天水市近63年极端温度变化特征分析

姚延锋 朱恩超 安晶 李悦 汪鸿滨

摘  要：为研究气候变暖对天水极端温度的影响，利用天水观测站1951—2013年逐年极端温度资料，运用气候倾向率、趋势系数、百分位法、滑动T检验等统计方法，分析极端温度对气候变暖的响应特征。结果表明：天水年极端最高（低）温度均呈显著性升高趋势，极端最高气温上升0.2℃/10 a，极端最低气温上升0.3℃/10 a，都通过了α=0.01的显著性检验;通过百分位法定义了极端温度的阈值，分析发现，极端最高气温与阈值的差值随时间序列的增加逐步增大，极端最低气温与阈值的差值随时间序列的增加逐步减少，对极端最高温度和极端最低温度利用滑动T检验法进行突变检验，在α=0.01显著性水平下，极端最低温度没有发生突变，而极端最高温度在1983年和1993年发生了2次十分明显的突变。

关键词：极端温度;阈值;百分位法;滑动T检验

中图分类号：P468.0+2    文献标志码：A    论文编号：2014-0407

Extreme Temperature Variability in Tianshui over the Past 63 Years

Yao Yanfeng， Zhu Enchao， An Jing， Li Yue， Wang Hongbin

（Tianshui Meteorological Bureau， Tianshui 741000， Gansu， China）

Abstract： Evaluation of extreme temperature changes in Tianshui under global warming is studied based on annual extreme temperature data from 1951 to 2013. To better understand the variability and long-term trend of extreme temperature， various mathematical statistics methods， including the climate tendency rate， climate tendency coefficient， percentile threshold value method and sliding T-test method， have been used. Results indicate that annual extreme temperature showed a significant increase trend over the past 63 years. The extreme high-temperature rate of increase is estimated as 0.2℃/10 a， while the extreme low-temperature increased by 0.3℃/10 a， which are all statistically significant at 99% confidence level. The threshold values of temperature extremes have been determined using the percentile threshold value method， we find that the difference between the extreme high-temperature （extreme low-temperature） and the corresponding threshold value increased （decreased） with the length of time series. The temporal characteristics of extreme high-temperature and extreme low-temperature trends are analyzed by using sliding T-test method. There is no significant abrupt change in extreme low-temperature at 99% confidence level. In contrast， the extreme high-temperature changes abruptly in 1983 and 1993.

Key words： Extreme Temperature; Threshold; Percentile Threshold Value Method; Sliding T-test Method

0  引言

气候变暖已成为不争的事实。大量研究表明，在全球气候变暖的情况下，极端气候事件所造成的经济损失以及给社会带来的影响非常巨大，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第4次评估报告指出，1906—2005年全球平均气温升高（0.74±0.18）℃，且各区域对全球变化存在不同程度的区域响应[1-10]。许多研究[11-14]指出，中国热日和暖夜的频数显著增加，冷日和冷夜的日数明显减少，由此引起的极端气候事件的频率和强度在增加[15-19]，造成的灾害损失也在日益加剧，因此研究极端温度的变化[18-20]十分必要。

近年来，一些学者对天水降水、气温等变化特征已经有了一些分析[21]，但是围绕极端温度对气候变暖的响应研究甚少，笔者以极端温度作为研究对象，利用逐日最高、最低温度资料，探讨气候变暖对极端温度的影响及变化趋势[22]，为进一步认识气候变暖提供科学依据。

1  资料与方法

1.1  研究区概况

天水地处西北地区东南部，处于中国地形和气候过渡带，气候复杂，该地区四季分明，冬冷干燥，雨雪稀少;夏热无酷暑，雨热同季，降水集中;春季升温快，冷暖多变;秋季降温迅速，常出现连阴雨天气。极端最高温度出现在1997年7月21日，达38.2℃，极端最低气温为-19.2℃，出现在1955年1月10日。

1.2  资料来源及说明

本研究使用的极端最高温度和极端最低温度资料来源于天水市国家气象观测站1951—2013年的观测数据。查阅历史资料发现，天水观测站曾于1952、1954、2004年出现过3次迁站，对比搬迁的位置，温度资料不影响代表性和对比性。

1.3  研究方法

1.3.1  线性倾向估计  一般来讲，降水的气候趋势用一次直线方程或二次曲线方程就能满足，本研究采用一次直线方程来评价降水的变化趋势：

y（t）=a+bt   t=1，2，3…，n…（1）

y（t）为第t年的观测值，t为时间序列，b=dy（t）/dt，把b×10作为降水每10年的气候倾向率，单位为mm/10 a和d/10 a，回归系数b和常数a可用最小二乘法或经验正交多项式来确定，其中b表征了降水的变化趋势，b>0，表示随时间t的增加呈上升趋势，b<0，表示随时间t的增加呈下降趋势。

1.3.2  趋势系数  趋势系数r表征t与y之间线性相关的密切程度：

b=r（[σ]y/[σ]t）…（2）

[σ]y和[σ]t为降水序列和自然序列的均方差，r与b的符号相同，[r]越趋近于1，表示t与y之间线性相关越大，[r]越趋近于0，表示t与y之间线性相关越小。

1.3.3  百分位法  极端温度阈值采用普遍使用的百分位定义法，将n个变量值从小到大排列，X（j）表示此数列中第j个数。设（n+1）P%=j+g，j为整数部分，g为小数部分，当g=0时：P百分位数=X（j）;

当g≠0时：P百分位数=g×X（j+1）+（1-g）×X（j）=X（j）+g×[X（j+1）-X（j）]。

1.3.4  滑动T检验法  利用10年滑动T检验法对极端最高温度和极端最低温度进行突变分析，设置显著性水平为0.01。

2  结果与分析

2.1  年极端气温的变化趋势

研究表明，极端最高温度的升高将带来热浪、高温等灾害性天气，同时对城市运行、电力运行、野外作业等造成重大的影响，极端最低气温的升高将出现暖冬，对越冬作物、病虫害等有不利影响。分析1951—2013年逐年的极端最高（最低）气温变化趋势发现（图1和图2，虚线为平均值），极端最高气温和极端最低气温都呈上升趋势，极端最高气温上升0.2℃/10 a，趋势系数r为0.306，极端最低气温上升0.3℃/10 a，趋势系数r为0.332，都通过了α=0.01的显著性检验，极端最低气温的上升趋势较极端最高气温的上升趋势明显，进一步说明，在全球气候变暖的情况下，天水地区出现高温的频率在日益增加，出现冷事件的概率日益减小。

以10年为单位分析平均极端最高气温和最低气温发现，极端最高气温呈现波动上升趋势，回归系数b为0.25，趋势系数r为0.61，通过了α=0.01的显著性检验，20世纪50年代至21世纪00年代，呈现“下降—上升—下降—上升—上升”，特别是20世纪80年代开始上升趋势非常明显，90年代比80年代平均极端最高气温上升了近2℃;极端最低气温呈现上升趋势，回归系数b为0.42，趋势系数r为0.92，通过了α=0.01的显著性检验，几乎是呈直线上升态势，21世纪00年代比20世纪50年代平均极端最低气温上升了近2℃，进一步证明了在气候变暖的情况下，极端最高、极端最低气温呈显著性上升。

2.2  极端最高（低）气温阈值的分析

为进一步研究气候变暖对温度的影响，采用普遍使用的百分位定义法来研究极端温度阈值，首先将1951—2013年逐年的极端最高（低）温度资料按照降序排列，将第5（95）个百分位值定义为该站的极端最高（低）气温的阈值。然后分析逐年的极端最高（低）气温与阈值的差值（图略），分析其差值与实践序列的关系，计算得知极端最高温度的阈值为32.53℃，极端最低气温的阈值为-9.91℃，分析极端最高温度与阈值的差值发现，只有1989年（-0.83）、1992年（-0.13）、1993年（-0.23）为负值，其他年份全部为正值，正值最大在1997年（5.67），差值随时间序列为上升趋势，分析极端最低温度与阈值的差值发现，只有1985年（0.31）、1999年（0.51）、2000年（0.91）为正值，其他年份全部为负值，负值最大在1955年（-9.29），差值随时间序列为上升趋势，上升趋势（b=0.03）较极端最高温度的差值上升趋势（b=0.02）明显。说明，极端最高气温与阈值的差值随时间序列的增加逐步增大，极端最低气温与阈值的差值随时间序列的增加逐步减少。

2.3  极端温度突变检验

对天水市1951—2013年的极端最高温度和极端最低温度利用滑动T检验法进行突变检验（图3和图4）发现，在α=0.01显著性水平下，极端最低温度没有发生突变，而极端最高温度在1983年和1993年发生了2次十分明显的突变。分别计算1983年之前、1983—1993年、1993年之后共3个时段的极端最高温度平均值、线性倾向系数后发现，3个时段的平均值分别为：34.4、33.3和35.6℃，第2时段比第1时段减少1.1℃，第3时段比第2时段增加2.3℃，3个时段的回归系数分别为0.06、-0.08、0.17，趋势系数分别为0.49、-0.25、0.35，都通过了99%的显著性检验，3个时段内的变化趋势分别为：增加、减少和增加，1993年以来的增加趋势较为明显。

3  结论

通过对天水极端最高温度的分析得知，天水极端最高温度、极端最低温度呈显著性升高趋势，上升幅度分别为0.2和0.3℃/10 a，极端最低温度的上升趋势较极端最高温度上升明显。

采用百分位定义得到天水地区极端温度的阈值分别为32.53℃和-9.91℃，分析极端温度与阈值的差值发现，极端最高气温与阈值的差值随时间序列的增加逐步增大，极端最低气温与阈值的差值随时间序列的增加逐步减少。

极端最高温度在1983年和1993年发生了2次十分明显的突变，1983年之前、1983—1993年、1993年之后3个时段变化趋势分别为增加、减少和增加，1993年以来的增加趋势较为明显;极端最低温度没有发生突变。

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