北京地區(qū)極端溫度事件的變化趨勢和年代際演變特征＊

(1.中國氣象局北京城市氣象研究所,北京 100089;2.國家氣候中心,北京 100081)

楊 萍1,劉偉東1,侯 威2

0 引言

關(guān)于城市氣候的諸多研究中,城市熱島效應(yīng)研究得最多[1-3]。不同時段、不同國家的不同城市都或多或少地受到城市熱島效應(yīng)的影響[4-5]。若從對城市發(fā)展的影響以及城市對極端事件的承載能力來看,城市中極端氣候事件的研究顯得更為迫切和重要[6-8]。分析極端事件在城市中的長期變化趨勢、空間演變特征具有非常重要的現(xiàn)實意義。

北京城區(qū)是典型的“熱島”,其熱島強度比中國沿海城市明顯,城市熱島增強的結(jié)果是造成冬季寒冷期縮短和夏季炎熱期增強,城市高溫?zé)崂说葹?zāi)害更加頻繁[9]。對于北京地區(qū)溫度的已有研究側(cè)重于對熱島效應(yīng)的探討以及城郊溫度的對比分析,對城市中極端事件氣候特征的研究較少。本文以北京地區(qū)極端溫度事件為研究對象,討論了近30年北京地區(qū)極端溫度事件的變化趨勢及年代際的空間演變特征。

1 資料

1978年后,北京地區(qū)20個常規(guī)氣象站具有較為完整的觀測資料。本文使用的資料為國家信息中心提供的1978-2007年北京地區(qū)20個常規(guī)站(圖1)逐日平均溫度資料。為盡可能消除測站海拔高度上存在的差異對溫度造成的影響,對北京地區(qū)20站的日平均溫度資料按照0.6℃/100 m的垂直遞減率統(tǒng)一訂正到海平面高度。

圖1 研究選用的北京地區(qū)20個臺站分布示意圖

本文基于日平均溫度資料定義極端溫度事件[10],采用國際上通用的百分位閾值法[11]。具體定義為:將1978-2007年夏季(冬季)日平均溫度資料按從小到大(從大到小)排序,取第90百分位作為極端高(低)溫事件的上(下)閾值,超過上(下)閾值的定義為極端高(低)溫事件。

2 1978年以來北京地區(qū)極端溫度事件的變化趨勢

北京觀象臺(54511)為國家基準(zhǔn)站,通常使用該臺站的氣象數(shù)據(jù)代表北京地區(qū)。1978年以來北京觀象臺發(fā)生過兩次較大的遷站,不少研究表明北京觀象臺數(shù)據(jù)包含了明顯的城市效應(yīng)[12],遷站因素是否會對該地區(qū)極端事件的氣候特征造成影響,值得進(jìn)行對比和分析。

有研究表明北京地區(qū)20個常規(guī)氣象站屬于同一氣候區(qū),其氣象要素統(tǒng)計平均值可代表北京地區(qū)接近于真實狀態(tài)的氣候特征[13]?；诖?采用北京地區(qū)20個常規(guī)站極端溫度事件年頻次的平均值作為參考序列,對比分析基于觀象臺資料的極端溫度事件的發(fā)生頻次。具體結(jié)果如圖2所示,其中實線為參考序列,虛線為北京觀象臺的結(jié)果。區(qū)20個站極端溫度事件發(fā)生頻次的年代際空間分布圖,并分析了其年代際演變特征。

圖2 極端溫度事件發(fā)生頻次的變化趨勢

3.1 極端高溫事件發(fā)生頻次的年代際演變特征

圖3為北京地區(qū)極端高溫事件年代際演變的空間分布圖。圖3中大于等于所處時段全區(qū)平均發(fā)生頻次的等值線用實線標(biāo)識,反之則為虛線。觀象臺的位置用“★”標(biāo)出。

圖3 北京地區(qū)極端高溫事件發(fā)生頻次空間分布

圖2顯示,1990年代中期以后,極端高溫事件的頻次呈現(xiàn)明顯的上升趨勢,1980年代末以前極端低溫事件頻次呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢,之后以震蕩波動為主。對比觀象臺時間序列與參考序列的結(jié)果發(fā)現(xiàn),盡管北京觀象臺發(fā)生過兩次遷站,但利用觀象臺資料研究近30年極端溫度事件的發(fā)生頻次,無論從逐年結(jié)果還是從線性傾向率來看,基于觀象臺的時間序列與基于全區(qū)平均的參考序列基本一致,可見遷站對極端溫度事件發(fā)生頻次的影響甚微。

3 極端溫度事件的年代際演變特征

大量統(tǒng)計事實表明,北京地區(qū)具有明顯的城市熱島效應(yīng)[14],那么在此氣候背景下的極端溫度事件發(fā)生頻次空間分布形態(tài)及其年代際演變特征如何?基于此,本文分別統(tǒng)計了1978-1987年、1988-1997年、1998-2007年這三個時段北京地

圖3顯示,近30年北京地區(qū)極端高溫事件發(fā)生頻次的高值中心具有明顯的年代際差異。1978-1987年,極端高溫事件發(fā)生頻次的高值區(qū)主要位于北京北部的湯河口、上甸子、佛爺頂以及北京西南部的霞云嶺和齋堂;1988-1997年,高值區(qū)為以懷柔為中心的廣大北方地區(qū),西部尤其是西部偏南的大部分地區(qū)為低值區(qū);1998-2007年的分布格局與1978-1987年具有較對稱的反相關(guān)系,在1978-1987年時段中的高值區(qū)成為了1998-2007年的低值區(qū)域,該時段的高溫中心之一位于石景山工業(yè)密集區(qū),這與鄭祚芳等人得到的夏季高溫日的高值中心較為吻合[14]。

有文獻(xiàn)根據(jù)與觀象臺距離的遠(yuǎn)近區(qū)別城區(qū)和郊區(qū)[15],按此定義,豐臺、大興等均可納入城區(qū)范圍。通過比較不同年代際之間城區(qū)極端高溫事件發(fā)生頻次的空間分布特征發(fā)現(xiàn),1978-1987年,城區(qū)極端高溫事件的發(fā)生頻次均低于北京全區(qū)的平均水平,1988-1997年,其中與平均水平相當(dāng),1998-2007年,其值明顯高于北京全區(qū)的平均態(tài)。這種年代際演變特征說明在最近的十年中,北京城區(qū)極端高溫事件的發(fā)生頻次呈現(xiàn)明顯增大的趨勢。已有研究指出,氣候平均值及變率的改變有可能造成異常溫度頻次的改變[10],北京地區(qū)夏季氣溫平均態(tài)與極端高溫事件的空間演變是否有聯(lián)系,針對此問題我們給出了1978-2007年每10年夏季平均溫度空間距平分布圖,如圖4所示,其中實線為正距平,虛線為負(fù)距平。

圖4顯示,圖4a和圖4b空間分布格局非常相似,東部以負(fù)距平為主,西北以正距平為主。1998-2007年夏季平均溫度正距平的區(qū)域更加集中,集中在城區(qū)周圍,這與圖3c的結(jié)果存在較好的對應(yīng)關(guān)系,這可能說明了近10年城區(qū)熱島效應(yīng)更加明顯,熱島效應(yīng)很可能是導(dǎo)致該時段內(nèi)極端高溫事件發(fā)生頻次明顯高于其他地區(qū)的主要原因。

3.2 極端低溫事件的年代際演變特征

類似地,圖5給出了北京地區(qū)極端低溫事件年代際演變的空間分布。

圖5顯示,1978-1987年,城區(qū)的朝陽和城郊平谷形成兩個高值中心,高值區(qū)主要覆蓋于東北部東南部一帶;1988-1997年,高值中心移至西南位置的霞云嶺站附近;1998-2007年,西南地區(qū)的霞云嶺等地的發(fā)生頻次保持了前一個年代際的高值狀態(tài),而以懷柔為中心的北方大部從上個年代際的低值中心轉(zhuǎn)變?yōu)楦咧抵行?城區(qū)的發(fā)生頻次與全區(qū)平均發(fā)生頻次相當(dāng)。對比不同年代際之間城區(qū)極端低溫事件發(fā)生頻次的空間分布特征發(fā)現(xiàn),1978-1987年,城區(qū)的發(fā)生頻次均高于北京全區(qū)的平均水平;1988-1997年,其發(fā)生頻次均低于北京全區(qū)的平均水平;1998-2007年,發(fā)生頻次又有上升的趨勢,其值接近于北京全區(qū)的平均態(tài)。這種年代際變化表明,與1970、1980年代相比,1990年代以后北京城區(qū)極端低溫事件的發(fā)生頻次經(jīng)歷了先減小后增加的變化過程。與極端高溫事件的討論類似,圖6給出了1978-2007年冬季平均溫度年代際空間距平分布圖。

圖4 北京地區(qū)夏季平均溫度空間距平分布

圖5 北京地區(qū)冬季極端低溫事件發(fā)生頻次空間分布

圖6顯示,冬季平均溫度距平的年代際空間分布差異很小,北部山區(qū)為氣溫的小值區(qū)域,包含城區(qū)在內(nèi)的西部和南部在內(nèi)均為氣溫偏暖區(qū)。1998-2007年,城區(qū)熱島中心有增強的趨勢,但整體而言沒有明顯的年代際差異。而冬季極端低溫事件在不同年代際之間的空間分布差異非常明顯,從SE-NW走向(1978-1987年)過渡到S W-NE走向(1988-1997年)再過渡到S W-NE中心的走向(1998-2007年)。這種年代際空間演變特征和冬季平均溫度空間分布特征沒有明顯的聯(lián)系,可能說明了冬季城市熱島效應(yīng)對極端低溫事件的影響不明顯,即局地城市熱島效應(yīng)對北京地區(qū)極端低溫事件的影響不明顯,城區(qū)的極端低溫事件發(fā)生頻次存在著與熱島效應(yīng)相互獨立的突變過程。這可能是因為冬季北京地區(qū)主要在大陸西伯利亞季風(fēng)的控制之下,城市氣候的小尺度變化并沒有影響大尺度的氣候變化。

圖6 北京地區(qū)冬季平均溫度距平空間分布圖

4 結(jié)論

本文以北京地區(qū)極端溫度事件為重點,討論了近30年北京地區(qū)極端溫度事件的變化趨勢以及年代際的空間演變特征,具體結(jié)論如下:

(1)北京觀象臺極端溫度事件發(fā)生頻次與北京全區(qū)平均發(fā)生頻次的差別不大,這可能說明觀象臺近30年兩次遷站對研究極端溫度事件并沒有直接顯著的影響;

(2)近10年北京城市熱島效應(yīng)更加明顯,熱島效應(yīng)很可能是導(dǎo)致了該時段內(nèi)極端高溫事件發(fā)生頻次明顯高于其他地區(qū)的主要原因;

(3)極端低溫事件年代際空間演變特征和冬季平均溫度空間分布特征沒有明顯的聯(lián)系,說明盡管近幾十年北京地區(qū)冬季熱島效應(yīng)明顯,但城區(qū)的極端低溫事件發(fā)生頻次仍舊存在突變的可能性,且與熱島效應(yīng)的增強無關(guān)。

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