上升趨勢，尤其暖夜日數上升最明顯，速率為18.82 d·10a?1。霜日、冰日、冷夜呈下降趨勢，下降速率分別為0.5 d·10a?1、6.45 d·10a?1和4.22 d·10a?1。西安地區1959—2008年間夏天日數、熱夜日數、暖日日數、暖夜日數呈上升趨勢，上升速率分別為2.35 d·10a?1、5.38 d·10a?1、6.48 d·10a?1、18.82 d·10a?1。極端高溫呈先下降后上升趨勢，極端低溫呈略上升趨勢。西安地區1959—2008年間極端氣溫存在突變，突變主要發生在1990年代，夏日日數和暖日日數的突變發生在2000年代。暖指數的增加是西安市1959—2008年間氣溫呈上升趨勢的主要表現。小波分析顯示西安地區極端氣溫普遍存在27 a左右的主控周期，極端最高氣溫、夏日、暖日、冷夜、冷日、霜日、冰日存在15 a左右的振蕩周期。極端暖指數增加和極端冷指數的減少表明高溫災害與旱災發生的機率可能增大，需要做好防范工作。

極端氣溫；氣候變暖；近50年；氣溫突變；小波分析；西安地區

許多觀測資料表明，近百年來地球氣候正經歷著一次全球變暖的過程。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第四次評估報告指出，1906—2005年全球地表平均氣溫升高了0.74℃，變暖幅度自1990s以來明顯加速，未來100年全球氣溫將升高1.1～6.4℃（IPCC，2007）。在全球氣候變暖的大背景下，近50年來增溫尤其明顯，約增加0.62～0.94℃（趙宗慈等，2007）。同時極端天氣氣候事件發生頻率增大，對經濟社會發展造成了嚴重的不利影響。因此，有關極端天氣氣候事件成因及氣候變化受到了國內外學者的廣泛關注（龔道溢和韓暉，2004；胡宜昌等，2007；陳曉光等，2008）。Karl et al（1991）研究發現，美國和前蘇聯極端最低氣溫在過去幾十年上升幅度較大。Frich et al（2002）通過研究發現，1950年以來極端最高和最低氣溫的差異在顯著減小。任富民和翟盤茂（1998）對中國極端氣溫變化的研究表明，極端最低溫度顯著上升，極端最高溫度在緩慢下降。唐紅玉等（2005）通過對1951—2002年中國最高、最低氣溫及日較差變化的研究得出，中國最高氣溫在南方變化不明顯或呈弱的降溫趨勢，而北方增暖明顯，年平均最低氣溫變化在中國各地基本一致，呈明顯的變暖趨勢。任國玉等（2010）通過總結近年有關中國極端氣候變化觀測研究成果認為，在全球氣候明顯變暖的半個多世紀里，中國極端氣候類型變化非常復雜，不同類型和不同區域極端氣候變化存在明顯差異。全國范圍內與異常偏冷相關的極端事件如寒潮、冷夜和冷晝天數、霜凍日數等顯著減少、減弱，與異常偏暖相關的暖夜、暖晝日數明顯增多，暖夜日數增多尤其明顯。許多研究結果表明，全球變暖主要發生在夜間（如唐紅玉等，2005）。姜創業等（2011）分析了1961—2008年陜西省不同區域近年來的氣候變化特征，表明年平均氣溫上升的趨勢明顯。

西安地區由于氣候因素年際與年內變化幅度大，干旱和洪澇災害時有發生，嚴重影響社會經濟發展和人民生活。本文基于西安地區的極端氣溫指數，對西安地區近50年極端氣溫變化進行研究，以期為該區減災防災和應對氣候變化提供科學依據。

1 地區自然概況

西安市位于黃河流域中部關中盆地，北緯33°42′～34°44′30″，東經107°40′～109°49′。南和東南以秦嶺山脈主脊為界，與佛坪、寧陜、柞水、洛南縣、商州市相鄰，西以黑河之西太白山及青化臺塬為界，與太白、眉縣接壤。北以渭河為界，與扶風、武功、興平縣及咸陽市的楊陵、秦都、渭城區隔河相望。東北大致以荊山黃土臺塬為界，與富平、三原、涇陽縣毗連。東以零河和灞源山地為界，與華縣、渭南市相接。南北寬約100公里，東西長約204公里，平面輪廓略呈西南傾的斜長方形。城區中心位置地處北緯34°15′24″，東經108°55′45″，轄境面積9983平方公里，其中市區面積1066平方公里。境內河流基本屬于黃河流域的渭河水系，較大的河流有渭河、涇河、石川河、黑河、澇河、灞河、浐河、灃河、戲河、零河等。由于受氣候特點制約，降水分布很不均衡，河流徑流量季節性變化明顯。西安市位于東南沿海濕潤氣候向西北內陸干旱氣候的過渡帶上，兼有兩種類型氣候特征，屬暖溫帶半濕潤季風氣候，年平均氣溫為13.1℃，年平均降水量為600 mm，四季冷暖干濕分明。

2 資料來源與研究方法

本文中日最高、最低日平均氣溫來源于“中國氣象科學數據共享服務網”（http://cdc. cma. gov.cn）中公布的西安氣象站的資料。為了資料盡可能完整，氣象資料時間跨度一致取為1959年至2008年。將1959—2008年間閏年的2月29日數據進行剔除，即1959—2008年間每年按365日進行計算。

從WMO發布的極端天氣指數中選取了西安氣象站的10種極端氣溫指數（表1）分析西安地區的極端氣溫的變化趨勢。文中采用線性傾向估計法分析極端氣溫變化趨勢，計算采用最小二乘法進行估計，用其線性傾向值來分析要素的年際變化率。研究顯著性水平取0.05和0.01，如果統計量小于0.05，則認為趨勢是顯著的，統計量小于0.01，則認為趨勢是極顯著的。用Morlet復小波分析極端氣溫的周期性（施能，2002）。用Mann-Kendall突變檢驗法研究極端氣溫突變發生的年代。

目前，國際上在氣候極值變化研究中最多的是采用閾值，超過閾值的值被認為是極值，該事件為極端事件，閾值又分為絕對閾值和百分比閾值，絕對閾值即選取一固定值，而百分比閾值則不同。本文中氣溫百分比閾值定義方法是根據每個測站的日最高（低）氣溫分別確定其極端高（低）溫閾值，方法如下：選取1959—2008年的日最高（低）氣溫作為基期進行分析，將某站1959—2008年中同日的最高（低）氣溫資料按升序排列，得到該日第90（10）個最高（低）氣溫的百分位值，按照此方法得到365個最高（低）氣溫的第90（10）個百分位值，將之作為極端高（低）氣溫事件的上（下）閾值。如果某日的最高溫度超越了該日極端氣溫事件的上閾值，則認為該日出現了極端高溫事件；同理如果某日的最低溫度超越了該日極端氣溫事件的下閾值，則認為該日出現了極端低溫事件。

表1 極端氣溫的指標Table 1 Indices for extreme temperature

3 結果與分析

3.1 極端氣溫指數的變化趨勢與突變分析

圖1a、圖1b分別為西安地區極端最高氣溫、極端最低氣溫的時間序列。從圖1a可以看出，西安地區的極端最高氣溫變化總體上呈下降趨勢，速率為0.07℃·10a?1，達到95%信度檢驗（表2）。從年代際變化來看，極端最高氣溫在1960's年代到1980's年代期間呈下降趨勢，1983年降到最低值，為35.4℃，1980's后又有所增加。其中1998年和2005年達到峰值，分別為41.8℃、41.7℃。由M-K檢驗可知，極端最高氣溫的UF曲線在50年期間的前五年和后五年小于0，其余年份都大于0，表明西安市日最高氣溫總體呈上升趨勢。且極端最高氣溫的UF曲線與UK曲線交于信度線之間，交點為1964年，表明西安市極端最高氣溫在1964年出現由低到高的突變。

從圖1b統計整個序列得到極端最低氣溫有增加的趨勢，速率為0.48·10a?1。1969年達50年來最低值?18.7℃。2000's年代比1960's極端最低氣溫高2℃。由M-K檢驗可知，極端最低氣溫的UF曲線與UK曲線交于信度線之間，交點為1996年，表明西安市極端最低氣溫在1996年出現由高到低的突變。

圖1 西安1959—2008年極端溫度事件的變化Fig.1 Changes in extreme temperature events in Xi'an from 1959 to 2008

圖2a、圖2b分別為西安地區夏天日數和熱夜日數的時間序列。從圖2a可以看出，夏天日數以2.35 d·10a?1速率上升，達到99%信度檢驗（表2）。從年代際變化來看，1960's年代前期呈下降趨勢，期間最低值為1964年112天。1970's呈上升趨勢，1980's年代后期至今（2008）年呈逐步上升趨勢。由M-K檢驗可知，夏日日數的UF曲線均小于0，表明夏日日數一直處于下降趨勢，且夏日日數的UF曲線與UK曲線交于信度線之間，交點為2003年，表明西安市夏日日數在2003年出現由少到多的突變。從圖2b可以看出熱夜日數以5.38 d·10a?1的速率上升，也通過了99%信度檢驗（表2）。從圖1可以看出熱夜日數基本一直呈上升趨勢，其上升的速率較快可能與近年來西安總體氣溫上升有關。由M-K檢驗可知，熱夜日數的UF曲線除個別年份外均大于0，表明西安市熱夜日數總體呈上升趨勢。

圖2c、圖2d分別為西安地區霜日和冰日天數的時間序列。從圖2c可以看出，霜日日數隨時間總體呈下降趨勢，速率為6.45 d·10a?1，達到99%信度檢驗（表2）。50年來在1969年（103天），1985年（101天），1992年霜日超過100天。1959—2000年霜日都在60天以上。但2000年后的2002年（49天），2004年（46天），2007年（40天）出現霜日40天左右的情況。但2008年又上升到71天，這可能與2008年出現的氣溫異常情況有關。由M-K檢驗可知，霜日日數的UF曲線與UK曲線交于信度線之間，交點為1998年，表明西安市極端霜日日數在1998年出現由多到少的突變。從圖2d可以看出，冰日日數隨時間總體也呈下降趨勢，速率為0.51 d·10a?1，未通過信度檢驗（表2）。其年代際變化來看，1960's呈上升趨勢，1970's到2000's緩慢下降。2008年（20天）比2007年（0天）冰日高出20天。由M-K檢驗可知，冰日日數的UF曲線2000's之前絕大部分時間大于0，2000's以后均小于0，表明西安市冰日日數呈先增多后減少的變化趨勢，且冰日日數的UF與UK曲線交于信度線之間，交點為1994年，表明西安市冰日日數在1994年出現由多到少的突變。

圖3a、圖3b分別為西安地區暖日和冷日天數的時間序列。從圖3a可以看出，西安地區的暖日呈增加趨勢，速率為6.48 d·10a?1，通過了99%的信度檢驗（表2）。從年代變化來看，1960's—1970's中期暖日呈下降趨勢，1970's中期以后呈上升趨勢。由M-K檢驗可知，暖日日數的UF曲線絕大部分時間大于0，表明西安市暖日日數整體處于增加趨勢，且暖日日數的UF與UK曲線交于信度線之間，交點為2002年，表明西安市暖日日數在2002年出現由多到少的突變。從圖3b可以看出，西安地區的冷日也有增加趨勢，變率為0.95 d·10a?1，未通信度檢驗（表2）。由M-K檢驗可知，冷日日數的UF曲線均大于0，表明冷日日數一直處于上升趨勢。

圖2 西安1959—2008年夏天日數、熱夜日數、霜日和冰日變化Fig.2 Change of extreme temperature events in Xi'an during 1959—2008

表2 1959—2008年西安站極端氣溫變化趨勢Table 2 Spatial distribution of temperature indices in Xi'an 1959—2008

圖3c、圖3d分別為西安地區暖夜和冷夜天數的時間序列，從圖3c可以看出，暖夜隨時間呈明顯的增加趨勢，其速率為18.82 d·10a?1，通過99%的信度檢驗（表2）。從年代際變化來看，暖夜基本呈階梯式增加趨勢，在1960's年代至1980's年代變化較為穩定和緩慢，到1990's年代后迅速增加。由M-K檢驗可知，暖夜日數的UF曲線2005年之前均大于0，表明西安市暖夜日數整體呈上升趨勢，且暖夜日數的UF與UK曲線交于信度線之間，交點為1999年，表明西安市暖夜日數在1999年出現由多到少的突變。從圖3d統計整個序列得到冷夜呈很強的減少趨勢，速率為4.22 d·10a?1，通過了99%的信度檢驗（表2）。強的趨勢主要是由于1970's年代以及1990's后的異常減少造成的。由M-K檢驗可知，冷夜日數的UF曲線1980s之前絕大部分時間大于0，1980s以后均小于0，表明西安市冷夜日數呈先增多后減少的變化趨勢，且冷夜日數的UF與UK曲線交于信度線之間，交點為1999年，表明西安市冷夜日數在1999年出現由多到少的突變。

總之，西安地區1959—2008年極端最高氣溫為下降趨勢，速率為0.07℃·10a?1，極端最低氣溫呈上升趨勢，速率為0.48℃·10a?1。這與馬柱國等（2003）對中國北方極端溫度變化的研究不太一致，馬柱國等研究的中國北方極端最高溫度和極端最低溫度雖然都為增加趨勢，但極端最低氣溫的變率明顯大于極端最高氣溫的變率；但與翟盤茂和潘曉華（2003）、任福民和翟盤茂（1998）對中國極端氣溫變化的研究結果一致，翟盤茂和任福民研究表明極端最低溫度顯著上升，極端最高溫度在緩慢下降（馬柱國等，2003；唐紅玉等，2005）。造成該差異的原因還需要進一步研究。冷日呈小幅上升趨勢，冷夜有較大幅度的減少趨勢，暖日和暖夜為增加趨勢，這與文獻中前人對中國北方1951—1999年以及中國和全球1961—2003年極端氣溫變化研究的結論一致。霜日與冰日都呈下降趨勢，夏天日數，熱夜日數呈上升趨勢（游慶龍等，2009；You et al，2011）。其中暖日日數的上升速率為6.48 d·10a?1，暖夜日數上升速率為18.83 d·10a?1，和其他指標速率相比，相對偏高，這與唐紅玉等（2005）得出的全球變暖主要發生在夜間的結論相一致。

圖3 西安1959—2008年暖日、冰日、暖夜和冷夜變化Fig.3 Change of extreme temperature events in Xi'an during 1959—2008

3.2 極端氣溫變化周期分析

圖4和圖5為西安1959—2008年極端溫度事件的Morlet復小波變換圖，圖中實線表示偏高、偏多或偏暖，虛線表示偏低、偏少或偏冷。從圖4a可見，極端最高氣溫存在10 a、15 a 和27 a左右的準周期，27 a左右的振蕩周期為主要控制周期，貫穿始終，冷日的變化過程為偏高—偏低—偏高，15 a左右周期也很顯著，經歷偏高—偏低—偏高—偏低—偏高的變化，10 a左右的周期振蕩并不是很明顯。從圖4b可見，極端最低氣溫存在8 a、10 a和27 a左右的準周期，27 a、8 a左右的振蕩周期為主要控制周期，貫穿始終，27 a周期極端最低氣溫的變化過程為偏低—偏高—偏低，8 a左右周期極端最低氣溫的變化過程為偏低—偏高—偏低的交替變化。

從圖4c可見，夏天日數存在15 a、27 a左右的準周期，27 a左右的振蕩周期為主要控制周期，貫穿始終，夏天日數的變化過程為偏多—偏少—偏多。15 a左右的周期不是很明顯，其在21世紀初期消失。從圖4d可見，熱夜日數存在3 a 、7 a、12 a、27 a左右的準周期，3 a、7 a、27 a周期貫穿始終，且都是偏多—偏少反復變化，最終都以偏多結束。12 a左右的周期在1970's中期才出現。但變化都相同。

從圖4e和圖4f得出，霜日和冰日都存在15 a和27 a左右的振蕩周期，霜日和冰日的主控周期都為27 a左右的振蕩周期，且貫穿始終，在27 a左右的振蕩周期上，都經歷著偏多—偏少—偏多的交替變化。15 a左右的周期不明顯，大體經歷著偏多—偏少—偏多的交替變化。

圖4 西安極端溫度事件的變化周期Fig.4 The period of extreme temperature events in Xi'an

從圖5a可以看出，冷夜存在3 a、10 a、25 a左右的振蕩周期，25 a左右的振蕩周期為主要控制周期，貫穿始終，經歷著偏多—偏少—偏多—偏少的交替變化。3 a、10 a左右的周期不是特別明顯。大體都經歷著同樣的交替變化。從圖5b可以看出，暖夜存在27 a左右的振蕩周期且貫穿始終，同時經歷著偏多—偏少—偏多的變化。

從圖5c可以看出，冷日存在3 a、10 a、27 a左右的振蕩周期。3 a、27 a左右的振蕩周期為主要控制周期，貫穿始終，且都是偏多—偏少的反復交替變化。10 a左右的周期在1959—1989年不明顯，1980's以后比較明顯。從圖5d可以看出，暖日存在5 a、15 a、27 a左右的振蕩周期。27 a左右的振蕩周期為主要控制周期，貫穿始終，經歷著偏多—偏少—偏多交替變化。15 a左右的周期在1959—1979年比較明顯，1980's以后不明顯。

由此得出，西安地區極端氣溫事件普遍存在27 a左右的主控周期；極端最高氣溫、夏日、霜日、冰日、暖日存在15 a 左右的振蕩周期；極端最高氣溫、極端最低氣溫、冷夜、冷日也存在10 a 左右的振蕩周期；冷日、冷夜、暖夜、熱夜還存在3 a左右的小振蕩周期。

圖5 西安1959—2008年冷日、暖日、冷夜、暖夜的變化周期Fig.5 The period of extreme temperature events in Xi'an

3.3 極端氣溫指數的主成分分析

利用SPSS13.0軟件對西安市極端氣溫指數的各因子進行主成分分析，可以得出主成分和因子間的相關系數的載荷矩陣（表4），由表4可見，前3個主成分分別累計提取了總方差的76.46%。由表4中共同度可以看出，用主成分分析法提取的若干主成分能夠很好地解釋原各變量，共同度絕大多數在70%以上。從表4中可見，暖夜日數和暖日日數，在主成分1中具有較高的載荷，載荷值分別為0.919和0.877，這兩個指數都為暖指數。第一主成分占方差貢獻率的45.04%，而其后的主成分所占的方差貢獻率逐漸減少，因此，可以認為暖指數的變化是西安市1959—2008年氣溫呈上升趨勢的主要原因。第二主成分占方差貢獻率的16.8%，日極端最高氣溫和冷日日數在主成分2中占有較高的載荷，載荷值分別為0.60和0.70，該冷指數的增加能很好地反映西安市1959—2008年日最低氣溫呈上升趨勢。冰日在主成分3中占有較高的載荷，載荷值為0.75，說明氣溫日較差的變化受冷指數的影響較大。

表4 1960—2012年西安市極端氣溫指數的因子分析Table 4 Results of factor loadings perceptual explained variance in temperature extremes in Xi'an from 1959 to 2008

4 結論

（1）根據極端氣溫線性趨勢分析得知，西安地區在1959—2008年極端暖事件呈明顯上升趨勢，而極端冷事件總體呈下降趨勢。

（2）線性趨勢分析表明，西安地區1959—2008年極端最低溫略呈上升趨勢，極端最高溫度呈先降低后上升趨勢。

（3）西安地區1959—2008年，氣溫總體呈上升趨勢，尤其暖夜日數以18.82 d·10a?1速率上升，表明西安地區氣溫總體上升。西安地區1959—2008年氣溫上升主要是夜間氣溫上升造成的。

（4）西安市極端氣溫存在突變，突變主要發生在1990年代，而最高氣溫在1964年出現由低到高的突變，夏日日數和暖日日數在2000年代年出現由多到少的突變。暖指數的增加是西安市1959—2008年氣溫呈上升趨勢的主要表現。

（5）西安地區極端氣溫事件普遍存在27 a左右的主控周期，極端最高氣溫、夏日、暖日、霜日、冰日存在15 a左右的振蕩周期，極端最高氣溫、極端最低氣溫、冷夜、冷日也存在10 a 左右的振蕩周期，冷日、冷夜、暖夜、熱夜還存在3 a左右的小振蕩周期。

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Variations of the extreme temperature in Xi'an in recent 50 years

ZHAO Jing-bo1,2, CHENG Yong2, ZHOU Qi1, MA Xiao-hua2
(1. Key Laboratory of Disaster Monitoring and Mechanism Simulating of Shaanxi Province, Baoji University of Arts and Sciences, Baoji 721007, China; 2. Collage of tourism and environment, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, China)

In order to analyze the variational characteristics of extreme temperature and disasters in Xi'an area, meteorological data from 1959 to 2008 which contains daily average temperature, the highest temperature and lowest temperature, methods of linear fitting, Mann-Kendall examination, principal component analysis and correlation analysis were comprehensive employed to analyze each year's variation trends, mutation and the oscillation period of extreme temperature indicators, such as the extreme minimum temperature, extreme maximum temperature, warm nights and warm days, summer days and hot nights, cold nights, cold days, frost days, ice days. The results showed that: the overall temperature of Xi'an area from 1959 to 2008 had an upward trend, especially warm nights increased signif cantly at 18.82 d·10a?1rate. Frost days, ice days, cold nights had downward trends, the decline rate were 0.5 d·10a?1, 6.45 d·10a?1and 4.22 d·10a?1respectively. Summer days, hot days, warm days and warm nights of Xi'an area rised from 1959 to 2008, the rate were 2.35 d·10a?1, 5.38 d·10a?1, 6.48 d·10a?1,

18.82 d·10a?1respectively. The extreme maximum temperature increased firstly and then decreased, the extreme minimum temperature had a slightly rising trend. From 1959 to 2008, extreme temperature mutation mainly occurred in the 1990s, while warm days and summer days mutation occurred in the 2000s. The increasing trend of temperature from 1959 to 2008 was mainly due to warm indices. Wavelet analysis showed that extreme temperatures of Xi'an area had around 27 a master cycle, extreme maximum temperature, summer days, warm days, cold nights, cold days and ice days had about 15 a oscillation. Both the increasing number of extreme warm indices and the reducing number of extreme cold indices would increase the probability of high temperature and drought disasters, and needed some preventive work.

extreme temperature; variation tendency; in recent 50 years; wavelet analysis; the temperature trend in Xi'an

P467

：A

：1674-9901(2014)05-0301-10

10.7515/JEE201405001

2014-07-31

寶雞文理學院陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室項目（13JS012） ；國家自然科學基金項目（40672108）

趙景波，E-mail: zhaojb@snnu.edu.cn