近35 a湖南夏季高溫日數時空變化特征分析

黃卓禹，王式功，李曉坤，昌立偉

(1．蘭州大學大氣科學學院，甘肅　蘭州　730000；2．湖南省婁底市氣象局，湖南　婁底　417000；3．內蒙古自治區錫林郭勒盟氣象局，內蒙古　錫林浩特　026000；4．湖南省岳陽市氣象局，湖南　岳陽　414000)

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近35 a湖南夏季高溫日數時空變化特征分析

黃卓禹1,2，王式功1，李曉坤3，昌立偉4

(1．蘭州大學大氣科學學院，甘肅蘭州730000；2．湖南省婁底市氣象局，湖南婁底417000；3．內蒙古自治區錫林郭勒盟氣象局，內蒙古錫林浩特026000；4．湖南省岳陽市氣象局，湖南岳陽414000)

該文針對近年來人們普遍關心的高溫熱浪極端天氣氣候事件問題，利用湖南省1979—2013年的全省各縣(市)95個地面氣象觀測站點逐日最高氣溫資料來研究湖南省單站高溫日數時空變化特征，研究指出：湖南省高溫天氣日數空間分布特征呈現“東多西少”；且存在2個高溫多發區；高溫天氣的年發生日數空間差異很大，與地形密切相關。高溫日數演變過程中存在著4類尺度的周期變化規律。同時不同的年代際也表現出不同的強度和范圍，尤以21世紀的變化最為明顯。此外，湖南高溫也存在明顯的年際和年代際變化，在20世紀80年代之前，年高溫日總次數呈小幅減少的趨勢，而在21世紀后，年高溫日總次數表現出顯著增加趨勢。

湖南省；高溫日數；時空變化特征；周期變化

1　引言

IPCC的第五次評估報告[1]堅持了以往四次報告的說法，認為全球氣候系統的變暖是明確無疑的。多數研究[2-3]也表明在全球變暖的大背景下，中國的氣候變暖與全球氣候變暖基本同步，而且表現更為明顯。王紹武等人[4]在研究中國的氣候變暖時指出近百年來,中國的平均溫度升高了0.4～0.5 ℃。趙宗慈等人[5]指出在2035年前，即使太陽活動異常衰微、強火山爆發以及拉尼娜事件等事件同時發生可能造成中國的平均氣溫降低0.5 ℃，但仍然阻擋不住由于人類作用造成的氣候變暖的總趨勢。

目前有大量研究指出[6-7]，高溫事件，尤其是持續性高溫事件對社會經濟發展帶來諸多不利的影響，甚至是危及生命安全。湖南地處副熱帶季風區，盛夏常出現連晴高溫、酷暑干旱的天氣，對工農業生產影響很大，例如早稻成熟期遇上高溫，稻谷被逼熟，產量降低；晚稻移栽期遇上高溫，輕者延長禾苗返青期，重者引起凋萎死苗；對人畜來說，高溫能使新陳代謝加速，能量消耗加大，人體疲勞，嚴重的可引起中暑休克。

2　資料與方法

本文所采用的資料來自湖南省1979—2013年全省各縣(市)95個地面氣象觀測站點，經過質量控制的日最高氣溫資料、資料真實可靠。

本文沿用中國氣象局高溫熱浪的標準，定義高溫日為逐日最高氣溫>35 ℃，單站持續性高溫事件為連續3 d以上最高氣溫>35 ℃事件。此外目前對于高溫過程的強度還沒有給出等級標準，本文根據高溫預警發布的原則以及高溫天氣對人體和作物的影響和危害，為區分高溫天氣的強度，定義了3個高溫強度等級：輕度高溫、中度高溫和重度高溫天氣。輕度高溫是指日最高氣溫≥35 ℃且<37 ℃的天氣；中度高溫是指日最高氣溫≥37 ℃且<40 ℃的天氣；重度高溫日最高氣溫≥40 ℃的天氣。

3　高溫日數的空間分布特征

圖1給出了湖南省1979—2013年各級高溫強度的高溫天氣日數及極端高溫空間分布情況。從圖1a可以看出，湖南高溫天氣日數分布特征呈現“東多西少”。南嶺、雪峰山、湖區是少高溫地區，而湘江中游、包括衡陽、長沙、株洲、湘潭地區及郴州地區北部是多高溫的地區，此外資水中游的安化高溫日數也較多。高溫天氣的年平均日數差異也很大，最少日數有1 d/a，而最多日數則高達41 d/a。從整體上看，主要存在2個多高溫日數的分布區,分別在衡陽—永州—株洲一帶以及益陽—常德附近，這些區域的高溫日數多在24 d/a左右；在懷化南部及郴州的東南部的高溫日數則不足9 d/a；中度高溫天氣(圖1b)整體的空間分布特征與>35 ℃高溫分布大體一致，但高溫日數要明顯減少，除衡陽東南部附近嚴重高溫日數在12 d/a左右以外,其余大部分地區均在10 d/a以下；從圖1c湖南省重度高溫天氣的高溫日數的空間分布圖可以發現，重度高溫天氣的高值區和低值區的分布與上述兩種情況分布也基本一致，但數值卻急劇減小，2個高值區的重度高溫日數在0.3～0.5 d/a之間；在懷化南部、永州南部、益陽北部重度高溫天氣較少，低于0.1 d/a。從圖1d極端高溫天氣的空間分布情況圖可以看出，在2個高溫日數頻繁地區，歷年的極端高溫均在41 ℃以上，此外在婁底、長沙、湘潭交界處也出現了41 ℃以上的高溫。

通過對比湖南省地形(圖略)可以發現,湖南省的高溫日數較多可能與其地形有密切的關系，例如，多高溫區的中部地區，其西有雪峰山脈，南為南嶺山脈，東有羅霄山脈，使之成為東、南、西三面高山，向北傾斜的盆地，在盛夏暖氣團的控制下，連晴增熱以后，熱量不易流散，而成為湖南的多高溫地區；安化地處雪峰山東北部的谷地，地形作用對形成高溫區也有密切關系；湘西、湘南的少高溫地區的分布與測站海拔高度200 m的等值線分布基本相似，湖區海拔高度雖在20 m以下，但湖面寬廣，水的熱容量又較土壤大得多，加之湖區地勢平坦開闊，南風大，空氣流通，因此湖區也是少高溫的區域。

圖1　湖南省1979—2013年各級高溫日數空間分布(d·a-1)(a)≥35 ℃，(b)中度高溫天氣(≥37 ℃且<40 ℃)，(c)重度高溫天氣(≥40 ℃)，(d)極端高溫Fig.1　Hunan Province 1979—2013 spatial distribution of all-level high temperature days (day o a-1)(a)≥35 ℃(b) moderately high temperatures (≥37 ℃ and <40 ℃), (c) severe hot weather (≥40 ℃), (d) extreme heat

4　高溫日數的時間變化特征

4.1年際變化特征

為了揭示湖南省高溫日的時間演變規律，使用湖南省95站的總高溫日數進行分析。從圖2a中可知道，湖南省平均每年的高溫日為2 168次，在20世紀80年代之前，高溫日總次數呈小幅減少的趨勢，而在21世紀后，高溫日總次數表現出顯著增加趨勢。為了進一步分析高溫日總次數的變化趨勢，對其運用Mann-Kendall(M-K)非參數檢驗方法。圖2b中UF代表高溫日總次數的順序統計曲線，UB為逆序統計曲線，給定顯著性水平：α=0.05，臨界線為±1.96(兩條虛線)；當UF曲線的值大于(小于)0，則表明呈上升(下降)的趨勢；當統計曲線超過臨界線時，表明變化趨勢是十分顯著的；如果兩條統計曲線出現交點，且交點位于臨界區間內，表明交點對應的時刻就是突變開始的時間。

由圖2b可知，20世紀90年代末以來高溫日總次數呈上升趨勢，進入21世紀10年代UF曲線超過臨界線，表明這種上升趨勢是十分顯著的。由兩條曲線交點的位置可以確定，20世紀90年代末的高溫日總次數的增加是一種突變，其開始時間發生在2005年。

圖2　湖南省代表站總高溫日數逐年變化(a)(曲線為二階擬合曲線)及M-K突變分析(b)Fig.2　Yearly high temperature days variation of Hunan Provincial representative station (a) (second order fitted curve) and MK abrupt change analysis (b)

此外，分析極端高溫值逐年變化情況可以看出(圖略)，在21世紀前，湖南省的極端高溫處于一個相對平穩狀態，但在進入21世紀后，湖南省的極端高溫值有明顯增加的趨勢，在2013年極端高溫值高達43.2 ℃，比常年偏高3 ℃以上。同樣采用M-K非參數檢驗方法，可知，自20世紀90年代初以來湖南省的極端高溫有一個上升的趨勢，進入21世紀10年代上升趨勢表現更為顯著，此外可以確定湖南年極端高溫在21世紀10年代的增暖是一種突變現象，具體是從2002年開始的。

4.2周期變化特征

為更詳細了解湖南省高溫日數的年代變化情況，本節選取湖南省各時段年高溫總日數，將數據進行標準化后，試運用小波分析理論，借助Matlab7.0、suffer8.0等相關軟件，完成高溫日數的周期變化趨勢分析。

小波系數實部等值線圖能反映高溫日數序列不同時間尺度的周期變化及其在時間域中的分布，進而能判斷在不同時間尺度上，高溫日數的未來變化趨勢。從圖3a中可以清楚的看出高溫日數的演變過程中存在的多時間尺度特征。總的來說，在高溫日數演變過程中存在著25～32 a，15～23 a，9～14 a以及3～7 a的4類尺度的周期變化規律，其中在15～23 a尺度上出現了多—少準兩次震蕩，在9～14 a時間尺度上存在準5次震蕩；同時，還可以看出以上兩個尺度的周期變化在整個分析時段表現的非常穩定，具有全域性；而在3～7 a尺度的周期變化，在1995s表現的更為穩定。

圖3　小波系數實部等值線圖(a)和小波方差圖(b)Fig.3　Wavelet coefficients real contour map (a) and wavelet variograms (b)

小波方差圖能反映高溫日數時間序列的波動能量隨年尺度的分布情況，可用來確定高溫日數演化過程中存在的主周期。高溫日數的小波方差圖中(圖3b)存在4個較為明顯的峰值，它們依次對應著2 a、5 a、12 a、32 a的時間尺度；其中，最大峰值對應著32 a的時間尺度，說明32 a左右的的周期震蕩最強，為高溫日數變化的第1主周期；5 a時間尺度對應著第2峰值，為高溫日數變化的第2主周期；第3、第4峰值分別對應著12 a和2 a的時間尺度，它們依次為高溫日數變化的第3和第4周期，這說明上升4個周期的波動控制著湖南高溫日數在整個時間域內的變化特征。

根據小波方差檢驗的結果，我們繪制了控制湖南高溫日數演變的第1個和第2個主周期小波系數圖，從主周期趨勢圖中可以看出分析在不同的時間尺度下，湖南高溫日數存在的平均周期及多—少的變化特征，圖4a顯示，在32 a特征時間尺度上，高溫日數變化的平均周期為24 a左右；而在5 a特征時間尺度上(圖4b)高溫日數變化的平均周期為3.5 a左右，大約有9個周期的多—少變化。

圖4　湖南高溫日數變化的32 a和5 a特征時間尺度小波實部曲線Fig.4　Wavelet real curve of 32-year and 5-year characteristic time scale of Hunan Province high-temperature days variation

4.3年代際變化特征

湖南省單站高溫日的總次數表現出明顯的年代際變化特征，圖5給出了湖南省在不同年代際高溫日的空間分布。從圖中可以看出有存在兩個相同的高值區，在懷化的西南部及永州的東南部都存在相似的低值區。但不同的年代際表現出不同的強度和范圍。從圖5a在20世紀80年代最多高溫日為360次左右，其高中心主要集中在衡陽的東南部大部分地區，在90年代高溫日的次數(圖5b)較上個年代有明顯減少，最多次數在330次左右，且益陽—常德一線的高值區有表現不是很明顯。在進入21世紀后高溫日強度及范圍有明顯增多的趨勢，其中21世紀初全省高溫日次數最多的高達390次以上(圖5c)，此外位于衡陽的高值區貫穿整個衡陽市，向南擴展到永州北部大部分地區，向北伸展到湘潭、株洲、長沙一線，整個高值區域明顯加大，位于張家界—常德一線的高值區發生次數也較前期有明顯的增多。在21世紀10年代初期(圖5d)高值區表現與上個年代類似，但強度及高溫次數范圍較上個年代又有增多。此外各個年代際的變化趨勢與Morlet小波分析的第一主周期32 a的時間尺度的分析一致，即20世紀80年代湖南高溫日數呈增長的態勢，90年代則呈現一個明顯減少的態勢，進入21世紀高溫日數增加明顯。

圖5　湖南省各站次多年累積高溫日次數的空間分布(單位：次)(a)1980—1989年，(b)1990—1999年,(c)2000—2009年，(d)2010—2013年Fig.5　 Spatial Distribution of all station multiple years accumulated high temperature day occurring times (Unit: Times) (a) 1980—1989, (b) 1990—1999, (c) 2000—2009, (d) 2010—2013

5　結論

①湖南高溫天氣日數分布特征呈現“東多西少”。南嶺、雪峰山、湖區是少高溫地區，而湘江中游、包括衡陽、長沙、株洲、湘潭地區級郴州地區北部是多高溫的地區，此外資水中游的安化高溫日數也較多。高溫天氣的年平均日數差異很大。有兩個高溫日數分布區，在兩個高溫日數頻繁地區，歷年的極端高溫均在41 ℃以上。

②湖南省高溫日數存在明顯的年際和年代際變化特征，在20世紀80年代之前，高溫日總數呈小幅減少的趨勢，而在21世紀后，高溫日總數呈顯著增加的趨勢。在90年代高溫日的次數較80年代明顯減少，在進入21世紀后高溫日強度及范圍有明顯增多的趨勢，在21世紀10年代初期高值區表現與上個年代類似，但強度及高溫次數范圍較上個年代有增多。

③通過周期分析發現，在高溫日數演變過程中存在著25～32 a，15～23 a，9～14 a以及3～7 a的4類尺度的周期變化規律，其中3～7 a時間尺度的周期變化最為明顯；此外高溫日數還存在4個較為明顯的震蕩周期。

[1] IPCC.Climate change 2013: the physical science basis [M].Cambridge:Cambridge University Press, in press. 2013-09-30 [2013-09-30],http://www.cliniatechange2013.org/images/uploads/ WG -IAR5_WGI-12Doc2b_FinalDraft_All.pdf.

[2] 姚望玲,陳正洪,向玉春.武漢市氣候變暖與極端天氣事件變化的歸因分析[J].氣象,2010,36(11):88-94.

[3] 張尚印,張德寬,徐祥德,等.長江中下游夏季高溫災害機理及預測[J].南京氣象學院學報,2005,28(6):840-846.

[4] 王紹武,趙宗慈,唐國利.中國的氣候變暖[J].國際政治研究(季刊),2009,(4).

[5] 趙宗慈,郭彥,黃建斌,等.到2035年中國將繼續變暖嗎[J].氣候變化研究進展,2013, 9(16):446-448.

[6] 汪衛平,熊偉,陳余明.貴州省日最高氣溫氣候特征分析[J].貴州氣象,2013,37(1):6-10.

[7] 羅貴東,王英,唐雪峰.達州市1960—2009年溫度變化特征[J].貴州氣象,2014,38(1):34-36.

Temporal and Spatial Variation Characteristics Analysis of the Number of the High Temperature Days in Hunan Recent 35-year Summers

HUANG Zhuoyu1,2, WANG Shigong1, LI Xiaokun3, CHANG Liwei4

(1.College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;2.Loudi Municipal Meteorological Bureau, Loudi 417000, China; 3.Xilin Gol League Meteorological Bureau of Inner-Mongolia Autonomous Region, Xilin Gol 026000, China; 4.Hunan Province Meteorological Bureau of Yueyang City, Hunan Province,Yueyang 414000, China)

Heat waves extreme weather events in recent years were reviewed. The daily maximum temperature data of 95 county-level meteorological observation stations from 1979 to 2013 in Hunan Province were used to study the temporal and spatial variation characteristics of the number of the high temperature days in one single station in Hunan Province. The results indicate that the spatial distribution of the number of high temperature days in Hunan Province represents the characteristics of decreasing from the east to the west and there are two hot-prone areas; The number of high temperature days varies greatly in space, very closely related to the topography. There are four scales of cycle variations of annual high temperature days’ number. At the same time, in different decades, there are different variation intensities and ranges; especially the temperature variation in 21 century is most obvious. In addition, there are obvious changes of high temperature between years and decades. Before 1980s, there is a slightly-decreasing trend for the annual total number of high temperature days, while after the arrival of the 21stcentury, the toal number of high temperature days shows a significantly increasing trend.

Hunan; high temperature days; temporal and spatial variation characteristics; cycle variation

1003-6598(2016)01-0035-05

2015-08-04

黃卓禹(1986—)，女，工程師，碩士，主要從事天氣預報和研究工作，E-mail:hzysara@sina.com。

湖南省氣象局2015年短平快課題(XQKJ15B092)。

P466

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