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        近58a福州市極端氣溫變化趨勢(shì)及重現(xiàn)期特征分析

        2021-09-01 09:40:13高曉丹陳彥李漢菁
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2021年3期

        高曉丹 陳彥 李漢菁

        摘要 利用福州市(烏山站)1961—2018年逐日氣溫觀測(cè)資料,通過閾值法提取出極端溫度資料序列,再根據(jù)復(fù)合極值分布理論,建立極端氣溫重現(xiàn)期泊松—韋伯復(fù)合極值分布模型,并利用該模型對(duì)福州市極端高低溫的重現(xiàn)期研究。結(jié)果表明:福州市年高溫天數(shù)和高、低溫極端值均呈上升趨勢(shì),而年低溫天數(shù)則呈下降趨勢(shì);高、低溫天數(shù)多年發(fā)生頻次符合泊松分布,氣溫極端值遵循韋伯分布,兩者均通過顯著性水平為0.01的K-S統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn);福州市50 a一遇極端高低溫分別為41.6℃和-1.4℃,100 a一遇極端高低溫分別為42.1℃和-2.0℃。

        關(guān)鍵詞 極端高低溫;極值分布模型;福州

        中圖分類號(hào):P45 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B 文章編號(hào):2095–3305(2021)03–0041–02

        天氣和氣候極端事件頻率和強(qiáng)度的變化對(duì)人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境很可能產(chǎn)生巨大影響,因而受到越來越多的關(guān)注。2013年從中國(guó)氣象局公布的最新數(shù)據(jù)顯示,位于中國(guó)東南沿海地區(qū)的福州市夏季極端高溫引起公眾關(guān)注。近年來,福州極端高溫異常天氣氣候頻發(fā),僅2018年福州市年平均氣溫顯著偏高,同時(shí)連江和福清在12月4日最高氣溫突破12月歷史極值,給人們生產(chǎn)活動(dòng)帶來嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失與生活不適。因此研究城市極端氣溫氣候特征可以為我們制定城鎮(zhèn)發(fā)展戰(zhàn)略提供科學(xué)參考。

        1 資料和方法

        研究極端氣溫的首要條件就是確定極端氣溫的閾值。選取福州市國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站(烏山站)1961—2018年逐日最高及最低氣溫觀測(cè)資料,采用閾值法、矩估計(jì)法、K-S檢驗(yàn)、復(fù)合極值理論等方法對(duì)上述資料進(jìn)行質(zhì)量控制,根據(jù)第1個(gè)和第99個(gè)百分位值確定出本地極端氣溫閾值為2.9℃和37.7℃。

        2 極端氣溫及天數(shù)的變化趨勢(shì)

        2.1 每年最低氣溫變化趨勢(shì)及低溫天數(shù)變化趨勢(shì)

        分析福州烏山站1961—2018年最低氣溫年際變化,近58 a最低氣溫平均為1.4℃,其年最低氣溫隨年際呈緩慢上升趨勢(shì),增加率為0.189℃/10 a。2003年和2017年福州烏山站最低氣溫4.0℃,為站點(diǎn)研究年內(nèi)最大值;年內(nèi)最小值在2016年,為-1.9℃。同年1月20—25日,我國(guó)南方發(fā)生一次低溫雨雪冰凍過程,1月25日福建省屏南、福州、安溪、廈門、東山、長(zhǎng)樂6市氣溫打破1961年以來低溫記錄,部分地區(qū)創(chuàng)70 a來低溫極值。研究年間,最低氣溫<0℃的年份僅有8 a,其余年份最低氣溫均>0℃。

        依照利用閾值法算出的本地低溫閾值2.9℃分析福州烏山站低溫天數(shù)變化呈減少趨勢(shì),氣候傾向率為-0.86 d/10 a。低溫天數(shù)最多的達(dá)15 d,分別在1963年和1967年,1976年以前低溫天數(shù)波動(dòng)較大,且低溫天數(shù)較多;1976年后低溫天數(shù)波動(dòng)較小,且低溫天數(shù)減少。

        2.2 每年最高氣溫變化趨勢(shì)及高溫天數(shù)變化趨勢(shì)

        福州烏山站1961—2018年最高溫度平均38.3℃,近58 a最高溫度隨年際明顯增大,增加率為0.293℃/10 a,變化幅度較最低氣溫略大,可看出年最高氣溫隨時(shí)間變化上升趨勢(shì)較顯著。1965年和1970年福州烏山站最高氣溫為36.3℃,為站點(diǎn)研究年內(nèi)最低值;最大值在2003年,為41.7℃,同時(shí)該年最低氣溫也是站點(diǎn)研究年內(nèi)最大值。從1998年開始,福州烏山站年最高氣溫都>37.0℃,根據(jù)福建省災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)服務(wù)用語暫行規(guī)定的日最高氣溫≥37℃為一高溫日,連續(xù)≥37℃一個(gè)高溫日天氣過程稱為一個(gè)高溫過程,表明每年都有若干次高溫過程發(fā)生。

        根據(jù)利用閾值法算出的福州烏山站高溫閾值37.7℃,較福建省高溫橙色預(yù)警信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)37.0℃高出0.7℃。近58 a高溫天數(shù)呈增長(zhǎng)趨勢(shì),氣候傾向率1.155 d/10 a,高溫天數(shù)最多的一年達(dá)25 d,在2003年,同時(shí)該年最高氣溫也是歷史極值氣溫。1986年以前高溫天數(shù)波動(dòng)較小,且高溫天數(shù)較少;1986年后高溫天數(shù)波動(dòng)較大,且天數(shù)較多。

        3 泊松—韋伯復(fù)合極值分布及K-S檢驗(yàn)

        3.1 極端高(低)溫天數(shù)發(fā)生頻次的泊松分布檢驗(yàn)

        極端氣溫發(fā)生頻次本身具有一定概率特性。統(tǒng)計(jì)福州烏山站1961—2018年極端高、低溫度出現(xiàn)頻次得出,58 a中≥37.7℃高溫次數(shù)212 d、≤2.9℃低溫次數(shù)220 d。利用泊松分布函數(shù)對(duì)高低溫發(fā)生頻次進(jìn)行估計(jì)檢驗(yàn),通過K-S檢驗(yàn)表明:低溫天數(shù)的泊松分布KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.12,均小于顯著水平位0.01的KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量臨界值0.21,故認(rèn)為低溫天數(shù)時(shí)間序列服從泊松分布。高溫天數(shù)的泊松分布KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.20,均小于顯著水平位0.01的KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量臨界值0.21,故認(rèn)為高溫天數(shù)時(shí)間序列服從泊松分布。

        3.2 高(低)溫極值的韋伯分布檢驗(yàn)

        對(duì)福州1961—2018年出現(xiàn)的212次高溫和220次低溫分析,發(fā)現(xiàn)韋伯分布能很好擬合溫度極值。黑色和紅色小方框?yàn)楦撸ǖ停氐慕?jīng)驗(yàn)頻率,黑色實(shí)線為韋伯分布曲線,直觀看出兩則擬合度非常高。經(jīng)過K-S檢驗(yàn)表明:極端低溫資料的KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.057,小于顯著水平位0.01的KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量臨界值,故極端低溫時(shí)間序列服從韋伯分布。極端高溫資料的KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為0.086,小于顯著水平位0.01的KS檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量臨界值,故極端高溫時(shí)間序列服從韋伯分布(圖1、圖2)。

        3.3 極端高(低)溫重現(xiàn)期估算及分析

        通過分析發(fā)現(xiàn),用泊松過程來擬合極端氣溫發(fā)生頻次是合理的,且氣溫極值用韋伯分布來擬合也是合理的,因此研究地區(qū)極端高低溫事件服從泊松—韋伯復(fù)合極值分布。利用該模型計(jì)算福州代表站的多年一遇溫度極端值得出:福州地區(qū)2、5、10、20、50、100 a一遇的年極端最高氣溫均超過其閾值37.7℃和58 a平均值38.3℃,其中100 a一遇的年極端最高氣溫值還超過資料年最大值41.7℃,其年極端最低氣溫都低于極端最低氣溫閾值2.9℃,除2 a一遇的年極端最低氣溫高于58 a平均值1.4℃外,其余5個(gè)年份均低于平均值,其中100 a一遇的年極端最低氣溫值還超過資料年最低值-1.9℃。

        同時(shí)得出:年出現(xiàn)高溫>38.4℃和低溫<2.7℃時(shí)的溫度概率為0.5,即平均2 a出現(xiàn)一次該極端高溫值和極端低溫值;出現(xiàn)高溫>42.1℃和低溫<-2.0℃的概率為0.01,即出現(xiàn)此極端高溫和極端低溫的重現(xiàn)期需要100 a。通過以上分析可以看出,溫度極值越極端,風(fēng)險(xiǎn)概率值也就越小,重現(xiàn)期也就越大。

        4 結(jié)論

        福州地區(qū)高溫出現(xiàn)日數(shù)越來越多且高溫極值越來越高,低溫出現(xiàn)日數(shù)越來越少且低溫極值也越來越大,凸顯了氣溫極端性及氣候變暖趨勢(shì)。

        年高溫及低溫天數(shù)出現(xiàn)次數(shù)遵循泊松分布,高溫、低溫極值遵循韋伯分布。其擬合分布均通過顯著性水平為0.01的K-S統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

        通過泊松—韋伯分布,估算得出福州市2 a一遇的極端最高氣溫和最低氣溫分別為38.4℃和2.7℃;5 a一遇的分別為39.6℃和1.1℃;10 a一遇的分別為40.3℃和0.2℃;20 a一遇的分別為40.9℃和-0.5℃;50 a一遇的分別為41.6℃和-1.4℃;100 a一遇的分別為42.1℃和-2.0℃。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 馬逢時(shí),劉德輔.復(fù)合極值分布理論及其應(yīng)用[J].應(yīng)用數(shù)學(xué)學(xué)報(bào),1979(4):366-375.

        [2] 潘曉華,翟盤茂.氣溫極端值的選取與分析[J].氣象,2002(10):28-31.

        [3] 胡鈺玲,趙中軍,康彩燕,等.中國(guó)南方2008年與2016年兩次低溫雨雪冰凍天氣過程對(duì)比分析[J].冰川凍土,2017, 39(6):1180-1191.

        責(zé)任編輯:黃艷飛

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