1960─2020年陜北極端氣候指數變化規律的研究

薛斯文，周 旗

（1.云南大學 國際河流與生態安全研究院，云南 昆明 650500；2.陜西省災害監測與機理模擬實驗室，陜西 寶雞 721013）

0 引言

IPCC第5次評估報告指出，全球大部分地區均呈明顯升溫趨勢，1951─2012年全球地表平均氣溫的上升率達0.12 ℃/10 a，而中國陸地表面平均氣溫的上升率為0.23 ℃/10 a，明顯高于全球的上升率［1-2］。越來越多的研究也證實全球氣候正在變暖。隨著全球氣候的變暖，極端氣候事件發生頻率增加，影響范圍更加廣泛，這對世界各國的經濟發展和人民生活造成了很大的不利影響。極端氣溫和極端降水事件已經引起越來越多專家、學者們的密切關注。王曉利等［3-4］的研究結果表明，自1950年以后，全球暖夜數顯著增加，霜凍、冰凍天數減少，溫度日較差顯著下降，且在不同地區間變化速率差異顯著。Keggenhoff等［5］的研究結果表明，各地區之間極端降水變化特征有明顯的差異，同時，極端降水事件使得年降水量普遍呈現上升趨勢。極端氣候事件一般采用單個氣象觀測站點的氣候要素（如氣溫、降水量等）在一段時間內的異常記錄或超過特定閾值的天數等來表示［6］。通常極端氣候事件發生的強度及危害性都很大。近年來，極端氣候指數時間序列的研究已成為氣候變化研究的熱點，許多學者基于不同的方法或從不同的角度對區域極端氣候事件的變化特征進行了大量的研究［6-8］。我國關于極端氣候事件的研究表明，極端暖事件顯著上升，極端冷事件顯著下降，極端降水事件明顯增多［9-10］，但是不同類型和不同區域的極端氣候變化又存在明顯差異［11-12］。中國北方地區極端氣溫的變化趨勢更明顯［9］，由小雨事件顯著減少導致的干旱化也更明顯［13］；降水日數和極端降水事件在過去半個世紀顯著減少，但在西部地區仍有一定程度的增加［14］。

陜北地區位于半濕潤區向半干旱區、干旱區的過渡地帶，受西風環流、高原季風和東亞季風環流的共同影響，是中國典型的生態脆弱區和氣候敏感區［15-18］。在前人研究的基礎上，筆者選取更長時間的降水和氣溫數據，應用RClimDex模型計算了陜北地區的極端氣候指數，分析了該地區極端氣候指數的時空變化規律及其主要影響因素，以期為該區域的生態建設和防災減災工作提供科學依據。

1 研究區概括與方法

1.1 研究區概況

陜西北部地區位于黃土高原中部，地理坐標為35°21′~39°34′N，107°15′~111°14′E，包括榆林、延安2個市，轄25個縣（區）（圖1）［19］。受季風活動的影響，陜北地區西北部氣候干燥，呈現半干旱季風氣候類型，年平均氣溫和降水量分別為7~9 ℃和350~500 mm；東南部屬暖溫帶干旱季風氣候，年平均氣溫和降水量分別為8.5~12.0 ℃和500~650 mm。陜北地區地勢西北高、東南低，屬于干旱、半干旱區，受水氣條件和特殊地形地貌的影響，該地區暴雨、干旱、洪水、水土流失、泥石流等自然災害頻發［20］。

圖1 陜北地區的氣象站點及地形地貌

1.2 數據來源

1960─2020年陜北地區9個氣象站點的年降水和氣溫數據來源于中國氣象數據網（http：//data.cma.cn）。各站點的氣候數據相對完整，部分站點少量的缺測數據采用鄰近均值法進行插補。

1.3 研究方法

依據國際氣候診斷與指數小組（ETCDD-MI）提供的極端降水和氣溫事件的相關指標［21-26］，采用ClimDex模型［27-28］計算陜北地區的27個極端氣候指數（http://cccma.seos.uvic.ca/ETCCDMI/），從中選取13個與溫度、降水相關的極端氣候指數分析陜北地區極端氣候的變化趨勢。采用ArcGIS技術對極端氣候指數的時空分布特征進行了探討，并應用SPSS軟件進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 極端氣候指數的時間變化趨勢

由圖2可見，陜北地區的極端降水指數除了年總降水量（PRPCPTOT）和連續濕潤指數（CWD）呈非顯著上升趨勢外，連續干旱指數（CDD）、日最大降水量（RX1day）、極強降水量（R99pTOT）以及大雨日數（R20）均呈顯著下降趨勢。這與李雙雙等［29］的研究結果“1960─2013年秦嶺─淮河南北持續性降水日數在下降”相反，說明陜北地區近60 a來極端強降水在減少，而連續濕潤指數在增加。這與李雙雙等［30］的研究結果“近年來陜北地區降水持續時間呈現破碎化趨勢，降水強度呈現增加趨勢”類似。在本研究中，CDD、RX1day、R99pTOT和R20均通過了0.05水平的顯著性檢驗，其氣候傾向率分別為-0.695 d/10 a、-0.32 mm/（d·10 a）、0.607 mm/（d·10 a）和-0.024 d/10 a。

圖2 陜北地區極端降水指數的變化趨勢

如圖3所示，陜北地區的極端氣溫指數除了最低氣溫（TNn）呈顯著上升趨勢外，其他大多數指數均呈下降趨勢，其中霜凍日數（FD）、冷日持續日數（CSDI）、最高氣溫（TXx）和冷晝日數（TX10p）均通過了0.05水平的顯著性檢驗，其氣候傾向率分別為-0.591 d/10 a、-0.365 d/10 a、-0.030 ℃/10 a和-0.601 d/10 a；其余指標如暖夜日數（TN90p）以及夏天日數（SU）均呈非顯著上升趨勢。說明陜北地區的氣溫極低值在上升，極端氣溫冷指數在顯著下降，暖指數在微弱上升。這與中國大多數地區最低氣溫上升幅度較大的趨勢相同［29］，也與李富民等［31-32］的研究結果類似。

圖3 陜北地區極端氣溫指數的變化趨勢

2.2 極端氣候指數的空間變化趨勢

2.2.1 極端降水指數的空間變化 從圖4可以看出：陜北地區的連續干旱指數（CDD）、極強降水量（R99pTOT）和年總降水量（PRPCPTOT）均呈現北高、南低的變化趨勢，而連續濕潤指數（CWD）呈現北低、南高的變化趨勢；大雨日數（R20）、日最大降水量（RX1day）均大致呈西高、東低的變化趨勢，這與劉彩紅等［33-34］的研究結果類似。CDD的范圍為50~81 d，其高值中心位于延長、榆林、綏德以及橫山等地，低值中心主要位于吳起、洛川、靖邊以及定邊等地。CWD的范圍為3.83~5.70 d，其高值中心分布在定邊、吳起、靖邊及橫山等地，低值中心分布在榆林、綏德、延長以及洛川等地。R99pTOT、R20、PRPCPTOT和RX1day的范圍分別為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邊、靖邊、吳起等地，低值中心均大致位于榆林、橫山、延長以及洛川等地；而R99pTOT的高值中心主要位于神木、綏德、定邊以及靖邊等地，低值中心分布在吳起、洛川、延長等地。

圖4 陜北地區極端降水指數的空間分布

2.2.2 極端氣溫指數的空間分布 如圖5所示，陜北地區的霜凍日數（FD）呈東北高、西南低的空間分布趨勢，而夏天日數（SU）與其相反；冷晝日數（TX10p）呈東高、西低的空間分布規律，而暖夜日數（TN90p）與其相反；最高氣溫（TXx）呈西高、東低的變化趨勢，而最低氣溫（TNn）與其相反；冷日持續日數（CSDI）呈東北高、西南低的變化趨勢，而暖日持續日數（WSDI）呈西北高、東南低的變化趨勢，這與劉彩紅等［33,35-37］的研究結果相似。

圖5 陜北地區極端氣溫指數的空間分布

FD、TX10p、TNn和CSDI的范圍分別為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、綏德、延長以及洛川等地；TX10p的高值中心位于橫山、靖邊、綏德以及延長等地；TNn的高值中心位于橫山、靖邊和吳起等地；CSDI的高值中心位于橫山、靖邊、綏德和榆林等地。FD的低值中心在定邊、靖邊以及吳起等地；TN90p的低值中心位于神木、榆林、定邊和洛川等地；TNn的低值中心主要位于榆林、綏德、延長和洛川等地；CSDI的低值中心位于定邊、吳起、洛川和延長等地。SU、TN90p、TXx、WSDI的范圍分別為39~114 d、7.94~20.63 d、30.44~36.45 ℃、3.42~9.31 d。SU、TN90p、TXx、WSDI的高值中心大體一致，均位于神木、綏德、延長等地，其低值中心大多數集中在吳起、定邊、靖邊和洛川等地。

2.3 極端氣候指數的突變檢驗

采用Mann-Kendall突變檢驗法對陜北地區9個氣象站點的極端氣候指數進行突變檢驗，同時對極端氣候指數的變化規律進行顯著性檢驗。結果表明（圖6）：在極端降水指數中，連續干旱指數（CDD）、連續濕潤指數（CWD）、年總降水量（PRPCPTOT）、大雨指數（R20）、極強降水指數（R99pTOT）、日最大降水量（RX1day）、降水強度（SDII）的突變在各個氣象站點均通過了0.05水平的顯著性檢驗，說明極端降水指數在1960─2020年間的突變是顯著的，具有一定的研究意義。這與鄭小華等［38-39］的研究結果一致。

圖6 陜北地區極端氣候指數的突變檢驗結果

對極端氣溫指數的突變檢驗結果顯示：霜凍日數（FD）的突變在神木、橫山、吳起和洛川達一般顯著水平，但在綏德、延長、靖邊、定邊和榆林不顯著，總的來看，陜北東側FD突變的顯著性大于西側；冷晝日數（TX10p）的突變除了在吳起站較為顯著外，在其余站點均不顯著；最低氣溫（TNn）的突變除了在吳起、靖邊、洛川站不顯著外，在其余站點均達一般顯著水平，亦即TNn突變的顯著性自東北向西南降低。這與張揚等［40-41］的研究結果一致。

2.4 極端氣候指數的影響因素分析

應用皮爾遜相關系數法對影響極端氣候指數的因素進行了探究，發現連續干旱指數（CDD）受年總降水量（PRPCPTOT）的影響較大，相關系數為-0.777，在0.05的水平上顯著；連續濕潤指數（CWD）與年總降水量呈極顯著正相關，相關系數為0.917，在0.01的水平上顯著；CWD也受經度、海拔以及平均氣溫的影響，相關系數分別為0.727、-0.770和0.784，說明經度越大、海拔越低、平均氣溫越高則CWD越大，也說明CWD自南向北、自西向東逐漸變高。大雨指數（R20）也與年總降水量、經度、海拔以及平均氣溫有關，相關系數分別為0.918、0.752、-0.726、0.675，除了與年總降水量在0.01水平上極顯著相關外，與其余因素均在0.05水平上顯著相關，說明R20自西向東、自北向南升高。降水強度（SDII）與年總降水量和經度均呈正相關，相關系數分別為0.749、0.826，分別在0.05和0.01水平上顯著，說明經度越大則SDII越大，也就是說陜北東部的降水強度大于西部的。日最大降水量（RX1day）主要與年總降水量、經度和海拔有關，相關系數分別為0.773、0.886、-0.832，分別在0.05、0.01、0.01的水平上顯著，說明經度越大、海拔越低則RX1day越大，亦即陜北地區的RX1day自西向東、自南向北增加（表1）。

表1 陜北極端氣候指數與影響因素間的Pearson相關系數

從表1還可以看出，在極端氣溫指數中，除了夏季日數（SU）和暖夜持續日數（WSDI）與上述影響因素有關外，其余的指數與上述因素均無關。具體來說，SU與緯度呈0.05水平的正相關，說明緯度越大則SU越大，陜北東南部的SU多于西北部的；WSDI主要與年總降水量、經度、海拔和平均氣溫有關，相關系數分別為0.713、0.781、-0.885和0.703，除了與海拔在0.01水平上呈極顯著負相關外，與其他因素均在0.05水平上呈顯著正相關，說明年總降水量越大、經度越大、海拔越低、平均氣溫越高則WSDI越大，亦即陜北地區東部的WSDI大于西部的，東南部的大于西北部的。

3 討論

本研究發現：在1960─2020年期間，陜北地區的極端降水強度在減弱，降水總量和濕潤指數在增加；陜北地區的氣溫極低值在上升，極端氣溫冷指數在顯著下降，暖指數在微弱上升；大多數極端氣候指數的突變較為顯著。說明陜北地區的氣候趨向于暖濕化，這與王丹等［42］的研究結果類似。

由陜北地區多年平均極端氣候指數的空間分布可知，西北部的連續濕潤指數大于東南部的，西部的氣溫高于東部的，但極端氣溫指數的絕對指標（SU、FD）和相對指標（TN90p、TX10p）均表現為南部大于北部，說明陜北地區南部的氣候總體上較北部暖濕。這與張菁等［43］的研究結果“陜甘寧三河源區的極端降水總體呈現‘南高北低’的空間分布格局，空間差異顯著”較為類似，也與張揚等［44-45］的研究結果相似。

極端氣候指數的影響因素主要有經度、海拔和平均氣溫。周雅蔓等［46］研究指出夏季極端降水事件、最大日降水量表現出山區高、盆地低的特點，與海拔有密切的關系。Micu等［47］研究了1961─2018年羅馬尼亞南喀爾巴阡山脈溫度和降水指數的變化，發現在高海拔地區（海拔2000 m以上）溫度和極端降水的變化趨勢不明顯，而經度解釋了大降水指數趨勢的48%~54%。Wang等［48］研究了1960─2016年我國每日極端溫度和降水事件的變化，發現暖化趨勢隨著經度的升高而顯著增強，溫暖指數和極端日降水指數隨著海拔的升高而降低。這與本文極端降水指數（CWD、R20、R99pTOT、WSDI、Rx1day）與海拔呈顯著負相關、極端降水指數（CWD、R20、SDII、CWD、WSDI）與經度呈正相關的結果一致。李春蘭［49］研究認為蒙古高原極端氣溫事件大多與經度呈正相關，與緯度和海拔呈負相關。本研究發現，極端氣溫指數中的絕對指標夏季日數（SU）與緯度有關，暖夜持續日數（WSDI）主要與經度、海拔和年總降水量有關。焦文慧等［50］通過研究近58 a我國北方地區極端氣溫的時空變化及影響因素發現：大多數極端氣溫指數與經緯度、海拔顯著相關，其中與海拔的相關性較強。但本文只檢測出SU與海拔呈顯著正相關；WSDI與海拔呈顯著負相關，與經度和降水量呈顯著正相關。高婧等［51］研究發現塔城地區極端氣溫指數的空間分布受多種因素的影響，如緯度、海拔、地形地貌、大氣環流和海表溫度等。因此，本研究選取的地理位置和氣候因素可能不足以解釋陜北地區近60 a來極端氣候指數的變化規律，今后需要加入大氣環流等因子開展進一步研究。

4 結論

本研究結果表明：在1960─2020年期間，陜北地區的極端降水強度在減弱，降水總量在增加，濕潤程度在增強，極端降水的突變顯著；月極端最低氣溫呈上升趨勢，霜凍日數和冷晝日數下降顯著，暖夜日數有微弱上升；連續干旱日數、極強降水量和年總降水量呈現北高、南低的變化趨勢；大雨日數、日最大降水量均大致呈西高、東低的變化趨勢；霜凍日數呈東北高、西南低的變化趨勢，而冷晝日數呈東高、西低的變化趨勢；極端降水量、極端降水日數與經度、海拔和年平均氣溫有關，而極端氣溫日數受經緯度、海拔和年總降水量的影響較為明顯。