1981～2016年渭河流域上中下游极端气温差异研究

张海宁，任源鑫，张新弟，周 旗*

(1.宝鸡文理学院 地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013；2.陕西省宝鸡市冯家山水库管理局，陕西 宝鸡 721300)

政府间气候变化组织(IPCC)第五次评估报告指出：1880～2012年，全球气候的平均地表温度升高了约0.85 ℃；1951～2012年，全球的平均地表温度升温速率达到0.12 ℃/10年，约为1880年以来升温速率的两倍[1，2]。全球变暖的趋势愈加严重，极端气候事件的发生频率明显提高，因此极端气候事件的发生发展及其变化规律备受科学家们的关注。

国内外学者已采用多种方法对极端气温事件进行了综合评价分析。线性回归算法、Mann-Kendall非参数检验、相关分析法[3，4]等传统方法在极端事件研究中使用较多。在全球范围内，Song等[5]对2010年前近30年的世界极端气温事件进行分析，发现全球极端冷暖事件发生频率均呈增加趋势。在国内，众多学者的研究成果反映出近几十年国内各流域、地区极端气温事件的发生呈增加趋势。淮河流域[6,7]、珠江流域[8]、长江流域[9]、中国沿海地区[10]以及中国西北西南地区[11-13]冷指数均呈下降趋势，暖指数呈上升趋势，突变发生在20世纪80年代至21世纪初期，整体气温有所升高，极端气温事件发生频率有所增加。自1980年，国内相关学者已经开始了渭河流域极端气温事件的相关研究。蔡新玲等[14]的研究表明，近50 a陕西省年极端气温事件在空间分布上具有较好的一致性。冯星等[15]研究表明，渭河流域近55 a气温总体呈小幅增加趋势，20世纪80年代中期到90年代初期气温增长幅度较大。王帅等[16]研究表明，渭河流域各年、季的平均气温均表现为显著上升趋势，1993年为气温突变年。董晴晴等[17]研究发现，渭河流域关中地区的平均气温呈显著上升趋势，冬季对流域平均气温的变暖贡献最大；历年及各季平均气温的突变时间均为20世纪90年代中期。

总体来说，诸多学者偏重于渭河流域极端气温事件整体趋势格局的相关研究，少有学者对渭河流域上、中、下游极端气温事件进行差异评价。

本文以渭河流域为研究区域，定义林家村站之上为渭河上游流域，林家村站至咸阳站之间为渭河中游流域，咸阳站之下为渭河下游流域。借助气候变化监测和指数专家组 ETCDI(Expect Team on Climate Change Detection and Indices)定义的核心指数，结合渭河流域的气候特点，选取可以表征渭河流域极端气温事件的12个指数；基于R ClimDex软件[18]计算了1981～2016年渭河流域66个气象站点的气温数据并建立了极端气温指数时间序列。首先运用线性回归法、Mann-Kendall突变检验法对气温指数时间序列进行处理，同时结合累计距平法分析渭河流域上、中、下游36 a气温趋势差异和突变情况。其次结合任国玉等[19]对极端气温指数的分类，对12个极端气温指数进行显著性检验，筛选出能够表征“相对阈值极端高低温(日数)、持续性高低温事件、年较差”的极端气温指数，对其进行相关分析和R/S分析，研究渭河上、中、下游流域未来的气温变化趋势，为研究区未来极端气温事件的研究提供科学预测和理论参考。

1 研究区概况

渭河是黄河的第一大支流，其干流全长约818 km，流域覆盖总面积约13.5万km2。发源地位于甘肃省定西市渭源县，流经甘肃省天水市、陕西省关中平原(主要包括宝鸡、咸阳、西安、渭南)等地区，并在渭南市的潼关县汇入黄河。渭河流域位于大陆性季风气候区，并处于干旱、湿润地区的过渡交错地带；主要受西太平洋副热带高压的影响，年降水较少，同时蒸发量较大。渭河流域呈现西高东低的地势：其中渭河流域的西部为黄土丘陵沟壑区，东部为关中平原区，南部为秦岭山脉，北部为黄土高原地区。渭河流域春季气温不稳定，夏季炎热多雨，秋季凉爽湿润，冬季寒冷且干燥。流域内多年平均气温在7.8～13.5 ℃。极端最高气温为42.8 ℃，极端最低气温约为-28.1 ℃。

2 研究内容及方法

2.1 数据来源与处理

为研究渭河流域极端气温事件的变化规律，本文选取渭河流域数据较为完整、空间分布较为均匀的66个气象站点(图1)的逐日气温资料。同时对资料进行质量控制，对短期缺测数据进行插补。其中采用的逐日气温资料主要来源于陕西、甘肃两省气候中心，部分数据通过国家气候数据共享网(https://data.cma.cn)进行补充，气温资料时段取在1981年1月1日～2016年12月31日。

图1 渭河流域及主要站点示意图

2.2 研究方法

本文选取 ETCDI定义的12个极端气温指数来分析渭河流域极端气温事件，所选指标定义及表示方式见表1；同时采用线性趋势法、Mann-Kendall突变检验和R/S分析等方法对数据进行处理分析。其中Mann-Kendall突变检验[7,19]是分析气象数据时间序列趋势的常用方法，能够很好地体现气象数据的变化趋势和突变点。R/S分析法又称为重标极差分析法(Rescaled Range Analysis)，其中Hurst指数能很好地揭示时间序列中的趋势成分，证明未来变化的总体趋势与过去的关系。

表1 极端气候事件类型及其定义

3 结果与分析

3.1 1981～2016年渭河流域极端气温指数变化趋势

1981～2016年渭河流域上中下游地区极端气温指数的变化趋势见图2、表2。冷持续指数(CSDI)在渭河流域上、下游呈下降趋势，下降速率分别为0.079 d/10 a、0.12 d/10 a，中游以0.103 d/10 a的速率上升，全流域以0.063 d/10 a的速率下降，但变化幅度均较小，历年变化较平稳；结合图2a、表2，2008年冷持续指数在流域内的变化均出现了极大值。暖持续指数(WSDI)在渭河流域内均呈波动上升趋势，上升速率分别为2.579 d/10 a、2.116 d/10 a、2.052 d/10 a及2.133 d/10 a，上升速率从上游至下游逐渐减小，21世纪初期暖持续指数上升速率较快；结合图2b、表2，1998年后该指数上升较显著，表明36 a来渭河流域最高气温大于90%分位值的日数逐渐增加，渭河流域内呈变暖趋势，且变暖速率从上游至下游逐渐减慢。

生物生长季(GSL)在渭河流域内均呈上升趋势，上升速率分别为8.109 d/10 a、7.401 d/10 a、7.728 d/10 a和7.721 d/10 a，结合图2c、表2，21世纪初期变化速率明显加快，2005年后该指数上升较为显著。年气温日较差(DTR)在上游以0.162 ℃/10 a的速率下降，中、下游及全流域分别以0.178 ℃/10 a、0.199 ℃/10 a、0.207 ℃/10 a的速率上升，下游的变化速率大于上游；表明渭河流域年气温日较差从上游至下游逐渐变大，下游的年气温变化波动更大。

热夜日数(TR20)在渭河流域内均呈上升趋势，中游上升速率最大，为5.784 d/10 a，其次是下游和上游，全流域与各区域的变化趋势一致。霜冻日数(FD0)在渭河流域内均呈下降趋势，中游地区下降速率最大，为6.121 d/10 a，其次是下游和上游，全流域霜冻日数的变化趋势与各区域变化趋势相符。冰冻日数(ID0)在渭河流域内均呈下降趋势，上游地区下降速率最大，表明渭河流域日最高气温小于0 ℃的日数在36 a内逐渐减少，即每年的日最高气温整体上在升高，整个流域呈现出变暖的趋势。

夏日日数(SU25)在上、中、下游均呈上升趋势，上升速率从上游至下游逐渐减小，上游的上升速率最快，约每10年增加8 d，表明渭河流域各地区每年日最高气温大于25 ℃的天数呈现逐年增多的趋势，上游地区变暖趋势更加明显。

冷昼日数(TX10p)在渭河流域内均呈下降趋势；暖昼日数(TX90p)在渭河流域内均呈上升趋势，结合图2i、图2j及表2，冷昼日数和暖昼日数的变化速率均为从上游至下游逐渐减小，表明上游地区极端高温天气情况变化更为显著。

图2 1981～2016年渭河流域极端气温指数变化趋势

冷夜日数(TN10p)在渭河流域上、中、下游均呈下降趋势，暖夜日数(TN90p)在上、中、下游均呈上升趋势。结合表2得知，两个指数中游地区的变化速率最大，其次是上游地区；全流域内冷夜日数以1.629 d/10 a的速率呈下降趋势，暖夜日数以3.363 d/10 a的速率呈上升趋势，暖夜日数的变化速率约是冷夜日数的2倍。

表2 渭河流域极端气温指数线性趋势

渭河流域极端冷指标的整体变化呈下降趋势，而极端暖指标的整体变化呈上升趋势；冷指标的变化速率为中游最快，暖指标的变化速率为上游最快，其中暖持续指数上升速率从上游至下游逐渐减小，上游地区连续高温的日数逐渐增多；说明渭河流域整体上表现为增暖的趋势，与谢志祥等[6,9]的研究结果相吻合。

3.2 1981～2016年渭河流域极端气温指数突变分析

突变分析的目的在于找到突变点所对应的时间，因此首先采用M-K检验对1981～2016年渭河流域极端气温指数进行突变检验，同时结合累计距平法分析其变化趋势，确定其突变点及突变年份，突变检验结果见表3。

表3 渭河流域极端气温指数的突变年份

1981～2016年，冷持续指数在1997年左右发生了由多到少的突变，在2008年左右发生了由少到多的突变，表明在1997年连续低温日数短时间快速增多。霜冻日数在1999年左右发生了由少到多的突变，表明在20世纪末日最低温度低于0 ℃的天气日数突然增多；冰冻日数在1993年左右发生了由多到少的突变，表明日最高温度小于0 ℃的日数突然减少。冷夜日数在1997年左右发生了由多到少的突变，冷昼日数在1997年左右发生了由少到多的突变。综上所述，20世纪90年代末期为渭河流域冷指标的突变时期。

暖持续指数在1997年左右发生了由多到少的突变，热夜日数在1993年左右发生了由少到多的突变，表明此阶段日最低气温大于20 ℃的日数突然增加。暖昼日数在1994年左右发生了由多到少的突变，暖夜日数在1997年左右发生了由少到多的突变。夏日日数在1993年左右发生了由少到多的突变，表明此阶段日最高气温大于25 ℃日数的上升速率显著加快，高温日数增多。综上所述，1993～1997年为渭河流域暖指标的突变时期。

综合得知，1981～2016年渭河流域极端气温指数的突变时期为20世纪90年代，尤其在1993年和1997年突变情况最为明显；暖指标的突变时期略早于冷指标。

3.3 渭河流域全流域与上、中、下游气温的相关分析情况

对12个指数进行显著性检验，同时结合任国玉等[19]对极端气温指数的分类，筛选出显著性高且能够表征“相对阈值极端高低温(日数)、持续性高低温事件、年较差”的6个极端气温指数。其中相对阈值极端高低温(日数)选取冷昼日数(TX10p)和暖夜日数(TN90p)；持续性高低温事件选取冷持续指数(CSDI)、暖持续指数(WSDI)和霜冻日数(FD0)；年较差选取气温日较差(DTR)。

对上、中、下游的6个指数与渭河全流域进行相关分析，结果见表4。结果表明渭河流域上中下游地区的相关分析结果均接近1，说明上中下游对渭河流域极端气温指数变化的影响均较大；尤其是下游地区冷昼日数(TX10p)、暖夜日数(TN90p)、气温日较差(DTR)的相关分析结果更大，说明下游地区与渭河流域的极端气温指数相关性更高，对渭河流域极端气温指数影响最大的地区是下游地区。

表4 渭河流域极端气温指数相关分析结果

3.4 1981～2016年渭河流域极端气温指数R/S分析

为研究渭河流域上中下游极端气温指数的未来变化趋势，对显著性高的6个极端气温指数进行R/S分析，计算极端气温指数的Hurst指数。Hurst指数的大小反映了变化趋势的持续性(反持续性)的强弱[20]。当H=0.5时，表示气候序列是独立的随机序列，现在不会影响未来。当0.5

由表5可知，渭河流域上中下游极端气温指数具有Hurst现象，且Hurst指数均大于0.5，表明未来变化趋势与1981～2006年间的变化趋势一致，且持续性强度较强。过去36 a内，冷指标为下降趋势且Hurst指数均大于0.5，表明未来冷指标将继续呈下降趋势；暖指标、气温日较差和生物生长季为下降趋势，且Hurst指数均大于0.5，表明未来暖指标将继续呈上升趋势。

表5 渭河流域极端气温指数的Hurst指数

整体来看，极端气温指数的未来总体趋势具有强持续性，未来渭河流域变暖趋势的可能性较大。上游地区极端气温指数的持续性程度较中、下游更强，变暖趋势更明显。

4 结论

通过对12个极端气温指数的研究，得出关于渭河流域极端气温事件的主要结论如下：1981～2016年间，渭河流域暖指标(暖持续指数，热夜日数，夏日日数，暖昼日数，暖夜日数)呈波动上升趋势变化，变化速率从上游到下游逐渐减小，上游地区连续高温和极端高温出现的日数逐渐增多；冷指标(冷持续指数，霜冻指数，冰冻日数，冷昼日数，冷夜日数)呈显著下降趋势；说明过去36 a渭河流域呈变暖趋势，上游变暖趋势最明显，上游极端气温事件的发生频率大于下游。

渭河流域极端气温指数的突变时期集中在20世纪90年代，尤其在1993年和1997年突变情况最为明显；暖指标的突变时间略早于冷指标。对渭河流域极端气温变化影响最大的区域为渭河下游区域。冷指标在未来将继续呈下降趋势，暖指标在未来将继续呈上升趋势；上游地区极端气温指数的持续性程度较中、下游更强，未来变暖的趋势更明显。