1960年—2012年长三角地区极端气温时空变化特征

周北平 李少魁 史建桥 游庆龙

摘要：利用1960年-2012年长三角地区34个气象站逐日气温资料，采用趋势分析、小波分析、Mann-Kendall检验、样条插值等方法，分析了长三角地区的极端气温时空变化特征。结果表明：近53年，冷指数均呈显著上升趋势，且均通过了0.01的信度检验，气候倾向率分别达-2.8 d/（10a）、-4.1 d/（10a）和0.45 ℃/（10a），暖指数虽也有上升趋势但趋势较为不显著，仅有暖昼指数与极端最高气温通过了0.05的信度检验。空间分布上，高温日数和极端最高气温呈北低南高、东低西高、沿海低内陆高的分布规律，低温日数和极端最低气温与之相反。变化趋势上，极端气温指数基本均表现为上升趋势，其中极端低温和极端高温上升趋势最明显的地区为上海、南京、杭州等大城市及其周边区域。

关键词：长三角地区；极端气温；时空变化；张力样条插值法；规则样条插值法

中图分类号：P457 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0042-06

Abstract：Base on the daily temperature data of 34 meteorological stations in the Yangtze River Delta region during 1960-2012，by using trend analysis，wavelet analysis，Mann-Kendall test，and spline interpolation method，the temporal and spatial variation characteristics of extreme temperature in Yangtze River Delta were analyzed.The results showed that：in recent 53 years，cold index showed a significantly upward trend，and passed the 0.01 reliability test，with the climate tendency rate of -2.8 d/（10a），-4.1 d/（10a） and 0.45 ℃/（10a），respectively.The warm index had a rising trend but the trend was not significant，only warm day index and the extreme maximum temperature passed the 0.05 reliability test.From a spatial distribution perspective，the number of high temperature days and the extreme maximum temperature showed the distribution rules of north low and south high，east low and west high，and coastal low and inland high.Low temperature days and extreme minimum temperature were contrary.From a change trend perspective，extreme temperature index showed a rising trend，and the most obvious upward trend areas of the extreme low and extreme high temperature were Shanghai，Nanjing，Hangzhou and other large cities and surrounding areas.

Key words：Yangtze River Delta region；extreme temperature；spatial and temporal variations；spline with tension；regularized spline

全球变暖的大背景下，极端天气气候事件的发生越来越频繁。据估计[1]，1991年-2000年的10年里，全球每年受到气象水文灾害影响的平均人数为2.11亿，是因战争冲突受到影响人数的7倍。研究表明[2-13]，我国近百年来地面气温已明显增暖，增温速率约为0.08 ℃/（10a），与全球同期平均相当或略强；近54年我国年地表平均温度增温速率0.25 ℃/（10a），明显高于全球或北半球同期水平。

极端天气气候事件的研究受到了越来越多的关注，国内外学者对极端气温变化趋势特征也进行了大量研究。如Klein等[14]采用极端气候指数研究了欧洲日极端气温和降水的变化趋势；高路等[15]研究指出，东北、青藏高原及西北地区为极端低温的集聚区，其中青藏高原为全国极端高温中的唯一冷中心，西北盆地为最热中心；王刚等[16]分析了海河流域极端高温和极端低温的长期变化特征和流域整体增温的气候变化背景，得出极端低温增幅明显高于极端高温，对平均气温上升的贡献较大的结论；翟盘茂[17]等依据经典气候学定义，通过阈值分析的方法研究了中国北方近50年的温度和降水极端事件变化，发现中国北方夜间温度偏低日数显著减少而白天温度偏高日数趋于增加。王琼[18]等采用WMO推荐的极端气温指数研究了近50年长江流域极端气温事件，结果显示冷指数基本都呈现减少趋势而热指数呈现一定的上升趋势，并且冷指数的上升速率较大。

长江三角洲地处我国东南沿海，是暴雨、夏季高温等极端气候事件经常发生的地区之一，极端天气气候事件在该地区发生所造成的经济、财产损失和社会影响往往也是巨大的。鉴于目前国内外专门研究长三角地区的极端气温时空变化特征的文献很少，本文拟采用长三角地区34个气象站1960年-2012年长时间序列逐日气温资料，揭示该地区极端气温事件的发生频率、时间变化和区域分布特征，旨在于为区域气候变化和城市气候研究以及区域经济发展提供可靠的依据。

1 数据与方法

1.1 数据来源

研究区为江苏、浙江全省以及上海市和安徽省的合肥、芜湖、滁州、马鞍山和铜陵五地级市所辖区域。地面气象观测资料来自于国家气象信息中心，共选取长江三角洲地区34个观测站（图1）的逐日气温资料，序列均一性都已经过检验。

由于各站点资料序列起始时间参差不齐以及资料序列中缺测情况不一，文章综合考虑选取各站点资料序列的时间段为1960年1月1日至2012年10月31日共53年，其中浙江龙泉站由于资料不全选取的时间段为1960年1月1日到2008年12月31日。

1.2 样条插值

本文采用样条插值法对长三角地区极端气温空间分布特征进行分析。样条插值法从根本上属于多项式插值，该方法主要是通过估计方差，利用一些特征节点，用多项式拟合的方法来产生平滑的插值曲线。这种方法适用于逐渐变化的表面，如温度、高程、地下水位高度或污染浓度等。如果用ve表示待估计点的值，则有：

2 长三角地区极端气温时空变化特征

2.1 极端气温指数定义

本文选取世界气象组织（WMO） 推荐的16 个极端气温指数中的6个指数（表1），从三个方面定义气温的极端变化，对于气温变化进行细微地分析。

可以看出，这6个指数分别从相对、绝对和极值三个方面进行了定义，实际上也可以把6个指数分为从冷和热或者极端低温和极端高温两个方面分别定义，其中冷指数（极端低温指数）有3个，分别为冷夜指数、低温日数、极端最低气温；暖指数（极端高温指数）分为暖昼指数、高温日数和极端最高气温。

2.2 极端气温变化趋势

近50多年长三角地区6个极端气温指数的年代际变化见图2。分析表明，冷夜指数和低温日数均呈下降趋势，其中20世纪60年代和2003年以后略有波动；暖昼指数和高温日数伴随着较大的波动而缓慢上升，极端最低气温和极端最高气温也呈稳步上升趋势。从6个指数的变化可以得出长三角地区的极端低温和日最极端高温都有所上升，极端低温比低端高温上升的更为明显，是气温变暖的最主要特征。

从表2可以看出，冷夜指数、低温日数的下降和极端最低气温的上升明显而且稳定，冷夜指数、低温日数的变化速率分别为-2.8 d/（10a）和-4.1 d/（10a），并且两者都通过了0.01的信度检验，最低气温也以0.45 ℃/（10a）的速度上升且通过0.01的信度检验。可见，近53年长三角地区的冬季气候变暖异常显著。

暖昼指数、高温日数和极端最高气温也有上升的趋势，而与冷指数相比，这三个暖指数波动较为剧烈且上升趋势不显著。其中，暖昼指数上升速率为1.7 d/（10a），通过了0.05的信度检验，高温日数上升速率为1.1 d/（10a）且没有通过检验，极端最高气温上升速率为0.21 ℃/（10a）通过了0.05的信度检验。

总之，全球变暖的背景下长三角地区的冷指数显著上升，相比夏天，冬天变暖更为明显。过去53（1960年-2012年）年，长三角地区平均极端最低气温上升了2.3 ℃，低温日数平均减少了21 d。

2.3 极端气温空间变化特征

2.3.1 极端气温区域分布特征

为得到极端气温区域分布特征，分别计算长三角地区的低温日数、高温日数、极端最低气温、极端最高气温的空间分布（图3），分析可知如下结果。

（1）冷指数。低温日数分布总体呈北高南低态势，而且在浙江地区，东南沿海高于内陆，而苏、皖、浙三省交界处较同纬度的值相对较低。高值区为江苏北部，最高为赣榆站达84 d，低值区为浙江东南沿海及岛屿，最低玉环站为5.9 d。极端最低气温分布为北低南高，最低为赣榆站达-11.2 ℃，最高为大陈岛-2.3 ℃。上述空间分布是纬度、海陆分布和地形对低温日数和极端最低气温共同影响的结果。

（2）暖指数。高温日数的空间分布与极端最高气温的分布极为相似，两者都呈现北低南高、东低西高、沿海低内陆高的分布规律。其中高温日数和极端最高气温的高值区分布在浙南中部地区，最高均为丽水站高温日数和极端最高气温分别达45.1 d和39.6 ℃，低值区为浙江东南沿海的岛屿，最低为大陈岛站高温日数和极端最高气温分别为0 d和31.4 ℃。可以看出，浙江丽水地区为长三角夏季最为炎热的地区，而浙江东南部岛屿如大陈岛为长三角地区夏季最为凉爽的地区，浙江东南部夏季温度梯度较大，主要体现了海陆分布和海陆风对气温的影响。

2.3.2 极端气温变化趋势空间分布

利用Mann-Kendall检验，对冷夜指数、低温日数、极端低温和暖昼指数、高温日数、极端高温变化趋势的空间分布（图4）进行研究发现如下结果。

（1）冷夜指数、低温日数全为下降趋势，极端最低气温全为上升趋势，即均为变暖趋势。各个指数通过验证的站点数目和通过验证率具体见表3，三个冷指数通过0.05信度检验的站点数分别为32、32和29，占总站点的94 %、94 %和85 %，其中冷夜指数、低温日数两者通过0.01信度检验的站点数均达85 %以上。三个冷指数趋势大小分布较为相似，冷夜指数下降趋势大值基本分布在南京以北和以上海、杭州、宁波为中心的三个片状区域，倾向率最大为高邮站的4.2 d/（10a），小值区主要分布在浙东南沿海岛屿。低温日数下降趋势的大值区主要分布在除太湖区域外的整个江苏地区以及上海、杭州、宁波等地方，倾向率最大仍然为高邮站的6.9 d/（10a），小值区仍然分布在浙江东南沿海岛屿。极端最低气温上升的大值区主要分布在以徐州、赣榆、南京、常州、洪家为中心的点状区域，倾向率最大南京站的为0.78 ℃/（10a），小值区分布在浙江南部边缘站点。

（2）暖昼指数、高温日数、极端高温3个暖指数的升高没有冷指数的变暖明显，但大部分站点呈上升趋势。其中，上升趋势最为明显的地区基本为杭州湾以北及以南的沿海区域和杭州地区，而暖昼日数上升的大值区向南延伸到浙江东南部沿海地区，极端最高气温上升的大值区向北延伸到江苏苏州、南通等地区，这些大值区站点的上升趋势都通过了检验，大部分站点通过了0.01的信度检验。暖昼指数、高温日数、极端最高气温上升倾向率最大值分别为洪家站的6.2 d/（10a）、鄞县的5.4 d/（10a）、上海龙华站的0.66 ℃/（10a）。三者变化趋势为负即为下降趋势的站点基本分布在江苏西北部。

从6个气温指数的变化总体来看，无论极端低温（即冷指数，前文由日最低气温定义）还是极端高温（即暖指数，前文由日最高气温定义），长三角地区大部分站点都表现为上升趋势，而只有小部分站点的极端高温呈微弱下降趋势。极端低温上升最为明显的地区为苏北以及南京、上海、杭州、宁波等大城市区域，极端高温上升最为明显的地区为江苏南部及沿海、浙江东部沿海以及杭州地区。极端低温和极端高温全为上升趋势且通过检验的站点有8个，分别为高邮、南通、溧阳、龙华、杭州、平湖、鄞县和洪家。

3 结论

（1）近53（1960年-2012年）年，冷夜指数、低温日数、极端最低气温3个冷指数都呈显著上升趋势，且均通过了0.01的信度检验，气候倾向率分别达-2.8 d/（10a）、-4.1 d/（10a）和0.45 ℃/（10a），暖昼指数、高温日数和极端最高气温3个暖指数虽也有上升趋势但趋势较为不显著，仅有暖昼指数与极端最高气温通过了0.05的信度检验。

（2）极端低温主要体现为低纬地区高于高纬地区沿海地区高于内陆地区，最低为苏北徐州、赣榆等地区，最高为浙东南玉环等地区；极端高温主要体现为沿海低于内陆，当然与纬度也有一定关系，其中最高为浙江金华、丽水地区，最低为浙东南玉环、大陈岛等地区；相比夏天变暖，冬天变暖更为明显，过去53（1960年-2012年）年，长三角地区平均极端最低气温上升了2.3 ℃，低温日数平均减少了21 d。

（3） 极端气温指数变化趋势均表现为上升趋势，但各有差异，极端低温表现为上升趋势，且较极端高温更为明显，极端低温上升趋势较为明显的地区为江苏大部、上海和浙江少部分地区，最为明显的是高邮、南京、上海、杭州、宁波等地区；极端高温上升明显的区域为苏南、上海以及浙江东南部，最为明显地区为南通上海一带、杭州以及宁波等地区。

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