1961—2017年四川省夏季高温变化特征及区划分析

2021-12-03甄英季薇李传辉郑扬

安徽农业科学 2021年22期

甄英季薇李传辉郑扬

摘要基于四川省38個气象站点1961—2017年6—8月逐日气温数据，分别统计高温日数、一般高温日数、重高温日数、严重高温日数的时空变化、周期变化和突变性特征，划分不同高温等级的影响区域。结果表明，近57年来四川省夏季高温日数整体呈增加趋势，其中增加幅度为重高温日数>严重高温日数>一般高温日数;受环流形势及其所在地形的影响，以松潘—小金—康定—越西—雷波为界，高温日数分布明显呈西部向东部阶梯状递增的趋势。M-K检验表明，四川省高温日数分别在1972、1973、1975、2003、2005、2007年发生突变，2007年以后高温日数和强度出现显著上升，周期为35～57和 25～34年的低频振荡明显，高温期和低温期交替出现。高温区划分布与高温空间分布具有良好的一致性，高温影响的极高区位于四川省东部地区。

关键词高温日数;变化特征;高温区划;M-K检验;Morlet小波变换;四川省

中图分类号 P-461 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2021）22-0217-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.055

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Variation Characteristics and Regionalization of Summer High Temperature in Sichuan Province during 1961-2017

ZHEN Ying， JI Wei， LI Chuan-hui et al

（School of Geography & Resource Science， Neijiang Normal University， Neijiang，Sichuan 641199）

Abstract Based on the daily temperature data of 38 meteorological stations in Sichuan Province from June to August from 1961 to 2017， the spatio-temporal changes， periodic changes and abrupt characteristics of high temperature days， general high temperature days， heavy high temperature days and severe high temperature days were respectively counted， and the effects of different high temperature levels were divided area. The results showed that in the past 57 years， the number of summer high temperature days in Sichuan Province had shown an overall increasing trend， where the increase range was heavy high temperature days> severe high temperature days> general high temperature days;affected by the circulation situation and its location， with Songpan-Xiaojin-Kangding-Yuexi-Leibo as the boundary， the distribution of high temperature days was obviously increasing in a step-like manner from the west to the east.The M-K test showed that the number of high temperature days in Sichuan had abrupt changes in 197 197 197 200 2005 and 2007.After 2007， the number and intensity of high temperature had increased significantly. The low-frequency oscillations with periods of 35-57 and 25-34 years were obvious， and high-temperature periods and low-temperature periods alternately appeared.The division of high temperature zone had good consistency with the spatial distribution of high temperature. The extremely high temperature affected area was located in the eastern part of Sichuan Province.

Key words High temperature days;Variation characteristics;High temperature zoning;M-K test;Morlet wavelet transform;Sichuan Province

IPCC第五次评估报告指出，1880—2012年全球地表平均气温升高了0.85 ℃[1]，高温天气近年来席卷全球，2013和2015年夏季北半球和欧洲都出现了不同程度的持续性高温天气[2]。我国在1951—2017年地表平均气温每10 年升高0.24 ℃，升温率高于同期全球平均水平[3-6]。高温已成为一种较为常见的气象灾害，频发的高温事件已给社会发展、人体健康和生态环境带来了巨大挑战。

在全球气候变暖的背景下，高温问题已被越来越多的学者关注。叶殿秀等[7]研究发现我国的高温事件频次、日数、强度高值区基本相同，均在江淮、江南大部和四川盆地东部等地。贾佳等[8]通过统计我国719个基准站的气温数据发现，我国区域整体平均高温日数呈现显著的先减后增的变化趋势，且高温日数变化趋势存在显著的区域差异，其中西南、华南地区高温增速最快。邢佩等[9]通过分析华北地区85个气象站逐日最高气温资料，发现华北地区年高温日数整体呈增加趋势，自20世纪90年代中期之后年均高温日数明显增多，且高温多出现在华北地区的南部和西部。杨涵洧等[10]基于国家气候中心提供的2 000站逐日地面气温资料，分析了长江三角洲地区夏季高温时空演变，发现2000年后高温日数呈明显增加，以30°～31°N一带增长最为显著。刘晓冉等[11]分析了川渝地区夏季高温日数时间演变特征及其异常年份的环流形势，得出川渝地区高温日数在20世纪50—70年代总体偏多，80年代高温日数明显偏少，90年代以后又有增多趋势，酷暑年和凉夏年的环流形势存在着明显的差异。

气候变化背景下，四川地区升温明显，是夏季高温干旱的重灾区之一，2006年四川盆地出现新中国成立以来最为严重的高温伏旱天气，直接经济损失达192.6亿元[12]。2011年四川再次遭受严重的高温干旱灾害，省内多地最高气温均突破了有气象记录以来历史极值，2016和2017年连续2年再次经历了高温灾害，这给社会经济造成了严重影响。由此可见，了解四川省高温演变机制对于防灾减灾有重要意义，但是目前对此研究却较少[13-14]，尤其缺乏对高温影响等级的划分，因此笔者利用38个气象站点资料，分析高温日数时空变化特征并进行高温影响的区划，研究结果将有助于进一步认识高温变化的区域性特点，为四川地区的灾害防御工作提供科学依据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

该研究资料来源于国家气象中心提供的四川省逐日最高气温序列。考虑到气温数据的完整性和连续性，选取了38个气象站的1961—2017年6—8月资料进行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall非参数检验。

Mann-Kendall非参数检验（简称M-K检验法）是一种广泛应用于气温、降水、径流等水文现象的非参数统计检验方法[15]。M-K检验法能很好地揭示时间序列的趋势变化及突变特征[16-17]。在时间序列为随机的假设下，定义统计量[18]：

对于具有n个样本的时间序列x，构造一秩序列：

Sk=ni=1ri（k= …，n）（1）

其中，ri=1Xi>Xj0其他（j= …，n）

在时间序列独立的假定下，定义统计量：

UFk=Sk-E（Sk）Var（Sk）（k= …，n）（2）

E（Sk）=n（n+1）4

Var（Sk）=n（n-1）（2n+5）72

再按時间序列X的逆序重复上述过程，并且令UB1=0，UBk=UFk（k=n，n- …， 1）。

一般取显著性水平α=0.0 那么临界值U0.05=±1.96[18]。将UFk和UBk两序列曲线和±1.96这2条直线均绘在一张图上。若UFk和UBk的值大于0，则表明序列呈上升趋势，小于0则表明呈下降趋势。当它们超过临界直线时，表明上升或下降趋势显著，超过临界线的范围确定为出现突变的时间区域。如果UFk和UBk这2条曲线出现交点，且交点在临界线之间，那么交点对应的时刻便是突变开始的时间[18]。

1.2.2 小波变换。

对于给定的小波函数ψ（t），离散水文时间序列为f（kΔt）（k= …，N;Δt为取样时间间隔）的离散小波变换为[19]：

Wf（a，b）=|a|-12ΔtNk=1f（kΔt）（kΔt-ba）（3）

其中，Wf（a，b）为小波变换系数;a为尺度因子;b为时间因子;（t）为小波函数ψ（t）的复共轭函数。该研究选用Morlet小波函数ψ（t）=eiω0tel2 其中ω0≥5为常数，取ω0=6。

1.2.3 高温等级区划。

高温天气分析通常以日最高气温≥35 ℃作为夏季炎热程度的指标[20]。该研究根据研究区近57年逐日最高温度资料，以历年日最高气温≥35 ℃称为高温日，其中，35 ℃≤日最高气温<37 ℃称为一般高温日，37 ℃≤日最高气温<40 ℃称为重高温日，日最高气温≥40 ℃称为严重高温日[21]。

该研究参照李娜等[22]的高温影响等级划分方法，对四川省进行高温区划（表1）。定义温度强度等级Qi（i= 3），Q1等级为温度[35 ℃，37 ℃）、Q2等级温度在[37 ℃，40 ℃）、Q3等级温度≥40 ℃，即Q1=1、Q2=2、Q3=3;高温日数记为Tj（其中j= 3），综合考虑高温强度和持续时间，构建高温区划公式（4）：

F=3i=1Qi×3j=1Tj（4）

式中，F表示高温影响等级。在此基础上进一步计算多年平均高温影响等级M值，见公式（5）：

M=nk=1Fkn（5）

式中，Fk为第k年的高温影响等级，n为高温数据序列数。

2 结果与分析

2.1 高温天气年代际分布特征

夏季高温天气往往导致干旱或是干旱加重，为此统计了日最高气温≥35 ℃的高温日数，其中8月出现日最高气温≥35 ℃的高温日数占夏季总高温日数的50.51%，其次7月为40.08%，6月为9.41%。

为分析四川省夏季高温日数长期变化趋势，进一步通过线性趋势分析57年来日最高气温≥35 ℃的高温日数变化。从图2可以看出，日最高气温≥35 ℃的高温日数整体以21.54 d/10 a的速率呈上升趋势，2006年夏季高温日数最多，高达496 d;从年代际来看，夏季日最高气温≥35 ℃的高温日数经历了20世纪60—70年代增多、70—80年代减少、1991—2017年持续增多。一般高温日数整体以1.68 d/10 a的速率呈上升趋势，1961和2013年夏季一般高温日数最多，出现55 d;从年代际来看，一般高温日数经历了20世纪60—70年代减少、1981—2017年整体增多的趋势。重高温日数57年来整体以10.57 d/10 a的速率呈上升趋势，2006年夏季重高温日数最多，高达195 d;从年代际来看，20世纪60—80年代减少、1991—2017年增多，2000年开始重高温日数增多显著。严重高温日整体以9.28 d/10 a的速率呈上升趋势，2006年夏季高温时间最多，高达251 d;从年代际来看，夏季严重高温日数经历了20世纪60—70年代增多、80年代减少，从90年代开始到2017年增多，特别是2010年后严重高温日数增多显著。

2.2 高温天气空间分布特征

从图3a可以看出，1961—2017年四川省夏季日最高气温≥35 ℃的高温日数分布明显呈東部向西部阶梯状递减的趋势;以松潘—小金—康定—越西—雷波为界，东部地区明显高于西部地区;东部地区有2个明显高值区，分别位于东部的达州（1 292 d）和东南部的叙永（1 255 d）;西部地区高温日数整体偏少，但巴塘相对偏多（85 d），这一结果与川渝地区[23]以及西南地区[24]夏季高温日数的研究结论一致。一般高温日数（图3b）与高温日数（图3a）分布一致，均以松潘—小金—康定—越西—雷波为界，高值中心在东部达州（905 d）;西部巴塘地区也较为突出（76 d）。重高温日数（图3c）和严重高温日数（图3d）的分布范围进一步缩小，分别以松潘—绵阳—成都—乐山—雷波和绵阳—阆中—遂宁—乐山—雷波为界，高值中心均转移到东南部的叙永，分别出现496和89 d。

总体来看，四川夏季高温日数的分布特征与环流形势及其所在的地形高度有密切关系。四川地势西高东低，由西北向东南倾斜，以龙门山—大凉山一线为界，东部为四川盆地及盆缘山地，海拔较低，多盆地丘陵且右边是多河谷地带的重庆，高温日数较多，再加之该地区夏季受副热带高压控制，盛行下沉气流，干旱少雨，高温日数更为突出;西部为川西高山高原及川西南山地，属于青藏高原东部横断山脉的一部分，有岷山、巴颜喀拉山、沙鲁里山等主要山脉，海拔较高，气温较低，该地区夏季受高原季风影响且又位于西太平洋副高边缘，降水偏多，高温日数较少。

2.3 突变与周期性变化

气候突变是气候系统中重要现象之一，是指气候从一种稳定态跳跃式转变到另一种稳定态的现象[25]。基于M-K检验方法（图4a），57年内四川省夏季高温日数UF曲线整体先降后升，UF曲线值从2009年开始均大于0，表明四川省高温日数呈上升趋势，进一步观察UF和UB曲线在±1.96临界值间有6个突变点，分别为1972、1973、1975、2003、2005、2007年，则表明高温日数数列在这些年份发生了突变。

对四川省夏季高温日数数列标准化后进行Morlet小波变换，绘出小波变换图（图4b）。Morlet小波变换图可反映出数列不同时间尺度变化位相结构和突变线分布：小波系数零等值线对应于突变线，正的等值线（实线）表示高温日数偏多，气温偏高;负的等值线（虚线）表示高温日数偏少，气温偏低。由图4b可知，研究区高温数列具有多时间尺度的变化特征，其中周期为35～57年的低频振荡在研究时段内出现了2条突变线，第1条位于1969—1979年，第2条出现在1995—1998年，表明20世纪60、70年代及21世纪以来为高温期、80年代为低温时期;周期为25～34年的低频振荡中出现了4条突变线，分别出现在1961—1963、1978、1999和2017年，说明1963—1978、1999—2016年为高温时期，1961—1963、2017年为低温时期。周期小于25年的高频振荡的位相结构和突变线分布更复杂，以突变线为分界线，高温期与低温期交替出现。

2.4 高温天气分区特征

利用四川省38个气象站1961—2017年6—8月高温资料，计算得出各站平均高温影响等级M值，对四川进行高温区划（图5）。高温影响等级M值越大，表示该站历史上高温对其影响程度也越大。由图5可知，高温区划分布与前文得出的高温空间分布具有良好的一致性，高温影响从西向东呈递增趋势。整体以松潘—成都—峨眉山—雷波为界，西部为低影响区，绵阳—乐山一带为较低影响区，阆中—宜宾一带为中影响区，巴中—遂宁一带为较高影响区，南充地区为主要的高影响区，高温影响的极高区位于东部达州和叙永两地。

对比分析高温区划分布与前文得出的高温空间分布，不难发现两者具有良好的区域分布一致性。高温影响越大的区域高温日数也越多，且高温日数呈增加趋势，表明高温对区域的影响也将持续。

3 结论

利用对四川省38个气象站点1961—2017年夏季日气温数据，统计分析了高温日数变化的时空特征、周期性和突变性特征，并根据高温影响等级进行了区划，得到如下结论：

（1）1961—2017年四川省8月出现日最高气温≥35 ℃的高温日数占夏季总高温日数的50.51%，7月为40.08%，6月为9.41%。夏季高温日数整体呈增加趋势，其中温度增加幅度重高温日数>严重高温日数>一般高温日数。

（2）由于四川省地势西高东低，使得四川省夏季日最高气温≥35 ℃的高温日数分布明显呈西部向东部阶梯状递增的趋势。再加之东部地区夏季受副热带高压控制，盛行下沉气流，干旱少雨，高温日数更为突出。

（3）M-K检验中UF曲线值从2009年开始均大于0，四川省高温日数呈上升趋势，分别在1972、1973、1975、2003、2005、2007年发生了突变。研究区高温数列具有包括周期为35～57、25～34年的低频振荡和小于25年的高频振荡的多时间尺度的变化特征。

（4）高温区划分布与高温空间分布具有良好的一致性，高温影响从西向东仍呈递增趋势。以松潘—成都—峨眉山—雷波为界，西部为低影响区，高温影响的极高区位于东部达州和叙永两地。

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