四川省乐山市近51年极端气温变化研究

夏 菲，赵景波，

（1. 陕西师范大学 旅游与环境学院，西安 710062；2.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061）

四川省乐山市近51年极端气温变化研究

夏 菲1，赵景波1，2

（1. 陕西师范大学 旅游与环境学院，西安 710062；2.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061）

基于1962—2012四川省乐山市每日气温资料，运用线性拟合及累积距平、Morlet复数小波等方法对WMO发布的10种极端气温指数进行了计算和分析。结果表明：（1）极端最高气温、极端最低气温都有上升趋势，霜冻、冷夜、冷昼呈下降趋势，夏日、热夜、暖夜、暖昼呈现出波动上升趋势。（2）年极端最高气温、暖夜、暖昼存在着27 a左右的周期，夏日、霜冻、热夜、冷夜、冷昼存在着28 a左右的周期，年极端最低气温存在着11 a左右的周期。除年极端最低气温外，其他的极端气温指数虽然主控周期不一致，但都存在28 a左右的周期。冷昼和暖昼变化较为复杂，存在4个周期。（3）极端天气暖指数呈上升趋势，夏日、热夜、暖夜、暖昼分别增加了15天、21天、32天、29天，极端天气冷指数呈下降趋势，霜冻、冷夜、冷昼分别减少了2天、24天、4天，乐山地区发生极端天气事件的可能性增加。（4）乐山市极端天气现象的发生与日益增加的人类活动以及全球变暖的大趋势密切相关。由于乐山市独特的地理位置，随着乐山市极端天气现象可能性的增加，乐山市发生干旱、洪涝、山地灾害的可能性也随之提高，需要做好预防准备。

矿山废弃地；基质改良；研究现状；应对措施

近百年来，全球气候正在经历一次以变暖为主要特征的显著变化，全球变暖已经是不争的事实，人类活动是近50年来全球气候变暖的主要原因（秦大河等，2007）。IPCC第四次评估报告指出，近一百年（1906—2005年）全球平均地表温度上升了0.74℃（IPCC.Summary for Policymakers of Climate Change 2007，2007）。在全球气候变暖的背景下，极端气温事件也得到了越来越多国内外学者的广泛关注（Alexander，2006）。丁一汇等（2006）研究表明，近一百年以来中国年平均地表气温明显增加，升温幅度比全球平均值略高，近50年以来中国主要极端天气事件发生的频率和强度也出现了明显的变化。Alexander（2006）等研究表明，近50年来70％以上的陆地都呈现出冷夜明显减少，暖夜明显增多的变化趋势。Choi et al（2009）分析亚太地区1955—2007年气象资料，也发现了类似的规律。周雅清等（2010）研究表明，我国霜冻日数和结冰日数明显减少，同时日最高（低）气温的极大（小）值整体都是上升趋势，此外冷昼（夜）日数明显减少。王琼等（2013）研究表明，我国长江流域在1962—2011年间，极端冷指数（冷昼日数、冷夜日数、冰冻日数等）的线性变化均呈现下降趋势，而极端暖指数（暖昼日数、暖夜日数、夏日日数等）的线性变化均呈现上升趋势。乐山市是长江流域的重要城市之一，近51年来，年平均气温呈现上升趋势，干旱、低温、洪涝、大风、冰雹等自然灾害频发。目前，针对长江流域大尺度范围极端天气事件的研究较多，但是对局部地区研究较少，因此有必要对乐山气象数据进行统计分析，讨论极端气温的变化趋势，对其极端气温变化周期进行分析，认识乐山地区极端气温事件的变化规律，减轻乐山地区自然灾害发生频率。

1 研究区自然概况、资料与方法

1.1 研究区自然概况

乐山地处四川盆地向西南山地过渡地带，总体趋势西南高，东北低，高差悬殊大。乐山坐落于岷江、青衣江、大渡河三江交汇处，位于四川省西南部。北与眉山接壤，东与自贡、宜宾毗邻，南与凉山相接，西与雅安连界。地理坐标介于北纬28°29′～29°55′，东经102°55′～104°00′（黎德川等，2009）。境内坝、丘、山交错，江河纵横，地形十分复杂，地貌类型多样。乐山属中亚热带季风气候，四季分明，雨量丰沛，降水季节差异大，水热同期，无霜期长。在其西南山区气候的垂直差异大，从山麓至山巅依次分布着中亚热带—暖温带—温带—寒温带的完整气候带，气候条件十分复杂。

1.2 资料与方法

本文所选取的气象资料均来自于中国气象科学数据共享服务（http：//cdc. cma. Gov.cn）中地面日值数据集乐山站。根据资料的完整性和时间长度尽可能长的原则，选取了乐山站自1962—2012年这51年的日气温最高值、最低值、平均值作为指数进行统计分析。将极端气温指数的数据进行线性拟合，然后再进行极端气温指数变率的分析，从而了解极端气温的发展趋势。并对极端最高（低）气温进行累积距平分析，最后采用小波分析方法对各极端气温指数进行周期分析，进而归纳总结极端气温的发展规律。根据WMO（Karl and Nicholls，1999）确定的“气候变化检测和指标”，本文选取了其中10项极端气温指数进行研究分析。这些指数能够很好地反应气候变化的各个方面，具有较弱的极端性，噪声低，显著性强的特点。以1962—2012年为研究时段，计算逐年极端气温指数及线性趋势。并将极端气温指数分为三类，第一类为极端指数，包括极端最高（低）气温；第二类为绝对指数，基于绝对阈值，包括冰冻日数、霜冻日数、夏季日数、热夜日数；第三类为相对指数，基于相对阈值，包括冷昼日数、冷夜日数、暖昼日数、暖夜日数，这些指数都分别采用百分位阈值法进行计算。以冷昼为例，将乐山站1962—2012年中同一日的气温按照升序排列，将第10个百分位值作为极端气温的阈值，然后将1962—2012年每年同一日期的日最高气温与该阈值相比较，若小于该阈值，则算作冷昼。

表1 极端气温指标的定义Table 1 The def nition of extreme temperature indexes

2 结果与分析

2.1 乐山市近51年气温变化

2.1.1 乐山市近51年气温变化趋势分析

在进行温度分析时，首先通过计算其气候倾向率来表述气象要素的变化趋势，采用线性倾向估计法，即设某一气象要素时间序列为y1，y2，y3…yn，它总可以用一个多项式来表达，一般来讲，温度的变化趋势用一次直线方程就能表达：

y=a0+a1t

式中y为气象要素，t为时间，a0为一个常数值。

由计算得出来的乐山市1962—2012年各项极端气温指数（表2）变率的分析可以得出，极端最高气温、极端最低气温、夏日、热夜、暖夜、暖昼都呈现出上升趋势；霜冻、冷夜、冷昼呈现出下降趋势。乐山地区近51年来极端最高气温上升了1.99℃，极端最低气温上升了2.14℃；夏日、热夜、暖夜、暖昼日数分别增加了15天、21天、32天、29天左右；霜冻、冷夜、冷昼日数则分别减少了2天、24天、4天左右。从表2可以看出，暖夜、暖昼在近51年发生了较大的变化，其变率都超过了5 d·10a-1，分别达到了6.34 d·10a-1、5.7 d·10a-1。这表明近51年来乐山市气温逐渐升高，夏季高温日数增多，冬季结霜日减少，但却并没有出现结冰现象。夜间的气温明显上升变暖，白天气温也有所升高，其各项极端气温指数的变化趋势在当前全球气温变暖的大背景下，虽并不十分显著，但变率也较大，致使乐山市极端天气现象出现的概率增加。

2.1.2 乐山市近51年气温极值指数变化

从图1可以看出，近51年来乐山市年极端最高（低）气温都呈现出上升趋势。年极端最高气温小幅波动上升，变化幅度为0.39℃·10a-1。从年代际平均值来看，1970's年代相较1960's年代最高气温有小幅上升，1980's年代平均最高气温较之前有小幅下降，1990's年代之后年平均最高气温呈现出持续小幅上升趋势。年极端最低温的上升幅度高于年极端最高温，变化幅度为0.42℃·10a-1，其上下波动幅度也明显大于年极端最高气温的波动幅度。从年代际平均值来看，1970's年代相较1960's年代最低气温小幅下降，从1980's年代开始气温较大幅度回升，并从此之后到2012年呈现阶梯式上升。从1980's开始极端最低温的不断上升，对于乐山市近51年来的极端最低温的均值起着很大的升高作用，使得其气候变暖的趋势愈加明显。

表2 极端气温指数变率分析（/10a）Table 2 The variable ratio analysis of extreme temperature indexes（/10a）

图1 1962—2012年乐山市极端最高气温、极端最低气温变化趋势Fig.1 Change in extreme high，low annual temperature of Leshan during 1962—2012

2.1.3 乐山市近51年气温绝对指数变化

由于乐山市地处四川西南部，处在典型的亚热带季风气候区，其日最高气温极少出现小于0℃的情况。通过对乐山市1962—2012年气温指数的分析，乐山市没有出现冰冻的现象。

从图2可以看出，夏日天数近51年来变化较大，整体上呈现出上升趋势，变率为2.98 d·10a-1。从其年代际平均值来看呈现出先小幅下降，再大幅上升的变化，从1960's开始到1990's，其年代际平均值一直处于小幅下降阶段，在1986年出现了最低值。从1990's开始夏日天数开始较大幅度的上升，在1998年出现了最大值。热夜天数呈现出了较大的增长趋势，其变率达到了4.13 d·10a-1，近50年热夜年代际平均值一直处于较为稳定的上升趋势，但是上升幅度较小，不太显著。霜冻日数呈现出较小幅度的下降趋势，变率为-0.46 d·10a-1，近51年来出现先上升，再下降的变化。1960's年代到1980's年代霜冻日数保持在相对较高的水平，且呈现上升趋势，在1975年达到了最高值。从1980's年代以后一直都处在下降趋势，1980's年代到1990's年代下降幅度相对较大，从1990's年代以后下降幅度较小，在这段时间曾连续多年（1995—2004年）未出现霜冻天气。

2.1.4 气温相对指数变化

从图3可以看出，冷夜天数在近51年来持续波动下降，下降趋势较为明显，其变率达到了-4.70 d·10a-1。在2012年出现了近51年来的最低值，仅为5天。在1968年达到了最大值，为60天。2012年仅为1968年的1/12，这说明冷夜天数的变化相对较为剧烈。从其年代际平均值来看，也呈现出阶梯式持续下降趋势。暖夜呈现出与冷夜相反的变化趋势，暖夜天数在近51年来持续波动上升，其波动幅度较大，变率达到了6.34 d·10a-1。在2006年出现了最大值，暖夜天数达到了85天。其年代际平均值呈现出持续上升趋势，在1960's年代到2000's年代之间，其一直呈小幅上升，2000's年代之后上升幅度相对之前较大，比较明显。

同冷夜、暖夜相比，冷昼天数呈现出小幅下降趋势，变率仅为-0.84 d·10a-1，近51年来减少了4天左右。冷昼天数总体呈现出先上升，后下降的变化趋势。从1960's年代到1990's年代，冷昼日数小幅上升，从1990's年代开始呈现出小幅下降趋势。由其R2为0.017，可以看出冷昼天数的波动较大。暖昼呈现出上升趋势，同冷昼相比，其上升幅度较大，变率达到了5.7 d·10a-1，近51年来暖昼天数增加了29天左右。暖昼天数总体呈现先下降，再上升的变化趋势，上升的幅度明显大于下降的幅度。1960's年代到1990's年代，暖昼日数小幅下降，从1990's年代至今则呈现相对较大幅度上升。

图2 1962—2012年乐山市极端气温绝对指数变化趋势Fig.2 Change in extreme temperature absolute indexes of Leshan during 1962—2012

图3 1962—2012年乐山市极端气温相对指数变化趋势Fig.3 Change in extreme temperature relative indexes of Leshan during 1962—2012

2.2 乐山市近51年年最高（低）气温距平变化趋势

从图4可以看出，乐山市年平均最低气温、最高气温都呈现出上升趋势，其中平均最低气温增温非常明显，趋势系数达到了0.42℃·10a-1，高于平均最高气温的趋势系数0.39℃·10a-1。平均最高气温从60年代初期到90年代末期一直在不断上下波动，但是波动幅度较小，除个别年份外，年极端最高气温均小于年平均最高气温，相对于51年来，这段时期处于降温期。从21世纪初期开始，年平均最高气温呈现出上升趋势，尤其是在2006年达到了1962—2012年这51年来的最高值，为3.93℃。在2006年波峰之后又趋于小幅上升趋势，相对于51年来，此阶段气候偏暖，处于升温期。平均最低气温从60年代初期到70年代中期呈现上下波动的特点，其波动幅度比年平均最高气温要稍大一些。年平均最低温在1975年降到了近51年的最低值，为-2.92℃。从1975年以后，年平均最低气温开始逐渐波动上升，在2003年达到了最高值，为2.48℃。年平均最低气温从60年代初期到80年中期，为一个降低期。从乐山市年平均最高（低）气温的距平变化趋势可以看出，从90年代开始乐山市的气温开始呈现出上升趋势，逐渐变暖，越到后期，气温增加幅度越大，趋势越明显。年平均最高温从21世纪开始逐渐上升，而21世纪前期一直处于一个降低期。年平均最低温在21世纪升高较为明显，且平均最高（低）气温距平最高值均出现在2000's，这说明21世纪气温变暖幅度较大，2000's可能是突变年的发生年代（张勇等，2008）。

图4 1962—2012年乐山市平均最高（a）、最低（b）气温距平变化Fig.4 Variations of annual minimum（a） and maximum（b） temperature anomalies in Leshan during 1962—2012

3 近51年乐山地区极端气温指数小波分析

小波分析是傅立叶分析思想方法的发展与延拓，是一种信号的时间-尺度（时间-频率）分析方法，它具有多分辨分析的特点，而且在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，被誉为分析信号的显微镜（朱希安等，2003）。本文所采用的复数的Morlet小波（张剑锋等，2012）具有良好的频率分析能力，对于总能量谱而言，复小波的实部和虚部的能量谱在不影响小波的频域分辨率的同时，能够明显提高分析结果的时间分辨率，因此本文运用此方法对极端气温指数进行了周期检测。

3.1 极值指数小波分析

图5为小波变换的小波系数，图5直观地显示出乐山地区1962—2012年年极端气温平面上的变化强弱。从图5可以看出年极端最低气温变化周期比较明显，小波系数等值线在2～3 a和11 ～12 a尺度上分布较为密集，且存在小波系数高，低值中心的振荡。年极端最低气温存在着2 a、11 a左右的准周期，11 a左右的振荡周期为主要控制周期，极端最低气温呈现出低—高循环的变化过程。从图5可以看出年极端最高气温小波系数等值线在17～18 a、26～27 a尺度上分布较为密集。年极端最高气温在存在着17 a、27 a左右的周期，17 a的周期产生于1970's中期，消失于21世纪初期。其中27 a左右的振荡周期贯穿始终，为主要控制周期，极端最高气温出现高—低—高的变化过程。

3.2 相对指数小波分析

图6为冷夜、暖夜、冷昼、暖昼小波系数分析图。从图6可以看出冷夜存在着5 a、17 a、28 a左右的周期，17 a、5 a周期较为明显和连续，为主控周期。冷昼存在着4 a、6 a、17 a、28 a左右的周期，4 a周期开始于1960's年代持续到21世纪初期左右消失，其中17 a周期贯穿始终，为主控周期，气温呈现出一个冷—暖—冷—暖—冷的变化趋势。暖夜存在着4 a、17 a、27 a左右的周期，17 a周期开始于1960's年代中期，消失于1990's年代初期，27 a周期贯穿始终，为主控周期，气温呈现出由暖变冷再变暖的变化趋势。暖昼存在着4 a、7 a、14 a、28 a左右的周期，7 a开始于1960's年代，消失于21世纪初期，27 a周期贯穿始终，为主控周期，气温呈现出与暖夜一样的变化趋势，由暖变冷再变暖。

3.3 绝对指数小波分析

图7为夏日、霜冻、热夜小波系数分析图。从图7可以看出夏日存在着16 a、28 a左右的周期，16 a开始1970's年代中期，消失于21世纪初期，28 a周期贯穿始终，为主控周期，夏日呈现出高—低—高的变化过程。霜冻存在着4 a、12 a、28 a左右的周期，4 a周期开始于1960's年代中期，消失于1990's年代中期，12 a周期较为明显和连续，贯穿始终，为主控周期，霜冻呈现出高—低循环的变化过程。热夜存在着17 a、28 a左右的周期，17 a的周期开始于1970's年代中期，消失于21世纪初期，28 a的周期较为明显且贯穿始终，为主控周期，热夜呈现出高—低—高的变化过程。

4 讨论

4.1 极端气温的规律和未来变化

通过上文对极端气温各指数的周期和变化规律的分析，可以看出年极端最高气温、暖夜、暖昼都存在27 a左右的周期；夏日、霜冻、热夜、冷夜、冷昼存在着28 a左右的周期；年极端最低气温存在着11 a左右的周期；除年极端最低气温外，其他的极端气温指数虽然主控周期不一致，但都存在28 a左右的周期。热夜、冷夜、冷昼、暖昼、暖夜、年极端最高气温还都存在着17 a左右的周期；霜冻、冷昼、暖夜、暖昼、都存在4 a左右的周期，年极端最低气温存在着2 a的周期。冷昼和暖昼变化较为复杂，存在4个周期。这表明虽然乐山地区的气温大体上有继续增温的可能性，但是在未来几年可能会有相对的气温下降趋势。这意味着虽然乐山地区地处亚热带地区，出现霜冻的几率较小，但随着气温的逐渐升高，气温日较差的增大，霜冻出现的机率会有所提高。并且随着夏日、暖夜、暖昼、热夜、年极端最高气温的增加，乐山地区也有可能发生旱涝灾害，夏季持续高热的趋势也有可能提高。在当前的技术条件下，气候的多变性和突变性是无法准确预测的，所以在全球变暖的大趋势下（刘学华等，2006），要注意乐山地区的异常气温现象，尤其是增温现象，做好预测和防护工作。

图6 乐山极端气温相对指数的变化周期Fig.6 The period of extreme temperature relative indexes of Leshan

图7 乐山极端气温绝对指数的变化周期Fig.7 The period of extreme temperature absolute indexes of Leshan

4.2 极端气温变化原因

经研究发现乐山地区近51年来，极端最高气温、极端最低气温值呈增大趋势，极端天气冷指标下降，极端天气热指标上升，乐山地区气温呈现整体上升趋势。极端最低气温上升幅度明显高于极端最高气温，这会导致极端气温年较差呈下降趋势。所有气温指数变化与全球气候变暖趋势相一致，可以推断出乐山地区极端天气事件的变化与全球气候变暖大趋势相关。乐山市总体上呈现气温上升，降水减少，但是乐山市各地的气温和降水变化趋势也存在着不同，有较为明显的区域差异（张勇等，2008）。并且乐山地处亚热带季风区，降水和气温季节变化较为显著，乐山市气温和降水的时空不平衡，有可能会使乐山地区的气温和降水出现突变的可能性增加。乐山地区城市化进程不断推进，工业生产活动不断扩张以及旅游业的蓬勃发展等一系列人类活动（傅桦，2007），在乐山市气温变暖的过程中起着重要的推动作用，对乐山极端气温的变化也起着重要的影响作用。

4.3 极端气温指数的主成分分析

利用SPSS19.0软件对乐山市极端气温指数的各因子进行主成分分析（唐功爽，2007），可以得出主成分和因子间的相关系数的载荷矩阵（表3），由表3可见，前4个主成分分别累计提取了总方差的86.7％。从表3可知，暖夜和暖昼在主成分1中具有较高的载荷，分别为0.86和0.83，这两个指数都为暖指数。并且通过对极端气温各指数间的相关系数进行计算得出，暖昼和暖夜彼此之间相关性较高，都为0.80。并结合前文中暖昼、暖夜变率较大（分别为6.34·10d-1、5.7·10d-1），而第一主成分占到方差贡献率的51.6％，其所占的方差贡献率较高，因此可以推断出暖指数的变化是乐山市1962—2012年气温上升的主要原因。

通过对极端气温各指数的相关性计算得出，各指数之间相关性较好，各冷指数之间和各暖指数之间均为正相关关系，而冷指数跟暖指数之间存在负相关关系。这与前文的冷指数随时间呈下降趋势，而暖指数呈上升趋势的分析是相一致的。

表3 1962—2012年乐山市极端气温指数的因子分析Table 3 The factor analysis of extreme temperature indexesin Leshan from 1962 to 2012

5 结论

（1）乐山地区近51年来的极端最高气温、极端最低气温在波动变化的基础上有上升趋势，由线性拟合分析得出其变率分别为0.39℃·10a-1和0.42℃·10a-1。

（2）乐山地区近51年来霜冻、冷夜、冷昼三个冷指数呈下降趋势，其下降变率分别为-0.46 d·10a-1，-4.70 d·10a-1，-0.84 d·10a-1。这意味着乐山市近51年来呈现出总体气温升高，秋、冬季结霜日减少，夜间气温与白天气温升高。

（3）乐山地区近51年来极端最高气温、夏日、热夜、暖夜、暖昼五个热指数呈上升趋势，上升率分别为0.39℃·10a-1、2.98 d·10a-1、4.13 ·10a-1、6.34 d·10a-1、5.7 d·10a-1，暖夜、暖昼变化较为剧烈，都超过了5 d·10a-1。这表明乐山市近51年来夏季高温日数增多，持续高温变化趋势增强，极端低温事件和严寒天气减少，高温天气和极端高温事件明显增加，表现为气温变暖趋势，这意味着乐山地区发生极端天气现象的可能性增加。

（4）乐山市极端最高气温、极端最低气温、夏日、暖昼在1990's年代相较之前都呈现出不同程度的上升趋势，热夜、暖夜则一直呈现出小幅上升趋势。霜冻在1980's年代开始下降，冷昼在1990's年代开始下降，而冷夜则一直处于下降状态。这表明乐山地区气温上升与气候变暖可能是从1990's年代开始的，并逐渐变得显著。

（5）通过对极端气温指数的周期分析，可以看出28 a左右是本文所选10个指数比较稳定的周期，共同反映乐山地区极端天气的周期规律。

（6）乐山地区的极端天气现象的变化与全球气候变暖密切相关，乐山地区气温呈上升趋势主要是受暖指数变化的影响。

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Research on annual extreme temperature in recent 51 years in Leshan，Sichuan province

XIA Fei1，ZHAO Jing-bo1，2
（1. College of Tourism and Environment Science，ShaanxiNormalUniversity，Xi'an 710062，China； 2. State Key Laboratory of Loess and Quaternary Geology，Earth Environment Institute，Chinese Academy of Science，Xi'an 710061，China）

Based on the daily temperature data of Leshan from 1962 to 2012，the methods of linear fitting，accumulative anomaly and Morlet complex wavelet are employed to calculate and analyzetenextreme temperatureindexeswhich are released by WMO. The results are as follows：（1） The extreme maximum temperature and extreme minimum temperature has a rising trend，frost days，cold nights and cold days are on the decline，summer days，tropical nights，warm nights and warm days are on a f uctuant rise. （2） The annual extreme maximum temperature，warmnights and warmdays have a cycle of 27 years around，summer days，frost days，tropicalnights，cold nights and cold days have a cycle of 28 years around，the annual extreme minimum temperature has a cycle of 11 years around. Besides the annualextreme minimum temperature，the others have a cycle of 28 years around while they have different master cycles. The variationof cold days and warm days is more complex，they have four cycles. （3） The warmindexesof extreme temperature are on the rise，summer days，tropical nights，warmnights，warm days respectively increased 15 days，21 days，32 days，29 days，cold indexesof extreme temperatureare on the decline，frost days，cold nights，cold days respectively decreased 2 days，24 days，4 days. （4） The possibility of the occurrence of extreme weather eventshas increased in Leshan. The extreme weather is closely related to the increasing human activities and the global warmingtrend. Due to the unique geography of Leshan，the possibility of drought，f oods and mountain disasters will increasealong with the increasing possibility of extreme weather. Sowe need to make good preparations for prevention.

Extreme temperature； variationtendency； cycles； recent 51years； Leshan of Sichuan province

P467

A

1674-9901（2015）01-0001-10

10.7515/JEE201501001

2014-10-10

国家自然科学基金项目（40672108）；中国科学院黄土与第四纪地质国家重点实验室项目（SKLLQG0606）

赵景波，E-mail：zhaojb@snnu.edu.cn