1955-2017年安康市极端气候事件时序变化特征

肖薇薇, 安 彬, 贾 丹

(1.安康学院 旅游与资源环境学院, 陕西 安康 725000; 2.安康市汉江水资源保护与利用工程技术研究中心, 陕西 安康 725000; 3.陕南生态经济研究中心, 陕西 安康 725000)

相对于气候变化的均值，极端气候事件(如洪涝、干旱、台风、风暴、酷暑、严寒等)具有突发性、不可预测性、破坏性强等特点，对自然系统影响巨大，对生态环境和人类生活造成严重破坏，并可能影响全球粮食安全和水资源供应[1-3]。Wang[4]、尹红[5]等对近50年中国极端气候事件变化规律的研究表明，中国极端气候事件发生的频率越来越高，且生态脆弱区受极端天气影响更为剧烈。学者们采用线性回归、趋势分析、空间分析、突变检验等研究方法对中国东部地区[6]、黄淮海地区[7]、锡林河流域[8]、三江源地区[9]、海南省[10]、宝鸡市[11]、汉中市等[12]不同尺度区域的极端气候变化规律进行了分析，结果都表明极端气温和降水事件都呈增加趋势，且表现出时空分布和强度上的变化，不同区域极端气候变化差异对于农业生产、气候资源开发利用等均会产生不同影响。

安康市地处秦巴腹地，是国家主体功能区建设示范市和南水北调中线工程的核心水源区，是环境变化的敏感区和生态脆弱区，洪灾与滑坡、泥石流等次生地质灾害频繁发生，研究其极端气候特征变化对于当地防灾减灾具有重要意义。目前，赵景波[13]、靳俊芳[14]等分别选用了8个极端气温指标和4个极端降水指标对安康市1955—2012年的极端气温和极端降水变化规律做了研究，但仅单独考虑某一气候要素对于全面揭示区域极端气候变化趋势还有一定的局限性，本文选用11个极端气温指数和8个极端降水指数，分析安康市1955—2017年的极端气温和降水事件变化规律及突变特征，以期为该区农业生产、生态环境建设与保护以及气象灾害预防等提供更全面的参考依据。

1 研究资料和研究方法

1.1 研究区概况

安康市(31°42′—33°50′N，108°01′—110°12′E)位于陕西省东南部，北依秦岭，南靠巴山，汉水横贯东西，河谷盆地居中，属亚热带大陆性季风气候。年均温12～15℃，年降水量750～1 100 mm，全市无霜期210～280 d，生长期年平均290 d，年平均日照时数为1 610 h。因地形、气候等多种因素的影响，该区极端气候事件频繁发生。

1.2 研究方法

本文从中国气象科学数据共享服务平台(https:∥data.cma.cn/)获取安康站(32°25′48″N，109°1′12″E)1955—2017年的逐日最高、最低气温数据及降水数据。从世界气象组织(WMO)推荐的27个极端气候指数(http:∥etccdi.pacificclimate.org/list_27_indices)中选取11个极端温度指数和8个极端降水指数(见表1)，利用RClimDex软件计算极端气候指数值，运用线性拟合、Mann-Kendall法分析安康市极端气温和极端降水事件变化规律及突变特征。

表1 极端指数及概念界定

Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法，可以明确突变开始的时间，是一种常用的突变检测方法。计算方法如下[7,14-16]:

假定时间序列为{xi}(i=1，2，3，…n)，mi表示第i个样本xi>xj(1≤j≤i)的累计数。定义统计量dk：

(1)

在时间序列独立的假定下，定义统计量如下：

(2)

(3)

式中：E(dk)和var(dk)分别为累计数dk的均值和方差。UFk为标准正态分布,其判断依据为:当UF>0,则表征该时间序列呈上升趋势;UF<0则为下降趋势,当其超过95%置信水平α时,说明该上升或下降趋势显著。当UF和UB曲线在临界线内存在交叉点,则该交点即为该时间序列的突变发生时间。

2 安康市极端气候事件时序变化特征

2.1 极端气温时间变化特征

2.1.1 极值指数变化特征 由图1A可见，1955—2017年安康市的极端最高气温大致以0.016℃/10 a的速率波动下降，但变化趋势不显著(p>0.05)。20世纪50年代中期至60年代后期，极端最高气温呈小幅上升；70年代开始下降，80年代后期出现了35.7℃的极端最高气温，为近63年最低；20世纪90年代至21世纪初极端最高气温年际变化较大；2010年后极端最高气温持续上升，2017年极端最高气温达41.9℃，为近63年最高。极端最高气温反序列UB曲线超过了显著性水平临界线，且在临界线内的1959年，1961年，1979年及2016年出现相交，但UB曲线仅在1979年后突破了显著性水平临界线，表明极端最高气温仅在1979年发生显著突变(图1A′)。由图1B可见，近63年安康市的极端最低气温呈显著上升趋势(p<0.05)，增加速率为0.295℃/10 a，且增加速率高于极端最高气温。20世纪50年代后期至60年代初迅速上升；60年代末至70年代下降；80年代至90年代持续上升，1991年出现了近63年最低气温，为-9.7℃；90年代末至21世纪初，极端最低气温小幅下降；2005年以来，波动上升，2017年极端最低气温高至-2.7℃，为近63年最高。极端最低气温的正序列UF曲线超出了显著性水平临界线，且UF和UB之间仅有一个交点，对应时间为1959年，表明安康市极端最低气温在1959年发生突变上升；突变前年均极端最低气温为-8℃，突变后升至-5.9℃(图1B′)。

图1 1955-2017年安康市极端气温变化趋势及突变特征

2.1.2 绝对指数变化特征 从图2A可以看出，近63年安康市的夏日日数呈显著上升趋势(p<0.05)，速率为1.754 d/10 a；夏日日数波动幅度较大，最大值出现在2013年，为169 d，最小值出现在1964年，仅为119 d，两者差值达到50 d。夏日日数的UF曲线和UB曲线均超出了显著性水平0.05临界线，UF和UB之间都有6个交点，对应时间分别为1957年、1959年、1961年、2006年、2009年、2011年，其中，UF，UB曲线在1959年相交后均突破了显著性水平线、在1961年UF和UB曲线在显著性水平线之外相交，其余4年UF和UB曲线的交点均显著性水平线之间，说明夏日日数在1957年发生了突变，在1957年突变前为142 d，突变后升至162 d(图2A′)。从图2B可以看出，近63年安康市的热夜日数呈显著上升趋势(p<0.05)，速率为1.355 d/10 a；除20世纪60年代、20世纪末及21世纪初热夜日数呈下降趋势外，其余年份热夜日数都呈上升趋势；1993年热夜日数最少，仅有64 d，其次为1976年的66 d；2007年热夜日数最多，出现了99 d，其次是2013年的97 d，2017年的95 d。热夜日数的正序列UF曲线和反序列UB曲线在0.05显著性水平临界线区间内相交，交点对应的时间为2012年，且UF曲线在和UB曲线相交后突破了0.05显著性水平线，表明近63年来安康市热夜日数在2012年发生了突变(图2B′)。从图2C可以看出霜冻日数整体上呈大幅下降趋势(p<0.001)，变化速率为-3.197 d/10 a。从年代际变化趋势看，霜冻日数呈先波动平稳变化而后下降趋势；近63年霜冻日数最高值集中在20世纪50年代末和60年代中期，其中最多的1967年达到了62 d、其次为1956年的60 d。霜冻日数的正序列UF曲线和反序列UB曲线在0.05显著性水平临界线区间内相交，交点对应的时间为1989年，且UF曲线在和UB曲线相交后均突破了0.05显著性水平线，表明近63年来安康市霜冻日数在1989年发生了突变。此外，霜冻UF曲线在突变年份后甚至超过0.01显著性水平(U0.01=±2.56)，UF曲线在1989年突变下降，表明霜冻日数下降趋势十分显著(图2C′)。

图2 1955-2017年安康市极端气温绝对指数变化趋势及突变特征

2.1.3 相对指数变化特征 安康市极端气温相对指数包括冷日、暖日、冷夜和暖夜日数4个基期阈值指标，本文选择1961—1990年作为基期。计算原理以暖日日数指标为例，选取1961—1990年每年同一日期最高气温进行升序排列，选取第90个百分点的值作为该日期的阈值，将1955—2017年每年同一日期最高气温与该阈值进行比较，若大于阈值，则算作暖日；冷日计算方法类似，阈值为最高气温升序第10个百分点值；冷夜、暖夜以此类推。

由图3A所示，近63年安康市冷日日数呈显著下降趋势(p<0.05)，速率为-0.961 d/10 a，年代际平均值在20世纪80年代最高，21世纪以来冷日日数持续下降。冷日日数的UF，UB曲线在显著性水平0.05临界线之间只有一个交点，对应时间分别为2012年，且冷日日数的UF曲线在2012年后突破了0.05显著性临界线，表明近63年安康市冷日日数在2012年发生突变(图3A′)。由图3B可见，暖日日数总体上呈小幅上升趋势，但变化趋势不显著(p>0.05)，变化率为0.32 d/10 a。由年代际平均值变化看，暖日日数呈现先上升后下降再上升的变化特征，20世纪50年代中期至70年代初，暖日日数持续上升；70年代末至80年代暖日日数持续下降，其中1983年暖日日数年均值为4.78 d，为近63年最低值；90年代以后，暖日日数开始波动上升，至21世纪初叶达到最大值。暖日日数的UF，UB曲线在显著性水平0.05临界线之间有6个交点，对应时间分别为1962年、1974年、1997年、2012年、2013年、2016年，其中只有1974年UF，UB曲线相交后UB曲线突破了0.05显著性水平线，表明近63年安康市暖日日数在1974年发生突变(图3B′)。由图3C可见，冷夜日数总体呈大幅下降趋势(p<0.001)，变化速率为-1.885 d/10 a。冷夜日数年代际平均值除60年代有所上升外呈持续下降，最高值是1973年的12.76 d，最低值是2017年的1.64 d。冷夜日数的UF和UB曲线只有一个交点，但交点位于显著性水平临界线区间之外，说明近63年安康市冷夜日数未发生突变(图3C′)。由图3D可见，暖夜日数总体呈显著上升趋势(p<0.05)，每10 a增加1.118 d。由年代际平均值变化看，20世纪50年代中期起，暖夜日数缓慢上升，70年代变化幅度较小，80年代初有所下降，90年代起波动上升，并且增速较快，2006年达29.45 d，为近63年最高。暖夜日数的UF，UB曲线在显著性水平0.05临界线之间有7个交点，对应时间分别为1959年、1960年、1961年、1971年、1997年、2011年、2013年，其中1959年、1960年、1997年的交点位于显著性水平临界线区间之间，1971年、2011年交点位于显著性水平临界线区间之外，1961年和2013年UF，UB曲线相交后UF曲线突破了0.05显著性水平线，表明近63年安康市暖夜日数在1961年、2013年发生突变(图3D′)。总体上看，近63年安康市的冷日日数下降速度慢于冷夜日数，暖日日数上升速度慢于暖夜日数。

图3 1955-2017年安康市极端气温相对指数变化趋势及突变特征

2.1.4 持续指数变化特征 为探究安康市极端气温持续时间的变化特征，选取作物生长季和气温日较差两个指标进行分析。图4A为1955—2017年安康市作物生长期的变化趋势，近63年作物生长期呈大幅增加趋势(p<0.001)，变化率为4.64 d/10 a。作物生长期的正序列UF曲线和反序列UB曲线均超出了显著性水平临界线，且在临界线区间内相交，交点分别为2002年、2004年、2006年，且UF曲线在2006年后均突破了0.05显著性水平，表明近63年来安康市作物生长期在2006年发生了突变(图4A′)。由图4B可看出1955—2017年安康市气温日较差总体呈波动下降趋势，但变化趋势不显著(p>0.05)，速率为-0.074℃/10 a。从年代际平均值变化情况看，20世纪50年代中后期气温日较差为近63年最高值，60年代末至70年代初较为平缓，70年代末逐渐下降，80年代小幅度增加后趋于平稳。气温日较差的正序列UF曲线和反序列UB曲线有5个交点，对应的时间分别是1958年、2004年、2005年、2007年、2015年，但仅在1958年后UF曲线在突破了0.05显著性水平，表明近63年安康市气温日较差在1958年发生了突变(图4B′)。

图4 1955-2017年安康市极端气温持续指数变化趋势及突变特征

2.2 极端降水时间变化特征

2.2.1 绝对指数变化特征 从图5A可见，1955—2017年安康市的1日最大降水量大致以0.885 mm/10 a的速率波动上升，但变化趋势不显著(p>0.05)。1日最大降水量在20世纪50年代中期至60年代初缓慢下降，1965年仅有32.2 mm，为近63年最低；20世纪60年代末至70年代迅速上升，1978年达161.9 mm，为近63年最高；80年代出现大幅度的下降；进入90年代后，最大降水量趋于平稳。1日最大降水量的正序列UF曲线和反序列UB曲线在0.05显著性水平临界线区间内相交，对应的时间为1972年，且UF曲线在1972年后均突破了0.05显著性水平线，表明近63年来安康市1日最大降水量在1972年发生了突变，1日最大降水量突变前为37.9 mm，突变后增至60.2 mm(图5A′)。从图5B可见，1955—2017年安康市5日最大降水量大致以1.476 mm/10 a的速率波动下降，但变化趋势不显著(p>0.05)。5日最大降水量在20世纪50年代末波动明显，1960年达270.3 mm，为近63年最高；20世纪60年代末至70年代迅速上升；80年代至90年代初出现大幅度的下降，1993年5日最大降水量低至56.9 mm，为近63年最低；90年代后期开始，5日最大降水量趋于平稳(与1日最大降水量相似)。5日最大降水量的正序列UF曲线和反序列UB曲线有7个交点，对应的时间分别是1955年、1956年、1960年、1961年、1964年、2012年、2015年，但仅在1964年后UF曲线在突破了0.05显著性水平，表明近63年来安康市5日最大降水量在1964年发生了突变(图5B′)。

图5 1955-2017年安康市极端降水绝对指数变化趋势及突变特征

2.2.2 门限指数变化特征 从图6A可见，1955—2017年安康市中雨日数大致以0.079 d/10 a的速率波动上升，但变化趋势不显著(p>0.05)。中雨日数在20世纪50年代末至60年代迅速上升，1967年中雨日数为37 d，是近63年最高值；20世纪70年代中雨日数变化较为平稳；20世纪80年代至90年代中雨日数持续下降，1999年低至14 d，为近63年最低值；中雨日数在21世纪初迅速上升至25 d左右后变化平稳。中雨日数的正序列UF曲线和反序列UB曲线在0.05显著性水平临界线区间内相交，交点有6个，对应的时间分别是1986年、2008年、2013年、2014年、2016年、2017年，但UF和UB曲线均未突破0.05显著性水平线，表明近63年来安康市中雨日数未出现突变(图6A′)。从图6B可见，1955—2017年安康市的大雨日数大致以0.438 d/10 a的速率显著上升(p<0.05)。大雨日数在50年代末60年代初变化剧烈，1957年大雨日数为3 d，是近63年的最低值；20世纪60年代后期至70年代缓慢上升；20世纪80年代至90年代中雨日数持续下降(与中雨日数一致)；进入21世纪后大雨日数迅速上升，2010年大雨日数达17 d，为近63年最高；2010—2017年，大雨日数持续下降。大雨日数的正序列UF曲线和反序列UB曲线有个交点，对应的时间分别是1964年、1965年、1968年，但仅在1968年后UF曲线在突破了0.05显著性水平，表明近63年安康市大雨日数在1968年发生了突变(图6B′)。

图6 1955-2017年安康市极端降水门限指数变化趋势及突变特征

2.2.3 相对指数变化特征 由图7A所示，1955—2017年安康市强降水量大致以11.617 mm/10 a的速率波动上升，但变化趋势不显著(p>0.05)。强降水量在20世纪50年代中后期至60年代前期小幅下降，其中1961年的37.6 mm是近63年的最小值；20世纪60年代末至80年代初大幅上升；80年代初出现小幅下降；从20世纪90年代起，强降水量的年际变化变大，总趋势为上升。2010—2014年间强降水量连年下降，其中2010年强降水量达613.5 mm，为近63年最高，2014年仅96 mm，4年下降了517.5 mm；2014—2017年强降水量逐年上升。2010—2017年这一时期为强降水量年际变化最大的一个时期。强降水量的正序列UF曲线和反序列UB曲线有5个交点，对应的时间分别是1960年、1961年、1969年、2015年、2016年，但仅在1969年后UF曲线在突破了0.05显著性水平，表明近63年安康市强降水量在1964年发生了突变，强降水量突变前为126 mm，突变后为198.1 mm(图7B)。

图7 1955-2017年安康市极端降水相对指数变化趋势和突变特点

2.2.4 持续指数 由图8A可见，1955—2017年安康市年总降水量大致以11.05 mm/10 a的速率波动上升，但变化趋势不显著(p>0.05)。年降水量在20世纪50年代末至70年代波动上升；20世纪80年代至90年代持续下降，1999年年降水量仅509.5 mm，为近63年最低值；21世纪初迅速上升，2010年年降水量达1221.6 mm，为近63年的最高值；进入21世纪10年代，年降水量开始持续的下降。年降水量的正序列UF曲线和反序列UB曲线在0.05显著性水平临界线区间内相交，交点有8个，对应的时间为1973年、1988年、2004年、2005年、2013年、2014年、2016年、2017年，但UF和UB曲线均未突破了0.05显著性水平线，表明近63年来安康市年降水量未出现突变(图8A′)。图8B可见，1955—2017年安康市连续干旱日数日数大致以1.495 d/10 a的速率波动上升，但变化趋势不显著(p>0.05)。连续干旱日数在20世纪50年代末至60年代初平稳变化；20世纪60年代末至70年代出现小幅下降；20世纪80年代中期出现大幅下降，1987年连续干旱日数仅22 d，为近63年最低；20世纪90年代出现大幅度的增长，2000年连续干旱日数达85 d，为近63年最高；21世纪前17年，连续干旱日数呈“N”字形变化，即先减再增再减。连续干旱日数的正序列UF曲线和反序列UB曲线在0.05显著性水平临界线区间内相交，交点有5个，对应的时间分别是1956年、1957年、1958年、1959年、1995年，但UF和UB曲线均未突破了0.05显著性水平线，表明近63年安康市连续干旱日数未出现突变(图8B′)。从图8C可见，1955—2017年安康市连续湿润日数大致以0.001 d/10 a的速率波动下降，但变化趋势不显著(p>0.05)。连续湿润日数在20世纪50年代末至80年代的变化幅度极大，50年代末下降至4 d，60年代上升至9 d，70年代下降至4 d，80年代初迅速上升，1981年达11d，为近63年最高，80年代中后期大幅下降至4 d；20世纪90年代至21世纪初持续稳定上升；2005年后趋于稳定。连续湿润日数的正序列UF曲线和反序列UB曲线在0.05显著性水平临界线区间内相交，对应的时间为1985年、2002年，但UF曲线在这两次相交后均未突破了0.05显著性水平线，表明近63年安康市连续湿润日数未出现突变(图8C′)。

图8 1955-2017年安康市极端降水持续指数变化趋势及突变特征

3 结 论

(1) 1955—2017年安康市极端暖事件呈增加趋势。极端最低气温以0.295℃/10 a速率显著上升，但极端最高气温以0.016℃/10 a速率不显著下降；夏日日数、热夜日数、暖夜日数均呈显著增加趋势(p<0.05)，速率分别为1.754 d/10 a，1.355 d/10 a，1.118 d/10 a，作物生长期以4.64 d/10 a的速率极显著增加(p<0.001);暖日日数以0.32 d/10 a速率上升；霜冻日数、冷夜日数分别为以-3.197 d/10 a，-1.885 d/10 a速率极显著下降(p<0.001)，冷日日数以-0.961 d/10 a速率显著下降(p<0.05)，和气温日较差以-0.074℃/10 a速率下降。

(2) 1955—2017年安康市极端降水呈增长趋势，1日最大降水量、中雨日数和大雨日数分别以0.885 mm/10 a，0.079 d/10 a和0.438 d/10 a的速率增长，其中大雨日数呈显著增加；强降水量和年降水量均呈上升趋势，速率分别为11.617 mm/10 a和11.05 mm/10 a；暖日日数以0.32 d/10 a速率上升；5日最大降水量以-1.476 mm/10 a的速率下降；连续干旱日数显著上升，连续湿润日数略微下降，速率分别为1.495 d/10 a和-0.001 d/10 a，说明了极端降水事件频发。

(3) 1955—2017年安康市各极端气温指数和极端降水指数突变年不一，主要集中在20世纪60至70年代、90年代至21世纪初。极端高温、极端低温、气温日较差指数在20世纪60至70年代发生突变，热夜日数、霜冻日数、夏日日数、冷日日数和作物生长期在90年代至21世纪初发生突变，暖日日数、冷夜日数和暖夜日数未发生突变；1日最大降水量、5日最大降水量、大雨日数和强降水量在20世纪60至70年代发生突变，连续干旱指数在20世纪90年代发生突变，中雨日数、年降水量和连续湿润日数未发生突变。

(4) 总体来看，近63年安康市气候整体向暖干化趋势发展，尤其以20世纪90年代之后增温最为显著。极端气温的变化会使得该区旱灾、高温灾害、农业病虫害增加，同时，在年总降水量增加且极端强降水等灾害事件发生频率增加的背景下，一方面极易引发洪灾及此生地质灾害，另一方面导致旱灾的风险进一步增大，因此相关部门应该提前部署减灾防灾工作，以最大程度降低灾损。