氣候變暖背景下合肥機(jī)場(chǎng)極端氣溫變化特征分析

王 勇　(民航安徽空中交通管理分局，安徽合肥 230051)

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氣候變暖背景下合肥機(jī)場(chǎng)極端氣溫變化特征分析

王 勇(民航安徽空中交通管理分局，安徽合肥 230051)

極端氣溫及其伴隨的高溫對(duì)流、低溫冰雪、霜凍等惡劣天氣不僅制約人們的生產(chǎn)生活，對(duì)航空飛行活動(dòng)的影響也尤為突出，氣溫是決定飛機(jī)起飛載重以及起飛滑跑距離的重要?dú)庀笾笜?biāo)。隨著我國(guó)民用航空事業(yè)的迅猛發(fā)展，航空貨運(yùn)需求逐年增加，提高飛機(jī)的貨物運(yùn)輸量經(jīng)濟(jì)效益巨大，因此，在氣候變暖背景下加強(qiáng)氣溫特別是極端氣溫變化研究，對(duì)貨運(yùn)繁忙條件下保證飛行安全和效益作用巨大。

針對(duì)極端氣溫在氣候變暖背景下的變化特征，許多學(xué)者進(jìn)行了研究，并取得了較多成果[1-5]。如程炳巖等[1]利用上海、南京、東臺(tái)、徐州考察冬夏極端氣溫出現(xiàn)概率對(duì)全球氣候變暖的敏感率，得出其概率分布敏感率呈現(xiàn)出方差變化影響大于均值變化影響；史軍等[6]研究表明逐日最高地面氣溫和環(huán)流指數(shù)對(duì)極端氣溫時(shí)間動(dòng)態(tài)變化和時(shí)間地域差異影響較大，城市化也增加了高溫事件的發(fā)生；姚望玲等[7]利用武漢市1951~2007年間高溫天氣極端溫度日數(shù)序列，采用格蘭杰因果性檢驗(yàn)法探討氣候變暖與極端溫度事件關(guān)系，發(fā)現(xiàn)氣候變暖下悶熱天氣增多，降水事件減少?；趯?duì)前人研究?jī)?nèi)容的學(xué)習(xí)了解，筆者在此利用1986~2013年間合肥機(jī)場(chǎng)逐日最高、最低氣溫資料，通過(guò)閾值分析法選出極端氣溫日數(shù)序列，采用累積距平和Morlet小波變換等方法分析了氣候變暖背景下合肥機(jī)場(chǎng)極端溫度的變化特征，以了解其時(shí)間變化特征及形成原因機(jī)制，為當(dāng)代交通運(yùn)輸尤其是民航飛行提供智力支持。

1資料與方法

1.1資料來(lái)源利用合肥機(jī)場(chǎng)1986～2013年逐日溫度極值資料通過(guò)閾值篩選將最高溫度的5%作為極端高溫，最低溫度的5%作為極端低溫[8]，將出現(xiàn)極端高溫(低溫)的那天定義為極端高溫日(低溫日)，并將篩選值進(jìn)行氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)處理，分析合肥機(jī)場(chǎng)在氣候變暖背景下極端氣溫日數(shù)的變化特征。季節(jié)劃分原則為春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~翌年2月)。

1.2研究方法

1.2.1氣候傾向率。氣候資料時(shí)序數(shù)據(jù)(x1,x2,…,xn)與表示年份順序的自然數(shù)列(1,2,…,n)是一一對(duì)應(yīng)的, 因此可以將降水量時(shí)間序數(shù)據(jù)看作自變量、將降水量數(shù)列看作因變量建立線性回歸方程:xi=a+bti，其中,a為回歸常數(shù),b為回歸系數(shù),a和b可以用最小二乘法進(jìn)行估計(jì)。將b×10稱為氣候傾向率，氣候傾向率的符號(hào)表示氣候變量x的趨勢(shì)傾向,其值的大小反映上升或下降的速率的快慢[9]。

1.2.2M-K檢驗(yàn)。采用Mann-Kendall突變檢驗(yàn)(簡(jiǎn)稱M-K檢驗(yàn))對(duì)極端氣溫進(jìn)行突變檢測(cè)。M-K檢驗(yàn)的檢測(cè)范圍寬、定量化程度高,不需要樣本遵從一定的分布,也不受少數(shù)異常值的干擾,更適用于類型變量和順序變量[10-11]目前比較常用的趨勢(shì)診斷方法。

1.2.3累積距平法。累積距平[12]一種常用的、由曲線直觀判斷變化趨勢(shì)的方法, 同時(shí)通過(guò)對(duì)累積距平曲線的觀察, 也可以劃分變化的階段性。對(duì)于時(shí)間序列，將n個(gè)時(shí)刻的累積距平值全部算出, 即可繪制累積距平曲線,進(jìn)行趨勢(shì)分析。

1.2.4小波變換方法。小波變換在時(shí)頻域上均具有良好的局部性質(zhì),可以分析出氣候量變化的局部特征, 能清楚地分析出氣候變化的周期性特征，其中,Morlet小波是常用的復(fù)數(shù)形式的小波函數(shù)[13-17]。極端氣溫日數(shù)進(jìn)行Morlet小波變換可以分析其時(shí)間變化特征。小波系數(shù)的實(shí)部包含給定時(shí)間和尺度下,相對(duì)于其他時(shí)間和尺度,信號(hào)的強(qiáng)度和位相兩方面的信息。小波系數(shù)為正時(shí),表示降水量相對(duì)偏多,用實(shí)線表示；小波系數(shù)為負(fù)時(shí),表示相對(duì)偏少,用虛線表示；小波系數(shù)為0的地方則為突變點(diǎn)。Morlet小波功率譜檢驗(yàn)圖表示能量密度，可以把各種時(shí)間尺度的周期變化在時(shí)間域中的分布情況展示出來(lái)，小波功率譜值越大，表明所反應(yīng)的時(shí)段和尺度的周期性越明顯[13]，通過(guò)能量值的計(jì)算可以對(duì)小波功率譜進(jìn)行給定置信水平的顯著性檢驗(yàn)。

2極端氣溫變化特征分析

圖1　1986~2013年合肥機(jī)場(chǎng)最高氣溫(a)、最低氣溫(b)年變化

2.1最高、最低氣溫歷年變化從圖1可以看出，合肥機(jī)場(chǎng)區(qū)域最高氣溫、最低氣溫年極值變化明顯，近28年來(lái)合肥機(jī)場(chǎng)最高溫度多年平均值為38.0 ℃，極大值為40.4 ℃(2013年)，極小值為35.8 ℃(1993年)，最低溫度多年平均值為-8.4 ℃，極大值為-4.9 ℃(2007年)，極小值為-13.5 ℃(1991年)；溫度極值年變化線性趨勢(shì)不顯著，但從5年滑動(dòng)平均看，波動(dòng)變化特征明顯，最高溫度在20世紀(jì)90年代中后期、21世紀(jì)初期年極值較高，90年代初期、2010年前后極值較低；最低溫度在1990年前后(1991年除外)、2010年前后(2008年除外)極值偏高，90年代后期~21世紀(jì)初期極值偏低；年溫度極值波動(dòng)范圍較大，具有一定的不確定性。

2.2極端氣溫日數(shù)年變化特征合肥機(jī)場(chǎng)極端氣溫日數(shù)年變化較大，28年間極端高溫日數(shù)多年平均值為19 d，1995年出現(xiàn)最多,達(dá)38 d，1987、1993年出現(xiàn)最少,僅為4 d；極端低溫日數(shù)平均值為18 d，2008年出現(xiàn)最多,達(dá)39 d，1990年出現(xiàn)最少,僅為6 d。極端氣溫日數(shù)均有一定程度的增加趨勢(shì)，其中極端低溫日數(shù)增加趨勢(shì)極為顯著，氣候傾向率為5.2 d/10a，但極端高溫日數(shù)未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)。

圖2　1986~2013年合肥機(jī)場(chǎng)極端高溫(a)和低溫(b)日數(shù)距平及累積距平變化

距平及累積距平歷年變化(圖2)表明，極端高溫日數(shù)在20世紀(jì)90年代之前偏少，90年代前期和中期偏多(1993年偏少),之后至21世紀(jì)前期負(fù)距平占主導(dǎo)地位，2010年以后明顯偏多，極端高溫日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；極端低溫日數(shù)在2002年以前以負(fù)距平為主，之后正距平占據(jù)主導(dǎo)地位，累積距平在2002年也發(fā)生減少到增加的轉(zhuǎn)變。M-K檢驗(yàn)表明，極端高溫日數(shù)沒(méi)有明顯突變現(xiàn)象，以波動(dòng)變化為主，極端低溫日數(shù)在2000年左右發(fā)生由偏少到偏多的突變。因此，進(jìn)入21世紀(jì)后，在氣候變暖背景下極端低溫日數(shù)卻明顯增加。

2.3極端氣溫日數(shù)月、季變化特征由表1可見(jiàn)，近28年合肥機(jī)場(chǎng)極端氣溫的月、季分布相對(duì)集中，極端高溫日數(shù)主要出現(xiàn)在7月份，其次是8、6月份，分別占全年極端高溫日數(shù)的55.1%、32.3%、9.6%，夏季極端高溫日數(shù)占全年的97.0%，極端低溫日數(shù)主要出現(xiàn)在1月份，其次是12、2月份，分別占全年極端低溫日數(shù)的50.2%、27.4%、18.5%，冬季極端低溫日數(shù)占全年的96.1%。近28年來(lái)夏季極端高溫日數(shù)有一定的增加，但未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)，8月份極端高溫日數(shù)增加趨勢(shì)明顯，氣候傾向率為1.8 d/10a；冬季極端低溫日數(shù)增加趨勢(shì)極為顯著，氣候傾向率為5.6 d/10a，12和1月份極端低溫日數(shù)增長(zhǎng)對(duì)其貢獻(xiàn)突出。

表1　1986~2013年合肥機(jī)場(chǎng)極端氣溫日數(shù)月、季分布特征

2.4極端氣溫日數(shù)周期特征由圖3可見(jiàn)，近28年來(lái)合肥機(jī)場(chǎng)區(qū)域極端氣溫日數(shù)存在多尺度的周期震蕩規(guī)律。極端高溫日數(shù)年變化存在2~4、5~6、10年左右時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律，其中2~4、5~6年時(shí)間尺度震蕩能量較強(qiáng)，周期特征顯著，合肥機(jī)場(chǎng)極端高溫日數(shù)經(jīng)歷了“偏少-偏多-偏少-偏多”4個(gè)循環(huán)交替的階段，到2013年小波系數(shù)等值線逐漸閉合表明極端高溫日數(shù)偏多階段正逐漸結(jié)束；極端低溫日數(shù)變化存在3年左右、8~10年時(shí)間尺度的周期變化規(guī)律，其中3年左右時(shí)間尺度震蕩能量強(qiáng)，周期特征顯著，機(jī)場(chǎng)極端低溫日數(shù)經(jīng)歷“偏少-偏多-偏少-偏多”4個(gè)循環(huán)交替的階段，到2013年小波系數(shù)等值線逐漸閉合表明極端低溫日數(shù)即將進(jìn)入偏少期。

3可能原因分析

形成和制約氣候變化的因子很多。其中大氣環(huán)流是影響合肥地區(qū)極端氣溫日數(shù)發(fā)生變化的重要原因之一。在全球氣候變暖的大背景下，大氣環(huán)流系統(tǒng)也出現(xiàn)相應(yīng)的變異和調(diào)整進(jìn)而導(dǎo)致區(qū)域氣候變化。我國(guó)處于東亞季風(fēng)區(qū)，氣候變化受東亞附近環(huán)流系統(tǒng)影響明顯，近年來(lái)歐亞區(qū)域西風(fēng)環(huán)流偏強(qiáng)，經(jīng)向環(huán)流減弱，副高強(qiáng)度增加，造成合肥地區(qū)易出現(xiàn)高溫天氣，但由于合肥位于巢湖(全國(guó)第五大淡水湖)之濱，南北分別是長(zhǎng)江、淮河兩大水系，水汽含量充沛使得合肥地區(qū)變暖趨勢(shì)受到一定的抑制，極端高溫日數(shù)雖有所增加但不明顯。全球變暖造成地面積累大量不穩(wěn)定能量，蒸發(fā)加大，水循環(huán)速率加快，在增加大暴雨的同時(shí)暴風(fēng)雪的強(qiáng)度和頻率也有所增加，突發(fā)性極端冷事件出現(xiàn)隨機(jī)性增大，所以全球變暖條件下低溫概率雖然減少，但破壞巨大的極端低溫事件卻不降反升。

氣候變化是氣候系統(tǒng)內(nèi)部和外部因子相互作用、相互影響的結(jié)果，人類活動(dòng)對(duì)氣候變化也有一定的影響。近年來(lái)合肥地區(qū)發(fā)展迅速，能源消耗大量增加，城市建設(shè)造成下墊面變化巨大，大量農(nóng)田變成道路和樓房，以及人口的迅速擴(kuò)張使得城市熱島效應(yīng)逐漸突出，造成極端溫度出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度增加。

4對(duì)飛行活動(dòng)的影響

氣溫是決定航空器起飛和著陸滑跑距離和載重的關(guān)鍵因素之一，氣溫高時(shí)空氣密度小，發(fā)動(dòng)機(jī)推力或螺旋槳拉力減小，航空器增速較慢，同時(shí)航空器升力減小，離地速度增大，造成航空器起飛滑跑距離延長(zhǎng)，反之，氣溫低時(shí)滑跑距離縮短(若實(shí)際氣溫比標(biāo)準(zhǔn)氣溫低10 ℃，起飛滑跑距離縮短10%~11%)，這對(duì)相同滑跑距離條件下增加飛機(jī)載重提高飛行效益意義重大。

氣溫對(duì)儀表示度及精度變化影響很大，航空器上使用的空速表和高度表均是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣溫度(15 ℃)設(shè)計(jì)的，當(dāng)氣溫發(fā)生變化時(shí)，儀表就不能完全真實(shí)地反應(yīng)實(shí)際空速和高度，溫度偏離越大出現(xiàn)極端溫度時(shí)儀表偏差最大，若未及時(shí)根據(jù)航線上的實(shí)際溫度進(jìn)行儀表示度訂正則會(huì)帶來(lái)較大的飛行安全隱患，因此，準(zhǔn)確地掌握溫度層分布以及溫度變化有利于航空飛行的安全。

極端溫度的出現(xiàn)還會(huì)影響飛機(jī)部件的使用。出現(xiàn)極端高溫時(shí)，容易造成飛機(jī)輪胎等零部件老化，降低使用壽命，極端低溫出現(xiàn)往往伴隨積冰、霜凍等次生天氣，較厚且粗糙的積冰會(huì)嚴(yán)重影響飛機(jī)的空氣動(dòng)力性能，影響部分機(jī)載電子設(shè)備性能，給安全維護(hù)帶來(lái)一定影響。

5極端氣溫下的航空氣象業(yè)務(wù)保障探討

通過(guò)對(duì)合肥地區(qū)極端氣溫日數(shù)變化特征的分析，結(jié)合極端氣溫對(duì)航空飛行活動(dòng)的影響，對(duì)今后航空氣象保障中溫度情報(bào)的提供和預(yù)報(bào)具有積極的指導(dǎo)意義：①在氣候變暖背景下極端低溫日數(shù)卻有顯著的增加趨勢(shì)，鑒于極端氣溫的次生災(zāi)害，氣象人員在晴朗的冬季尤其要注意，出現(xiàn)霜凍天氣時(shí)及時(shí)向有關(guān)部門(mén)通報(bào)，預(yù)報(bào)應(yīng)根據(jù)天氣形勢(shì)提前發(fā)布預(yù)警預(yù)報(bào)；②關(guān)注溫度變化，及時(shí)提供服務(wù)，日出日落及雷暴前后是溫度變化最為劇烈的時(shí)段，短時(shí)間內(nèi)溫度可能變化5 ℃以上，觀測(cè)員應(yīng)將溫度變化及時(shí)提供，為飛機(jī)結(jié)合跑到長(zhǎng)度裝載適量的貨物提供依據(jù)，減少飛行安全隱患；③預(yù)報(bào)員根據(jù)高空探測(cè)資料提供準(zhǔn)確的溫度層結(jié)資料，特別是0 ℃等溫線附近高度，對(duì)于減少飛機(jī)遭遇雷擊和積冰有重要作用。

6總結(jié)

利用合肥地區(qū)1986～2013年逐日氣溫極值資料，對(duì)極端氣溫日數(shù)出現(xiàn)的時(shí)間變化特征和相關(guān)原因進(jìn)行了研究，并就其對(duì)航空飛行活動(dòng)的影響及對(duì)航空氣象服務(wù)的指導(dǎo)意義進(jìn)行了分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)合肥地區(qū)年溫度極值以波動(dòng)變化為主，線性趨勢(shì)不明顯，氣候變暖背景下極端高溫日數(shù)增加不明顯，極端低溫日數(shù)卻有極顯著的增加趨勢(shì)。

(2)極端高溫日數(shù)7月份出現(xiàn)最多，極端低溫日數(shù)1月份出現(xiàn)最多， 8月份極端高溫日數(shù)及12、1月份極端低溫日數(shù)均有顯著的增加趨勢(shì)。

注：a1、b1為小波變換實(shí)部圖；a2、b2為功率譜圖；a3、b3為功率檢驗(yàn)圖。圖3　1986~2013年合肥機(jī)場(chǎng)極端高溫(a)和低溫(b)日數(shù)Morlet小波變換

(3)合肥地區(qū)極端氣溫日數(shù)存在多尺度的周期震蕩匯率，其中極端高溫日數(shù)2~4、5~6年時(shí)間尺度周期震蕩明顯，極端低溫日數(shù)3年左右周期特征顯著。

(4)極端氣溫對(duì)飛行安全和效益影響較大，航空氣象服務(wù)部門(mén)結(jié)合極端氣溫變化規(guī)律及用戶需要準(zhǔn)確、有效地提供預(yù)報(bào)、實(shí)況資料，對(duì)提高飛行質(zhì)量有重要意義。

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摘要[目的]探討合肥機(jī)場(chǎng)極端氣溫變化特征。[方法]利用合肥地區(qū)1986～2013年逐日氣溫極值資料，采用線性回歸法、M-K檢驗(yàn)法、累積距平法及小波變換等方法，對(duì)近28年來(lái)合肥地區(qū)極端氣溫的變化特征進(jìn)行了分析。[結(jié)果]氣候變暖背景下合肥地區(qū)年溫度極值以波動(dòng)變化為主，極端高溫日數(shù)增加不明顯，極端低溫日數(shù)卻有極顯著的增加趨勢(shì)；極端高溫日數(shù)7月份出現(xiàn)最多，極端低溫日數(shù)1月份出現(xiàn)最多，8月份極端高溫日數(shù)及12、1月份極端低溫日數(shù)均有顯著的增加趨勢(shì)；極端高溫日數(shù)2～4、5～6年時(shí)間尺度周期震蕩明顯，極端低溫日數(shù)3年左右周期特征顯著。[結(jié)論]極端氣溫對(duì)飛行活動(dòng)安全和效益影響較大，航空氣象服務(wù)部門(mén)結(jié)合極端氣溫變化規(guī)律及用戶需要準(zhǔn)確、有效地提供預(yù)報(bào)、實(shí)況資料，對(duì)提高飛行質(zhì)量有重要意義。

關(guān)鍵詞氣候變暖；合肥機(jī)場(chǎng)；極端氣溫；變化特征

Analysis on the Variation Characteristics of the Extreme Temperature of Hefei Airport

WANG Yong(Air Traffic Management of Anhui Civil Aviation,Heifei,Anhui 230051)

Abstract[Objective] The research aimed to discuss the variation characteristics of the extreme temperature of Hefei Airport.[Method]Based on daily temperature data of Hefei airport from 1986 to 2013, the variation characteristics of the extreme temperature in Hefei were analyzed by linear regression method,Mann-Kendall method,accumulative anomaly method and the wavelet transform method.[Result]Under the background of climate warming,the extreme value of the annual average temperature had fluctuation change characteristic in Hefei area.The extreme high temperature days increased insignificantly,but the extreme low temperature days had very significant increasing trend.The extreme high temperature days always appear in July,the extreme low temperature days always appear in January, the high temperature days in August and the low temperature days in December and January were increased obviously.For extreme high temperature days, the periodic oscillation was significant in period of 2-4 years and 5-6 years; for extreme low tempeature days, the period of 3 years showed distinctive characteristic.[Conclusion]The extreme temperature has great impact on the flight activities.It is important to improve the flight quality by providing accurate and effective information of forecast.

Key wordsClimate warming;Hefei airport; Extreme temperature;Variation characteristics

收稿日期2015-10-13

作者簡(jiǎn)介王勇(1968-)，男，安徽銅陵人，工程師，從事區(qū)域氣候變化研究。

中圖分類號(hào)S 16

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)0517-6611(2015)32-366-04