河源市城区高温炎热的气候特征分析

2020-05-12魏璐周晓湘郑菲菲

广东气象 2020年2期

魏璐，周晓湘，郑菲菲

（河源市气象局，广东河源 517000）

当前，高温危害已成为我国夏季频发的极端灾害性天气事件［1-2]。长期处于高温环境中，易导致人的体温调节机制发生障碍，进而使得排汗受到抑制，从而导致中暑，严重可能导致死亡［3-4]。高温期间，常因水电需求猛增，对生活、交通、农业等行业产生很大的影响。农业方面，高温会加剧土壤水分蒸发和作物蒸腾作用，高温少雨如果长时间同时出现，就会造成土壤失墒严重，给农业造成很大的影响［5]。当前，许多专家对不同地区的高温特征做了研究，并得出了很多有意义的结论［6-7]。河源位于广东省东北部，夏季长，高温炎热日数多，在全球气候变暖和城市化进展加快的背景下，高温炎热天气也发生了明显变化。本研究通过研究河源城区的高温炎热天气特征，以期为当地政府部门制定相关预案、城市发展及生态文明建设等提供参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源和定义

东源国家站位于河源人口密集、经济发达的中心城区，且资料连续性好，本研究以东源站为城区代表站，因河源所有郊区区域自动站均建于楼顶，数据的代表性、准确性不够，实用性差，而紫金站位于城区东南侧，与东源县康禾镇区域站只相距18 km。紫金县相对欠发达，城市化影响较小，且没有经历过迁站，数据连续性好，故采用紫金站代表郊区站。

研究资料为东源、紫金国家气象站1970—2018年的气温和相对湿度的逐日资料，并定义：日最高气温≥35℃，为1个高温日；连续3 d及以上的高温天气定义为1次高温热浪事件［8]。依据广东省人民政府令（第255号）《广东省气象灾害预警信号发布规定》中，关于高温预警信号发布的规定，本研究把高温程度划分为3个等级：一般高温日（35℃≤日最高气温＜37℃）、重高温日（37℃≤日最高气温＜40℃）、严重高温日（日最高气温≥40℃）。

1.2 研究方法

为更直观了解高温对体感的影响，本研究引入炎热指数，该指数综合考虑了气温与相对湿度对人体舒适的影响。炎热指数由Tom［9]提出，黄卓等［10-11]进行了修正，具体公式为

其中，It为炎热指数；tmax为日极端最高气温（℃）；RH为日平均相对湿度（%）。

本研究炎热指数公式计算城区的炎热指数It，并算出东源站最高气温tmax≥33℃样本的It，并将计算得到的It序列升序排列，同时选50分位值为It临界值，最后计算得到It大于该临界值的日数，就是高温炎热日数。最后采用数理分析方法［12-13]，对近41年河源城区高温和炎热日数进行分析。

热岛强度定义为城区站与郊区站温度的差值，以Δt表示，当Δt＞0℃，则表示热岛效应；当Δt＜0℃时，则为冷岛效应。

2 高温、炎热指数变化特征

2.1 高温日数年变化特征

从图1a可知，近41年河源城区总高温日数有963 d，年均23.5d；出现最多为2017年（49 d），最少为1997年（5 d）。一般高温日数有882 d，平均每年21.5 d，占总高温日的91.6%；出现最多为2018年（45 d），其次是2017年（42 d）；最少为1997年（5 d）。重高温日数共出现81 d，年均2.0 d，出现最多为2004、2016、2017年，均有7 d，最少仅为0 d。近41年无严重高温日出现。

近41年河源城区总高温日数、一般高温日数、重高温日数均呈显著增加趋势，气候倾向率分别为0.56、0.49和0.07 d／年，均通过了α＝0.01的显著性水平检验。5年滑动平均表明，总高温日数、一般高温日数、重高温日数分布主要表现为5个阶段：20世纪70年代后期—80年代后期、90年代后期—21世纪00年代中期、2010年代后期为相对偏多期；20世纪90年代初中期、21世纪00年代后期—2010年代中期为相对偏少期。

Mann-Kendall突变检验显示，总高温日数在1987年前呈下降趋势，1988年起呈增加趋势，且2001年UF曲线超过了α＝0.05的显著性水平的临界线（图1d），说明城区高温日数的明显增加是一个突变现象，该突变起于1999年前后。

图1 1978—2018年河源城区，总高温日数（a）、一般高温日数（b）、重高温日数（c）的年际变化和总高温日的Mann-Kendall检验（d）

2.2 高温时间分布特征

从河源城区总高温的占比情况（图2a）可知，一般高温日（35～36 ℃）占比最多，达91.6%；重高温日（37～39℃）占比最低，仅占8.4%。近41年共出现129次高温热浪事件（图2b），其中，持续3 d的有48次，占37.2%；持续10 d及以上有5次，占1.3%；持续天数最长的有19 d（2007年7月21日—8月8日）；其次为15 d（2018年5月18日—6月1日）。常年首次出现高温的时间主要在5、6月，最早出现在2002年5月3日，结束最晚为2017年10月10日。从图2c可知，5—10月均有高温日的出现，集中出现在7、8月，达73.8%；5、10月出现最少，分别占2.2%、1.1%。

图2 1978—2018年河源城区高温值占比（a）、高温热浪（b）、各月高温日数（c）分布

2.3 年极端最高气温

从河源城区年极端最高气温的时间分布可知（图略），近41年河源城区极端年最高气温介于36.2～39.0℃，其中，年极端最高气温最大值为39.0℃，出现在1980年7月10日，最小值为36.2℃，出现在1992年。河源城区年极端最高气温以0.015 6℃／年的速率增加，其相关系数为0.25，通过了α＝0.05的显著性水平检验，表明年极端最高气温增温较为显著。

2.4 年高温日数小波分析

本研究采用Morlet小波对河源城区总高温日数进行周期分析。由图3a可知，总高温日数存在4～5、8～9、准15年尺度的周期变化。其中，4～5年周期在2005年之前较为明显；8～9年周期在2005—2018年期间表现较为明显；准15年周期在整个研究阶段表现最明显，且呈“偏少-偏多-偏少-偏多-偏少-偏多”交替变化的特征。由小波方差图（图3b）可知，15年周期尺度的峰值最高，能量最大，其它峰值表现较不明显。

图3 1978—2018年河源城区高温日数Morlet小波分析（a）和小波方差（b）

2.5 炎热日数

通过计算得到河源城区炎热指数临界值为88.3℃，当超过该值时，该日即为炎热日。近41年城区共出现了2 065个炎热日（图4a），出现最多的年份为2017年（84 d），其次为2018年（80 d）；最少为2011年（26 d），炎热日数与最多高温日数出现的年份一致，均为2017年，且年际变化趋势也大致相似，均呈增加趋势；炎热日数以气候倾向率为0.26 d／年递增，通过了α＝0.05的显著性水平检验。从5年滑动平均曲线可知，在2002年之前，炎热日数波动较为平缓；2003—2011年有一次明显的下降趋势；2012—2018年增加趋势明显加快。

统计可知，炎热日数与总高温日数月份分布基本一致，主要集中在7、8月份，约为57%；5、10月占比最少，约为总数的8.6%（图略）。临界值为88.3℃在不同空气相对湿度情况下，所对应的最高气温分别为RH≤60%时为36.0℃、RH＝70%时为34.6℃、RH＝80%时为33.4℃、RH＝90%时为32.2℃，对同一炎热临界值，相对湿度增大，相对应的最高气温也降低，最高和最低气温相差达3.8℃。

图4 1978—2018年河源城区炎热日数趋势

3 热岛效应对炎热日数影响

高温炎热的出现与热岛效应间存一定的相关性［14]，根据分析可知，近41年河源城区热岛强度均＞0，年平均热岛强度为0.5℃，说明城市化进程中，存在热岛效应。河源城区的热岛强度以0.011℃／年速率增加，且通过了α＝0.01的显著性水平检验，具体变化表现为：20世纪90年代前，热岛强度总体较弱；21世纪之后，热岛强度较强，最强出现在2017年（0.9℃），这与高温炎热日数的峰值吻合。经计算城区年炎热日数与热岛效应强度之间的相关系数为0.46（通过了α＝0.05的显著性水平检验），表明其与热岛效应强度存在显著性相关关系。由此可知，城市化进程造成的热岛效应加剧了河源城区高温炎热日数的发生。

4 高温炎热天气形势分析

4.1 副热带高压

由2.2节分析可知，河源城区高温炎热事件发生在7—8月占比最多。在高温、炎热日数偏多的年份，常表现为副热带高压强度偏强、位置偏南等特征。分析高温炎热天气期间，发现大部分副热带高压较为强盛，副热带高压大致分为东西两环，但位置存在一定的差异，大部分副热带高压脊线位于20°N—40°N，绝大多数位于30°N附近，该期间常受副热带高压的下沉气流影响，非常有利于高温炎热天气的出现。如2007年7月21日到8月8日出现持续时间最长的高温事件，主要处在强盛的副热带高压控制的时间长达28 d，因而导致罕见的持续性高温炎热天气。

4.2 热带气旋

当有热带气旋靠近我国时，河源城区常受热带气旋外围西侧的下沉气流影响，也易导致极端高温炎热天气的出现，该类天气主要出现在7—10月份。一般来说，热带气旋在西太平洋120°E—125°E转向北上或在125°E以西向西偏北方向移动时，河源一般受位于热带气旋西侧外围偏北气流及副热带高压脊前的偏北气流叠加的影响，易导致极端异常高温天气的出现。在重高温日以上事件中，由热带气旋引起的约占71.2%，热带气旋外围强烈的下沉气流往往会引起极端高温炎热天气的出现，如1980年7月10日的极端高温炎热天气，该日最高气温为39.0℃，出现极端最高温主要受198006号台风“艾达”西侧的下沉气流影响。

4.3 气候异常年

河源城区高温炎热天气的发生与ENSO暖事件的影响密切相关，曾钦文等［15]研究河源地区气温变化特征及其与ENSO的关系表明，在El Niño事件中，河源地区年平均气温有偏高趋势，对河源地区的气温影响最明显在当年和次年，统计发现，近41年出现高温和炎热日数最多年份2017年正是El Niño事件的次年；在El Niño事件年中，1998、2014～2016、2013—2015年均为高温和炎热日数偏多的年份。