长江流域年极端气温的时空变化特征研究

陈恬宇, 李东峰, 王立雪, 马浩艳, 赵志锰, 张 文, 邬佳宾, 许丽丽*

(1.华中师范大学城市与环境科学学院, 武汉 430079; 2.武汉大学遥感信息工程学院, 武汉 430079;3.水利部牧区水利科学研究所, 呼和浩特 010020)

气温是衡量气候变化的一项重要指标.近百年来地球表面气温呈明显升温态势.据联合国政府间气候变化专门委员会(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的资料显示[1-2],从1880年到2012年全球地表平均温度上涨了约0.85 ℃,2001—2020年全球地表温度平均比1850—1900年高0.99 ℃.极端气温是气温冷暖的重要指标[3],与平均气温相比,极端气温对人类社会、经济及自然生态环境的影响更为显著.频繁发生的极端气温事件将对人类社会变革、全球经济发展和自然生态系统造成严重的后果和损失[4].在全球变暖这一大背景下,已有研究表明可能今后发生极端事件的频率会更高,强度更大,持续时间更长[5].因此,探索区域极端气温的发展变化规律,对于理解区域生态系统的动态演化过程及应对未来极端气候变化有重要意义.另一方面,极端高/低温导致的电力需求和能源消耗增加会加速区域碳排放[6].研究极端气温的变化特征对区域乃至全国的碳排放评估、节能减排规划以及“双碳”目标实现具有重要意义.

目前全球范围内针对极端气温的研究均表明全球极端气温呈明显上升趋势,且极端最低气温的升温幅度大于极端最高气温.如Karl等[7]对全球最低和最高温度的研究显示,二者均上升且最低温度的升幅明显高于最高温度.Frich Petal[8]的研究同样证实,在全球范围内极端最低和最高温度的差值显著缩小.Jayawardena等[9]研究发现斯里兰卡大部分地区年平均最低气温在增加.

以我国为研究区的研究发现中国整体及大部分区域均呈增暖趋势,极端最低气温的升幅比极端最高气温高.如刘学华等[10]分析了中国1961—2000年极端气温的时间趋势变化特征,极端低温事件减少高温事件增加,表现出气温明显变暖的趋势.曹晴等[11]对1960—2017年中国极端气温时空变化的研究同样发现极端低温和高温呈增温趋势,极端低温的升温幅度高于极端高温,说明极端低温对气候变化的响应更敏感.刘学华和曹晴等的研究结果表明,我国气温变暖趋势与Karl等[7]全球的研究结果是一致的.但是,针对中国局部地区的研究有时会得到与此相反的结论.如孔锋等[12]对中国极端气温变化趋势的空间分异特征进行研究发现西藏等地区极端气温呈下降趋势.在对极端气温的突变特征进行研究时,可以认为大部分地区的增暖具有明显的突变特征.如焦文慧等[13]对1960—2017年中国北方极端气温时空变化趋势和突变特征的研究发现,最低和最高气温的极值指数均呈上升趋势,突变年份多发生在20世纪八、九十年代.刘盼等[14]对黄土高原地区极端气温进行研究,发现最高气温和最低气温指数呈显著上升趋势, MK(Mann-Kendall)突变检验发现最高气温和最低气温分别在1996年和1998年发生突变.

综上所述,目前大部分研究的结果支持中国与全球的极端气温变化一致这一结论.即极端最低和最高气温都呈增暖趋势,极端最低气温的升幅高于极端最高气温.但在区域研究上,不同地区的研究结果存在差异,甚至表现出与此相反的结论[12].长江流域作为我国重要的经济区、粮食基地和水源地,极端气温对流域内外生产生活的影响巨大.目前对长江流域极端气温的研究多集中在挖掘其变化趋势上,对于突变特征的研究较少.本文采用SMK(Sen Mann Kendall)趋势分析和MK突变检验方法,从流域和站点两个尺度,研究长江流域1962—2021年60年间极端最低和最高气温的时空变化趋势和突变阶段特征.这将有助于理解区域极端气温变化的时空格局,对预测未来气候变化趋势,制定防灾减灾策略,助力全球气候治理,实现“双碳”目标具有重要意义.

1 研究区及数据

1.1 研究区概况

长江流域(24°27′～35°54′N,90°33′～122°19′E)是我国面积最大的流域,占全国国土总面积的18.8%,约180万km2(图1).流域内地形呈三级阶梯状,西高东低,地形地貌复杂,山地、高原和丘陵盆地占据了总面积的84.7%.长江流域大部分区域地处亚热带季风气候区.多年平均年降水量约1 126.7 mm,降水充沛,但由于季风、地形等因素的影响,降水量空间分布不均,呈东南向西北递减的趋势[15],多年平均气温从东南向西北递减.

长江流域共流经19个省级行政单元,横跨西南、华中、华东三大经济快速增长地区,在我国经济社会可持续发展中扮演着至关重要的战略角色.流域内GDP超过30 000亿元,占全国的40%;耕地面积达到2 000多万hm2,成都平原、江汉平原、洞庭湖平原等是我国重要的商品粮基地;流域内水资源丰富,是中国东、中、西三大南水北调调水工程的取水地,也是我国水电开发的主要基地.

1.2 数据源与数据预处理

本文使用的极端最低、最高气温数据来源于国家气象科学数据共享服务平台http://cdc.cma.gov.cn/.因区域内部分站点有较多数据缺测,缺测站点时间序列不连续,时空格局分析可靠性差.因此,剔除缺失数据超过一年的站点,最终有效站点数为137个.将各站点的月极端最低和最高气温数据按年求均值,得到各站点各年的年极端最低和最高气温.将137个站点的年极端最低和最高气温均值作为区域年极端最低和最高气温.

2 研究方法

2.1 SMK趋势检测方法

Sen趋势度可计算序列中值[16],能有效减少噪声对数据质量的影响,但其本身无法判断序列趋势的显著性.Mann-Kendall是基于秩的非参数方法[17],该方法不受样本值、分布类型等的影响且对异常值不敏感,能客观反映样本序列总体趋势变化.因此选择使用该方法检验序列趋势是否显著.Sen趋势度计算公式为:

(1)

当β值为正时,时序数据呈上升趋势,当β为负时,则为下降趋势.

使用Mann-Kendall法检验趋势显著性,对于时间序列变量X1,X2,…,Xn,n表示时间序列数据的个数,定义统计量S:

(2)

(3)

其中,sgn(…)为符号函数,Xj、Xk分别为第j和k年的值(j>k).

在此基础上,假设H0表示时序数据随机排列无显著趋势.本文研究的时间序列长度为60年(1962—2021年),S近似服从标准正态分布.因此使用检验统计量Z进行趋势检验:

(4)

VAR(S)=n(n-1)(2n+5)/18.

(5)

运用双边趋势检验,在给定显著性水平α下,若|Z|>Z1-α/2则拒绝H0,认为趋势显著;|Z|≤Z1-α/2时接受H0,趋势不显著.取显著性水平α=0.05,Z1-α/2=Z0.975=1.96.当β>0且|Z|>1.96,序列呈显著上升趋势,如果β>0且|Z|≤1.96上升趋势则不显著.同样地,β<0且|Z|>1.96时呈显著下降趋势,β<0且|Z|≤1.96下降趋势不显著.

2.2 MK突变检验方法

MK突变检验方法要求序列随机独立且概率分布相同的平稳序列.具有不受样本分布限制、对异常值不敏感、适用于类型变量和顺序变量、定量化程度高、检测范围广、受到人为影响较小、能确定突变时间和区域等优点[18].对时间序列x1,x2,…,xn构造一秩序列,其中n为样本数,sk表示第i时刻值大于j时刻值的累计数:

(6)

(7)

假定x1,x2,…,xn随机独立且有相同连续分布,计算sk的均值和方差如下:

(8)

将sk标准化,得到统计量:

(9)

UF1=0,UFk是按时间序列x顺序x1,x2,…,xn计算出的标准正态分布的统计量序列.按时间序列x的逆序列重复上述过程,使UBk=-UFk,UB1=0.若UFk>0表明序列呈上升趋势,小于零则为下降趋势.给定显著性水平α通过查正态分布表获得临界值,若|UFk|>Uα超过临界值,说明序列趋势变化显著.若UFk和UBk的交点在临界值之间,突变开始的时间就是交点所对应的时刻.

3 研究结果

3.1 年极端气温的趋势变化

3.1.1 年极端最低气温 在流域尺度上,对长江流域1962—2021年的年极端最低气温进行SMK趋势分析,Z值为7.88,大于临界值1.96,说明极端最低气温在p=0.05的显著性水平下呈现显著增加的趋势,增长率为每10年0.35 ℃.

在站点尺度上,137个站点的年极端最低气温的SMK结果显示,99.27%的站点年极端最低气温呈现增加趋势,且97.08%的站点是显著增加的,只有0.73%的站点呈现不显著的降低趋势,不存在显著降低的站点(表1).

表1 长江流域年极端最低气温的趋势变化

空间上,137个站点的增长率在每10年-0.01～0.79 ℃之间.其中只有四川越西站点呈现不显著降低趋势,增长率为每10年-0.01 ℃.在呈增长趋势的136个站点中,只有云南元谋、陕西商州和贵州贵阳三个站点的增长趋势不显著,增长率均不超过每10年0.1 ℃,这些站点分布在长江流域最外缘地区(图2).长江上游的金沙江和雅砻江水系,多数站点年极端最低气温增长率超过每10年0.5 ℃,增温速度最快;长江上游嘉陵江水系的站点增温速度最慢,多数站点增长率不超过每10年0.3 ℃;长江上游岷江、乌江水系和中游地区沅江、湘江水系,站点增温速度相对较慢,多数站点增长率在每10年0.2～0.5 ℃之间;长江中游汉江、赣江水系和下游地区,站点年极端最低气温的增长速度相对较快,多数站点增长率在每10年0.3～0.5 ℃之间,部分站点增长率达到每10年0.5 ℃以上.

3.1.2 年极端最高气温 在流域尺度上,对长江流域1962—2021年的年极端最高气温进行SMK趋势分析,Z值为5.13,大于临界值1.96,即在p=0.05的显著性水平下呈现增加趋势,增长率为每10年0.26℃.

在站点尺度上,137个站点的年极端最高气温SMK结果(表2)显示,98.54%的站点的年极端最高气温呈现增加趋势,其中91.97%的站点呈现显著性增加趋势.1.46%的站点呈现不显著的降低趋势,不存在显著降低的站点.

表2 长江流域年极端最高气温的趋势变化

137个站点的增长率在每10年-0.09～0.98 ℃之间.呈降低趋势的站点为四川小金和贵州贵阳,但趋势不显著,增长率分别为每10年-0.04 ℃和-0.09 ℃.呈增长趋势的135个站点中有9个站点的增长趋势不显著,增长率在每10年0.005～0.15 ℃之间,主要分布在乌江、沅江和长江流域最外缘地区(图3).站点年极端最高气温变化趋势具有明显的南北差异,长江以北的金沙江、雅砻江、岷江、嘉陵江和汉江水系,大部分站点增长率高于每10年0.2 ℃,增长率小于每10年0.2 ℃的站点非常少;长江以南的乌江、沅江、湘江和赣江水系,大部分站点增长率小于每10年0.3 ℃.增长率大于每10年0.5 ℃的站点大都分布在长江以北,增长率小于每10年0.2 ℃的站点大都分布在长江以南.

3.2 年极端气温的突变特征

3.2.1 年极端最低气温 流域尺度上,极端最低气温呈显著增暖趋势但并未发生突变.UF曲线从1978年开始持续大于0,表明长江流域年极端最低气温开始增加,其中1988年UF曲线超过置信区间临界线,年极端最低气温的上升趋势显著.而UF和UB曲线的交点位置在临界线外,说明年极端最低气温没有发生突变(图4).1962—2021年间极端最低气温呈明显波动增长趋势,年极端最低气温从1962年26.18 ℃逐渐波动增长到2021年28.19 ℃,年平均增长率达到每10年0.35 ℃(图2).

图4 长江流域年极端最低气温的突变特征

站点尺度上,36.5%的站点(50个)极端最低气温发生突变并且均呈现增暖趋势.长江流域站点年极端最低气温突变出现的时间集中在20世纪90年代初,突变数最多的年份是1994年,其次是1995年.上游地区的突变多发生在1990—1998年间,部分发生在1999—2007年和2008—2014年;中游地区站点的突变年份主要是1982—1989年和1990—1998年;下游地区站点的突变年份同样以1990—1998年间为主(图5).

图5 研究区137个气象站点年极端最低气温的突变特征

3.2.2 年极端最高气温 流域尺度上,年极端最高气温增暖趋势显著并且在2001年发生突变,突变后最高气温平均增速较突变前有所提升.图6a显示,UF曲线从1996年开始持续大于0,2003年UF曲线超过置信区间临界线,年极端最高气温上升趋势显著.此外,通过UF和UB曲线的交点确定突变发生在2001年.图6b中,突变年之前的时段年极端最高气温呈明显波动变化,突变年之后的时段则呈波动增长趋势.计算可知,2001年之前年极端最高气温增长率为每10年0.07 ℃,增长速度缓慢,2001年之后则以每10年0.27 ℃的速度增长,增长速度明显加快.

图6 长江流域年极端最高气温的突变特征(a)及其分段变化(b)

站点尺度上,年极端最高气温存在突变的站点占80.3%(110个).其中,呈现增暖趋势的站点占98.2%(108个),呈现降温趋势的站点占1.8%(2个).突变时间主要在21世纪初,突变数最多的年份是2002年,其次是2001年和2005年.长江上游地区年极端最高气温的突变年份多发生在1999—2006年间,部分发生在1992—1998年和2007—2013年;中游地区突变年份以1992—1998年和1999—2006年为主,部分发生在2007—2013年;下游地区突变年份则集中在1999—2006年和2014—2018年间(图7).

图7 研究区137个气象站点年极端最高气温的突变特征

4 结论与讨论

本文利用时间序列趋势分析和突变检验方法,从流域和站点两个尺度分析了长江流域年极端最高和最低气温1962—2021年间的时空变化特征,主要得到以下结论.

1) 流域尺度上,趋势分析的结果显示长江流域年极端最低和最高气温均呈显著升高趋势,增长率分别为每10年0.35 ℃和0.26 ℃.

2) 站点尺度上,137个站点的年极端最低气温和最高气温的增长率分别在每10年-0.01～0.79 ℃和-0.09～0.98 ℃之间.分别有97.08%和91.97%的气象站点的年极端最低气温和最高气温显著升高.上游金沙江、雅砻江水系、中下游和下游站点年极端最低气温增长较快,上游其他水系和长江中上游地区增长较慢;长江以北的站点年极端最高气温增长较快,长江以南增长较慢.下游站点年极端最低和最高气温均增长较快,而年极端气

温呈降低趋势的区域则主要分布在流域的西南地区.

3) 流域尺度上,突变检验的结果确定长江流域年极端最低气温没有明显突变,极端最高气温在2001年发生增暖突变,突变后平均增速加快.

4) 站点尺度上,年极端最低气温中存在突变的站点占比36.5%(50个).突变点出现的时间集中在20世纪90年代初,1994年发生突变的站点最多.上游和下游站点的突变多发生在1990—1998年间;中游站点的突变年份主要是1982—1989年和1990—1998年.年极端最高气温中存在突变的站点占80.3%(110个),在存在突变的110个站点中,呈现增暖趋势的站点为98.2%(108个).突变发生最多的年份集中在21世纪初,上游年极端最高气温的突变年份多发生在1999—2006年间;中游突变年份以1992—1998年和1999—2006年间为主;下游突变年份则集中在1996—2006年和2014—2018年间.

上述研究结果表明,长江流域呈显著变暖趋势,年极端最低气温的上升速度大于年极端最高气温,这与全中国和全球的变暖趋势一致[7,10].中国主要的河流区域,如辽河流域[19]、黄河流域[20]、珠江流域[21]等,同样呈显著变暖的趋势.相较于长江流域,辽河、黄河和珠江流域极端最低气温分别以每10年0.58 ℃、0.37 ℃和0.41 ℃的速率增长;极端最高气温增长率分别为每10年0.21 ℃、0.28 ℃和0.13 ℃.黄河流域极端气温的增长率与长江流域较为接近,而辽河和珠江流域极端最低气温的增长率高于黄河和长江流域,极端最高气温增长率比黄河和长江流域低.说明中国主要河流流域极端气温整体的增暖趋势是一致的.

长江流域年极端最低气温的上升速度大于年极端最高气温,流域的气温区间变小,对物种多样性、植被生长发育等会造成一定的影响.长江流域作为我国重要的粮食产区,其极端气温明显上升的趋势可能会引发高温热浪、干旱等气象灾害,造成粮食减产威胁粮食安全.为了应对风险,可以适当扩大多熟农作物的种植面积,调整农业产业结构,实现粮食增产.另一方面,极端气温升高会使植物生长期和春季物候期提前,可能导致长江流域春季农作物易受低温冻害影响,进而影响农业生产.

根据贾艳青[22]等对长江三角洲1960—2014年的ENSO事件和La Nina事件的研究,可以发现长江流域年极端最高气温的突变年份2001年,是拉尼娜现象发生的后一年,由此推测突变的发生可能与此有关.未来可分析极端气温突变年份与厄尔尼诺和拉尼娜事件的关系及规律;也可以进一步探究碳排放对于极端气温变化的具体影响以及二者的变化情况可能存在的关联.

本文对长江流域极端气温的趋势变化和突变特征的研究及相关结论,有助于了解气温变化的时空格局,对于预测未来气候变化趋势,制定防灾减灾策略,实现“双碳”目标助力全球气候治理都具有重要意义.