1971-2015年黑龙江省极端气温指数变化特征

田宝星，殷世平，郭立峰，刘 丹，张恒翀，王 铭

（黑龙江省气象科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150030）

1 引言

气候变化不仅引起极端天气频发， 还对社会经济和人类活动造成危害。 极端天气事件特点是突发性强、破坏性大、难以预测等，极端天气事件所导致的灾害呈递增趋势[1-2]。 众多学者已对极端温度做了大量研究，但阈值方法不同，对分析极端气候事件带来难题。 因此世界气象组织(WMO)成立专家组，在以往研究计划和监测中选取11个极端降水指数和16个极端气温指数，有助于全面、客观、科学的认识极端气候变化规律[3-4]。

黑龙江省地处中国东北部， 土壤肥沃， 物产丰富， 气候变化显著， 同时气象灾害带来损失愈加严重， 极端天气导致的玉米倒伏造成减产10-24%[5-6]。因此， 黑龙江省极端气温指数的时空分布特征及演变规律非常值得研究， 对制定行之有效的防灾减灾措施具有重要的科学价值。

2 资料与方法

2.1 资料与定义

基于1971-2015年（此时段数据较为完整和连续）黑龙江省80个气象站点逐日最高气温和最低气温数据，来自黑龙江省气象数据中心。 利用WMO 在气候变化监测会议中所定义的极端气温指数[7]。 极端气温指数包括极值指数和绝对指数， 极值指数为年内日最高（低）气温的极大（小）值；绝对指数是基于原始观测值和固定阈值的指数，即夏天日数、结冰日数和霜冻日数(表1)。

表1 极端气温指数定义

2.2 研究方法

利用气候统计方法， 将研究区域各站点1971-2015年逐日最高气温、 最低气温根据研究需要进行相关统计，得到极端最高气温、极端最低气温、夏天日数、结冰日数和霜冻日数，采用线性气候倾向率[8]、EOF分析[9]和小波分析[10]等方法分析极端气温指数的分布特征和演变规律。 本文选用Morlet 复小波变换来分析极端气温指数时间序列的多时间尺度特征，可以滤掉实小波变换系数造成的虚假振荡， 使研究结果更为精准。

3 结果与分析

3.1 极端气温指数趋势变化

由图1 可见，极端最高气温、极端最低气温呈增加趋势， 极端最低气温增温率为 0.41 ℃·（10a）-1，极端最高气温增温率为 0.16 ℃·（10a）-1，极端最低气温的升温趋势更明显。 从演变曲线来看，极值指数年代际变化特征明显， 极端最高气温从20 世纪80年代以来气温逐渐升高，近几年有所下降；极端最低气温则从20 世纪70年代以来气温逐渐升高， 近几年有所下降。

绝对气温指数的变化曲线如图1 所示， 霜冻日数和结冰日数呈减少趋势，夏天日数则呈增加趋势。霜冻日数和结冰日数在20 世纪70-80年代变化较为平稳，20 世纪80-90年代下降较为明显，近几年来有所增加，霜冻日数的下降幅度为 3.12 d·（10a）-1，这比周雅清[3]等得出的全国霜冻日数下降幅度3.0 d·（10a）-1要大， 这也反映出黑龙江气候变化的敏感性较强。 夏天日数从20 世纪80年代以来不断逐渐增加。

图1 黑龙江省极端气温指数变化趋势

3.2 极端气温指数空间变化

EOF分析显示，黑龙江省极端气温指数（极端最高气温、极端最低气温、霜冻日数、结冰日数和夏天日数） 第1 特征向量方差贡献率介于69-86%之间，体现研究区域极端气温指数的显著空间分布。 图2可见，极端最高气温、极端最低气温、结冰日数、夏天日数呈现一致的正变化趋势，霜冻日数呈现正、负相间变化趋势。 极端最高气温区内高值中心在拜泉附近，低值中心在东宁附近；极端最低气温区内高值中心在拜泉附近，低值中心在东宁附近；霜冻日数区内漠河附近为负值，其他地区为正值，空间变化呈现相反的变化趋势；结冰日数区内高值中心在孙吴附近，低值中心在东宁附近； 夏天日数区内高值中心在穆棱附近，低值中心在绥芬河附近。 极端气温指数受地理环境影响较大，区域特征差异明显。 极端气温指数第1 特征向量的时间系数绝对值最大， 表明这一时刻分布型式最典型。

图2 黑龙江省极端气温指数第1 特征向量空间变化

3.3 极端气温指数周期变化

小波分析显示（图3），1971-2015年各种极端气温指数存在不同时间尺度的周期变化， 极端最高气温存在 28 a、22 a、13 a和 6 a 的周期变化，极端最低气温存在 26 a、18 a、11 a和 7 a 的周期变化，霜冻日数存在28 a、7 a和5 a 的周期变化， 结冰日数存在28 a、10 a和 6 a 的周期变化，夏天日数存在 28 a、22 a、8 a和 5 a 的周期变化。

图3 黑龙江省极端气温指数小波方差

4 结论与讨论

（1）黑龙江省极端最高气温、极端最低气温和夏天日数均呈增加趋势， 结冰日数和霜冻日数呈减少趋势，年代际特征明显。

（2）黑龙江省极端最高气温、极端最低气温、结冰日数、 夏天日数空间分布模态呈现一致的正变化趋势，霜冻日数空间分布模态呈现正、负相间变化趋势。 极端最高气温、极端最低气温、结冰日数、夏天日数区内低值中心在东宁-绥芬河附近，极端最高气温和极端最低气温区内高值中心在拜泉附近， 结冰日数区内高值中心在孙吴附近， 夏天日数区内高值中心在穆棱附近， 霜冻日数区内漠河与其他地区空间变化形势相反。 极端气温指数受地理环境影响较大，区域特征差异明显。

（3）黑龙江省各种极端气温指数存在3 种较为明显的周期变化， 即22-28 a 长周期，10-18 a 中周期，5-8 a 短周期。

（4）本研究限于资料和研究水平，得出的黑龙江省各种极端气温指数演变特征只是基于统计所得，未能从物理过程及其机理出发揭示极端气温对气候变化的响应机制， 还需进行更深入的理论和数值模拟验证。