近60年宝鸡市主城区极端天气变化特征分析

许小明，徐玉霞，雷 雯

(1.宝鸡文理学院 陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室， 陕西 宝鸡 721013； 2.宝鸡市气象局， 陕西 宝鸡 721006)

IPCC (2007)第四次评估报告指出，近百年来全球地表平均气温上升了0.74℃，近50年的线性增暖趋势表现为平均每10年升高0.13℃，升温较过去明显加快[1]。其中1850年以来最暖的12个年份中有11个出现在1995-2006年。继IPCC (2007)第四次评估，经过6年的调查和观测，IPCC (2013)第五次评估报告再次确认了这一事实[2]。近年来，地区极端气候变化特征、气候变化与极端天气事件二者之间的联系机制引起了广泛关注。Beniston等[3]用3种标准来定义极端天气事件，以反映其基本发生特征。David等[4]将极端气候事件归为两类，分别为基于简单的气候统计学而每年均会发生的事件以及直接由事件发生与否来决定但某个给定的地区并不是每年都会发生的事件。潘晓华[5]、翟盘茂等[6]对近50年中国极端气温和降水事件变化规律的研究表明，极端气候事件发生的频率越来越高，气候变化并不是简单的表征为平均要素的变化，也表现为极端气候事件在时空分布和强度上的变化。周雅清等[7]、曹玲等[8]、李进虎等[9]以及其他学者[10-12]利用统计学方法分别对中国大陆、河西走廊、青海海南地区，锡林河流域等不同尺度区域极端天气气候事件的变化特征进行了分析。近年来，一些学者对宝鸡市气候变化特征已有所关注[13-17]，但针对宝鸡市主城区的极端天气变化的研究较少。本文依据世界气象组织(WMO)划定的极端天气指数标准，并参照已有研究成果，选取了6个极端气温指标，结合研究区降水数据，分析了近60年宝鸡市主城区极端天气变化特征及其与区域气候之间的关系，以期为该区工农业发展及防灾减灾提供一定的参考依据。

1 研究区概况

宝鸡市界于东经106°18′～108°03′，北纬33°35′～35°06′之间，地处陕西、甘肃、宁夏、四川4省(区)结合部。其中市域下辖陈仓、渭滨和金台3区，涵盖3 625 km2。主城区西起福谭路，东至虢磻路，北达引渭灌渠，南抵秦岭北麓。宝鸡市主城区属典型暖温带半湿润气候，四季分明。年平均气温在13℃左右，年平均降水量为600～800 mm，降水集中分布在7-9月，占全年降水总量的60%左右，是关中盆地降水分布最多的区域。受降水年季、季节分配不均影响，干旱、暴雨洪涝、冰雹等构成了本区最主要的气象灾害形式[18-19]。近年来，随着主城区不断外拓和人类影响程度的增强，城区下垫面及区域小气候变化波动较大，极端天气事件发生频率增加，灾损程度增强，对正常工农业生产和社会经济发展产生了较大的影响。

2 数据来源与研究方法

本文依据宝鸡市渭滨区气象测站(北纬34°40′，东经107°10′，海拔614 m，于1951年建站)1953-2013年近60年逐日最高气温、最低气温、日降水量实测数据，根据(WMO)划定的20种极端天气指数标准，结合宝鸡市主城区自然地理特征并参照已有研究成果[7]，选取了6项极端气温指标(表1)，结合研究区降水数据，运用线性回归分析、距平分析、异常度分析等统计学方法分析了宝鸡市主城区极端气温与极端降水逐年变化特征；借助Morlet小波分析方法对热夜日数和霜冻日数周期变化特征进行了分析。最后利用Pearson相关系数法对研究区极端天气与区域气候之间的相关关系进行了分析。

3 结果与分析

3.1 极端气温逐年变化特征

3.1.1 极值指数的变化特征 图1为近60年宝鸡市主城区极端最高气温和极端最低气温年际变化情况。根据图1(a)，从时间角度来看，1953-2013年宝鸡市主城区极端最高气温在总体上呈现出小幅上升的变化特征，速率为0.025℃/a(线性拟合斜率)，增幅较慢。从年际变化来看，极端最高气温在1993年以前呈现出波动下降的趋势，20世纪60-70年代中期为气候相对暖期，20世纪50年代与75-80年代为气候相对冷期，但1993年至今气温又表现出明显转暖的趋势。

近60年间极端最高气温超过40℃的年份有9次，其中1993年后就出现6次，与西北地区气候变暖突变时间基本一致[16,20]，且历史极值出现在2006年(41.7℃)。

1953-2013年宝鸡市主城区极端最低气温变化特征总体上呈现出下降的趋势，其速率为0.0455℃/a，较极端最高气温变化快。从年际变化来看，极端最低气温值在20世纪90年代之前表现出波动下降的趋势，20世纪90年代至今表征为波动上升的趋势。其中近60年间极端最低气温低于-10℃的年份有19次，历史极值出现在1955年(-16.7℃)，其次为1991年(-16.1℃)(见图1(b))。

表1 极端气温指标概念界定

图1 近60年宝鸡市主城区极端最高气温和极端最低气温年际变化

3.1.2 绝对指数的变化特征 图2为近60年宝鸡市主城区极端气温绝对指数年际变化情况。从图2(a)可知，1953-2013年宝鸡市主城区冰冻日数年际变化总体呈现出下降的趋势，大致以0.1409 d/a的速率下降。从各个时段来看，20世纪50年代冰冻日数表现为急剧下降的特征，20世纪60-80年代中期冰冻日数呈现出波动持稳略有下降的态势，随着全球气候持续变暖，80年代中期至今冰冻日数下降趋势明显，个别年份略有回升(如2008年)。其中冰冻日数在1954、1977、1984和2008年均超过20 d，为明显拐点且前后冰冻日数变化差异较大。1953-2013年宝鸡市主城区霜冻日数呈现出快速下降的趋势，大致下降的速率为0.3891 d/a。20世纪60-70年代霜冻日数呈阶梯式下降，80-90年代中期表征为波动起伏但整体持稳的态势，受区域气候变暖加速影响，90年代中期至今霜冻日数下降趋势显著，增速较快(见图2(b))，与该时段西北地区气候增暖相对应。

依据图2(c)，1953-2013年宝鸡市主城区夏季日数整体表现出缓慢上升的趋势，其上升的速率大致为0.1788 d/a。从年际变化角度来看，20世纪50-70年代夏季日数呈现出下降的变化趋势，说明该时段研究区气候转冷；80年代至今表征为显著增加的趋势，表明气候较之前明显转暖。近60年宝鸡市主城区热夜日数随时间变化趋势见图2(d)，从时间序列变化的角度看，近60年间热夜日数体现为明显上升的趋势，大致以0.3685 d/a的速度波动上升。50-90年代中期，热夜日数增速缓慢，90年代中期至今增速加快，与极端最高气温突变增暖时间一致，其中1994年增幅最为明显，热夜日数为73 d。

总体来看，近60年宝鸡市主城区冰冻与霜冻日数表现出下降的趋势，夏季日数和热夜日数呈现出上升的趋势，表明近60年间宝鸡市主城区升温明显，这与全球变暖的趋势基本一致。

3.1.3 气温异常度分析 通过参考相关文献[15]并结合宝鸡市主城区自然环境特征，得出气温异常度的划分标准见表2。异常度C计算公式如下：

(1)

式中：Xi(i=1,2，…，n)为样本气温数据； n为样本数量。

经统计，近60年宝鸡市主城区年平均气温为13.26℃，一元多项回归分析表明研究区年平均气温以20世纪90年代为界限呈现出先下降后上升的变化特征，如图3(a)所示。

异常度分析表明，近60年宝鸡市主城区年平均气温出现异常偏高的年份有1次，出现显著偏高的年份有2次，均分布在2000年之后，极大值出现在2006年，为14.7℃。出现显著偏低的年份有4次，分布在20世纪60年代和80年代，极小值出现在1967年，为12.04℃，最低和最高气温两者相差2.66℃。气温异常度回归结果揭示出研究区近60年气温异常度上升趋势较为明显，速率为0.0324/a。从年代际角度来看，20世纪90年代之前上升速度波动缓慢，90年代之后上升速度显著加快，如图3(b)所示。

图2 近60年宝鸡市主城区极端气温绝对指数年际变化

C≤-2.0-2.0

图3 近60年宝鸡市主城区年平均气温和气温异常度年际变化

3.2 近60年极端降水逐年变化特征

3.2.1 年降水量和降水距平分析 图4为近60年宝鸡市主城区年降水量和降水距平百分率年际变化情况。从图4(a)可以看出，近60年宝鸡市主城区年降水量呈现出波动减少的趋势，下降速率为1.245mm/a，略低于全国年降水量递减量1.2690mm/a。研究区近60年年降水量为561.55mm，年极端降水最低值为378.3mm，出现在1995年，年极端降水最高值为1025.6mm，出现在2011年，二者差值为647. 3mm，表明宝鸡市主城区降水量的年际变幅较大。

由图4(b)可知，研究区年降水量存在周期性波动。从年际角度来看，年降水量变化大致可以划分为4个阶段：(1)20世纪50-70年代年降水量呈现出急剧下降的趋势；(2)20世纪70-80年代年降水量明显偏多且呈现上升的趋势；(3)20世纪80-95年代年降水量呈现出波动急剧减少的趋势；(4)1995年至今年降水量总体上升，增幅较大。

利用降水距平百分率(P)可以将年降水异常度划分为5个等级(见表3)，近60年出现降水偏少或者显著偏少的年份有10次，其中有6次出现在20世纪90年代至今，这反映出宝鸡市主城区20世纪90年代以后年降水量越来越少，干旱程度呈增加趋势。

图4 近60年宝鸡市主城区年降水量和降水距平百分率年际变化

%

3.2.2 年极端最高降水量分析 近60年宝鸡市主城区年极端最高降水量呈现出波动下降的趋势，减少速率为0.0922mm/a(见图5)。60年间年极端最高降水最大峰值出现在1980年，为169.7mm，最小峰值出现在1985年，为24.7mm，二者相差145mm，但总体上研究区年极端最高降水量波动幅度较为平稳。

图5 近60年宝鸡市主城区年极端最高降水量年际变化

3.3 热夜日数与霜冻日数的小波分析

本文仅对影响人体舒适度的热夜日数和影响农作物收成的霜冻日数进行分析。

图6为近60年宝鸡市主城区热夜日数与霜冻日数的小波分析实部图。从图6(a)可以看出，宝鸡市主城区近60年来热夜日数在不同时间尺度上的周期震荡。总体上，热夜日数存在11～14a和26～28a两个尺度的周期变化，周期变化范围大致为20世纪50年代初到2013年，两个震荡周期与太阳黑子活动规律基本对应[21]。其中在11～14a时间尺度上，热夜日数存在准7次的震荡，经历了高-低-高-低等14个循环交替，目前热夜日数正处于增多时期；26～28a周期震荡非常显著，热夜日数经历了高-低-高-低等7个循环交替，说明未来2～3a热夜日数继续增多。

从图6(b)可以看出宝鸡市主城区近60年来霜冻日数总体上存在7～9a和18～20a2个尺度的周期变化，前者与厄尔尼诺现象2～7a的发生规律存在一定关联，后者与太阳活动周期基本对应。其中在7～9a时间尺度上，其周期变化主要分布在20世纪70年代末至今，霜冻日数存在准6次的震荡，经历了低-高-低-高等13个循环交替，目前霜冻日数正处于增多时期,对农业收成影响加重；18～20a周期变化主要分布在20世纪50年代到80年代，霜冻日数经历了高-低-高-低等6个循环交替。

3.4 极端天气与区域气候变化的相关分析

目前，全球气候变暖已成为公认的事实，对大气环流结构及气候异常事件的发生产生了影响。因此，区域气温增高和极端天气事件二者之间的相关性引起了广泛的重视。

本文利用Pearson相关分析法对宝鸡市主城区1953-2013年年降水量、年平均气温和同期极端气温指数进行了分析，见表4。

图6 近60年宝鸡市主城区热夜日数与霜冻日数的小波分析实部图

年降水量极端高温极端低温冰冻日数霜冻日数夏季日数热夜日数年平均气温年降水量1-0.346**-0.130 0.211 0.008-0.495**-0.387**-0.412**极端高温1 0.253*-0.149 -0.276*0.394**0.515**0.509**极端低温1 -0.481**-0.125 -0.085 0.125 0.209 冰冻日数 1-0.012 -0.112 -0.385**-0.411**霜冻日数 1-0.403**-0.449**-0.583**夏季日数1 0.550**0.743**热夜日数1 0.727**年平均气温1

注：** 表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

由表4可知，宝鸡市年平均气温与绝大部分极端天气事件之间呈现出高度的相关性。其中与TXID、TNID、SU、TR呈正相关，其中TXID、SU、TR达到0.01的置信度标准。与FD(a)、FD(b)呈负相关，均达到0.01的置信度标准。表明极端高温日数、夏季日数和热夜日数增加、冰冻和霜冻日数减少均能够有效提高本区的平均气温。此外，极端高温日数的增加明显导致了夏季日数和热夜日数的上升，这与宝鸡市主城区当前现状基本吻合。区域气候增暖是多种因子彼此作用联动的结果，极端天气事件的发生和变化在一定程度上能够影响地区气候的变化特征[12]。宝鸡市主城区年降水量与TXID、TNID、SU、TR呈负相关，其中TXID、SU、TR均达到0.01的置信度标准。与FD(a)、FD(b)呈正相关，但未通过0.05的显著性检验。年平均气温与年降水量呈高度负相关，表明研究区气候趋向暖干化特征，与赵红岩等[22]的研究结果基本一致。此外，某些极端气温指标之间也表现出高相关性特征，如TXID与SU、TR呈高度正相关，与FD(b)呈较高负相关。TNID与FD(a)、FD(a)与TR、FD(b)与SU和TR呈高度负相关，SU与TR呈高度正相关。

气候变率与极端天气事件的发生频率有关。本文通过计算年平均气温与6项极端气温指标的年代际变化特征(见表5)，进一步探讨和分析了宝鸡市主城区年代际气候变率与极端天气事件二者之间的关系。由表5可知，近60年宝鸡市主城区平均气温变化趋势分为两个阶段，其中20世纪50-80年代波动较小，20世纪90年代至今表现出快速升温特征。极端高温、热夜日数与其上升趋势基本一致，霜冻日数与其存在一致性减少态势。从年代际变化角度看，宝鸡市主城区平均气温与极端高温、冰冻日数、霜冻日数、夏季日数、热夜日数的年代际变率存在较为一致性的减少或上升趋势，但极端低温与平均气温的年代际变化特征不一致。因此，区域气候变率和气候变暖只是影响地区极端天气事件发生的可能因子，二者之间并不存在必然的联系。

表5 近60年宝鸡市主城区平均气温和极端天气指标的年代际变化特征

4 结论与讨论

4.1 结 论

(1)近60年宝鸡市主城区极端气温指标中，极端最高气温、夏季日数和热夜日数均呈现出上升的趋势，其中热夜日数上升趋势最显著，为3.69/10a，极端最低气温、冰冻日数和霜冻日数表征为下降的趋势。此研究结果与近百年来全球变暖的事实基本相符。

(2)宝鸡市主城区年降水量与年极端最高降水量总体上表现为减少的趋势，年极端最高降水量在1980年达到峰值，近年来呈波动增加的趋势。

(3)热夜日数存在11～14a和26～28a2个时间尺度的周期变化，与太阳活动周期关系密切。霜冻日数存在2个阶段性变化周期，分别为7～9a和18～20a，前者与厄尔尼诺现象2～7a的发生规律有一定的关系，后者与太阳活动周期基本对应。

(4)宝鸡市主城区年平均气温与极端最高气温、极端最低气温、夏季日数和热夜日数呈正相关，与冰冻日数和霜冻日数呈负相关。年降水量与极端最高气温、夏季日数和热夜日数呈高度负相关，与冰冻日数和霜冻日数呈正相关。区域气候变率和气候变暖与极端天气事件的发生频率之间具有较高的相关性，但并不存在必然的联系。

(5)总体来看，近60年宝鸡市主城区气候整体向暖干化趋势发展，尤其以20世纪90年代之后增温最为显著。受人类活动影响，极端强降水等灾害事件发生频率增加，对地方工农业生产及人民的生命财产安全产生一定的威胁，因此相关部门应该提高警惕以最大程度降低灾损。

4.2 讨 论

(1)近60年宝鸡市主城区极端气温变暖指标上升趋势明显，极端冷指标趋于下降趋势，这与汪宝龙等[23]对西北地区近50年气温和降水极端事件的研究结果基本相符。研究区气温显著升高期主要为20世纪90年代至今，降水量总体表现为波动下降趋势，此结果同万红莲[15]对宝鸡地区气候变化特征的研究结果基本一致。除极端低温指标，宝鸡市主城区年平均气温与其他5项极端气温指标之间具有较高的相关性，表明气温的升高对与温度相关的极端天气事件有重要的联动影响。

(2)近60年宝鸡市主城区年平均气温出现异常偏高和显著偏高的年份均分布在2000年之后，极端高温日数和热夜日数明显增多，从而导致农业生产的不稳定性增加。区域气候变率和气候变暖是影响极端天气事件发生的重要因子，但不同尺度区域极端天气气候事件发生频率的增加是多种因素耦合作用的结果，既包括自然因素，也涉及人类活动的干扰。尽管人类活动很可能会造成全球大部分陆地区域更多的热夜日数和更少的冰冻日数，以及造成热浪、干旱和强降水事件的频繁发生，但总体上人类活动对气候变化具有低信度[24]。

(3)过去针对宝鸡市气候变化的研究仅考虑了一种或两种极端气候事件，本文选取了多个指标并探讨了区域气候变化与极端天气事件的相关关系。但文中所选的极端气候指标主要侧重极端气温方面，较少涉及极端降水指标，在今后的研究中尽可能完善指标选取，进而分析年平均气温、年降水量与降水有关的极端气候指标之间的关系。因此，掌握地区较长时间尺度的气候变化规律，并加深全球变暖和极端天气事件之间关系的研究以及尝试对未来极端气候变化的预测，能够在很大程度上增强当地对极端天气事件预报和预防工作的效能，从而提高政府部门与民众的防灾减灾意识以降低实际灾损。

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