1951—2016年新疆哈密极端气温变化研究∗

张志高，苗运玲，邱双娟，耿益新，姬曼琪

(1. 安阳师范学院 资源环境与旅游学院, 河南 安阳455000; 2. 新疆乌鲁木齐市气象局, 新疆 乌鲁木齐830006)

20世纪以来，全球气候显著变暖，政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次全球气候变化研究报告（AR5）指出，1880—2012年全球表面平均温度升高了0.85◦C，1951—2012 年全球平均地表温度以0.12◦C/10a的速率上升，在北半球，1983—2012年可能是1 400年来最暖的30年[1].与全球气候变暖基本一致，我国1960—2009年年均地表平均气温上升1.38◦C[2]，增温速率接近0.22◦C/10a，比全球或半球同期平均增温速率明显偏高[3].在全球气候变暖的背景下，高温、干旱和洪涝等灾害日益频繁，极端气候事件呈增多增强趋势，严重危害农业生产、社会经济以及人类安全健康[4−6].Karl等[7]认为极端低温事件发生率有减少的趋势；Alexander等[8]认为近50年里，全球70%的地区暖夜、暖昼日数呈增加趋势，而冷昼、冷夜日数逐渐减少.对我国极端气温事件的相关研究表明，暖夜、暖昼日数显著增多，霜冻、结冰、冷夜和冷昼日数显著减少[9].与全国极端气温变化一致，新疆地区极端低温、高温呈上升趋势[10−11]，并于1986年左右发生突变[12].由于新疆地域辽阔，地形复杂，不同地区极端气候变化又具有明显的地域性特点[13,14].

哈密市位于新疆东部，地处亚欧大陆中部，跨越天山南北，特殊的自然地理条件使哈密兼有南疆和北疆气候特点.哈密属典型的温带大陆性干旱气候，炎热干燥、干旱少雨，是我国最酷热干燥的地区之一.已有对哈密气温变化特征的研究多侧重于平均气温场变化及其突变方面[15−17]，涉及极端气温变化方面的研究[18]仅是采用了极端高温和极端低温两个指标，因此，本文利用哈密市1951—2016年逐日最高温、最低温和平均气温等基础数据，采用世界气象组织（WMO）发布的16个极端气温指数进行统计分析，探讨哈密极端气温气候特征及其变化规律，以期为该市合理利用气候资源和防灾减灾提供科学依据.

1 资料来源及研究方法

1.1 资料来源

本文逐日平均气温、日最高气温和日最低气温等数据来自哈密国家基准气象站（42˚29′N，93˚19′E，海拔高度737.2m），数据资料时段为1951—2016年，气象数据下载于中国气象科学数据共享服务网（http://cdc.Cma.Gov.cn），经整理后66a气温资料具有较好的连续性.

1.2 研究方法

采用世界气象组织“气候变化检测和指标”推荐使用的16个极端气温指数研究哈密极端气温事件变化特征，如表1所示.具体可分为四类：相对指数、绝对指数、极值指数和持续指数.运用RHtest方法[19]对气温数据序列进行均一性检验和质量控制.极值指数直接由气象观测获得，绝对指数基于绝对阈值获得，相对指数和持续性指数基于相对阈值用百分位阈值法进行计算.基于逐日最高和最低气温，运用RClimdex软件计算极端气候指数.采用一元线性回归法分析极端气温指数变化趋势，并对时间序列和各气温指数之间的相关系数进行显著性检验.运用Mann-Kendall检验法[20]对1951—2016年哈密极端气温进行突变性检验，使用SPSS软件对各极端气温指数进行主成分和相关关系分析.

2 结果分析

2.1 极端气温变化特征

哈密市年均温、年均最高温与年均最低温随时间变化趋势如图1所示.1951—2016年哈密市年平均温度为10.08◦C，其中最大值出现在2016年，为11.63◦C，最低为1954年8.26◦C，从时间尺度上看，哈密年均温呈明显上升趋势，速率为0.15◦C/10a.1951—2016年哈密年均最高温呈波动上升趋势，线性变化率为0.28◦C/10a，最大值为2007年的19.96◦C，最低为1954年的15.64◦C.1951—2016年哈密年均最低温亦呈上升趋势，升温速率小于年均最高温，为0.16◦C/10a，最高为2016年的4.75◦C，最低为1954年的1.18◦C.

2.2 哈密极端气温相对指数变化特征

极端气温相对指数包括冷昼、冷夜、暖昼和暖夜日数，主要反映极端气温昼夜冷暖的变化特征.1951—2016年哈密极端气温相对指数随时间变化趋势如图2所示.从图2可以看出，66a来哈密冷昼日数平均值为9.93d，最大值为1954年的32.33d，最小值出现在2007年，为3.29d.哈密冷夜日数平均值为10.32d，其中最大值为1954年的29.32d，最小值为2016年的2.47d.从趋势上看，1951—2016年哈密冷昼和冷夜日数均呈下降趋势，下降速率分别为1.36d/10a和1.12d/10a，冷昼下降速度快于冷夜.1951—2016年哈密暖昼日数平均值为13.22d，其中最大值为2016年的26.85d，最小值出现在1984年，为3.52d，哈密暖昼指数呈明显上升趋势，速率为1.46d/10a.66a来哈密暖夜日数平均值为12.57d，最大值为2015年的23.84d，最小为1967年的4.65d，随时间亦呈上升趋势，速率为0.50d/10a，低于暖昼上升速率.

表1 极端气温指标的定义Tab 1 The Definition of Extreme Temperature Indices

图1 1951—2016年哈密气温变化Fig 1 The Change of Temperature in Hami from 1951 to 2016

2.3 哈密极端气温绝对指数变化特征

极端气温相对指数包括夏季、霜冻、热夜和冰冻日数，主要反映极端气温季节冷暖的变化特征.哈密极端气温相对指数如图3所示，近66a哈密夏季日数平均值为150.12d，最大值出现在2009年为172d，最小值为1992年和1970年的134d，夏季日数表现出明显的上升趋势，速率为2.08d/10a.热夜日数平均值为25.29d，最大值为1951年的60d，最小值为1995年的6d，整体上热夜日数呈下降趋势，速率为-1.78d/10a，从年代际变化来看，1996年前热夜日数呈下降趋势，1996年后热夜日数呈波动上升趋势.1951—2016年哈密霜冻日数平均值为150.58d，最大值为1960年的168d，最小值为2006年的129d，霜冻日数随时间变化呈明显下降趋势，速率为-1.70 d/10a.哈密冰冻日数平均值为53.52d，最大值为1954年的93d，最小值为1994年的35d，66a来冰冻日数呈明显下降趋势，速率为-2.06 d/10a，下降速度快于霜冻日数.

图2 1951—2016年哈密极端气温相对指数变化Fig 2 Change of Annual Extreme Temperature Relative Index of Hami During 1951—2016

图3 1951—2016年哈密极端气温绝对指数变化Fig 3 Absolute Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

2.4 哈密极端气温极值指数变化特征

极端气温极值指数包括日最高气温极低值、日最低气温最低值、日最高气温极高值和日最低气温极高值4个年内日最高（低）气温的极大（小）值的指数，主要反映极端气温在极点的变化特征，哈密极端气温极值指数变化趋势如图4所示.1951—2016年哈密最高气温的极高值和最低温极高值呈下降趋势，下降速率分别为0.07◦C/10a和0.24◦C/10a，最高气温的极低值和最低气温的极低值均表现出明显上升趋势，上升速率分别为0.88◦C/10a和0.70◦C/10a，为哈密气候暖化的主要因素.

图4 1951—2016年哈密极端气温极值指数变化Fig 4 Extremal Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

图5 1951—2016年哈密极端气温持续性指数变化Fig 5 Durative Indices Change of Annual Extreme Temperature in Hami During 1951—2016

2.5 哈密极端气温持续性指数变化特征

极端气温持续性指数包括暖持续日数、冷持续日数、生物生长季和年均气温日较差，主要反映极端气温在持续时间的变化特征，哈密极端气温持续性指数变化趋势如图5所示.1951—2016年哈密暖持续日数平均值为10.85d，最大值为2016年的49d，最小值为0，哈密暖持续日数呈上升趋势，速率为3.20d/10a.哈密冷持续日数平均值为7.85d，最大值为1954年的68d，最小值为0，随时间变化呈下降趋势，速率为-2.66 d/10a.66a来哈密生物生长季日数均值为236.14d，最大值为2006年的266d，最小值为1987年的204d，随时间变化呈增长趋势，速率为1.74 d/10a.66a来哈密年均气温日较差呈上升趋势，速率为0.11◦C/10a.

2.6 哈密极端气温指数对比分析

1951—2016年哈密极端气温指数变化特征与新疆、全国及全球对比情况如表2所示.总体来看，1951年以来哈密极端气温变化与全球其他地区的变化趋势基本相同，但也有差异.哈密极端气温相对指数（TX10%、TN10%、TX90%、TN90%）变化幅度远小于其他地区水平.哈密热夜日数总体呈减小趋势，而新疆热夜日数上升速率为1.71d/10 a.分析原因发现，哈密热夜日数在1996年前呈减小趋势，1996年后呈上升趋势，1951—1959年哈密热夜日数在36∼60d之间，处于66a年的最高值区域，导致66a来热夜日数的线性倾向率为负值.哈密最高温最高值呈减小趋势，而新疆地区呈上升趋势.哈密暖持续日数上升速率为3.20d/10a，远高于新疆0.88d/10a的上升速率.这些差异可能跟所选站点、研究区域以及气象资料时间序列不同有关.综合来看，哈密冷指数（TN10%、TXn、TNn）增幅幅度明显大于部分暖指数（TN90%、TXx、TNx），原因可能是由于冬季比夏季较大的变暖幅度造成，由于中国北方冬季空气中的水汽含量小于夏季，同时冬季燃煤取暖导致温室气体大量排放，因此，冬季容易引起更大幅度的升温[22].

表2 1951—2016年哈密极端气温事件变化趋势对比表Tab 2 The Comparison of the Linear Trends of Extreme Temperature Indices between Hami and other Regions

2.7 哈密极端气温突变特征

气候从一种常态突然变为另一种状态叫气候突变，表现为气候变化的不连续性，是相对气候渐变的一种变化方式.1951—2016年哈密极端气温绝对指数的Mann—Kendall突变检验分析如图6所示.最低温极低值总体呈波动上升的趋势，UF与UB曲线相交于1958和2011年，其中2011年的突变点超过了a=0.05的信度线，因此哈密最低温极低值的增温突变发生于1958年，其值在1962年绝大部分年份超过a=0.05的信度线，表明1962年后最低温极低值增温趋势显著.最高温极高值的UF与UB曲线相交于1954年，表明哈密最高温极高值在1954年发生突变，1954年后其值呈减小趋势，仔细观察最高温极高值变化趋势（图4）发现，最高温极高值于1993年以来呈上升趋势，但并未形成突变点（图6）.最低温极高值的UF与UB曲线相交于1957年，表明哈密最低温极高值在1957年发生突变，1957年后其值呈减小趋势，与最高温极高值的变化相似，哈密最低温极高值于1995年由减小趋势转为上升趋势（图4），但并未形成突变点.1951—2016年哈密最高温极低值总体呈上升趋势，其UF与UB曲线相交于1961年，表明最高温极低值于1961年发生突变，1982年后最高温极低值均超过a=0.05的信度线，表明1982年后增温趋势显著.

图6 哈密极端气温极值指数Mann—Kendall检验曲线Fig 6 Mann-Kendall Test Curve of Extreme Temperature Extremal Indices in Hami

2.8 极端气温指数的主成分分析

采用降维的思想，主成分分析能把多个指标浓缩为几个代表性指标，从而降低研究的复杂性.利用Eviews8.0软件对1951—2016年哈密的极端气温指数进行主成分分析，得到主成分和各个因子旋转之后的相关系数载荷矩阵（表3）.根据特征值及累计贡献率选取第一、第二、第三和第四主成分作为影响哈密整体温度的成分.第一主成分占方差总贡献率最高为34.49%，高载荷指数有冷持续日数0.815、最高温极低值-0.775、最低温极低值均为-0.775、冷昼日数0.754、冷夜日数0.721，此5个指数的变化对哈密的整体温度存在主要影响.第二主成分方差贡献率为23.26%，其中，热夜日数载荷最高为0.841；其次是暖夜日数载荷为0.704；最低温极高值的载荷值也达到了0.631.第三主成分占方差贡献率的10.46%，高载荷指标是暖昼日数和暖持续日数，载荷值分别为0.845、0.816，它们的高载荷和正倾向率决定了哈密总体温度上扬.第四主成分占方差贡献率较小为6.89%，其主导因子是霜冻日数，载荷值为0.475.对各极端气温指数的相关关系分析表明，各指数间相关性较好，各冷指数之间和各暖指数之间呈较为显著的正相关关系，各冷指数和暖指数之间呈明显的负相关关系，与前文分析的哈密极端气温暖指数呈上升趋势，冷指数呈下降趋势一致.

3 结论

（1）1951—2016年哈密市气温暖化趋势明显，年均温、年均最高温和年均最低温均呈上升趋势，增温速率分别为年均温（0.15◦C/10a）＜年均最低温（0.16◦C/10a）<年均最高温（0.28◦C/10a）.

（2）1951—2016年哈密暖昼日数、暖夜日数、夏季日数、暖持续日数和生物生长季均呈上升趋势，分别以1.46、0.50、2.08、3.20和1.74d/10a的速率增加，热夜日数于1996年后呈上升趋势，年均气温日较差以0.11◦C/10a的速率上升.

（3）冷昼日数、冷夜日数、霜冻日数、冰冻日数、冷持续日数均呈下降趋势，分别以-1.36、-1.12、-1.70、-2.06、-2.66d/10a的速率减小.

（4）最高温极低值和最低温极低值分别以0.88、0.70◦C/10a的速率上升，最高温极高值和最低温极高值分别以-0.07、-0.24◦C/10a的速率下降，Mann—Kendall检验表明，哈密极端气温极值指数于20世纪50年代和60年代初期发生突变.

表3 1951—2016年哈密极端气温指数的因子分析Tab 3 The Factor Analysis of Extreme Temperature Indices in Hami During 1951—2016

（5）主成分分析表明哈密极端气温指数可分为4类，相关分析表明各暖指数之间、各冷指数之间呈正相关关系，暖指数和冷指数之间显著负相关.