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加拿大日气温及极端气温的特征

B.R.BONSAL,X.ZHANG,L.A.VINCENT,AND W.D.HOGG

Climate Research Branch, Meteorological Service of Canada, Downsview, Ontario, Canada

(Manuscript received 8 March 2000, in final form 31 July 2000)

摘要

最近的研究表明，自1900年以来，年平均温度在加拿大南部平均增加了0.9℃，其中冬季和早春期间的增温幅度最大。每个季节最低温度有很大的增加，而最高温度相反，从而导致日温度范围（DTR）的显著下降。20世纪下半叶，南部和西部的冬季和春季出现了明显的升温，东北部出现了降温。但是在此期间DTR没有显著变化。这项调查通过研究超出年际/季节尺度的日最低和最高温度的趋势和变化，特别强调极端温度。利用最近更新的均一化日数据，以1900-1998年（加拿大南部）和1950-1998年（全国）的季节为基础，分析了日和极端温度相关变量的时空特征。从1900年到1998年，加拿大南部大部分地区的日最低和最高温度分布中的高低百分位值都有明显的上升趋势。研究结果表明，冬季、春季和夏季极端低温的天数减少，冬季和春季极端高温的天数增多。对于夏季日最高温度的较高百分位值，没有发现一致的趋势，这表明夏季极端高温的天数变化不大。在西南地区，日最低温度和最高温度分布的左侧增长较大，导致季节内日气温的标准差下降。1950-1998年的结果与整个世纪有些不同，尤其是在冬季和春季。这一结果包括西部地区的低百分位数和高百分位数增加，东部地区的低百分位数和高百分位数减少。这一分析表明，最大的单独日气温变化趋势(最小和最大)发生在冬季和早春，在此期间观察到明显变暖。对于夏季，气温的上升只与每日最低气温有关。秋季表现出不同的结果，一些较晚的季节性变冷，主要集中在西部地区。观测到的变暖趋势对一些经济敏感的指数产生了重大影响。这一影响包括生长和冷却度日数的显著增加和加热度日数的显著减少。此外，全国大部分地区的无霜期要长得多。

引言

人类活动引起的全球气候变化的检测与归因是当前气候学研究的主题之一。最近的调查显示，在二十世纪，全球平均气温上升了约0.4℃-0.8℃（调和温度观测小组，2000）；然而，这一趋势在空间或时间上并不一致。许多以前的研究[包括纳入大气环流模型（GCMs）的那些研究]着重于长期平均温度（即年度、季节性）的变化（Kattenberg等，1996）。另一个涉及日气温特性的重要方面，特别是日气温分布极值（或尾端）的变化。包括政府间气候变化专门委员会（IPCC）在内的许多工作组已经将探测极端气温的趋势和变化能力确定为促使人们更好地理解过去和未来全球变化的关键因素。为了准确描述日气温和极端气温的时空特征，需要有可靠且均匀的日气温的长周期时间序列。对于加拿大来说，最近已经为每日最低、最高和平均温度创建了这样高质量的数据集（Vincent等，2000）。本研究使用这些数据来检验20世纪加拿大日气温特征（特别强调极端日气温的分布）的趋势和变化。

最近，在全球各地区有极少数涉及日常或极端温度趋势和变化的观察分析。大多数研究结果显示，极端低温日数明显减少，但极端高温日数没有明显增加[例如，在毗邻的美国（Karl等，1996）；英国（Jones等，1999）；北欧和中欧（Brazdil等，1999）；澳大利亚和新西兰（Plummer等，1999）和中国（翟等，1999）]。由于极端低温的天数减少，而极端高温的天数没有相应增加，这些地区大多数的季节内日气温变异性的各种测量方法也出现了下降（例如Karl等，1995；科林斯等，2000）。Easterling等人（2000）对20世纪全球各种极端气候事件（包括温度）的趋势进行了更详细的回顾。

特别是加拿大，Zhang等人（2000a）研究了20世纪年际和季节温度和降水的趋势。结果表明，从1900年到1998年，南方地区年平均气温平均上升了0.9℃，冬春季增幅最大。夏季通常表现出较少的变暖，而秋季则表现出较小的降温趋势。在每个季节，日最低气温的增加大于最高气温，从而导致加拿大南部大部分地区的日温度范围(DTR)显著下降。1950-1998年期间区域差异明显，包括南部和西部显著变暖，东北部显著变冷（尤其是冬季和春季）。最低和最高温度的变化幅度相似，因此，在本世纪下半叶没有观察到DTR发生显著变化。从最近几十年全球大多数其他陆地区域的观测趋势来看，加拿大东部最低气温的降低和大部分地区DTR的微小变化都是不寻常的（Easterling等，1997）。

Kharin和Zwiers（2000）使用来自加拿大气候建模和分析中心的第一代全球耦合模型的瞬时气候变化模拟集合来分析全球极端气温。模拟中温室气体和气溶胶的演化与IPCC 1992年情景A （Leggett等，1992）一致。2040-2060年全球平均日最低气温20年回归值的预计变化（与1975-1995年参考期相比）为2.4℃，2080-2100年为5.2℃，日最高气温20年回归值的增加幅度分别为1.8℃和3.9℃。南北半球陆地区域和高纬度海洋的极端日最低气温变化较大，冰雪和海冰消退。东南亚和热带非洲，主要是由于土壤湿度的大幅下降。

为了更全面地了解过去和未来全球气温的可能变化，需要在每日的时间尺度上进行分析。因此，本研究的主要目的是超越年际/季节尺度，并研究加拿大的日气温特征。特别强调分析日最低和最高气温分布极值的趋势和变化。利用可获得的最佳日气温数据，对1900-1998年和1950-1998年期间的日变量和极端变量的空间和时间方面进行了季节性调查。该研究的结论是对几个经济敏感且与日气温相关指数的趋势进行检查。第2节讨论数据和方法，第3节介绍极端温度、日温度和经济指标的分析结果。总结和讨论结果见第4节。

数据与方法

温度数据包括每日最小值、最大值以及210个高质量的平均值（即很少缺失的值、最小的城市影响），相对均匀分布在加拿大各地的站点（图1）。对于这些数据，利用回归模型技术（Vincent，1998）解决了由于站点重新定位以及仪器和观测实践的变化而引起的均匀性问题。对于所识别的不均匀性，获得月度调整因子，并建立均匀化的月度最小值、最大值和平均值数据库（Vincent和Gullett，1999），然后将这些月因子进一步内插到日因子中，以获得调整后的日温度(Vincent等，2000)。这就产生了一个新的、初步的用于本研究的日温度数据库。由于在20世纪50年代之前缺乏对加拿大北部地区的气候观测，这项分析集中在两个时期：第一个阶段（1900-1998年）涉及加拿大南部更多地区的监测站，这些地区自二十世纪初就普遍收集数据（见图1）；第二个阶段（1950-1998年）利用所有210个监测站。单个站点必须报告至少80%的值（对于有问题的时间段），否则，在分析中不使用该站。

图1，本调查中210个温度站的位置

表示1900-1998年趋势分析中使用的86个长期站点，▲表示剩余站点。所有站点都用于1950-1998年的趋势分析。

温度百分数的趋势被用来评估加拿大（包括极端）日温度分布的变化。对于每个站点，每年按季节估算日最低气温和日最高气温分布的第1、5、10、25、50、75、90、95和99个百分位值（℃）。季节定义为冬季（12月-1月-2月）、春季（3月-4月-5月）、夏季（6月-7月-8月）和秋季（9月-10月-11月）。有许多经验标绘位置公式，可以用来获得上述百分位值的平滑估计。这项研究结合了Beard（1943）提出的公式，并由Jenkinson（1977）进行详细描述。每个季节的日气温按升序排列X1 , X2 , . . . , XN。根据P = (m — 0.31)/(N 0.38)来估计某一随机值小于或等于该值Xm的秩的概率P。

例如，如果一个季节包含90个值，则表示第99个百分位值的温度在第90个临界值（对应于P=99.2%）和第89个临界值（P=98.1%）之间线性插值。选择经验标绘位置公式来估计百分位值的理由（与拟合伽马等统计分布相反）包括简单性，以及避免对基础分布的任何假设。使用上述公式的各种百分位值与来自双参数伽马分布的百分位值之间的比较，通常显示估计值之间的微小差异。更重要的是，这两种估计的长期趋势和可变性实际上是相同的。百分位数的优势在于，它们可以与加拿大（以及全球其他地区）变化极大的气候相媲美。其他极端和经济敏感、与日气温相关的指数一旦提出就被定义。

这项研究集中于观测到的二十世纪日气温和极端气温的趋势。趋势计算与Zhang等人 （2000a）研究的加拿大季节性温度和降水趋势的计算结果相同。它涉及一种考虑序列相关性的统计模型，是确定气候序列中的线性趋势时经常遇到的问题。在该模型中，消除了时间序列的滞后自相关。然后根据非参数Kendalls tau（Sen，1968）得到趋势的大小和统计显著性。Kendall的优点在于它对分布的非正态性不那么敏感，受异常值的影响较小（与最小二乘法相比）。Zhang等人（2000a）对该技术进行了详细的描述。本研究的所有趋势均以5%显著性水平进行评估。

结果

极端温度

本节研究加拿大极端温度相关变量的特征。极低（高）温度由日最低和最高温度分布的第1、5和10（90、95和99）个百分位值确定。图2a-d和图3a-d分别表示1900-1998和1950-1998年期间第5和第95个百分位值（℃）的季节变化趋势。请注意，第1、10、90和99百分位值（未显示）的趋势与图2和图3中的趋势相似。此外，还分析了阈值超出频率的趋势（即，相对于1961-1990年平均气候，温度小于或大于百分数的天数），结果显示极端气温的变化与图2和图3相似。

图2a显示，从1900年到1998年，加拿大南部大部分地区的冬季日最低气温显著上升，达到了用来定义极低和极高值的百分位数。就幅度而言，第5个百分位数的增幅超过了第95个百分位数。这也与此期间极低气温的天数显著减少以及极高气温的天数显著增加有关（未显示）。大部份监测站的最高气温显著上升至每日最高气温的第95百分位（同时冬季最高气温极高的日数亦有所增加）。第5个百分位数也出现增长；然而，这些影响一般不显著，且仅限于西部地区。春季（图2b）的日最低气温和最高气温的空间格局与冬季相似，但趋势的强度和意义略有不同。在加拿大南部地区，夏季最低气温也显示出显著的每个百分位数的低和高。然而，在南部大草原，日最高温度百分位数的趋势变化不大，只有少数显著增加到低百分位数。变化的第95个百分位数模式表明加拿大夏季极端炎热天气的温度幅值没有一致的变化。秋天和其他季节有些不同，日最高温度一般显示出统计上无显著性下降到第5个百分点，而较高百分点具有随西南部增加而变化的模式，在东部降低（在安大略省南部和魁北克显著）。日最低气温趋势与低百分位数的空间一致性关系不大，但在加拿大南部大部分地区，第95个百分位数显著增加。

1950年至1998年的季节趋势（图3a-d）显示出更多的地区差异，尤其是冬季和春季。这包括西部地区的日最低和最高温度的低和高百分位数增加，东部地区的日最低和最高温度减少。最强而显著的的反应与春季的第5个百分点有关，在49年期间，在加拿大西部（东部）观察到接近5℃的上升（下降）。相反，美国大部分地区第95个百分点的春季趋势显示出较小的增长。夏季（图3C）在趋势上没有显示出东-西分裂。与1900-1998年一样，日最低气温的低百分比和高百分比显著增加。在夏季最高气温较高的地区，似乎没有一致的显著趋势，除了北部地区，一些台站显著增加。 秋季又有不同于其他季节的趋势，全国大部分地区的日最低气温和最高气温都下降到第5个百分位，并在第95个百分位出现不同的模式。

综上所述，图2和图3显示了用于定义极端日最低和最高气温的各种百分位数的几个显著趋势（大部分增加）。尽管时空存在差异，但研究结果本质上呈现出冬季、春季极端低温天数减少、冬季和春季极端高温天数增多的显著趋势。在夏季日最高气温方面，似乎没有一致的趋势。秋季变化较大，有几个百分点与降温趋势有关。

图2和图3中的线性趋势提供了关于不同百分位数的年际和年代际变化的有限信息。图4显示了加拿大南部1900-1998年的平均标准化异常时间序列，分别为冬季日最低温度的第5个百分位数（代表极端低温）和夏季日最高温度（即夏季白天极端高温）的第95个百分位数（代表极端高温）。加拿大南部是指北纬60ordm;以南的所有长期观测站。每年的标准化异常（关于1961-1990年平均气候）是按季节为每个站确定的，然后对所有站进行平均。关于冬季最低温度的第5个百分位，图4a显示了整个世纪相当一致的上升（尽管有证据表明年际和年代际变化）。这与图2a一致，图2a显示在加拿大南部大部分地区该值显著增加。相反，夏季最高温度的第95个百分位数（图4b）显示出相当多的年代际尺度变化（特别是在本世纪上半叶），几乎没有表明长期趋势的证据。在20世纪30年代和40年代，这一百分比的幅度保持在最高水平。仔细观察就会发现，在20世纪30年代，这些数值高于美国西部地区，而在40年代，这些数值高于东部地区。这就解释了图2c中夏季日最高温度的第95个百分位数缺乏一致的趋势。

图2，日最低和最高气温从1900-1998年的5%和95%的变化趋势[℃（99yr）—1 ]

（a）冬季、（b）春季、（c）夏季和（d）秋季，点按比例缩放。

图2，（续）趋势的振幅，浅灰色表示正向趋势，黑色表示反向趋势。交叉表示5%水平的显

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