近35 a湖南夏季高温日数时空变化特征分析

黄卓禹，王式功，李晓坤，昌立伟

(1．兰州大学大气科学学院，甘肃　兰州　730000；2．湖南省娄底市气象局，湖南　娄底　417000；3．内蒙古自治区锡林郭勒盟气象局，内蒙古　锡林浩特　026000；4．湖南省岳阳市气象局，湖南　岳阳　414000)



近35 a湖南夏季高温日数时空变化特征分析

黄卓禹1,2，王式功1，李晓坤3，昌立伟4

(1．兰州大学大气科学学院，甘肃兰州730000；2．湖南省娄底市气象局，湖南娄底417000；3．内蒙古自治区锡林郭勒盟气象局，内蒙古锡林浩特026000；4．湖南省岳阳市气象局，湖南岳阳414000)

该文针对近年来人们普遍关心的高温热浪极端天气气候事件问题，利用湖南省1979—2013年的全省各县(市)95个地面气象观测站点逐日最高气温资料来研究湖南省单站高温日数时空变化特征，研究指出：湖南省高温天气日数空间分布特征呈现“东多西少”；且存在2个高温多发区；高温天气的年发生日数空间差异很大，与地形密切相关。高温日数演变过程中存在着4类尺度的周期变化规律。同时不同的年代际也表现出不同的强度和范围，尤以21世纪的变化最为明显。此外，湖南高温也存在明显的年际和年代际变化，在20世纪80年代之前，年高温日总次数呈小幅减少的趋势，而在21世纪后，年高温日总次数表现出显著增加趋势。

湖南省；高温日数；时空变化特征；周期变化

1　引言

IPCC的第五次评估报告[1]坚持了以往四次报告的说法，认为全球气候系统的变暖是明确无疑的。多数研究[2-3]也表明在全球变暖的大背景下，中国的气候变暖与全球气候变暖基本同步，而且表现更为明显。王绍武等人[4]在研究中国的气候变暖时指出近百年来,中国的平均温度升高了0.4～0.5 ℃。赵宗慈等人[5]指出在2035年前，即使太阳活动异常衰微、强火山爆发以及拉尼娜事件等事件同时发生可能造成中国的平均气温降低0.5 ℃，但仍然阻挡不住由于人类作用造成的气候变暖的总趋势。

目前有大量研究指出[6-7]，高温事件，尤其是持续性高温事件对社会经济发展带来诸多不利的影响，甚至是危及生命安全。湖南地处副热带季风区，盛夏常出现连晴高温、酷暑干旱的天气，对工农业生产影响很大，例如早稻成熟期遇上高温，稻谷被逼熟，产量降低；晚稻移栽期遇上高温，轻者延长禾苗返青期，重者引起凋萎死苗；对人畜来说，高温能使新陈代谢加速，能量消耗加大，人体疲劳，严重的可引起中暑休克。

2　资料与方法

本文所采用的资料来自湖南省1979—2013年全省各县(市)95个地面气象观测站点，经过质量控制的日最高气温资料、资料真实可靠。

本文沿用中国气象局高温热浪的标准，定义高温日为逐日最高气温>35 ℃，单站持续性高温事件为连续3 d以上最高气温>35 ℃事件。此外目前对于高温过程的强度还没有给出等级标准，本文根据高温预警发布的原则以及高温天气对人体和作物的影响和危害，为区分高温天气的强度，定义了3个高温强度等级：轻度高温、中度高温和重度高温天气。轻度高温是指日最高气温≥35 ℃且<37 ℃的天气；中度高温是指日最高气温≥37 ℃且<40 ℃的天气；重度高温日最高气温≥40 ℃的天气。

3　高温日数的空间分布特征

图1给出了湖南省1979—2013年各级高温强度的高温天气日数及极端高温空间分布情况。从图1a可以看出，湖南高温天气日数分布特征呈现“东多西少”。南岭、雪峰山、湖区是少高温地区，而湘江中游、包括衡阳、长沙、株洲、湘潭地区及郴州地区北部是多高温的地区，此外资水中游的安化高温日数也较多。高温天气的年平均日数差异也很大，最少日数有1 d/a，而最多日数则高达41 d/a。从整体上看，主要存在2个多高温日数的分布区,分别在衡阳—永州—株洲一带以及益阳—常德附近，这些区域的高温日数多在24 d/a左右；在怀化南部及郴州的东南部的高温日数则不足9 d/a；中度高温天气(图1b)整体的空间分布特征与>35 ℃高温分布大体一致，但高温日数要明显减少，除衡阳东南部附近严重高温日数在12 d/a左右以外,其余大部分地区均在10 d/a以下；从图1c湖南省重度高温天气的高温日数的空间分布图可以发现，重度高温天气的高值区和低值区的分布与上述两种情况分布也基本一致，但数值却急剧减小，2个高值区的重度高温日数在0.3～0.5 d/a之间；在怀化南部、永州南部、益阳北部重度高温天气较少，低于0.1 d/a。从图1d极端高温天气的空间分布情况图可以看出，在2个高温日数频繁地区，历年的极端高温均在41 ℃以上，此外在娄底、长沙、湘潭交界处也出现了41 ℃以上的高温。

通过对比湖南省地形(图略)可以发现,湖南省的高温日数较多可能与其地形有密切的关系，例如，多高温区的中部地区，其西有雪峰山脉，南为南岭山脉，东有罗霄山脉，使之成为东、南、西三面高山，向北倾斜的盆地，在盛夏暖气团的控制下，连晴增热以后，热量不易流散，而成为湖南的多高温地区；安化地处雪峰山东北部的谷地，地形作用对形成高温区也有密切关系；湘西、湘南的少高温地区的分布与测站海拔高度200 m的等值线分布基本相似，湖区海拔高度虽在20 m以下，但湖面宽广，水的热容量又较土壤大得多，加之湖区地势平坦开阔，南风大，空气流通，因此湖区也是少高温的区域。

图1　湖南省1979—2013年各级高温日数空间分布(d·a-1)(a)≥35 ℃，(b)中度高温天气(≥37 ℃且<40 ℃)，(c)重度高温天气(≥40 ℃)，(d)极端高温Fig.1　Hunan Province 1979—2013 spatial distribution of all-level high temperature days (day o a-1)(a)≥35 ℃(b) moderately high temperatures (≥37 ℃ and <40 ℃), (c) severe hot weather (≥40 ℃), (d) extreme heat

4　高温日数的时间变化特征

4.1年际变化特征

为了揭示湖南省高温日的时间演变规律，使用湖南省95站的总高温日数进行分析。从图2a中可知道，湖南省平均每年的高温日为2 168次，在20世纪80年代之前，高温日总次数呈小幅减少的趋势，而在21世纪后，高温日总次数表现出显著增加趋势。为了进一步分析高温日总次数的变化趋势，对其运用Mann-Kendall(M-K)非参数检验方法。图2b中UF代表高温日总次数的顺序统计曲线，UB为逆序统计曲线，给定显著性水平：α=0.05，临界线为±1.96(两条虚线)；当UF曲线的值大于(小于)0，则表明呈上升(下降)的趋势；当统计曲线超过临界线时，表明变化趋势是十分显著的；如果两条统计曲线出现交点，且交点位于临界区间内，表明交点对应的时刻就是突变开始的时间。

由图2b可知，20世纪90年代末以来高温日总次数呈上升趋势，进入21世纪10年代UF曲线超过临界线，表明这种上升趋势是十分显著的。由两条曲线交点的位置可以确定，20世纪90年代末的高温日总次数的增加是一种突变，其开始时间发生在2005年。

图2　湖南省代表站总高温日数逐年变化(a)(曲线为二阶拟合曲线)及M-K突变分析(b)Fig.2　Yearly high temperature days variation of Hunan Provincial representative station (a) (second order fitted curve) and MK abrupt change analysis (b)

此外，分析极端高温值逐年变化情况可以看出(图略)，在21世纪前，湖南省的极端高温处于一个相对平稳状态，但在进入21世纪后，湖南省的极端高温值有明显增加的趋势，在2013年极端高温值高达43.2 ℃，比常年偏高3 ℃以上。同样采用M-K非参数检验方法，可知，自20世纪90年代初以来湖南省的极端高温有一个上升的趋势，进入21世纪10年代上升趋势表现更为显著，此外可以确定湖南年极端高温在21世纪10年代的增暖是一种突变现象，具体是从2002年开始的。

4.2周期变化特征

为更详细了解湖南省高温日数的年代变化情况，本节选取湖南省各时段年高温总日数，将数据进行标准化后，试运用小波分析理论，借助Matlab7.0、suffer8.0等相关软件，完成高温日数的周期变化趋势分析。

小波系数实部等值线图能反映高温日数序列不同时间尺度的周期变化及其在时间域中的分布，进而能判断在不同时间尺度上，高温日数的未来变化趋势。从图3a中可以清楚的看出高温日数的演变过程中存在的多时间尺度特征。总的来说，在高温日数演变过程中存在着25～32 a，15～23 a，9～14 a以及3～7 a的4类尺度的周期变化规律，其中在15～23 a尺度上出现了多—少准两次震荡，在9～14 a时间尺度上存在准5次震荡；同时，还可以看出以上两个尺度的周期变化在整个分析时段表现的非常稳定，具有全域性；而在3～7 a尺度的周期变化，在1995s表现的更为稳定。

图3　小波系数实部等值线图(a)和小波方差图(b)Fig.3　Wavelet coefficients real contour map (a) and wavelet variograms (b)

小波方差图能反映高温日数时间序列的波动能量随年尺度的分布情况，可用来确定高温日数演化过程中存在的主周期。高温日数的小波方差图中(图3b)存在4个较为明显的峰值，它们依次对应着2 a、5 a、12 a、32 a的时间尺度；其中，最大峰值对应着32 a的时间尺度，说明32 a左右的的周期震荡最强，为高温日数变化的第1主周期；5 a时间尺度对应着第2峰值，为高温日数变化的第2主周期；第3、第4峰值分别对应着12 a和2 a的时间尺度，它们依次为高温日数变化的第3和第4周期，这说明上升4个周期的波动控制着湖南高温日数在整个时间域内的变化特征。

根据小波方差检验的结果，我们绘制了控制湖南高温日数演变的第1个和第2个主周期小波系数图，从主周期趋势图中可以看出分析在不同的时间尺度下，湖南高温日数存在的平均周期及多—少的变化特征，图4a显示，在32 a特征时间尺度上，高温日数变化的平均周期为24 a左右；而在5 a特征时间尺度上(图4b)高温日数变化的平均周期为3.5 a左右，大约有9个周期的多—少变化。

图4　湖南高温日数变化的32 a和5 a特征时间尺度小波实部曲线Fig.4　Wavelet real curve of 32-year and 5-year characteristic time scale of Hunan Province high-temperature days variation

4.3年代际变化特征

湖南省单站高温日的总次数表现出明显的年代际变化特征，图5给出了湖南省在不同年代际高温日的空间分布。从图中可以看出有存在两个相同的高值区，在怀化的西南部及永州的东南部都存在相似的低值区。但不同的年代际表现出不同的强度和范围。从图5a在20世纪80年代最多高温日为360次左右，其高中心主要集中在衡阳的东南部大部分地区，在90年代高温日的次数(图5b)较上个年代有明显减少，最多次数在330次左右，且益阳—常德一线的高值区有表现不是很明显。在进入21世纪后高温日强度及范围有明显增多的趋势，其中21世纪初全省高温日次数最多的高达390次以上(图5c)，此外位于衡阳的高值区贯穿整个衡阳市，向南扩展到永州北部大部分地区，向北伸展到湘潭、株洲、长沙一线，整个高值区域明显加大，位于张家界—常德一线的高值区发生次数也较前期有明显的增多。在21世纪10年代初期(图5d)高值区表现与上个年代类似，但强度及高温次数范围较上个年代又有增多。此外各个年代际的变化趋势与Morlet小波分析的第一主周期32 a的时间尺度的分析一致，即20世纪80年代湖南高温日数呈增长的态势，90年代则呈现一个明显减少的态势，进入21世纪高温日数增加明显。

图5　湖南省各站次多年累积高温日次数的空间分布(单位：次)(a)1980—1989年，(b)1990—1999年,(c)2000—2009年，(d)2010—2013年Fig.5　 Spatial Distribution of all station multiple years accumulated high temperature day occurring times (Unit: Times) (a) 1980—1989, (b) 1990—1999, (c) 2000—2009, (d) 2010—2013

5　结论

①湖南高温天气日数分布特征呈现“东多西少”。南岭、雪峰山、湖区是少高温地区，而湘江中游、包括衡阳、长沙、株洲、湘潭地区级郴州地区北部是多高温的地区，此外资水中游的安化高温日数也较多。高温天气的年平均日数差异很大。有两个高温日数分布区，在两个高温日数频繁地区，历年的极端高温均在41 ℃以上。

②湖南省高温日数存在明显的年际和年代际变化特征，在20世纪80年代之前，高温日总数呈小幅减少的趋势，而在21世纪后，高温日总数呈显著增加的趋势。在90年代高温日的次数较80年代明显减少，在进入21世纪后高温日强度及范围有明显增多的趋势，在21世纪10年代初期高值区表现与上个年代类似，但强度及高温次数范围较上个年代有增多。

③通过周期分析发现，在高温日数演变过程中存在着25～32 a，15～23 a，9～14 a以及3～7 a的4类尺度的周期变化规律，其中3～7 a时间尺度的周期变化最为明显；此外高温日数还存在4个较为明显的震荡周期。

[1] IPCC.Climate change 2013: the physical science basis [M].Cambridge:Cambridge University Press, in press. 2013-09-30 [2013-09-30],http://www.cliniatechange2013.org/images/uploads/ WG -IAR5_WGI-12Doc2b_FinalDraft_All.pdf.

[2] 姚望玲,陈正洪,向玉春.武汉市气候变暖与极端天气事件变化的归因分析[J].气象,2010,36(11):88-94.

[3] 张尚印,张德宽,徐祥德,等.长江中下游夏季高温灾害机理及预测[J].南京气象学院学报,2005,28(6):840-846.

[4] 王绍武,赵宗慈,唐国利.中国的气候变暖[J].国际政治研究(季刊),2009,(4).

[5] 赵宗慈,郭彦,黄建斌,等.到2035年中国将继续变暖吗[J].气候变化研究进展,2013, 9(16):446-448.

[6] 汪卫平,熊伟,陈余明.贵州省日最高气温气候特征分析[J].贵州气象,2013,37(1):6-10.

[7] 罗贵东,王英,唐雪峰.达州市1960—2009年温度变化特征[J].贵州气象,2014,38(1):34-36.

Temporal and Spatial Variation Characteristics Analysis of the Number of the High Temperature Days in Hunan Recent 35-year Summers

HUANG Zhuoyu1,2, WANG Shigong1, LI Xiaokun3, CHANG Liwei4

(1.College of Atmospheric Sciences, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China;2.Loudi Municipal Meteorological Bureau, Loudi 417000, China; 3.Xilin Gol League Meteorological Bureau of Inner-Mongolia Autonomous Region, Xilin Gol 026000, China; 4.Hunan Province Meteorological Bureau of Yueyang City, Hunan Province,Yueyang 414000, China)

Heat waves extreme weather events in recent years were reviewed. The daily maximum temperature data of 95 county-level meteorological observation stations from 1979 to 2013 in Hunan Province were used to study the temporal and spatial variation characteristics of the number of the high temperature days in one single station in Hunan Province. The results indicate that the spatial distribution of the number of high temperature days in Hunan Province represents the characteristics of decreasing from the east to the west and there are two hot-prone areas; The number of high temperature days varies greatly in space, very closely related to the topography. There are four scales of cycle variations of annual high temperature days’ number. At the same time, in different decades, there are different variation intensities and ranges; especially the temperature variation in 21 century is most obvious. In addition, there are obvious changes of high temperature between years and decades. Before 1980s, there is a slightly-decreasing trend for the annual total number of high temperature days, while after the arrival of the 21stcentury, the toal number of high temperature days shows a significantly increasing trend.

Hunan; high temperature days; temporal and spatial variation characteristics; cycle variation

1003-6598(2016)01-0035-05

2015-08-04

黄卓禹(1986—)，女，工程师，硕士，主要从事天气预报和研究工作，E-mail:hzysara@sina.com。

湖南省气象局2015年短平快课题(XQKJ15B092)。

P466

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