周 濤

(上海市金山區(qū)氣象局,上海201508)

隨著氣候變化和人類活動(dòng)的影響,極端天氣氣候事件頻繁發(fā)生,其中尤以夏季高溫引人注目,高溫對(duì)人類生產(chǎn)、生活和健康造成了極大影響,2003 年的高溫?zé)崂讼砣?歐洲多地引發(fā)關(guān)聯(lián)死亡事件[1],2013 年我國(guó)東中部出現(xiàn)大范圍持續(xù)高溫,多地極端高溫突破歷史極值[2]。 聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)第五次評(píng)估報(bào)告指出,人類活動(dòng)造成的全球變暖導(dǎo)致過(guò)去130 年全球升溫0.85 ℃[3]。 國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高溫?zé)崂说难芯恳殉掷m(xù)幾十年,研究一致表明,全球大部分地區(qū)高溫?zé)崂说陌l(fā)生頻次、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間都呈上升趨勢(shì)[4-8];葉殿秀等[9]對(duì)中國(guó)近50 年的高溫?zé)崂藭r(shí)空變化特征進(jìn)行了分析,結(jié)果表明,中國(guó)高溫?zé)崂朔秶诓粩鄶U(kuò)大;談建國(guó)等[10]對(duì)中國(guó)主要省會(huì)的高溫?zé)崂诉M(jìn)行了分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)江流域?yàn)楦邷責(zé)崂说念l發(fā)區(qū),但地區(qū)間的高溫呈現(xiàn)出不同的季節(jié)內(nèi)分布特征。

上海位于長(zhǎng)江下游末端,屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候,20 世紀(jì)90 年代以來(lái),伴隨經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展,人口數(shù)量急劇上升,截至2017 年,上海常住總?cè)丝谝堰_(dá)2 424 萬(wàn)(較2000 年增長(zhǎng)超50%)[11],與此同時(shí),上海夏季高溫也出現(xiàn)了加劇趨勢(shì)[12]。 然而,上海各區(qū)之間城市化進(jìn)程和人口密度差異較大,其中外環(huán)內(nèi)區(qū)域(市中心及市北地區(qū))經(jīng)貿(mào)發(fā)達(dá)、高樓林立、人口密集,城市熱島效應(yīng)明顯,而周邊郊區(qū)(奉賢、金山、崇明等地)情況則相反。 近年來(lái),上海各區(qū)之間夏季高溫日數(shù)以及高溫極端程度的差異也趨于加大[13],侯依玲等[14]分析了上海熱島效應(yīng)的年代際演變,發(fā)現(xiàn)年平均熱島中心有向南轉(zhuǎn)移的趨勢(shì);姜榮等[15]利用極端高溫指數(shù)分析上海城市高溫?zé)崂说臅r(shí)空變化特征,得到了市區(qū)極端高溫現(xiàn)象明顯、而南北遠(yuǎn)郊(金山、奉賢、崇明)不明顯的結(jié)論。 目前,針對(duì)上海的高溫研究主要集中在高溫的氣候特征、環(huán)流背景[16]以及各區(qū)域間高溫時(shí)空特征的定性分析[17],對(duì)于城郊間高溫特征的差異分析及其相互關(guān)系的研究較少且不太深入。 本研究從上海市區(qū)、近郊和遠(yuǎn)郊三個(gè)不同發(fā)展區(qū)域入手,研究上海近40 年(1981—2018 年)高溫的時(shí)空發(fā)展規(guī)律及相互間變化關(guān)系,為上海市郊間的夏季高溫判斷與預(yù)估提供技術(shù)依據(jù),也為上海土地規(guī)劃、城市發(fā)展、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等提供技術(shù)參考。

1 資料來(lái)源與方法

1.1 資料來(lái)源

選取上海市11 個(gè)國(guó)家一般氣象站近40 年(1981—2018 年,下同)逐日氣溫歷史資料,包括日平均氣溫、日最高氣溫(來(lái)源于上海市氣象檔案館)。 其中,徐家匯站位于市區(qū),20 世紀(jì)90 年代開(kāi)始,包括徐匯、浦東在內(nèi)的中心城區(qū)城市發(fā)展進(jìn)入快車道,可代表中心城區(qū);松江站位于城郊結(jié)合部,2002 年以后,城市拓展逐漸向五軸兩面擴(kuò)展(閔行、松江、嘉定、青浦等)延伸[18],上述區(qū)域城市用地迅速拓展,城市熱島效應(yīng)趨于明顯[19],可代表近郊;金山站位于上海最南端,與最北端的崇明類似,常住人口和城市用地發(fā)展相對(duì)較慢,可代表遠(yuǎn)郊。

1.2 統(tǒng)計(jì)方法

中國(guó)氣象局將高溫定義為日最高氣溫≥35 ℃,將日最高氣溫≥35 ℃的天數(shù)定義為高溫日數(shù)[20]。 本研究用Excel、Fortran 和Grads 軟件對(duì)高溫日數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和繪圖,用氣候傾向分析法[21]分析高溫日數(shù)的氣候變化趨勢(shì),用Mann-Kendall 檢驗(yàn)法[22](簡(jiǎn)稱M-K)對(duì)上海不同區(qū)域高溫日數(shù)的躍變進(jìn)行突變檢驗(yàn),用Morlet 小波分析法[23]對(duì)不同區(qū)域內(nèi)高溫日數(shù)的波動(dòng)進(jìn)行周期分析,用ArcGIS 插值法[24]分析高溫日數(shù)的空間分布。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫時(shí)間變化特征

2.1.1 年際變化

近40 年,上海地區(qū)年高溫日數(shù)分布為:市區(qū)最多,近郊次之,遠(yuǎn)郊最少。 市區(qū)共659 個(gè)高溫日,年平均高溫日17.3 d,最早出現(xiàn)在5 月9 日(1981 年的35.0 ℃),最晚出現(xiàn)在9 月21 日(2010 年的35.3 ℃);近郊共477 個(gè)高溫日,年平均高溫日12.6 d,最早出現(xiàn)在5 月9 日(1981 年的35.1 ℃),最晚出現(xiàn)在9 月21日(2005 年的35.5 ℃);遠(yuǎn)郊共260 個(gè)高溫日,年平均高溫日6. 8 d,最早出現(xiàn)在5 月17 日(2018 年35.5 ℃),最晚出現(xiàn)在9 月7 日(1995 年的36.4 ℃)。 對(duì)上海各區(qū)域的高溫日數(shù)進(jìn)行線性擬合,求其線性傾向率,并用F檢驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果表明,市區(qū)、近郊和遠(yuǎn)郊的年高溫日數(shù)線性傾向率均為正值,且通過(guò)了α=0.05 的顯著性檢驗(yàn),其中市區(qū)和近郊高溫日數(shù)的年際變化較大,且上升速度快,線性傾向率每10 年為6.5 d;遠(yuǎn)郊高溫日數(shù)的年際變化較小,上升速度平緩,線性傾向率每10 年僅2.3 d。 2000 年之前,市區(qū)年高溫日數(shù)多于近郊和遠(yuǎn)郊,而近郊和遠(yuǎn)郊間高溫日數(shù)相當(dāng);2000 年之后,市區(qū)高溫日數(shù)雖仍多于郊區(qū),但近郊高溫日數(shù)增速明顯加快(快于市區(qū)和遠(yuǎn)郊),甚至出現(xiàn)部分年份(2004 年、2009 年)近郊年高溫日數(shù)多于市區(qū)的情況;而市區(qū)和遠(yuǎn)郊之間的年高溫日數(shù)的差異始終比較明顯(圖1)。

2.1.2 月變化

上海高溫日數(shù)逐月分布規(guī)律由多到少依次為7 月(占50%)、8 月(占30%)、6 月、9 月和5 月(僅1%),上海地區(qū)各月高溫日數(shù)均呈現(xiàn)從市區(qū)向遠(yuǎn)郊逐級(jí)遞減特征(圖2)。

2.1.3 旬變化

上海5 月上旬—9 月下旬均可能出現(xiàn)≥35 ℃的高溫天氣,從逐旬分布可見(jiàn),市區(qū)、近郊和遠(yuǎn)郊的高溫日數(shù)均呈現(xiàn)單峰形態(tài)走勢(shì),其中7 月上旬—8 月中旬為高溫的頻發(fā)期(超80%),此時(shí)對(duì)應(yīng)上海的盛夏時(shí)節(jié),第一峰值出現(xiàn)在7 月下旬,第二峰值出現(xiàn)在7 月中旬,此時(shí)正處于副熱帶高壓第三次北跳(華北雨季)時(shí)期。 從區(qū)域分布來(lái)看,上海地區(qū)各旬內(nèi)高溫日數(shù)同樣呈現(xiàn)從市區(qū)向遠(yuǎn)郊逐級(jí)遞減特征,其中7 月中旬至8 月中旬,市區(qū)與近郊間的高溫日數(shù)差異最大(近50%),而6 月下旬至8 月下旬,近郊與遠(yuǎn)郊間的高溫日數(shù)差異最大(超50%)。 從20 世紀(jì)90 年代中期開(kāi)始,市區(qū)和近郊在9 月中上旬出現(xiàn)高溫的概率明顯增大,且表現(xiàn)為連續(xù)高溫特征(例如1995 年、2003 年和2005 年),俗稱“秋老虎”,而遠(yuǎn)郊9 月卻鮮有出現(xiàn)(圖3)。

2.1.4 突變點(diǎn)

由圖4 UF 曲線可見(jiàn),上海地區(qū)年高溫日數(shù)總體呈現(xiàn)波動(dòng)上升趨勢(shì),其中市區(qū)(圖4a)UF 和UB 相交于1992 年,UF 于1994 年超過(guò)0.05 置信區(qū)間,2000 年之后UF 始終保持在顯著性水平0.05 臨界線以上,說(shuō)明1992 年以后市區(qū)高溫增加顯著。 近郊(圖4b)UF 和UB 相交于1999 年(較市區(qū)晚),2004 年UF 超過(guò)0.05 置信區(qū)間,近郊高溫日數(shù)的突變點(diǎn)在1999 年。 遠(yuǎn)郊(圖4c)UF 和UB 共有兩個(gè)交點(diǎn),分別為1987年和1999 年(未通過(guò)顯著性檢驗(yàn)),表明上海遠(yuǎn)郊高溫日數(shù)雖然呈增加趨勢(shì),但增加趨勢(shì)比較平緩,突變特征不顯著。

2.2 高溫空間變化特征

上海年平均高溫日數(shù)的空間分布呈現(xiàn)西北多東南少的特征,市區(qū)、近郊和遠(yuǎn)郊間的年平均高溫日為4.9—17.3 d,區(qū)域差異明顯,市區(qū)多于近郊,近郊多于遠(yuǎn)郊,同一經(jīng)度上高緯多于低緯(崇明除外),同一緯度上內(nèi)陸多于沿海,其中高值中心位于市區(qū),年均高溫日數(shù)達(dá)17.3 d,遠(yuǎn)郊的浦東惠南為低值區(qū),每年僅4.9 d(圖5a)。

上海連續(xù)最長(zhǎng)高溫日數(shù)的空間分布總體與年平均高溫日數(shù)的分布較為類似,高值中心也位于市區(qū)(19 d),但除浦東外,市區(qū)與近郊間在連續(xù)最長(zhǎng)高溫日數(shù)上的差異并不大,低值區(qū)同樣位于遠(yuǎn)郊的浦東惠南(10 d)(圖5b)。

上海極端最高溫度的閾值為39.9—41.2 ℃,其中值得注意的是,上海多年極端最高溫度的高值區(qū)并非位于市中心,而是上海西南近郊的松江(41.2 ℃),低值區(qū)則位于上海北部遠(yuǎn)郊的崇明(39.9 ℃)(圖5c)。

2.3 高溫日數(shù)的周期變化

圖6 的Morlet 小波分析結(jié)果顯示,上海年高溫日數(shù)都存在周期性,從整體來(lái)看,周期震蕩信號(hào)最強(qiáng)的是2004 年。 但不同區(qū)域的周期特征卻各不相同,由圖6a 顯示,1996 年以前,市區(qū)有10—18 a 的主周期,1996 年以后為7—15 a 的主周期,2012 年轉(zhuǎn)變?yōu)?—6 a 的次周期。 由圖6b 顯示,在2000 年之前,近郊有10—16 a 的主周期,2000 年之后該周期特征消失,2012 年轉(zhuǎn)變?yōu)?—6 a 的次周期。 由圖6c 顯示,遠(yuǎn)郊有9—15 a 的主周期,該周期在整個(gè)時(shí)段內(nèi)表現(xiàn)非常穩(wěn)定;從1995 年開(kāi)始,出現(xiàn)1—4 a 的次周期尺度,2012年轉(zhuǎn)變?yōu)?—6 a 的次周期。

由上述分析可見(jiàn),從2012 年開(kāi)始,市區(qū)、近郊和遠(yuǎn)郊3—6 a 的周期信號(hào)最強(qiáng),由此推算,2020 年、2023—2025 年以及2028—2030 年為涼夏期(高溫日數(shù)偏少),2021—2022 年和2026—2027 年轉(zhuǎn)為暖夏期(高溫日數(shù)偏多)。

2.4 高溫對(duì)農(nóng)作物的影響分析

2.4.1 水稻

水稻在孕穗期至揚(yáng)花期對(duì)高溫最敏感的時(shí)期,灌漿結(jié)實(shí)期為次敏感期。 孕穗期高溫導(dǎo)致每穗穎花數(shù)、實(shí)粒數(shù)的減少;抽穗揚(yáng)花期高溫影響花粉活力降低,花粉管開(kāi)裂受阻,花粉萌芽率降低,結(jié)實(shí)率明顯降低;灌漿期高溫加快灌漿速率,縮短灌漿持續(xù)期,造成秕谷粒增加,千粒重下降,產(chǎn)量和品質(zhì)明顯下降[25-27]。 上海地區(qū)早熟稻(國(guó)慶稻)成熟時(shí)間主要集中在9 月上中旬[28],孕穗期至揚(yáng)花期常年在7 月中旬至8 月上旬,期間遇到高溫的概率高。

2.4.2 蔬菜

高溫可導(dǎo)致小白菜的產(chǎn)量下降,隨高溫持續(xù)時(shí)間的增加,葉柄長(zhǎng)度、卷葉率逐漸增加,高溫使小白菜粗纖維含量升高[29]。 隨著高溫日數(shù)的增加,黃瓜的果徑、產(chǎn)量、含水率呈減少的趨勢(shì)[30]。 高溫也對(duì)黃瓜植株的生理指標(biāo)及代謝(光合和葉綠素?zé)晒鈪?shù),細(xì)胞生物膜和保護(hù)酶活性,游離脯氨酸、可溶性蛋白質(zhì)和糖含量等)產(chǎn)生影響[31]。

由此可見(jiàn),高溫對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量和生理等具有明顯影響,根據(jù)上海地區(qū)高溫日數(shù)的時(shí)間分布特征,高溫日數(shù)呈增加的態(tài)勢(shì),上海地區(qū)5—9 月份農(nóng)作物應(yīng)種植耐高溫的品種。 高溫日數(shù)的空間分布為近郊明顯多于遠(yuǎn)郊,在崇明、金山、浦東南部、奉賢南部等遠(yuǎn)郊遇到高溫日數(shù)相對(duì)較少,早熟稻和蔬菜等農(nóng)作物宜種植在遠(yuǎn)郊,近郊種植常規(guī)稻和耐高溫的作物。

3 結(jié)論與討論

3.1 上海高溫日數(shù)的時(shí)空分布特征明顯。 其中年際變化特征突出且呈上升趨勢(shì),市區(qū)高溫日數(shù)的增速最快,近郊其次,但21 世紀(jì)后近郊高溫日數(shù)有加速上升趨勢(shì),這可能是由于盛夏季節(jié),上海盛行西南風(fēng),近郊受上游熱源輸送影響,升溫明顯快于市區(qū)導(dǎo)致,遠(yuǎn)郊高溫日數(shù)增速最緩,而遠(yuǎn)郊相對(duì)獨(dú)特的下墊面特征(海灣),受季風(fēng)海洋性氣候影響明顯,而相對(duì)緩和的炎熱酷暑天氣對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為有利。

3.2 上海高溫日數(shù)具有明顯的季節(jié)性特征。 上海市高溫從5 月逐漸開(kāi)始出現(xiàn),7 月達(dá)到峰值,9 月開(kāi)始回落至高溫結(jié)束。 其中夏季(6 月下旬—8 月下旬)近遠(yuǎn)郊之間的高溫日數(shù)差異明顯,除城市熱島效應(yīng)外,還由于此時(shí)上海位于副高南側(cè)控制時(shí)(6 月、8 月),地面主導(dǎo)風(fēng)向多為東到東南風(fēng),或由于日變化因素(7月、8 月),東南遠(yuǎn)郊由于溫度梯度導(dǎo)致風(fēng)向逐漸轉(zhuǎn)為南到東南風(fēng),其東向風(fēng)的“降溫”作用使其白天升溫乏力,而市區(qū)、近郊位于內(nèi)陸,受郊區(qū)下墊面阻隔,降溫作用已明顯削弱。

3.3 上海高溫日數(shù)的周期特征明顯。 區(qū)域之間雖震蕩周期有所差異,長(zhǎng)周期變化幅度大,但2012 年開(kāi)始,3—6 a 的短周期變化規(guī)律表現(xiàn)最為明顯。

3.4 市區(qū)和近郊高溫日數(shù)在20 世紀(jì)90 年代先后出現(xiàn)一次突變,近郊突變年份晚于市區(qū),突變發(fā)生后,兩地氣溫上升趨勢(shì)更加明顯,但遠(yuǎn)郊卻未現(xiàn)突變,這反映了在全球變暖的大背景下,雖城市化進(jìn)程不斷加快,但遠(yuǎn)郊高溫日數(shù)仍未迎來(lái)爆發(fā)式增加。

3.5 上海高溫日數(shù)的空間分布呈現(xiàn)“市區(qū)多、郊區(qū)少”特征,這除了與城市發(fā)展、能源消耗、建筑面積、人口密度等因素有關(guān)外,還受下墊面特征、風(fēng)向風(fēng)速等條件影響。

3.6 上海地區(qū)5—9 月份農(nóng)作物應(yīng)種植耐高溫的品種,早熟稻和蔬菜等農(nóng)作物宜種植在崇明、金山、浦東南部、奉賢南部、松江南部等遠(yuǎn)郊,近郊種植常規(guī)稻和耐高溫的作物。