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蒙古日温极端值的长期趋势

(译自Dulamsuren Dashkhuu, Jong Pil Kim, Jong Ahn Chun, Woo-Seop Lee. Long-term trends in daily temperature extremes over Mongolia. Weather and Climate Extremes 2015,(8):26–33)

摘要：各种指数被用来研究蒙古极端气温事件的年频率最近的变化，通过使用53站点的大量日温数据来研究1961-2010其趋势。在这篇文章中，使用软件Climdex1.0计算11个极端气温指数。结果表明：研究时期内的重要温度指数有明显的变化，尤其是在蒙古戈壁；观察分析表明，夏季日数明显增加，霜冻日数明显下降；日最高气温的最大值（TXx）、日最低气温的最大值（TNx）、日最高气温的最小值（TXn）及日最低气温的最小值（TNn）有增加的趋势；然而，TXx和TNx的增加趋势主要是出现在蒙古戈壁，而TXn和TNn的增加趋势则表现在整个蒙古；冷夜（日）数以-0.6天/十年（-1.0天/十年）的速率明显下降，暖夜（日）数以2.8天/十年（3.1天/十年）的速率明显上升；冷日/夜数的减少发生在所有季节中，而暖日/夜数的增加则只发生在夏季。

关键词：极端气温指数；最高温度；最低温度；气候变化

1引言

众所周知，温室气体的增加导致全球平均海平面温度的上升（IPCC，2007；Alexander等人，2007）。人类活动和自然环境受到极端气候事件的影响，例如热浪、洪水和干旱（Moberg and Jones，2005）。

气候变量的平均值和极端值的变化以及它们的统计分布形状可以用来描述气候变化，即使极端气候值的知识需要发展和处理紧急情况，运用极端气候值的气候变化的研究是很复杂的。一套合适的描述气候变量极值的指标可用于气候变化的研究。蒙古属于大陆性气候，伴随长时间的、干的以及寒冷的冬天和炎热的夏天，因此，蒙古的四季是非常不同的，包括每个季节内的月份也是非常不同的（Nandintsetseg等人，2007）；蒙古属于内陆地区，人口稀疏且分散，气候严酷，由于上述条件蒙古非常容易受到天气状况极大改变的影响。

蒙古现在与其他发展中国家不同，它在涉及到自身独特的地理和自身条件时有着明确的看重点，蒙古的经济和生态系统深受气候变化或极端气候事件的影响，例如干旱和暴风雪（蒙古语意为寒冬）。从2003年开始，1961到2001年的气象站点数据已经被用来研究气候极端指数的变化（Dagvadorj等人，2009）。

通过气候变化专家团队的协调检测、监测以及制定指数（ETCCDMI）所定义的一套指数，用来联合世界气象组织委员会气候方面（CCl）/世界气候研究计划（WCRP）、气候多样性和可预测性（CLIVAR）项目（Peterson等人，2001），这套指数经过发展、计算和分析，合理化及标准化了的极端天气事件的表达式。

本文使用11项极端气温指数，主要通过蒙古极端气温事件频率的长期趋势来研究极端气温事件的变化。

2资料与方法

2.1资料和质量控制

蒙古位于北半球（大约43-52°N，85-120°E），平均海拔1500m，其周围的山脉阻挡了湿风。

蒙古的气象环境监测国家机构（NAMEM）属于政府机构，管理蒙古气象观测网。人工软件已被用于数据质量控制，在从蒙古气象观测网获得的气候数据被NAMEM存档之前，这些数据被收集并用来进行质量控制（Namkhajantsan等人，2006）。

目前，130个气象站是由NAMEM（Battur，2010）管理。这项研究选取了53个气象站，可从这53个气象站中获取1961年到2010年的每天的最高和最低的空气表面温度数据。在用RClimDex软件（Zhang and Yang，2004）计算极端指数之前，这些收集到的数据通过RClimDex包数据质量控制程序进行质量控制。此数据的质量控制程序基本上是由Zhang and Yang（2004）给出。应该指出的是，如果超过四个标准偏差的话，该观测值被认为是无效的。

蒙古地理上分为四个区域：蒙古西部（WM，高山地区），蒙古中部（CM，林区），蒙古东部（EM，草原区）及蒙古南部（SM，戈壁滩沙漠地区）。图1所示为53个气象站点的位置.

基于软件RHtestsV3均匀性检验的回归（Wang and Feng，2010）被用于检测显著的人工变化。在计算温度极端指数之前，对日温进行了质量控制，并对其均匀性进行了测试。这些指数被用来计算每个季节（标准季节）和一年，因为每个站点都存在不到2%的数据丢失。每个站各指数的季节时间序列的趋势已被分析。通过使用线性回归法来估计季节趋势的幅度，而使用Kendall–Tau测试对其统计意义进行了评估；Kendall的tau;统计方法是由Dietz and Killeen（1981）提出。基于Kendall的tau;单调趋势进一步扩展到季节变化的统计分析（Hirsch等人，1982）。Kendall的统计的计算如下：

图1 蒙古气象站点位置地图

S=

var（s）= （1）

其中和是连续的数据值，m是并列的组数，n是数据集的长度，是第i并列组的大小，Sgn（theta;）是一种符号函数提取theta;标志。Sgn（theta;）定义如下:

Sgn（theta;）=1 theta;gt;0

Sgn（theta;）=0 theta;=0

Sgn（theta;）=-1 theta;lt;0

为了检测到时间序列的趋势，气候指数的年趋势倾斜程度及其统计意义被用来计算基于非参数Mann–Kendall检验和最小二乘法，Mann–Kendall测试静态估计如下:

， Sgt;0

， S=0

， Slt;0

是标准正态变量，零假设（Ho），如果-le;le;，接受标准正态变量不显著或有不显著的趋势，其中plusmn;是标准正常偏差和p是测试中的水平。正表示增加的趋势，而负表示下降的趋势（Xu等人，2005）。

2.2极端气温指数

在这项研究中，我们使用由Zhang and Yang（2004）发展的RClimDex软件（1.0版）。RClimDex软件可以计算包括温度和降水指数在内的共27个指数。然而，这项研究中只有11个指数来自空气温度数据计算（表1）。通过趋势对由此产生的系列进行了分析，非参数Mann–Kendall检验和最小二乘法被用来计算倾斜程度的年度趋势和其对气候指数的统计意义。这些倾斜程度和统计意义然后用来检测趋势的时间分布。

表1总结了这项研究中所用的11个极端温度指数，Alexander等人（2006）的定义中可以找到更多的详细信息。FD0和SU25分别代表年霜冻日数（日最低温度le;0°C）和夏季日数（日最高温度ge;25°C）；TXx、TNx，TXn和TNn分别表示所记录的年最高温度最大值、最低温度最大值、最高温度最小值、最低温度最小值。TN10p是一个测量时间的百分比的指数，表示日最低温度低于通过使用运行5天的窗口计算的每个日历日最低温度第十百分位的（根据气候规范）。这是一个测量一年中反常的低温夜晚（冷夜）百分比的方法。同样，TX10p表示反常的低温白天（冷日）百分比的指数。TN90p和TX90p分别对应于一年内反常的高温夜晚（暖夜）和白天（暖日）的指数。以百分位为基础的温度指数与热浪或寒流相关指数类似，其包括温度小于第十百分位或大于第九十百分位超标率。与绝对指数如FD0和SU25不同，对于极端气温变化来说，相对指数可能最适合评估天气的有利形势（Zwiers等人，2011）。

表1 本研究中使用的极端气温指数定义

3.结果

3.1极端温度指数的绝对趋势

表2显示了蒙古极端气温指数的线性趋势，线性趋势已被用来分析蒙古西部，中部，东部和戈壁滩地区的50年的气候变异。这项分析揭示SU25，TXx，TNx，TX90p和TN90p指数主要呈现正趋势，而FD0，TX10p和TN10p指数呈现负趋势。

表2 1961到2010年蒙古极端气温指数年线性趋势

粗体表示统计结果显著（Pgt;0.05）

给出的数据单位为1天/10年和1摄氏度/10年

图2显示了整个国家绝对指数的时间序列曲线的异常变化（FD0和SU25），霜冻日数（FD0）从1970年到1987年均略有下降，从1993年到2000年迅速下降（图2a）。夏季日数（SU25）显示负异常，尤其是1995年以前，可以观察从1996年到2002年呈现快速增长（图2b）。如图3所示，全国各地的霜冻日数明显下降，而且大部分站点的下降趋势不到2天/十年。蒙古大部分站点的夏季日数呈增加趋势（图3b），最明显的增加趋势大于8天/十年。

a b

异

常

（℃）

时间（年） 时间（年）

图2 蒙古1961-2010年平均年（a）霜冻日数（FD0）和（b）夏季日数（SU25）的异常情况，异常是相对于1971-2000年平均值，红色曲线表示5年滑动平均。

a b

图3 蒙古（a）霜冻日数（FD0）和（b）夏季日数（SU25）线性趋势分布图，符号（⊙）表示在95%的水平下显著

3.2极端指数值的趋势

图4显示了研究期间蒙古年平均最高和最低气温及DTR的时间序列。年平均最高气温和最低气温都呈增加趋势。整个国家所观察到的DTR的线性趋势呈现总体下降。解释这种下降趋势可以考虑最高和最低温度变化的不对称性。研究期间整个国家的DTR以0.4°C的速度线性减少。

图5显示日最高温度的年最大值和最小值的异常区域的平均值（简称为TXx和TXn）。尽管这两个系列的值都接近该系列的末尾值，但都没有显著的趋势。在年度最大的长期变化日最低温度的年最大值（TNx）和年最小值（TNn）（图5a和c）的长期变化类似TXx和TXn（图5b和d），但TXn和TNN的趋势比TXx和TXn更强。TXn和TNn自1981年起显著增加，而TXX和TNx自1995年起迅速增加。蒙古中部TXx和TNx呈现大幅上升的趋势，而TXx在戈壁滩地区出现了明显的下降趋势。整个国

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