陳 玲，楊曉玲，袁金梅，王潤元

（1.永昌縣氣象局，甘肅 永昌733200；2.中國氣象局蘭州干旱氣象研究所，甘肅 蘭州730020；3.武威市氣象局，甘肅 武威733099）

20世紀(jì)90年代以來，全球氣候變化加劇，極端高溫事件頻繁發(fā)生[1-3]，呈現(xiàn)出強(qiáng)度強(qiáng)、頻次高、范圍廣、持續(xù)時(shí)間長等特點(diǎn)，極端高溫事件往往與特重干旱相伴而來，嚴(yán)重地威脅公眾健康和生命財(cái)產(chǎn)，同時(shí)會增加能源消耗，對工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)造成一定的影響[4]。高溫?zé)崂艘l(fā)的災(zāi)難甚至不亞于海嘯、臺風(fēng)等突發(fā)性災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國所有因極端天氣氣候?yàn)?zāi)害引起的人員死亡中，極端高溫位居首位，1992—2001年美國因高溫死亡人數(shù)達(dá)2190人，超過同期因洪澇、龍卷風(fēng)、颶風(fēng)造成的死亡人數(shù)。2003年夏季歐洲一次極端高溫事件，造成35 000余人死亡。近年來，中國高溫日數(shù)有所增多、高溫強(qiáng)度有所增強(qiáng)，對人類活動、生命健康和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響正在加重。

近年來，各國學(xué)者從不同角度對全球高溫事件多有研究：北大西洋地區(qū)高溫事件頻率增加，振幅無明顯變化[5]；俄羅斯在過去幾十年間極端最高溫度日數(shù)顯著增加[6]；中國大部分地區(qū)最高溫度明顯升高，溫度極端偏高日數(shù)明顯增多[7-11]。2004年中國氣象局在《突發(fā)氣象災(zāi)害預(yù)警信號發(fā)布業(yè)務(wù)規(guī)范》中已將高溫事件列為重大氣象災(zāi)害性天氣，根據(jù)危害程度發(fā)布相應(yīng)級別預(yù)警信號。在全球氣候變暖的大背景下，石羊河流域高溫事件發(fā)生了一定的變化，但目前已有研究僅限于天氣標(biāo)準(zhǔn)高溫事件[12-13]的分析，對平均標(biāo)準(zhǔn)的高溫事件研究鮮有報(bào)道，因此，本文采用氣象固定閾值和百分位閾值方法對石羊河流域最高氣溫和平均氣溫分別定義了高溫事件，對高溫事件強(qiáng)度、極值和日數(shù)變化特征進(jìn)行了分析和研究，將會為高溫事件的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警提供技術(shù)支持，同時(shí)對提高高溫事件引發(fā)災(zāi)害的應(yīng)對能力、降低氣候變化帶來的風(fēng)險(xiǎn)、有效防御氣象災(zāi)害、合理利用氣候資源和轉(zhuǎn)變生產(chǎn)生活方式等方面提供科學(xué)決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域是甘肅省河西走廊三大內(nèi)陸河之一，位于祁連山東段與騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠南緣之間，地理位置在 36°29′～39°27′N，101°41′～104°16′E，流域全長約300 km，總面積約 4.16×105km2（圖1）。地勢西南高東北低，由西南向東北傾斜，地形地貌復(fù)雜。石羊河流域深居大陸腹地，屬大陸性溫帶干旱、半干旱氣候，輻射和蒸發(fā)強(qiáng)烈，日照充足，降水少，晝夜溫差大。流域自南向北分為上游（古浪）南部祁連山區(qū)、中游（武威）中部走廊平原區(qū)、下游（民勤）北部荒漠區(qū)3大地貌單元和氣候區(qū)[14]，上游南部祁連山為高寒半干旱、半濕潤區(qū)，海拔高度2 000～5 000 m，年降水量 300～600 mm，年平均氣溫2～6℃；中游走廊平原為溫涼干旱區(qū)，海拔高度1 500～2 000 m，年降水量 150～300 mm，年平均氣溫6～8℃；下游荒漠地帶為溫暖干旱區(qū)，海拔高度1 300～1500 m，年降水量＜150 mm，年平均氣溫＞8℃。

圖1 石羊河流域地理分布

2 資料、指標(biāo)與方法

2.1 資料與指標(biāo)

資料均來源于石羊河流域中游（武威）、下游（民勤）2個(gè)氣象站，資料種類為日最高氣溫與平均氣溫，時(shí)段為1960—2015年，共56 a。上游（古浪）氣候溫涼，56 a只出現(xiàn)了一次天氣標(biāo)準(zhǔn)高溫，所以未作分析。2個(gè)氣象站56 a來均未曾遷移，資料完整性和連續(xù)性較好，時(shí)間序列長。

高溫事件閾值的確定：①在氣象業(yè)務(wù)上，用固定閾值法（天氣標(biāo)準(zhǔn)）來判定高溫事件[15]，將日最高氣溫≥35℃作為高溫事件的閾值；②采用百分位閾值法[16-17]（平均標(biāo)準(zhǔn)）來判定高溫事件，選取1960—2015年日平均氣溫時(shí)間序列逐年按照降序排列，第5%的值定義為該年高溫事件閾值，逐年高溫閾值的平均值定義為高溫事件總閾值，中游為24℃，下游為25℃。年高溫事件強(qiáng)度是指年內(nèi)高溫事件的平均值，年高溫事件日數(shù)是指年內(nèi)高溫事件的總?cè)諗?shù)，年高溫事件極值是指年內(nèi)高溫事件的最大值。

運(yùn)用平均值（x）和均方差（σ）判斷指標(biāo)[18]對高溫事件進(jìn)行的異常性判別，若高溫事件波動值在x±σ之間，為正常波動，若高溫事件波動值在x±σ和x±2σ之間，為偏弱（少）或偏強(qiáng)（多）；若高溫事件波動值在x±2σ之外，為特弱（少）或特強(qiáng)（多）。

2.2 方法

依據(jù)高溫事件閾值，求得兩種高溫事件的強(qiáng)度、日數(shù)以及極值，分析年代、年和月高溫事件變化及年極值變化特征。中、下游年平均高溫事件為同一地點(diǎn)不同年份（n=56 a）平均。運(yùn)用線性趨勢估計(jì)法[19]分析年高溫事件變化趨勢，對氣候趨勢系數(shù)變化趨勢進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[20]。根據(jù)蒙特卡羅模擬方法[21-22]，通過σ=0.1、0.05、0.01顯著性水平檢驗(yàn)所對應(yīng)的趨勢系數(shù)臨界值依次為0.305 8、0.365 3、0.443 0，分別對應(yīng)著變化趨勢較顯著、顯著、很顯著。運(yùn)用方差分析方法對高溫事件進(jìn)行周期分析，求F值進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)[23]。運(yùn)用累計(jì)距平和信噪比法對高溫事件進(jìn)行突變分析，信噪比≥1.0時(shí)認(rèn)為存在氣候突變，即最大信噪比對應(yīng)的年定義為氣候突變年[24-25]。

3 結(jié)果與分析

3.1 高溫事件年代變化

表1為石羊河流域中、下游逐年代高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)距平（均值為1960—2015年56 a平均）。中、下游兩種天氣標(biāo)準(zhǔn)的高溫事件強(qiáng)度總體呈增強(qiáng)趨勢，但逐年代變化不太一致，天氣標(biāo)準(zhǔn)高溫事件強(qiáng)度中游20世紀(jì)60年代略偏弱，70—80年代偏弱，90年代至21世紀(jì)前16 a偏強(qiáng)；下游20世紀(jì)60年代略偏強(qiáng)，70年代、90年代、21世紀(jì)00年代略偏弱，80年代持平，2010—2015年偏強(qiáng)。平均標(biāo)準(zhǔn)高溫事件強(qiáng)度中游20世紀(jì)60年代持平，70年代和90年代偏弱，80年代略偏弱，21世紀(jì)00年代偏強(qiáng)，2010—2015年特強(qiáng)；下游20世紀(jì)60—70年代偏弱，80年代、21世紀(jì)00年代略偏強(qiáng)，90年代略偏弱，2010—2015年特強(qiáng)。中、下游兩種天氣標(biāo)準(zhǔn)的高溫事件日數(shù)總體也呈增多趨勢，逐年代變化也不太一致，天氣標(biāo)準(zhǔn)高溫事件日數(shù)中游20世紀(jì)60—70年代持平，80—90年代略偏少，21世紀(jì)00年代略偏多，2010—2015年偏多；下游20世紀(jì)60年代偏少，70年代持平，80年代至21世紀(jì)00年代略偏少，2010—2015年特多。平均標(biāo)準(zhǔn)高溫事件日數(shù)中游20世紀(jì)60年代略偏少，70—90年代特少，21世紀(jì)前16 a特多；下游20世紀(jì)60—80年代特少，90年代持平，21世紀(jì)前16 a特多。

表1 石羊河流域中、下游逐年代高溫事件距平

3.2 高溫事件年變化

石羊河流域中、下游近56 a年高溫事件強(qiáng)度呈增強(qiáng)趨勢（除下游天氣標(biāo)準(zhǔn)高溫強(qiáng)度呈弱減弱趨勢）、年高溫事件日數(shù)呈增多趨勢（圖2），用線性趨勢方法計(jì)算中、下游年高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)氣候傾向率（表2）。高溫事件強(qiáng)度氣候傾向率：①天氣標(biāo)準(zhǔn)為中游＞下游，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法規(guī)定：中、下游增強(qiáng)趨勢均不顯著；②平均標(biāo)準(zhǔn)為下游＞中游，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法規(guī)定，中游增強(qiáng)趨勢較顯著，下游增強(qiáng)趨勢顯著。高溫事件日數(shù)氣候傾向率：①天氣標(biāo)準(zhǔn)為下游＞中游，根據(jù)蒙特卡羅模擬方法規(guī)定，中游增多趨勢不顯著，下游增多趨勢較顯著；②平均標(biāo)準(zhǔn)為中游＞下游，中、下游增強(qiáng)趨勢均很顯著。由此可知，在全球氣候變暖的大背景下，石羊河流域中、下游年高溫事件強(qiáng)度在增強(qiáng)，日數(shù)在增多，日數(shù)增多趨勢比強(qiáng)度增強(qiáng)趨勢更明顯。

圖2 石羊河流域中、下游年高溫事件變化

表2 石羊河流域中、下游年高溫事件氣候傾向率、趨勢系數(shù)及均值

石羊河流域中、下游兩種標(biāo)準(zhǔn)高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)的年均值為下游＞中游（表2）。這主要由于下游被巴丹吉林沙漠和騰格里沙漠包圍，干旱少雨，蒸發(fā)和輻射強(qiáng)烈，沙漠氣候明顯，白天升溫較中游綠洲平原區(qū)快，這可能是引起高溫事件下游較中游強(qiáng)度強(qiáng)、日數(shù)多的原因。高溫事件強(qiáng)度：天氣標(biāo)準(zhǔn)中、下游最強(qiáng)分別為37.6℃（2009年）、37.3℃（1967年），次強(qiáng)分別為37.5℃（1997年）、36.8℃（1999年）；平均標(biāo)準(zhǔn)中、下游最強(qiáng)分別為26.7℃（2000年）、27.4℃（2010年），次強(qiáng)分別為26.4℃（2015年）、27.2℃（2015年）。高溫事件日數(shù)：天氣標(biāo)準(zhǔn)中、下游最多分別為8 d（2010年）、16 d（2010年、2011年），次多分別為 6 d（2008年）、13 d（2014年）；平均標(biāo)準(zhǔn)中、下游最多分別為 36 d（2011年）、43 d（2011年），次多分別為34 d（2010年、2013年）、37 d（2010年）。

3.3 高溫事件年極值變化

石羊河流域中、下游高溫事件極值總體上呈增強(qiáng)趨勢（圖3），且變化步調(diào)基本一致，天氣標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度中、下游氣候傾向率分別為 0.211、0.162 ℃·（10 a）-1，平均標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度中、下游氣候傾向率分別為0.294、0.280 ℃·（10 a）-1。20世紀(jì) 60—90年代前期，中、下游高溫強(qiáng)度相對較弱，變化幅度不大，其中，天氣標(biāo)準(zhǔn)較強(qiáng)的年份有 1960、1967、1972、1978、1988 年；平均標(biāo)準(zhǔn)較強(qiáng)的年份有 1960、1967、1981、1982、1988年。1993年出現(xiàn)了明顯的低點(diǎn)，1993年后呈增強(qiáng)趨勢，90年代中期—21世紀(jì)前16 a高溫強(qiáng)度總體較強(qiáng)，但變化幅度較大，其中，天氣標(biāo)準(zhǔn)較強(qiáng)的年份有1997、1999、2000、2001、2009、2010 年，歷年最強(qiáng)中游40.8℃（1997年7月22日），下游41.7℃（2010年7月30日）；平均標(biāo)準(zhǔn)較強(qiáng)的年份有1997、1999、2000、2001、2002、2013、2014、2015 年，歷年最強(qiáng)中游30.8℃（2010年7月28日），下游32.7℃（2010年7月30日）。

3.4 高溫事件月變化

由表3可知，石羊河流域中、下游高溫事件出現(xiàn)在5—9月，中、下游兩種標(biāo)準(zhǔn)高溫事件強(qiáng)度最強(qiáng)、日數(shù)最多均在7月，依次向兩端遞減。中游天氣標(biāo)準(zhǔn)高溫事件只出現(xiàn)在6—8月，5月和9月未出現(xiàn)，平均標(biāo)準(zhǔn)高溫事件出現(xiàn)在5—8月，9月未出現(xiàn)；下游兩種標(biāo)準(zhǔn)高溫事件5—9月均有出現(xiàn)。同時(shí)可看出，兩種標(biāo)準(zhǔn)高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)均為下游＞中游，特別是高溫事件日數(shù)下游遠(yuǎn)多于中游。說明悶熱天氣持續(xù)時(shí)間下游比中游更長。

3.5 高溫事件的周期性和突變特征

石羊河流域中、下游天氣標(biāo)準(zhǔn)的高溫事件年強(qiáng)度和日數(shù)跳躍幅度較大，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的周期性變化；平均標(biāo)準(zhǔn)高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)的變化步調(diào)相對一致，方差分析周期發(fā)現(xiàn)，中、下游強(qiáng)度和日數(shù)時(shí)間序列均有5～7 a的準(zhǔn)周期，經(jīng)F檢驗(yàn)，均通過了α=0.05的顯著性水平檢驗(yàn)。累計(jì)距平和信噪比法對高溫事件突變分析發(fā)現(xiàn)，中、下游天氣標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度和日數(shù)以及平均標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度均沒有發(fā)生氣候突變，只出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折年份，平均標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)發(fā)生了氣候突變，突變時(shí)間中游在1997年、下游在1996年。

圖3 石羊河流域中、下游年高溫事件極值變化

表3 石羊河流域中、下游月高溫事件

3.6 高溫事件的異常特征

由表4可知，石羊河流域中、下游年高溫事件強(qiáng)度、日數(shù)正常年份最多，依次向兩端迅速遞減。天氣標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度：中、下游正常年份概率分別為73.2%、71.4%，異常年份概率分別為26.8%、28.6%，其中，特弱分別為3.6%、5.4%，偏弱均為8.9%，偏強(qiáng)分別為10.7%、12.5%，特強(qiáng)分別為3.6%、1.8%；平均標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度：中、下游正常年份概率均為67.9%，異常年份概率均為32.1%，其中，特弱均為1.8%，偏弱分別為12.5%、14.3%，偏強(qiáng)均為12.5%，特強(qiáng)分別為5.4%、3.6%；天氣標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)：中、下游正常年份概率均為58.9%，異常年份概率均為41.1%，其中，特弱均為0.0%，偏弱分別為19.6%、25.0%，偏強(qiáng)分別為16.1%、12.5%，特強(qiáng)分別為5.4%、3.6%；平均標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)：中、下游正常年份概率分別為67.9%、71.4%，異常年份概率分別為32.1%、28.6%，其中，特弱均為0.0%，偏弱分別為12.5%、14.3%，偏強(qiáng)分別為14.3%、10.7%，特強(qiáng)分別為5.4%、3.6%。由以上分析可知，石羊河流域正常高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)的年份概率在58.9%～73.2%，強(qiáng)度偏強(qiáng)和特強(qiáng)年份的概率在14.3%～16.9%，日數(shù)偏多和特多年份的概率在14.3%～21.5%，出現(xiàn)概率雖小，但仍會對公眾健康、生命財(cái)產(chǎn)以及工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)造成一定的危害。

4 結(jié)論與討論

（1）石羊河流域中、下游年代、年高溫事件強(qiáng)度總體呈增強(qiáng)趨勢、日數(shù)呈顯著增多趨勢，2010—2015年高溫事件強(qiáng)度增強(qiáng)和日數(shù)增多趨勢明顯，高溫事件日數(shù)增多趨勢比強(qiáng)度增強(qiáng)趨勢更明顯，中、下游高溫事件極值總體上也呈增強(qiáng)趨勢，這與全球氣候變暖的大背景相一致。

（2）高溫事件出現(xiàn)在5—9月，高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)的高峰值均在7月，依次向兩端遞減，高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)均為下游＞中游，說明悶熱天氣的持續(xù)時(shí)間下游比中游更長。

（3）中、下游天氣標(biāo)準(zhǔn)高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)均沒有明顯的周期性，平均標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度和日數(shù)均存在5～7 a的準(zhǔn)周期變化。高溫事件中、下游天氣標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度和日數(shù)以及平均標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度沒有發(fā)生氣候突變，平均標(biāo)準(zhǔn)日數(shù)發(fā)生了氣候突變，中游在1997年、下游在1996年。

表4 石羊河流域中、下游高溫事件各強(qiáng)度出現(xiàn)年數(shù)及概率 a（%）

（4）年高溫事件存在一定的異常性，正常高溫事件強(qiáng)度和日數(shù)的年份概率在58.9%～73.2%，強(qiáng)度偏強(qiáng)和特強(qiáng)年份的概率在14.3%～16.9%，日數(shù)偏多和特多年份的概率在14.3%～21.4%，雖然出現(xiàn)概率較小，但仍會對公眾健康、生命財(cái)產(chǎn)以及工農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)造成一定的危害。

由于日最高氣溫表示的是某日某些瞬時(shí)氣溫的絕對極端狀況，而日平均氣溫表示的是某日氣溫的總體狀況。從石羊河流域已有的研究看，只對天氣標(biāo)準(zhǔn)的高溫事件進(jìn)行了分析[12-13，26]，為了更全面的認(rèn)識和了解當(dāng)?shù)馗邷厥录P者對天氣標(biāo)準(zhǔn)和天氣標(biāo)準(zhǔn)高溫事件進(jìn)行了研究，探討了高溫事件的變化規(guī)律，為高溫事件預(yù)報(bào)預(yù)警提供了技術(shù)支持，同時(shí)將為地方政府提供準(zhǔn)確的決策依據(jù)，對區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣候變化研究有重要意義。高溫事件的形成機(jī)制和引起高溫事件變化原因極其復(fù)雜，本研究對高溫事件的形成機(jī)理和變化成因涉及較少，有待于進(jìn)一步深入探究。