觀測(cè)到的半度增溫對(duì)高溫?zé)崂说挠绊?/h1>
2022-11-17 09:57:30陳靜宜
海峽科學(xué) 2022年9期 關(guān)鍵詞：趨勢(shì)
陳靜宜
(福建省連江縣氣象局，福建 福州 350500)
0 引言
高溫?zé)崂酥饕笢囟瘸^(guò)一定閾值并持續(xù)一段時(shí)間，且具有負(fù)面影響的天氣過(guò)程。國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)與學(xué)者一般用日最高溫度、持續(xù)天數(shù)、溫度閾值等單一指標(biāo)來(lái)表征高溫?zé)崂恕Ｆ駷橹梗邷責(zé)崂说亩x還未有明確標(biāo)準(zhǔn)，世界氣象組織將高溫?zé)崂硕x為日最高氣溫在32℃以上并持續(xù)3日或3日以上過(guò)程；而中國(guó)氣象局則將日最高氣溫大于或等于35℃并持續(xù)3日以上天氣過(guò)程稱為高溫?zé)崂耍瑫r(shí)規(guī)定省市區(qū)可依據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖饧皻夂蛱卣髦付囟乳撝礫1]。中國(guó)幅員廣闊，地區(qū)間氣候條件差異大，因此在研究高溫?zé)崂税l(fā)生頻次、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的區(qū)域差異時(shí)，若采用一個(gè)溫度閾值會(huì)造成南多北少的結(jié)果，因此使用相對(duì)閾值定義各地區(qū)高溫?zé)崂诉^(guò)程更為準(zhǔn)確。
高溫?zé)崂酥饕l(fā)生在我國(guó)6—8月，目前，相關(guān)研究主要從高溫發(fā)生頻次、持續(xù)日數(shù)、影響面積和極端溫度值等方面來(lái)反映區(qū)域之間的差異，分析高溫?zé)崂说漠a(chǎn)生與發(fā)展?fàn)顩r，其中包括兩個(gè)方面：一是對(duì)歷史事件的追溯和持續(xù)時(shí)間內(nèi)高溫?zé)崂说难葑冞^(guò)程與規(guī)律，例如依據(jù)中國(guó)歷史氣候所記載的氣象資料，回顧1743年夏季華北地區(qū)高溫極端氣候事件[2]和青島歷史上2次極端高溫過(guò)程[3]；二是總結(jié)當(dāng)前高溫?zé)崂藚^(qū)域特征并預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)高溫?zé)崂税l(fā)生趨勢(shì)與全球氣候變暖總體一致；在區(qū)域?qū)用娲蠖喑首兣厔?shì)，包含華北[4]、華南[5]、寧夏[6]、河北[7]、江蘇[8]、上海[9]、廣州[10]、廣東[11]、重慶[12]等地，結(jié)果表明，60年來(lái)高溫?zé)崂耸录噬仙厔?shì)。
近年來(lái)，高溫?zé)崂耸录粌H出現(xiàn)在“火爐”城市，同時(shí)在全國(guó)其他地區(qū)也存在，日最高氣溫的歷史記錄一再被打破。如2001年5月19日，遼寧朝陽(yáng)最高氣溫達(dá)到歷史同期罕見(jiàn)的41.2℃[13]；2002年7月14日，北京市的最高氣溫達(dá)41.1℃，是自1951年以來(lái)的歷史最高記錄；2006年7月15日，濟(jì)南和石家莊分別為42℃和42.9℃，均打破當(dāng)?shù)亟?0年來(lái)7月中旬的最高記錄[14]。
目前，對(duì)高溫?zé)崂诵纬蓹C(jī)制的研究成果較為有限，其不僅與全球變暖的大背景相關(guān)，還受厄爾尼諾現(xiàn)象、太陽(yáng)活動(dòng)、地形地貌及生態(tài)環(huán)境惡化等影響。大部分氣象學(xué)者認(rèn)為，高溫?zé)崂耸录饕怯纱髿猸h(huán)流異常導(dǎo)致，其中最為顯著的是西太平洋副熱帶高壓對(duì)東部夏季高溫?zé)崂说挠绊懀睙釒Ц邏好娣e指數(shù)和強(qiáng)度指數(shù)較高[15]，西太平洋副熱帶高壓控制內(nèi)的大范圍下沉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的絕熱易引發(fā)長(zhǎng)江中下游地區(qū)高溫天氣的出現(xiàn)[16]。
1 資料和方法
1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
采取GISS表面溫度系列時(shí)間序列進(jìn)行比較，使用1961—2017年中國(guó)國(guó)家日平均溫度、最高溫度和最低溫度數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，該數(shù)據(jù)集被認(rèn)為是研究氣候變化的最佳數(shù)據(jù)集。為保證足夠的記錄可用性，盡量減少潛在的不均勻性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在充分考慮1961—2017年每年6—8月夏季觀測(cè)中丟失或缺測(cè)的記錄后，總共有602個(gè)站臺(tái)滿足后續(xù)研究的分析條件。
1.2 數(shù)據(jù)分析
高溫?zé)崂顺Ｒ?guī)基本氣象要素包括最高溫度、最低溫度、平均溫度和相對(duì)濕度等。本文利用中國(guó)1961—2017年的平均溫度、最高溫度和最低溫度數(shù)據(jù)，分析影響高溫?zé)崂说囊蛩亍?/p>
在氣象學(xué)上，用平均數(shù)或算術(shù)均值來(lái)表示序列的均值，用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示序列均值的平均變化幅度。在一系列變量值差異較大的情況下，為避免極值對(duì)結(jié)果的影響，標(biāo)準(zhǔn)差和均值通常用中位數(shù)和四分位數(shù)代替，用于表征統(tǒng)計(jì)特征，如序列均值和擴(kuò)散。將一組變量按照值的大小順序排列后均分成四等，形成三個(gè)分割點(diǎn)，第二個(gè)分割點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變量值即為中位值，第三個(gè)與第一個(gè)分割點(diǎn)變量值的差值就是四分位差，同時(shí)引入兩個(gè)極端數(shù)值之差，比較四分位差和極端數(shù)值之差的大小，以表示數(shù)列的變異程度。如果四分位差遠(yuǎn)小于極端數(shù)值之差，則數(shù)列變異程度大且均值代表性好，反之亦然。
為分析高溫?zé)崂说哪曜兓卣鳎瑢?duì)1970—1989年與1998—2017年全球平均表面溫度作差值。滑動(dòng)t檢驗(yàn)是氣候變異檢驗(yàn)的有效方法，但由于滑動(dòng)窗口的選擇是主觀的，突變點(diǎn)會(huì)隨著滑動(dòng)窗口漂移，MK(Mann—Kendall)方法能大概明確時(shí)間序列中發(fā)生趨勢(shì)突變的起始位置，為避免錯(cuò)誤產(chǎn)生，需多配合其他檢測(cè)方法使用[17]。因此，為客觀確定突變點(diǎn)，本文同時(shí)采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)與MK方法對(duì)高溫?zé)崂说耐蛔冞M(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。
受可靠觀測(cè)記錄長(zhǎng)度限制，出現(xiàn)平均溫度略高于0.5℃采用GISTEMP時(shí)間序列，對(duì)比兩個(gè)20年時(shí)間段切片間的平均溫度差異(見(jiàn)圖1)，發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)時(shí)間段上，溫度差逐漸減小并有趨于零的趨勢(shì)。特別的是，1970—1989年與1998—2017年的平均溫度差值剛好是0.5℃。
圖1 1961—1980年每20年滑動(dòng)平均與1998—2017年平均的全球地表溫度差異
分析兩個(gè)時(shí)間段相差0.5℃下溫度的響應(yīng)特征(見(jiàn)圖2)，東北、長(zhǎng)江中下游和華南沿海地區(qū)氣溫升高1～1.5℃；華北北部地區(qū)(內(nèi)蒙古、黑龍江)有1～1.5℃增溫，甚至存在部分地區(qū)有1.5℃以上增溫現(xiàn)象；華中有0～0.5℃增溫，部分地區(qū)有降溫現(xiàn)象；西北大部地區(qū)有1～1.5℃增溫，個(gè)別地區(qū)有0.3～0.9℃降溫現(xiàn)象；總體來(lái)說(shuō)，全國(guó)平均溫度呈上升趨勢(shì)，溫度差值大致呈東北向西南遞減趨勢(shì)。平均溫度高值區(qū)在我國(guó)內(nèi)蒙古北部和黑龍江西部一帶，這些地區(qū)緯度較高，均以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎杭镜蜏匾赘珊担募緶責(zé)岫嘤炅浚锛疽诐吃缢獌觯竞淝衣L(zhǎng)；差值不明顯區(qū)域(增溫或降溫值在0～0.5℃左右)為四川、重慶、湖南一帶；而低值區(qū)則是在新疆西北部。
圖2 我國(guó)區(qū)域平均溫度對(duì)觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)響應(yīng)的空間分布
為從總體上討論半度增溫對(duì)我國(guó)溫度變化影響，將所有站點(diǎn)的溫度差進(jìn)行空間聚合，基于核密度估計(jì)方法繪制溫度空間概率分布圖(見(jiàn)圖3)，得峰值偏向0值右端，且增溫站點(diǎn)數(shù)多于減溫站點(diǎn)數(shù)，約有63.2%站點(diǎn)平均溫度上升超過(guò)0.5℃，表明全球增溫半度下，我國(guó)平均響應(yīng)高于全球。
圖3 觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)下我國(guó)區(qū)域平均溫度的概率分布
因觀測(cè)空缺且大部分地區(qū)的年最高氣溫不足25℃等原因，本文分析未包括青藏高原西部地區(qū)。全球半度增溫不僅會(huì)影響平均溫度，對(duì)極端溫度也會(huì)有明顯影響。
白天最高溫度(TXx)和夜間最高溫度(TNx)定義如下，①TXx白天最高氣溫的年最大值：設(shè)TXx為k年白天最高氣溫，周期為j，則一年中白天最高氣溫為TXxkj=max(TXxkj)。②TNx夜晚最高氣溫的年最大值：設(shè)TNx為k年夜晚最高氣溫，周期為j，則一年中夜晚最高氣溫為TNxkx=max(TNxkj)。
如圖4所示，TXx在內(nèi)蒙古、黑龍江西北部、甘肅、青海、遼寧、浙江、四川西部和云南，氣溫上升1～1.5℃，個(gè)別地方甚至有1.5℃以上的增溫現(xiàn)象；黑龍江西南部、吉林、江蘇、湖南東北部、湖北西北部、廣東、貴州氣溫升高0.5～1℃；黑龍江東部、福建、江西、湖南西南部、湖北東南部、廣西有0～0.5℃增溫；新疆東北部增溫1～1.5℃，個(gè)別地區(qū)有0.2～0.6℃降溫現(xiàn)象。
如圖5所示，TNx在內(nèi)蒙古、甘肅、青海、山西、陜西、遼寧、浙江、安徽、河南、湖北氣溫上升1～1.5℃，多數(shù)地區(qū)溫度上升到1.5℃；福建、江西、黑龍江、山東、江蘇、廣東、四川有0.5～1℃增溫；吉林、湖南、廣西、重慶有0～0.5℃增溫；新疆北部增溫1～1.5℃，南部0.4～0.6降溫現(xiàn)象。結(jié)合圖4和圖5來(lái)看，全國(guó)大部分地區(qū)白天和夜間最高氣溫正在上升，且華北北部(包含內(nèi)蒙古、黑龍江)和華南北部(主要在浙江周圍)增溫幅度較為明顯，西北個(gè)別地區(qū)有降溫現(xiàn)象存在。
圖4 我國(guó)區(qū)域白天最高溫度(TXx)對(duì)觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)響應(yīng)的空間分布
圖5 我國(guó)區(qū)域夜間最高溫度(TNx)對(duì)觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)響應(yīng)的空間分布
由于全球半度增溫現(xiàn)象，觀測(cè)到的近60年來(lái)中國(guó)白天和夜間最高溫度呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(見(jiàn)圖6)，約76.4%站點(diǎn)夜間增長(zhǎng)0.5℃，18.9%站點(diǎn)夜間增長(zhǎng)1.5℃；68.86%站點(diǎn)白天增長(zhǎng)0.5℃，11.5%站點(diǎn)白天增長(zhǎng)1.5℃。相比之下，夜晚高溫較白天高溫增長(zhǎng)更多，且在空間上更不均勻。
圖6 觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)下我國(guó)區(qū)域白天最高溫度(TXx)和夜間最高溫度(TNx)概率分布
熱浪指數(shù)是一年總共連續(xù)至少6天，當(dāng)TX>90%的天數(shù)百分比，設(shè)TXij是周期j的日最高氣溫i，設(shè)TXin90是基于周期1971—2000年以五天為中心的90%，則將每個(gè)期間的天數(shù)求和，其中以至少連續(xù)6天為間隔：TXij>TXin90。
如圖7所示，我國(guó)多數(shù)臺(tái)站熱浪指數(shù)正在增加，華北中心部分(甘肅、青海、內(nèi)蒙古)和華南(廣東、浙江)一帶高溫?zé)崂酥笖?shù)增加較明顯；東北(黑龍江南部、吉林)、西南(云南、貴州)部分地區(qū)，熱浪指數(shù)為負(fù)值，表明熱浪指數(shù)呈下降趨勢(shì)。年熱浪指數(shù)在全國(guó)大部分地區(qū)基本相同。從空間上來(lái)看，高溫?zé)崂擞绊懛秶谥饾u擴(kuò)大，且南方地區(qū)較北方地區(qū)上升趨勢(shì)更為明顯。在城市化進(jìn)程加速的大背景下，熱島效應(yīng)已成為高溫?zé)崂耸录牧硪恢匾梢颉?duì)于大城市而言，城市化造成的熱島效應(yīng)使得高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻次增多。同時(shí)也證實(shí)了城市熱島現(xiàn)象對(duì)高溫?zé)崂耸录斐傻挠绊?見(jiàn)圖7)，廣東、浙江、甘肅、青海、內(nèi)蒙古等城市的熱浪指數(shù)均大于周邊地區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原大氣熱源減少時(shí)，長(zhǎng)江中下游的高溫反而會(huì)上升[18]；土壤水分減少時(shí)，副熱帶高壓系統(tǒng)增強(qiáng)，高溫?zé)崂耸录掷m(xù)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)[19]。
圖7 我國(guó)區(qū)域熱浪指數(shù)對(duì)觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)響應(yīng)的空間分布
圖8為1998—2017年與1970—1989年熱浪指數(shù)空間概率分布，由圖8可見(jiàn)，峰值明顯大于0，約78%站點(diǎn)WSDI增加，25.5%站點(diǎn)WSDI增加大于3天。總體而言，全國(guó)熱浪持續(xù)時(shí)間在增加，反映近60年以來(lái)高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻次增多，持續(xù)日數(shù)增加。
圖8 觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)下中國(guó)區(qū)域熱浪指數(shù)概率分布
2 討論與結(jié)論
目前，全球變暖對(duì)人類健康影響聲明依然很少，參考現(xiàn)有人類健康記錄，通過(guò)案例研究和長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)來(lái)闡述極端熱對(duì)健康影響，這0.5℃增溫對(duì)不同地區(qū)發(fā)病率、死亡率是否有影響，并在多大程度上構(gòu)成極端熱風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)評(píng)估既可作為人類對(duì)未來(lái)嚴(yán)重氣候變暖的推斷，也可為地區(qū)適應(yīng)和緩解類型導(dǎo)向戰(zhàn)略提供信息。此外，超過(guò)熱應(yīng)激指數(shù)的臨界閾值，發(fā)病率、死亡率急劇上升，可通過(guò)建立過(guò)熱危險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)，簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)每日的平均溫度、最高溫度和最低溫度。
鑒于1℃全球變暖時(shí)代的逐步來(lái)臨,只有0.5℃的空間可以實(shí)現(xiàn)1.5℃的宏偉目標(biāo)，因此可從現(xiàn)有情況推斷在1.5℃情況下我國(guó)出現(xiàn)高溫?zé)崂说娘L(fēng)險(xiǎn)。即使在觀測(cè)到0.5℃引起的增長(zhǎng)率之后，1.5℃全球變暖對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)也不是一個(gè)安全的選擇。預(yù)計(jì)未來(lái)0.5℃暖化將對(duì)全國(guó)白天、夜晚最高溫度的非對(duì)稱增長(zhǎng)產(chǎn)生影響，高溫?zé)崂耸录?huì)加速發(fā)展，屆時(shí)將會(huì)到達(dá)一種新的極端溫度狀態(tài)，可能超出當(dāng)?shù)氐倪m應(yīng)能力。
本文利用我國(guó)602臺(tái)站1970—1989年與1998—2017年逐日平均溫度、最高氣溫和最低氣溫的數(shù)據(jù)對(duì)比，分析觀測(cè)到半度增溫對(duì)高溫?zé)崂说挠绊懀贸鲆韵陆Y(jié)論：
①在過(guò)去的60年里，我國(guó)白天和夜間的平均氣溫、全天最高氣溫和最低氣溫都有明顯升高現(xiàn)象，高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻次、持續(xù)日數(shù)也呈增加、增長(zhǎng)趨勢(shì)。受高溫?zé)崂擞绊懙膮^(qū)域也在擴(kuò)大，但存在明顯的區(qū)域變化差異：我國(guó)華北北部、華南中部、長(zhǎng)江中下游及東南沿海等地區(qū)增強(qiáng)趨勢(shì)顯著，新疆西部、東北東部等地減弱趨勢(shì)顯著。然而，東北地區(qū)高溫?zé)崂说淖兓厔?shì)可能是由于過(guò)去60年夏季氣溫略有下降趨勢(shì)所致。總的來(lái)說(shuō)，全國(guó)高溫?zé)崂藦?qiáng)化范圍明顯大于弱化范圍，表明在全球變暖背景下，我國(guó)高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻率越來(lái)越高，時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，范圍越來(lái)越廣。
②我國(guó)年極端高溫和極端低溫均表現(xiàn)出明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，北部地區(qū)變暖趨勢(shì)比南部地區(qū)更大，極端低溫的增溫幅度明顯大于極端高溫的增幅，極端溫度在白天和夜間都有增加趨勢(shì)，尤其是夜間。
③WSDI的值增大表明我國(guó)熱浪指數(shù)隨時(shí)間延續(xù)而增大，反映近60年以來(lái)高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻次增多、持續(xù)日數(shù)增加。線性分布趨勢(shì)日增加范圍明顯大于減少范圍，即高溫?zé)崂擞绊懛秶谥饾u擴(kuò)大，其中熱浪指數(shù)變率最大為浙江省。
本文基于1961—2017年全國(guó)逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)中國(guó)地區(qū)高溫?zé)崂耸录a(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1970—1989年的平均溫度與1998—2017年的平均溫度差值剛好是0.5℃，進(jìn)一步分析表明半度增溫已經(jīng)對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)高溫?zé)崂耸录l(fā)生造成一定影響，全球變暖嚴(yán)重的事件類型和區(qū)域存在顯著差異。半度增溫表現(xiàn)最明顯的地方為極端低溫值上升，夜間高溫較白天高溫增長(zhǎng)更快，在我國(guó)華北和華南地區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。
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陳靜宜
(福建省連江縣氣象局，福建 福州 350500)
0 引言
高溫?zé)崂酥饕笢囟瘸^(guò)一定閾值并持續(xù)一段時(shí)間，且具有負(fù)面影響的天氣過(guò)程。國(guó)內(nèi)機(jī)構(gòu)與學(xué)者一般用日最高溫度、持續(xù)天數(shù)、溫度閾值等單一指標(biāo)來(lái)表征高溫?zé)崂恕Ｆ駷橹梗邷責(zé)崂说亩x還未有明確標(biāo)準(zhǔn)，世界氣象組織將高溫?zé)崂硕x為日最高氣溫在32℃以上并持續(xù)3日或3日以上過(guò)程；而中國(guó)氣象局則將日最高氣溫大于或等于35℃并持續(xù)3日以上天氣過(guò)程稱為高溫?zé)崂耍瑫r(shí)規(guī)定省市區(qū)可依據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖饧皻夂蛱卣髦付囟乳撝礫1]。中國(guó)幅員廣闊，地區(qū)間氣候條件差異大，因此在研究高溫?zé)崂税l(fā)生頻次、強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間的區(qū)域差異時(shí)，若采用一個(gè)溫度閾值會(huì)造成南多北少的結(jié)果，因此使用相對(duì)閾值定義各地區(qū)高溫?zé)崂诉^(guò)程更為準(zhǔn)確。
高溫?zé)崂酥饕l(fā)生在我國(guó)6—8月，目前，相關(guān)研究主要從高溫發(fā)生頻次、持續(xù)日數(shù)、影響面積和極端溫度值等方面來(lái)反映區(qū)域之間的差異，分析高溫?zé)崂说漠a(chǎn)生與發(fā)展?fàn)顩r，其中包括兩個(gè)方面：一是對(duì)歷史事件的追溯和持續(xù)時(shí)間內(nèi)高溫?zé)崂说难葑冞^(guò)程與規(guī)律，例如依據(jù)中國(guó)歷史氣候所記載的氣象資料，回顧1743年夏季華北地區(qū)高溫極端氣候事件[2]和青島歷史上2次極端高溫過(guò)程[3]；二是總結(jié)當(dāng)前高溫?zé)崂藚^(qū)域特征并預(yù)測(cè)未來(lái)趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，我國(guó)高溫?zé)崂税l(fā)生趨勢(shì)與全球氣候變暖總體一致；在區(qū)域?qū)用娲蠖喑首兣厔?shì)，包含華北[4]、華南[5]、寧夏[6]、河北[7]、江蘇[8]、上海[9]、廣州[10]、廣東[11]、重慶[12]等地，結(jié)果表明，60年來(lái)高溫?zé)崂耸录噬仙厔?shì)。
近年來(lái)，高溫?zé)崂耸录粌H出現(xiàn)在“火爐”城市，同時(shí)在全國(guó)其他地區(qū)也存在，日最高氣溫的歷史記錄一再被打破。如2001年5月19日，遼寧朝陽(yáng)最高氣溫達(dá)到歷史同期罕見(jiàn)的41.2℃[13]；2002年7月14日，北京市的最高氣溫達(dá)41.1℃，是自1951年以來(lái)的歷史最高記錄；2006年7月15日，濟(jì)南和石家莊分別為42℃和42.9℃，均打破當(dāng)?shù)亟?0年來(lái)7月中旬的最高記錄[14]。
目前，對(duì)高溫?zé)崂诵纬蓹C(jī)制的研究成果較為有限，其不僅與全球變暖的大背景相關(guān)，還受厄爾尼諾現(xiàn)象、太陽(yáng)活動(dòng)、地形地貌及生態(tài)環(huán)境惡化等影響。大部分氣象學(xué)者認(rèn)為，高溫?zé)崂耸录饕怯纱髿猸h(huán)流異常導(dǎo)致，其中最為顯著的是西太平洋副熱帶高壓對(duì)東部夏季高溫?zé)崂说挠绊懀睙釒Ц邏好娣e指數(shù)和強(qiáng)度指數(shù)較高[15]，西太平洋副熱帶高壓控制內(nèi)的大范圍下沉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的絕熱易引發(fā)長(zhǎng)江中下游地區(qū)高溫天氣的出現(xiàn)[16]。
1 資料和方法
1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源
采取GISS表面溫度系列時(shí)間序列進(jìn)行比較，使用1961—2017年中國(guó)國(guó)家日平均溫度、最高溫度和最低溫度數(shù)據(jù)資料，經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制，該數(shù)據(jù)集被認(rèn)為是研究氣候變化的最佳數(shù)據(jù)集。為保證足夠的記錄可用性，盡量減少潛在的不均勻性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在充分考慮1961—2017年每年6—8月夏季觀測(cè)中丟失或缺測(cè)的記錄后，總共有602個(gè)站臺(tái)滿足后續(xù)研究的分析條件。
1.2 數(shù)據(jù)分析
高溫?zé)崂顺Ｒ?guī)基本氣象要素包括最高溫度、最低溫度、平均溫度和相對(duì)濕度等。本文利用中國(guó)1961—2017年的平均溫度、最高溫度和最低溫度數(shù)據(jù)，分析影響高溫?zé)崂说囊蛩亍?/p>
在氣象學(xué)上，用平均數(shù)或算術(shù)均值來(lái)表示序列的均值，用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表示序列均值的平均變化幅度。在一系列變量值差異較大的情況下，為避免極值對(duì)結(jié)果的影響，標(biāo)準(zhǔn)差和均值通常用中位數(shù)和四分位數(shù)代替，用于表征統(tǒng)計(jì)特征，如序列均值和擴(kuò)散。將一組變量按照值的大小順序排列后均分成四等，形成三個(gè)分割點(diǎn)，第二個(gè)分割點(diǎn)對(duì)應(yīng)的變量值即為中位值，第三個(gè)與第一個(gè)分割點(diǎn)變量值的差值就是四分位差，同時(shí)引入兩個(gè)極端數(shù)值之差，比較四分位差和極端數(shù)值之差的大小，以表示數(shù)列的變異程度。如果四分位差遠(yuǎn)小于極端數(shù)值之差，則數(shù)列變異程度大且均值代表性好，反之亦然。
為分析高溫?zé)崂说哪曜兓卣鳎瑢?duì)1970—1989年與1998—2017年全球平均表面溫度作差值。滑動(dòng)t檢驗(yàn)是氣候變異檢驗(yàn)的有效方法，但由于滑動(dòng)窗口的選擇是主觀的，突變點(diǎn)會(huì)隨著滑動(dòng)窗口漂移，MK(Mann—Kendall)方法能大概明確時(shí)間序列中發(fā)生趨勢(shì)突變的起始位置，為避免錯(cuò)誤產(chǎn)生，需多配合其他檢測(cè)方法使用[17]。因此，為客觀確定突變點(diǎn)，本文同時(shí)采用滑動(dòng)t檢驗(yàn)與MK方法對(duì)高溫?zé)崂说耐蛔冞M(jìn)行對(duì)比檢測(cè)。
受可靠觀測(cè)記錄長(zhǎng)度限制，出現(xiàn)平均溫度略高于0.5℃采用GISTEMP時(shí)間序列，對(duì)比兩個(gè)20年時(shí)間段切片間的平均溫度差異(見(jiàn)圖1)，發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)時(shí)間段上，溫度差逐漸減小并有趨于零的趨勢(shì)。特別的是，1970—1989年與1998—2017年的平均溫度差值剛好是0.5℃。
圖1 1961—1980年每20年滑動(dòng)平均與1998—2017年平均的全球地表溫度差異
分析兩個(gè)時(shí)間段相差0.5℃下溫度的響應(yīng)特征(見(jiàn)圖2)，東北、長(zhǎng)江中下游和華南沿海地區(qū)氣溫升高1～1.5℃；華北北部地區(qū)(內(nèi)蒙古、黑龍江)有1～1.5℃增溫，甚至存在部分地區(qū)有1.5℃以上增溫現(xiàn)象；華中有0～0.5℃增溫，部分地區(qū)有降溫現(xiàn)象；西北大部地區(qū)有1～1.5℃增溫，個(gè)別地區(qū)有0.3～0.9℃降溫現(xiàn)象；總體來(lái)說(shuō)，全國(guó)平均溫度呈上升趨勢(shì)，溫度差值大致呈東北向西南遞減趨勢(shì)。平均溫度高值區(qū)在我國(guó)內(nèi)蒙古北部和黑龍江西部一帶，這些地區(qū)緯度較高，均以溫帶大陸性季風(fēng)氣候?yàn)橹鳎杭镜蜏匾赘珊担募緶責(zé)岫嘤炅浚锛疽诐吃缢獌觯竞淝衣L(zhǎng)；差值不明顯區(qū)域(增溫或降溫值在0～0.5℃左右)為四川、重慶、湖南一帶；而低值區(qū)則是在新疆西北部。
圖2 我國(guó)區(qū)域平均溫度對(duì)觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)響應(yīng)的空間分布
為從總體上討論半度增溫對(duì)我國(guó)溫度變化影響，將所有站點(diǎn)的溫度差進(jìn)行空間聚合，基于核密度估計(jì)方法繪制溫度空間概率分布圖(見(jiàn)圖3)，得峰值偏向0值右端，且增溫站點(diǎn)數(shù)多于減溫站點(diǎn)數(shù)，約有63.2%站點(diǎn)平均溫度上升超過(guò)0.5℃，表明全球增溫半度下，我國(guó)平均響應(yīng)高于全球。
圖3 觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)下我國(guó)區(qū)域平均溫度的概率分布
因觀測(cè)空缺且大部分地區(qū)的年最高氣溫不足25℃等原因，本文分析未包括青藏高原西部地區(qū)。全球半度增溫不僅會(huì)影響平均溫度，對(duì)極端溫度也會(huì)有明顯影響。
白天最高溫度(TXx)和夜間最高溫度(TNx)定義如下，①TXx白天最高氣溫的年最大值：設(shè)TXx為k年白天最高氣溫，周期為j，則一年中白天最高氣溫為TXxkj=max(TXxkj)。②TNx夜晚最高氣溫的年最大值：設(shè)TNx為k年夜晚最高氣溫，周期為j，則一年中夜晚最高氣溫為TNxkx=max(TNxkj)。
如圖4所示，TXx在內(nèi)蒙古、黑龍江西北部、甘肅、青海、遼寧、浙江、四川西部和云南，氣溫上升1～1.5℃，個(gè)別地方甚至有1.5℃以上的增溫現(xiàn)象；黑龍江西南部、吉林、江蘇、湖南東北部、湖北西北部、廣東、貴州氣溫升高0.5～1℃；黑龍江東部、福建、江西、湖南西南部、湖北東南部、廣西有0～0.5℃增溫；新疆東北部增溫1～1.5℃，個(gè)別地區(qū)有0.2～0.6℃降溫現(xiàn)象。
如圖5所示，TNx在內(nèi)蒙古、甘肅、青海、山西、陜西、遼寧、浙江、安徽、河南、湖北氣溫上升1～1.5℃，多數(shù)地區(qū)溫度上升到1.5℃；福建、江西、黑龍江、山東、江蘇、廣東、四川有0.5～1℃增溫；吉林、湖南、廣西、重慶有0～0.5℃增溫；新疆北部增溫1～1.5℃，南部0.4～0.6降溫現(xiàn)象。結(jié)合圖4和圖5來(lái)看，全國(guó)大部分地區(qū)白天和夜間最高氣溫正在上升，且華北北部(包含內(nèi)蒙古、黑龍江)和華南北部(主要在浙江周圍)增溫幅度較為明顯，西北個(gè)別地區(qū)有降溫現(xiàn)象存在。
圖4 我國(guó)區(qū)域白天最高溫度(TXx)對(duì)觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)響應(yīng)的空間分布
圖5 我國(guó)區(qū)域夜間最高溫度(TNx)對(duì)觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)響應(yīng)的空間分布
由于全球半度增溫現(xiàn)象，觀測(cè)到的近60年來(lái)中國(guó)白天和夜間最高溫度呈顯著增長(zhǎng)趨勢(shì)(見(jiàn)圖6)，約76.4%站點(diǎn)夜間增長(zhǎng)0.5℃，18.9%站點(diǎn)夜間增長(zhǎng)1.5℃；68.86%站點(diǎn)白天增長(zhǎng)0.5℃，11.5%站點(diǎn)白天增長(zhǎng)1.5℃。相比之下，夜晚高溫較白天高溫增長(zhǎng)更多，且在空間上更不均勻。
圖6 觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)下我國(guó)區(qū)域白天最高溫度(TXx)和夜間最高溫度(TNx)概率分布
熱浪指數(shù)是一年總共連續(xù)至少6天，當(dāng)TX>90%的天數(shù)百分比，設(shè)TXij是周期j的日最高氣溫i，設(shè)TXin90是基于周期1971—2000年以五天為中心的90%，則將每個(gè)期間的天數(shù)求和，其中以至少連續(xù)6天為間隔：TXij>TXin90。
如圖7所示，我國(guó)多數(shù)臺(tái)站熱浪指數(shù)正在增加，華北中心部分(甘肅、青海、內(nèi)蒙古)和華南(廣東、浙江)一帶高溫?zé)崂酥笖?shù)增加較明顯；東北(黑龍江南部、吉林)、西南(云南、貴州)部分地區(qū)，熱浪指數(shù)為負(fù)值，表明熱浪指數(shù)呈下降趨勢(shì)。年熱浪指數(shù)在全國(guó)大部分地區(qū)基本相同。從空間上來(lái)看，高溫?zé)崂擞绊懛秶谥饾u擴(kuò)大，且南方地區(qū)較北方地區(qū)上升趨勢(shì)更為明顯。在城市化進(jìn)程加速的大背景下，熱島效應(yīng)已成為高溫?zé)崂耸录牧硪恢匾梢颉?duì)于大城市而言，城市化造成的熱島效應(yīng)使得高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻次增多。同時(shí)也證實(shí)了城市熱島現(xiàn)象對(duì)高溫?zé)崂耸录斐傻挠绊?見(jiàn)圖7)，廣東、浙江、甘肅、青海、內(nèi)蒙古等城市的熱浪指數(shù)均大于周邊地區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，青藏高原大氣熱源減少時(shí)，長(zhǎng)江中下游的高溫反而會(huì)上升[18]；土壤水分減少時(shí)，副熱帶高壓系統(tǒng)增強(qiáng)，高溫?zé)崂耸录掷m(xù)時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)[19]。
圖7 我國(guó)區(qū)域熱浪指數(shù)對(duì)觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)響應(yīng)的空間分布
圖8為1998—2017年與1970—1989年熱浪指數(shù)空間概率分布，由圖8可見(jiàn)，峰值明顯大于0，約78%站點(diǎn)WSDI增加，25.5%站點(diǎn)WSDI增加大于3天。總體而言，全國(guó)熱浪持續(xù)時(shí)間在增加，反映近60年以來(lái)高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻次增多，持續(xù)日數(shù)增加。
圖8 觀測(cè)到的增溫0.5℃(1998—2017年與1970—1989年)下中國(guó)區(qū)域熱浪指數(shù)概率分布
2 討論與結(jié)論
目前，全球變暖對(duì)人類健康影響聲明依然很少，參考現(xiàn)有人類健康記錄，通過(guò)案例研究和長(zhǎng)期統(tǒng)計(jì)來(lái)闡述極端熱對(duì)健康影響，這0.5℃增溫對(duì)不同地區(qū)發(fā)病率、死亡率是否有影響，并在多大程度上構(gòu)成極端熱風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)評(píng)估既可作為人類對(duì)未來(lái)嚴(yán)重氣候變暖的推斷，也可為地區(qū)適應(yīng)和緩解類型導(dǎo)向戰(zhàn)略提供信息。此外，超過(guò)熱應(yīng)激指數(shù)的臨界閾值，發(fā)病率、死亡率急劇上升，可通過(guò)建立過(guò)熱危險(xiǎn)報(bào)警系統(tǒng)，簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)每日的平均溫度、最高溫度和最低溫度。
鑒于1℃全球變暖時(shí)代的逐步來(lái)臨,只有0.5℃的空間可以實(shí)現(xiàn)1.5℃的宏偉目標(biāo)，因此可從現(xiàn)有情況推斷在1.5℃情況下我國(guó)出現(xiàn)高溫?zé)崂说娘L(fēng)險(xiǎn)。即使在觀測(cè)到0.5℃引起的增長(zhǎng)率之后，1.5℃全球變暖對(duì)我國(guó)來(lái)說(shuō)也不是一個(gè)安全的選擇。預(yù)計(jì)未來(lái)0.5℃暖化將對(duì)全國(guó)白天、夜晚最高溫度的非對(duì)稱增長(zhǎng)產(chǎn)生影響，高溫?zé)崂耸录?huì)加速發(fā)展，屆時(shí)將會(huì)到達(dá)一種新的極端溫度狀態(tài)，可能超出當(dāng)?shù)氐倪m應(yīng)能力。
本文利用我國(guó)602臺(tái)站1970—1989年與1998—2017年逐日平均溫度、最高氣溫和最低氣溫的數(shù)據(jù)對(duì)比，分析觀測(cè)到半度增溫對(duì)高溫?zé)崂说挠绊懀贸鲆韵陆Y(jié)論：
①在過(guò)去的60年里，我國(guó)白天和夜間的平均氣溫、全天最高氣溫和最低氣溫都有明顯升高現(xiàn)象，高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻次、持續(xù)日數(shù)也呈增加、增長(zhǎng)趨勢(shì)。受高溫?zé)崂擞绊懙膮^(qū)域也在擴(kuò)大，但存在明顯的區(qū)域變化差異：我國(guó)華北北部、華南中部、長(zhǎng)江中下游及東南沿海等地區(qū)增強(qiáng)趨勢(shì)顯著，新疆西部、東北東部等地減弱趨勢(shì)顯著。然而，東北地區(qū)高溫?zé)崂说淖兓厔?shì)可能是由于過(guò)去60年夏季氣溫略有下降趨勢(shì)所致。總的來(lái)說(shuō)，全國(guó)高溫?zé)崂藦?qiáng)化范圍明顯大于弱化范圍，表明在全球變暖背景下，我國(guó)高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻率越來(lái)越高，時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，范圍越來(lái)越廣。
②我國(guó)年極端高溫和極端低溫均表現(xiàn)出明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，北部地區(qū)變暖趨勢(shì)比南部地區(qū)更大，極端低溫的增溫幅度明顯大于極端高溫的增幅，極端溫度在白天和夜間都有增加趨勢(shì)，尤其是夜間。
③WSDI的值增大表明我國(guó)熱浪指數(shù)隨時(shí)間延續(xù)而增大，反映近60年以來(lái)高溫?zé)崂耸录l(fā)生頻次增多、持續(xù)日數(shù)增加。線性分布趨勢(shì)日增加范圍明顯大于減少范圍，即高溫?zé)崂擞绊懛秶谥饾u擴(kuò)大，其中熱浪指數(shù)變率最大為浙江省。
本文基于1961—2017年全國(guó)逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)對(duì)中國(guó)地區(qū)高溫?zé)崂耸录a(chǎn)生的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)1970—1989年的平均溫度與1998—2017年的平均溫度差值剛好是0.5℃，進(jìn)一步分析表明半度增溫已經(jīng)對(duì)我國(guó)大部分地區(qū)高溫?zé)崂耸录l(fā)生造成一定影響，全球變暖嚴(yán)重的事件類型和區(qū)域存在顯著差異。半度增溫表現(xiàn)最明顯的地方為極端低溫值上升，夜間高溫較白天高溫增長(zhǎng)更快，在我國(guó)華北和華南地區(qū)表現(xiàn)尤為明顯。
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