选取十堰地区7个国家气象站1963~2013年逐日高温资料,采用趋势分析、Mann-Kendall突变检验、小波分析等方法,分析了近50年十堰地区高温变化特征。结果表明:十堰地区高温日数震荡较大,年际变化线性不显著,基本呈“先减后增”趋势,80年代达到最低值,竹山为高温多发区;地域上北部高温日数多于南部,南部差异较大。极端高温主要集中在37℃~40℃之间,平均最高气温以0.205℃/10 a速率增长,郧西对十堰地区高温增长贡献最大。高温序列存在3~4 a、10 a、36~38 a周期;冷暖期交替出现,1994年为偏冷期向偏暖期变化的拐点,目前正处于显著偏暖的通道中。 On basis of the daily maximum temperature data of 7 national meteorological stations in Shiyan selected from 1963 to 2013, change characteristics of maximum temperature were analyzed by using trend analysis, Mann-Kendall abrupt change test and wavelet analysis. The results showed that: the oscillation of maximum temperature days in Shiyan is much larger; the linear change of inter-annual is not significant; the trend appears increase first and then decrease, and has reached the minimum value in 80’s; the prone area of maximum temperature is in Zhushan; the maximum temperature days in north are much more than the south geographically; the difference in south is big; the extreme maximum temperature has the most frequency between 37˚C and 40˚C; the daily average maximum temperature increases with a rate of 0.205˚C/10 a; Yunxi has the greatest contribution to the increase of Shiyan; the maximum temperature periodicity is obvious as 3 - 4 years, 10 years and 36 - 38 years; the colder and warmer period has appeared alternately; the inflection point appeared in 1994 when the warmer period turned to the colder period. This is a significantly warmer aisle in the present.
王晓南1,廖小华2,刘志勇3,朱明4,王双4
1湖北省随州市气象局,湖北 随州
2重庆市云阳县气象局,重庆
3湖北省丹江口市气象局,湖北 丹江口
4湖北省十堰市气象局,湖北 十堰
收稿日期:2018年8月14日;录用日期:2018年8月28日;发布日期:2018年9月3日
选取十堰地区7个国家气象站1963~2013年逐日高温资料,采用趋势分析、Mann-Kendall突变检验、小波分析等方法,分析了近50年十堰地区高温变化特征。结果表明:十堰地区高温日数震荡较大,年际变化线性不显著,基本呈“先减后增”趋势,80年代达到最低值,竹山为高温多发区;地域上北部高温日数多于南部,南部差异较大。极端高温主要集中在37℃~40℃之间,平均最高气温以 0.205 ℃ /10 a速率增长,郧西对十堰地区高温增长贡献最大。高温序列存在3~4 a、10 a、36~38 a周期;冷暖期交替出现,1994年为偏冷期向偏暖期变化的拐点,目前正处于显著偏暖的通道中。
关键词 :十堰地区,突变检验,小波分析,高温特征
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自20世纪80年代以来,全球气温出现了20世纪以来最明显的上升趋势,研究表明,近百年来我国气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化,同时中国近百年的气温也呈增温趋势 [
十堰地区位于鄂西北,地处秦巴山区东段,属北亚热带季风气候,山区立体性小气候特征十分明显,此地的光热水分布“高一丈不一样,阴坡阳坡差的多”。徐远波,朱明 [
选取十堰地区所辖7个气象站近50年逐日最高气温的观测数据,由于各个站建站年份不同,在综合考虑数据的时间序列长度、完整性和统一性的基础上,选取1963年至2013年连续51年的观测数据用于十堰地区高温气候特征分析。
本文选取1963年~2013年 ≥ 35℃、≥37℃、≥40℃高温日数、日平均最高气温、极端高温为研究对象,对各要素进行标准化与距平处理,用线性倾向估计、累计距平、滑动平均分析十堰地区高温时空变化特征;运用Morlet小波变换分析高温序列周期变化,通过M-K非参数统计检验方法对十堰地区近50年最高气温进行突变检验。
根据湖北省高温预警信号发布规定,将高温分为一般高温(35℃~37℃)、较重高温(37℃~40℃)、严重高温(40℃以上),其中每一级别都取下限温度值。十堰市高温主要出现在4~9月,51年间三种等级年平均高温日数分别为19.9天、6.6天、0.5天(见表1); 35 ℃ 以上高温日数最多出现在2013年为40.3天,最少出现在1983年仅4.1天; 37 ℃ 以上和 40 ℃ 以上高温日数最多均出现在1966年分别为20.7天、4.7天。
从地域分布来看,三种等级高温日数十堰北部多于南部,北部三站高温日数区域性差异不大。但十堰南部三站表现却明显不同,竹山为全市高温日数出现最多的区域,而与其相距50 km的竹溪和房县却是高温日数最少和次少的地方,竹溪至今未出现过 40 ℃ 以上的高温天气,这可能与竹山独特的地理环境和观测场的位置有关 [
从1963~2013年高温日数年代分布图(见图1)可知,51年间三种强度高温日数均呈现“先减后增”趋势,且均在60年代出现次数最多;70年、80年代依次递减,80年代 ≥ 35℃、≥37℃高温日数均达到最低值,这可能与80年代十堰地区降水偏多,气温偏低有一定关系;90年代至今,十堰地区的高温日数呈现持续增长趋势。≥40℃高温日数发生概率较小,最低值出现在90年代。
竹溪 | 郧西 | 郧县 | 十堰 | 竹山 | 房县 | 丹江口 | 平均 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
≥ 35 ℃ 高温日数 | 11.2 | 23.2 | 22.1 | 19.4 | 27.9 | 14.6 | 20.3 | 19.9 |
≥ 37 ℃ 高温日数 | 2.1 | 7.3 | 7.8 | 6.8 | 11.7 | 3.8 | 6.3 | 6.6 |
≥ 40 ℃ 高温日数 | 0 | 0.5 | 0.7 | 0.7 | 1.0 | 0.1 | 0.5 | 0.5 |
表1. 十堰各站 ≥ 35℃、≥37℃、≥40℃高温日数
图1. 1963~2013年≥ 35℃、≥37℃、≥40℃高温日数年代际变化
近50年来十堰地区年高温最大值出现在竹山1966年43.4℃,见表2。极端高温值在37℃~40℃之间频次最高,十堰地区32次占63%;其次为40℃~43℃之间为11次占22.4%;51年间< 35℃极端高温仅竹溪出现一次为1983年 34.8 ℃ 。从地域分布来看,北部高温强度总体高于南部,但51年间南部竹山却是十堰地区强度最大区,年极端高温均在 37 ℃ 以上。
从十堰地区平均最高气温随时间演变曲线(见图2)发现,近50年十堰市平均最高气温为 21.0 ℃ ,最高出现在2013年 22.6 ℃ ,最低出现在1984年 19.4 ℃ 。对逐年平均高温进行线性拟合,十堰地区平均最高气温上升趋势显著,气候倾向率为 0.205 ℃ /10 a,高于全球近50年增温速率 0.13 ℃ /10 a,但低于全国升温速率 0.22 ℃ /10 a。51年间十堰地区最高气温上升了 1.05 ℃ ,且总体变化趋势有明显的波动性,冷暖交替出现。暖期出现在60年代、70年代末期、90年代至今;冷期出现在70年代前期、80年代。
从地域分布上看,十堰地区7站的最高气温均呈现一致的上升趋势,其中除郧县站外其他各站均通过0.01显著性检验(见表3)。郧县站70年代以前高温波动较大,没有通过显著性检验,属于自然变动;70年代以后近33年里高温以 0.227 ℃ /10 a的速率上升,且通过0.01显著水平检验,增温速率明显。从各站来看:十堰及其南部三县增温总体高于北部三县,但北部郧西站对十堰地区变暖贡献最大,增温速率达到了 0.291 ℃ /10 a,最高气温1963~2013年升高了 1.48 ℃ 。
从十堰地区平均高温距平及高温正距平数(见表4)可以看出,近50年最高气温上升的趋势也十分明显。其中90年代之前高温距平都为负值,且呈现递减趋势,由60年代−0.2℃减小到80年代−0.6℃,到90年代年均高温距平转为正值,升温趋势逐渐明显。90年代开始十堰地区正距平居多且呈增长趋势,尤其是21世纪以来近13年里增长最为显著。
日数 | <35 | 35 ≤ Tmax < 37 | 37 ≤ Tmax < 40 | Tmax ≥ 40 |
---|---|---|---|---|
竹溪 | 1 | 21 | 28 | 1 |
郧西 | 0 | 3 | 36 | 12 |
郧县 | 0 | 4 | 29 | 18 |
十堰 | 0 | 3 | 25 | 15 |
竹山 | 0 | 0 | 33 | 18 |
房县 | 0 | 9 | 39 | 3 |
丹江口 | 0 | 3 | 35 | 13 |
表2. 1963~2013年十堰各站极端高温频次分布
竹溪 | 郧西 | 郧县 | 十堰 | 竹山 | 房县 | 丹江口 | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
倾向率(℃/10 a) | 0.181 | 0.291 | 0.113 | 0.264 | 0.223 | 0247 | 0.175 |
相关系数R2 | 0.140** | 0.249** | 0.048 | 0.178** | 0.184** | 0.236** | 0.124** |
表3. 十堰地区各站年平均高温倾向率
注:**通过0.01的显著水平检验,*通过0.05显著水平检验。
图2. 1963~2013年十堰地区年均高温变化趋势
同时由平均最高气温累计距平(见图3)可知,年均最高气温累计距平逐年递减,1993年到达谷底,说明前31年以负距平为主为偏冷期,1994年开始正距平增多,气候回暖,累计距平呈增加趋势,1993~1994年前后为变化拐点。
选取平均高温序列进行Morlet小波变换分析,以揭示十堰地区高温的年际周期变化规律。由图4可知,十堰地区平均高温序列存在3~4 a、10 a、36~38 a周期信号最为明显,模值均大于0.5。70年代以前以3~4 a周期为主,随后周期性减弱,转为10a的长周期表现显著,模值大于2.5,小波系数正负交替出现且一直持续到90年代中期,能够清晰的划分为高温偏强、偏弱年代。90年代中期至今,36~38 a长周期占据主要位置,整个时域小波系数为正,且数值明显增大,说明随着气候增暖,十堰地区也处于偏暖期。
Mann-Kendall法是一种非参数统计检验方法,具有不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值干扰的特点,被广泛应用于类型变量和顺序变量,该方法不但计算简单,而且可以明确突变发生的时间,指出突变区域,是一种常用的突变检验方法 [
用Mann-Kendall突变检验法、对十堰地区平均高温序列进行突变检验,给定显著性水平(α = 0.05,即Uα = ± 1.96)条件下,计算结果绘图如下 [
分析图5中UF曲线,60年代中后期、70年代末期、90年代后期至今3个时期UF > 0,说明年平均最高气温呈现出明显的上升趋势,2006~2013年年平均最高气温的上升趋势十分显著。十堰地区1994年开始年平均最高气温发生了明显的跃变,以前为偏冷阶段,以后年平均最高气温明显上升,这与年最高气温累计距平(见图3)中拐点一致。突变前年均最高气温为 20.7 ℃ ,突变为 21.5 ℃ ,升高了 0.8 ℃ 。
为分析引起突变的原因,统计了近50年十堰各站降水情况,根据气象标准 [
时间 | 1963~1970 | 1971~1980 | 1981~1990 | 1991~2000 | 2001~2013 |
---|---|---|---|---|---|
年均高温距平 | −0.2 | −0.2 | −0.6 | 0.3 | 0.5 |
高温正距平数 | 4 (50%) | 4 (40%) | 4 (40%) | 6 (60%) | 10 (77%) |
表4. 十堰地区平均高温距平及高温正距平数
图3. 十堰地区近50年年平均最高气温累计距平图
图4. 十堰地区平均高温序列Morlet小波变换实部(a)和模值(b)
图5. 十堰地区1963~2013年平均最高气温Mann-Kendall突变检验
同时此突变点可能与本地城市化发展进程有关,90年代之前十堰地区城市化进程缓慢,工业不发达,城市人口少;而进入90年代后工业发展加快、城市人口急速增长,高层建筑日趋变多,交通压力增加,空气中温室气体增多导致了城市热岛效应明显,观测场的探测环境受到城市热岛效应的影响越来越大,导致最高气温的上升。
通过分析研究发现,十堰地区高温主要出现在4~9月,1963~2013年高温日数北部多于南部,但最多出现在南部竹山,这与大气候背景下竹山独特的地形环境关系密切;十堰地区极端高温主要集中在37℃~40℃之间,平均最高气温以0.205℃/10 a速率增长,增温速率南部大于北部,与高温日数正好相反,但北部郧西对十堰地区增暖贡献最大;冷暖期交替出现,90年代至今处于偏暖期,尤其是21世纪至今增温最为显著,1994年前后为由偏冷期到偏暖期变化的拐点,与M-K检验一致,目前正处于一个显著增多的渠道中。高温序列存在3~4 a、10 a、36~38 a周期变化,90年代中期至今,36~38 a长周期占据主要位置,且未闭合,预计未来10~20年十堰地区高温仍将处于暖周期内,故高温增长总体趋势不变,但存在正常范围内小周期震荡变化,加之随着城镇化的加剧,城市热岛效应将会越来越明显,高温增长气候偏暖趋势将导致高温热害及干旱加剧,其对生产生活的影响仍需高度关注。
湖北省气象局科技发展基金(2014Y03)。
王晓南,廖小华,刘志勇,朱 明,王 双. 十堰市近50年高温特征分析与突变研究 Research on Characteristic and Abrupt Change of Maximum Temperature in Shiyan in Recent 50 Years[J]. 气候变化研究快报, 2018, 07(05): 364-370. https://doi.org/10.12677/CCRL.2018.75039