引言

在1880—2012年期间全球温度升高了0.85℃[0.65至1.06]℃。在北半球，1983—2012年可能是过去1400年中最暖的30年(IPCC, 2013)。在全球持续偏暖的背景下，2014年世界上许多地方出现了显著的气候异常和极端天气气候事件(李清泉等，2015)。全球平均海表面温度也创历史新高。研究表明，1906—2005年中国年平均温度的上升幅度为(0.78±0.27)℃(唐国利等，2009)。我国的平均最高气温和平均最低气温以冬季增暖最明显(任国玉等，2010)，无论是年还是季节，平均最低气温增暖明显大于平均最高气温(王绍武等，2005；翟盘茂等，2007；陈正洪，2009; 陈少勇等，2011)。而平均最高温度在中国没有特别显著的趋势，高温事件出现频率的上升趋势有明显的区域差异(马柱国等，2003；唐红玉等，2005)。当然，除了气温平均值的变化以外, 气温变率的变化对极端气温事件也是有影响的，政府间气候变化专门委员会(IPCC)关于极端事件特别报告(IPCC, 2012)总结极端温度变化对平均温度移动和变率变化的响应，指出变率变化对极端温度比平均温度移动对其影响更大。Alexander等(2006)、Caesar等(2006)和Mantou等(2001)研究表明超过70%全球陆面区域已有明显转变，与近50年来极端变暖和变冷事件频率改变所伴随的表面极端温度变暖有关。极端事件会充分影响人类活动如农业、人体健康、城市发展和规划与水资源管理。例如，1998年夏季中国长江流域的洪涝、2003年夏季欧洲大陆的热浪、2005年美国遭遇的Katrina飓风的袭击等，这些都是在社会上产生重大影响的由极端天气引发的灾难性事件(胡宜昌等，2007)。受大气环流异常以及海洋和海冰等外强迫因素的共同影响，2014年世界范围内出现了显著的气候异常和极端事件，其中北半球部分地区多次受到天气气候极端事件的袭击(崔童等，2015；王朋岭等，2015)。还有2008年初我国南方发生了低温冰冻雨雪的极端天气异常给湖南、湖北、安徽、江西、广西、贵州等20个省(区)造成重大灾害，受灾人数达1亿多人，直接经济损失达1500多亿元(马宁等，2011)。可以发现近几十年来，极端事件出现频率增加，强度愈强，但对我国过去100年时期极端气温变化的研究还非常少(郭军等，2011)。因此，探测过去和目前气候趋势重要的是要有长期连续可靠的均一化资料，而认识气候变化是预报极端天气和极端气候的基础(钱维宏，2008)。

在中国大陆，从过去几十年的表面温度可以观察到长期变暖趋势和极端气候事件频率增加。最高温度除夏季外，其他季节增温明显；最低温度各季增温都很明显，尤其是冬季(董丹宏等，2015)。中国北方冷日和冷夜频率已大幅减少(Zhai et al, 1999; 2003)，中国东部夏季日极端低温出现也减少(Gong et al, 2004)。此外，暖夜和暖日频率也普遍增加(Zhai et al, 2003)，但是高温天气出现频率(日最高温度高于35℃)在中国东部明显减少(Zhai et al, 1999)。在气候变化研究中，均一性的长序列资料是研究的基础，有益于真实可靠地评估历史气候趋势和变率，尤其是对于气候态和极端事件的研究非常重要。台站观测的长序列气候数据记录不可避免地存在由观测仪器改变、观测方式改变、台站迁移等非气候因素造成的不连续点。然而，大部分气候变化研究工作仍然使用原始的没有经过均一化处理的观测数据，导致研究结论存在较大的不确定性(曹丽娟等，2011)。

针对所研究中国极端温度的长期趋势，本文使用一套均一化的逐日气温资料, 通过将中国大陆划分为8个次区域, 分析比较区域增暖的差异，进一步统计极端温度指数(冷夜、暖夜、冷日、暖日)并研究其长期趋势。

1 资料与方法 1.1 资料

Li等(2009)通过MASH方法，对我国549个基准站和基本站1960—2008年逐日平均、最高和最低温度序列进行了检验与订正。这些均一化的数据目前已更新到2012年。本文选用1960年1月1日至2012年12月31日中国大陆542个台站的均一化平均气温、日最高气温和日最低气温资料。

1.2 方法

“气候”在很大程度上具有概率性。从这个意义上说，一切气候事件(包括极端气候事件)的诊断、模拟和预测，其理论基础必然涉及到气候及其变化的基本概率属性。地球上任何地点或地区乃至全球气候所发生的变化，都是指：表征气候的某种变量其围绕着相应的平衡状态的概率分布型态有了某种改变。而在其概率分布的两端尾部大约10%(或5%)概率以内所对应的小概率事件及其分位数正是所谓的“极端天气和气候”的统计特征状况(丁裕国等，2009)。

通常分析1、5、10、25、50、75、90、95和99百分位数。由ETCCDMI所提供的极端气候指标体系的各种指数，共计27项。在这些指标中共有11项与降水有关，16项与温度有关。其中，冷夜(TN10p)、冷日(TX10p)、暖夜(TN90p)、暖日(TX90p)指数的极端低(高)温阈值采用序列的第10(90) 个百分位值。在全球变暖的背景下，为更加针对性说明极端温度的变化趋势，本文将1960—2012年某站53年中同一日的最低温度和最高温度资料按升序排列，分别得到该日最低温度和最高温度的第5和95个百分位值，然后用其与某站某年某日的最低温度和最高温度分别进行比较，最后统计得到冷夜(日最低温度低于该日最低温度的第5个百分位值)、冷日(日最高温度低于该日最低温度的第5个百分位值)、暖夜(日最低温度高于该日最高温度的第95个百分位值)、暖日(日最高温度高于该日最高温度的第95个百分位值)指数。

本研究主要基于中国及按地形和海拔等因素所划分的8个次区域(图 1)，划分区域的经纬度分别为(43°N，110°~130°E)、(35°~43°N，110°E)、(35°N，78°~119°E)、(23°~35°N，106°E)、(27°N，106°~120°E)、(28°~43°N，96°E)，分别研究了中国和8个次区域极端温度和极端温度指数，对比分析了各区域的变化趋势，并得到了增暖在中国各区域的差异。

为便于分析，本文将闰年2月29日的气温数据赋NAN值，使每年都保持365 d观测值。这样做可能影响个别年份的极端温度指数计算，但不会改变长期趋势分析结果。其次，将均一化资料中的日最低和日最高温度数据处理为1960—2012年的距平资料，得到极端温度的年代趋势的空间分布和年际时间序列，并运用趋势系数法分析极端温度的长期变化特征。最后统计出极端温度指数分析其长期变化特征。

2 极端温度的长期趋势 2.1 极端温度年代趋势的空间分布

图 2为1960—2012年中国最低和最高温度趋势的空间分布。可以发现，在1960—2012年中国的极端温度年代趋势基本都在0 ℃·(10 a)^-1以上，即近53年来最低和最高温度都在升高，符合中国总体变暖的趋势。在冬季(图 2c)，黄河以北地区最低温度趋势达0.6 ℃·(10 a)^-1，黄河以南地区最低温度趋势为0.3 ℃·(10 a)^-1左右；由图 2d可知，中国西北大部分地区、华北地区局部和东北小兴安岭最高温度显著增加，通过0.05的显著性水平检验，趋势为0.3 ℃·(10 a)^-1以上，其中小兴安岭和祁连山一带存在极大值，而其他地区最高温度趋势未通过显著性水平检验；对于夏季(图 2e)而言，最低温度在内蒙古自治区和黑龙江大范围及新疆北部地区存在极大值，为0.6 ℃·(10 a)^-1，而在中国中部地区未通过0.05的显著性水平检验；在图 2f中，最高温度在内蒙古毗邻黑龙江省及西藏局地多处出现了大值，为0.3 ℃·(10 a)^-1，在中国中部大部分地区出现极小值，为-0.2 ℃·(10 a)^-1，出现小幅降低，但未通过0.05的显著性水平检验；对比可知，冬季极端温度年代趋势变暖最为明显，其中，最低温度升高的明显高于最高温度的升高，相对而言，夏季的极端温度升高较少。因此，中国大陆总体变暖，尤以冬季变暖最为明显，极端温度增暖具有区域差异；夏季，东部的日极端低温天气出现也会有所减少，中东局部地区高温天气有所缓解。

表 1为中国8个次区域过去53年内最低和最高温度的年代变化趋势，中国大陆整体上最低和最高温度都向高值移动，符合总体变暖，而且最低温度升高明显高于最高温度的升高，从季节方面发现，冬季最低/最高温度升高最为明显，夏季升高得最少；从地理分布方面可以发现，中国8个次区域Region 1、Region 2、Region 3、Region 4、Region 5、Region 6、Region 7、Region 8的最低和最高温度的年代趋势分别0.492/0.235、0.389/0.187、0.273/0.135、0.209/0.099、0.266/0.176、0.327/0.208、0.430/0.228和0.372/0.257 ℃·(10 a)^-1，并且绝大部分区域通过0.05的显著性水平检验。可知，最低和最高温度在Region 1、Region 2、Region 7、Region 8区域升高最为明显，而在Region 4、Region 5区域升高最不明显。因此，冬季变暖最为明显，东北变暖最严重，华北、西北变暖较严重，西南地区和中国中部局部地区变暖较不明显。同时，对比中国东西部地区的最低和最高温度，也可以发现东部总体变暖较西部地区明显。

2.2 极端温度的年际时间序列

图 3为1960—2012年中国最低和最高温度全年、冬季、夏季的距平序列时间演变。由图 3可知，总体上，最低和最高温度的趋势线斜率为正，通过0.05显著性水平检验，即随着时间变化，最低和最高温度呈明显上升趋势，并且这种上升趋势伴随着升高和降低的小波动过程，是波动上升的，同时，最低温度的趋势线明显较最高温度趋势线陡峭，从而，最低温度升高得较最高温度升高明显。对比图 3中全年(绿色)、冬季(蓝色)、夏季(红色)可以发现，最低和最高温度的冬季趋势线较全年和夏季上升更为剧烈，说明在冬季的增暖趋势最强，在夏季的增暖趋势较弱，但是全年仍保持增暖趋势。图 3a中，中国最低温度呈上升趋势，从季节方面可以发现，最低温度在冬季上升幅度最大，并且在上升过程中，出现较大波动，其中，三个大的波谷分别出现在1968、1977和1985年。图 3b中，中国最高温度虽然也呈上升趋势，但是其上升趋势比较平缓，并且也存在小波动现象。因此，中国总体变暖，最低温度增加明显高于最高温度增加，从季节而言，冬季增暖高于夏季。

3 极端温度指数的长期趋势 3.1 极端温度指数年代趋势的空间分布

图 4为1960—2012年中国极端温度指数趋势的空间分布。从整体上看，极端气温指数的空间分布基本特征大体一致。图 4a中，冷夜指数(TN10p)在中国东北和西北地区出现了极小值，为-8 d·(10 a)^-1以下，在重庆﹑湖北﹑陕西三省(市)交界地区和云南省局部出现了大值，为-4 d·(10 a)^-1以上，因而，在全国范围内，冷夜指数表现为一致减少趋势；图 4b中，暖夜指数(TN90p)除重庆市出现极小值为2 d·(10 a)^-1外，其他地区显著增加；而图 4c中，冷日指数(TX10p)除长沙和重庆局部增加为2 d·(10 a)^-1外，普遍减少，其中，黑龙江和内蒙古北部地区及西藏南部地区存在极小值，为-6 d·(10 a)^-1；图 4d中，暖日指数(TX90p)除山东减少为-2 d·(10 a)^-1外，普遍增加，其中，甘肃西部、新疆东部、西藏南部和云南局部存在极大值，为6 d·(10 a)^-1；而且冷日、暖日指数在中国中部未通过0.05的显著性水平检验。冷夜指数与其他极端气温指数相比变化幅度最明显，西北和东北地区的变化最大，平均值在-8 d·(10 a)^-1以上。从空间变化发现，极端气温指数基本上保持一致的增加或减少的变化趋势，变化基本上是由北向南变化率逐渐减小，暖夜指数的变化情况有所不同, 在西南地区出现了变化的大值区(王冀等，2008)，因此，极端温度指数在中国也具有区域差异。

表 2为中国8个次区域各个指数的年代趋势。分别对比各区域的温度指数发现，Region 1、Region 2、Region 3、Region 4、Region 5、Region 6、Region 7、Region 8区域冷夜指数的年代趋势分别为-7.956、-7.686、-6.57、-6.354、-6.714、-7.452、-7.992和-6.372 d·(10 a)^-1，通过0.05的显著性水平检验；其冷日指数的年代趋势分别为-2.916、-2.646、-1.476、-0.756、-2.16、-3.402、-3.132和-2.412 d·(10 a)^-1，部分未通过0.05的显著性水平检验；其暖夜指数的年代趋势分别为7.038、6.588、5.994、6.282、7.002、7.326、7.092和6.624 d·(10 a)^-1，通过0.05的显著性水平检验；其暖日指数的年代趋势分别为3.492、2.772、2.520、3.420、4.914、4.230、4.896和5.130 d·(10 a)^-1，部分未通过0.05的显著性水平检验。因此，中国北方(Region 1、Region 2、Region 6、Region 7、Region 8) 冷日和冷夜指数已大幅减少，暖夜和暖日指数也呈普遍增加趋势。然而，中国中部地区(Region 3、Region 4) 各温度指数变化相对不明显。更多变暖的极端事件意味着热浪频率的增加。有进一步研究表明北半球中高纬度地区霜冻日数(FD)降低与气候变暖有关(翟盘茂等，2004)。

3.2 极端温度指数的年际时间序列

图 5为1960—2012年中国冷夜、暖夜、冷日、暖日指数距平序列时间演变。由图 5可知，冷夜和冷日指数趋势线斜率为负，暖夜和暖日指数趋势线斜率为正，均通过0.05的显著性水平检验，即冷夜指数和冷日指数呈减少趋势，暖夜和暖日指数呈增加趋势。图 5a和5c中，可以发现在1975年之前，冷夜和冷日指数有小的波动上升到达波峰之后又波动下降，在1975年之后急剧减少。而在图 5b和5d中，可以发现暖夜和暖日指数持续增加。分别对比图 5a和5c、图 5b和5d可以发现，冷夜变化趋势最为明显，暖夜次之，相比之下冷日和暖日变化趋势最不明显。因此，随着时间变化，冷夜指数减少，暖夜指数增加，中国气候逐渐变暖。换而言之，高温发生频率增加，低温发生频率减少，但最低温度升高的明显高于最高温度升高的。

4 结论与讨论

(1) 与全球气候变暖的大背景相对应，1960—2012年中国总体变暖，最低温度和最高温度都升高，但是最低温度升高较最高温度明显。从季节方面而言，冬季极端温度升高最为明显, 夏季升高得最少；从地理分布而言, 各区域极端温度升高存在明显差异，其中，中国东北最低/最高温度升高最为明显，中国西南地区升高不显著。因此，中国在过去53年除西南地区外，大部分地区最低和最高温度有统计显著的升高趋势，极端温度增暖具有很大区域差异。

(2) 同时，冷夜明显减少而暖夜明显增加；冷日普遍减少而暖日普遍增加。四个百分位指数尤以冷夜指数变化最为突出。因此，随着时间变化，冷夜指数减少，暖夜指数增加，中国气候逐渐变暖。换而言之，高温发生频率增加，低温发生频率减少，最低温度升高的明显高于最高温度升高的。此外，中国北方冷日和冷夜指数已大幅减少，暖夜和暖日指数也显著增加，而中国中部地区各极端温度指数年际变化较不显著，极端温度指数具有区域差异。

(3) 此外，Zhou等(2011)和周雅清等(2014)研究表明，城市热岛效应使华北地区与最低气温相关的极端气温指数变化趋势中存在明显的城市化影响。王君等(2013)研究指出，城市化效应对暖夜的显著影响主要体现在晚春初夏季节, 而对冷夜的影响几乎贯穿全年。不同学者由于计算指数趋势方法不同，城市化影响在数值上略有差异。因此，本文中极端温度指数的长期变化趋势和具有区域差异性，部分原因可以归结于极端事件本身具有很强的年际变率和未对城市化对极端温度指数趋势的影响进一步研究。

最近五十多年，地球气候明显地受到了人类活动的影响，而变化的气候又通过各种途径影响人类的生产和生活。21世纪人类必须高度重视并积极应对气候变化及与其相伴随的各种极端天气气候事件(翟盘茂, 2011)。然而目前对极端气候事件的监测和预测业务能力非常有限，对于极端气候事件变化规律和形成机理仍然不清楚(任福民等, 2014)。因此，我们必须利用连续可靠的均一化资料，把握极端温度的长期趋势，这是监测和预测极端天气气候事件的基础。

致谢：感谢中国科学院大气物理研究所东亚气候-环境重点实验室严中伟老师提供均一化气温资料。