西北干旱区极端高温时空变化特征分析

韩雪云，赵 丽，张 倩，姚俊强，杨 青

（1.新疆气候中心，新疆 乌鲁木齐830002；2.新疆信息工程学校，新疆 乌鲁木齐830013；3.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐830002）

气候变化不仅影响自然系统和人类生存环境，也将影响世界经济发展和社会进步[1]。21 世纪末全球平均地表温度在1986—2005 年的基础上将升高0.3～4.8 ℃[2]。IPCC 最新评估报告指出20 世纪50 年代以来全球气候变暖的一半以上是人类活动造成的，预估未来全球气候变暖仍将持续。过去50 a 极端天气事件特别是强降雨、高温热浪等极端事件呈现不断增多增强的趋势，预计今后这种极端事件的出现将更加频繁。极端气候事件指特定时段内某类气候要素量值或统计量显著偏离其平均态、且达到或超出其观测或统计量值区间上下限附近特定阈值的事件。尽管这类事件在统计意义上属于较少发生的小概率事件，但由于其突发性强、不易防范，且一旦发生所造成的影响大，因而备受关注，是当前气候变化研究的热点领域。

过去千年极端气候事件变化研究有助于辨识当前极端事件发生特征（特别是强度和频率）的历史地位，且可为极端气候事件的灾害风险管理和气候变化适应提供历史借鉴，因而被IPCC（2012）的极端事件评估特别报告列为重要问题[3]。近年来，一系列事件和研究表明，极端天气气候事件将是今后长期影响全球变化的重要指标。国内外众多专家学者对各区域的极端气候事件进行分析探讨，发现不同地域的平均气温升高、极端高温的变化规律及出现冷、暖夜（日）日数变化有相似的结论[4-12]。地区气温的均值会增加，偏热天气频率明显增加，极热天气可能出现概率增大，高温热浪等极端天气事件将变得频繁[13，14]。

中国西北干旱区位于亚洲中部，深居大陆腹地，为多年平均降水量＜200 mm 的极端干旱区和干旱区，属于典型的大陆性气候[15]，自然条件恶劣。该地区东以贺兰山为界，南至昆仑山—阿尔金山—祁连山，北侧和西侧直抵国界，介于73°～107°E 和35°～50°N，包括新疆维吾尔自治区全境、甘肃河西走廊、青海祁连山区、内蒙古阿拉善高原及黄河宁夏段以西的宁夏自治区部分。中国西北干旱区是亚洲中部干旱区的重要组成部分之一，是全球同纬度最干旱地区。该区域地形复杂，山—盆相间，沙漠与绿洲共存，是生态环境严重脆弱地区，也是全球气候变化的最敏感地区[16]。西北干旱区受地势地形影响，自然条件独特，是气候敏感区，易发生极端气温事件[17，18]，对西北干旱区造成经济生态双重影响。气温变化定量分析对指导人类社会的生产、生活实践具有重要意义，因此，讨论西北干旱区极端高温特征变化，认识气候变暖态势下西北干旱区极端高温变化研究具有重要科学意义。

1 资料与方法

为反映西北干旱区极端高温的变化，根据新疆气象信息中心整编的资料，剔除缺测及不完整时间序列站点，选取了包括新疆全境，内蒙古、甘肃、青海和宁夏的部分共83 个站点，1961—2010 年近50 a的逐日气温资料，选择了其中的日平均气温，日最高气温。数据序列经过了严格的质量控制，完整性和准确性良好。

目前科学上通常采用某类气候要素量值或统计量在一定观测时段（称“基准时段”或“参照时段”）内的概率密度函数，以事件发生概率≤1%或5%或10%定义极端事件的阈值标准。本文选用事件发生概率≤5%为极端高温事件的阈值，即将1961—2010 年各个站点的逐年（季）日最高气温资料按降序排列，第5%的值为该观测站的年（季）极端高温阈值。大于高温阈值即大于第5%的数值的气温为极端高温，也称出现了极端高温事件[3，10，19]。根据定义，将数据处理整合，年（季）极端高温变化包括极端高温强度及其出现的频数，通过定义提取各个站点日数据得出年（季）极端高温的阈值，即：将日数据降序排列后大于第5%的值做统计，对得出的83 个站点的极端高温及极端高温日数平均，可得出近50 a西北干旱区的极端高温及极端高温日数。另外本文也统计分析了日最高气温≥35 ℃的日数（高温日数）。

1.1 线性趋势法

用xi表示样本量为n 的某一气候变量，用ti表示xi所对应的时间，建立xi与ti之间的一元线性回归方程[20]：

方程（1）可以看做一种特殊的、最简单的线性回归形式。公式中a 为常数，b 为回归系数，表示气候变量x 的趋势倾向。当b＞0 时，说明随时间t 的增减x 呈上升趋势，反之亦然。b 值的大小反映了上升或下降的速率，即表示上升或下降的倾向程度。

1.2 Mann-Kendall 法

Mann-Kendall 法是比较常用和普遍的突变检验方法，是非参数统计检验方法，理论基础强，人为性少。其优点是不需要样本遵从一定的分布，也不受异常值的干扰[21]，更适用于类型变量和顺序变量，计算也比较简便。

1.3 相关分析法

为研究气象要素在气候变化中升降的定量程度，并对其进行统计检验，计算了其相关系数r，它为n 个时刻（年）的要素序列与自然数列1，2，3，……n 的相关系数：

式中，r 表示变量x 与时间y 之间线性相关的密切程度，当r=0 时，回归系数b 为0，即用最小二乘法估计确定的回归直线平行于x 轴，说明x 的变化与时间t 无关；当r>0 时，b>0，说明x 随时间y 呈上升趋势；当r＜0 时，b≥0，说明x 随时间y 呈下降趋势，越接近于0，x 与y 之间的线性相关就越小，反之越大。当然，要判断变化趋势的程度是否显著，就要对相关系数进行显著性检验[20]。

2 平均气温变化

2.1 平均气温趋势变化

2.1.1 年平均气温

图1 西北干旱区1961—2010 年年平均气温变化趋势（a）及M-K 统计量曲线（b）

利用线性倾向估计可得出西北干旱区50 a 平均气温的变化情况（图1）。由图1 可知，西北干旱区1961—2010 年年平均气温为9.2 ℃，年平均气温总体呈逐渐升高的趋势，速率为0.25 ℃/10 a。通过多项式比较发现，近50 a 并不是直线上升，波动增长主要表现为前20 a 增长相对缓慢，后30 a 增长显著。自1987 年以来，增温显著且通过0.05 显著性水平检验，这一结论与其他研究西北干旱区气温的结论相当[22-23]。

2.1.2 四季平均气温变化

西北干旱区春、夏、秋、冬季的平均气温分别为11.0、22.8、9.1 ℃和-6.5 ℃，平均气温增温速率分别为0.22、0.12、0.28 ℃/10 a 和0.49 ℃/10 a。在全球变暖的背景下，西北干旱区的总体趋势都在变暖，冬季的增暖最显著。

3 极端高温变化

3.1 年极端高温趋势变化

3.1.1 年极端高温

由图2 分析知，西北干旱区1961—2010 年极端高温的平均值为32.7 ℃，年极端高温呈现上升趋势，并以0.056 ℃/10 a 的速率增长，最高极端高温出现在2000 年，为33.3 ℃，低值为1993 年的32.1 ℃，差值相对较小。通过分析M-K 统计量（图2b）可以得出UF 正序列变化情况，1973 年以前变化波动较大，以后则稳步上升，并通过0.05 的显著水平检验，突变明显，突变点为1987 年。

图2 年极端高温（a）和年极端高温M-K统计量曲线（b）

西北干旱区年极端高温空间分布是西北干旱区各个站点的极端高温分布的具体表现。由图3 可以得出，西北干旱区年极端高温西部大于东部，盆地南缘大于北缘。最高值出现在吐鲁番，为43.1 ℃，低值出现在吐尔尕特，为17.7 ℃，具体相对低区为新疆北部山区附近，河西走廊一带及新疆南疆地区，大都在30～17.7 ℃之间。高值区分布较不集中，西北地区东部额济纳旗、拐子湖、哈密、十三间房、吐鲁番，以及沙漠边缘站点如蔡家湖、克拉玛依、库米什、若羌、铁干里克、阿拉山口等地年极端高温均＞37 ℃。最大极值差为25.4 ℃。

图3 西北干旱区年极端高温的空间分布（单位：℃）

3.1.2 年极端高温日数

西北干旱区1961—2010 年年极端高温日数呈现出明显的上升趋势，上升速率为1.54 d/10 a（图4a）。发生极端高温事件频率最大的是1997 年的30 d，1993 年出现发生频数最少的4.7 d。通过分析M-K 统计量可以得出，极端高温日数从正序列来看自1993 年开始稳定上升并且上升速度较快，2003年以后增温显著（图4b），通过显著性检验。

分析极端高温，不仅能对极端事件进行预报，且可以得知西北干旱区哪些地方易发生极端事件，为预防和防御做准备。通过对西北干旱区各站点极端高温日数做统计，得出整个西北干旱区的极端高温日数的空间分布，判断西北干旱区极端高温易发区。

西北干旱区年极端高温日数空间分布图中（图5），如图例半径越大发生极端高温日数越多，为极端高温易发区。

西北干旱区极端高温易发区主要分布在东部和西北部，即河西走廊一带、吐哈盆地及准噶尔盆地西部、西北部地区，最大值出现在门源站。

3.1.3 高温日数变化

西北干旱区1961—2010 年日最高气温≥35 ℃的日数不断增多（图6a），在研究的50 a 范围内呈上升趋势，以0.68 d/10 a 的速率增长。正序列UF 曲线呈波动上升（图6b），自1996 年起，处于不断增长的状态，2003 年后增加显著，通过显著性检验。

图4 年极端高温日数（a）和年极端高温日数M-K 统计量曲线（b）

图5 年极端高温日数空间分布（单位：d）

图6 高温日数（a）和高温日数M-K 统计量曲线（b）

比较极端高温日数和高温日数可以得出，两者变化趋势一致，均呈现增加趋势，且二者的显著突变点均为2003 年，但极端高温日数变化幅度为高温日数的两倍之多，说明极端高温日数出现的概率远大于高温日数，极端高温发生频率逐年增多。

分析西北干旱区近50 a 各个站点的高温日数得出，年均出现高温日数的最多的地区是吐鲁番，每年大致会出现近100 d 高温日数，若羌和铁干里克站点年均也会出现40～50 d 的高温日数，这和当地所处的地理环境有很大关系，若羌、铁干里克是西北干旱区南部塔克拉玛干沙漠边缘站点，受纬度位置和下垫面影响较大。其他较高的站点分布在内蒙古西部，新疆东部戈壁，及塔克拉玛干沙漠周边，北部古尔班通古特沙漠周边个别站，如蔡家湖、额济纳旗、拐子湖、哈密、十三间房、库米什、民丰、皮山、若羌、铁干里克、吐鲁番、克拉玛依等。

出现高温日数较少的地方，均分布在纬度较高或海拔较高站点。年均出现高温日数＜1 d 的有23个站点，有14 个站点近50 a 没有出现高温天气，如巴仑台、巴音布鲁克、北塔山、德令哈、刚察、门源、祁连、塔什库尔干、吐尔尕特、托勒、乌鞘岭、野牛沟、伊吾、昭苏等。

3.1.4 极端高温年代际变化

由表1 可知年极端高温自20 世纪90 年代起稳定增长，强度增强。春季由20 世纪60 年代起极端高温强度不断增长，20 世纪90 年代下降，随后21 世纪初开始升高；夏季极端高温在50 a 里波动起伏，21 世纪初强度有所减弱；秋季极端高温表现出波动上升，20 世纪90 年代最强，21 世纪初强度减弱；冬季极端高温强度在20 世纪90 年代起不断上升，冬季增温在年代际变化中贡献突出。

年极端高温日数除20 世纪80 年代有减少外，总体极端高温日数明显增多（表2）；高温日数同年极端高温日数变化相同，但变化幅度没有年极端高温日数大。春季极端高温日数前30 a 呈减少趋势，近20 a 极端高温日数不断增多；夏、冬季除20 世纪80年代外，极端高温日数持续增多；秋季极端高温日数的波动出现在20 世纪80 年代，近20 a 不断增多。

3.2 四季极端高温变化特征

3.2.1 四季极端高温强度

将西北干旱区每个季节的日最高气温数值降序排序，大于第5%阈值的都为季极端高温，四季极端高温变化趋势分别为0.031、0.011、0.08、0.009 ℃/10 a。这与年极端高温变化趋势一致，而年极端高温增暖的趋势中每个季节的极端高温都占一定的比重，春、秋季贡献相对较多。四季的增温速率都相对较小，但总体都表现为增暖趋势。

表1 极端高温的年代距平 ℃

表2 极端高温日数及高温日数的年代距平 d

全区的春季极端高温特点是高值区分布在西部的沙漠及边缘区，天山东部伊吾、哈密，内蒙古西部地区各站（图7a）。极高值是拐子湖、吐鲁番，超过39 ℃。极低区分布不明显，祁连山附近地区分布相对较多。

70 个站点的夏季极端高温均＞30 ℃，仅有13 个站点的夏季极端高温＜30 ℃（图7b）。夏季极端高温＞40 ℃的有若羌、拐子湖、蔡家湖、阿拉山口和吐鲁番，最高值出现在吐鲁番，夏季极端高温为44.7 ℃。其他高值区位于西北干旱区东部德令哈、刚察、门源、祁连、托勒、乌鞘岭、野牛沟、伊吾，西部托里、昭苏，巴音布鲁克、南部塔什库尔干、吐尔尕特等。夏季极端高温的最小值出现在吐尔尕特站，为19.6 ℃。夏季太阳直射北回归线上，北半球进入气温最高的时段，因此除个别站点受山地等非地带性影响外，夏季极端高温值均较大。

秋季极端高温在空间分布特点是，西部大于东部，北部地区较小，河西走廊一带偏小（图7c）。最高值仍在吐鲁番，低值在吐尔尕特，相差23.3 ℃。天山西段、伊犁河谷地，塔里木盆地周边地带及天山东部戈壁区域极值较高。低值区分布在准噶尔盆地以北，塔克拉玛干沙漠西南方向的部分高海拔站点及河西走廊部分站点。

由冬季极端高温空间分布（图7d）可以看出，随纬度增加，极值越低，高值区均在纬度较低区域。冬季极高值出现在西北干旱区南部的民丰，为15.3 ℃。极端高温强度冬季普遍不低，≤0 ℃的仅有3 个站：福海、青河、巴音布鲁克。

3.2.2 四季极端高温日数变化

西北干旱区春季出现极端高温日数不断增加，线性倾向率为0.45 d/10 a；夏季极端高温日数增加的速度较春季快，以0.52 d/10 a 的速度在增长；秋季极端高温日数近50 a 来也在不断增加，且增长速率最大，为0.64 d/10 a；冬季的极端高温日数相对较少，但增长显著，以0.57 d/10 a 的速度增长。综合来看，西北干旱区四季极端高温出现的日数均呈上升趋势，说明出现极端高温事件的频率不断增加。对于自然环境相对脆弱的西北干旱区来说，极端高温日数在不同季节的增长会对人类的生产生活产生很大影响。

图7 西北干旱区春（a）、夏（b）、秋（c）、冬（d）季极端高温空间分布（单位：℃）

通过M-K 统计量曲线，分别列出春季、夏季、秋季和冬季极端高温日数发生突然变化的时间点。通过判读UF 正序列，在春季，极端高温日数波动变化较大，可以认为2005 年为春季极端高温日数不断增加的突变时间点。夏季前期波动较大，1996 年后，夏季极端高温日数呈现增加趋势，并且通过了0.05 的显著性水平检验，突变显著。秋季极端高温日数的统计量在1995 年开始通过了0.05 显著性水平检验。冬季极端高温日数自1986 年起不断增加，突变点在1995 年。

综上，春季、夏季、秋季和冬季的极端高温强度增长趋势相对缓慢，各个季节极端高温日数的增加趋势比较明显。通过分析，在四季中秋季的极端高温日数增长速率最大，自1995 年起在秋季出现极端高温事件日数不断增加。分析四季极端高温日数的空间分布，可以得出，春季极端高温日数西北—东南分布较多，西南地区极高日数相对较少，春季出现极端高温日数普遍较少，每年春季出现4～5 d，各个站点所取的极端高温阈值不同，因此各个站点均出现了极高日数且日数差异较小。夏季极端高温日数分布呈现为东部、西部大于中部地区，昭苏、且末出现的极端高温日数相对较多。秋季极端高温日数，西北干旱区为年均4～5 d，东部地区、天山中部周边站点及西南个别站点出现日数相对较高。冬季极端高温特点为北部明显大于南部，天山以北、河西走廊以北区域均是高发区，天山以南站点相对发生概率较小，日数较少，河西走廊部分站点相对较少。

4 相关性分析

近年来，全球变暖日益显著，气候系统的变暖毋庸置疑，与气候的平均状态相比较，极端气候事件对气候变化更敏感，变率更大，造成危害更显著。气候平均态有根据历史序列的发展趋势，而极端高温随着全球增暖加剧，发生频率亦可增加。分析年平均气温与年、季极端高温的变化，有助于预测极端气候事件的发生和发展。由表3 可知，四季极端高温与年平均气温相关性不大，仅年极端高温与年平均气温有0.287 的相关系数，且通过了0.05 的显著性水平检验。说明年极端高温与年平均气温的变化有关。

极端高温日数与年平均气温均呈现出较大的相关性，年、季极端高温日数均与年平均气温有显著的相关，通过了0.01 的显著性水平检验。说明极端高温事件的发生对年平均气温的高低有很大影响，且各季节的极端高温事件的发生亦对年平均气温具有较大贡献。

表3 年平均气温与年、季极端高温的相关性

5 结论

西北干旱区极端高温强度和出现频率均以持续升高为主，年代际、季节极端高温呈增加趋势，气候变暖对西北干旱区的自然信号和经济影响不容小觑。

（1）自1989 年年极端高温呈显著上升趋势，以0.056 ℃/10 a 的速率增长。极端高温日数呈明显的上升趋势，增长速率为1.54 d/10 a。空间上西部大于东部，局部地区盆地南缘大于北缘。年高温日数自1996 年以来亦呈显著上升趋势，戈壁沙漠周边远大于纬度较高或山区及附近站点。

（2）四季极端高温均有上升趋势，秋季增长速率最大，冬季增长速率最小，冬季出现日数最少，与年日数突变一致，极端高温日数大值区多分布在西北和东南部的盆地边缘，沙漠边缘及戈壁区，北部地区较小。

（3）年极端高温与年平均气温呈正相关关系。年、季极端高温日数均与年平均气温相关性显著。

西北干旱区气候变化具有一定的复杂性，仅从短期内很难准确揭示其变化过程及趋势，且难以定论区域气候转型还是波动变化，本文得出了一些有意义的结论，但在许多方面还存在不足，未来可进一步揭示历史百年尺度气候变化规律，加强不同时空尺度气候系统演变及其相互作用规律的研究。