段 瑩，龍 俐，胡欣欣

(1.貴州省生態(tài)氣象和衛(wèi)星遙感中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽(yáng) 550002；3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽(yáng) 550002)

0 引言

近年來(lái)，在全球氣候變暖的背景下，極端天氣氣候事件發(fā)生頻繁，引發(fā)的氣象災(zāi)害對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)生活造成了嚴(yán)重的影響。貴州地處云貴高原東部斜坡過(guò)渡帶，是典型的喀斯特山區(qū)，氣候類型屬中國(guó)亞熱帶高原季風(fēng)濕潤(rùn)氣候，山地氣候垂直分帶明顯。高溫主要出現(xiàn)在夏季，而夏季是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)鍵時(shí)期，研究發(fā)現(xiàn)貴州省內(nèi)每年均出現(xiàn)不同程度的夏旱[1]，如再遇高溫災(zāi)害，生產(chǎn)生活和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將會(huì)受到嚴(yán)重影響，防災(zāi)減災(zāi)已成為政府和氣象部門的重要工作。貴州省南部邊緣、東部及北部局地夏季高溫危害大、頻率高，災(zāi)害評(píng)估已經(jīng)成為決策氣象服務(wù)的重要內(nèi)容，更好的了解貴州省高溫區(qū)域的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)律，能夠?yàn)榉罏?zāi)減災(zāi)提供服務(wù)依據(jù)。目前高溫氣象災(zāi)害問(wèn)題已成為研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已有不少關(guān)于高溫的時(shí)空分布規(guī)律及其他方面的相關(guān)研究[2-10]，省內(nèi)對(duì)高溫氣象災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)分析研究還相對(duì)較少，張波等[11]研究了近50 a貴州省高溫日數(shù)的時(shí)空特征及變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)1961—2010年，貴州省極端高溫日數(shù)整體上呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，對(duì)生產(chǎn)生活的影響日益明顯，但其資料年限只到2010年，有必要對(duì)近10 a的變化情況進(jìn)行分析，且該文章僅對(duì)高溫特征進(jìn)行分析，沒(méi)有涉及高溫風(fēng)險(xiǎn)分析。

高溫天氣事件本身是一種不確定性強(qiáng)、多因素影響的天氣事件，屬于不連續(xù)性的小樣本數(shù)據(jù)，無(wú)法利用傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得出穩(wěn)定結(jié)果。隨著基于信息擴(kuò)散理論的模糊數(shù)學(xué)處理方法[12]的提出，優(yōu)化利用樣本模糊信息的集值化的模糊數(shù)學(xué)處理方法，可以彌補(bǔ)高溫樣本信息不足。目前，國(guó)內(nèi)已有很多學(xué)者將信息擴(kuò)散理論運(yùn)用到災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，并取得了較好的效果[13-20]，如吉莉等[20]基于信息擴(kuò)散理論對(duì)重慶地區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，揭示了重慶高溫風(fēng)險(xiǎn)的統(tǒng)計(jì)特征和高溫風(fēng)險(xiǎn)分布變化規(guī)律。本研究將基于信息擴(kuò)散理論描述貴州省高溫分布特征，對(duì)高溫災(zāi)害危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，以期為貴州防災(zāi)減災(zāi)以及高溫氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域劃分提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料及指標(biāo)

采用貴州省1961—2019年國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站逐日最高氣溫資料進(jìn)行分析。

高溫：日最高氣溫大于或等于某一限定值的現(xiàn)象[2]，本研究限定值為35.0 ℃。其中35.0～36.9 ℃為一般高溫，37.0～39.9 ℃為炎熱，≥40.0 ℃為酷熱。

連續(xù)高溫：連續(xù)多日(≥2)日最高氣溫大于或等于35.0 ℃的現(xiàn)象[3]。

連續(xù)高溫日數(shù)：連續(xù)高溫持續(xù)出現(xiàn)的天數(shù)。

1.2 分區(qū)

根據(jù)高溫的定義，將貴州省高溫易發(fā)區(qū)分為北部、東北部、東南部、南部4個(gè)區(qū)域，并在其中選擇近60 a單站高溫站次達(dá)到50次以上的38個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站作為分析對(duì)象(圖1)，各區(qū)代表測(cè)站分別是赤水、沿河、榕江、羅甸。

圖1 貴州省主要評(píng)估區(qū)域分區(qū)圖Fig.1 Guizhou province main assessment area partition map

1.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

按照公式(1)～(6)，首先設(shè)定高溫指標(biāo)域：U={u1,u2,…un}，將每個(gè)觀測(cè)樣本擴(kuò)散到域中的所有點(diǎn)，對(duì)擴(kuò)散后的樣本進(jìn)行歸一化處理后得到隸屬函數(shù)的模糊子集，再進(jìn)行概率的計(jì)算，超越概率值即為風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(1)中h為擴(kuò)散系數(shù)，a、b分別為樣本的最小值和最大值，m為樣本數(shù)；(2)式中yj為單值樣本原值，ui為域值，F(xiàn)j(ui)為模糊子集，該公式可將單值樣本yj所攜帶的信息擴(kuò)散到域U中的所有點(diǎn)；(3)式中δyj(ui)表示了樣本yj的歸一化信息分布；(4)式中q(ui)為落在ui處的樣本個(gè)數(shù)，表示將yj均看做是樣本代表時(shí)，觀測(cè)值為ui的樣本個(gè)數(shù)為q(ui)個(gè)；(5)式中Q為ui點(diǎn)上樣本數(shù)的總和，P(ui)為落在ui處的概率估算值；(6)式中P(u≥ui)為風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)值。

2 高溫區(qū)域特征分析

2.1 日最高氣溫

主要評(píng)估區(qū)域高溫初日除南部無(wú)冬區(qū)的冊(cè)亨和羅甸最早出現(xiàn)在2月外，其余大部分地區(qū)出現(xiàn)3—5月；終日除北部集中在8月外，其余大部分地區(qū)出現(xiàn)9—10月。整個(gè)評(píng)估區(qū)域高溫集中時(shí)段為4—9月(圖2)。

圖2 貴州省主要評(píng)估區(qū)域高溫(≥35.0 ℃)初終日年變化圖(1961—2019年)Fig.2 Guizhou province main assessment area the beginning and ending date of high temperature (35.0 ℃ or higher)annual variation map(1961—2019)

貴州省主要評(píng)估區(qū)域4—9月多年平均日最高氣溫變化趨勢(shì)如圖3所示，其中每個(gè)年代(10 a)的值用不同顏色展示(圖5同)，從20世紀(jì)60年代以來(lái)，整個(gè)區(qū)域總體呈較弱的上升趨勢(shì)；年際變化上看，60和70年代出現(xiàn)下降趨勢(shì)，80年代開(kāi)始呈現(xiàn)持續(xù)上升趨勢(shì)。

圖3 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月平均最高氣溫年變化圖(1961—2019年)Fig.3 Guizhou province main high temperature area average maximum temperature in April to September annual variation map(1961—2019)

平均最高氣溫標(biāo)準(zhǔn)值(1981—2010年)分布(圖4)表現(xiàn)為：最高氣溫除望謨、羅甸在30.0 ℃以上，桐梓、綏陽(yáng)在26.0 ℃以下，其余大部在26.0～29.9 ℃。從不同分區(qū)情況來(lái)看，北區(qū)平均最高氣溫為4個(gè)區(qū)域中最低，大部在26～28 ℃；東北、東南區(qū)大部在26～30 ℃；南區(qū)則基本在28 ℃以上。

圖4 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月平均最高氣溫(1981—2010年)分布圖Fig.4 Guizhou province main high temperature area average maximum temperature in April to September partition map(1981—2010)

2.2 高溫日數(shù)

貴州省主要評(píng)估區(qū)域高溫日數(shù)平均約為10.7 d，年際變化階段性特征顯著，除20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)00年代呈現(xiàn)上升趨勢(shì)外，其余年代呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但總體呈上升趨勢(shì)(圖5)。從4—9月情況看，主要集中在7、8月，約占時(shí)段高溫日數(shù)的75%，尤以8月為最多(圖6)。

圖5 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月年平均高溫日數(shù)變化圖(1961—2019年)Fig.5 Guizhou province main high temperature area annual mean high temperature days in April to September variation map(1961—2019)

圖6 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月平均高溫日數(shù)月變化圖Fig.6 Guizhou province main high temperature area average high temperature days in April to September monthly variation map

從空間分布整體分布情況分析(圖7)，多年平均高溫日數(shù)沿河、赤水、碧江區(qū)、榕江、羅甸等地在20 d以上外，其余地區(qū)高溫日數(shù)為1～19 d。各分區(qū)平均高溫日數(shù)分布特征表現(xiàn)為：北區(qū)除赤水外，其余地區(qū)高溫日數(shù)均在10 d以下；東北區(qū)域平均高溫日數(shù)最多，大部區(qū)域在15 d左右，沿河超過(guò)25 d；東南區(qū)內(nèi)南北差異明顯，北部以10 d以下為主，南部則超過(guò)20 d；南區(qū)除羅甸平均高溫日數(shù)在20 d以上外，其余大部在1～15 d范圍。

圖7 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月多年平均高溫日數(shù)(1981—2010年)分布圖Fig.7 Guizhou province main high temperature area multi-year average high temperature days in April to September partition map(1981—2010)

2.3 極端高溫

主要評(píng)估區(qū)域中赤水、沿河極端最高氣溫達(dá)42.0 ℃以上，東北部大部和南部大部在40.0～42.0 ℃之間，桐梓、綏陽(yáng)、湄潭、凱里、黎平、平塘等地在38.0 ℃以下，其余地區(qū)在38.0～40.0 ℃之間(圖8)。其中，北區(qū)除赤水外，其余大部在38 ℃左右；東北區(qū)極端高溫整體較高，大部地區(qū)在40 ℃以上；東南區(qū)整體在38～40 ℃之間；南區(qū)極端最高氣溫分布表現(xiàn)為西高東低形勢(shì)，東部在40 ℃以下，西部則大于40 ℃。1961年以來(lái)區(qū)域極端最高氣溫為43.2 ℃(2011年8月18日，赤水)。

圖8 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月極端高溫分布圖Fig.8 Guizhou province main high temperature area extreme high-temperature in April to September partition map

從極端高溫氣候傾向率的變化來(lái)看(圖9)，除仁懷為-0.3 ℃/10 a，銅仁、思南略偏為負(fù)外，其余地區(qū)極端高溫呈維持—升高態(tài)勢(shì)，冊(cè)亨高達(dá)0.6 ℃/10 a。北區(qū)極端高溫變率整體最低，東北區(qū)、東南區(qū)變率在0.1～0.4 ℃/10 a，南區(qū)除冊(cè)亨升高趨勢(shì)較高外，區(qū)域地區(qū)在0.2 ℃/10 a左右。

圖9 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月極端高溫變化趨勢(shì)分布圖(℃/10 a)Fig.9 Guizhou province main high temperature area extreme high-temperature variation tendency in April to September partition map(℃/1 0 years)

3 高溫風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 高溫

選取38個(gè)站點(diǎn)1961—2019年4—9月的逐日最高氣溫作為樣本，從5.0～44.0 ℃之間每間隔1.0 ℃作為一個(gè)控制點(diǎn)，共40個(gè)控制點(diǎn)，根據(jù)信息擴(kuò)展理論方法，得到高溫度數(shù)的概率。選取赤水、沿河、榕江及羅甸分別作為北區(qū)、東北區(qū)、東南區(qū)及南區(qū)的代表站。利用4個(gè)區(qū)域的代表站概率繪制得到曲線圖，如圖10，代表站35.0 ℃以上的概率曲線均為單弧線型，根據(jù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，35.0 ℃≤T<37.0 ℃時(shí)風(fēng)險(xiǎn)概率值最大的是榕江，37.0 ℃≤T<40.0 ℃時(shí)風(fēng)險(xiǎn)概率值最大的是沿河，T≥40.0 ℃時(shí)風(fēng)險(xiǎn)概率值最大的是赤水。

圖10 各區(qū)代表站4—9月高溫度數(shù)概率曲線圖Fig.10 Districts represent station high temperature degree probability graph

根據(jù)自然斷點(diǎn)法繪制研究區(qū)域概率進(jìn)行不同分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下的概率分布圖(圖11)。結(jié)果表明，一般高溫的風(fēng)險(xiǎn)值高值區(qū)主要分布在赤水河谷地帶、東北部大部、東南部的西南部和南部的羅甸等地；炎熱的風(fēng)險(xiǎn)值高值區(qū)主要分布在沿河、赤水、銅仁；酷熱的風(fēng)險(xiǎn)值高值區(qū)主要分布在赤水、沿河。各分區(qū)的情況上看，北區(qū)除赤水外，3個(gè)等級(jí)高溫風(fēng)險(xiǎn)均在低風(fēng)險(xiǎn)—次低風(fēng)險(xiǎn)，高溫風(fēng)險(xiǎn)整體最低，赤水高溫風(fēng)險(xiǎn)在次高—高，尤以酷熱風(fēng)險(xiǎn)最高；東北區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)整體在次高—高，在4個(gè)區(qū)域中風(fēng)險(xiǎn)最高；東南區(qū)內(nèi)一般高溫及炎熱風(fēng)險(xiǎn)南北差異明顯，南部風(fēng)險(xiǎn)高；南區(qū)羅甸一般高溫風(fēng)險(xiǎn)高，其他站點(diǎn)整體為中低風(fēng)險(xiǎn)。

圖11 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月高溫風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布圖Fig.11 Guizhou province main high temperature area high temperature risk degree in April to September partition map

3.2 高溫日數(shù)

選取38個(gè)站點(diǎn)1961—2019年最長(zhǎng)連續(xù)高溫日數(shù)作為樣本，從0～31 d之間每間隔1 d作為一個(gè)控制點(diǎn)，共32個(gè)控制點(diǎn)，根據(jù)信息擴(kuò)展理論方法，得到最長(zhǎng)高溫日數(shù)的概率。利用4個(gè)區(qū)域的代表站概率繪制得到曲線圖，如圖12，各代表站的概率曲線出現(xiàn)多峰型，但幅度變化差異較大。羅甸連續(xù)高溫日數(shù)概率3 d達(dá)到峰值(0.208 3)，榕江連續(xù)高溫日數(shù)概率5 d達(dá)到峰值(0.132 2)，兩站連續(xù)高溫日數(shù)達(dá)15 d 以上的情況幾率很小；其余2個(gè)代表站連續(xù)高溫日數(shù)7 d左右達(dá)到峰值(赤水0.162 1，沿河0.096)。

圖12 各區(qū)代表站連續(xù)高溫日數(shù)概率曲線圖Fig.12 Districts represent station continuous high temperature days probability graph

對(duì)研究區(qū)域連續(xù)高溫日數(shù)≤5 d、6～10 d、11～15 d、16 d以上的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)自然斷點(diǎn)法繪制分布圖(圖13)。結(jié)果表明，區(qū)域內(nèi)大部分地區(qū)連續(xù)高溫日數(shù)出現(xiàn)5 d以下的概率較大，除沿河外，連續(xù)高溫日數(shù)達(dá)16 d以上高風(fēng)險(xiǎn)值的幾率很小。從4個(gè)分區(qū)情況來(lái)看，北區(qū)除赤水外，為連續(xù)5 d以下高溫的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，赤水連續(xù)高溫6～15 d風(fēng)險(xiǎn)較高；東北區(qū)連續(xù)高溫1～15 d的風(fēng)險(xiǎn)隨連續(xù)日數(shù)的增大而增大，其中沿河為連續(xù)10 d以上高溫的高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；東南區(qū)南北差異明顯，5 d以下連續(xù)高溫風(fēng)險(xiǎn)北高南低，6～15 d連續(xù)高溫風(fēng)險(xiǎn)則表現(xiàn)為南部次高風(fēng)險(xiǎn)，北部低風(fēng)險(xiǎn)；南區(qū)連續(xù)高溫風(fēng)險(xiǎn)除羅甸為6～10 d中等風(fēng)險(xiǎn)外，其余區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)集中在5 d以下。

圖13 貴州省主要高溫區(qū)域4—9月高溫日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分布圖Fig.13 Guizhou province main high temperature area high temperature days risk degree in April to September partition map

4 小結(jié)

①通過(guò)高溫初終日的分析，貴州省主要高溫區(qū)域的高溫主要出現(xiàn)在4—9月。

②平均日最高氣溫總體呈上升趨勢(shì)，年際變化出現(xiàn)先降(20世紀(jì)60和70年代)后升(80年代至今)的階段性變化；平均年高溫日數(shù)為10.7 d，主要集中在7、8月(占75%)，以8月為最多；沿河、赤水、碧江區(qū)、榕江、羅甸等地在20 d以上，其余地區(qū)高溫日數(shù)為1～19 d，除20世紀(jì)80年代和21世紀(jì)00年代呈現(xiàn)上升趨勢(shì)外，其余年代呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但整體呈上升趨勢(shì)；極端高溫赤水(43.2 ℃)、沿河高達(dá)42.0 ℃以上，大部分地區(qū)在38.0～42.0 ℃之間，大部分地區(qū)極端高溫變化呈維持—升高，其中冊(cè)亨高達(dá)0.6 ℃/10 a。從不同分區(qū)情況來(lái)看，北區(qū)平均最高氣溫為4個(gè)區(qū)域中最低，東北、東南區(qū)次之，南區(qū)為最高；平均高溫日數(shù)分布特征表現(xiàn)為北區(qū)除赤水外整體高溫日數(shù)最少，東北區(qū)域平均高溫日數(shù)最多，東南區(qū)內(nèi)南多北少差異明顯，南區(qū)羅甸高溫日數(shù)較多；東北區(qū)極端高溫整體較高，南區(qū)表現(xiàn)為西高東低形勢(shì)。

③ 4個(gè)代表站的高溫度數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線均為單弧線型，一般高溫時(shí)風(fēng)險(xiǎn)概率值最大的是榕江，炎熱時(shí)風(fēng)險(xiǎn)概率值最大的是沿河，酷熱時(shí)風(fēng)險(xiǎn)概率值最大的是赤水。一般高溫的風(fēng)險(xiǎn)值高值區(qū)主要分布在赤水河谷地帶、東北部大部、東南部的西南部和南部的羅甸等地；炎熱的風(fēng)險(xiǎn)值高值區(qū)主要分布在沿河、赤水、銅仁；酷熱的風(fēng)險(xiǎn)值高值區(qū)主要分布在赤水、沿河。4個(gè)代表站的最長(zhǎng)連續(xù)高溫日數(shù)風(fēng)險(xiǎn)概率曲線為多峰型，羅甸3 d達(dá)到峰值，榕江5 d達(dá)到峰值；赤水、沿河7 d達(dá)到峰值。大部分地區(qū)連續(xù)高溫日數(shù)出現(xiàn)5 d以下的概率較大，除沿河外，連續(xù)高溫日數(shù)達(dá)16 d以上高風(fēng)險(xiǎn)值的情況幾率很小。

④ 4個(gè)分區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)情況上看，北區(qū)除赤水外，高溫風(fēng)險(xiǎn)整體最低，且連續(xù)高溫日數(shù)短；東北區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)在4個(gè)區(qū)域中風(fēng)險(xiǎn)最高，連續(xù)高溫風(fēng)險(xiǎn)隨連續(xù)日數(shù)的增大而增大；東南區(qū)高溫風(fēng)險(xiǎn)呈南高北低態(tài)勢(shì)；南區(qū)除羅甸高溫風(fēng)險(xiǎn)較高外，其他站點(diǎn)整體為中低風(fēng)險(xiǎn)。

綜上所述，通過(guò)對(duì)研究區(qū)域的高溫分布特征分析以及采用信息擴(kuò)散理論對(duì)高溫危險(xiǎn)性進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，能夠總結(jié)出區(qū)域高溫的一些變化規(guī)律，對(duì)高溫監(jiān)測(cè)指標(biāo)的制定和氣候服務(wù)工作起到一定的指導(dǎo)性作用。