1960─2020年陕北极端气候指数变化规律的研究

薛斯文，周 旗

（1.云南大学 国际河流与生态安全研究院，云南 昆明 650500；2.陕西省灾害监测与机理模拟实验室，陕西 宝鸡 721013）

0 引言

IPCC第5次评估报告指出，全球大部分地区均呈明显升温趋势，1951─2012年全球地表平均气温的上升率达0.12 ℃/10 a，而中国陆地表面平均气温的上升率为0.23 ℃/10 a，明显高于全球的上升率［1-2］。越来越多的研究也证实全球气候正在变暖。随着全球气候的变暖，极端气候事件发生频率增加，影响范围更加广泛，这对世界各国的经济发展和人民生活造成了很大的不利影响。极端气温和极端降水事件已经引起越来越多专家、学者们的密切关注。王晓利等［3-4］的研究结果表明，自1950年以后，全球暖夜数显著增加，霜冻、冰冻天数减少，温度日较差显著下降，且在不同地区间变化速率差异显著。Keggenhoff等［5］的研究结果表明，各地区之间极端降水变化特征有明显的差异，同时，极端降水事件使得年降水量普遍呈现上升趋势。极端气候事件一般采用单个气象观测站点的气候要素（如气温、降水量等）在一段时间内的异常记录或超过特定阈值的天数等来表示［6］。通常极端气候事件发生的强度及危害性都很大。近年来，极端气候指数时间序列的研究已成为气候变化研究的热点，许多学者基于不同的方法或从不同的角度对区域极端气候事件的变化特征进行了大量的研究［6-8］。我国关于极端气候事件的研究表明，极端暖事件显著上升，极端冷事件显著下降，极端降水事件明显增多［9-10］，但是不同类型和不同区域的极端气候变化又存在明显差异［11-12］。中国北方地区极端气温的变化趋势更明显［9］，由小雨事件显著减少导致的干旱化也更明显［13］；降水日数和极端降水事件在过去半个世纪显著减少，但在西部地区仍有一定程度的增加［14］。

陕北地区位于半湿润区向半干旱区、干旱区的过渡地带，受西风环流、高原季风和东亚季风环流的共同影响，是中国典型的生态脆弱区和气候敏感区［15-18］。在前人研究的基础上，笔者选取更长时间的降水和气温数据，应用RClimDex模型计算了陕北地区的极端气候指数，分析了该地区极端气候指数的时空变化规律及其主要影响因素，以期为该区域的生态建设和防灾减灾工作提供科学依据。

1 研究区概括与方法

1.1 研究区概况

陕西北部地区位于黄土高原中部，地理坐标为35°21′~39°34′N，107°15′~111°14′E，包括榆林、延安2个市，辖25个县（区）（图1）［19］。受季风活动的影响，陕北地区西北部气候干燥，呈现半干旱季风气候类型，年平均气温和降水量分别为7~9 ℃和350~500 mm；东南部属暖温带干旱季风气候，年平均气温和降水量分别为8.5~12.0 ℃和500~650 mm。陕北地区地势西北高、东南低，属于干旱、半干旱区，受水气条件和特殊地形地貌的影响，该地区暴雨、干旱、洪水、水土流失、泥石流等自然灾害频发［20］。

图1 陕北地区的气象站点及地形地貌

1.2 数据来源

1960─2020年陕北地区9个气象站点的年降水和气温数据来源于中国气象数据网（http：//data.cma.cn）。各站点的气候数据相对完整，部分站点少量的缺测数据采用邻近均值法进行插补。

1.3 研究方法

依据国际气候诊断与指数小组（ETCDD-MI）提供的极端降水和气温事件的相关指标［21-26］，采用ClimDex模型［27-28］计算陕北地区的27个极端气候指数（http://cccma.seos.uvic.ca/ETCCDMI/），从中选取13个与温度、降水相关的极端气候指数分析陕北地区极端气候的变化趋势。采用ArcGIS技术对极端气候指数的时空分布特征进行了探讨，并应用SPSS软件进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 极端气候指数的时间变化趋势

由图2可见，陕北地区的极端降水指数除了年总降水量（PRPCPTOT）和连续湿润指数（CWD）呈非显著上升趋势外，连续干旱指数（CDD）、日最大降水量（RX1day）、极强降水量（R99pTOT）以及大雨日数（R20）均呈显著下降趋势。这与李双双等［29］的研究结果“1960─2013年秦岭─淮河南北持续性降水日数在下降”相反，说明陕北地区近60 a来极端强降水在减少，而连续湿润指数在增加。这与李双双等［30］的研究结果“近年来陕北地区降水持续时间呈现破碎化趋势，降水强度呈现增加趋势”类似。在本研究中，CDD、RX1day、R99pTOT和R20均通过了0.05水平的显著性检验，其气候倾向率分别为-0.695 d/10 a、-0.32 mm/（d·10 a）、0.607 mm/（d·10 a）和-0.024 d/10 a。

图2 陕北地区极端降水指数的变化趋势

如图3所示，陕北地区的极端气温指数除了最低气温（TNn）呈显著上升趋势外，其他大多数指数均呈下降趋势，其中霜冻日数（FD）、冷日持续日数（CSDI）、最高气温（TXx）和冷昼日数（TX10p）均通过了0.05水平的显著性检验，其气候倾向率分别为-0.591 d/10 a、-0.365 d/10 a、-0.030 ℃/10 a和-0.601 d/10 a；其余指标如暖夜日数（TN90p）以及夏天日数（SU）均呈非显著上升趋势。说明陕北地区的气温极低值在上升，极端气温冷指数在显著下降，暖指数在微弱上升。这与中国大多数地区最低气温上升幅度较大的趋势相同［29］，也与李富民等［31-32］的研究结果类似。

图3 陕北地区极端气温指数的变化趋势

2.2 极端气候指数的空间变化趋势

2.2.1 极端降水指数的空间变化 从图4可以看出：陕北地区的连续干旱指数（CDD）、极强降水量（R99pTOT）和年总降水量（PRPCPTOT）均呈现北高、南低的变化趋势，而连续湿润指数（CWD）呈现北低、南高的变化趋势；大雨日数（R20）、日最大降水量（RX1day）均大致呈西高、东低的变化趋势，这与刘彩红等［33-34］的研究结果类似。CDD的范围为50~81 d，其高值中心位于延长、榆林、绥德以及横山等地，低值中心主要位于吴起、洛川、靖边以及定边等地。CWD的范围为3.83~5.70 d，其高值中心分布在定边、吴起、靖边及横山等地，低值中心分布在榆林、绥德、延长以及洛川等地。R99pTOT、R20、PRPCPTOT和RX1day的范围分别为24.89~71.33 mm、4.17~8.83 d、378.12~599.55 mm和46.14 ~67.23 mm。其中，R99pTOT、PRPCPTOT和R20的高值中心均大致位于定边、靖边、吴起等地，低值中心均大致位于榆林、横山、延长以及洛川等地；而R99pTOT的高值中心主要位于神木、绥德、定边以及靖边等地，低值中心分布在吴起、洛川、延长等地。

图4 陕北地区极端降水指数的空间分布

2.2.2 极端气温指数的空间分布 如图5所示，陕北地区的霜冻日数（FD）呈东北高、西南低的空间分布趋势，而夏天日数（SU）与其相反；冷昼日数（TX10p）呈东高、西低的空间分布规律，而暖夜日数（TN90p）与其相反；最高气温（TXx）呈西高、东低的变化趋势，而最低气温（TNn）与其相反；冷日持续日数（CSDI）呈东北高、西南低的变化趋势，而暖日持续日数（WSDI）呈西北高、东南低的变化趋势，这与刘彩红等［33,35-37］的研究结果相似。

图5 陕北地区极端气温指数的空间分布

FD、TX10p、TNn和CSDI的范围分别为123~158 d、7.47~19.93 d、-25.01~-17.96 ℃和1.34~2.83 d。FD的高值中心位于神木、绥德、延长以及洛川等地；TX10p的高值中心位于横山、靖边、绥德以及延长等地；TNn的高值中心位于横山、靖边和吴起等地；CSDI的高值中心位于横山、靖边、绥德和榆林等地。FD的低值中心在定边、靖边以及吴起等地；TN90p的低值中心位于神木、榆林、定边和洛川等地；TNn的低值中心主要位于榆林、绥德、延长和洛川等地；CSDI的低值中心位于定边、吴起、洛川和延长等地。SU、TN90p、TXx、WSDI的范围分别为39~114 d、7.94~20.63 d、30.44~36.45 ℃、3.42~9.31 d。SU、TN90p、TXx、WSDI的高值中心大体一致，均位于神木、绥德、延长等地，其低值中心大多数集中在吴起、定边、靖边和洛川等地。

2.3 极端气候指数的突变检验

采用Mann-Kendall突变检验法对陕北地区9个气象站点的极端气候指数进行突变检验，同时对极端气候指数的变化规律进行显著性检验。结果表明（图6）：在极端降水指数中，连续干旱指数（CDD）、连续湿润指数（CWD）、年总降水量（PRPCPTOT）、大雨指数（R20）、极强降水指数（R99pTOT）、日最大降水量（RX1day）、降水强度（SDII）的突变在各个气象站点均通过了0.05水平的显著性检验，说明极端降水指数在1960─2020年间的突变是显著的，具有一定的研究意义。这与郑小华等［38-39］的研究结果一致。

图6 陕北地区极端气候指数的突变检验结果

对极端气温指数的突变检验结果显示：霜冻日数（FD）的突变在神木、横山、吴起和洛川达一般显著水平，但在绥德、延长、靖边、定边和榆林不显著，总的来看，陕北东侧FD突变的显著性大于西侧；冷昼日数（TX10p）的突变除了在吴起站较为显著外，在其余站点均不显著；最低气温（TNn）的突变除了在吴起、靖边、洛川站不显著外，在其余站点均达一般显著水平，亦即TNn突变的显著性自东北向西南降低。这与张扬等［40-41］的研究结果一致。

2.4 极端气候指数的影响因素分析

应用皮尔逊相关系数法对影响极端气候指数的因素进行了探究，发现连续干旱指数（CDD）受年总降水量（PRPCPTOT）的影响较大，相关系数为-0.777，在0.05的水平上显著；连续湿润指数（CWD）与年总降水量呈极显著正相关，相关系数为0.917，在0.01的水平上显著；CWD也受经度、海拔以及平均气温的影响，相关系数分别为0.727、-0.770和0.784，说明经度越大、海拔越低、平均气温越高则CWD越大，也说明CWD自南向北、自西向东逐渐变高。大雨指数（R20）也与年总降水量、经度、海拔以及平均气温有关，相关系数分别为0.918、0.752、-0.726、0.675，除了与年总降水量在0.01水平上极显著相关外，与其余因素均在0.05水平上显著相关，说明R20自西向东、自北向南升高。降水强度（SDII）与年总降水量和经度均呈正相关，相关系数分别为0.749、0.826，分别在0.05和0.01水平上显著，说明经度越大则SDII越大，也就是说陕北东部的降水强度大于西部的。日最大降水量（RX1day）主要与年总降水量、经度和海拔有关，相关系数分别为0.773、0.886、-0.832，分别在0.05、0.01、0.01的水平上显著，说明经度越大、海拔越低则RX1day越大，亦即陕北地区的RX1day自西向东、自南向北增加（表1）。

表1 陕北极端气候指数与影响因素间的Pearson相关系数

从表1还可以看出，在极端气温指数中，除了夏季日数（SU）和暖夜持续日数（WSDI）与上述影响因素有关外，其余的指数与上述因素均无关。具体来说，SU与纬度呈0.05水平的正相关，说明纬度越大则SU越大，陕北东南部的SU多于西北部的；WSDI主要与年总降水量、经度、海拔和平均气温有关，相关系数分别为0.713、0.781、-0.885和0.703，除了与海拔在0.01水平上呈极显著负相关外，与其他因素均在0.05水平上呈显著正相关，说明年总降水量越大、经度越大、海拔越低、平均气温越高则WSDI越大，亦即陕北地区东部的WSDI大于西部的，东南部的大于西北部的。

3 讨论

本研究发现：在1960─2020年期间，陕北地区的极端降水强度在减弱，降水总量和湿润指数在增加；陕北地区的气温极低值在上升，极端气温冷指数在显著下降，暖指数在微弱上升；大多数极端气候指数的突变较为显著。说明陕北地区的气候趋向于暖湿化，这与王丹等［42］的研究结果类似。

由陕北地区多年平均极端气候指数的空间分布可知，西北部的连续湿润指数大于东南部的，西部的气温高于东部的，但极端气温指数的绝对指标（SU、FD）和相对指标（TN90p、TX10p）均表现为南部大于北部，说明陕北地区南部的气候总体上较北部暖湿。这与张菁等［43］的研究结果“陕甘宁三河源区的极端降水总体呈现‘南高北低’的空间分布格局，空间差异显著”较为类似，也与张扬等［44-45］的研究结果相似。

极端气候指数的影响因素主要有经度、海拔和平均气温。周雅蔓等［46］研究指出夏季极端降水事件、最大日降水量表现出山区高、盆地低的特点，与海拔有密切的关系。Micu等［47］研究了1961─2018年罗马尼亚南喀尔巴阡山脉温度和降水指数的变化，发现在高海拔地区（海拔2000 m以上）温度和极端降水的变化趋势不明显，而经度解释了大降水指数趋势的48%~54%。Wang等［48］研究了1960─2016年我国每日极端温度和降水事件的变化，发现暖化趋势随着经度的升高而显著增强，温暖指数和极端日降水指数随着海拔的升高而降低。这与本文极端降水指数（CWD、R20、R99pTOT、WSDI、Rx1day）与海拔呈显著负相关、极端降水指数（CWD、R20、SDII、CWD、WSDI）与经度呈正相关的结果一致。李春兰［49］研究认为蒙古高原极端气温事件大多与经度呈正相关，与纬度和海拔呈负相关。本研究发现，极端气温指数中的绝对指标夏季日数（SU）与纬度有关，暖夜持续日数（WSDI）主要与经度、海拔和年总降水量有关。焦文慧等［50］通过研究近58 a我国北方地区极端气温的时空变化及影响因素发现：大多数极端气温指数与经纬度、海拔显著相关，其中与海拔的相关性较强。但本文只检测出SU与海拔呈显著正相关；WSDI与海拔呈显著负相关，与经度和降水量呈显著正相关。高婧等［51］研究发现塔城地区极端气温指数的空间分布受多种因素的影响，如纬度、海拔、地形地貌、大气环流和海表温度等。因此，本研究选取的地理位置和气候因素可能不足以解释陕北地区近60 a来极端气候指数的变化规律，今后需要加入大气环流等因子开展进一步研究。

4 结论

本研究结果表明：在1960─2020年期间，陕北地区的极端降水强度在减弱，降水总量在增加，湿润程度在增强，极端降水的突变显著；月极端最低气温呈上升趋势，霜冻日数和冷昼日数下降显著，暖夜日数有微弱上升；连续干旱日数、极强降水量和年总降水量呈现北高、南低的变化趋势；大雨日数、日最大降水量均大致呈西高、东低的变化趋势；霜冻日数呈东北高、西南低的变化趋势，而冷昼日数呈东高、西低的变化趋势；极端降水量、极端降水日数与经度、海拔和年平均气温有关，而极端气温日数受经纬度、海拔和年总降水量的影响较为明显。