湖南省55 a極端氣溫事件變化特征

朱歆煒，葉成志，彭晶晶，蔡海朝

（1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇　南京210093；2.湖南省氣象局，湖南　長沙410118；3.湖南省氣象臺，湖南　長沙410118；4.長沙市氣象局，湖南　長沙410205；5.婁底市氣象局，湖南　婁底417000）

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湖南省55 a極端氣溫事件變化特征

朱歆煒1，2，葉成志3，彭晶晶4，蔡海朝5

（1.南京大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210093；2.湖南省氣象局，湖南長沙410118；3.湖南省氣象臺，湖南長沙410118；4.長沙市氣象局，湖南長沙410205；5.婁底市氣象局，湖南婁底417000）

摘要：利用1960—2014年湖南省88個地面氣象站日最高和最低氣溫的均一化資料，運用百分位閾值法統(tǒng)計暖日、暖夜、冷日和冷夜數(shù)，采用線性回歸、M-K突變檢驗、Morlet小波分析等方法，研究湖南省55a以來極端氣溫事件的時空變化特征。結(jié)果表明：（1）湖南省暖日和暖夜呈上升趨勢，其年際變化傾向率分別為0.68d/10a、2.73d/10a，冷日和冷夜呈下降趨勢，其年際變化傾向率分別為-0.45d/10a、-2.46d/10a，夜間增暖顯著；（2）湖南省大部分地區(qū)的暖日、暖夜呈上升趨勢，冷日、冷夜呈下降趨勢，其中湘西北、湘西南、湘東南部分地區(qū)變化趨勢明顯；（3）暖日、暖夜、冷夜有明顯的階段性變化，暖日、暖夜分別在2008、2003年突變增加，冷夜在1986年突變減少；（4）湖南省極端氣溫日數(shù)在不同的時間段存在著長短不同的振蕩周期。

關(guān)鍵詞：極端氣溫；時空分布；突變分析；湖南

朱歆煒，葉成志，彭晶晶，等.湖南省55a極端氣溫事件變化特征[J].沙漠與綠洲氣象，2016，10（2）：82-88.

近百年來，全球氣溫顯著上升，中國陸地區(qū)域平均增溫0.9～1.5℃，近15 a來氣溫呈上升趨緩，但仍處于百年來氣溫最高階段[1-3]。IPCC第五次評估報告指出，未來氣候變暖將持續(xù)，將給經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展帶來越來越顯著的影響，并成為人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的風(fēng)險，在全球變暖、極端天氣氣候事件頻發(fā)的背景下，極端氣溫事件變化明顯[4]，與溫度有關(guān)的指標(biāo)在近50 a中顯示出顯著的變化，如夏季暖夜顯著增加，霜凍日數(shù)顯著減少，年內(nèi)溫度極差顯著減少等[5]。國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對極端天氣氣候事件進(jìn)行了研究，龔志強(qiáng)等研究了中國近58 a來的溫度極端事件，指出對中國各區(qū)域（除東南區(qū)外）的溫度增暖起主要作用的溫度段為極端/相對高溫段年發(fā)生天數(shù)的增加和極端/相對低溫段年發(fā)生天數(shù)的減少[6]。任福民等研究了1951—1990年中國極端氣溫的變率和變化趨勢，指出我國極端氣溫的變化趨勢存在較大的季節(jié)性和區(qū)域性差異[7]。翟盤茂等研究了1951—1990年中國最高、最低溫度的時空變化趨勢特點，指出最高、最低氣溫變化的準(zhǔn)周期性規(guī)律一致，但線性變化趨勢卻呈現(xiàn)出明顯的不對稱性[8]。王瓊等研究了1962—2011年長江流域極端氣溫事件，指出冷夜日數(shù)的變暖幅度明顯大于暖夜日數(shù)，夜指數(shù)（暖夜日數(shù)、冷夜日數(shù)）的變暖幅度明顯大于晝指數(shù)（暖晝?nèi)諗?shù)、冷晝?nèi)諗?shù)）[9]；張寧等研究了1955—2005年中國極端氣溫的變化，指出極端低溫表現(xiàn)出穩(wěn)定的增溫趨勢，極端低溫的增溫幅度明顯大于極端高溫的增幅[10]。周雅清等研究了1956—2008年中國大陸地區(qū)氣溫極端事件的變化規(guī)律，指出冷夜（晝）日數(shù)普遍明顯減少，暖夜（晝）日數(shù)明顯增加[11]。

湖南省位于華中地區(qū)，東、南、西三面山地圍繞，中部丘陵起伏，北部平原、湖泊展布[12]，湖南氣候與全球氣候變化一致，呈現(xiàn)以變暖為主要特征的變化[13]。近年來，氣候變暖對湖南的主要影響表現(xiàn)為：農(nóng)業(yè)氣候資源、濕地生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化，水資源安全風(fēng)險增大，能源緊缺，城市面臨環(huán)境污染和自然災(zāi)害加重的雙重壓力。因此，對湖南省的極端天氣氣候事件的研究，既有利于發(fā)現(xiàn)湖南省極端氣溫事件的時空變化規(guī)律，同時可以在一定程度上對農(nóng)業(yè)、資源以及城市發(fā)展提供建議，以減少極端事件所造成的損失。

本文主要針對湖南省極端氣溫事件的時空變化特征進(jìn)行研究，揭示其變化規(guī)律，為極端天氣氣候事件的預(yù)報預(yù)測提供參考依據(jù)。

1　資料與方法

1.1資料

湖南目前共有97個地面氣象站，其中1960年1月1日以前建站89個，為保證資料的連續(xù)性，同時剔除海拔高度1268.5 m的南岳站，共選取符合條件的地面氣象站88個[14]（圖1）?？紤]觀測儀器的更換或觀測臺站的變遷，會影響到觀測資料的均一性，本文采用的數(shù)據(jù)來源于湖南省氣候中心提供的1960年1月1日—2014年12月31日湖南省88個地面氣象站均一性訂正后的逐日最高、最低氣溫資料[15]。

圖1　湖南省88個氣象站點的空間分布

1.2方法

目前，氣候極值的變化研究多采用百分位閾值法作為極端值的閾值法[16]，本文采用的百分位閾值法的定義是：將1960—2014年某臺站的逐日最高（最低）氣溫從低到高進(jìn)行排序，以序列中第10個百分位的氣溫作為該臺站白天（夜晚）的極端低溫閾值；以序列中第90個百分位的氣溫作為該臺站白天（夜晚）的極端高溫閾值。如果某個臺站某日的日最高（低）氣溫低于該站白天（夜晚）的極端低溫閾值，則稱這一天為該臺站的一個冷日（夜）；如果某個臺站某日的日最高（低）氣溫高于該站白天（夜晚）的極端高溫閾值，則稱這一天為該臺站的一個暖日（夜）。分別統(tǒng)計1960—2014年湖南省88個臺站冷暖事件的發(fā)生頻次，采用線性回歸、Mann-Kendall突變、Morlet小波分析等方法對湖南省極端氣溫事件的時間變化趨勢、空間分布特征、突變及周期性進(jìn)行分析。

2　結(jié)果與分析

2.1極端氣溫事件的閾值

從1960—2014年湖南省極端氣溫閾值的空間分布（圖2）可見，暖日閾值的范圍為30.5℃（桂東）～35.3℃（安仁），湘中偏東地區(qū)偏高，湘北地區(qū)以及湘西北、湘西南、湘東南的邊緣地區(qū)偏低；暖夜閾值的范圍為20.8℃（桂東）～26.1℃（衡陽），湘北地區(qū)以及湘中地區(qū)偏高，湘西北、湘西南、湘東南部分地區(qū)偏低；冷日閾值的范圍為7.4℃（城步）～10.3℃（桂東），湘北地區(qū)以及湘西北、湘西南的邊緣地區(qū)偏低，湘北東部、湘東南等邊緣地區(qū)偏高；冷夜閾值的范圍為0.4℃（桂東）～4.1℃（道縣），湘北、湘西北以及湘東南的東部邊緣地區(qū)偏低，湘東南西部地區(qū)偏高。

2.2極端氣溫事件的時間變化

從1960—2014年湖南省暖日、暖夜、冷日和冷夜的年際變化（圖3）可見，暖日、暖夜呈整體上升的線性變化趨勢，其年際變化傾向率分別為0.678 d/ 10 a、2.73 d/10 a，近55 a以來分別增加3.7 d、15 d，其中暖夜的年際變化傾向率通過α=0.01的顯著性檢驗。暖日在20世紀(jì)70年代中期之前為明顯的下降趨勢，70年代中期至80年代末為較弱的上升趨勢，90年代為較弱的下降趨勢，21世紀(jì)開始呈現(xiàn)明顯的上升趨勢；暖夜在20世紀(jì)70年代中期以前為下降趨勢，70年代中期至80年代初期為上升趨勢，80年代初期至90年代初期為較弱的下降趨勢，90年代初期開始呈現(xiàn)明顯的上升趨勢。兩者均在2013年達(dá)到最大值，分別為63.5 d、65.2 d。

冷日、冷夜呈整體下降的線性變化趨勢，其年際變化傾向率分別為-0.45 d/10 a、-2.46 d/10 a，近55 a以來分別減少2.5 d、13.5d，其中冷夜的年際變化傾向率通過α=0.01的顯著性檢驗。冷日在20世紀(jì)70年代初期以前為上升趨勢，70年代為下降趨勢，80年代為較弱的上升趨勢，90年代為下降趨勢，21世紀(jì)開始為較弱的上升趨勢；冷夜在21世紀(jì)以前為明顯的下降趨勢，21世紀(jì)開始呈現(xiàn)較弱的上升趨勢。兩者分別在1999年、2002年達(dá)到最小值，為17.4 d、19.5 d。

圖3　湖南省暖日（a）、暖夜（b）、冷日（c）、冷夜（d）日數(shù)的年際變化

2.4極端氣溫事件的空間分布

從1960—2014年湖南省極端氣溫日數(shù)變化趨勢的空間分布（圖4）可見，大部分地區(qū)的暖日呈上升趨勢，88個統(tǒng)計站點中，有63個站點b＞0，其中湘西北大部分地區(qū)以及湘東南、湘西南部分地區(qū)的增加趨勢明顯，最大值為3.62 d/10 a（炎陵）；有25個站點b＜0，主要分布在湘中偏南部分地區(qū)以及湘北邊緣地區(qū)，最小值為-2.16 d/10 a（岳陽）。4個站點達(dá)到0.05的信度，10個站點達(dá)到0.01的信度（表1）。

大部分地區(qū)的暖夜呈上升趨勢，88個統(tǒng)計站點中，有83個站點b＞0，其中湘東南、湘西南部分地區(qū)的增加趨勢明顯，最大值為10.76 d/10 a（資興）；有5個站點b＜0，主要分布在湘中以及部分邊緣地區(qū)，最小值-2.68 d/10 a（新邵）。20個站點達(dá)到0.05的信度，38個站點達(dá)到0.01的信度。

大部分地區(qū)的冷日呈下降趨勢，88個統(tǒng)計站點中，有76個站點b＜0，其中湘西北以及湘中部分地區(qū)、湘北邊緣地區(qū)下降趨勢明顯，最小值為-1.5 d/10 a（張家界）；有12個站點b＞0，主要分布在湘北東部、湘東南、湘西南等邊緣地區(qū)，最大值為0.35 d/10 a（炎陵）。

88個統(tǒng)計站點的冷夜呈一致的下降趨勢，其中湘北、湘西北地區(qū)下降趨勢明顯，最大值為-4.86 d/ 10 a（慈利）。24個站點達(dá)到0.05的信度，44個站點達(dá)到0.01的信度。

表1　湖南省極端氣溫事件日數(shù)的傾向率及信度水平

圖4　湖南省暖日（a）、暖夜（b）、冷日（c）、冷夜（d）日數(shù)變化趨勢的空間分布

2.5極端氣溫事件的突變分析

利用M-K突變法對1960—2014年湖南省極端氣溫事件日數(shù)進(jìn)行檢驗（圖5），其中平行虛線是顯著性水平α=0.05時，Uα=±1.96的臨界值線。

從暖日的UF曲線可見，20世紀(jì)60年代中期以前，暖日數(shù)為增加趨勢，60年代末至21世紀(jì)初為減少趨勢，21世紀(jì)10年代開始，增加趨勢明顯，根據(jù)UF和UB曲線交點的位置可以判斷暖日數(shù)從2008年開始發(fā)生突變；從暖夜的UF曲線可見，20世紀(jì)60年代暖夜為增加趨勢，70年代為減少趨勢，80年代開始，增加趨勢明顯，根據(jù)UF和UB曲線交點的位置可以判斷暖夜從2003年開始發(fā)生突變，并且2009年開始增加趨勢顯著（超過顯著水平為0.05的臨界線）；從冷日的UF曲線可見，21世紀(jì)以前，冷日為增加趨勢，從21世紀(jì)開始為減少趨勢，突變點不明顯；從冷夜的UF曲線可見，20世紀(jì)80年代以前，冷夜出現(xiàn)增加趨勢，80年代開始逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇p少趨勢，根據(jù)UF和UB曲線交點的位置可以判斷，冷夜從1986年開始發(fā)生突變，并且1998年開始減少趨勢顯著（超過顯著水平為0.05的臨界線）。

圖5　湖南省暖日（a）、暖夜（b）、冷日（c）、冷夜（d）日數(shù)的M-K突變分析

圖6　湖南省暖日（a）、暖夜（b）、冷日（c）、冷夜（d）日數(shù)變化周期的小波分析

2.6極端氣溫事件的小波分析

從1960—2014年湖南省極端氣溫事件日數(shù)變化周期的小波分析（圖6）可見，暖日存在3 a、6 a、10 a、16 a時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩，其中3 a、16 a時間尺度的周期始終存在，且周期振蕩較穩(wěn)定；6 a時間尺度的周期在1960—1975年表現(xiàn)為5 a左右的周期變化，1975—1995年表現(xiàn)為6 a左右的周期變化，1995—2014年表現(xiàn)為7 a左右的周期變化。暖夜存在3 a、10 a、15 a時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩，其中3 a、15 a時間尺度的周期始終存在，且周期振蕩較穩(wěn)定；1980—2014年出現(xiàn)10 a時間尺度的周期變化。冷日存在4 a、7 a、20 a時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩，其中4 a、20 a時間尺度的周期始終存在，且周期振蕩較穩(wěn)定；7 a時間尺度的周期在1960—1975年表現(xiàn)為8 a左右的周期變化，1975—2014年表現(xiàn)為7 a左右的周期變化。冷夜存在4 a、8 a、10 a、19 a時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩，其中19a時間尺度的周期始終存在，且周期振蕩較穩(wěn)定；1975—2014年出現(xiàn)4 a左右的周期變化；1960—1975年出現(xiàn)8 a左右的周期變化；1985—2014年出現(xiàn)10 a左右的周期變化。

3　結(jié)論

本文采用湖南省88個地面氣象站點1960—2014年的逐日最高氣溫、最低氣溫的均一化資料，運用線性回歸、M -K突變檢驗、Morlet小波分析等方法分析了湖南省近55 a極端氣溫事件的時空變化特征。研究表明：

（1）湖南省暖日、暖夜整體上升，其年際變化傾向率分別為0.678 d/10 a、2.73 d/10 a，近55 a以來分別增加3.7 d、15 d，其中暖夜的年際變化傾向率通過α=0.01的顯著性檢驗；冷日、冷夜整體下降，其年際變化傾向率分別為-0.45 d/10 a、-2.46 d/10 a，近55 a以來分別減少2.5 d、13.5 d，其中冷夜的年際變化傾向率通過α=0.01的顯著性檢驗。夜間增暖幅度明顯大于白天增暖幅度。

（2）湘西北、湘西南以及湘東南部分地區(qū)暖日、暖夜的上升趨勢明顯，湘中以及部分邊緣地區(qū)有所下降。湘西北、湘中部分地區(qū)以及湘北邊緣地區(qū)下降趨勢明顯，湘北東部地區(qū)、湘東南部分地區(qū)以及湘西南邊緣地區(qū)冷日有所上升；湘北、湘西北地區(qū)冷日的下降趨勢明顯。

（3）暖日、暖夜、冷夜有明顯的階段性變化，其突變檢驗特征較明顯，暖日、暖夜分別在2008、2003年突變增加，冷夜在1986年突變減少。

（4）暖日主要存在3 a、6 a、10 a、16 a時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩，暖夜主要存在3 a、10 a、15 a時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩，冷日主要存在4 a、7 a、20 a時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩，冷夜主要存在4 a、8 a、10 a、19 a時間尺度的準(zhǔn)周期振蕩。

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Characteristics Analysison Extreme Temperaturein Hunan Provincein Recent55 Years

ZHU Xinwei1，2，YE Chengzhi3，PENG Jingjing4，CAIHaichao5
（1.SchoolofAtmospheric Science，Nanjing University，Nanjing210093，China；2.Hunan MeteorologicalBureau，Changsha410118，China；3.Hunan MeteorologicalObservatory，Changsha410118，China；4.Changsha MeteorologicalBureau，Changsha410205，China；5.LoudiMeteorologicalBureau，Loudi417000，China）

AbstractBased on the daily maximum temperature and minimum airtemperature data covered 88 observation stationsin Hunan provinceduring1960 to2014，byuseofregression analysis,Mann-Kendalland waveletanalysismethodsand percentagethreshold method,which can define thewarm day,warm night,cold day,cold night,thespatialand temporalvariabilityofextremeairtemperature in thepast55 yearsin Hunan province wasanalyzed.The resultsshowed that（1）the occurrenceof warm days and nights increased significantly with 0.68 and 2.73 d/10 a,while the occurrence of cold days and nights decreased significantly with -0.45 and -2.46 d/10 a.The warming in night increased significantly；（2）Both warm days and warm nights increased,while cold days and cold nightsdecreased in mostparts,especially in the northwest,southwestand southeastpartsofHunan province；（3）W arm days,warm nights,cold nightsexisted abruptchange in 2008,2003 and 1986；（4）Extremetemperaturein Hunan provincehad differentperiod in differentyears.

Key wordsextremetemperature；spatialand temporaldistribution；featureanalysis；Hunan

中圖分類號：P468.021

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1002-0799（2016）02-0082-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.013

收稿日期：2015-11-09；修回日期：2015-11-30

基金項目：財政部/科技部公益類行業(yè)專項（GYHY201306016）和湖南省氣象局短平快課題（XQKJ15B009）項目共同資助。

作者簡介：朱歆煒（1983-），男，工程師，主要從事天氣氣候研究工作。E-mail：jared_zhu@qq.com