1961—2020年西南地区极端气温的时空演变特征

Spatial and Temporal Evolution Characteristics of Extreme Temperature in Southwest China from 1961 to 2020

摘要

基于西南地区102个气象站点逐日最高、最低气温数据，利用百分位阈值、去趋势分析、滑动平均、Mann-Kendall突变检验和滑动t检验等方法对西南地区1961—2020年极端气温指数的时空变化特征进行分析，进一步探究其变化趋势与海拔高度的相关性。结果表明：（1）西南地区极端气温中霜冻、夏季、冷夜、暖昼日数、最高和最低温极高值以及气温日较差存在明显的年代际变化。除气温日较差突变时间较早（1973年），其余指数均在20世纪80年代后期至21世纪00年代初期发生突变，其中暖昼日数、最高和最低温极高值均在2005年发生突变。（2）最高温极低值仅在川西和贵州中部表现为负值，极端暖指数的年变化幅度在贵州表现为西部大于东部。（3）极端冷指数、气温日较差的变化趋势和海拔的相关性均通过显著性检验，其中霜冻、冷夜、冷持续日数、气温日较差的变化趋势随海拔升高呈显著下降趋势，最低温极高和极低值的变化趋势随海拔升高呈显著上升趋势。

Abstract

Based on daily maximum and minimum temperature data from 102 meteorological stations in Southwest China, this study analyzed the temporal and spatial characteristics of extreme temperature in Southwest China from 1961 to 2020 employing percentile thresholds, detrended analysis, sliding averages, the Mann-Kendall mutation test and sliding t-tests, and further explored the correlation between temperature trends and altitude. The main findings are as follows: (1) There was obvious interdecadal variation in frost, summer, cold nights, warm days, extreme high values of maximum and minimum temperature, and daily temperature range. Except for the earlier abrupt change in daily temperature range in 1973, all other indices exhibited abrupt changes from the late 1980s to early 2000s, with abrupt changes in warm days and extreme high values of maximum and minimum temperature occurring in 2005. (2) The extreme low value of maximum temperatur was only negative in western Sichuan and central Guizhou. The annual trend amplitude of extreme warm index in Guizhou was greater in the west than that in the east. (3) The changing trends of extreme cold indices and daily temperature range showed statistically significant correlations with elevation. The trends of frost, cold nights, cold duration days and daily temperature range decreased significantly with increasing altitude, while the extreme high and low values of minimum temperature increased significantly.

Graphical abstract

关键词

西南地区 / 极端气温 / 时空演变特征

Key words

Southwest China / extreme temperature / spatial and temporal evolution characteristics

IPCC-AR6报告对极端天气气候事件变化进行了全面和系统的评估，极端温度事件在其信度上较AR5更高，极端气候事件的明显变化和区域差异引起了国内外学者的高度关注^[1-4]。据统计，20世纪以来全球大部分地区极端暖事件发生频率逐渐增加，极端冷事件发生频次显著减少，且在未来全球气候进一步变暖的大背景下，这一趋势将愈发明显^[5-8]。Woo等^[9]发现21世纪前10年冷空气活动较20世纪90年代更为频繁且持续时间更久；Christidis等^[10]的研究表明全球较暖地区、季节发生极端暖事件的频率在20世纪60年代开始增加；孔锋^[11]指出不同极端气温指数表现出多种时空分异特征；秦秀丽等^[12]对山西省极端温度事件研究表明，极端气温变化趋势均在20世纪90年代以来愈发显著；居丽丽等^[13]对华东地区极端气温的研究中表明不同时段的概率密度函数区间和峰值具有明显差异；张梦等^[14]指出1961—1980年和2000—2017年冷事件频数年际变化幅度较大。极端气候事件发生概率较小，但突发性强且冲击力大，近年来呈现多发重发的态势，不仅造成生态系统多样性被破坏，且对人类社会的经济发展和社会稳定产生了巨大影响^[15-18]。西南地区地理位置和地貌特征较独特，极端气候与海拔高度的关系极其复杂，有研究表明西南地区的极端气温存在明显的空间分布差异^[19]，此前对西南地区极端气候与海拔的相关性研究较少。西南地区是西电东送工程的关键区，诸多重大工程都会受到极端天气的影响^[20]，因此探讨全球气候变化背景下西南地区极端气温的变化特征，有助于预测该区域未来的气候变化趋势，为降低极端天气对农业生产的影响提供科学依据。

1 数据和方法

1.1 资料选取与处理

数据来自国家气象信息中心提供的逐日最高、最低气温数据，气温资料经过极值、气候界限值等质控，并对数据进行进一步检查，包括日最低气温是否低于最高气温、错误值与异常值的筛选和剔除等，最终选取西南地区102个站点资料（图1），时间范围为1961—2020年。

文中涉及的地图是基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）3333号中国地图制作，底图无修改。

1.2 研究方法

根据气候变化检测与极端气候事件指标专家组（ETCCDI）基于日平均气温、日最低气温和日最高气温发布的极端气温指数定义，综合百分位阈值法和西南地区气候、地形的实际情况，选取10个具有极端性、噪声低和显著性强等优势的极端气温指数^[21-23]（表1），从频次、强度等方面反映西南地区极端气温的变化，在极端气候研究中具有代表性。采用去趋势分析、滑动平均、Mann-Kendall（M-K）趋势突变分析、滑动t检验等方法对10个极端气温指数的年际变化、空间分布、突变特征等进行分析。

计算极端气温指数时，通常采用某个百分位值作为判定极端事件发生时的阈值，超过阈值认定发生一次极端事件。采用Bonsal^[24]的非参数化方法确定极端阈值，具体计算方法如下：

假定某要素有n个值，按升序排列：x₁，x₂，...，x_m，...，x_n，某个值≤x_m 的概率为：

P=\frac{m-\mathrm{0.31}}{n+\mathrm{0.38}}。（1）

式中：P为百分位，m为x_m 的序号，n为气象要素的个数。

2 极端气温指数的时空变化特征

2.1 极端气温的时间变化

从西南地区极端气温指数去趋势的年际变化及5 a滑动平均（图2）可知，极端气温指数中FD、SU、TN05p、TX95p、TNx、TXx、DTR存在明显的年代际变化。FD、TX95p、TNx、TXx和DTR表现为“偏多（大）—偏少（小）—偏多（大）”的年代际变化，TX95p、TXx、DTR均在20世纪70年代开始偏少（小），FD和TNx在80年代开始偏少（小），其中DTR在90年代后期偏大，FD、TNx、TX95p和TXx均在21世纪00年代中期后偏多（大）。SU和TN05p表现为相反变化的年代际特征，SU主要在21世纪00年代中期后偏多，TN05p在20世纪80年代后期偏少。TNn、TXn均在1974—1977年偏低，在20世纪70年代后期开始呈上升趋势， 80年代中期后温度值偏高，CSDI在20世纪60年代后期—70年代中期偏多，1975年达最大值，之后呈“偏少—偏多”的交替变化。

2.2 极端气温的空间变化

从极端气温指数的空间分布（图3）可知，FD、TN05p、TNn、DTR表现为从西北向东南减少，其中FD在川西最多，云南西北部和贵州偏少，川西多数站点FD年均可达100~270 d，贵州大多数站点为10~30 d。TN05p在四川西南部、云南西部和重庆西部部分站点达25~27 d。除四川东南部、重庆西部和云南西南部部分站点TNn为正值外，区域整体为负，川西温度值最低，多数站点为-20.5~-30.5 ℃，而其余地区大多数站点为0~-5.5 ℃。DTR最大值出现在川西，年均可达15.5~17.5 ℃，川东、重庆及贵州年均为6~11.5 ℃。SU、TNx、TXx、CSDI表现为从西北向东南增加的变化。SU在云南南部最大，为318 d，贵州多数站点为50~150 d。TNx的高值区主要位于川东、重庆及贵州，最高可达30.5 ℃，川西为8.5~10.5 ℃。TXx在川西最低，为20.5 ℃，高值区主要出现在川东、重庆和贵州最北及最南部，最高可达40.5 ℃。CSDI在川西日数为0~2 d，贵州多数站点年均为4~6 d。TX95p在川西多数站点不足22 d，在云南可达26~28 d。TXn在川西和贵州中部多数站点为0~-5.5 ℃，最小负值位于川西，为-11.5 ℃，其余站点表现为正值，正高值区位于云南西南部，达10.5~15.5 ℃。

从极端气温指数的年际变化率（图4）可知，FD、TN05p、CSDI、DTR总体呈下降趋势，减少速率从西向东减少。川西和云南北部多数站点FD减少速率＞0.4 d/a，通过显著性检验的站点占总站点数的83.3%。TN05p减少速率在川西及云南西部＞0.6 d/a，通过显著性检验的站点为92.2%。CSDI减少幅度较大的站点主要位于四川西南部和云南西部，DTR减少幅度较大的站点位于四川西部、云南西部及贵州南部。SU、TX95p和4个极值指数总体呈上升趋势，其中SU在四川南部至云南部分站点增加速率＞0.6 d/a，TX95p在四川南部及云南大部分站点增加速率＞0.6 d/a，四个极值指数的增加幅度都表现为西北大于东南，川西和贵州部分站点TNn增加速率＞0.06 ℃/a。川西和云南北部TNx增加速率大于0.04 ℃/a，四川西北部、云南、重庆和贵州南部增加速率为0.02~0.04 ℃/a。川西、重庆、云南东部和贵州TXn增加速率为0.02~0.04 ℃/a。TXx的变化率大值区主要位于四川和重庆，大部分站点的增加速率＞0.04 ℃/a。

2.3 极端气温指数的突变特征

由极端气温指数的时间变化具有较为明显的突变特征，使用M-K检验对其作突变分析，并用滑动t检验法进一步检验突变结果，去除伪突变点。

从极端气温指数的M-K突变检验（表2）可知，大部分极端气温指数的突变年份通过了显著性检验，FD、TN05p、TNn、TXn、CSDI突变均发生在20世纪80年代后期—90年代，DTR突变时间最早，在20世纪70年代初期发生突变，SU、TX95p、TNx、TXx突变发生在21世纪00年代初期， TX95p、TNx、TXx突变年份均为2005年。冷指数FD、TN05p、CSDI和DTR在突变后呈显著下降趋势。与已有研究指出中国在20世纪90年代后为暖期，且西南地区在1970年持续至今经历了显著的变暖事件的结果一致^[18-19]，与西南地区的盆地地形、高原山地特征、区域小气候调节能力以及人类活动、城市化进程等因素有关。

2.4 极端气温指数变化趋势与海拔的相关性

由极端气温指数变化趋势与海拔的相关性（图5）可知，FD、TN05p、CSDI、DTR的变化趋势与海拔高度呈明显的负相关，表明随着海拔升高，指数下降趋势显著增大。FD变化趋势为0~-0.4 d/a的站点主要位于1 500 m以下，当海拔＞1 500 m，下降趋势明显。TN05p变化趋势为0~-0.6 d/a的站点主要位于2 500 m以下，当海拔＞2 500 m减少幅度增大，但在1 000~2 000 m有部分站点下降趋势＞0.6 d/a。CSDI呈弱上升趋势的站点主要位于1 000 m以下，当海拔＞1 000 m，下降趋势较为明显。DTR部分呈上升趋势的站点在500 m左右，当海拔＞3 000 m减少幅度明显增大。SU在2 000 m以下为上升趋势，2 000 m以上呈下降趋势，1 000 m以下和3 000 m以上部分站点变化趋势趋于0，变化趋势＞0.8 d/a的站点位于1 000~2 000 m。

TNn和TNx与海拔高度呈明显的正相关，表明随着海拔升高，上升趋势显著增大。TNn在2 000~3 000 m变化幅度略有下降，变化趋势＞0.06 ℃/a的站点主要位于1 500 m以下和3 000 m以上，当海拔＞3 000 m增加趋势幅度增大。TNx呈弱下降趋势的站点主要位于1 000 m以下，上升趋势＞0.04 ℃/a的站点主要在2 500 m左右。TX95p上升趋势＞0.6 d/a的站点位于2 000 m以下，当海拔＞2 000 m变化趋势幅度减小，TXn、TXx均在2 500 m以下部分站点呈下降趋势，TXn增加速率＞0.06 ℃/a的站点位于1 500 m以下，TXx增加速率＞0.04 ℃/a的站点位于2 500 m以下。

3 结论

（1）西南地区极端气温指数中霜冻、夏季、冷夜、暖昼日数、最高和最低温极高值以及气温日较差指数存在明显的年代际变化。除气温日较差突变时间较早为1973年，其余指数均在20世纪80年代后期—21世纪00年代初期发生突变，其中暖昼日数、最高和最低温极高值指数的突变时间均为2005年。冷指数中霜冻、冷夜、冷持续日数和气温日较差指数在突变后呈显著下降趋势。

（2）受海拔与地形影响，在川西高原和四川盆地处形成明显分界线，极端气温指数的空间分布表现为从西北向东南增加或减少。其中最低温极低值仅在重庆西部和云南南部为正值，最高温极低值仅在川西和贵州中部为负值。极端气温的变化趋势幅度多数表现为西北大于东南，其中4个极值指数增加趋势大值区均出现在川西，夏季、暖昼日数、最高温极高和极低值的变化趋势幅度在贵州表现为西部大于东部。

（3）霜冻、冷夜、冷持续日数和气温日较差的变化趋势随海拔升高呈显著下降趋势，最低温极高和极低值的变化趋势随海拔升高呈显著上升趋势。最高和最低温极低值的变化趋势大值区均位于1 500 m以下；夏季、暖昼日数的变化趋势大值区位于2 000 m以下；冷夜日数、最高和最低温极高值的变化趋势大值区位于2 500 m以下；当海拔＞2 500 m，冷夜日数、气温日较差下降幅度明显增大。

本文对西南地区极端气温指数的时空变化特征进行了分析，贵州的极端气温变化趋势多数表现为西部大于东部，贵州在夏季受热低压影响，升温快，夜间温度高，春、秋、冬季受冷空气影响，且云贵间常年存在准静止锋，导致贵州西部温度低、东部高，可能是贵州极端气温具有独特性的原因之一。另外极端气温指数的变化趋势受海拔影响显著，亚洲季风系统的变化在一定程度上影响西南地区极端气温的变化，在后续研究中将进一步探究地形因子与极端气温的相关性，同时深入探究极端气温的大尺度大气环流特征，为预测提供科学理论依据。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42265001)

贵州省气象局科研业务项目(黔气科登［2023］08-01号)