胡文淵，李治國，姚榮鵬，趙靜靜，范蕊誼

（1.云南師范大學(xué)地理學(xué)部，昆明 650500；2.商丘師范學(xué)院測繪與規(guī)劃學(xué)院，河南 商丘 476000；3.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070）

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告指出近百年時間全球地表溫度升高了約0.9 ℃［1］。升溫引發(fā)極端氣候事件增多，對生態(tài)環(huán)境以及人類的生產(chǎn)生活帶來日益增加的不利影響［2，3］。目前，極端氣候變化在世界范圍內(nèi)引發(fā)廣泛關(guān)注，許多學(xué)者對全球極端氣溫開展了大量的研究，如Song 等［4］通過研究全球1981—2010 年的極端溫度事件，發(fā)現(xiàn)全球熱浪發(fā)生頻率增加了2.7 倍，而寒流事件的發(fā)生頻率增加了 6.4 倍。Alexander 等［5］的研究表明，全球大多數(shù)地區(qū)表現(xiàn)出冷夜逐漸減少而暖夜逐漸增加的趨勢。中國極端氣溫變化總體上與全球極端氣溫變化趨勢一致，但由于受區(qū)域自然環(huán)境狀況、大氣環(huán)流背景和人為活動影響的不同，不同區(qū)域的極端氣溫呈現(xiàn)出不一致的變化趨勢和分布格局［6］。高海拔地區(qū)對氣候變化敏感，近年來已先后開展了黃土高原［7］、內(nèi)蒙古［8］、貴州［9］等地區(qū)的研究。西藏位于中國西南邊陲，平均海拔4 000 m 以上，是全球變暖最強(qiáng)烈的地區(qū)，導(dǎo)致水資源和水災(zāi)害風(fēng)險增加，影響全球氣候變化和水循環(huán)［10］。因此，開展西藏極端氣溫變化研究具有重要的科學(xué)價值和現(xiàn)實(shí)意義。

近年來對西藏氣溫變化的研究多集中于平均狀態(tài)，而針對極端氣溫變化的研究較少。近期僅楊志剛等［11］開展了1961—2012 年西藏色林錯流域和杜軍等［12］進(jìn)行了1971—2012 年珠穆朗瑪峰地區(qū)的研究，但近幾年西藏的冰川、湖泊變化強(qiáng)烈，災(zāi)害事件增加［10］，因此，有必要在全球變化背景下對西藏極端氣溫時空變化特征及演變規(guī)律進(jìn)行深入的分析，旨在為應(yīng)對當(dāng)?shù)貧夂蜃兓蜌庀鬄?zāi)害提供參考依據(jù)。本研究利用1971—2018 年西藏22 個氣象站的數(shù)據(jù)，采用國際ETCCDI 推薦的12 種極端氣溫指標(biāo)，結(jié)合 Pearson 相關(guān)性分析、Mann-Kendall 檢驗(yàn)、Krig?ing 插值等方法，分析了西藏極端氣溫指標(biāo)（冷指標(biāo)和暖指標(biāo)）的時空變化特征，以期為西藏農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展及災(zāi)害預(yù)警提供決策參考。

1 研究區(qū)概況

西藏（78°25′—99°06′E，26°50′—36°53′N）位于中國的西南部，是青藏高原的主體部分。平均海拔在4 000 m 以上，地域遼闊，地形地貌復(fù)雜多樣，擁有獨(dú)特的高原氣候［13］。本研究選取了西藏22 個氣象站點(diǎn)為研究對象，氣象站點(diǎn)如圖1 所示。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 極端指標(biāo)定義及其分類

對極端氣溫指標(biāo)的定義和計算采用世界氣象組織委員會提出的16 個極端氣溫指標(biāo)，由于西藏氣溫較低，故從中選取了以下12 個極端氣溫指標(biāo)對西藏極端氣溫事件進(jìn)行研究，詳見表1。

表1 極端氣溫指標(biāo)選取與定義

2.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1971—2018 年西藏22 個氣象站點(diǎn)逐日最高氣溫、最低氣溫等數(shù)據(jù)來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，已經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)和修正。對于個別缺失的數(shù)據(jù)采用均值插值方法，即使用前后2 d 平均值或者多年平均值進(jìn)行插補(bǔ)，校正后與相鄰站點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行對比［14，15］，確保經(jīng)過處理修正后的氣象數(shù)據(jù)具有很好的連續(xù)性和合理性。

2.3 研究方法

極端氣候指標(biāo)計算方法采用基于R 編輯器開發(fā)的RClimDex（1.0）軟件。在分析各極端氣溫指標(biāo)時間尺度變化趨勢時，利用線性方程對序列變量進(jìn)行擬合［16］。對于突變檢驗(yàn)分析，采用Mann-Kendall（M-K）突變檢驗(yàn)對極端氣溫指標(biāo)的變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)合滑動t檢驗(yàn)對各指標(biāo)進(jìn)行突變型分析［17］。同時采用年代距平的方法直觀地反映各極端氣溫指標(biāo)的年際變化。在分析各極端氣溫指標(biāo)空間尺度變化趨勢時，采用Surfer 13.0 軟件并結(jié)合Kriging 插值法繪制西藏氣溫指標(biāo)變化趨勢空間分布圖，采用Pearson 相關(guān)性分析方法結(jié)合t檢驗(yàn)分析各極端氣溫指標(biāo)與經(jīng)度、緯度和海拔的相關(guān)性。

3 結(jié)果與分析

3.1 極端氣溫指標(biāo)時間變化特征

3.1.1 極端氣溫指標(biāo)年際變化特征 圖2 為各極端氣溫指標(biāo)的年際變化特征。由圖2 可知，冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)、冰凍日數(shù)和霜凍日數(shù)整體呈下降趨勢，其變化速率分別為-3.20、-4.79、-3.23、-4.96 d/10 年（圖2a、圖2b、圖2c、圖2d）；日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值整體呈上升趨勢，其變化速率分別為 0.33、0.56 ℃/10 年（圖2e、圖 2f）。對于極端高溫而言，暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)、夏日日數(shù)、日最高氣溫極大值和日最低氣溫極大值整體呈上升趨勢，其變化速率分別為 3.39 d/10 年、5.02 d/10 年、1.21 d/10 年、0.21 ℃/10 年和 0.34 ℃/10 年（圖 2g、圖 2h、圖 2i、圖2k、圖2l）；氣溫日較差呈下降趨勢，其變化速率為-0.10 ℃/10 年（圖 2j）。其中，冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)、冰凍日數(shù)和霜凍日數(shù)均值分別為15.00、16.35、31.86、198.22 d，其最大值與最小值分別相差25.48、28.89、47.41、16.27 d。日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值均值分別為-4.59 ℃和-20.61 ℃，其最大值與最小值分別相差6.73 ℃和7.41 ℃。暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)、夏日日數(shù)均值分別為16.56、16.27、10.66 d，其最大值與最小值分別相差31.63、27.92、16.55 d。氣溫日較差、日最高氣溫極大值和日最低氣溫極大值均值分別為13.78、23.88、10.88 ℃，最大值與最小值分別相差27.69、3.02、2.26 ℃。在48 年當(dāng)中，冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)和暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)的變化相差不大，而日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值變化大于日最高氣溫極大值和日最低氣溫極大值，氣溫日較差在1971—2018 年變化較大，相差27.69 ℃。

3.1.2 極端氣溫指標(biāo)突變檢驗(yàn) 氣候突變指的是氣候從常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴贿B續(xù)的一種氣候變化［18］，依據(jù)突變原理對1971—2018 年西藏極端低溫進(jìn)行Mann-Kendall 突變檢驗(yàn)分析，結(jié)果如圖3 所示。冷夜日數(shù)的UF 和UB 曲線交點(diǎn)在臨界點(diǎn)外側(cè)，說明冷夜日數(shù)在48 年間不存在突變點(diǎn)（圖3b）。而冷晝?nèi)諗?shù)、冰凍日數(shù)、霜凍日數(shù)、日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值UF 和UB 曲線交點(diǎn)均處于臨界點(diǎn)內(nèi)側(cè)，這些指標(biāo)發(fā)生突變的年份分別為2000 年、2006 年、1995 年、1998 年和1996年（圖3a、圖3c、圖3d、圖3e、圖3f）。對于極端高溫指數(shù)暖夜日數(shù)而言，UF和UB曲線交點(diǎn)也在臨界點(diǎn)外側(cè)，和冷夜日數(shù)同樣在48年間不存在突變（圖3h）。而暖晝?nèi)諗?shù)、夏日日數(shù)、日最高氣溫極大值UF和UB曲線交點(diǎn)均處于臨界點(diǎn)內(nèi)側(cè)，這些指標(biāo)發(fā)生突變的年份分別為2003 年、2002 年、1987 年（圖 3g、圖3i、圖3k）。氣溫日較差突變年份發(fā)生較早，為1977 年（圖 3j）。日最低氣溫極大值的 UF 和 UB 曲線交點(diǎn)緊鄰臨界點(diǎn)，其突變年份為1998 年（圖3l）。

3.1.3 極端氣溫指標(biāo)年代距平 極端低溫指標(biāo)的變化大致以21 世紀(jì)初為界，極端高溫指標(biāo)的變化大致以2006 年為界，極端低溫變化年份早于極端高溫變化年份，且極端低溫指標(biāo)的變化趨勢較為明顯。極端氣溫指標(biāo)總體上反映了西藏氣溫呈升高趨勢。

以21 世紀(jì)初為界，冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)、冰凍日數(shù)和霜凍日數(shù)在1971—2018 年距平分為2 部分，前期大多數(shù)為正距平，后期變化特征與前期大致相反（圖4a、圖4b、圖4c、圖4d）。在1971—2018年日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值同樣以21世紀(jì)初為界，大致也分為2部分，前期大多數(shù)為負(fù)距平，后期多為正距平（圖4e、圖4f）。以2006 年為界，暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)、夏日日數(shù)以及日最低氣溫極大值在1971—2018 年大致分為2 部分，前期多為負(fù)距平，后期多為正距平（圖4g、圖4h、圖4i、圖4l）。氣溫日較差以1987年為界，前期多為正距平，后期多為負(fù)距平（圖4j）。日最高氣溫極大值僅在2013年以后正距平趨勢較突出，在此期間氣溫日較差有增大的趨勢（圖4k）。

3.1.4 極端氣溫指標(biāo)四季變化特征 西藏極端氣溫指標(biāo)季節(jié)變化趨勢經(jīng)檢驗(yàn)可知（表2），冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)、暖夜日數(shù)、日最高氣溫極大值、日最低氣溫極大值、日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值在1971—2018 年各季節(jié)均通過了極顯著性檢驗(yàn)（P<0.01），暖晝?nèi)諗?shù)在夏、冬季和春、秋季分別通過了P<0.01 和P<0.05 的檢驗(yàn)，氣溫日較差在春、夏季變化均為極顯著（P<0.01），而秋、冬季節(jié)變化未通過顯著性檢驗(yàn)。

3.2 極端氣溫指標(biāo)空間變化特征

3.2.1 極端氣溫指標(biāo)空間變化 由1971—2018 年西藏極端低溫指標(biāo)空間差異可以看出，6 個指數(shù)呈不同程度的變化（圖5a、圖5b、圖5c、圖5d、圖5e、圖5f）。冷晝?nèi)諗?shù)在空間上差異較小，其中冷晝?nèi)諗?shù)最小值出現(xiàn)在南部的江孜站和當(dāng)雄站，最大值出現(xiàn)在東南部的察隅站（圖5a）。冷夜日數(shù)的分布在中部表現(xiàn)出幾個極低值點(diǎn)，分別為定日站、隆子站和察隅站，而最大值出現(xiàn)在西部的獅泉河站，為16.60 d，冷夜日數(shù)在空間上差異同樣不大（圖5b）。冰凍日數(shù)空間分布格局大體上呈由東南向西北依次增大的趨勢，空間差異較大，最小值出現(xiàn)在波密和察隅站，為0 d，最大值在安多站，為107.79 d（圖5c）。霜凍日數(shù)也表現(xiàn)出了由東南向西北依次增大的趨勢，最小值同樣出現(xiàn)在察隅站，為43.48 d，最大值也同樣出現(xiàn)在北部的安多站，為265.92 d（圖5d）。日最高氣溫極小值和日最低氣溫極小值空間變化趨勢與霜凍日數(shù)和冰凍日數(shù)的趨勢相反，表現(xiàn)為由東南向西北減小，最小值均出現(xiàn)在安多站，其值分別為-13.18 ℃和-28.81 ℃，最大值均出現(xiàn)在察隅站，其值分別為4.09 ℃和-3.60 ℃（圖 5e、圖5f）。

表2 1971—2018 年部分極端氣溫指標(biāo)的季節(jié)變化趨勢

由1971—2018 年西藏極端高溫指標(biāo)空間差異可以看出，6 個指標(biāo)也出現(xiàn)了不同程度的變化（圖5g、圖5h、圖 5i、圖5j、圖 5k、圖5l）。暖晝?nèi)諗?shù)在空間上差異不大，其中暖晝?nèi)諗?shù)最小值出現(xiàn)在南部的波密站和林芝站，最大值出現(xiàn)在東部昌都站和中部的江孜站（圖5g）；暖夜日數(shù)變化范圍同樣不大，最小值同樣出現(xiàn)在南部的波密站和林芝站，最大值出現(xiàn)在中部的班戈站，且從東至西氣溫變化表現(xiàn)出逐漸變大的趨勢（圖5h）；夏日日數(shù)空間變化較為明顯，從南至北趨勢逐漸減小，其最大值和最小值相差72.7 d（圖5i）；對于氣溫日較差而言，最大值和最小值變化較為明顯，二者相差6.9 ℃，最小值出現(xiàn)在聶拉木、錯那和察隅站，而最大值出現(xiàn)在江孜站、隆子站和定日站（圖5j）；日最高氣溫極大值和日最低氣溫極大值空間變化較為一致，都表現(xiàn)出中部數(shù)值較低，東部數(shù)值較高，其極值分別相差14.0 ℃和10.9 ℃（圖5k、5l）。

3.2.2 極端氣溫指標(biāo)變化趨勢與地理位置的關(guān)系由表3 可知，霜凍日數(shù)、夏日日數(shù)、日最高氣溫極小值和日最高氣溫極大值與經(jīng)度呈顯著相關(guān)（P<0.05）；日最高氣溫極小值、冰凍日數(shù)和暖夜日數(shù)與緯度呈顯著相關(guān)（P<0.05）；各極端氣溫指標(biāo)與海拔高度的相關(guān)性較為顯著，除冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)、暖晝?nèi)諗?shù)和氣溫日較差與海拔高度沒有表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，其余極端氣溫指標(biāo)均與海拔高度呈顯著（P<0.05）或極顯著相關(guān)（P<0.01）。

表3 西藏各項(xiàng)極端氣溫指標(biāo)變化趨勢與地理位置的相關(guān)系數(shù)

4 討論

1971—2018 年西藏冷指標(biāo)變暖幅度大于暖指標(biāo)，冷指標(biāo)與暖指標(biāo)的變化表現(xiàn)出不對稱性，這與其他學(xué)者對西藏的研究一致［19，20］。西藏各項(xiàng)極端氣溫指標(biāo)與中國大部分地區(qū)氣溫變化情況類似［21］，氣溫整體上表現(xiàn)出變暖的趨勢。

與全國相比，西藏極端氣溫指標(biāo)變化速率遠(yuǎn)高于全國水平，其中同期已有數(shù)據(jù)TX10p、TN10p、TX90p 和TN90p 變化速率分別是全國水平的3.0、3.3、3.4、2.3 倍［21］。黃土高原［7］、內(nèi)蒙古［8］和貴州［9］的研究表明，伴隨海拔高度的增加，極端氣溫指標(biāo)的變化更顯著。與黃土高原［7］、內(nèi)蒙古［8］和貴州［9］極端氣溫指標(biāo)變化相比，西藏 TX10p、TX90p、ID 變化速率是內(nèi)蒙古的2.0 倍，F(xiàn)D 變化速率是內(nèi)蒙古的1.5 倍；TXx 和TNx 變化速率與黃土高原相同，TXn 和TNn變化速率分別是黃土高原的10.0 倍和1.4 倍；FD、TX90p 和 SU25 分別是云貴高原的 3.1、1.3、2.0 倍，云貴高原僅TX10P 變化速率高于西藏，為西藏的1.7倍。這說明總體上西藏各極端氣溫指標(biāo)相對于其他地區(qū)變化更快，極端氣溫指標(biāo)的影響可能更為顯著?？焖俚臍夂蜃兓瘜o西藏帶來一系列的影響，一方面可能誘發(fā)病蟲害、高溫?zé)岷?、干旱等問題，從而使農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)變得更加脆弱和敏感，另外一方面可能引發(fā)冰崩、湖泊潰決等災(zāi)害。

5 小結(jié)

1）1971—2018 年，西藏冷指標(biāo)（TX10P、TN10p、ID、FD）表現(xiàn)出顯著的下降趨勢，暖指標(biāo)（TX90p、TN90p、SU25、TXx、TNx）表現(xiàn)出顯著的上升趨勢，此外，DTR 呈下降趨勢，冷指標(biāo)TXn 和TNn 雖呈下降趨勢，但與其他指標(biāo)相比，其變化較為緩慢。其中，冷指標(biāo)變暖幅度大于暖指標(biāo)，冷指標(biāo)與暖指標(biāo)的變化表現(xiàn)出不對稱性。

2）通過 M-K 檢驗(yàn)可知，1971—2018 年西藏極端氣溫指標(biāo)發(fā)生突變的時間多集中于20 世紀(jì)90 年代至21 世紀(jì)初，且在此期間，后期變化趨勢高于前期，極端氣溫年代距平也同樣顯示，近20 年西藏極端氣溫升高較為顯著。

3）西藏極端氣溫指標(biāo)在空間上表現(xiàn)出一定的差異，經(jīng)度和緯度與大部分極端氣溫指標(biāo)的關(guān)系不顯著。海拔與大多數(shù)極端氣溫指標(biāo)具有顯著的相關(guān)性，其中ID、FD 和TN90p 與海拔呈顯著（P<0.05）或極顯著正相關(guān)（P<0.01），SU25、TXn、TNn、TXx 和TNx 與海拔呈極顯著負(fù)相關(guān)（P<0.01）。