1961—2017年四川省夏季高溫變化特征及區劃分析

甄英 季薇 李傳輝 鄭揚

摘要 基于四川省38個氣象站點1961—2017年6—8月逐日氣溫數據，分別統計高溫日數、一般高溫日數、重高溫日數、嚴重高溫日數的時空變化、周期變化和突變性特征，劃分不同高溫等級的影響區域。結果表明，近57年來四川省夏季高溫日數整體呈增加趨勢，其中增加幅度為重高溫日數>嚴重高溫日數>一般高溫日數;受環流形勢及其所在地形的影響，以松潘—小金—康定—越西—雷波為界，高溫日數分布明顯呈西部向東部階梯狀遞增的趨勢。M-K檢驗表明，四川省高溫日數分別在1972、1973、1975、2003、2005、2007年發生突變，2007年以后高溫日數和強度出現顯著上升，周期為35～57和 25～34年的低頻振蕩明顯，高溫期和低溫期交替出現。高溫區劃分布與高溫空間分布具有良好的一致性，高溫影響的極高區位于四川省東部地區。

關鍵詞 高溫日數;變化特征;高溫區劃;M-K檢驗;Morlet小波變換;四川省

中圖分類號 P-461? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）22-0217-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.055

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Variation Characteristics and Regionalization of Summer High Temperature in Sichuan Province during 1961-2017

ZHEN Ying， JI Wei， LI Chuan-hui et al

（School of Geography & Resource Science， Neijiang Normal University， Neijiang，Sichuan 641199）

Abstract Based on the daily temperature data of 38 meteorological stations in Sichuan Province from June to August from 1961 to 2017， the spatio-temporal changes， periodic changes and abrupt characteristics of high temperature days， general high temperature days， heavy high temperature days and severe high temperature days were respectively counted， and the effects of different high temperature levels were divided area. The results showed that in the past 57 years， the number of summer high temperature days in Sichuan Province had shown an overall increasing trend， where the increase range was heavy high temperature days> severe high temperature days> general high temperature days;affected by the circulation situation and its location， with Songpan-Xiaojin-Kangding-Yuexi-Leibo as the boundary， the distribution of high temperature days was obviously increasing in a step-like manner from the west to the east.The M-K test showed that the number of high temperature days in Sichuan had abrupt changes in 197 ?197 ?197 ?200 ?2005 and 2007.After 2007， the number and intensity of high temperature had increased significantly. The low-frequency oscillations with periods of 35-57 and 25-34 years were obvious， and high-temperature periods and low-temperature periods alternately appeared.The division of high temperature zone had good consistency with the spatial distribution of high temperature. The extremely high temperature affected area was located in the eastern part of Sichuan Province.

Key words High temperature days;Variation characteristics;High temperature zoning;M-K test;Morlet wavelet transform;Sichuan Province

IPCC第五次評估報告指出，1880—2012年全球地表平均氣溫升高了0.85 ℃[1]，高溫天氣近年來席卷全球，2013和2015年夏季北半球和歐洲都出現了不同程度的持續性高溫天氣[2]。我國在1951—2017年地表平均氣溫每10 年升高0.24 ℃，升溫率高于同期全球平均水平[3-6]。高溫已成為一種較為常見的氣象災害，頻發的高溫事件已給社會發展、人體健康和生態環境帶來了巨大挑戰。

在全球氣候變暖的背景下，高溫問題已被越來越多的學者關注。葉殿秀等[7]研究發現我國的高溫事件頻次、日數、強度高值區基本相同，均在江淮、江南大部和四川盆地東部等地。賈佳等[8]通過統計我國719個基準站的氣溫數據發現，我國區域整體平均高溫日數呈現顯著的先減后增的變化趨勢，且高溫日數變化趨勢存在顯著的區域差異，其中西南、華南地區高溫增速最快。邢佩等[9]通過分析華北地區85個氣象站逐日最高氣溫資料，發現華北地區年高溫日數整體呈增加趨勢，自20世紀90年代中期之后年均高溫日數明顯增多，且高溫多出現在華北地區的南部和西部。楊涵洧等[10]基于國家氣候中心提供的2 000站逐日地面氣溫資料，分析了長江三角洲地區夏季高溫時空演變，發現2000年后高溫日數呈明顯增加，以30°～31°N一帶增長最為顯著。劉曉冉等[11]分析了川渝地區夏季高溫日數時間演變特征及其異常年份的環流形勢，得出川渝地區高溫日數在20世紀50—70年代總體偏多，80年代高溫日數明顯偏少，90年代以后又有增多趨勢，酷暑年和涼夏年的環流形勢存在著明顯的差異。

氣候變化背景下，四川地區升溫明顯，是夏季高溫干旱的重災區之一，2006年四川盆地出現新中國成立以來最為嚴重的高溫伏旱天氣，直接經濟損失達192.6億元[12]。2011年四川再次遭受嚴重的高溫干旱災害，省內多地最高氣溫均突破了有氣象記錄以來歷史極值，2016和2017年連續2年再次經歷了高溫災害，這給社會經濟造成了嚴重影響。由此可見，了解四川省高溫演變機制對于防災減災有重要意義，但是目前對此研究卻較少[13-14]，尤其缺乏對高溫影響等級的劃分，因此筆者利用38個氣象站點資料，分析高溫日數時空變化特征并進行高溫影響的區劃，研究結果將有助于進一步認識高溫變化的區域性特點，為四川地區的災害防御工作提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 資料來源

該研究資料來源于國家氣象中心提供的四川省逐日最高氣溫序列?？紤]到氣溫數據的完整性和連續性，選取了38個氣象站的1961—2017年6—8月資料進行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall非參數檢驗。

Mann-Kendall非參數檢驗（簡稱M-K檢驗法）是一種廣泛應用于氣溫、降水、徑流等水文現象的非參數統計檢驗方法[15]。M-K檢驗法能很好地揭示時間序列的趨勢變化及突變特征[16-17]。在時間序列為隨機的假設下，定義統計量[18]：

對于具有n個樣本的時間序列x，構造一秩序列：

Sk=ni=1ri（k=? …，n）（1）

其中，ri=1Xi>Xj0其他（j=? …，n）

在時間序列獨立的假定下，定義統計量：

UFk=Sk-E（Sk）Var（Sk）（k=? …，n）（2）

E（Sk）=n（n+1）4

Var（Sk）=n（n-1）（2n+5）72

再按時間序列X的逆序重復上述過程，并且令UB1=0，UBk=UFk（k=n，n- …， 1）。

一般取顯著性水平α=0.0 那么臨界值U0.05=±1.96[18]。將UFk和UBk兩序列曲線和±1.96這2條直線均繪在一張圖上。若UFk和UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當它們超過臨界直線時，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為出現突變的時間區域。如果UFk和UBk這2條曲線出現交點，且交點在臨界線之間，那么交點對應的時刻便是突變開始的時間[18]。

1.2.2 小波變換。

對于給定的小波函數ψ（t），離散水文時間序列為f（kΔt）（k=? …，N;Δt為取樣時間間隔）的離散小波變換為[19]：

Wf（a，b）=|a|-12ΔtNk=1f（kΔt）（kΔt-ba）（3）

其中，Wf（a，b）為小波變換系數;a為尺度因子;b為時間因子;（t）為小波函數ψ（t）的復共軛函數。該研究選用Morlet小波函數ψ（t）=eiω0tel2 其中ω0≥5為常數，取ω0=6。

1.2.3 高溫等級區劃。

高溫天氣分析通常以日最高氣溫≥35 ℃作為夏季炎熱程度的指標[20]。該研究根據研究區近57年逐日最高溫度資料，以歷年日最高氣溫≥35 ℃稱為高溫日，其中，35 ℃≤日最高氣溫<37 ℃稱為一般高溫日，37 ℃≤日最高氣溫<40 ℃稱為重高溫日，日最高氣溫≥40 ℃稱為嚴重高溫日[21]。

該研究參照李娜等[22]的高溫影響等級劃分方法，對四川省進行高溫區劃（表1）。定義溫度強度等級Qi（i=? 3），Q1等級為溫度[35 ℃，37 ℃）、Q2等級溫度在[37 ℃，40 ℃）、Q3等級溫度≥40 ℃，即Q1=1、Q2=2、Q3=3;高溫日數記為Tj（其中j=? 3），綜合考慮高溫強度和持續時間，構建高溫區劃公式（4）：

F=3i=1Qi×3j=1Tj（4）

式中，F表示高溫影響等級。在此基礎上進一步計算多年平均高溫影響等級M值，見公式（5）：

M=nk=1Fkn（5）

式中，Fk為第k年的高溫影響等級，n為高溫數據序列數。

2 結果與分析

2.1 高溫天氣年代際分布特征

夏季高溫天氣往往導致干旱或是干旱加重，為此統計了日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數，其中8月出現日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數占夏季總高溫日數的50.51%，其次7月為40.08%，6月為9.41%。

為分析四川省夏季高溫日數長期變化趨勢，進一步通過線性趨勢分析57年來日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數變化。從圖2可以看出，日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數整體以21.54 d/10 a的速率呈上升趨勢，2006年夏季高溫日數最多，高達496 d;從年代際來看，夏季日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數經歷了20世紀60—70年代增多、70—80年代減少、1991—2017年持續增多。一般高溫日數整體以1.68 d/10 a的速率呈上升趨勢，1961和2013年夏季一般高溫日數最多，出現55 d;從年代際來看，一般高溫日數經歷了20世紀60—70年代減少、1981—2017年整體增多的趨勢。重高溫日數57年來整體以10.57 d/10 a的速率呈上升趨勢，2006年夏季重高溫日數最多，高達195 d;從年代際來看，20世紀60—80年代減少、1991—2017年增多，2000年開始重高溫日數增多顯著。嚴重高溫日整體以9.28 d/10 a的速率呈上升趨勢，2006年夏季高溫時間最多，高達251 d;從年代際來看，夏季嚴重高溫日數經歷了20世紀60—70年代增多、80年代減少，從90年代開始到2017年增多，特別是2010年后嚴重高溫日數增多顯著。

2.2 高溫天氣空間分布特征

從圖3a可以看出，1961—2017年四川省夏季日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數分布明顯呈東部向西部階梯狀遞減的趨勢;以松潘—小金—康定—越西—雷波為界，東部地區明顯高于西部地區;東部地區有2個明顯高值區，分別位于東部的達州（1 292 d）和東南部的敘永（1 255 d）;西部地區高溫日數整體偏少，但巴塘相對偏多（85 d），這一結果與川渝地區[23]以及西南地區[24]夏季高溫日數的研究結論一致。一般高溫日數（圖3b）與高溫日數（圖3a）分布一致，均以松潘—小金—康定—越西—雷波為界，高值中心在東部達州（905 d）;西部巴塘地區也較為突出（76 d）。重高溫日數（圖3c）和嚴重高溫日數（圖3d）的分布范圍進一步縮小，分別以松潘—綿陽—成都—樂山—雷波和綿陽—閬中—遂寧—樂山—雷波為界，高值中心均轉移到東南部的敘永，分別出現496和89 d。

總體來看，四川夏季高溫日數的分布特征與環流形勢及其所在的地形高度有密切關系。四川地勢西高東低，由西北向東南傾斜，以龍門山—大涼山一線為界，東部為四川盆地及盆緣山地，海拔較低，多盆地丘陵且右邊是多河谷地帶的重慶，高溫日數較多，再加之該地區夏季受副熱帶高壓控制，盛行下沉氣流，干旱少雨，高溫日數更為突出;西部為川西高山高原及川西南山地，屬于青藏高原東部橫斷山脈的一部分，有岷山、巴顏喀拉山、沙魯里山等主要山脈，海拔較高，氣溫較低，該地區夏季受高原季風影響且又位于西太平洋副高邊緣，降水偏多，高溫日數較少。

2.3 突變與周期性變化

氣候突變是氣候系統中重要現象之一，是指氣候從一種穩定態跳躍式轉變到另一種穩定態的現象[25]?；贛-K檢驗方法（圖4a），57年內四川省夏季高溫日數UF曲線整體先降后升，UF曲線值從2009年開始均大于0，表明四川省高溫日數呈上升趨勢，進一步觀察UF和UB曲線在±1.96臨界值間有6個突變點，分別為1972、1973、1975、2003、2005、2007年，則表明高溫日數數列在這些年份發生了突變。

對四川省夏季高溫日數數列標準化后進行Morlet小波變換，繪出小波變換圖（圖4b）。Morlet小波變換圖可反映出數列不同時間尺度變化位相結構和突變線分布：小波系數零等值線對應于突變線，正的等值線（實線）表示高溫日數偏多，氣溫偏高;負的等值線（虛線）表示高溫日數偏少，氣溫偏低。由圖4b可知，研究區高溫數列具有多時間尺度的變化特征，其中周期為35～57年的低頻振蕩在研究時段內出現了2條突變線，第1條位于1969—1979年，第2條出現在1995—1998年，表明20世紀60、70年代及21世紀以來為高溫期、80年代為低溫時期;周期為25～34年的低頻振蕩中出現了4條突變線，分別出現在1961—1963、1978、1999和2017年，說明1963—1978、1999—2016年為高溫時期，1961—1963、2017年為低溫時期。周期小于25年的高頻振蕩的位相結構和突變線分布更復雜，以突變線為分界線，高溫期與低溫期交替出現。

2.4 高溫天氣分區特征

利用四川省38個氣象站1961—2017年6—8月高溫資料，計算得出各站平均高溫影響等級M值，對四川進行高溫區劃（圖5）。高溫影響等級M值越大，表示該站歷史上高溫對其影響程度也越大。由圖5可知，高溫區劃分布與前文得出的高溫空間分布具有良好的一致性，高溫影響從西向東呈遞增趨勢。整體以松潘—成都—峨眉山—雷波為界，西部為低影響區，綿陽—樂山一帶為較低影響區，閬中—宜賓一帶為中影響區，巴中—遂寧一帶為較高影響區，南充地區為主要的高影響區，高溫影響的極高區位于東部達州和敘永兩地。

對比分析高溫區劃分布與前文得出的高溫空間分布，不難發現兩者具有良好的區域分布一致性。高溫影響越大的區域高溫日數也越多，且高溫日數呈增加趨勢，表明高溫對區域的影響也將持續。

3 結論

利用對四川省38個氣象站點1961—2017年夏季日氣溫數據，統計分析了高溫日數變化的時空特征、周期性和突變性特征，并根據高溫影響等級進行了區劃，得到如下結論：

（1）1961—2017年四川省8月出現日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數占夏季總高溫日數的50.51%，7月為40.08%，6月為9.41%。夏季高溫日數整體呈增加趨勢，其中溫度增加幅度重高溫日數>嚴重高溫日數>一般高溫日數。

（2）由于四川省地勢西高東低，使得四川省夏季日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數分布明顯呈西部向東部階梯狀遞增的趨勢。再加之東部地區夏季受副熱帶高壓控制，盛行下沉氣流，干旱少雨，高溫日數更為突出。

（3）M-K檢驗中UF曲線值從2009年開始均大于0，四川省高溫日數呈上升趨勢，分別在1972、1973、1975、2003、2005、2007年發生了突變。研究區高溫數列具有包括周期為35～57、25～34年的低頻振蕩和小于25年的高頻振蕩的多時間尺度的變化特征。

（4）高溫區劃分布與高溫空間分布具有良好的一致性，高溫影響從西向東仍呈遞增趨勢。以松潘—成都—峨眉山—雷波為界，西部為低影響區，高溫影響的極高區位于東部達州和敘永兩地。

參考文獻

[1] 秦大河.氣候變化科學與人類可持續發展[J].地理科學進展，201 33（7）：874-883.

[2] 陳燕，張寧，朱焱.城市高溫熱浪調控機制模擬研究[J].自然災害學報，2020，29（1）：193-202.

[3] HIRSCHI M，SENEVIRATNE S I，ALEXANDROV V，et al.Observational evidence for soil-moisture impact on hot extremes in southeastern Europe[J].Nature geoscience，201 4（1）：17-21.

[4] 李雙雙，延軍平，楊賽霓，等.1960—2016年秦嶺-淮河地區熱浪時空變化特征及其影響因素[J].地理科學進展，2018，37（4）：504-514.

[5] 賈佳，胡澤勇.中國不同等級高溫熱浪的時空分布特征及趨勢[J].地球科學進展，2017，32（5）：546-559.

[6] 孫藝杰，劉憲鋒，任志遠，等.1960—2016年黃土高原干旱和熱浪時空變化特征[J].地理科學進展，2020，39（4）：591- 601.

[7] 葉殿秀，尹繼福，陳正洪，等.1961—2010年我國夏季高溫熱浪的時空變化特征[J].氣候變化研究進展，201 9（1）：15-20.

[8] 賈佳，胡澤勇.中國不同等級高溫熱浪的時空分布特征及趨勢[J].地球科學進展，2017，32（5）：546-559.

[9] 邢佩，楊若子，杜吳鵬，等.1961—2017年華北地區高溫日數及高溫熱浪時空變化特征[J].地理科學，2020，40（8）：1365-1376.

[10] 楊涵洧，馬悅，史軍.全球變暖背景下長江三角洲夏季高溫時空演變研究[J].長江流域資源與環境，2018，27（7）：1544-1553.

[11] 劉曉冉，程炳巖，楊茜，等.川渝地區夏季高溫干旱變化特征及其異常年環流形勢分析[J].高原氣象，2009，28（2）：306-313.

[12] 鄒旭愷，高輝.2006年夏季川渝高溫干旱分析[J].氣候變化研究進展，2007，3（3）：149-153.

[13] 周長艷，張順謙，齊冬梅，等.近50年四川高溫變化特征及其影響[J].高原氣象，201 32（6）：1720-1728.

[14] 黃小梅，趙旋，肖丁木.1961—2016年四川盆地夏季高溫熱浪變化特征分析[J].高原山地氣象研究，2019，39（2）：14-22.

[15] 朱龍騰，陳遠生，燕然然，等.1951年至2010年北京市降水和氣溫的變化特征[J].資源科學，201 34（7）：1287-1297.

[16] 武勝利，劉強吉.近50a新疆巴州地區氣溫與降水時空變化特征[J].干旱氣象，201 34（4）：610-61 692.

[17] 徐建華.計量地理學[M].2版.北京：高等教育出版社，2014：121-122.

[18] 朱歆煒，葉成志，彭晶晶，等.湖南省55a極端氣溫事件變化特征[J].沙漠與綠洲氣象，201 10（2）：82-88.

[19] 張軍濤，李哲，鄭度.溫度與降水變化的小波分析及其環境效應解釋：以東北農牧交錯區為例[J].地理研究，200 21（1）：54-60.

[20] 張尚印，宋艷玲，張德寬，等.華北主要城市夏季高溫氣候特征及評估方法[J].地理學報，200 59（3）：383-390.

[21] 何澤能，左雄，白瑩瑩，等.重慶市城市高溫變化特征分析及對策初探[J].高原氣象，201 32（6）：1803-1811.

[22] 李娜，錢錦霞，李芬，等.山西省高溫空間分布特征及區劃[J].中國農學通報，201 31（36）：243-247.

[23] 胡豪然，李躍清.近50年來川渝地區夏季高溫及嚴重干燥事件分析[J].長江流域資源與環境，2010，19（7）：832-838.

[24] 袁文德，鄭江坤.1962—2012年西南地區極端溫度事件時空變化特征[J].長江流域資源與環境，201 24（7）：1246-1254.

[25] 符淙斌，王強.氣候突變的定義和檢測方法[J].大氣科學，199 16（4）：482-493.