魯中地區極端高溫變化特征分析

環海軍，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 濟南250031）

氣候變化是導致人類遭受災害影響的因素之一[1-4]，人類活動對全球氣候變化的影響是目前研究的主要內容，很多研究關注氣溫的長期變化，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 ℃，中國陸地區域平均增溫0.9～1.5 ℃。IPCC （Intergovemmental Panel on Climate Change，政府間氣候變化專門委員會）第五次評估報告指出，未來氣候變暖將持續，將給經濟社會發展帶來越來越顯著的影響，并成為人類經濟社會發展的風險，在全球變暖、極端天氣氣候事件頻發的背景下，極端氣溫事件變化明顯[5]。

目前國內外關于極端氣溫研究主要包括極端氣溫指數、極端氣溫變化趨勢、極端氣溫成因及極端氣溫對人體健康的影響等方面。在極端氣溫指數方面，姜榮等[6-10]對上海市、湖南省、河北省等區域的極端氣溫指數進行了研究，結果表明，極端高溫指數均呈上升趨勢，多數地區極端低溫指數呈下降趨勢。在極端氣溫變化趨勢方面，任福民等[11-14]對中國及各區域極端氣溫進行了研究，結果表明，各區域極端高溫和低溫呈非顯著性增高趨勢，高溫升高趨勢顯著，尤其近10 年以來，空間差異較大，未出現明顯突變年份。在極端氣溫成因及極端氣溫對人體健康的影響方面，Lu and Chen[15]研究了中國高溫頻率的長期趨勢和年代際變化，同時討論了環流、海溫等因子對高溫天氣的影響；王玉等[16]對中國東部地區氣溫變化與Hadley 環流強度的關系分析表明，中國東部大部分地區氣溫的年代際變化能用Hadley 環流強度變化較好地解釋，二者呈正相關；Medina- Ramon and Schwartz[17]對50 個美國城市的研究表明，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，氣候傾向率為0.4 ℃·（10 a）-1（P<0.05），年最高氣溫的高值區主要分布在魯中地區、魯西南和魯西北。本文研究的魯中地區地處山東中部，南部為沂蒙山區，北部為臨黃河平原，是山東主要的工業和農業生產地，屬暖溫帶大陸性季風氣候區，是山東主要高溫區之一，受季風影響，氣候變化具有明顯的季節性：冬季盛行偏北風，雨雪稀少，寒冷干燥；春季氣溫回升快，少雨多風，干旱發生頻繁；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年季平均氣溫均呈上升趨勢，其中冬季增暖最明顯[18]，目前針對該地區極端高溫變化特征的研究較少，故本文采用多個極端高溫指標從多個角度研究極端高溫的時空變化規律，為極端高溫的預報預測提供參考依據，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 個國家級氣象觀測站日最高氣溫和魯中地區8 個氣象站日最高氣溫、日最低氣溫和相對濕度氣象觀測資料，數據經過嚴格質量控制，對數據異常值作缺測處理，數據缺失2 d 內的運用前后資料進行插補。研究區域和站點分布見圖1，圖1a 中陰影部分為研究區域，地形包括平原和山區，圖1b 陰影部分為山區。

1.2 研究方法

基于氣象數據采用氣候傾向率、M-K 突變檢驗和小波分析等方法分析極端高溫天氣的時間變化趨勢，利用經驗正交分解法（EOF）分析空間變化特征。基于公式和閾值法統計高溫日數、極端高溫日數、暖夜日數、炎熱日數、高溫熱浪日數。

1.2.1 高溫日數

參考中國氣象局對極端高溫的定義，≥35 ℃為高溫天氣，高溫日數即日最高氣溫≥35 ℃的日數。

1.2.2 極端高溫閾值及日數

采用百分位法確定極端高溫閾值，即取氣候標準期（1981—2010 年）內任一高溫指標每年的極值和次極值，構建一個包含60 個樣本的序列，對序列從小到大排列，取第95 百分位數作為偏大的極端閾值，計算方法見《極端高溫監測指標》[19]。極端高溫日數即日最高氣溫大于極端高溫閾值的日數。

1.2.3 暖夜日數

研究表明，安靜時人體在28 ℃氣溫時產熱量明顯增加，此后產熱量隨著氣溫升高而增加，進而影響人體代謝[20]，參考氣候變化對暖夜的定義，本文定義夜間氣溫（即日最低氣溫）≥28 ℃為一個暖夜日。

1.2.4 炎熱日數

為了直觀表征氣象環境對人體舒適度的影響，運用Bosen 修正的炎熱指數公式[20-22]，參照姜榮等[7]關于炎熱指數的定義，計算最高氣溫＞33 ℃的炎熱指數，并對其進行排序，選50 百分位數作為當地的炎熱臨界值。

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

1.2.5 高溫熱浪指數

高溫熱浪指通常情況下氣溫高、濕度大且持續時間較長，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、影響社會生產活動的天氣過程，其計算指數見式（3），熱浪分級指標見表1[21]。

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

2 結果分析

2.1 極端高溫時空變化規律

圖1 研究區域（a）及站點（b）分布

表1 高溫熱浪等級劃分及說明用語

魯中地區1966—2015 年最高氣溫隨時間變化規律如圖2。由圖可知，近50 a 來，年最高氣溫隨時間變化呈增加趨勢，氣候傾向率為0.1 ℃·（10 a）-1（顯著性檢驗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 ℃。通過突變檢驗分析可知，年最高氣溫變化無明顯突變時間點，從10 a 滑動平均值來看，近20 a 年最高氣溫增加趨勢明顯，尤其在20 世紀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。

對年最高氣溫進行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，魯中地區年最高氣溫隨時間變化的主要空間特征一致，第一特征向量貢獻率為85%，隨時間呈升高趨勢。第二特征向量貢獻率為5%，圖4c 表明南部山區和中北部平原在空間變化上存在相反的變化規律，其主成分隨時間變化呈弱降低趨勢。

2.2 高溫日數時空變化規律

年高溫日數時空變化規律如圖5。由圖5a 可知，年高溫日數隨時間呈增加趨勢，從10 a 滑動平均年高溫日數可知，20 世紀90 年代以后年高溫日數顯著增加，1997 年高溫日數最多，平均為25 d。由圖5b 可知，年高溫日數由中部向南北兩側遞減，南部山區年高溫日數較中北部平原偏少，其中，最南部沂源年高溫日數最少為3.6 d，中部淄博最多為14.9 d。

2.3 極端高溫日數

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 次出現在2000 年以后，2005 年出現6 站次，平均偏高幅度為1.1 ℃。平原地區共出現16 站次，平均偏高幅度為0.8 ℃，山區共出現6 站次，平均偏高幅度為0.7 ℃。極端高溫易出現在6 月下旬至7 月上中旬。

2.4 暖夜日數時空變化規律

圖2 年最高氣溫時間變化規律（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（b，d）分析

圖5 高溫日數時間（a）和空間（b）變化規律

暖夜日數的時空變化規律見圖6。由圖6a 可知，暖夜日數在1990 年之前（除1966 年外）較少，但1990 年以后明顯增多，其中，2005 年暖夜日數最多，平均為2.9 d。由圖6b 可知，年暖夜日數由中部向兩側遞減，南部山區最少，平均年暖夜日數為0.1 d，中部淄博最多，平均年暖夜日數為1 d。近年來，暖夜日數的增多，對人體健康產生不利影響。

2.5 炎熱日數時空變化規律

炎熱指數表征了氣象環境對人體舒適度的影響，炎熱日數的時空變化規律見圖7。由圖7a 可知，炎熱日數隨時間呈上升趨勢，在1994 年達最多，平均為31.3 d。由圖7b 可知，年炎熱日數最多出現在中部地區，淄博最多為18.8 d，南部山區最少，沂源最少為7.3 d。

2.6 高溫熱浪日數時空變化規律

高溫熱浪指數綜合了炎熱及其累積效應，能反應高溫強度及其累積對社會的影響，不同級別高溫熱浪日數時空變化規律見圖8。由圖8a、8c 可知，年輕度和中度高溫熱浪日數隨時間呈增加趨勢，在1990 年之后上升趨勢明顯。由圖8b、8d 可知，年輕度高溫熱浪日數最多出現在中部平原，中度高溫熱浪日數出現在中北部平原，南部山區最少。

表2 極端高溫閾值和超過閾值幅度及日期分布

年重度高溫熱浪在1973—1996 年期間未出現（圖8e），但在1997 年之后頻繁出現，2005 年除南部山區博山和沂源未出現重度高溫熱浪天氣外，其他地區均出現2 d 重度高溫熱浪天氣。由圖8f 可知，年重度高溫熱浪日數最多出現在中部地區，南部山區無重度高溫熱浪天氣發生。

3 結論

（1）山東省年最高氣溫呈顯著升高趨勢，高值區主要分布在魯中地區、魯西南和魯西北。魯中地區年最高氣溫隨時間變化呈增加趨勢，近20 a 增加趨勢明顯，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律一致，但南部山區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趨勢，尤其在1990 年以后，年炎熱日數和輕度高溫熱浪日數最多出現在1994 年，年高溫日數最多出現在1997 年，年極端高溫、暖夜日數和重度高溫熱浪日數均出現在2005 年。極端高溫天氣出現在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生在中北部地區，中部地區發生概率最高，南部山區較少。近50 a來南部山區無重度高溫熱浪天氣發生。

圖6 暖夜日數時間（a）和空間（b）變化規律

圖7 炎熱日數時間（a）和空間（b）變化規律

圖8 輕度（a、b）、中度（c、d）和重度（e、f）高溫熱浪日數時空變化規律

4 討論

本文研究了山東主要高溫區魯中地區極端高溫的變化特征，結果顯示，山東地區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]，魯中地區增加趨勢更顯著，極端高溫指數在20 世紀90 年代后顯著增多，山區較平原增加幅度緩慢，各極端高溫指數最多出現年份不一致，這與上海地區相關研究結果不同，其中，最多年暖夜日數較上海地區偏少幅度較大，最多年高溫日數較上海地區略偏少，但最多年炎熱日數和高溫熱浪日數較上海地區略偏多[6]，說明不同極端氣溫指數在不同地區表現不一致，魯中地區綜合極端高溫指數的顯著增加對當地居民生活環境有不利影響。同時，研究表明，魯中地區極端高溫易出現在6 月下旬—7 月上旬，該地區應在相關時段因地制宜地采取有效的熱環境改善措施。目前，全球氣溫顯著上升，極端高溫事件頻發[1-5]，但存在區域化差異，故結合不同區域氣象要素研究精細化的極端高溫變化規律，合理規劃城市和各類產業布局，為有效避免極端高溫帶來的不利影響提供基礎。