1979-2019年北半球夏季高溫事件的長期變化

王鵬凱，衛(wèi)曉莉，王天奇

(1.福山區(qū)氣象局,山東 煙臺 265500;2.華風(fēng)氣象傳媒集團(tuán)有限責(zé)任公司, 北京 100081)

1 引言

1880-2012年，全球地表平均氣溫上升0.85 ℃[1]。在歐洲，2010年出現(xiàn)的極端高溫事件， 死亡人數(shù)超過7 萬人。俄羅斯也遭受了非常慘重的損失，經(jīng)濟(jì)損失總額占該國當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的1%[2]。 同樣也是在2010年，除了歐洲之外，極端高溫事件也席卷了北美洲、亞洲和非洲，給這些地區(qū)造成了數(shù)千億美元的經(jīng)濟(jì)損失，威脅到這一地區(qū)的人類生產(chǎn)、生活和水資源安全[3]。據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計(jì)[4]，2001-2010年，高溫?zé)崂嗽斐傻乃劳鋈藬?shù)（13.6 萬人）與之前的十年（1991-2000年）的6000 人相比，增加了2300%。

2 資料與方法

2.1 高溫的定義

整體來看， 氣象學(xué)界最為常見的是將高溫絕對閾值定義為35 ℃。 參考國內(nèi)氣候背景和國家氣象局的熱指數(shù)等指標(biāo)[5]，張尚印等對中國高溫的絕對閾值建立了評價(jià)體系，將氣溫超過35 ℃、38 ℃以及40 ℃時(shí)分別定義為高溫、 危害性高溫和強(qiáng)危害性高溫[6]。Yin 等根據(jù)日最高氣溫分別超過35 ℃、39 ℃、41 ℃為閾值對中國絕對閾值高溫的評估體系進(jìn)行了修訂[5]。 同時(shí)，中央氣象臺業(yè)務(wù)規(guī)定也將35 ℃定為高溫的絕對閾值[7-9]，此外還有很多學(xué)者在高溫研究中將絕對閾值定為30 ℃[10-11]。

2.2 再分析資料ERA5

ERA5 是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）運(yùn)用綜合預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的4D-Var 數(shù)據(jù)同化生成的第四代全球大氣再分析資料[12]。 數(shù)據(jù)質(zhì)量全球領(lǐng)先。 本文所用的資料主要是ERA5 再分析數(shù)據(jù)集中1979-2019年北半球2 m 溫度數(shù)據(jù)和高度場數(shù)據(jù)， 空間分辨率為1.5°×1.5°，文中所指北半球?yàn)槌嗟酪员钡貐^(qū)，夏季為6-8月。

2.3 線性趨勢法

利用一元線性回歸法可以線性分析出變量的變化趨勢[14]，氣象要素y 和時(shí)間序列t 如有統(tǒng)計(jì)線性關(guān)系，那么兩者關(guān)系為：

其中a1為變化系數(shù)；若變化系數(shù)為正值，則有遞增關(guān)系，變化系數(shù)為負(fù)值，則有遞減關(guān)系。

3 1979-2019年北半球夏季高溫事件的長期變化

3.1 高溫事件頻次

首先， 分析北半球1979-2019年夏季的高溫日數(shù)的變化。 由于一部分站點(diǎn)出現(xiàn)過的高溫日數(shù)過少所以忽略不計(jì)， 僅計(jì)算在近41 a 中有超過90%的年份出現(xiàn)過高溫的格點(diǎn)（以下稱有效格點(diǎn)）。

據(jù)統(tǒng)計(jì)， 以35 ℃為閾值的有效格點(diǎn)共有1158個(gè)， 緯度最北的格點(diǎn)在49.5° N， 緯度最南的格點(diǎn)在3° N；以30 ℃為閾值的有效格點(diǎn)為2413 個(gè),緯度最北的格點(diǎn)在63° N。

為了了解北半球的整體情況， 先計(jì)算1979-2019年格點(diǎn)的年平均高溫日數(shù)的時(shí)間序列。 在1979-2019年間，北半球高溫日數(shù)呈現(xiàn)出在波動(dòng)中增加的趨勢。 35 ℃高溫日數(shù)以2.0 d/10 a 的速率在增加。 30 ℃高溫日數(shù)以1.9 d/10 a 的速率在增加。2010年是近41 a 中北半球平均高溫日數(shù)最多的一年， 35 ℃高溫日數(shù)為44 d，30 ℃高溫日數(shù)為46 d；1992年是平均高溫日數(shù)最少的一年，35 ℃高溫日數(shù)為33 d，30℃高溫日數(shù)為35 d。

高溫日數(shù)的變化除了有明顯的長期變化趨勢外，年際變化特征也非常明顯，在分析中，去掉了高溫日數(shù)時(shí)間序列的長期趨勢以減小趨勢方差對譜值的影響。 分析結(jié)果表明，以35 ℃為閾值的高溫日數(shù)存在2 a 的年際變化周期； 以30 ℃為閾值的高溫日數(shù)存在4 a 的年際變化周期（圖1）。

圖1 1979-2019年（a）35 ℃高溫日數(shù)（b）30 ℃高溫日數(shù)功率譜圖

為了更好的分析高溫日數(shù)變化的空間分布情況， 將每個(gè)有效格點(diǎn)的逐年高溫日數(shù)通過一元線性回歸法進(jìn)行處理后，繪制了以35 ℃和30 ℃為閾值的高溫日數(shù)變化趨勢分布圖（圖略）。 可知，結(jié)果顯示北半球大部分地區(qū)在1979-2019年間高溫日數(shù)有所增多，并且具有明顯的區(qū)域性，非洲北部、中東地區(qū)、美國西南部35 ℃高溫日數(shù)增長明顯并且通過了90%顯著性檢驗(yàn)，增長幅度達(dá)到了4 d/10 a，其中埃及、蘇丹、伊拉克、敘利亞等地區(qū)高溫增長的幅度達(dá)到了5 d/10 a 以上；非洲低緯度地區(qū)、北美洲西南部、南美洲北部、歐洲東南部、亞洲西北部30 ℃高溫日數(shù)增長明顯并且通過了90%顯著性檢驗(yàn)， 增長的幅度普遍達(dá)到了4 d/10 a，其中剛果北部、肯尼亞北部、委內(nèi)瑞拉、哥倫比亞、俄羅斯西南部附近高溫增長的幅度達(dá)到了5 d/10 a 以上。

為了探究不同緯度上高溫日數(shù)變化的趨勢， 將同緯度帶上格點(diǎn)高溫日數(shù)的變化情況進(jìn)行平均， 并將其從低緯度到高緯度進(jìn)行排列。 可以看到大部分緯度帶的高溫日數(shù)在近41 a 都顯示出增加趨勢。10°N 以南是高溫日數(shù)增長最多的緯度帶， 增長頻率最大為8 d/10 a。 另外在35° N 附近高溫日數(shù)增長較快，增長頻率超過了4 d/10 a。 在7.5° N 地區(qū)，35 ℃高溫日數(shù)有減少的趨勢， 這可能是由于在該緯度帶上高溫事件樣本量太少， 所以反應(yīng)出的變化跟整體趨勢不同。

從不同緯度帶高溫日數(shù)的年際變化情況看，30℃高溫日數(shù)在2009-2019年間增速較快，2009年之前高溫日數(shù)都在60 d 以下，2009年之后普遍增多至60 d 以上。

3.2 高溫事件強(qiáng)度

以北半球每年出現(xiàn)高溫的總?cè)諗?shù)以及這些高溫日的日最高氣溫積溫作為衡量高溫強(qiáng)度的指標(biāo)，部分站點(diǎn)由于出現(xiàn)高溫日數(shù)過少忽略不計(jì)， 僅計(jì)算1979-2019年有超過90%的年份出現(xiàn)高溫的有效格點(diǎn)，分別計(jì)算各有效格點(diǎn)各年總高溫日數(shù)與總積溫，分析其在1979-2019 間的變化情況。

從35 ℃高溫日數(shù)和積溫變化上看，近41 a 高溫強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)， 平均總高溫日數(shù)和積溫分別為59893 d 和2338768 ℃， 其中2010年為強(qiáng)度最強(qiáng)的一年，總高溫日數(shù)為68256 d，總積溫為2680009 ℃；1992年為高溫強(qiáng)度最弱的一年， 總高溫日數(shù)為51832 d，總積溫為2012162 ℃。

從30 ℃高溫日數(shù)和積溫變化看，近41 a 高溫強(qiáng)度同樣在波動(dòng)中增強(qiáng)， 平均總高溫日數(shù)和積溫分別為132340 d 和4673443 ℃，其中2010年為強(qiáng)度最強(qiáng)的一年，總高溫日數(shù)為150192 d，總積溫為5316412℃；1992年為高溫強(qiáng)度最弱的一年， 總高溫日數(shù)為116522 d，總積溫為4191180 ℃（表1、表2、圖略）。

表1 1979-2019年（6-8月）北半球高溫總?cè)諗?shù)年代際變化

表2 1979-2019年（6-8月）高溫積溫年代際變化情況

3.3 高溫事件影響范圍

以北半球每年出現(xiàn)高溫的格點(diǎn)數(shù)以及這些格點(diǎn)所覆蓋的面積作為衡量高溫影響范圍的指標(biāo)， 分析其在1979-2019 間的變化情況。

從近41 a 來的35 ℃高溫格點(diǎn)數(shù)和覆蓋面積變化看，高溫的影響范圍在逐漸擴(kuò)大，年平均高溫格點(diǎn)數(shù)為1550 個(gè)，年平均高溫覆蓋面積為3.66×1013 m2，其中2010年為高溫格點(diǎn)數(shù)最多和覆蓋面積最大的一年， 分別為1876 個(gè)格點(diǎn)和29×1013 m2；1993年為高溫格點(diǎn)數(shù)最少和覆蓋面積最小的一年， 分別為為1335 個(gè)格點(diǎn)和3.24×1013 m2（圖2、表3）。

圖2 1979-2019年(6-8月)35 ℃高溫格點(diǎn)數(shù)及覆蓋面積逐年變化情況

表3 1979-2019年(6-8月)35 ℃高溫格點(diǎn)數(shù)及覆蓋面積年代際變化情況

從30 ℃高溫格點(diǎn)數(shù)和覆蓋面積變化看，高溫的影響范圍也在逐漸擴(kuò)大，年平均高溫格點(diǎn)數(shù)為3284個(gè)，年平均高溫覆蓋面積為7.35×1013 m2，其中1998年為高溫格點(diǎn)數(shù)最多和覆蓋面積最大的一年， 分別為3756 個(gè)格點(diǎn)和8.43×1013 m2；1985年為高溫格點(diǎn)數(shù)最少和覆蓋面積最小的一年，分別為2800 個(gè)格點(diǎn)和6.38×1013 m2（圖3、表4）。

圖3 1979-2019年(6-8月)30 ℃高溫格點(diǎn)數(shù)及覆蓋面積逐年變化情況

表4 1979-2019年(6-8月)30 ℃高溫格點(diǎn)數(shù)及覆蓋面積年代際變化情況

4 小結(jié)

通過每年的高溫總?cè)諗?shù)以及這些高溫日的日最高氣溫總和等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)1979-2019年間，高溫強(qiáng)度在逐漸增強(qiáng)， 其中2010年為高溫強(qiáng)度最強(qiáng)的一年，35 ℃和30 ℃的高溫總?cè)諗?shù)分別為68256 d、150192 d。 通過每年出現(xiàn)高溫的格點(diǎn)數(shù)以及這些格點(diǎn)所覆蓋的面積等指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)1979-2019年間，高溫的影響范圍在逐漸擴(kuò)大。 對35 ℃高溫來說2010年高溫影響范圍最大，為29×1013 m2，對30 ℃高溫來說1998年高溫影響范圍最大，為8.43×1013 m2。

北半球近41 a 超過90%年份出現(xiàn)過35 ℃高溫和30 ℃高溫的格點(diǎn)分別有1158 個(gè)和2413 個(gè)，35 ℃高溫日數(shù)以2.0 d/10 a 的速率在增加，30℃高溫日數(shù)以1.9 d/10 a 的速率在增加，非洲北部、中東地區(qū)、美國西南部是高溫日數(shù)增長最快的區(qū)域， 增長幅度超過4 d/10 a。在長期趨勢外，35 ℃和30 ℃高溫日數(shù)分別有2 a 和4 a 的年際周期。