近58年来我国大陆极端气温变化特征

翟少婧 黄骏骏 任伯骅 王冰 王大鹏

摘要利用1954—2011年我国大陆142站逐日最高、最低气温资料，采用EOF等统计分析方法，分析了近58年来我国大陆极端气温的基本变化特征，并探讨其对气候变暖的响应程度。结果表明，近58年我国大陆年极端最低气温呈上升趋势，年极端最高气温也呈递增趋势，并且20世纪90年代以来这种趋势表现较为明显；我国大陆极端最低气温主要受冬季风和太阳辐射影响，极端最高气温主要受地形影响。极端气温在时间分布上表现为：极端高温年代际变化是20世纪90年代前递减，90年代后递增；年极端高温事件发生频次除塔里木盆地外均对区域性增暖呈显著的正响应。

关键词极端气温；变化特征；EOF分析；气候变暖；我国大陆

中图分类号S161.2文献标识码A文章编号0517-6611（2017）21-0169-05

Change Characteristics of Extreme Temperature in Mainland China in Recent 58 Years

ZHAI Shaojing1，HUANG Junjun2，REN Bohua3 et al

（1.Longkou City Meteorological Bureau，Longkou，Shandong 265700；2.Yichun Airport Branch，Jiangxi Province Airport Group Company，Yichun，Jiangxi 336000；3.Yantai City Meteorological Bureau，Yantai，Shandong 264003）

Key wordsUsing the daily maximum and minimum temperature data of 142 stations in Mainland China from 1954 to 2011， the basic change characteristics of extreme temperature in mainland China in recent 58 years were analyzed by EOF and other statistical analysis methods， and the response degree to climate warming was discussed.The results showed that the extreme minimum temperature was increasing in the past 58 years， and the extreme maximum temperature was increasing， and the trend was more obvious since the 1990s.The extreme minimum temperature was mainly affected by the winter monsoon and solar radiation， the extreme maximum temperature was mainly affected by the terrain.For the time variations， extreme temperature distribution showed that decadal changes in extreme high temperature with deceasing trend in the 1990s， and increasing after the 1990s；which showed positive response to the regional warming in addition to the Tarim basin.

Key wordsExtreme temperature；Change characteristics；EOF analysis；Climate warming；Mainland China

在全球變暖的大背景下，極端天气气候事件的发生越来越频繁，给世界各国造成了严重的经济损失和社会安全隐患。极端天气气候事件比气候平均天气状况强度更强，破坏性更大，因此对极端天气气候事件的研究也受到了越来越多的关注。

极端气温作为一种极端气候事件，近年来各国气象学者已从不同的角度进行了研究[1-4]，张宁等[2]、刘学华等[3]根据我国气温和降水资料，采用趋势系数、偏态系数等统计指标，研究发现全国严寒天和极端低温事件明显减少，表现为气温变暖趋势；邓自旺等[5]、程炳岩等[6]研究了全球气候变暖对区域夏季极端高温事件概率的影响。但以往的研究比较多地考虑单个区域的极端气候的变化特征，并且常将极端气温和降水一起考虑，很少对我国整个区域单就极端气温进行考虑。笔者利用1954—2011年我国大陆142站逐日最高、最低气温资料，分析近58年来我国大陆极端气温在空间分布以及时间演变上的特征，同时更深一步地了解极端气温的变化与气候变暖之间的关系。

1资料与方法

1.1资料来源

所用资料来自中国气象科学数据共享服务网提供的1954—2011年的气候资料日值数据集。在综合考虑站点数据的时间序列长度、完整性、代表性以及资料的便于统计，选取1954—2011年142个站的站点资料。

1.2极端气温的定义

将某站1954—2011年中同日的最高（低）气温资料按升序排列，得到该日第95（5）个最高（低）气温的百分位值，按照此方法可得到366个最高（低）气温的第95（5）个百分位值，将之作为极端高（低）温度事件的上（下）阙值。如果某日的最高温度大于该日极端温度事件的上阙值，则认为该日出现了极端高温事件；同时如果某日的最低温度小于该日极端温度事件的下阙值，则认为该日出现了极端低温事件。

Bonsal等[7]指出，如果某個气象要素有n个值，将这n个值按升序排列x1，x2，…，xm，…xn，某个值小于或等于xm的概率P=（m-0.31）/（n+0.38），其中m为xm 的序号，如果有30个值，那么第95个百分位上的值为排序后的x29（P=944%）和x30（P=97.7%）的线性插值；n为某个气象要素值的个数。

1.3研究方法

该研究所用方法有EOF分析、多项式拟合以及相关系数计算等。

使用经验正交函数分解法（EOF法）分析我国大陆年极端气温的分布特征，将气象变量场的时间与空间变化分离开来，并且用尽可能少的模态表达出主要的时间和空间变化。主要思想是：将气温的标准化值矩阵X分解成空间函数矩阵V 和时间函数矩阵Y的乘积，并且有“正交”的要求：V′k·V l = 0、Y′k·Y l= 0。其中，Vk、Vl 和Yk、Yl 分别是矩阵V 和Y的第k 行和第l行，k≠l。气象变量场分解后，应计算相邻2个特征值之差进行显著性检验，从而判断对该气象变量场的分解是否有意义。设n 为样本量，λi 是第i个特征值，如果满足λi -λi+1 ≥ei =λi 2/n，则认为第i个特征值所对应的经验正交函数的分解是有意义的。

2结果与分析

2.1极端气温的时空分布特征

2.1.1年极端最低气温的时空分布。

利用我国大陆142站年极端最低气温数据，对其标准化值进行EOF分析，结果见表1。根据显著性检验原则，前3个主成分（累计方差贡献率达51.4%）是有价值的。图1～3是EOF分析得出的前3个特征向量场分布及其时间系数变化情况。

从图1a可以看出，第1特征向量的各个分量都小于0，说明近58年我国大陆极端最低气温变化趋势具有基本一致的特征，低值中心主要集中在我国河套地区、南方地区、东北地区以及吐鲁番盆地附近，其荷载值一般小于-0.6。结合相应的时间系数（图1b）来看，近58年我国大陆极端最低气温年际波动较明显，年极端最低气温较低的年份有1955、1967、1969和1977年，其中1955年最小，而在1988、1992、1995和2007年年极端最低气温值较大，尤其在2007年为最大。总的来说，1980年以前我国大陆年极端最低气温以负值为主，1980年以后则以正值为主。

由图2a可知，近58年我国大陆南部和北部的年极端最低气温变化呈相反的空间分布特征，即南部的年极端最低气

温较高（低）时，北部较低（高）。在我国北方，西北的西部以

及我国东北地区的特征向量值大于0，其中东北地区其特征值最大，中心值达0.6以上，其他地区的特征值小于0，四川盆地附近的特征值较小。结合时间系数（图2b）来看，近58年我国大陆极端最低气温年代际波动很明显，1975年时间系数最大，而1955和1991年时间系数较大，说明在这些年份我国东北地区年极端最低气温较大，我国北方和西北西部年极端最低气温较大，而在四川盆地附近年极端最低气温最小；时间系数小的年份有1966、1987、1990和2001年，其中2001年时间系数最小。总的来说，在我国北部，年极端最低气温有着缓慢递减再递增又递减而在20世纪90年代以后明显递增的趋势；而我国的南部及西部区域则刚好与之相反。

由图3a可知，我国东北、西南以及东南沿海地区年极端最低气温第3模态的特征值小于0，尤其在我国云贵高原地区为一个低值中心，中心值为-0.5，而其他地区的特征值大于0，特别是河套地区为一个高值中心，其中心值为0.4。结合时间系数（图3b）来看，近58年我国大陆年极端最低气温年代际波动较为明显，在1963、1974、1982、1983和1999年时间系数较大，其中1982年的时间系数最大，结合特征向量图分析可以看出，在这些年我国东北、西南以及东南沿海有相对于往年更低的年极端最低温度，其中在云贵高原附近有一个年极端最低温度的低值中心，在其他区域则有相对于往年更高的年极端最低温度，在河套附近则存在年極端最低温度的高值中心；而在1954、2002、2006和2008年的时间系数较小，其中2002年的最小。总的来说，在我国大部分区域年极端最低气温有着先缓慢增加后下降的趋势，其中20世纪90年代以来其下降趋势较为明显而迅速，而在我国东北、西南以及东南沿海少部分地区的变化趋势则相反。

从图4a可以看出，第1特征向量的各个分量都是小于0，说明近58年我国大陆年极端最高气温变化趋势具有基本一致的特征，低值中心主要集中在腾格里沙漠、内蒙古高原以及青藏高原地区，其特征值达-0.6，同时在长江中下游以及华北地区存在有低值次中心，其值为-0.5。结合时间系数（图4b）分析，时间系数总体呈现先递减后递增再递减的趋势，总的来说，年极端最高温度显示了先递增后递减再递增的趋势，尤其在1990年以后上升趋势较为明显，当然在近年来上升趋势较为平缓，渐趋稳定。在1954、1984和1993年时间系数较大，其中1993年的最大，说明在这些年份我国大陆年极端最高气温相对其他年份低，尤其是内蒙古高原、河套西部以及青藏高原地区的年极端最高气温最低；同时时间系数较小的年份有1966、2000、2001、2002和2010年，其中2010年的最小，说明在这些年份我国大陆年极端最高气温相对其他年份要高很多，尤其在内蒙古高原、腾格里沙漠和青藏高原地区的年极端最高气温更高，而在华北地区以及长江中下游地区的年极端最高气温也很高。

由图5a可知，近58年我国西南地区以及我国东部地区的特征向量值小于0，尤其在长江中下游地区存在低值中心，其值达-0.6，而在云贵高原地区则存在一个低值次中心，值为-0.5；同时在我国其他区域其特征向量值是正的，而在内蒙古高原以及东北平原地带存在高值中心，值达0.4。结合时间系数（图5b）分析，在1955、1973、1982、1997和1999年的时间系数值较大，其中1997年的时间系数最大，说明在这些年份我国南部大部分区域的年极端最高气温比其他年份低很多，而东北以及内蒙古高原地区的年极端最高气温在1997年达到历年最小值；同时时间系数较小的年份有1967、1971、2003年，其中2003年的最小，说明这些年我国南部大部分区域的年极端最高气温比其他年高很多，而在2003年这些区域的年极端最高气温达到历年最大值，同时在我国的东北以及内蒙古高原地区的年极端最高气温则较低。

總的来说，近58年我国大陆年极端最高温度呈先递增后递减再递增的趋势。从我国南北差异来看，我国南部区域的年极端最高温度呈现了先递增后递减随后趋于稳定的趋势，而我国北部变化趋势则刚好相反，其在1960年前递减，1960—1975年递增，随后渐趋稳定。

2.2极端高、低温日数的时间分布特征

由图6a可知，1954—2011年我国大陆年均极端高温日数为18.9 d，其中以1998年最多，为33.2 d，1985年最少，为9.5 d。在这58年中，有21年的极端高温日数多于20 d，有2年的极端高温日数少于10 d。近58年我国大陆极端高温日数主要呈现1954—1975年递减、1975—2011年递增的趋势，尤其在1995年以来上升趋势极其显著。

由图6b可知，1954—2011年我国大陆年均极端低温日数也为18.9 d，1969年的极端低温日数最多，为36.5 d，2007年的极端低温日数最少，为6.1 d；其中，有8年的极端低温日数是小于10 d的，当然大于20 d的极端低温日数有24年。近58年我国大陆极端低温日数总体呈现递减的趋势，1954—1975年递减趋势较为平缓，1975—2000年下降趋势较为剧烈，而2000—2011年趋势基本不变，偶有上升，但上升程度不明显。

以1954—2011年年均极端气温日数18.9 d为常年值，分析极端气温日数的年代际距平。由图7可知，极端高温日数年代际距平在1954—1990年递减，1990—2010年递增，且增长形势猛烈。各时间段距平值变化很大，其中，20世纪90年代以后为正距平，尤其在20世纪以来，其极端高温日数正距平最大，达8.5 d；而90年代以前其极端高温日数都为负距平，在80年代为最小，为-4.2 d。近58年我国大陆极端低温日数年代际距平总体呈现下降趋势，尤其是20世纪70、80年代递减较为剧烈，其中，80年代以前为正距平；80年代以后为负距平；尤其在50年代，极端低温日数年代际距平达到最大，为8.9 d；而在21世纪其年代际距平达到最小，为-9.2 d。

2.3极端高温与气候变暖的关系

为了进一步了解我国大陆年极端高温事件发生频次与气候变暖的关系，分析近58年我国大陆年平均温度与年极端高温事件发生频次的相关系数空间分布（图8）发现，大部分区域相关系数为正值，只有在塔里木盆地相关系数为负值。河套地区东北、华东以及华北部分地区相关系数大于05，说明在这些区域年极端高温事件与气候变暖的响应比较显著；而在云贵高原以及四川盆地附近相关系数相对较小，但也达到了0.10的置信水平，说明这些区域极端高温事件发生频次与气候变暖的响应相对较差。值得一提的是，从塔里木盆地向四周扩散，相关系数值逐渐增大，最大可达06，说明这些区域极端高温事件发生频次对气候变暖的响应从无到有、从不显著到显著。

3结论

（1）1954—2011年我国大陆年极端最低气温总体呈现缓慢上升的趋势，尤其在1990年以来上升趋势较为显著。而从南北方向来说，在北部，年极端最低气温先缓慢递减再递增又递减，而在20世纪90年代以后明显递增；在南部，年极端最低气温先缓慢递增再递减又递增，而在90年代以后明显递减。

（2）我国大陆年极端最高气温总体也呈现出缓慢递增的趋势，尤其在20世纪90年代后期增高趋势较为明显，而从我国的南北差异来看，我国南部区域的年极端最高温度呈现先递增后递减随后趋于稳定的趋势，而我国北部变化趋势则刚好相反，其在1960年前递减，1960—1975年递增，随后渐趋稳定。

（3）近58年我国大陆年均极端气温日数为18.9 d，极端高温日数基本上逐年递增，而极端低温日数则递减，尤其在20世纪90年代以来极端高温日数增长趋势极其显著。同时，从年代际来看，20世纪极端高温日数正距平达到最大，有8.5 d，而同时其极端低温日数负距平达到最小，为-9.2 d。极端高温日数年代际变化是20世纪90年代前递减，90年代后递增，且上升形势极其显著；极端低温日数年代际变化则一直处于下降趋势，且在70、80年代下降较为猛烈。

（4）我国除塔里木盆地外的其他地区的年极端高温事件发生频次对气候变暖呈较显著的响应，可见极端高温的递增对气温平均值的上升有正贡献，同时平均气温的上升有可能导致新的极端高温事件的发生。

参考文献

[1] 翟盘茂，潘晓华.中国北方近50年温度和降水极端事件变化[J].地理学报，2003，58（S1）：1-10.

[2] 张宁，孙照渤，曾刚.1955—2005 年中国极端气温的变化[J].南京气象学院学报，2008，31（1）：123-128.

[3] 刘学华，季致建，吴洪宝，等.中国近40年极端气温和降水的分布特征及年代际差异[J].热带气象学报，2006，22（6）：618-624.

[4] 唐红玉，翟盘茂，王振宇.1951～2002年中國平均最高、最低气温及日较差变化[J].气候与环境研究，2005，10（4）：728-735.

[5] 邓自旺，丁裕国，陈业国.全球气候变暖对长江三角洲极端高温事件概率的影响[J].南京气象学院学报，2000，23（1）：42-47.

[6] 程炳岩，丁裕国，何卷雄.全球变暖对区域极端气温出现概率的影响[J].热带气象学报，2003，19（4）：429-435.

[7] BONSAL B R，ZHANG X，VINCENT L A，et al.Characteristics of daily and extreme temperature over Canada[J].J Climate，2001，14（9）：1959-1976.

安徽农业科学，Journal of Anhui Agri. Sci.2017，45（21）：179-183，251