湖南省55 a极端气温事件变化特征

朱歆炜，叶成志，彭晶晶，蔡海朝

（1.南京大学大气科学学院，江苏　南京210093；2.湖南省气象局，湖南　长沙410118；3.湖南省气象台，湖南　长沙410118；4.长沙市气象局，湖南　长沙410205；5.娄底市气象局，湖南　娄底417000）



湖南省55 a极端气温事件变化特征

朱歆炜1，2，叶成志3，彭晶晶4，蔡海朝5

（1.南京大学大气科学学院，江苏南京210093；2.湖南省气象局，湖南长沙410118；3.湖南省气象台，湖南长沙410118；4.长沙市气象局，湖南长沙410205；5.娄底市气象局，湖南娄底417000）

摘要：利用1960—2014年湖南省88个地面气象站日最高和最低气温的均一化资料，运用百分位阈值法统计暖日、暖夜、冷日和冷夜数，采用线性回归、M-K突变检验、Morlet小波分析等方法，研究湖南省55a以来极端气温事件的时空变化特征。结果表明：（1）湖南省暖日和暖夜呈上升趋势，其年际变化倾向率分别为0.68d/10a、2.73d/10a，冷日和冷夜呈下降趋势，其年际变化倾向率分别为-0.45d/10a、-2.46d/10a，夜间增暖显著；（2）湖南省大部分地区的暖日、暖夜呈上升趋势，冷日、冷夜呈下降趋势，其中湘西北、湘西南、湘东南部分地区变化趋势明显；（3）暖日、暖夜、冷夜有明显的阶段性变化，暖日、暖夜分别在2008、2003年突变增加，冷夜在1986年突变减少；（4）湖南省极端气温日数在不同的时间段存在着长短不同的振荡周期。

关键词：极端气温；时空分布；突变分析；湖南

朱歆炜，叶成志，彭晶晶，等.湖南省55a极端气温事件变化特征[J].沙漠与绿洲气象，2016，10（2）：82-88.

近百年来，全球气温显著上升，中国陆地区域平均增温0.9～1.5℃，近15 a来气温呈上升趋缓，但仍处于百年来气温最高阶段[1-3]。IPCC第五次评估报告指出，未来气候变暖将持续，将给经济社会发展带来越来越显著的影响，并成为人类经济社会发展的风险，在全球变暖、极端天气气候事件频发的背景下，极端气温事件变化明显[4]，与温度有关的指标在近50 a中显示出显著的变化，如夏季暖夜显著增加，霜冻日数显著减少，年内温度极差显著减少等[5]。国内外学者从不同角度对极端天气气候事件进行了研究，龚志强等研究了中国近58 a来的温度极端事件，指出对中国各区域（除东南区外）的温度增暖起主要作用的温度段为极端/相对高温段年发生天数的增加和极端/相对低温段年发生天数的减少[6]。任福民等研究了1951—1990年中国极端气温的变率和变化趋势，指出我国极端气温的变化趋势存在较大的季节性和区域性差异[7]。翟盘茂等研究了1951—1990年中国最高、最低温度的时空变化趋势特点，指出最高、最低气温变化的准周期性规律一致，但线性变化趋势却呈现出明显的不对称性[8]。王琼等研究了1962—2011年长江流域极端气温事件，指出冷夜日数的变暖幅度明显大于暖夜日数，夜指数（暖夜日数、冷夜日数）的变暖幅度明显大于昼指数（暖昼日数、冷昼日数）[9]；张宁等研究了1955—2005年中国极端气温的变化，指出极端低温表现出稳定的增温趋势，极端低温的增温幅度明显大于极端高温的增幅[10]。周雅清等研究了1956—2008年中国大陆地区气温极端事件的变化规律，指出冷夜（昼）日数普遍明显减少，暖夜（昼）日数明显增加[11]。

湖南省位于华中地区，东、南、西三面山地围绕，中部丘陵起伏，北部平原、湖泊展布[12]，湖南气候与全球气候变化一致，呈现以变暖为主要特征的变化[13]。近年来，气候变暖对湖南的主要影响表现为：农业气候资源、湿地生态环境发生变化，水资源安全风险增大，能源紧缺，城市面临环境污染和自然灾害加重的双重压力。因此，对湖南省的极端天气气候事件的研究，既有利于发现湖南省极端气温事件的时空变化规律，同时可以在一定程度上对农业、资源以及城市发展提供建议，以减少极端事件所造成的损失。

本文主要针对湖南省极端气温事件的时空变化特征进行研究，揭示其变化规律，为极端天气气候事件的预报预测提供参考依据。

1　资料与方法

1.1资料

湖南目前共有97个地面气象站，其中1960年1月1日以前建站89个，为保证资料的连续性，同时剔除海拔高度1268.5 m的南岳站，共选取符合条件的地面气象站88个[14]（图1）。考虑观测仪器的更换或观测台站的变迁，会影响到观测资料的均一性，本文采用的数据来源于湖南省气候中心提供的1960年1月1日—2014年12月31日湖南省88个地面气象站均一性订正后的逐日最高、最低气温资料[15]。

图1　湖南省88个气象站点的空间分布

1.2方法

目前，气候极值的变化研究多采用百分位阈值法作为极端值的阈值法[16]，本文采用的百分位阈值法的定义是：将1960—2014年某台站的逐日最高（最低）气温从低到高进行排序，以序列中第10个百分位的气温作为该台站白天（夜晚）的极端低温阈值；以序列中第90个百分位的气温作为该台站白天（夜晚）的极端高温阈值。如果某个台站某日的日最高（低）气温低于该站白天（夜晚）的极端低温阈值，则称这一天为该台站的一个冷日（夜）；如果某个台站某日的日最高（低）气温高于该站白天（夜晚）的极端高温阈值，则称这一天为该台站的一个暖日（夜）。分别统计1960—2014年湖南省88个台站冷暖事件的发生频次，采用线性回归、Mann-Kendall突变、Morlet小波分析等方法对湖南省极端气温事件的时间变化趋势、空间分布特征、突变及周期性进行分析。

2　结果与分析

2.1极端气温事件的阈值

从1960—2014年湖南省极端气温阈值的空间分布（图2）可见，暖日阈值的范围为30.5℃（桂东）～35.3℃（安仁），湘中偏东地区偏高，湘北地区以及湘西北、湘西南、湘东南的边缘地区偏低；暖夜阈值的范围为20.8℃（桂东）～26.1℃（衡阳），湘北地区以及湘中地区偏高，湘西北、湘西南、湘东南部分地区偏低；冷日阈值的范围为7.4℃（城步）～10.3℃（桂东），湘北地区以及湘西北、湘西南的边缘地区偏低，湘北东部、湘东南等边缘地区偏高；冷夜阈值的范围为0.4℃（桂东）～4.1℃（道县），湘北、湘西北以及湘东南的东部边缘地区偏低，湘东南西部地区偏高。

2.2极端气温事件的时间变化

从1960—2014年湖南省暖日、暖夜、冷日和冷夜的年际变化（图3）可见，暖日、暖夜呈整体上升的线性变化趋势，其年际变化倾向率分别为0.678 d/ 10 a、2.73 d/10 a，近55 a以来分别增加3.7 d、15 d，其中暖夜的年际变化倾向率通过α=0.01的显著性检验。暖日在20世纪70年代中期之前为明显的下降趋势，70年代中期至80年代末为较弱的上升趋势，90年代为较弱的下降趋势，21世纪开始呈现明显的上升趋势；暖夜在20世纪70年代中期以前为下降趋势，70年代中期至80年代初期为上升趋势，80年代初期至90年代初期为较弱的下降趋势，90年代初期开始呈现明显的上升趋势。两者均在2013年达到最大值，分别为63.5 d、65.2 d。

冷日、冷夜呈整体下降的线性变化趋势，其年际变化倾向率分别为-0.45 d/10 a、-2.46 d/10 a，近55 a以来分别减少2.5 d、13.5d，其中冷夜的年际变化倾向率通过α=0.01的显著性检验。冷日在20世纪70年代初期以前为上升趋势，70年代为下降趋势，80年代为较弱的上升趋势，90年代为下降趋势，21世纪开始为较弱的上升趋势；冷夜在21世纪以前为明显的下降趋势，21世纪开始呈现较弱的上升趋势。两者分别在1999年、2002年达到最小值，为17.4 d、19.5 d。

图3　湖南省暖日（a）、暖夜（b）、冷日（c）、冷夜（d）日数的年际变化

2.4极端气温事件的空间分布

从1960—2014年湖南省极端气温日数变化趋势的空间分布（图4）可见，大部分地区的暖日呈上升趋势，88个统计站点中，有63个站点b＞0，其中湘西北大部分地区以及湘东南、湘西南部分地区的增加趋势明显，最大值为3.62 d/10 a（炎陵）；有25个站点b＜0，主要分布在湘中偏南部分地区以及湘北边缘地区，最小值为-2.16 d/10 a（岳阳）。4个站点达到0.05的信度，10个站点达到0.01的信度（表1）。

大部分地区的暖夜呈上升趋势，88个统计站点中，有83个站点b＞0，其中湘东南、湘西南部分地区的增加趋势明显，最大值为10.76 d/10 a（资兴）；有5个站点b＜0，主要分布在湘中以及部分边缘地区，最小值-2.68 d/10 a（新邵）。20个站点达到0.05的信度，38个站点达到0.01的信度。

大部分地区的冷日呈下降趋势，88个统计站点中，有76个站点b＜0，其中湘西北以及湘中部分地区、湘北边缘地区下降趋势明显，最小值为-1.5 d/10 a（张家界）；有12个站点b＞0，主要分布在湘北东部、湘东南、湘西南等边缘地区，最大值为0.35 d/10 a（炎陵）。

88个统计站点的冷夜呈一致的下降趋势，其中湘北、湘西北地区下降趋势明显，最大值为-4.86 d/ 10 a（慈利）。24个站点达到0.05的信度，44个站点达到0.01的信度。

表1　湖南省极端气温事件日数的倾向率及信度水平

图4　湖南省暖日（a）、暖夜（b）、冷日（c）、冷夜（d）日数变化趋势的空间分布

2.5极端气温事件的突变分析

利用M-K突变法对1960—2014年湖南省极端气温事件日数进行检验（图5），其中平行虚线是显著性水平α=0.05时，Uα=±1.96的临界值线。

从暖日的UF曲线可见，20世纪60年代中期以前，暖日数为增加趋势，60年代末至21世纪初为减少趋势，21世纪10年代开始，增加趋势明显，根据UF和UB曲线交点的位置可以判断暖日数从2008年开始发生突变；从暖夜的UF曲线可见，20世纪60年代暖夜为增加趋势，70年代为减少趋势，80年代开始，增加趋势明显，根据UF和UB曲线交点的位置可以判断暖夜从2003年开始发生突变，并且2009年开始增加趋势显著（超过显著水平为0.05的临界线）；从冷日的UF曲线可见，21世纪以前，冷日为增加趋势，从21世纪开始为减少趋势，突变点不明显；从冷夜的UF曲线可见，20世纪80年代以前，冷夜出现增加趋势，80年代开始逐渐转变为减少趋势，根据UF和UB曲线交点的位置可以判断，冷夜从1986年开始发生突变，并且1998年开始减少趋势显著（超过显著水平为0.05的临界线）。

图5　湖南省暖日（a）、暖夜（b）、冷日（c）、冷夜（d）日数的M-K突变分析

图6　湖南省暖日（a）、暖夜（b）、冷日（c）、冷夜（d）日数变化周期的小波分析

2.6极端气温事件的小波分析

从1960—2014年湖南省极端气温事件日数变化周期的小波分析（图6）可见，暖日存在3 a、6 a、10 a、16 a时间尺度的准周期振荡，其中3 a、16 a时间尺度的周期始终存在，且周期振荡较稳定；6 a时间尺度的周期在1960—1975年表现为5 a左右的周期变化，1975—1995年表现为6 a左右的周期变化，1995—2014年表现为7 a左右的周期变化。暖夜存在3 a、10 a、15 a时间尺度的准周期振荡，其中3 a、15 a时间尺度的周期始终存在，且周期振荡较稳定；1980—2014年出现10 a时间尺度的周期变化。冷日存在4 a、7 a、20 a时间尺度的准周期振荡，其中4 a、20 a时间尺度的周期始终存在，且周期振荡较稳定；7 a时间尺度的周期在1960—1975年表现为8 a左右的周期变化，1975—2014年表现为7 a左右的周期变化。冷夜存在4 a、8 a、10 a、19 a时间尺度的准周期振荡，其中19a时间尺度的周期始终存在，且周期振荡较稳定；1975—2014年出现4 a左右的周期变化；1960—1975年出现8 a左右的周期变化；1985—2014年出现10 a左右的周期变化。

3　结论

本文采用湖南省88个地面气象站点1960—2014年的逐日最高气温、最低气温的均一化资料，运用线性回归、M -K突变检验、Morlet小波分析等方法分析了湖南省近55 a极端气温事件的时空变化特征。研究表明：

（1）湖南省暖日、暖夜整体上升，其年际变化倾向率分别为0.678 d/10 a、2.73 d/10 a，近55 a以来分别增加3.7 d、15 d，其中暖夜的年际变化倾向率通过α=0.01的显著性检验；冷日、冷夜整体下降，其年际变化倾向率分别为-0.45 d/10 a、-2.46 d/10 a，近55 a以来分别减少2.5 d、13.5 d，其中冷夜的年际变化倾向率通过α=0.01的显著性检验。夜间增暖幅度明显大于白天增暖幅度。

（2）湘西北、湘西南以及湘东南部分地区暖日、暖夜的上升趋势明显，湘中以及部分边缘地区有所下降。湘西北、湘中部分地区以及湘北边缘地区下降趋势明显，湘北东部地区、湘东南部分地区以及湘西南边缘地区冷日有所上升；湘北、湘西北地区冷日的下降趋势明显。

（3）暖日、暖夜、冷夜有明显的阶段性变化，其突变检验特征较明显，暖日、暖夜分别在2008、2003年突变增加，冷夜在1986年突变减少。

（4）暖日主要存在3 a、6 a、10 a、16 a时间尺度的准周期振荡，暖夜主要存在3 a、10 a、15 a时间尺度的准周期振荡，冷日主要存在4 a、7 a、20 a时间尺度的准周期振荡，冷夜主要存在4 a、8 a、10 a、19 a时间尺度的准周期振荡。

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Characteristics Analysison Extreme Temperaturein Hunan Provincein Recent55 Years

ZHU Xinwei1，2，YE Chengzhi3，PENG Jingjing4，CAIHaichao5
（1.SchoolofAtmospheric Science，Nanjing University，Nanjing210093，China；2.Hunan MeteorologicalBureau，Changsha410118，China；3.Hunan MeteorologicalObservatory，Changsha410118，China；4.Changsha MeteorologicalBureau，Changsha410205，China；5.LoudiMeteorologicalBureau，Loudi417000，China）

AbstractBased on the daily maximum temperature and minimum airtemperature data covered 88 observation stationsin Hunan provinceduring1960 to2014，byuseofregression analysis,Mann-Kendalland waveletanalysismethodsand percentagethreshold method,which can define thewarm day,warm night,cold day,cold night,thespatialand temporalvariabilityofextremeairtemperature in thepast55 yearsin Hunan province wasanalyzed.The resultsshowed that（1）the occurrenceof warm days and nights increased significantly with 0.68 and 2.73 d/10 a,while the occurrence of cold days and nights decreased significantly with -0.45 and -2.46 d/10 a.The warming in night increased significantly；（2）Both warm days and warm nights increased,while cold days and cold nightsdecreased in mostparts,especially in the northwest,southwestand southeastpartsofHunan province；（3）W arm days,warm nights,cold nightsexisted abruptchange in 2008,2003 and 1986；（4）Extremetemperaturein Hunan provincehad differentperiod in differentyears.

Key wordsextremetemperature；spatialand temporaldistribution；featureanalysis；Hunan

中图分类号：P468.021

文献标识码：B

文章编号：1002-0799（2016）02-0082-07

doi：10.3969/j.issn.1002-0799.2016.02.013

收稿日期：2015-11-09；修回日期：2015-11-30

基金项目：财政部/科技部公益类行业专项（GYHY201306016）和湖南省气象局短平快课题（XQKJ15B009）项目共同资助。

作者简介：朱歆炜（1983-），男，工程师，主要从事天气气候研究工作。E-mail：jared_zhu@qq.com