河南省旬极端最高气温的时空变化特征

程芳芳, 王纪军, 刘翠善, 李红卫, 余辉, 吴洁, 李风秀

(1.中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003； 2.郑州市气象局，河南 郑州 450048； 3.河南省气候中心，河南 郑州 450003； 4.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

河南省旬极端最高气温的时空变化特征

程芳芳1,2, 王纪军1,3, 刘翠善4, 李红卫2, 余辉2, 吴洁2, 李风秀3

(1.中国气象局 河南省农业气象保障与应用技术重点开放实验室，河南 郑州 450003； 2.郑州市气象局，河南 郑州 450048； 3.河南省气候中心，河南 郑州 450003； 4.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

全球变暖背景下极端事件增多、增强，基于河南省107个气象观测站1961—2012年逐旬极端最高气温资料，采用去趋势波动分析方法，分析了河南省旬极端最高气温的时空变化特征。结果表明：河南省平均旬极端最高气温为25.1 ℃，旬极端最高气温累积离差总体上呈线性下降趋势；站间旬极端气温均方差约1.4 ℃；站间均方差的累积离差呈现二次函数的上升趋势；107个观测站旬极端最高气温的标度指数均小于0.5，且空间变异性较小。

河南省；去趋势波动分析；旬极端最高气温；时空变化特征

政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC)第五次评估报告以更多的观测和研究证据证明了全球气候变暖，1880—2012年，全球平均地表温度升高了0.85 ℃(0.65～1.06 ℃)，预估未来全球气候变暖仍将持续，到21世纪末全球平均地表温度在1986—2005年的基础上将再上升0.3～4.8 ℃[1]。相比而言，极端气候事件比气候平均态对气候变化的反应更为敏感，且可能对社会和环境产生重大的影响[2-5]。国内外学者对全球变暖背景下的极端气温进行了相关研究：陈晓光等[6]分析了宁夏44年来最高、最低气温的变化趋势，认为年平均最低气温呈现升高趋势，但是极冷日数却在增加；龚志强等[7]运用动力学自相关因子指数Q分析了中国气温的时空变化特征；杨萍等[8]利用全国194个站近40年逐日最高和最低气温数据，分析了极端气温年和季的变化特征，认为年和季极端冷暖指数均为增暖趋势；刘晓玲等[9]研究认为西安地区的年平均气温、年平均最高气温和年平均最低气温均呈上升趋势，白天高温日数增加、夜间低温日数减少；王纪军等[10]对中原地区气温变化趋势进行了研究，认为中原地区近年来冬、春、秋季和年的气温指标基本呈增大趋势,其中年极端最低气温的上升最为剧烈,而年极端最高气温的下降也比较明显；张丽等[11]认为近61年来郑州市气温呈总体上升趋势；张万诚等[12]利用逐月极值气温资料对云南四季以及年极端气温进行了分析，认为云南最高和最低气温均呈明显的增温趋势,冷事件减少,暖事件增多。郁珍艳等[13]运用气候倾向率等方法分析了浙江极端温度变化特征，认为极端高温日数增加，极端低温日数减少，同时分析了城乡变化差异。朱歆炜等[14]认为湖南省暖日和暖夜数呈上升趋势，冷日和冷夜数呈下降趋势。

以往关于极端气温的相关研究大多在年、季和月尺度上进行变化要素的趋势分析,而旬极端气温对农业生产和生态环境等方面的影响更为明显。河南位于中国内陆腹地，是我国重要的农业和人口大省，其粮食生产在保障我国粮食安全中占有举足轻重的地位。笔者基于河南省107个气象站点的资料，采用去趋势波动分析法，系统地分析了河南省旬极端最高气温的时空变化特征，以期为短期气候的精确预测和保障粮食生产提供科学支撑。

1 资料与方法

1.1 数据资料

河南省107个气象观测站1961—2012年逐日极端最高气温数据资料由河南省气象局气象信息与技术保障中心提供，将其统计为旬极端最高气温，然后对旬极端最高气温进行分析。河南省气象站点分布如图1所示。

图1 河南省地理位置及气象站点分布示意图

1.2 分析方法

去趋势波动分析(Detrended Fluctuation Analysis,DFA)方法是1994年由PENG等[15]基于DNA机理提出的用于时间序列的长程相关性分析方法。DFA方法可以有效地滤去序列中的各阶趋势成分，能够检测到含有噪声且叠加有多项式趋势信号的长程相关性[16]。对于相关系数(即标度指数α)：

1)当0<α<0.5时，表明原序列存在负相关性，即如果某时间序列之前呈现上升趋势，那么之后则会是下降趋势，反之同理。

2)当α=0.5时，说明序列具有标度不变性，是一个独立的随机过程，即当前状态不会影响将来状态。

3)当α>0.5时，说明序列各个值之间不是相互独立的，具有长程相关性，即序列过去一个时期的趋势隐含未来一段时期会呈现同样的趋势。

4)当α≥1时，说明序列具有持久性的长程相关性，但不是幂律相关。

偏度系数Csk和峰度系数Csh分别用下式进行计算：

在样本容量足够大时，如果样本服从正态分布，其偏度系数和峰度系数也服从正态分布。累积离差反映了序列的变化趋势，如果斜率为正，表明该序列具有上升趋势；反之，如果斜率为负，则表示该序列具有下降趋势。

2 结果与讨论

2.1 河南省旬极端最高气温的时空变化特征

图2给出了1961—2012年河南省旬极端最高气温的年内及年际变化特征。

图2 河南省旬极端最高气温的年际变化

由图2可知：

1)历年逐旬极端最高气温的平均值为25.1 ℃，均值标准误差为0.2 ℃；历年逐旬极端最高气温的中值为26.7 ℃，最大值为41.2 ℃，出现在1966年的第20旬；最小值为1.1 ℃，出现在2008年的第2旬；历年逐旬极端最高气温的均方差为9.1 ℃。

2)旬极端最高气温多在15.5～34.2 ℃，出现频率为60%；旬极端最高气温低于15.5 ℃或高于34.2 ℃的出现频率则各占20%。旬极端最高气温低于10.0 ℃的共计有117个旬，占统计时段的6.3%，集中出现在12月至翌年2月；仅有3次出现在11月，分别为1962年11月下旬、1967年11月下旬和2009年11月中旬。旬极端最高气温高于37.0 ℃的共计80个旬，占统计时段的4.3%，集中出现在5—7月。

3)旬极端最高气温的偏度系数为-0.386，峰度系数为-1.027，其标准误差分别为0.057和0.113；峰度系数为负值，说明旬极端最高气温数值不集中，有比正态分布更长的尾部；偏度系数为负值，说明左侧有较长尾部。旬极端最高气温累计出现频率与旬极端最高气温呈极显著的线性关系。

为分析极端最高气温的空间相关性，图3给出了1961—2012年河南省逐旬极端最高气温站间均方差的年内及年际变化特征。

图3 河南省旬极端最高气温站间均方差的年际变化

由图3可知：

1)历年逐旬极端最高气温站间均方差平均值为1.4 ℃，均值的标准误差为0.010 6 ℃；逐旬极端最高气温站间均方差的中值为1.315 ℃，最大值为4.830 ℃，出现在1972年的第3旬，最小值为0.630 ℃，出现在2003年的第25旬(9月上旬)；历年逐旬极端最高气温站间均方差的均方差为0.211 ℃。

2)旬极端最高气温站间均方差多在1.04～1.72 ℃，出现频率为60%；均方差小于1.04 ℃或大于1.72 ℃的出现频率则各占20%。河南省旬极端最高气温站间均方差超过2.10 ℃的共133个旬，集中出现在6—7月和11月至翌年3月，占80.5%，只有19.5%出现在其他时间段；站间均方差小于0.90 ℃的共计133旬，集中出现在3月和8—11月的占75.9%，其余时间段占24.1%。说明河南省旬极端最高气温在夏季和冬季的空间变异性较大，而在春季和秋季的空间变异性较小。

3)旬极端最高气温站间均方差的偏度系数为1.577，峰度系数为4.658，其标准误差分别为0.057和0.113，说明序列不服从正态分布；峰度系数为正值，说明旬极端最高气温数值集中，有比正态分布更短的尾部；偏度系数为正值，说明右侧有较长尾部。旬极端最高气温站间均方差累计出现频率与均方差具有显著的线性关系。

2.2 河南省逐旬极端最高气温及其均方差的累积离差变化特征

图4和图5分别给出了1961—2012年河南省逐旬极端最高气温序列累积离差的变化过程和站间均方差累积离差的变化特征。

图4 河南省旬极端最高气温序列累积离差曲线

图5 河南省旬极端最高气温站间均方差序列累积离差曲线

由图4和图5可知：

1)研究期间，河南省旬极端最高气温累积离差在1961年第1旬至1962年第25旬(9月上旬)期间为负值，之后变为正值，正值一直维持到1991年第9旬(3月下旬)；从1991年第10旬(4月上旬)开始一直维持负值且呈持续下降趋势，2010年第19旬(7月上旬)达到谷值。河南省逐旬极端最高气温累积离差总体上呈现出线性下降趋势，平均每旬降低48.5 ℃，解释方差为65.31%。

2)同旬极端最高气温序列累积离差不同，站间均方差累积离差总体上呈现出二次函数的上升趋势，解释方差达99.2%，能够通过置信度为0.001的显著性检验。

2.3 旬极端最高气温的标度指数

图6给出了河南省107个气象观测站旬极端最高气温的标度指数空间分布情况。

由图6可知：

1)河南省旬极端最高气温的标度指数平均值为0.247 5，其标准误差为0.002 3；中值为0.242 0，中值与平均值比较接近；107个气象观测站中，洛阳市嵩县站的标度指数值最大，为0.328 0，最小值为濮阳市南乐站和范县站的0.206 0。

2)全省各站点旬极端最高气温的标度指数均小于0.5，表明序列具有非持久性，有比随机过程更高的反转频率。

3)旬极端最高气温标度指数的站间均方差仅为0.024，说明空间变异性不大。

4)旬极端最高气温的标度指数站间偏度系数为0.870，峰度系数为0.616，其标准误差分别为0.234和0.463，说明各站点旬极端最高气温的标度指数不服从正态分布。

图6 河南省旬极端最高气温标度指数空间分布

3 结语

1)河南省逐旬极端最高气温及其站间均方差的52 a平均值分别为25.1 ℃和1.4 ℃，其峰度系数与其标准误差的比值均大于1.96，其时空概率分布均不服从正态分布。

2)旬极端最高气温累积离差总体上呈现出线性下降趋势，平均每旬降低48.5 ℃，逐旬极端最高气温站间均方差的累积离差则表现为二次函数的上升趋势。

3)全省各站旬极端最高气温标度指数均小于0.5，序列具有非持久性，有比随机过程更高的反转频率。

4)旬极端最高气温标度指数空间变异性较小，标度指数在河南省境内不符合正态分布的特征。

笔者对河南省107个气象观测站逐旬极端最高气温的时空变化特征及标度指数进行了较为详实的分析，在今后的工作中，将对极端最高气温的变化成因以及变化带来的影响进一步深入研究。

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(责任编辑：乔翠平)

Spatiotemporal Variation Characteristics of the 10-day Extreme Maximum Temperature in Henan Province

CHENG Fangfang1,2, WANG Jijun1,3, LIU Cuishan4, LI Hongwei2, YU Hui2, WU Jie2, LI Fengxiu3

(1.Henan Key Laboratory of Agrometeorological Ensuring and Applied Technique, CMA, Zhengzhou 450003, China; 2.Meteorological Bureau of Zhengzhou, Zhengzhou 450048, China; 3.Henan Provincial Climate Center, Zhengzhou 450003, China; 4.Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

Under the background of global warming, extreme events are increasing. Based on the data of 10-day extreme maximum temperature of 107 meteorological stations in Henan Province from 1961 to 2012, spatiotemporal variation characteristics were analyzed by using the method of detrended fluctuation analysis. Results show that the mean value of 10-day extreme maximum temperature is 21.5 ℃, and the accumulated deviation of extreme maximum temperature presents a linear decreasing trend. The value of standardized errors among the stations is about 1.4 ℃, and the accumulated deviation of standardized errors among the stations increases as a quadratic function. The scaling exponent of extreme high temperature of each station is below 0.5, and the variability among stations is small.

Henan Province; Detrended Fluctuation Analysis (DFA); 10-day extreme maximum temperature; spatiotemporal variation characteristics

2017-02-27

“十三五”国家重点研发计划项目(2016YFA0601501，2016YFA0601601)；国家自然科学基金项目(51079131)；中国气象局农业气象保障与应用技术重点开放实验室项目(AMF201509)。

程芳芳(1982—)，女，河南开封人，高级工程师，硕士，从事农业气象及气候变化方面的研究。E-mail:chengmang2004@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.04.011

TV11

A

1002-5634(2017)04-0079-05