黃卓禹，王式功，李曉坤，昌立偉

(1．蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅　蘭州　730000；2．湖南省婁底市氣象局，湖南　婁底　417000；3．內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟氣象局，內(nèi)蒙古　錫林浩特　026000；4．湖南省岳陽(yáng)市氣象局，湖南　岳陽(yáng)　414000)

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近35 a湖南夏季高溫日數(shù)時(shí)空變化特征分析

黃卓禹1,2，王式功1，李曉坤3，昌立偉4

(1．蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730000；2．湖南省婁底市氣象局，湖南婁底417000；3．內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟氣象局，內(nèi)蒙古錫林浩特026000；4．湖南省岳陽(yáng)市氣象局，湖南岳陽(yáng)414000)

該文針對(duì)近年來(lái)人們普遍關(guān)心的高溫?zé)崂藰O端天氣氣候事件問(wèn)題，利用湖南省1979—2013年的全省各縣(市)95個(gè)地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)逐日最高氣溫資料來(lái)研究湖南省單站高溫日數(shù)時(shí)空變化特征，研究指出：湖南省高溫天氣日數(shù)空間分布特征呈現(xiàn)“東多西少”；且存在2個(gè)高溫多發(fā)區(qū)；高溫天氣的年發(fā)生日數(shù)空間差異很大，與地形密切相關(guān)。高溫日數(shù)演變過(guò)程中存在著4類尺度的周期變化規(guī)律。同時(shí)不同的年代際也表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度和范圍，尤以21世紀(jì)的變化最為明顯。此外，湖南高溫也存在明顯的年際和年代際變化，在20世紀(jì)80年代之前，年高溫日總次數(shù)呈小幅減少的趨勢(shì)，而在21世紀(jì)后，年高溫日總次數(shù)表現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)。

湖南省；高溫日數(shù)；時(shí)空變化特征；周期變化

1　引言

IPCC的第五次評(píng)估報(bào)告[1]堅(jiān)持了以往四次報(bào)告的說(shuō)法，認(rèn)為全球氣候系統(tǒng)的變暖是明確無(wú)疑的。多數(shù)研究[2-3]也表明在全球變暖的大背景下，中國(guó)的氣候變暖與全球氣候變暖基本同步，而且表現(xiàn)更為明顯。王紹武等人[4]在研究中國(guó)的氣候變暖時(shí)指出近百年來(lái),中國(guó)的平均溫度升高了0.4～0.5 ℃。趙宗慈等人[5]指出在2035年前，即使太陽(yáng)活動(dòng)異常衰微、強(qiáng)火山爆發(fā)以及拉尼娜事件等事件同時(shí)發(fā)生可能造成中國(guó)的平均氣溫降低0.5 ℃，但仍然阻擋不住由于人類作用造成的氣候變暖的總趨勢(shì)。

目前有大量研究指出[6-7]，高溫事件，尤其是持續(xù)性高溫事件對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)諸多不利的影響，甚至是危及生命安全。湖南地處副熱帶季風(fēng)區(qū)，盛夏常出現(xiàn)連晴高溫、酷暑干旱的天氣，對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)影響很大，例如早稻成熟期遇上高溫，稻谷被逼熟，產(chǎn)量降低；晚稻移栽期遇上高溫，輕者延長(zhǎng)禾苗返青期，重者引起凋萎死苗；對(duì)人畜來(lái)說(shuō)，高溫能使新陳代謝加速，能量消耗加大，人體疲勞，嚴(yán)重的可引起中暑休克。

2　資料與方法

本文所采用的資料來(lái)自湖南省1979—2013年全省各縣(市)95個(gè)地面氣象觀測(cè)站點(diǎn)，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制的日最高氣溫資料、資料真實(shí)可靠。

本文沿用中國(guó)氣象局高溫?zé)崂说臉?biāo)準(zhǔn)，定義高溫日為逐日最高氣溫>35 ℃，單站持續(xù)性高溫事件為連續(xù)3 d以上最高氣溫>35 ℃事件。此外目前對(duì)于高溫過(guò)程的強(qiáng)度還沒(méi)有給出等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，本文根據(jù)高溫預(yù)警發(fā)布的原則以及高溫天氣對(duì)人體和作物的影響和危害，為區(qū)分高溫天氣的強(qiáng)度，定義了3個(gè)高溫強(qiáng)度等級(jí)：輕度高溫、中度高溫和重度高溫天氣。輕度高溫是指日最高氣溫≥35 ℃且<37 ℃的天氣；中度高溫是指日最高氣溫≥37 ℃且<40 ℃的天氣；重度高溫日最高氣溫≥40 ℃的天氣。

3　高溫日數(shù)的空間分布特征

圖1給出了湖南省1979—2013年各級(jí)高溫強(qiáng)度的高溫天氣日數(shù)及極端高溫空間分布情況。從圖1a可以看出，湖南高溫天氣日數(shù)分布特征呈現(xiàn)“東多西少”。南嶺、雪峰山、湖區(qū)是少高溫地區(qū)，而湘江中游、包括衡陽(yáng)、長(zhǎng)沙、株洲、湘潭地區(qū)及郴州地區(qū)北部是多高溫的地區(qū)，此外資水中游的安化高溫日數(shù)也較多。高溫天氣的年平均日數(shù)差異也很大，最少日數(shù)有1 d/a，而最多日數(shù)則高達(dá)41 d/a。從整體上看，主要存在2個(gè)多高溫日數(shù)的分布區(qū),分別在衡陽(yáng)—永州—株洲一帶以及益陽(yáng)—常德附近，這些區(qū)域的高溫日數(shù)多在24 d/a左右；在懷化南部及郴州的東南部的高溫日數(shù)則不足9 d/a；中度高溫天氣(圖1b)整體的空間分布特征與>35 ℃高溫分布大體一致，但高溫日數(shù)要明顯減少，除衡陽(yáng)東南部附近嚴(yán)重高溫日數(shù)在12 d/a左右以外,其余大部分地區(qū)均在10 d/a以下；從圖1c湖南省重度高溫天氣的高溫日數(shù)的空間分布圖可以發(fā)現(xiàn)，重度高溫天氣的高值區(qū)和低值區(qū)的分布與上述兩種情況分布也基本一致，但數(shù)值卻急劇減小，2個(gè)高值區(qū)的重度高溫日數(shù)在0.3～0.5 d/a之間；在懷化南部、永州南部、益陽(yáng)北部重度高溫天氣較少，低于0.1 d/a。從圖1d極端高溫天氣的空間分布情況圖可以看出，在2個(gè)高溫日數(shù)頻繁地區(qū)，歷年的極端高溫均在41 ℃以上，此外在婁底、長(zhǎng)沙、湘潭交界處也出現(xiàn)了41 ℃以上的高溫。

通過(guò)對(duì)比湖南省地形(圖略)可以發(fā)現(xiàn),湖南省的高溫日數(shù)較多可能與其地形有密切的關(guān)系，例如，多高溫區(qū)的中部地區(qū)，其西有雪峰山脈，南為南嶺山脈，東有羅霄山脈，使之成為東、南、西三面高山，向北傾斜的盆地，在盛夏暖氣團(tuán)的控制下，連晴增熱以后，熱量不易流散，而成為湖南的多高溫地區(qū)；安化地處雪峰山東北部的谷地，地形作用對(duì)形成高溫區(qū)也有密切關(guān)系；湘西、湘南的少高溫地區(qū)的分布與測(cè)站海拔高度200 m的等值線分布基本相似，湖區(qū)海拔高度雖在20 m以下，但湖面寬廣，水的熱容量又較土壤大得多，加之湖區(qū)地勢(shì)平坦開(kāi)闊，南風(fēng)大，空氣流通，因此湖區(qū)也是少高溫的區(qū)域。

圖1　湖南省1979—2013年各級(jí)高溫日數(shù)空間分布(d·a-1)(a)≥35 ℃，(b)中度高溫天氣(≥37 ℃且<40 ℃)，(c)重度高溫天氣(≥40 ℃)，(d)極端高溫Fig.1　Hunan Province 1979—2013 spatial distribution of all-level high temperature days (day o a-1)(a)≥35 ℃(b) moderately high temperatures (≥37 ℃ and <40 ℃), (c) severe hot weather (≥40 ℃), (d) extreme heat

4　高溫日數(shù)的時(shí)間變化特征

4.1年際變化特征

為了揭示湖南省高溫日的時(shí)間演變規(guī)律，使用湖南省95站的總高溫日數(shù)進(jìn)行分析。從圖2a中可知道，湖南省平均每年的高溫日為2 168次，在20世紀(jì)80年代之前，高溫日總次數(shù)呈小幅減少的趨勢(shì)，而在21世紀(jì)后，高溫日總次數(shù)表現(xiàn)出顯著增加趨勢(shì)。為了進(jìn)一步分析高溫日總次數(shù)的變化趨勢(shì)，對(duì)其運(yùn)用Mann-Kendall(M-K)非參數(shù)檢驗(yàn)方法。圖2b中UF代表高溫日總次數(shù)的順序統(tǒng)計(jì)曲線，UB為逆序統(tǒng)計(jì)曲線，給定顯著性水平：α=0.05，臨界線為±1.96(兩條虛線)；當(dāng)UF曲線的值大于(小于)0，則表明呈上升(下降)的趨勢(shì)；當(dāng)統(tǒng)計(jì)曲線超過(guò)臨界線時(shí)，表明變化趨勢(shì)是十分顯著的；如果兩條統(tǒng)計(jì)曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)位于臨界區(qū)間內(nèi)，表明交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻就是突變開(kāi)始的時(shí)間。

由圖2b可知，20世紀(jì)90年代末以來(lái)高溫日總次數(shù)呈上升趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)10年代UF曲線超過(guò)臨界線，表明這種上升趨勢(shì)是十分顯著的。由兩條曲線交點(diǎn)的位置可以確定，20世紀(jì)90年代末的高溫日總次數(shù)的增加是一種突變，其開(kāi)始時(shí)間發(fā)生在2005年。

圖2　湖南省代表站總高溫日數(shù)逐年變化(a)(曲線為二階擬合曲線)及M-K突變分析(b)Fig.2　Yearly high temperature days variation of Hunan Provincial representative station (a) (second order fitted curve) and MK abrupt change analysis (b)

此外，分析極端高溫值逐年變化情況可以看出(圖略)，在21世紀(jì)前，湖南省的極端高溫處于一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài)，但在進(jìn)入21世紀(jì)后，湖南省的極端高溫值有明顯增加的趨勢(shì)，在2013年極端高溫值高達(dá)43.2 ℃，比常年偏高3 ℃以上。同樣采用M-K非參數(shù)檢驗(yàn)方法，可知，自20世紀(jì)90年代初以來(lái)湖南省的極端高溫有一個(gè)上升的趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)10年代上升趨勢(shì)表現(xiàn)更為顯著，此外可以確定湖南年極端高溫在21世紀(jì)10年代的增暖是一種突變現(xiàn)象，具體是從2002年開(kāi)始的。

4.2周期變化特征

為更詳細(xì)了解湖南省高溫日數(shù)的年代變化情況，本節(jié)選取湖南省各時(shí)段年高溫總?cè)諗?shù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，試運(yùn)用小波分析理論，借助Matlab7.0、suffer8.0等相關(guān)軟件，完成高溫日數(shù)的周期變化趨勢(shì)分析。

小波系數(shù)實(shí)部等值線圖能反映高溫日數(shù)序列不同時(shí)間尺度的周期變化及其在時(shí)間域中的分布，進(jìn)而能判斷在不同時(shí)間尺度上，高溫日數(shù)的未來(lái)變化趨勢(shì)。從圖3a中可以清楚的看出高溫日數(shù)的演變過(guò)程中存在的多時(shí)間尺度特征?？偟膩?lái)說(shuō)，在高溫日數(shù)演變過(guò)程中存在著25～32 a，15～23 a，9～14 a以及3～7 a的4類尺度的周期變化規(guī)律，其中在15～23 a尺度上出現(xiàn)了多—少準(zhǔn)兩次震蕩，在9～14 a時(shí)間尺度上存在準(zhǔn)5次震蕩；同時(shí)，還可以看出以上兩個(gè)尺度的周期變化在整個(gè)分析時(shí)段表現(xiàn)的非常穩(wěn)定，具有全域性；而在3～7 a尺度的周期變化，在1995s表現(xiàn)的更為穩(wěn)定。

圖3　小波系數(shù)實(shí)部等值線圖(a)和小波方差圖(b)Fig.3　Wavelet coefficients real contour map (a) and wavelet variograms (b)

小波方差圖能反映高溫日數(shù)時(shí)間序列的波動(dòng)能量隨年尺度的分布情況，可用來(lái)確定高溫日數(shù)演化過(guò)程中存在的主周期。高溫日數(shù)的小波方差圖中(圖3b)存在4個(gè)較為明顯的峰值，它們依次對(duì)應(yīng)著2 a、5 a、12 a、32 a的時(shí)間尺度；其中，最大峰值對(duì)應(yīng)著32 a的時(shí)間尺度，說(shuō)明32 a左右的的周期震蕩最強(qiáng)，為高溫日數(shù)變化的第1主周期；5 a時(shí)間尺度對(duì)應(yīng)著第2峰值，為高溫日數(shù)變化的第2主周期；第3、第4峰值分別對(duì)應(yīng)著12 a和2 a的時(shí)間尺度，它們依次為高溫日數(shù)變化的第3和第4周期，這說(shuō)明上升4個(gè)周期的波動(dòng)控制著湖南高溫日數(shù)在整個(gè)時(shí)間域內(nèi)的變化特征。

根據(jù)小波方差檢驗(yàn)的結(jié)果，我們繪制了控制湖南高溫日數(shù)演變的第1個(gè)和第2個(gè)主周期小波系數(shù)圖，從主周期趨勢(shì)圖中可以看出分析在不同的時(shí)間尺度下，湖南高溫日數(shù)存在的平均周期及多—少的變化特征，圖4a顯示，在32 a特征時(shí)間尺度上，高溫日數(shù)變化的平均周期為24 a左右；而在5 a特征時(shí)間尺度上(圖4b)高溫日數(shù)變化的平均周期為3.5 a左右，大約有9個(gè)周期的多—少變化。

圖4　湖南高溫日數(shù)變化的32 a和5 a特征時(shí)間尺度小波實(shí)部曲線Fig.4　Wavelet real curve of 32-year and 5-year characteristic time scale of Hunan Province high-temperature days variation

4.3年代際變化特征

湖南省單站高溫日的總次數(shù)表現(xiàn)出明顯的年代際變化特征，圖5給出了湖南省在不同年代際高溫日的空間分布。從圖中可以看出有存在兩個(gè)相同的高值區(qū)，在懷化的西南部及永州的東南部都存在相似的低值區(qū)。但不同的年代際表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度和范圍。從圖5a在20世紀(jì)80年代最多高溫日為360次左右，其高中心主要集中在衡陽(yáng)的東南部大部分地區(qū)，在90年代高溫日的次數(shù)(圖5b)較上個(gè)年代有明顯減少，最多次數(shù)在330次左右，且益陽(yáng)—常德一線的高值區(qū)有表現(xiàn)不是很明顯。在進(jìn)入21世紀(jì)后高溫日強(qiáng)度及范圍有明顯增多的趨勢(shì)，其中21世紀(jì)初全省高溫日次數(shù)最多的高達(dá)390次以上(圖5c)，此外位于衡陽(yáng)的高值區(qū)貫穿整個(gè)衡陽(yáng)市，向南擴(kuò)展到永州北部大部分地區(qū)，向北伸展到湘潭、株洲、長(zhǎng)沙一線，整個(gè)高值區(qū)域明顯加大，位于張家界—常德一線的高值區(qū)發(fā)生次數(shù)也較前期有明顯的增多。在21世紀(jì)10年代初期(圖5d)高值區(qū)表現(xiàn)與上個(gè)年代類似，但強(qiáng)度及高溫次數(shù)范圍較上個(gè)年代又有增多。此外各個(gè)年代際的變化趨勢(shì)與Morlet小波分析的第一主周期32 a的時(shí)間尺度的分析一致，即20世紀(jì)80年代湖南高溫日數(shù)呈增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，90年代則呈現(xiàn)一個(gè)明顯減少的態(tài)勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)高溫日數(shù)增加明顯。

圖5　湖南省各站次多年累積高溫日次數(shù)的空間分布(單位：次)(a)1980—1989年，(b)1990—1999年,(c)2000—2009年，(d)2010—2013年Fig.5　 Spatial Distribution of all station multiple years accumulated high temperature day occurring times (Unit: Times) (a) 1980—1989, (b) 1990—1999, (c) 2000—2009, (d) 2010—2013

5　結(jié)論

①湖南高溫天氣日數(shù)分布特征呈現(xiàn)“東多西少”。南嶺、雪峰山、湖區(qū)是少高溫地區(qū)，而湘江中游、包括衡陽(yáng)、長(zhǎng)沙、株洲、湘潭地區(qū)級(jí)郴州地區(qū)北部是多高溫的地區(qū)，此外資水中游的安化高溫日數(shù)也較多。高溫天氣的年平均日數(shù)差異很大。有兩個(gè)高溫日數(shù)分布區(qū)，在兩個(gè)高溫日數(shù)頻繁地區(qū)，歷年的極端高溫均在41 ℃以上。

②湖南省高溫日數(shù)存在明顯的年際和年代際變化特征，在20世紀(jì)80年代之前，高溫日總數(shù)呈小幅減少的趨勢(shì)，而在21世紀(jì)后，高溫日總數(shù)呈顯著增加的趨勢(shì)。在90年代高溫日的次數(shù)較80年代明顯減少，在進(jìn)入21世紀(jì)后高溫日強(qiáng)度及范圍有明顯增多的趨勢(shì)，在21世紀(jì)10年代初期高值區(qū)表現(xiàn)與上個(gè)年代類似，但強(qiáng)度及高溫次數(shù)范圍較上個(gè)年代有增多。

③通過(guò)周期分析發(fā)現(xiàn)，在高溫日數(shù)演變過(guò)程中存在著25～32 a，15～23 a，9～14 a以及3～7 a的4類尺度的周期變化規(guī)律，其中3～7 a時(shí)間尺度的周期變化最為明顯；此外高溫日數(shù)還存在4個(gè)較為明顯的震蕩周期。

[1] IPCC.Climate change 2013: the physical science basis [M].Cambridge:Cambridge University Press, in press. 2013-09-30 [2013-09-30],http://www.cliniatechange2013.org/images/uploads/ WG -IAR5_WGI-12Doc2b_FinalDraft_All.pdf.

[2] 姚望玲,陳正洪,向玉春.武漢市氣候變暖與極端天氣事件變化的歸因分析[J].氣象,2010,36(11):88-94.

[3] 張尚印,張德寬,徐祥德,等.長(zhǎng)江中下游夏季高溫災(zāi)害機(jī)理及預(yù)測(cè)[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào),2005,28(6):840-846.

[4] 王紹武,趙宗慈,唐國(guó)利.中國(guó)的氣候變暖[J].國(guó)際政治研究(季刊),2009,(4).

[5] 趙宗慈,郭彥,黃建斌,等.到2035年中國(guó)將繼續(xù)變暖嗎[J].氣候變化研究進(jìn)展,2013, 9(16):446-448.

[6] 汪衛(wèi)平,熊偉,陳余明.貴州省日最高氣溫氣候特征分析[J].貴州氣象,2013,37(1):6-10.

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Temporal and Spatial Variation Characteristics Analysis of the Number of the High Temperature Days in Hunan Recent 35-year Summers

HUANG Zhuoyu1,2, WANG Shigong1, LI Xiaokun3, CHANG Liwei4

(1.College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;2.Loudi Municipal Meteorological Bureau, Loudi 417000, China; 3.Xilin Gol League Meteorological Bureau of Inner-Mongolia Autonomous Region, Xilin Gol 026000, China; 4.Hunan Province Meteorological Bureau of Yueyang City, Hunan Province,Yueyang 414000, China)

Heat waves extreme weather events in recent years were reviewed. The daily maximum temperature data of 95 county-level meteorological observation stations from 1979 to 2013 in Hunan Province were used to study the temporal and spatial variation characteristics of the number of the high temperature days in one single station in Hunan Province. The results indicate that the spatial distribution of the number of high temperature days in Hunan Province represents the characteristics of decreasing from the east to the west and there are two hot-prone areas; The number of high temperature days varies greatly in space, very closely related to the topography. There are four scales of cycle variations of annual high temperature days’ number. At the same time, in different decades, there are different variation intensities and ranges; especially the temperature variation in 21 century is most obvious. In addition, there are obvious changes of high temperature between years and decades. Before 1980s, there is a slightly-decreasing trend for the annual total number of high temperature days, while after the arrival of the 21stcentury, the toal number of high temperature days shows a significantly increasing trend.

Hunan; high temperature days; temporal and spatial variation characteristics; cycle variation

1003-6598(2016)01-0035-05

2015-08-04

黃卓禹(1986—)，女，工程師，碩士，主要從事天氣預(yù)報(bào)和研究工作，E-mail:hzysara@sina.com。

湖南省氣象局2015年短平快課題(XQKJ15B092)。

P466

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