上海地區高溫時空分布特征及對農作物影響分析

周 濤

(上海市金山區氣象局,上海201508)

隨著氣候變化和人類活動的影響,極端天氣氣候事件頻繁發生,其中尤以夏季高溫引人注目,高溫對人類生產、生活和健康造成了極大影響,2003 年的高溫熱浪席卷全球,歐洲多地引發關聯死亡事件[1],2013 年我國東中部出現大范圍持續高溫,多地極端高溫突破歷史極值[2]。 聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)第五次評估報告指出,人類活動造成的全球變暖導致過去130 年全球升溫0.85 ℃[3]。 國內外學者針對高溫熱浪的研究已持續幾十年,研究一致表明,全球大部分地區高溫熱浪的發生頻次、強度和持續時間都呈上升趨勢[4-8];葉殿秀等[9]對中國近50 年的高溫熱浪時空變化特征進行了分析,結果表明,中國高溫熱浪范圍在不斷擴大;談建國等[10]對中國主要省會的高溫熱浪進行了分析,結果發現長江流域為高溫熱浪的頻發區,但地區間的高溫呈現出不同的季節內分布特征。

上海位于長江下游末端,屬于亞熱帶季風性氣候,20 世紀90 年代以來,伴隨經濟迅猛發展,人口數量急劇上升,截至2017 年,上海常住總人口已達2 424 萬(較2000 年增長超50%)[11],與此同時,上海夏季高溫也出現了加劇趨勢[12]。 然而,上海各區之間城市化進程和人口密度差異較大,其中外環內區域(市中心及市北地區)經貿發達、高樓林立、人口密集,城市熱島效應明顯,而周邊郊區(奉賢、金山、崇明等地)情況則相反。 近年來,上海各區之間夏季高溫日數以及高溫極端程度的差異也趨于加大[13],侯依玲等[14]分析了上海熱島效應的年代際演變,發現年平均熱島中心有向南轉移的趨勢;姜榮等[15]利用極端高溫指數分析上海城市高溫熱浪的時空變化特征,得到了市區極端高溫現象明顯、而南北遠郊(金山、奉賢、崇明)不明顯的結論。 目前,針對上海的高溫研究主要集中在高溫的氣候特征、環流背景[16]以及各區域間高溫時空特征的定性分析[17],對于城郊間高溫特征的差異分析及其相互關系的研究較少且不太深入。 本研究從上海市區、近郊和遠郊三個不同發展區域入手,研究上海近40 年(1981—2018 年)高溫的時空發展規律及相互間變化關系,為上海市郊間的夏季高溫判斷與預估提供技術依據,也為上海土地規劃、城市發展、農業結構調整等提供技術參考。

1 資料來源與方法

1.1 資料來源

選取上海市11 個國家一般氣象站近40 年(1981—2018 年,下同)逐日氣溫歷史資料,包括日平均氣溫、日最高氣溫(來源于上海市氣象檔案館)。 其中,徐家匯站位于市區,20 世紀90 年代開始,包括徐匯、浦東在內的中心城區城市發展進入快車道,可代表中心城區;松江站位于城郊結合部,2002 年以后,城市拓展逐漸向五軸兩面擴展(閔行、松江、嘉定、青浦等)延伸[18],上述區域城市用地迅速拓展,城市熱島效應趨于明顯[19],可代表近郊;金山站位于上海最南端,與最北端的崇明類似,常住人口和城市用地發展相對較慢,可代表遠郊。

1.2 統計方法

中國氣象局將高溫定義為日最高氣溫≥35 ℃,將日最高氣溫≥35 ℃的天數定義為高溫日數[20]。 本研究用Excel、Fortran 和Grads 軟件對高溫日數進行統計和繪圖,用氣候傾向分析法[21]分析高溫日數的氣候變化趨勢,用Mann-Kendall 檢驗法[22](簡稱M-K)對上海不同區域高溫日數的躍變進行突變檢驗,用Morlet 小波分析法[23]對不同區域內高溫日數的波動進行周期分析,用ArcGIS 插值法[24]分析高溫日數的空間分布。

2 結果與分析

2.1 高溫時間變化特征

2.1.1 年際變化

近40 年,上海地區年高溫日數分布為:市區最多,近郊次之,遠郊最少。 市區共659 個高溫日,年平均高溫日17.3 d,最早出現在5 月9 日(1981 年的35.0 ℃),最晚出現在9 月21 日(2010 年的35.3 ℃);近郊共477 個高溫日,年平均高溫日12.6 d,最早出現在5 月9 日(1981 年的35.1 ℃),最晚出現在9 月21日(2005 年的35.5 ℃);遠郊共260 個高溫日,年平均高溫日6. 8 d,最早出現在5 月17 日(2018 年35.5 ℃),最晚出現在9 月7 日(1995 年的36.4 ℃)。 對上海各區域的高溫日數進行線性擬合,求其線性傾向率,并用F檢驗進行檢驗,結果表明,市區、近郊和遠郊的年高溫日數線性傾向率均為正值,且通過了α=0.05 的顯著性檢驗,其中市區和近郊高溫日數的年際變化較大,且上升速度快,線性傾向率每10 年為6.5 d;遠郊高溫日數的年際變化較小,上升速度平緩,線性傾向率每10 年僅2.3 d。 2000 年之前,市區年高溫日數多于近郊和遠郊,而近郊和遠郊間高溫日數相當;2000 年之后,市區高溫日數雖仍多于郊區,但近郊高溫日數增速明顯加快(快于市區和遠郊),甚至出現部分年份(2004 年、2009 年)近郊年高溫日數多于市區的情況;而市區和遠郊之間的年高溫日數的差異始終比較明顯(圖1)。

2.1.2 月變化

上海高溫日數逐月分布規律由多到少依次為7 月(占50%)、8 月(占30%)、6 月、9 月和5 月(僅1%),上海地區各月高溫日數均呈現從市區向遠郊逐級遞減特征(圖2)。

2.1.3 旬變化

上海5 月上旬—9 月下旬均可能出現≥35 ℃的高溫天氣,從逐旬分布可見,市區、近郊和遠郊的高溫日數均呈現單峰形態走勢,其中7 月上旬—8 月中旬為高溫的頻發期(超80%),此時對應上海的盛夏時節,第一峰值出現在7 月下旬,第二峰值出現在7 月中旬,此時正處于副熱帶高壓第三次北跳(華北雨季)時期。 從區域分布來看,上海地區各旬內高溫日數同樣呈現從市區向遠郊逐級遞減特征,其中7 月中旬至8 月中旬,市區與近郊間的高溫日數差異最大(近50%),而6 月下旬至8 月下旬,近郊與遠郊間的高溫日數差異最大(超50%)。 從20 世紀90 年代中期開始,市區和近郊在9 月中上旬出現高溫的概率明顯增大,且表現為連續高溫特征(例如1995 年、2003 年和2005 年),俗稱“秋老虎”,而遠郊9 月卻鮮有出現(圖3)。

2.1.4 突變點

由圖4 UF 曲線可見,上海地區年高溫日數總體呈現波動上升趨勢,其中市區(圖4a)UF 和UB 相交于1992 年,UF 于1994 年超過0.05 置信區間,2000 年之后UF 始終保持在顯著性水平0.05 臨界線以上,說明1992 年以后市區高溫增加顯著。 近郊(圖4b)UF 和UB 相交于1999 年(較市區晚),2004 年UF 超過0.05 置信區間,近郊高溫日數的突變點在1999 年。 遠郊(圖4c)UF 和UB 共有兩個交點,分別為1987年和1999 年(未通過顯著性檢驗),表明上海遠郊高溫日數雖然呈增加趨勢,但增加趨勢比較平緩,突變特征不顯著。

2.2 高溫空間變化特征

上海年平均高溫日數的空間分布呈現西北多東南少的特征,市區、近郊和遠郊間的年平均高溫日為4.9—17.3 d,區域差異明顯,市區多于近郊,近郊多于遠郊,同一經度上高緯多于低緯(崇明除外),同一緯度上內陸多于沿海,其中高值中心位于市區,年均高溫日數達17.3 d,遠郊的浦東惠南為低值區,每年僅4.9 d(圖5a)。

上海連續最長高溫日數的空間分布總體與年平均高溫日數的分布較為類似,高值中心也位于市區(19 d),但除浦東外,市區與近郊間在連續最長高溫日數上的差異并不大,低值區同樣位于遠郊的浦東惠南(10 d)(圖5b)。

上海極端最高溫度的閾值為39.9—41.2 ℃,其中值得注意的是,上海多年極端最高溫度的高值區并非位于市中心,而是上海西南近郊的松江(41.2 ℃),低值區則位于上海北部遠郊的崇明(39.9 ℃)(圖5c)。

2.3 高溫日數的周期變化

圖6 的Morlet 小波分析結果顯示,上海年高溫日數都存在周期性,從整體來看,周期震蕩信號最強的是2004 年。 但不同區域的周期特征卻各不相同,由圖6a 顯示,1996 年以前,市區有10—18 a 的主周期,1996 年以后為7—15 a 的主周期,2012 年轉變為3—6 a 的次周期。 由圖6b 顯示,在2000 年之前,近郊有10—16 a 的主周期,2000 年之后該周期特征消失,2012 年轉變為3—6 a 的次周期。 由圖6c 顯示,遠郊有9—15 a 的主周期,該周期在整個時段內表現非常穩定;從1995 年開始,出現1—4 a 的次周期尺度,2012年轉變為3—6 a 的次周期。

由上述分析可見,從2012 年開始,市區、近郊和遠郊3—6 a 的周期信號最強,由此推算,2020 年、2023—2025 年以及2028—2030 年為涼夏期(高溫日數偏少),2021—2022 年和2026—2027 年轉為暖夏期(高溫日數偏多)。

2.4 高溫對農作物的影響分析

2.4.1 水稻

水稻在孕穗期至揚花期對高溫最敏感的時期,灌漿結實期為次敏感期。 孕穗期高溫導致每穗穎花數、實粒數的減少;抽穗揚花期高溫影響花粉活力降低,花粉管開裂受阻,花粉萌芽率降低,結實率明顯降低;灌漿期高溫加快灌漿速率,縮短灌漿持續期,造成秕谷粒增加,千粒重下降,產量和品質明顯下降[25-27]。 上海地區早熟稻(國慶稻)成熟時間主要集中在9 月上中旬[28],孕穗期至揚花期常年在7 月中旬至8 月上旬,期間遇到高溫的概率高。

2.4.2 蔬菜

高溫可導致小白菜的產量下降,隨高溫持續時間的增加,葉柄長度、卷葉率逐漸增加,高溫使小白菜粗纖維含量升高[29]。 隨著高溫日數的增加,黃瓜的果徑、產量、含水率呈減少的趨勢[30]。 高溫也對黃瓜植株的生理指標及代謝(光合和葉綠素熒光參數,細胞生物膜和保護酶活性,游離脯氨酸、可溶性蛋白質和糖含量等)產生影響[31]。

由此可見,高溫對農作物的生長、產量和生理等具有明顯影響,根據上海地區高溫日數的時間分布特征,高溫日數呈增加的態勢,上海地區5—9 月份農作物應種植耐高溫的品種。 高溫日數的空間分布為近郊明顯多于遠郊,在崇明、金山、浦東南部、奉賢南部等遠郊遇到高溫日數相對較少,早熟稻和蔬菜等農作物宜種植在遠郊,近郊種植常規稻和耐高溫的作物。

3 結論與討論

3.1 上海高溫日數的時空分布特征明顯。 其中年際變化特征突出且呈上升趨勢,市區高溫日數的增速最快,近郊其次,但21 世紀后近郊高溫日數有加速上升趨勢,這可能是由于盛夏季節,上海盛行西南風,近郊受上游熱源輸送影響,升溫明顯快于市區導致,遠郊高溫日數增速最緩,而遠郊相對獨特的下墊面特征(海灣),受季風海洋性氣候影響明顯,而相對緩和的炎熱酷暑天氣對農業生產較為有利。

3.2 上海高溫日數具有明顯的季節性特征。 上海市高溫從5 月逐漸開始出現,7 月達到峰值,9 月開始回落至高溫結束。 其中夏季(6 月下旬—8 月下旬)近遠郊之間的高溫日數差異明顯,除城市熱島效應外,還由于此時上海位于副高南側控制時(6 月、8 月),地面主導風向多為東到東南風,或由于日變化因素(7月、8 月),東南遠郊由于溫度梯度導致風向逐漸轉為南到東南風,其東向風的“降溫”作用使其白天升溫乏力,而市區、近郊位于內陸,受郊區下墊面阻隔,降溫作用已明顯削弱。

3.3 上海高溫日數的周期特征明顯。 區域之間雖震蕩周期有所差異,長周期變化幅度大,但2012 年開始,3—6 a 的短周期變化規律表現最為明顯。

3.4 市區和近郊高溫日數在20 世紀90 年代先后出現一次突變,近郊突變年份晚于市區,突變發生后,兩地氣溫上升趨勢更加明顯,但遠郊卻未現突變,這反映了在全球變暖的大背景下,雖城市化進程不斷加快,但遠郊高溫日數仍未迎來爆發式增加。

3.5 上海高溫日數的空間分布呈現“市區多、郊區少”特征,這除了與城市發展、能源消耗、建筑面積、人口密度等因素有關外,還受下墊面特征、風向風速等條件影響。

3.6 上海地區5—9 月份農作物應種植耐高溫的品種,早熟稻和蔬菜等農作物宜種植在崇明、金山、浦東南部、奉賢南部、松江南部等遠郊,近郊種植常規稻和耐高溫的作物。