1961—2017 年華北地區(qū)溫度相關(guān)高影響天氣氣候事件變化特征分析

邢 佩，楊若子，杜吳鵬，軒春怡，黨 冰，熊飛麟

（北京市氣候中心，北京 100089）

當(dāng)前全球氣候系統(tǒng)正經(jīng)歷著以變暖為主要特征的顯著變化，氣候風(fēng)險(xiǎn)日益加劇，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展造成了深遠(yuǎn)影響。在持續(xù)的氣候變化背景下，特別是近幾十年來，極端天氣氣候事件頻率增多、強(qiáng)度加劇，并將繼續(xù)對(duì)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人體健康等產(chǎn)生巨大影響[1]。對(duì)中國(guó)極端氣候事件的研究顯示，總體而言，與高溫相關(guān)的極端天氣氣候事件頻率和強(qiáng)度有所增加，與低溫有關(guān)的極端事件總體減少[2-3]。然而，不同類型和不同區(qū)域的極端氣候變化特征存在明顯差異[2]。例如，極端低溫下降趨勢(shì)較為明顯的區(qū)域集中在東北南部、華北、西北東部、華東、華中、西南及高原地區(qū)[4-5]。而極端高溫事件在華南、西南、西北、華北等地區(qū)增加明顯[6-7]。因此，從區(qū)域角度研究極端天氣氣候事件的響應(yīng)更為必要[8]。

華北地區(qū)自北向南跨越寒溫帶、中溫帶和暖溫帶，有城市群、平原、山地、高原、草原和荒漠等，氣候條件和經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平差異大，是我國(guó)典型的人口與資源、環(huán)境矛盾突出的區(qū)域，也是氣候變化影響的敏感區(qū)和脆弱區(qū)。過去已有學(xué)者分別對(duì)京津冀、內(nèi)蒙古、山西等地區(qū)開展了極端氣候事件特征分析，發(fā)現(xiàn)極端高溫和極端低溫變化趨勢(shì)明顯，但在空間上存在較大差異[9-13]。例如，氣候變暖使得整個(gè)華北平原的低溫事件頻率和強(qiáng)度減小，而高溫事件頻率和強(qiáng)度增加則主要體現(xiàn)在京津冀地區(qū)[10]；北京極端氣溫事件變化特征結(jié)果表明，極端氣溫冷指數(shù)、夜指數(shù)、低溫指數(shù)的快速變化是北京市氣候暖化的最直接體現(xiàn)[11]。各要素指標(biāo)的變化幅度在不同區(qū)域存在較大的差異，這種定量化差異可以反映不同區(qū)域?qū)夂蚺憫?yīng)方式的不同。但由于先前的研究在站點(diǎn)覆蓋范圍、觀測(cè)時(shí)段、觀測(cè)數(shù)據(jù)類型（是否均一化處理）等方面較為零散和不一致，相關(guān)定量化的研究結(jié)果無法在不同地區(qū)之間進(jìn)行橫向比較，目前對(duì)華北地區(qū)溫度相關(guān)極端氣候事件的變化規(guī)律尚沒有一個(gè)較為全面的認(rèn)識(shí)。因此，十分有必要對(duì)華北地區(qū)溫度相關(guān)高影響天氣氣候事件的時(shí)空變化特征進(jìn)行分析，尤其是不同區(qū)域間的對(duì)比，這是應(yīng)對(duì)氣候變化工作的基礎(chǔ)。本文基于華北地區(qū)85 個(gè)氣象站均一化數(shù)據(jù)，評(píng)估了溫度極值、高溫?zé)崂?、寒潮、霜凍等溫度相關(guān)的典型高影響天氣氣候事件，以期為相關(guān)部門開展適應(yīng)對(duì)策研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 資料選取

資料源自中國(guó)氣象局國(guó)家氣象信息中心提供的地面均一化日值數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集經(jīng)過了嚴(yán)格的質(zhì)量控制，并采用了近年來國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的RHtest 均一性檢驗(yàn)訂正方法，相關(guān)研究表明該方法已被成功地運(yùn)用于對(duì)氣候資料序列的均一化研究，取得了較好的效果[14-16]。根據(jù)站點(diǎn)分布、時(shí)間序列長(zhǎng)度、站點(diǎn)代表性等方面的綜合因素考慮，采用較為嚴(yán)格的代表站點(diǎn)挑選原則，挑選出華北地區(qū)代表氣象站點(diǎn)共85 個(gè)，其中北京市3 個(gè)、天津市2 個(gè)、河北省16 個(gè)、山西省22 個(gè)和內(nèi)蒙古自治區(qū)42 個(gè)，空間分布如圖1 所示。研究時(shí)段為1961—2017 年。

圖1 選用的華北地區(qū)氣象站點(diǎn)空間分布

1.2 指標(biāo)定義和方法

本文涉及的溫度相關(guān)典型高影響天氣氣候事件的具體判定標(biāo)準(zhǔn)見表1。其中，高溫?zé)崂说呐卸▍⒖嫉氖菄?guó)家標(biāo)準(zhǔn)《高溫?zé)崂说燃?jí)（GB/T 29457—2012）》[17]，除了溫度外，還綜合考慮了濕度，使用炎熱指數(shù)作為評(píng)價(jià)氣象環(huán)境對(duì)人體舒適感影響的綜合氣象指標(biāo)，炎熱臨界值采用分位數(shù)的方法來計(jì)算。本文基于線性傾向估計(jì)法、顯著性檢驗(yàn)、反距離加權(quán)插值法等常用統(tǒng)計(jì)方法，分析了溫度相關(guān)典型高影響天氣氣候事件的時(shí)間和空間變化特征。

表1 溫度相關(guān)的典型高影響天氣氣候事件的判定標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果分析

2.1 年平均最高（低）氣溫

華北地區(qū)年平均最高氣溫整體呈明顯增加趨勢(shì)（0.27 ℃/10 a），各站點(diǎn)也呈增加趨勢(shì)（圖2a）。河北南部的趨勢(shì)值較?。?0.15 ℃/10 a），內(nèi)蒙古中部及北部部分地區(qū)和山西部分地區(qū)最高氣溫增加較明顯（＞0.25 ℃/10 a），山西吉縣趨勢(shì)值最大（0.50 ℃/10 a），內(nèi)蒙古蘇尼特左旗次之（0.42 ℃/10 a），河北南宮趨勢(shì)值最小（0.08 ℃/10 a）。

圖2 1961—2017 年華北地區(qū)年平均最高氣溫（a）、最低氣溫（b）和日較差（c）的逐年變化及其變化趨勢(shì)的空間分布（黑線為線性趨勢(shì)線，藍(lán)線為11 a 滑動(dòng)平均曲線，×表示通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)）

華北地區(qū)年平均最低氣溫整體也呈明顯增暖的趨勢(shì)（0.45 ℃/10 a），由空間分布可知，除山西省榆社和內(nèi)蒙古崗子站呈減少趨勢(shì)外，其他地區(qū)均呈增加趨勢(shì)（圖2b）。其中，山西大部、河北南部及其北部部分地區(qū)和內(nèi)蒙古東南部最低氣溫變化趨勢(shì)≤0.4 ℃/10 a，山西東北部、河北中部、京津地區(qū)和內(nèi)蒙古大部最低氣溫變化趨勢(shì)值為0.4～0.8 ℃/10 a，內(nèi)蒙古小二溝趨勢(shì)值最大，為0.78 ℃/10 a。

華北地區(qū)年平均最高氣溫、最低氣溫均呈增加趨勢(shì)，且最低氣溫上升最明顯，因此導(dǎo)致年平均日較差整體呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)（-0.18 ℃/10 a）（圖2c）?？臻g分布上，除山西西部及其東南部和內(nèi)蒙古東南部部分地區(qū)年平均日較差的趨勢(shì)值為正外，其他大部分地區(qū)趨勢(shì)值為負(fù)，其中，內(nèi)蒙古小二溝年平均日較差減少趨勢(shì)最明顯（-0.58 ℃/10 a）。

2.2 高溫?zé)崂?/h3>

華北地區(qū)高溫?zé)崂巳諗?shù)呈明顯增加趨勢(shì)，為0.44 d/10 a（圖3）。1997 年以來平均高溫?zé)崂巳諗?shù)的增多更顯著，其中超過5 d 的共有9 a，依次是1997 年（9.1 d）、1999 年（6.9 d）、2000 年（7.2 d）、2001年（6.5 d）、2002 年（6.2 d）、2005 年（7.4 d）、2010 年（8.2 d）、2016 年（5.4 d）和2017 年（9.5 d），此前只有1972 年（6.3 d）。

圖3 1961—2017 年華北地區(qū)平均高溫?zé)崂巳諗?shù)的逐年變化

華北地區(qū)累計(jì)高溫?zé)崂巳諗?shù)的空間分布顯示，內(nèi)蒙古西部、山西南部、河北大部和京津地區(qū)高溫?zé)崂巳諗?shù)在200 d 以上（圖4a）。其中山西西南部在200～400 d，河北南部在400～600 d，內(nèi)蒙古西部＞600 d（最大值拐子湖站為1 120 d），而華北其他大部分地區(qū)≤200 d。

圖4 1961—2017 年華北地區(qū)累計(jì)高溫?zé)崂巳諗?shù)的空間分布（a）以及平均高溫?zé)崂巳諗?shù)變化趨勢(shì)的空間分布（b）

從平均高溫?zé)崂巳諗?shù)變化趨勢(shì)的空間分布可知，除河北南部部分地區(qū)趨勢(shì)值為負(fù)外，華北大部分地區(qū)高溫?zé)崂巳諗?shù)呈增加趨勢(shì)，其中內(nèi)蒙古西部及二連浩特附近地區(qū)趨勢(shì)值≥1.0 d/10 a，拐子湖最大，為1.8 d/10 a（圖4b）。

2.3 低溫

華北地區(qū)平均年極端最低氣溫呈升高趨勢(shì)（0.53 ℃/10 a），并通過了0.05 的顯著性檢驗(yàn)；平均冷夜天數(shù)呈下降趨勢(shì)（-4.7 d/10 a），暖夜天數(shù)呈上升趨勢(shì)（3.8 d/10 a），均通過了0.001 的顯著性檢驗(yàn)；平均冷日天數(shù)呈下降趨勢(shì)（-2.4 d/10 a），通過了0.01 的顯著性檢驗(yàn)（圖5）。冷夜日數(shù)下降快于冷日，冷夜的線性變化趨勢(shì)更明顯，但在1987 年之后冷夜日數(shù)下降趨勢(shì)減弱，且維持低位波動(dòng)。

圖5 1961—2017 年華北地區(qū)平均年極端最低氣溫（a）、冷夜（b）、暖夜（c）、冷日（d）天數(shù)的逐年變化

2.4 寒潮

2.4.1 寒潮頻次

從華北地區(qū)平均寒潮頻次的年際變化（圖6）可知，1965 年最多，達(dá)12.6 次，2007 年最少，為7.0 次；整體呈現(xiàn)明顯減少的變化趨勢(shì)（-0.5 次/10 a），通過了0.001 的顯著性檢驗(yàn)。

圖6 1961—2017 年華北地區(qū)平均寒潮頻次的逐年變化

華北地區(qū)年平均寒潮頻次呈“北部多、南部少”的空間分布（圖7a）。內(nèi)蒙古北部及其中部寒潮頻次在12 次以上，其中，圖里河最多，達(dá)29.6 次；內(nèi)蒙古西部和東部偏南地區(qū)、山西北部、河北西北部和東北部大部、北京北部為6～12 次；河北中南部和山西西南部少于6 次，其中天津市城市氣候監(jiān)測(cè)站最少，為1.2 次。從空間分布看，除山西南部以及其它局部地區(qū)寒潮頻次趨勢(shì)值為正外，華北地區(qū)絕大多數(shù)地區(qū)呈減少的變化趨勢(shì)，其中內(nèi)蒙古小二溝減少最明顯，為-2.1 次/10 a（圖7b）。

圖7 1961—2017 年華北地區(qū)年平均寒潮頻次（a）及其變化趨勢(shì)（b）的空間分布

2.4.2 寒潮強(qiáng)度

圖8a 是華北地區(qū)由寒潮引起的日最低氣溫最大降溫幅度的空間分布。山西南部、內(nèi)蒙古東南部和河北東部沿海等局部地區(qū)日最低氣溫最大降幅<21 ℃，內(nèi)蒙古西部偏南地區(qū)及東部偏北地區(qū)、山西中部、河北大部及京津大部最大降幅為21～23 ℃，內(nèi)蒙古中西部及其北部部分地區(qū)最大降幅＞23 ℃，其中右玉最大，為35.7 ℃，出現(xiàn)在1971 年1 月18—21 日。

圖8 1961—2017 年華北地區(qū)寒潮引起的日最低氣溫最大降幅（a）以及年最低氣溫最小值（b）

華北地區(qū)寒潮引起的極端最低氣溫隨著緯度的增加而降低，其中內(nèi)蒙古北部和中部偏北地區(qū)最低氣溫≤-35 ℃，內(nèi)蒙古東部和西部、山西北部在-35～-31 ℃，山西北部、河北北部、北京北部地區(qū)和內(nèi)蒙古西南部和東南局部地區(qū)在-31～-27 ℃，河北中南部、山西中南部、北京南部和天津地區(qū)≥-27 ℃（圖8b）。

2.5 霜凍

華北地區(qū)平均霜凍日數(shù)以3.5 d/10 a 的速率減少，20 世紀(jì)80 年代之后減少趨勢(shì)尤為明顯；空間上，除山西西北部和內(nèi)蒙古東南部個(gè)別地區(qū)外，華北大部分地區(qū)霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)，減少速率均≥1 d/10 a（圖9）。

圖9 1961—2017 年華北地區(qū)霜凍日數(shù)的年際變化及變化趨勢(shì)的空間分布

2.6 不同分區(qū)的變化特征對(duì)比

為了更清楚地了解華北地區(qū)內(nèi)部差異，針對(duì)不同省份（直轄市），對(duì)以上溫度相關(guān)高影響天氣氣候事件的變化特征進(jìn)行歸納和對(duì)比。由于內(nèi)蒙古自治區(qū)東西跨度大，因此按照最新的《氣象地理區(qū)劃規(guī)范》劃分為內(nèi)蒙古西部、中部、東部。表2 為華北地區(qū)不同分區(qū)各要素指標(biāo)的線性變化趨勢(shì)的對(duì)比。

表2 1961—2017 年華北地區(qū)不同分區(qū)各要素指標(biāo)的線性變化趨勢(shì)

從分區(qū)統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表2）來看，盡管對(duì)不同區(qū)域而言，各要素指標(biāo)具有較為一致的趨勢(shì)特征，但其變化幅度卻存在較大差異。其中，內(nèi)蒙古西部的年平均氣溫和內(nèi)蒙古中部的最高氣溫以及寒潮頻次的變化速率最大，內(nèi)蒙古東部的冷日和冷夜的變化速率最??；天津的最低氣溫、日較差的變化速率最大，且多種溫度相關(guān)高影響天氣氣候事件（如高溫日數(shù)、高溫?zé)崂巳諗?shù)、暖日、冷夜、暖夜、霜凍日數(shù)）的變化幅度最大；河北的最高溫、高溫日數(shù)、高溫?zé)崂巳諗?shù)、暖日的變化速率最?。簧轿髟诙鄠€(gè)要素指標(biāo)方面（如年平均氣溫、最低氣溫、日較差、暖夜、寒潮頻次、霜凍日數(shù)）的變化速率最小。從各要素的變化趨勢(shì)絕對(duì)值大小的分布可以看出華北地區(qū)不同分區(qū)對(duì)氣候變化的響應(yīng)差異，其中天津最敏感，其次是內(nèi)蒙古西部；山西最不敏感（尤其是對(duì)低溫相關(guān)要素指標(biāo)），其次是河北（尤其是對(duì)高溫相關(guān)要素指標(biāo)）。

3 討論

本文中的年平均高溫?zé)崂巳諗?shù)在20 世紀(jì)90 年代之后明顯增加，這與先前在華北地區(qū)或全國(guó)開展的研究結(jié)果一致[19-21]。沈皓俊等[21]研究發(fā)現(xiàn)我國(guó)高溫日數(shù)和熱浪指數(shù)的突變點(diǎn)均集中在20 世紀(jì)90年代中后期，這一現(xiàn)象可能是太平洋年代際振蕩（PDO）、印度洋—太平洋暖池和ENSO 等信號(hào)共同作用的結(jié)果[22]。與低溫相關(guān)的高影響天氣氣候事件，如冷夜天數(shù)、冷日天數(shù)、寒潮、霜凍等，均呈明顯減少趨勢(shì)，這一特征基本與河北、內(nèi)蒙古以及全國(guó)大部分地區(qū)的研究結(jié)果一致[3，9，12，23]。但就變化幅度，在全國(guó)范圍內(nèi)，華北地區(qū)是冬半年極端低溫減小趨勢(shì)最為顯著的區(qū)域之一[24-25]。此外，華北地區(qū)極端氣溫變化具有明顯的冷暖不對(duì)稱、晝夜不對(duì)稱的特征。晝（夜）、冷（暖）差異對(duì)比顯示（表3），在晝夜指標(biāo)上華北地區(qū)極端氣溫變化與長(zhǎng)江流域[26]、中國(guó)[27]、全球[28]變化具有一致性，即華北地區(qū)不同分區(qū)的暖夜上升幅度均大于暖日上升幅度，冷夜下降幅度均大于冷日下降幅度；而在冷暖指標(biāo)上，華北地區(qū)極端氣溫變化具有區(qū)域差異性，即內(nèi)蒙古中部、內(nèi)蒙古東部、北京、天津的暖日上升幅度大于冷日下降幅度，內(nèi)蒙古全區(qū)的暖夜上升幅度大于冷夜下降幅度，其他分區(qū)則呈現(xiàn)相反特征，即與長(zhǎng)江流域、中國(guó)、全球變化不一致。綜上，內(nèi)蒙古中部和東部的極端氣溫變化更具有典型性，與長(zhǎng)江流域、中國(guó)、全球在冷暖、晝夜變化特征上具有較好的一致性，且其變化幅度明顯大于長(zhǎng)江流域、中國(guó)、全球；而河北、山西更具有區(qū)域特異性，在西安[29]、黃土高原[30]、新疆北部[31]等地區(qū)的相關(guān)研究結(jié)果中也存在這種相似的冷暖指標(biāo)變化特征，這可能與地形、海拔、大氣濤動(dòng)以及城市熱島等因素密切相關(guān)[32-34]。影響極端氣溫變化的原因極其復(fù)雜，本文僅限于基于觀測(cè)事實(shí)對(duì)比分析華北地區(qū)的變化特征，并未揭示影響這些特征的主導(dǎo)因素是什么，未來還需要更多、更深入的機(jī)理性研究去進(jìn)一步明晰。

表3 1961—2017 年華北地區(qū)不同分區(qū)相關(guān)指標(biāo)變化幅度的對(duì)比

4 結(jié)論

利用1961—2017 年華北地區(qū)85 個(gè)氣象站逐日最高氣溫、最低氣溫、平均相對(duì)濕度等數(shù)據(jù)，分析了年平均最高（低）氣溫、極端最低氣溫、高溫?zé)崂艘约昂薄⑺獌龅雀哂绊懱鞖鈿夂蚴录臅r(shí)空分布特征，得出以下結(jié)論：

（1）華北地區(qū)年平均最低氣溫升溫速率（0.45 ℃/10 a）高于最高氣溫升溫速率（0.27 ℃/10 a），氣溫日較差以0.18 ℃/10 a 的速率減小?？臻g分布上，最高氣溫在內(nèi)蒙古中部及北部部分地區(qū)和山西中南部地區(qū)的增加趨勢(shì)相對(duì)更大，最低氣溫在內(nèi)蒙古大部、山西東北部、河北中部和京津地區(qū)的增溫更明顯。

（2）華北地區(qū)年平均高溫?zé)崂巳諗?shù)呈明顯增加趨勢(shì)（0.44 d/10 a），20 世紀(jì)90 年代之后尤為明顯?？臻g分布上，高溫?zé)崂巳諗?shù)的大值區(qū)集中在華北南部和西部；除河北南部部分地區(qū)趨勢(shì)值為負(fù)值外，華北大部分地區(qū)高溫?zé)崂巳諗?shù)呈增加趨勢(shì)。

（3）華北地區(qū)平均年極端最低氣溫呈顯著升高趨勢(shì)（0.53 ℃/10 a），平均冷夜天數(shù)顯著下降（-4.7 d/10 a），暖夜天數(shù)顯著上升（3.8 d/10 a），平均冷日天數(shù)呈下降趨勢(shì)（-2.4 d/10 a）。年平均寒潮頻次顯著減少（-0.5 次/10 a），呈“北部多、南部少”的空間分布。平均霜凍日數(shù)以3.5 d/10 a 的速率減少，20 世紀(jì)80 年代之后尤為明顯；除山西西北部和內(nèi)蒙古東南部個(gè)別地區(qū)外，華北大部分地區(qū)霜凍日數(shù)呈減少趨勢(shì)。

（4）不同分區(qū)的對(duì)比結(jié)果顯示，天津?qū)夂蚺憫?yīng)最敏感，其次是內(nèi)蒙古西部；山西最不敏感（尤其是對(duì)低溫相關(guān)要素指標(biāo)），其次是河北（尤其是對(duì)高溫相關(guān)要素指標(biāo)）。