全球变暖背景下济南及其周边地区极端温度与降水事件变化分析

焦 洋，李彦之，田雪珊，周 艺

(1.济南市气象局，济南 250102；2.济南高新技术产业开发区气象局，济南 250102；3.威海市气象局，山东 威海 264200)

引 言

政府间气候变化专门委员会(IPCC，2013)第五次评估报告表明[1]，在全球变暖背景下，极端气候事件的发生频率和强度在大部分陆地地区显著增强。随着全球变暖，极端高温事件将变得更频繁、更强、更持久。同世界其他地区一样，持续性高温事件在中国大部分区域显著增加。近百年来全球平均降水量的变化趋势不明显，且全球降水极值的变化缺乏空间上的一致性。近年来，我国东部地区极端气候事件频发，许多城市出现了“看海”事件[2]。研究表明，中国许多地区的极端降水量和年降水总量有密切关系，特别是中国东部地区随着年降水总量的增加，极端降水量的增加更为显著[3,4]。东部地区持续性的极端降水极易引发洪涝灾害，危及人民生命财产安全[4,5]。随着极端气候事件对社会经济及生态系统造成的危害与日俱增,极端事件作为一种小概率、高影响事件逐渐备受关注。因此，对极端气候事件机理成因进行探索，掌握其未来发展规律，加强对灾害性天气的监测，为地方政府提供科学决策，是当今气候变化研究的热点问题[6,7]。

山东省地处北半球中纬度地带，四季分明，雨热同季，年平均降水量由东南向西北递减。降水季节分布不均衡，年际变化大。同时山东暴雨预报，特别是大暴雨预报是实际业务中的难点[8]。热浪、干旱、洪涝等灾害性天气事件频发，本省的农业生产受到气温和降水的直接制约[9-11]。济南市是山东省省会城市，境内泉水众多，水资源较为丰富，地势南高北低，南靠泰山，北邻黄河[12]。近年来，济南及其周边地区极端高温天气事件增多[13-14]。此外，由于特殊的地形，夏季济南市暴雨事件常常导致城市内涝发生，济南及其周边地区的暴雨灾害频发[15-16]。

虽然有很多学者在对山东的极端气候事件概况进行研究，但是较少采用规范化的极端指数定义进行分析。本文基于世界气象组织定义的极端气候指数，利用相关关系、合成分析等方法，从大气环流及水汽输送方面入手，对济南及其周边地区的极端事件进行了分析,揭示其极端气候变化特征及其形成机制。

1 方 法

选用1970-2015年国家气象观测大监站逐日降水、最高气温和最低气温资料，选取济南及其周边地区的47个台站。环流场资料利用NCEP提供的1970-2015年风场、温度场等再分析资料(2.5°×2.5°)[17-19]。

文中还应用到经验正交(EOF)分解、M-K突变检验、t检验、一元线性回归分析等相关统计方法[20]。文中相关极端气温、降水指数根据表1中方法计算[21-22]。

表1 极端高温、降水指数[23]

2 济南及其周边地区气温变化

图1(a)为1970-2015年济南及其周边地区同经度带(115°-120°E)气温趋势剖面图。由图1(a)可看出，250 hPa以上的对流层上部，气温呈现递减趋势；250 hPa以下的对流层中下部，除15°N近地层有较弱递减趋势外，其余均呈现出显著的递增趋势，在35°N、60°N、80°N附近出现大值中心，济南及其周边地区位于35°N以北的大值区内。

图1(b)为1970-2015年济南及其周边地区同纬度带(35.5°-38.0°N)气温趋势剖面图。由图1(b)可看出，200 hPa以上的对流层上部，在180°E附近有正值中心，其余地区气温均呈现降低趋势；200 hPa以下的对流层中下部，多呈现显著的递增趋势，在0°、35°E、120°E、130°W附近的对流层底部出现大值中心，济南及其周边地区位于太行山脉至120°E的大值区内。表明济南及其周边地区近地层的温度在1970年后具有增长趋势，同经度带、同纬度带中均为显著增长区，趋势为0.3～0.4℃/(10a)。

图1 1970-2015年济南及其周边地区同经度带(115°-120°E)(a)及同纬度带(35.5°-38.0°N)(b)气温变化趋势剖面图

图2(a)-(d)为对1970-2015年济南及其周边地区的4个极端高温指数作EOF分析的第一模态空间分布图，其第一模态均通过蒙特卡洛检验。其中暖夜日数、暖昼日数的EOF第一模态空间分布均为正值区，具有较为统一的空间一致性。夏日日数、热持续日数在济南及其周边地区呈现出“南低北高”的空间分布，正值区位于鲁西北和鲁中东部，鲁西北西部正值区尤为显著。

图2 1970-2015年济南及其周边地区4个极端高温指数EOF第一模态空间分布

对1970-2015年济南及其周边地区的4个极端高温指数EOF第一模态时间系数序列分析发现(图3a-d)，各指数均呈现增长趋势，但存在一定的年际波动。夏日日数、热持续日数的时间系数在1990年以前多为负值，与“南低北高”的分布相反，1990年后多为正值且绝对值有增长趋势，空间分布的“南低北高”特征更明显。暖夜日数、暖昼日数的第一模态时间系数在1970-1995年为负值，济南及其周边地区暖夜日数、暖昼日数偏少，1995-2015年转为正值且绝对值增加，济南及其周边地区的暖夜日数、暖昼日数呈现一致性偏多，并有增强趋势。

夏日日数(图3e)、暖夜日数(图3f)、暖昼日数(图3g)、热持续日数(图3h)时间序列突变检验突变点发生在1990年前后。暖夜日数在1990年后增速较快，暖昼日数在突变年后持续缓慢增长，夏日日数、热持续日数在1995年前后达到一次峰值，1995-2005年略有下降，在2005年后再次呈现增长趋势，并维持高值期。

图3 1970-2015年济南及其周边地区4个极端高温指数EOF第一模态时间序列

3 济南及其周边地区极端降水气候变化特征

1970-2015年济南及其周边地区的7个极端降水指数作EOF分析的第一模态空间分布图(图略)，其第一模态均通过蒙特卡洛检验。其中年总降水量、中雨以上日数、大雨以上日数、强降水量、极强降水量及暴雨以上日数的EOF第一模态空间分布均为正值区，具有较为统一的空间一致性。年总降水量、中雨以上日数、强降水量及极强降水量的空间分布大值区位于鲁西北西部及鲁中的中东部，大值区为变化显著区。大雨以上日数和暴雨以上日数的大值区位于鲁西北中部和鲁中大部地区。平均日降水强度的第一模态分布显示,大值区分布在鲁中南部及鲁西北北部-鲁西北南部及鲁中东部，在鲁中南部和鲁西北北部有小范围的负值区。

对1970-2015年济南及其周边地区的7个极端降水指数EOF第一模态时间系数序列分析发现(图4a-g)，前期各指数表现较为一致，均在1970—1985年为负值且绝对值增大，总降水量、中雨以上日数、大雨以上日数、强降水量、极强降水量及暴雨以上日数偏少，1985-1990年为负值且绝对值减小，以上指数整体偏少的分布型减弱；1990年后的多为正值，存在一定的年际波动，总降水量、中雨以上日数、大雨以上日数、强降水量、极强降水量及暴雨以上日数整体偏多。平均日降水强度在1970-1990年表现为鲁中南部及鲁西北北部偏小，鲁西北南部及鲁中东部偏大的反位相分布型，1990年后多为正值，主要为鲁中南部及鲁西北北部偏小，鲁西北南部及鲁中东部偏大的分布型。

图4 1970-2015年济南及其周边地区7个极端降水指数EOF第一模态时间序列

总降水量及平均日降水强度的突变点发生在1990年前后(图略)。总降水量及平均日降水强度的UF曲线趋势表明，其在1990年前为波动下降趋势，1990-2002年为缓慢上升期，2002-2005年增速较快，2005-2015年上升趋势减缓，处于高值期。平均日降水强度的UF曲线趋势表明，其在1990年前为波动下降趋势，1990-2002年为缓慢上升期，2002-2005年增速较快，2005-2015年上升趋势减缓，处于高值期。

以往研究发现，山东首场暴雨多发生在5月前后[24]。选取济南大监站(台站号：54823)1970-2015年的逐日降水数据，计算每月最大一日降水量和每月连续5日最大降水量进行统计(图略)。结果显示，济南主要集中降水月份为7、8月，降水离散分布和变率较大的月份为5-9月。这进一步说明，5-9月的极端降水变化对逐年极端降水指数的变化具有重要的指示意义。因而下文在分析环流形势异常变化时，选取逐年5-9月的大气环流场进行分析。

4 大气环流及水汽输送分析

图5为5-9月1991-2015年减去1970-1990年的500 hPa(图5a)、850 hPa(图5b)位势高度差值图。500 hPa位势高度场显示，在1990年后，欧洲东部位势高度正异常，新地岛以东的北冰洋洋面负异常，贝加尔湖至内蒙古一带为正异常，三者呈现出“正负正”的三明治式分布，存在一条从欧洲东部开始自西北向东南传播的波列。欧亚地区易形成两高一低的环流形势，乌拉尔山地区为发展强盛的高压脊，在西伯利亚地区有一稳定的低值区，常会生成长波槽，山东地区为较弱的高压系统，中纬度不断有从长波槽中分裂的小槽引导冷空气东移南下，与西南暖湿气流在山东交汇，造成降水[25]。低层850 hPa上自西北向东南的波列不显著，欧洲东部的正异常区域减小，新地岛以东洋面的负异常也减弱，但贝加尔湖至内蒙古一带的正异常中心加强，中心位置较500 hPa的偏西。

图5 500hPa(a)、850 hPa(b)高度场差值和700 hPa风场差值(c、d)

700 hPa(图5c、d)风场1970-1990年的较气候态平均差值显示，华北大部在1990年前，以偏东风为主，南支上为偏北气流，缺少偏南气流输送水汽；1991-2015年较气候态平均差值显示,700 hPa风场自孟加拉湾至山东地区偏南气流明显加强，均通过显著性检验，西南暖湿气流强盛，为山东地区降水输送水汽和能量，导致降水增多和增强。

辐合辐散及速度势1970-1990年的较气候态平均差值显示，济南及其周边地区至山东以东200 hPa(图6a)存在速度势正值中心，为水平辐合区，925 hPa(图6c)为水平辐散区，高层辐合低层辐散的上下层配置，盛行下沉气流，不利于垂直运动的发展。济南及其周边地区至山东以东1991-2015年的辐合辐散及速度势较气候态平均，925 hPa(图6d)为水平辐合区。降水区中水汽通量辐合主要由风的辐合造成，特别是低层空气里的水平辐合最为重要，925 hPa的辐合条件易使低层水汽聚集。200 hPa(图6b)为水平辐散区。这种高层辐散低层辐合的上下层配置，引起的抽吸作用，使该区域易有较强的垂直上升运动。大气垂直上升运动与大气中的凝结和降水过程密切相关。垂直运动造成的水汽、热量等物理量的垂直输送，有利于降水天气系统的发展，促使该区域产生极端降水[26]。

图6 200 hPa(a、b),925 hPa(c、d)辐合辐散(矢量，单位：m/s)及速度势(等值线，单位107m2/s，实/虚线分别表示正/负值)差值

沿济南及其周边地区四个边界(东边界为119°E、西边界为115°E、南边界为35.5°N、北边界为38°N)作水汽通量垂直剖面图(图7)，图中正值为水汽通量输入区，负值为水汽通量输出区。水汽通量垂直剖面图差值分析表明，1990年后各边界水汽通量分布不均：东边界在中高层500 hPa附近及近地层925 hPa存在水汽通量正值区，中低层为水汽通量负值区(图7a)；西边界在中低层存在水汽通量正值区，其余为大范围负值区(图7b)；南边界上除中层外，其余大部分层次上是显著的水汽通量输出区(图7c)；北边界(图7d)与南边界的水汽通量情况相反，除中层外，中低层和高层均为大范围的水汽通量输入区。

图7 济南及其周边地区东(a)、西(b)、南(c)和北(d)边界水汽通量差值剖面图

5 总结与讨论

(1)济南及其周边地区近地层的气温在1970年后具有的增长趋势，在同经度带、同纬度带中均为显著增长趋势。1970-2015年济南及其周边地区的暖夜日数、暖昼日数具有较为统一的空间一致性。夏日日数、热持续日数呈现出“南低北高”的空间分布，正值区位于鲁西北和鲁中东部，鲁西北西部正值区尤为显著。夏日日数、热持续日数在1990年以前多呈现与“南低北高”反位相的分布，1990年后 “南低北高”的空间分布特征更明显。济南及其周边地区暖夜日数、暖昼日数在1970-1995年偏少，在1995-2015年呈现一致性偏多，并有增强趋势。

(2)年总降水量、中雨以上日数、大雨以上日数、强降水量、极强降水量及暴雨以上日数具有较为统一的空间一致性。平均日降水强度大值区分布在鲁中南部及鲁西北北部-鲁西北南部及鲁中东部。总降水量、中雨以上日数、大雨以上日数、强降水量、极强降水量及暴雨以上日数在1970-1985年偏少，1990年后第一模态时间系数多为正值，存在一定的年际波动，总降水量、中雨以上日数、大雨以上日数、强降水量、极强降水量及暴雨以上日数整体偏多。平均日降水强度在1970-1990年表现为鲁中南部及鲁西北北部偏小、鲁西北南部及鲁中东部偏大的反位相分布型，1990年后呈反位相分布型。夏日日数、暖夜日数、暖昼日数、热持续日数、总降水量及平均日降水强度的突变点发生在1990年前后。济南主要集中降水月份为7、8月，5-9月的极端降水变化对逐年极端降水指数的变化具有重要的指示意义。

(3)在1990年后，500 hPa欧洲东部位势高度正异常，新地岛以东的北冰洋洋面的为负异常，贝加尔湖至内蒙古一带的为正异常，三者呈现出“正负正”的三明治式分布，存在一条从欧洲东部开始自西北向东南传播的波列。欧亚地区易形成两高一低的环流形势，冷空气易南下与西南暖湿气流在山东交汇，形成有利于降水的天气形势。低层850 hPa上自西北向东南的波列不显著，欧洲东部的正异常区域减小，新地岛以东洋面的负异常也减弱，但贝加尔湖至内蒙古一带的正异常中心加强，中心位置较500 hPa的偏西，济南及其周边地区位于该反气旋环流的前下部，受异常的东北气流影响。1991-2015年风场较气候态平均差值显示，700 hPa风场自孟加拉湾至山东地区偏南气流显著增强，为济南及其周边地区降水输送水汽和能量，925 hPa为水平辐合区，易使低层水汽聚集，200 hPa为水平辐散区，这种高层辐散低层辐合的上下层配置，使垂直上升运动增强。水汽、热量等物理量的垂直输送，有利于降水天气系统的发展，易发暴雨。1990年以后，5-9月济南及其周边地区东边界500 hPa附近及925 hPa存在水汽通量正值区，中低层为水汽通量负值区，西边界在中低层存在水汽通量正值区，其余为大范围负值区；南边界上除中层外，其余大部分层次上是显著的水汽通量输出区，北边界与南边界的水汽通量情况相反。

虽然已经对济南及其周边地区的极端气候变化特征进行了分析，但是对于济南及其周边地区极端气候变化的影响因子还需进行发掘，以期为极端气候提供气候监测因子。随着全球变暖，很多研究发现海温、海冰变化可以作为预测气候变化的预报因子[27-29]，但环流机制的探讨尚无定论，同时济南及其周边地区自身气候变化及人文影响对该区域极端天气的影响机制也将是一个重要的科学问题[30,31]，这将是我们的下一步重点考虑方向。