張 寧，常 清，尹 紅，王 靖，李孟蔚，朱 杰

（1.山西省氣象信息中心，山西太原 030006；2.山西省氣候中心，山西太原 030006；3.中國(guó)氣象局國(guó)家氣候中心，北京 100081；4.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；5.山西省氣象服務(wù)中心，山西太原 030002）

引言

全球氣候變暖已成事實(shí)［1］。氣候變暖背景下，極端高溫事件發(fā)生頻率大幅提高［2］，對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重的危害和影響［3-4］。中國(guó)位于亞洲東部，屬于溫帶、暖溫帶大陸性氣候區(qū)，對(duì)氣候變化極為敏感，極端高溫天氣頻發(fā)，且主要發(fā)生在夏季6～8月，發(fā)生程度劇烈，影響范圍廣、危害巨大［5］。

氣候變暖背景下，極端高溫的特征規(guī)律及趨勢(shì)影響引起國(guó)際專家、組織的廣泛關(guān)注。Gruza等［6］在探析極端氣溫的趨勢(shì)特征時(shí)指出俄羅斯極端低溫減少日數(shù)以大于極端高溫增加日數(shù)的速率變化；尹紅等［7］研究表明中國(guó)2017年各極端氣溫指數(shù)的平均值均高于1961-1990年平均；馬柱國(guó)等［8］指出1993-2003年我國(guó)北方極端高溫發(fā)生頻率顯著增加，而極端低溫發(fā)生頻率顯著降低，這與俄羅斯極端氣溫變化規(guī)律一致。龔道溢等［9］研究結(jié)果表明1950 s中期-1997年以前我國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶夏季極端溫度增加不顯著，而1997年以后則顯著升高。葉殿秀等［10］研究1961-2010年我國(guó)夏季極端高溫事件的變化趨勢(shì)時(shí)指出其頻次和強(qiáng)度均呈升高、增強(qiáng)態(tài)勢(shì)。唐恬等［11］分析了中國(guó)南方極端高溫天氣的變化，結(jié)果表明2013年我國(guó)夏季高溫具有群發(fā)性、高溫過程重現(xiàn)構(gòu)成具有持續(xù)性特征，且1961-2013年間極端高溫發(fā)生頻次最高時(shí)為2013年。

山西深處中國(guó)內(nèi)陸，南北跨度大、地勢(shì)復(fù)雜多變、氣候生態(tài)脆弱、極端氣候事件頻發(fā)［12］。尤其是近年來(lái)氣候變暖背景下，山西省夏季極端高溫發(fā)生頻率高、強(qiáng)度大、損失慘重［13］。因此，有必要對(duì)山西省不同區(qū)域夏季極端高溫強(qiáng)度和頻率的時(shí)空演變特征進(jìn)行研究，揭示極端高溫的變化規(guī)律。氣象上常把日最高氣溫超過35oC作為極端高溫的標(biāo)準(zhǔn)［14］，但是一些區(qū)域雖然日最高氣溫低于35oC，但已嚴(yán)重偏離氣候平均態(tài)，這時(shí)統(tǒng)計(jì)學(xué)中也認(rèn)為是極端事件，國(guó)際上將某一氣象要素95%（5%）作為極端閾值［15］。山西省南北跨度大，不同區(qū)域極端高溫閾值差異大，不同閾值條件下極端高溫強(qiáng)度和頻率不同，時(shí)空分布不同，直接影響極端高溫分布特征和政府決策。極端高溫與最高氣溫顯著相關(guān)，分析最高氣溫的變化特征有利于通過目前比較成熟的最高氣溫預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)極端高溫的變化趨勢(shì)。

本文通過確定1971-2020年山西省不同區(qū)域夏季的極端高溫閾值，分析山西省不同區(qū)域夏季極端高溫強(qiáng)度和天數(shù)及最高氣溫的時(shí)空變化規(guī)律，為山西省應(yīng)對(duì)未來(lái)氣候變化、充分利用氣候資源、規(guī)避極端高溫災(zāi)害的不利影響提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

依據(jù)行政及氣候特點(diǎn)，山西分為北、中、南3個(gè)區(qū)域，109個(gè)國(guó)家氣象站廣泛分布于各區(qū)域。由于建站時(shí)間不同，氣象數(shù)據(jù)觀測(cè)記錄起始時(shí)間不同，加之部分氣象臺(tái)站遷移，考慮到氣象數(shù)據(jù)均一性問題，本文研究數(shù)據(jù)為1971-2020年山西省有完整氣象記錄且未進(jìn)行遷站的67個(gè)氣象站夏季6～8月逐日最高氣溫，來(lái)自山西省氣象信息中心數(shù)據(jù)庫(kù)（圖1）。

圖1 山西省各區(qū)域及研究站點(diǎn)分布Fig.1 Study area and distribution of study sites in Shanxi Province

1.2 方法

1.2.1 極端高溫事件及閾值、強(qiáng)度和頻數(shù)（天數(shù)）

極端高溫事件：日最高氣溫超過其閾值時(shí)的整個(gè)天氣過程稱為一次極端高溫事件。

極端高溫閾值：將67個(gè)臺(tái)站中各站1971-2020年各年夏季6～8月逐日最高氣溫升序排列，分別得到第95個(gè)最高氣溫百分位值，極端高溫閾值即為各站50年該百分位的平均值［16］。

極端高溫強(qiáng)度和頻數(shù)是在滿足極端高溫閾值的條件下，對(duì)極端高溫發(fā)生狀況描述的2個(gè)方面，頻數(shù)反映極端高溫發(fā)生的頻繁程度，強(qiáng)度反映極端高溫發(fā)生的劇烈程度。

1.2.2 變化趨勢(shì)和顯著性檢驗(yàn)

Theil-Sen Median是一種穩(wěn)健的非參數(shù)趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)方法，具有計(jì)算效率高、對(duì)于測(cè)量誤差和利群數(shù)據(jù)不敏感的優(yōu)點(diǎn)。其計(jì)算公式為：

式中，Median為取中值，β＞0，表明呈增加趨勢(shì)，β=0，表明變化趨勢(shì)不明顯，β＜0，表明呈下降趨勢(shì)。

1.2.3 空間插值

反距離權(quán)重（Inverse Distance Weight，IDW）、克里金（Kriging）、薄盤光滑樣條（Anusplin）是空間分析中3種常用的插值方法，第1種方法的特點(diǎn)是將與樣本點(diǎn)較近的插值點(diǎn)賦予較大權(quán)重，而與樣本點(diǎn)較遠(yuǎn)的插值點(diǎn)賦予較小的權(quán)重［17］；第2種方法依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對(duì)隨機(jī)過程進(jìn)行空間建模和預(yù)測(cè)，應(yīng)用于地理科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、大氣科學(xué)等領(lǐng)域［18］；第3種插值法基于薄盤樣條函數(shù)，在氣溫、降水量等自變量基礎(chǔ)上引入海拔高度等協(xié)變量，從而減少誤差、提高插值精度［19］。3種方法插值原理不同，均可實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)尺度向區(qū)域尺度轉(zhuǎn)化。

1.2.4 有效積溫及突變檢驗(yàn)

（1）有效積溫（Effective Accumulated High Temperature，EAHT）原本用于確定作物生育期、評(píng)價(jià)作物生長(zhǎng)發(fā)育情況，該指標(biāo)也可用于評(píng)價(jià)高溫綜合強(qiáng)度，既考慮了高溫強(qiáng)度數(shù)值，也考慮了高溫發(fā)生日數(shù)，本文引入有效積溫作為表征極端高溫強(qiáng)度的綜合指標(biāo)［20］：

式中：Ti和Tt分別為日最高氣溫和極端高溫閾值；EAHT，EAHTmax，EAHTmin和EAHTnorm分別為有效積溫、有效積溫的最大值、最小值和歸一值。

（2）滑動(dòng)T檢驗(yàn)常被用于確定均值突變點(diǎn)［21］，其計(jì)算公式為：

式中：時(shí)間序列x的樣本量為n，設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)前后兩個(gè)子序列分別為x1和x2；n1和n2分別為其樣本量，平均值分別為方差分別為

1.2.5 突變檢驗(yàn)

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)法（MK）［22］用于判斷并確定氣候序列中突變及其出現(xiàn)時(shí)間，用于檢測(cè)降水、氣溫等頻次趨勢(shì)。具體方法如下：

對(duì)于時(shí)間序列x1，x2，...xn，構(gòu)造秩序列

式中：xi和xj為時(shí)間序列數(shù)據(jù)值；n為樣本總數(shù)；E（Sk）與var（Sk）分別為均值和方差。

（1）順時(shí)間序列為x1，x2，...xn，逆時(shí)間序列為xn，xn-1，...x1，分別計(jì)算順、逆時(shí)間序列的秩序列Sk及統(tǒng)計(jì)量UFk、UBk：

UF1=0，UB1=0，顯著性水平α=0.05，UBk=-UFk（k=n，n-1，...1），|UFk|＞Uα?xí)r變化顯著。

（2）制圖得到UFk線、UBk線、y=±1.96線。

UFk或UBk大于0，表明趨勢(shì)上升，UFk或UBk小于0，表明趨勢(shì)下降。當(dāng)UFk與UBk線相交于y=±1.96線之間時(shí)，交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為突變時(shí)間點(diǎn)。

2 結(jié)果分析

2.1 極端高溫閾值及其變化

將山西省67個(gè)研究站點(diǎn)1971-2020年夏季極端高溫事件閾值分別通過IDW、Kriging、Anuspline插值（圖2（a）～（c）），分析發(fā)現(xiàn)3種方法插值結(jié)果相似，反映了插值方法對(duì)山西省極端高溫閾值的變化形勢(shì)和空間特征影響不大。山西省極端高溫事件閾值變化范圍為29.4～37.7oC，自北向南升高，晉北的朔州西部、忻州西南部分地區(qū)最低，晉南的運(yùn)城、臨汾南部最高。

圖2 基于IDW、Kriging、Anusplin三種方法的1971-2020年山西省夏季極端高溫閾值的空間分布Fig.2 Spatial distribution of extreme high temperature threshold through the method of IDW，Kriging，Anuspline in summer from 1971 to 2020 in Shanxi Province

2.2 極端高溫強(qiáng)度及其變化

分別通過IDW、Kriging、Anusplin 3種插值方法得到1971-2020年山西省極端高溫強(qiáng)度的空間變化特征（圖3（a）～（c）），3種方法共同反映了1971-2020年山西省夏季極端高溫強(qiáng)度的空間分布規(guī)律，結(jié)果表明1971-2020年山西省極端高溫強(qiáng)度變化范圍為30.2～38.4oC，空間上北低南高，與極端高溫閾值空間分布相似，其中晉北的朔州南部、忻州中西部部分地區(qū)最低，晉南的運(yùn)城、臨汾南部最高。

圖3 基于IDW、Kriging、Anusplin三種方法的1971-2020年山西省夏季極端高溫強(qiáng)度的空間分布Fig.3 Spatial distribution of extreme high temperature strength through the method of IDW，Kriging，Anusplin in summer from 1971 to 2020 in Shanxi Province

2.3 極端高溫天數(shù)及其變化

1971-2020年山西省夏季極端高溫天數(shù)為289～401 d，西部多于東部、南部多于北部和中部（圖4（a）），年均5.8～8.0 d，平均每站為7.0 d·a-1。6～8月各月極端高溫天數(shù)空間分布差異較大，6月晉北南部、晉南南部較高（圖4（b）），平均發(fā)生天數(shù)為1.6～2.4 d，平均每站為2.1 d·a-1；7月晉中中西部、晉南西部較高（圖4（c）），平均發(fā)生天數(shù)為1.8～3.0 d，平均每站為2.4 d·a-1；8月晉北西南部、晉中中南部及晉南較高（圖4（d）），平均發(fā)生天數(shù)為2.0～3.1 d，平均每站為2.5 d·a-1。

圖4 1971-2020年山西省夏季極端高溫天數(shù)及其在6月、7月、8月的空間分布Fig.4 Spatial distribution of extreme high temperature days in summer，June，July and August from 1971 to 2020

2.4 極端高溫綜合強(qiáng)度評(píng)價(jià)

為直觀表示極端高溫的累積效應(yīng)和綜合強(qiáng)度，引入有效積溫（EAHTnorm），得到近50年歸一化有效積溫隨時(shí)間的變化關(guān)系（圖5），并對(duì)其進(jìn)行滑動(dòng)T檢驗(yàn)（b）。結(jié)果表明近50年來(lái)EAHTnorm在1997年和2011年發(fā)生了兩次突變，置信度均達(dá)到99%，1971-1997年和2011年前后EAHTnorm處于低溫震蕩，極端高溫綜合強(qiáng)度較弱，而1997-2011年前及2011年后至2020年EAHTnorm起伏變化幅度加大，極端高溫的極端性變化較大，整體增強(qiáng)。

圖5 1971-2020年山西省各年夏季歸一化有效積溫及突變檢驗(yàn)Fig.5 Normalized effective accumulated high temperature and analysis of the abrupt change in Shanxi Province in summer from 1971 to 2020

2.5 最高氣溫變化趨勢(shì)

通過Theil-Sen法對(duì)最高氣溫隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行分析，得到1971-2020年夏季6～8月及各月平均最高氣溫的變化趨勢(shì)特征（圖6）。結(jié)果顯示，山西省平均最高氣溫除個(gè)別站點(diǎn)稍有下降外，大部分地區(qū)顯著上升，且平均上升幅度為0.3oC·10 a-1。6月上升幅度較大的地區(qū)主要在沿呂梁山以東、太行山以西一帶，平均上升幅度為0.2oC·10 a-1；相比6月，7月上升范圍增大、強(qiáng)度增強(qiáng)，平均上升幅度為0.3oC·10 a-1；8月上升范圍縮小、強(qiáng)度減弱，平均上升幅度為0.2oC·10 a-1。夏季及6～8月各月顯著升高的站點(diǎn)分別占研究站點(diǎn)總數(shù)的79.1%、37.3%、71.6%、35.8%。

圖6 基于IDW的1971-2020年山西省夏季最高氣溫及其在6月、7月、8月的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the maximum temperature in summer，and in June，July and August from 1971 to 2020 in Shanxi Province through the method of IDW

2.6 各區(qū)域最高溫度突變檢驗(yàn)

1971-2020年夏季山西省北、中、南各區(qū)域平均最高氣溫均呈上升趨勢(shì)，上升幅度分別為0.3oC·10 a-1、0.3oC·10 a-1和0.2oC·10 a-1（圖7）。通過MK對(duì)山西省各區(qū)域最高氣溫進(jìn)行P＜0.05顯著水平的突變檢驗(yàn)，結(jié)果表明晉北和晉中區(qū)域突變發(fā)生時(shí)間為20世紀(jì)90年代末，晉南為2000年前后。

圖7 1971-2020年山西省北部、中部和南部夏季最高氣溫變化趨勢(shì)及MK突變檢驗(yàn)Fig.7 Change trend and Mann-Kendall test of the maximum temperature in the North，Centre and South of Shanxi Province in summer from1971 to 2020

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1971-2020年山西省夏季極端高溫的閾值、強(qiáng)度分別為29.4～37.7oC和30.2～38.4oC，空間上自北向南遞增。極端高溫發(fā)生頻率平均為7.0 d·a-1，6～7月晉南西南部發(fā)生最多，晉北東南、晉中中東及晉南東部發(fā)生最少，8月晉北、晉中發(fā)生減少，而晉南增多，表明近50年來(lái)晉南氣候極端化程度更明顯。極端高溫綜合強(qiáng)度在1997年前及2011年前后較弱，而在1997-2011年前及2011年后-2020年振幅加大，極端性整體增強(qiáng)。

1971-2020年山西省大部分地區(qū)最高氣溫顯著升高，上升速率為0.3oC·10 a-1，區(qū)域上升速率自北向南依次為0.3oC·10 a-1、0.3oC·10 a-1和0.2oC·10 a-1，與全球變暖趨勢(shì)一致。從突變檢驗(yàn)結(jié)果看，晉北和晉中夏季最高氣溫突變發(fā)生在20世紀(jì)90年代末，而晉南突變發(fā)生在2000年前后。

3.2 討論

1971-2020年山西省夏季最高氣溫上升強(qiáng)度較強(qiáng)的區(qū)域位于呂梁山以東、太行山以西，與當(dāng)?shù)睾０胃叨取⒌匦巫呦蛳嚓P(guān)［23］，因?yàn)樵搮^(qū)位于東北-西南走向的呂梁山、太行山之間，是海拔的相對(duì)低值區(qū)，大氣密度濃厚，大氣保溫作用較強(qiáng)，氣溫較高，加之山地阻擋與外界的熱量交換，從而形成高溫中心，氣溫上升幅度較大。

1971-2020年山西省夏季最高氣溫升高趨勢(shì)與全球氣候變化狀況一致［24］，具體表現(xiàn)為：山西省各區(qū)域最高氣溫突變時(shí)間為20世紀(jì)90年代末-21世紀(jì)初，與全球［25］、中國(guó)［26］極端高溫突變發(fā)生時(shí)間吻合。

大尺度環(huán)流因子與1971-2020年山西省夏季極端高溫事件的發(fā)生關(guān)系密切。西太平洋副熱帶高壓周期性西伸北進(jìn)、東退南移，控制范圍、影響強(qiáng)度與極端高溫密切相關(guān)。近幾十年來(lái)［27］夏季西太平洋副熱帶高壓范圍增大、強(qiáng)度增強(qiáng)、西脊點(diǎn)位置西移，副熱帶高壓強(qiáng)度與華北西部極端高溫為正相關(guān)，與華北東部極端高溫為負(fù)相關(guān)，極端高溫與脊線位置多呈正相關(guān)。黃淮海平原南部為偏北的脊線所控制時(shí)，6～7月極端高溫日數(shù)增多，而華北地區(qū)為偏北的脊線所控制時(shí)，8月極端高溫日數(shù)增多、強(qiáng)度增強(qiáng)。

1960-2018年華北地區(qū)高溫?zé)崂丝傮w增多，傾向率為0.41oC·10 a-1［27］，與文中山西省夏季極端高溫傾向率數(shù)值相近，1990 s后華北熱浪天數(shù)增多，范圍擴(kuò)大，主要發(fā)生在夏季，7月多于6月和8月［27］，與本文山西省夏季極端高溫發(fā)生一致，反映了華北一帶山西省近50年來(lái)氣候變暖水平和趨勢(shì)。1990 s后期華北地區(qū)極端高溫事件的發(fā)生愈加頻繁［28］，與山西各區(qū)域變化情況一致；年際波動(dòng)幅度增大［28］，與山西省夏季極端高溫綜合指數(shù)變化吻合。