魯中地區(qū)極端高溫變化特征分析

環(huán)海軍，張繼波，劉 巖，張 琴，夏福華

（1.淄博市氣象局，山東 淄博255048；2.山東省氣候中心，山東 濟(jì)南250031）

氣候變化是導(dǎo)致人類遭受災(zāi)害影響的因素之一[1-4]，人類活動(dòng)對(duì)全球氣候變化的影響是目前研究的主要內(nèi)容，很多研究關(guān)注氣溫的長(zhǎng)期變化，近百年來，全球氣溫顯著上升，1880—2012 年全球平均地表氣溫上升了0.85 ℃，中國(guó)陸地區(qū)域平均增溫0.9～1.5 ℃。IPCC （Intergovemmental Panel on Climate Change，政府間氣候變化專門委員會(huì)）第五次評(píng)估報(bào)告指出，未來氣候變暖將持續(xù)，將給經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來越來越顯著的影響，并成為人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的風(fēng)險(xiǎn)，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[5]。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于極端氣溫研究主要包括極端氣溫指數(shù)、極端氣溫變化趨勢(shì)、極端氣溫成因及極端氣溫對(duì)人體健康的影響等方面。在極端氣溫指數(shù)方面，姜榮等[6-10]對(duì)上海市、湖南省、河北省等區(qū)域的極端氣溫指數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，極端高溫指數(shù)均呈上升趨勢(shì)，多數(shù)地區(qū)極端低溫指數(shù)呈下降趨勢(shì)。在極端氣溫變化趨勢(shì)方面，任福民等[11-14]對(duì)中國(guó)及各區(qū)域極端氣溫進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，各區(qū)域極端高溫和低溫呈非顯著性增高趨勢(shì)，高溫升高趨勢(shì)顯著，尤其近10 年以來，空間差異較大，未出現(xiàn)明顯突變年份。在極端氣溫成因及極端氣溫對(duì)人體健康的影響方面，Lu and Chen[15]研究了中國(guó)高溫頻率的長(zhǎng)期趨勢(shì)和年代際變化，同時(shí)討論了環(huán)流、海溫等因子對(duì)高溫天氣的影響；王玉等[16]對(duì)中國(guó)東部地區(qū)氣溫變化與Hadley 環(huán)流強(qiáng)度的關(guān)系分析表明，中國(guó)東部大部分地區(qū)氣溫的年代際變化能用Hadley 環(huán)流強(qiáng)度變化較好地解釋，二者呈正相關(guān)；Medina- Ramon and Schwartz[17]對(duì)50 個(gè)美國(guó)城市的研究表明，極端高溫事件增加了5.74%的死亡率。

研究表明，山東省年最高氣溫呈升高趨勢(shì)，氣候傾向率為0.4 ℃·（10 a）-1（P<0.05），年最高氣溫的高值區(qū)主要分布在魯中地區(qū)、魯西南和魯西北。本文研究的魯中地區(qū)地處山東中部，南部為沂蒙山區(qū)，北部為臨黃河平原，是山東主要的工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)地，屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，是山東主要高溫區(qū)之一，受季風(fēng)影響，氣候變化具有明顯的季節(jié)性：冬季盛行偏北風(fēng)，雨雪稀少，寒冷干燥；春季氣溫回升快，少雨多風(fēng)，干旱發(fā)生頻繁；夏季高溫高濕，降水集中；秋季降水銳減，秋高氣爽。已有研究表明該地區(qū)年季平均氣溫均呈上升趨勢(shì)，其中冬季增暖最明顯[18]，目前針對(duì)該地區(qū)極端高溫變化特征的研究較少，故本文采用多個(gè)極端高溫指標(biāo)從多個(gè)角度研究極端高溫的時(shí)空變化規(guī)律，為極端高溫的預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)，從而減少由極端高溫造成的損失。

1 資料與方法

1.1 資料來源

資料來源于1966—2015 年山東122 個(gè)國(guó)家級(jí)氣象觀測(cè)站日最高氣溫和魯中地區(qū)8 個(gè)氣象站日最高氣溫、日最低氣溫和相對(duì)濕度氣象觀測(cè)資料，數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴(yán)格質(zhì)量控制，對(duì)數(shù)據(jù)異常值作缺測(cè)處理，數(shù)據(jù)缺失2 d 內(nèi)的運(yùn)用前后資料進(jìn)行插補(bǔ)。研究區(qū)域和站點(diǎn)分布見圖1，圖1a 中陰影部分為研究區(qū)域，地形包括平原和山區(qū)，圖1b 陰影部分為山區(qū)。

1.2 研究方法

基于氣象數(shù)據(jù)采用氣候傾向率、M-K 突變檢驗(yàn)和小波分析等方法分析極端高溫天氣的時(shí)間變化趨勢(shì)，利用經(jīng)驗(yàn)正交分解法（EOF）分析空間變化特征。基于公式和閾值法統(tǒng)計(jì)高溫日數(shù)、極端高溫日數(shù)、暖夜日數(shù)、炎熱日數(shù)、高溫?zé)崂巳諗?shù)。

1.2.1 高溫日數(shù)

參考中國(guó)氣象局對(duì)極端高溫的定義，≥35 ℃為高溫天氣，高溫日數(shù)即日最高氣溫≥35 ℃的日數(shù)。

1.2.2 極端高溫閾值及日數(shù)

采用百分位法確定極端高溫閾值，即取氣候標(biāo)準(zhǔn)期（1981—2010 年）內(nèi)任一高溫指標(biāo)每年的極值和次極值，構(gòu)建一個(gè)包含60 個(gè)樣本的序列，對(duì)序列從小到大排列，取第95 百分位數(shù)作為偏大的極端閾值，計(jì)算方法見《極端高溫監(jiān)測(cè)指標(biāo)》[19]。極端高溫日數(shù)即日最高氣溫大于極端高溫閾值的日數(shù)。

1.2.3 暖夜日數(shù)

研究表明，安靜時(shí)人體在28 ℃氣溫時(shí)產(chǎn)熱量明顯增加，此后產(chǎn)熱量隨著氣溫升高而增加，進(jìn)而影響人體代謝[20]，參考?xì)夂蜃兓瘜?duì)暖夜的定義，本文定義夜間氣溫（即日最低氣溫）≥28 ℃為一個(gè)暖夜日。

1.2.4 炎熱日數(shù)

為了直觀表征氣象環(huán)境對(duì)人體舒適度的影響，運(yùn)用Bosen 修正的炎熱指數(shù)公式[20-22]，參照姜榮等[7]關(guān)于炎熱指數(shù)的定義，計(jì)算最高氣溫＞33 ℃的炎熱指數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行排序，選50 百分位數(shù)作為當(dāng)?shù)氐难谉崤R界值。

式中，ET為炎熱指數(shù)（單位：℃），Ta為日最高氣溫（單位：℃），RH 為空氣相對(duì)濕度（單位：%）。

1.2.5 高溫?zé)崂酥笖?shù)

高溫?zé)崂酥竿ǔＧ闆r下氣溫高、濕度大且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，使人體感覺不舒適，并可能威脅公共健康和生命安全、增加能源消耗、影響社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的天氣過程，其計(jì)算指數(shù)見式（3），熱浪分級(jí)指標(biāo)見表1[21]。

式中，E′T為炎熱臨界值，ETi為當(dāng)日之前第i 日的炎熱指數(shù)，di為當(dāng)日之前第i 日距當(dāng)日的日數(shù)，N 為炎熱天氣過程的持續(xù)時(shí)間（單位：d）。

2 結(jié)果分析

2.1 極端高溫時(shí)空變化規(guī)律

圖1 研究區(qū)域（a）及站點(diǎn)（b）分布

表1 高溫?zé)崂说燃?jí)劃分及說明用語

魯中地區(qū)1966—2015 年最高氣溫隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2。由圖可知，近50 a 來，年最高氣溫隨時(shí)間變化呈增加趨勢(shì)，氣候傾向率為0.1 ℃·（10 a）-1（顯著性檢驗(yàn)P>0.05），平均年最高氣溫為37.6 ℃，最高值為40.7 ℃，最低值為35.4 ℃。通過突變檢驗(yàn)分析可知，年最高氣溫變化無明顯突變時(shí)間點(diǎn)，從10 a 滑動(dòng)平均值來看，近20 a 年最高氣溫增加趨勢(shì)明顯，尤其在20 世紀(jì)90 年代以后。年最高氣溫小波分析功率譜圖見圖3。由圖可知，年最高氣溫有6 a左右的主要變化周期。

對(duì)年最高氣溫進(jìn)行EOF 分解[23]，其第一、二特征向量及其主成分分析見圖4。由圖可知，魯中地區(qū)年最高氣溫隨時(shí)間變化的主要空間特征一致，第一特征向量貢獻(xiàn)率為85%，隨時(shí)間呈升高趨勢(shì)。第二特征向量貢獻(xiàn)率為5%，圖4c 表明南部山區(qū)和中北部平原在空間變化上存在相反的變化規(guī)律，其主成分隨時(shí)間變化呈弱降低趨勢(shì)。

2.2 高溫日數(shù)時(shí)空變化規(guī)律

年高溫日數(shù)時(shí)空變化規(guī)律如圖5。由圖5a 可知，年高溫日數(shù)隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)，從10 a 滑動(dòng)平均年高溫日數(shù)可知，20 世紀(jì)90 年代以后年高溫日數(shù)顯著增加，1997 年高溫日數(shù)最多，平均為25 d。由圖5b 可知，年高溫日數(shù)由中部向南北兩側(cè)遞減，南部山區(qū)年高溫日數(shù)較中北部平原偏少，其中，最南部沂源年高溫日數(shù)最少為3.6 d，中部淄博最多為14.9 d。

2.3 極端高溫日數(shù)

極端高溫閾值、歷史超過閾值日期及幅度如下表2。由表可知，南部山區(qū)極端高溫閾值較中北部平原偏低。歷史共有5 次超過極端高溫閾值，其中3 次出現(xiàn)在2000 年以后，2005 年出現(xiàn)6 站次，平均偏高幅度為1.1 ℃。平原地區(qū)共出現(xiàn)16 站次，平均偏高幅度為0.8 ℃，山區(qū)共出現(xiàn)6 站次，平均偏高幅度為0.7 ℃。極端高溫易出現(xiàn)在6 月下旬至7 月上中旬。

2.4 暖夜日數(shù)時(shí)空變化規(guī)律

圖2 年最高氣溫時(shí)間變化規(guī)律（a）和累積距平（b）

圖3 年最高氣溫小波分析

圖4 年最高氣溫EOF 分解第一特征（a）、第二特征向量（c）及其主成分變化趨勢(shì)（b，d）分析

圖5 高溫日數(shù)時(shí)間（a）和空間（b）變化規(guī)律

暖夜日數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律見圖6。由圖6a 可知，暖夜日數(shù)在1990 年之前（除1966 年外）較少，但1990 年以后明顯增多，其中，2005 年暖夜日數(shù)最多，平均為2.9 d。由圖6b 可知，年暖夜日數(shù)由中部向兩側(cè)遞減，南部山區(qū)最少，平均年暖夜日數(shù)為0.1 d，中部淄博最多，平均年暖夜日數(shù)為1 d。近年來，暖夜日數(shù)的增多，對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響。

2.5 炎熱日數(shù)時(shí)空變化規(guī)律

炎熱指數(shù)表征了氣象環(huán)境對(duì)人體舒適度的影響，炎熱日數(shù)的時(shí)空變化規(guī)律見圖7。由圖7a 可知，炎熱日數(shù)隨時(shí)間呈上升趨勢(shì)，在1994 年達(dá)最多，平均為31.3 d。由圖7b 可知，年炎熱日數(shù)最多出現(xiàn)在中部地區(qū)，淄博最多為18.8 d，南部山區(qū)最少，沂源最少為7.3 d。

2.6 高溫?zé)崂巳諗?shù)時(shí)空變化規(guī)律

高溫?zé)崂酥笖?shù)綜合了炎熱及其累積效應(yīng)，能反應(yīng)高溫強(qiáng)度及其累積對(duì)社會(huì)的影響，不同級(jí)別高溫?zé)崂巳諗?shù)時(shí)空變化規(guī)律見圖8。由圖8a、8c 可知，年輕度和中度高溫?zé)崂巳諗?shù)隨時(shí)間呈增加趨勢(shì)，在1990 年之后上升趨勢(shì)明顯。由圖8b、8d 可知，年輕度高溫?zé)崂巳諗?shù)最多出現(xiàn)在中部平原，中度高溫?zé)崂巳諗?shù)出現(xiàn)在中北部平原，南部山區(qū)最少。

表2 極端高溫閾值和超過閾值幅度及日期分布

年重度高溫?zé)崂嗽?973—1996 年期間未出現(xiàn)（圖8e），但在1997 年之后頻繁出現(xiàn)，2005 年除南部山區(qū)博山和沂源未出現(xiàn)重度高溫?zé)崂颂鞖馔?，其他地區(qū)均出現(xiàn)2 d 重度高溫?zé)崂颂鞖狻Ｓ蓤D8f 可知，年重度高溫?zé)崂巳諗?shù)最多出現(xiàn)在中部地區(qū)，南部山區(qū)無重度高溫?zé)崂颂鞖獍l(fā)生。

3 結(jié)論

（1）山東省年最高氣溫呈顯著升高趨勢(shì)，高值區(qū)主要分布在魯中地區(qū)、魯西南和魯西北。魯中地區(qū)年最高氣溫隨時(shí)間變化呈增加趨勢(shì)，近20 a 增加趨勢(shì)明顯，無明顯突變年份，有6 a 左右的主要變化周期。年最高氣溫的主要空間變化規(guī)律一致，但南部山區(qū)和中北部平原在部分年份的變化上存在差異。

（2）近50 a 來，淄博市極端高溫天氣呈增強(qiáng)趨勢(shì)，尤其在1990 年以后，年炎熱日數(shù)和輕度高溫?zé)崂巳諗?shù)最多出現(xiàn)在1994 年，年高溫日數(shù)最多出現(xiàn)在1997 年，年極端高溫、暖夜日數(shù)和重度高溫?zé)崂巳諗?shù)均出現(xiàn)在2005 年。極端高溫天氣出現(xiàn)在6 月下旬至7 月上旬的概率較大。

（3）淄博市極端高溫天氣主要發(fā)生在中北部地區(qū)，中部地區(qū)發(fā)生概率最高，南部山區(qū)較少。近50 a來南部山區(qū)無重度高溫?zé)崂颂鞖獍l(fā)生。

圖6 暖夜日數(shù)時(shí)間（a）和空間（b）變化規(guī)律

圖7 炎熱日數(shù)時(shí)間（a）和空間（b）變化規(guī)律

圖8 輕度（a、b）、中度（c、d）和重度（e、f）高溫?zé)崂巳諗?shù)時(shí)空變化規(guī)律

4 討論

本文研究了山東主要高溫區(qū)魯中地區(qū)極端高溫的變化特征，結(jié)果顯示，山東地區(qū)年最高氣溫的增加幅度較黃淮海平原和黃河流域偏大[9，12]，魯中地區(qū)增加趨勢(shì)更顯著，極端高溫指數(shù)在20 世紀(jì)90 年代后顯著增多，山區(qū)較平原增加幅度緩慢，各極端高溫指數(shù)最多出現(xiàn)年份不一致，這與上海地區(qū)相關(guān)研究結(jié)果不同，其中，最多年暖夜日數(shù)較上海地區(qū)偏少幅度較大，最多年高溫日數(shù)較上海地區(qū)略偏少，但最多年炎熱日數(shù)和高溫?zé)崂巳諗?shù)較上海地區(qū)略偏多[6]，說明不同極端氣溫指數(shù)在不同地區(qū)表現(xiàn)不一致，魯中地區(qū)綜合極端高溫指數(shù)的顯著增加對(duì)當(dāng)?shù)鼐用裆瞽h(huán)境有不利影響。同時(shí)，研究表明，魯中地區(qū)極端高溫易出現(xiàn)在6 月下旬—7 月上旬，該地區(qū)應(yīng)在相關(guān)時(shí)段因地制宜地采取有效的熱環(huán)境改善措施。目前，全球氣溫顯著上升，極端高溫事件頻發(fā)[1-5]，但存在區(qū)域化差異，故結(jié)合不同區(qū)域氣象要素研究精細(xì)化的極端高溫變化規(guī)律，合理規(guī)劃城市和各類產(chǎn)業(yè)布局，為有效避免極端高溫帶來的不利影響提供基礎(chǔ)。