近54年京津冀地區(qū)熱浪時(shí)空變化特征及影響因素

李雙雙 楊賽霓 張東海 劉憲鋒

1)(北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100875) 2)(北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院,北京100875) 3)(北京師范大學(xué)資源學(xué)院,北京100875)

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近54年京津冀地區(qū)熱浪時(shí)空變化特征及影響因素

李雙雙1)2)楊賽霓1)2)張東海1)3)劉憲鋒1)3)

1)(北京師范大學(xué)地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100875)2)(北京師范大學(xué)減災(zāi)與應(yīng)急管理研究院,北京100875)3)(北京師范大學(xué)資源學(xué)院,北京100875)

基于1960—2013年京津冀及周邊地區(qū)34個(gè)氣象站逐日最高氣溫和相對(duì)濕度資料，利用高溫?zé)崂四Ｐ?，輔以趨勢(shì)分析、突變檢驗(yàn)及相關(guān)分析等方法，研究近54年京津冀地區(qū)熱浪時(shí)空變化特征，探討城市化對(duì)熱浪變化的影響，并嘗試尋找對(duì)熱浪異常具有穩(wěn)定指示意義的環(huán)流因子。結(jié)果表明：1960—2013年京津冀地區(qū)熱浪變化具有明顯的階段性，以20世紀(jì)70年代中期為轉(zhuǎn)折，熱浪呈先減少后增加趨勢(shì)；京津冀地區(qū)熱浪空間格局變化整體呈南減北增，東南平原區(qū)熱浪呈下降趨勢(shì)，北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；在區(qū)域尺度上，城市化或遷站影響并未改變北京極端熱浪變化趨勢(shì)，主要影響以輕度和中度熱浪變化為主；西太平洋副熱帶高壓和青藏高原反氣旋環(huán)流與京津冀地區(qū)熱浪異常關(guān)系最為顯著，對(duì)熱浪異常是一種穩(wěn)定且強(qiáng)烈的指示信號(hào)。當(dāng)青藏高原高空反氣旋環(huán)流異常偏強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓明顯偏北，京津冀地區(qū)發(fā)生超級(jí)熱浪可能性較大。

京津冀地區(qū)； 高溫?zé)崂耍?時(shí)空格局

引 言

IPCC第5次評(píng)估報(bào)告指出，氣候系統(tǒng)變暖是毋容置疑的事實(shí)。1980—2012年全球海陸表面氣溫上升0.85℃，為工業(yè)革命以來最暖的30年[1]。第2次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告指出，1960—2009年中國(guó)年平均地面氣溫上升了1.38℃，比全球或北半球同期平均增溫速率明顯偏高[2]。BCC_CSM1.1模式對(duì)我國(guó)氣溫變化未來趨勢(shì)模擬顯示：2011—2030年中國(guó)平均氣溫變化速率達(dá)到0.48 ℃/10 a，遠(yuǎn)高于1960—2010年0.27 ℃/10 a的增溫速率[3]。20世紀(jì)60年代夏季極端氣溫典型覆蓋區(qū)占全球陸地面積不到1%，當(dāng)前已快速上升為10%[4]，極端氣溫事件亦在增多[5]。2003年和2010年歐洲和俄羅斯超級(jí)熱浪導(dǎo)致大規(guī)模農(nóng)作物枯萎、森林大火和數(shù)萬人死亡[6-7]，Barriopedro等[6]研究發(fā)現(xiàn)，未來40年歐洲發(fā)生嚴(yán)重?zé)崂说目赡苄栽黾?～10倍。隨著北極海冰融化及北半球高緯度雪覆蓋減少，北美及亞歐大陸中緯度地區(qū)極端高溫和干旱等天氣事件愈加頻繁[8]。極端高溫作為全球變暖最直接體現(xiàn)，已成為全球氣候變化研究中的熱點(diǎn)問題[9-13]。

在全球變暖背景下，城市在現(xiàn)代社會(huì)中的中心地位和主導(dǎo)作用更加凸顯，既是環(huán)境資源問題的高發(fā)地和社會(huì)矛盾的集結(jié)場(chǎng)，又是引領(lǐng)和帶動(dòng)全社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的引擎和支點(diǎn)[14]，更是氣候變化響應(yīng)的敏感區(qū)和脆弱區(qū)。近幾十年，京津冀一體化進(jìn)程不斷加快，城鎮(zhèn)化率由1998年的32.0%上升為2012年的62.5%，人口密度亦由1998年364人/km2迅速增加到460人/km2，城市化過程舉世矚目。2014年5月新一輪高溫?zé)崂耍贡本┑貐^(qū)自來水供應(yīng)量連續(xù)5 d 增加，城區(qū)日供水量達(dá)291.9×104m3，接近百年北京自來水供水記錄極值，水量相當(dāng)于1.5個(gè)昆明湖[15]。因此，關(guān)注京津冀地區(qū)熱浪時(shí)空變化特征，探討高溫?zé)崂擞绊懸蛩?，?duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要的實(shí)踐意義。

在已有的研究中，Wang等[16]就近20年京津冀地區(qū)城市擴(kuò)張對(duì)夏季近地表氣溫影響分析發(fā)現(xiàn)，城市土地利用變化對(duì)區(qū)域熱浪發(fā)生具有顯著影響；張國(guó)華等[17]通過城市與郊區(qū)高溫特征對(duì)比，分析了城市化對(duì)京津冀高溫天氣變化的影響，發(fā)現(xiàn)北京、天津城市化對(duì)高溫天氣效應(yīng)在20世紀(jì)60年代已有體現(xiàn)，但小城鎮(zhèn)城市化效應(yīng)有所滯后；施洪波[18]分析了1960—2008年京津冀地區(qū)夏季高溫日數(shù)時(shí)空變化特征，發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)夏季高溫日數(shù)在空間上呈南多北少，在時(shí)間上并無顯著的線性變化趨勢(shì)；胡姝婧等[19]利用MODIS地表溫度產(chǎn)品，分析了京津冀都市圈熱環(huán)境空間格局特征；史印山等[20]對(duì)京津冀高溫天氣時(shí)空分布和環(huán)流特征進(jìn)行分析，指出京津冀地區(qū)高溫天氣與區(qū)域干旱具有高耦合性，北半球500 hPa環(huán)流異?？勺鳛楦邷靥鞖忸A(yù)測(cè)依據(jù)。上述結(jié)果推動(dòng)了京津冀高溫?zé)崂俗兓难芯?，為認(rèn)識(shí)我國(guó)北方城市群極端氣候的響應(yīng)特征提供了方法和理論借鑒。然而，在京津冀地區(qū)氣候變化過程和高溫天氣事件認(rèn)識(shí)取得長(zhǎng)足進(jìn)步的同時(shí)，高溫?zé)崂说臐穸刃?yīng)和持續(xù)性特征在許多研究中較少考慮，多數(shù)研究主要關(guān)注高溫日數(shù)變化；與此同時(shí)，在區(qū)域尺度上，城市化和環(huán)流異常對(duì)熱浪影響規(guī)律仍需進(jìn)一步解讀。因此，選取京津冀地區(qū)作為研究對(duì)象，本文分析1960—2013年京津冀熱浪時(shí)空變化特征，探討遷站背景下城市化對(duì)熱浪趨勢(shì)變化影響，并嘗試尋找熱浪異常穩(wěn)定的環(huán)流指示信號(hào)，以期為科學(xué)適應(yīng)和應(yīng)對(duì)氣候變化提供參考。

1 研究區(qū)概況

京津冀地區(qū)位于華北平原北部，范圍為36°05′～42°37′N，113°27′～119°50′E，包括北京、天津和河北省石家莊、唐山、保定、秦皇島、廊坊、滄州、承德、張家口8個(gè)地市及所屬通州新城、順義新城、濱海新區(qū)和唐山曹妃甸工業(yè)新區(qū)(圖1)。地勢(shì)西北高、東南低，西部和北部為太行山、燕山山脈，東南為華北平原北端，東臨渤海[21]。氣候?yàn)榈湫偷臏貛О霛駶?rùn)半干旱大陸性氣候，降水量自東南向西北遞減。按照氣候區(qū)劃，京津冀地區(qū)可分為壩上中溫帶氣候區(qū)(Ⅰ)、北部山地氣候區(qū)(Ⅱ)、西部太行山山地氣候區(qū)(Ⅲ)、平原暖溫帶氣候區(qū)(Ⅳ)和沿海氣候區(qū)(Ⅴ)[22]。

圖1 研究區(qū)氣候區(qū)劃及氣象站分布Fig.1 Climate regionalization and the distribution of meteorological stations in the study area

2 資料與方法

2.1 資 料

京津冀及周邊地區(qū)共有34個(gè)氣象站覆蓋，1960—2013年逐日最高溫和相對(duì)濕度資料來源于中國(guó)氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)(http:∥data.cma.gov.cn)。為了尋找對(duì)京津冀熱浪異常具有穩(wěn)定指示意義的環(huán)流因子，選取一系列與該區(qū)域氣溫變化密切相關(guān)的環(huán)流因素，作為熱浪頻次變化的相關(guān)因素。其中，印度洋偶極子(IOD)、南方濤動(dòng)(SOI)、西太平洋副熱帶高壓(WPSH)和青藏高原高空反氣旋環(huán)流異常(TPAI)逐月指數(shù)來源于國(guó)家氣候中心發(fā)布的74項(xiàng)環(huán)流指數(shù)數(shù)據(jù)集。青藏高原夏季反氣旋環(huán)流異常由青藏高原500 hPa(30°～40° N，75°～105° E)氣壓平均值變化衡量；東亞夏季風(fēng)指數(shù)(EASMI)來源于中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所(http:∥lip.lasg.ac.cn)；北極濤動(dòng)(AO)和北大西洋濤動(dòng)指數(shù)(NAO)來源于美國(guó)國(guó)家航空航天局(http:∥www.swpc.noaa.gov)；北太平洋10年濤動(dòng)指數(shù)(PDO)來源于華盛頓環(huán)境學(xué)院(http://jisao.washington.edu)。

2.2 方 法

熱浪指數(shù)構(gòu)建綜合考慮熱浪的炎熱程度和累積效應(yīng)。炎熱程度以當(dāng)日炎熱指數(shù)與炎熱臨界之差衡量；炎熱天氣過程累積效應(yīng)分為炎熱強(qiáng)度累積效應(yīng)和持續(xù)時(shí)間累積效應(yīng)[23]。熱浪指數(shù)為

(1)

炎熱指數(shù)(ET)是描述熱應(yīng)力的舒適指標(biāo)[24]，該指標(biāo)主要考慮氣溫和相對(duì)濕度對(duì)人體舒適度的綜合影響。傳統(tǒng)炎熱指數(shù)為

ET=1.8Ta0-0.55×(1.8Ta0-26)×

(1-R0)+32。

(2)

式(2)中，Ta0為環(huán)境溫度(單位：℃)，R0為空氣相對(duì)濕度(單位：%)。

由于我國(guó)北方地區(qū)高溫?zé)崂颂鞖舛酁楦蔁嵝停鄬?duì)濕度多在50.0%以下，傳統(tǒng)炎熱指數(shù)計(jì)算值往往較低，不能準(zhǔn)確反映區(qū)域熱浪天氣特征。黃卓等[23]綜合考慮高溫干熱和高溫悶熱兩種情景，對(duì)傳統(tǒng)炎熱指數(shù)進(jìn)行修正，得到判別熱浪的新炎熱指數(shù)模型：

ET=1.8×Ta-0.55×(1.8×Ta-26)×

(1-0.6)+32,

R≤60.0%;

(3)

ET=1.8×Ta-0.55×(1.8×Ta-26)×

(1-R)+32,

R>60.0%。

(4)

其中，Ta為日最高氣溫(單位：℃)，R為日平均相對(duì)濕度(單位：%)。

3 結(jié)果分析

3.1 京津冀地區(qū)熱浪時(shí)空變化特征

1960—2013年京津冀地區(qū)不同等級(jí)熱浪變化具有明顯的年代際變化特征，其變化過程可以分為4個(gè)階段：20世紀(jì)60年代熱浪偏多期，以中度和重度熱浪增加為主；20世紀(jì)70—90年代初熱浪偏少期，以輕度和中度熱浪增加為主，重度熱浪持續(xù)偏低；20世紀(jì)90年代中期至21世紀(jì)初為熱浪大幅增加期，以重度熱浪增加最為明顯，輕度熱浪則多為負(fù)距平；2003年之后熱浪增幅減緩期，該時(shí)段中度熱浪增加最為明顯，輕度和重度熱浪整體為正距平，但正距平幅度逐漸減小(圖2)。為了增加已有研究可比性，參考IPCC AR5氣候均值期，圖2中距平為相對(duì)于1961—1990年平均值[1]。與葉殿秀等[25]研究1961—2010年我國(guó)夏季高溫?zé)崂俗兓卣鲗?duì)比，京津冀地區(qū)與全國(guó)熱浪變化趨勢(shì)具有一致性。

圖3為1960—2013年京津冀地區(qū)各站逐月Mann-Kendall趨勢(shì)分析，圖中橫坐標(biāo)以京津冀三大地理單元排列(東部平原區(qū)、沿海地區(qū)、北部山地區(qū))，Mann-Kendall值越大，變化趨勢(shì)越顯著，正值為增多(紅色)，負(fù)值為減少(綠色)。由圖3可以看出，1960—2013年京津冀高溫地區(qū)熱浪主要集中于4—9月，以6—8月居多；在空間變化上，京津冀地區(qū)東南部熱浪呈顯著下降趨勢(shì)，尤其是春末夏初下降趨勢(shì)更為明顯；東部平原區(qū)北部和燕山山地區(qū)熱浪則呈增加趨勢(shì)，整體呈現(xiàn)南減北增的格局，這與施洪波[18]以最高氣溫分析京津冀地區(qū)夏季高溫日數(shù)空間變化格局的結(jié)論具有一致性；以北京、天津和石家莊為例，1990—2010年北京城市擴(kuò)張速度為46.0 km2/a，天津?yàn)?6.1 km2/a，石家莊為5.2 km2/a， 3個(gè)城市均經(jīng)歷了快速空間城市化過程[26]。但3個(gè)城市熱浪變化趨勢(shì)并不一致，石家莊呈下降趨勢(shì)，北京變化不明顯，天津呈上升趨勢(shì)。同時(shí)，京津冀地區(qū)北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)和城市化相對(duì)較慢的地區(qū)，熱浪趨勢(shì)則呈顯著增加趨勢(shì)。由此可見，在區(qū)域尺度上京津冀地區(qū)熱浪時(shí)空格局變化主導(dǎo)因素具有復(fù)雜性。

3.2 快速城市化對(duì)京津冀地區(qū)熱浪變化的影響

近幾十年，北京城市化進(jìn)程不斷加快，城市化率由1995年的43.0%上升為2013年的86.2%，受快速城市化影響北京城區(qū)和下風(fēng)向近郊區(qū)氣溫顯著升高，增幅可達(dá)0.5～2.0℃[27]，在夏季北京城區(qū)表現(xiàn)為干島，城區(qū)濕度和風(fēng)速與郊區(qū)相比明顯偏低，城市熱島效應(yīng)對(duì)北京城市氣候影響顯著[28]。1981—1996年北京氣象觀測(cè)站位于西三環(huán)，快速城市化使臺(tái)站周圍觀測(cè)環(huán)境發(fā)生改變[29]，北京氣象觀測(cè)站于1996年遷往大興觀象臺(tái)，這個(gè)遷站過程為驗(yàn)證城市化對(duì)熱浪變化影響提供一個(gè)新的視角。與此同時(shí)，大興觀象臺(tái)雖位于遠(yuǎn)郊，但其氣候資料對(duì)北京城區(qū)和南部山區(qū)依然具有代表性[30]。選取北京氣象觀測(cè)站作為研究對(duì)象，通過城區(qū)與近郊的橫向(空間)對(duì)比，遷站前后熱浪變化的縱向(時(shí)間)對(duì)比，可以更加細(xì)致地反映城市化對(duì)京津冀地區(qū)熱浪變化影響。

圖2 1960—2013年京津冀地區(qū)輕度熱浪、中度熱浪、重度熱浪和熱浪總頻次變化曲線Fig.2 Variations of slight heat waves, moderate heat waves, severe heat waves and total frequency of heat waves in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1960-2013

圖3 1960—2013年京津冀地區(qū)高溫?zé)崂嗽伦兓厔?shì)Fig.3 Trend of monthly heat waves in Beijing-Tianjin-Hebei Region during 1960-2013

為了尋找參照站點(diǎn)，對(duì)近54年北京熱浪頻次與周邊站點(diǎn)進(jìn)行逐點(diǎn)相關(guān)性分析，篩選出相關(guān)系數(shù)大于0.80的站點(diǎn)(豐寧、懷來、廊坊、青龍、遵化)。綜合考慮地理環(huán)境和空間距離等因素，以空間距離較近、相關(guān)系數(shù)較高、城市化速度較慢的豐寧作為參照站點(diǎn)，構(gòu)建非城市區(qū)熱浪序列，以檢測(cè)城市化對(duì)熱浪的影響。對(duì)比北京與豐寧不同等級(jí)熱浪相關(guān)性，結(jié)果顯示：除輕度熱浪外，兩站熱浪變化趨勢(shì)具有一致性，且熱浪等級(jí)越高，兩者相似性越強(qiáng)，相關(guān)系數(shù)由小到大排序?yàn)檩p度熱浪(0.395)、中度熱浪(0.568)、重度熱浪(0.804)、熱浪總頻次(0.876)，重度熱浪和熱浪總頻次相關(guān)性達(dá)到0.01顯著性水平，說明城區(qū)和非城區(qū)極端熱浪變化具有一致性，城市熱島等局地小氣候?qū)O端熱浪事件影響較?。煌ㄟ^繪制1960—2013年北京和豐寧熱浪變化21年滑動(dòng)相關(guān)曲線，比較遷站前后熱浪相關(guān)性變化(圖4)。

由圖4可知，1981年北京氣象觀測(cè)站由大興舊宮站遷往西三環(huán)后，中度熱浪相關(guān)性明顯下降并維持穩(wěn)定，輕度、重度和熱浪總頻次相關(guān)性則呈線性增長(zhǎng)，全球變暖使北京和豐寧熱浪變化趨于一致；1996年后北京氣象觀測(cè)站遷往大興觀象臺(tái)，兩者相關(guān)曲線發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，臺(tái)站環(huán)境改變對(duì)熱浪變化影響。整個(gè)時(shí)段內(nèi)豐寧和北京熱浪變化相關(guān)系數(shù)均較高，尤其是重度熱浪和熱浪總頻次相關(guān)系數(shù)基本維持在0.90以上，兩者在宏觀變化趨勢(shì)上仍具有一致性，說明遷站對(duì)極端熱浪頻次影響較小。綜上所述，城市化或遷站影響并未改變北京極端熱浪變化趨勢(shì)，主要以影響輕度和中度熱浪變化為主。

為了更加清楚地反映城市化對(duì)北京熱浪變化影響，將北京和豐寧兩站熱浪頻次相減發(fā)現(xiàn)：1981—1996年北京氣象觀測(cè)站位于西三環(huán)(現(xiàn)為城區(qū))，該時(shí)段既是北京快速城市化發(fā)展期，也是全球變暖顯著增長(zhǎng)期。在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，北京中度熱浪20世紀(jì)80年代前期由偏多轉(zhuǎn)為偏少，重度熱浪由偏少轉(zhuǎn)為偏多，輕度和熱浪總頻次則呈現(xiàn)增加趨勢(shì)；2003年后全球變暖停滯，北京與豐寧輕度熱浪差以偏多為主且維持穩(wěn)定，中度熱浪則由前期偏多轉(zhuǎn)為偏少，重度熱浪整體偏少，熱浪總頻次則呈波動(dòng)下降趨勢(shì)(圖5)。綜上所述，在全球增溫和快速城市化期，北京熱浪頻次明顯高于豐寧；在全球變暖停滯期，北京重度熱浪遠(yuǎn)低于豐寧，而且熱浪頻次負(fù)偏差逐年加大，其具體原因有待進(jìn)一步分析。

圖5 1960—2013年北京與豐寧輕度熱浪、中度熱浪、重度熱浪和熱浪總頻次差值變化Fig.5 The change trend of slight heat waves, moderate heat waves, severe heat waves and total frequency of heat waves difference between Beijing and Fengning during 1960-2013

3.3 環(huán)流異常對(duì)京津冀地區(qū)熱浪變化的影響

本文利用相關(guān)分析方法，分析大氣環(huán)流異常對(duì)京津冀地區(qū)熱浪變化的影響，嘗試尋找對(duì)熱浪異常具有穩(wěn)定指示意義的環(huán)流因子。由于不同氣候因子具有不同振蕩周期，短時(shí)間尺度信號(hào)有時(shí)會(huì)成為長(zhǎng)時(shí)間尺度分析的噪音。因此，本文利用3年、5年和10年低通濾波器依次剔除短期、中期信息干擾，分析不同時(shí)間尺度熱浪與主要?dú)夂蛞蜃酉嚓P(guān)關(guān)系(圖6)。結(jié)果表明：西太平洋副熱帶高壓北界(WPSH-N)和青藏高原高空反氣旋環(huán)流(TPAI)對(duì)京津冀地區(qū)熱浪變化影響顯著，無論原始序列，還是中長(zhǎng)期時(shí)間序列均呈明顯正相關(guān)(達(dá)到0.05顯著性水平)；北大西洋濤動(dòng)(NAO)濾除1～3年信息后，與京津冀地區(qū)熱浪變化呈顯著負(fù)相關(guān)(達(dá)到0.05顯著性水平)；在長(zhǎng)時(shí)間尺度上，西太平洋副熱帶高壓西伸點(diǎn)(WPSH-W)與熱浪顯著負(fù)相關(guān)(達(dá)到0.05顯著性水平)；西太平洋副熱帶高壓強(qiáng)度、面積與熱浪變化具有顯著正相關(guān)(達(dá)到0.05顯著性水平)。也就是說，青藏高原高空反氣旋環(huán)流異常偏強(qiáng)，太平洋副熱帶高壓明顯偏北，京津冀地區(qū)易發(fā)生超級(jí)熱浪。全球變暖背景下北半球地面溫度的增暖速率隨緯度遞增，春季青藏高原表面感熱自20世紀(jì)80年代以來持續(xù)減弱，這會(huì)減弱亞洲夏季風(fēng)環(huán)流和西太平洋副熱帶高壓，從而進(jìn)一步加劇我國(guó)夏季南澇北旱的趨勢(shì)[31]。熱浪和干旱往往相伴而生，青藏高原高空反氣旋環(huán)流異常和東亞夏季風(fēng)相互作用，可以進(jìn)一步解釋京津冀地區(qū)熱浪異常氣候動(dòng)力機(jī)制。

圖6 不同時(shí)間尺度京津冀地區(qū)熱浪與環(huán)流因子相關(guān)分析Fig.6 Correlation analysis of atmospheric oscillation and heat waves on different time scales in Beijing-Tianjin-Hebei Region

為了對(duì)比不同環(huán)流因子對(duì)京津冀地區(qū)熱浪變化影響，對(duì)主要環(huán)流因子進(jìn)行多元回歸分析：

y=0.183xEASMI-0.241xNAO+

0.270xIOD+0.333xTPAI+

0.200xWPSH-N+0.185。

(5)

由表1可以看出，各環(huán)流因子膨脹系數(shù)均小于1.5，變量之間共線性較弱，回歸方程擬合優(yōu)度為0.333，多元回歸效果較好；可以看出，青藏高原高空反氣旋環(huán)流(TPAI)、太平洋副熱帶高壓北界(WPSH-N)和印度洋偶極子(IOD)影響最為明顯，三者均與京津冀地區(qū)熱浪呈正相關(guān)，青藏高原高空反氣旋環(huán)流和西太平洋副熱帶高壓北界影響顯著(達(dá)到0.05顯著性水平)，印度洋偶極子顯著性相對(duì)較低,未達(dá)到0.05顯著性水平；北大西洋濤動(dòng)(NAO)與熱浪呈負(fù)相關(guān)、東亞夏季風(fēng)呈正相關(guān)，但兩者相關(guān)性均較弱且不顯著。從統(tǒng)計(jì)相關(guān)角度看，青藏高原高空反氣旋環(huán)流(TPAI)、西太平洋副熱帶高壓北界與京津冀地區(qū)熱浪變化具有密切關(guān)系，可以作為一種指示熱浪異常的預(yù)警信號(hào)。

表1 京津冀地區(qū)熱浪與環(huán)流因子多元回歸分析Table 1 Heat waves regressed against atmospheric oscillation in Beijing-Tianjin-Hebei Region

注：b為多元線性回歸系數(shù)，T為t檢驗(yàn)值。

4 結(jié)論與討論

基于熱浪指數(shù)模型，輔以趨勢(shì)分析、Mann-Kendall突變檢驗(yàn)及相關(guān)分析等氣候診斷方法，分析近54年京津冀地區(qū)熱浪時(shí)空變化趨勢(shì)，探討了城市化對(duì)熱浪變化趨勢(shì)影響，并嘗試尋找對(duì)熱浪異常具有穩(wěn)定指示意義的環(huán)流因子，得到以下初步結(jié)論：

1) 1960—2013年京津冀地區(qū)熱浪變化具有階段性。20世紀(jì)60年代為熱浪偏多期，以中度和重度熱浪增加為主；20世紀(jì)70—90年代初為熱浪偏少期，以輕度和中度熱浪增加為主；20世紀(jì)90年代中期至21世紀(jì)初為熱浪大幅增長(zhǎng)期，以重度熱浪增加最為明顯；2003年之后全球變暖速率減緩，重度和輕度熱浪呈下降趨勢(shì)，中度熱浪呈上升趨勢(shì)。

2) 1960—2013年京津冀熱浪空間整體呈南減北增的變化格局。其中，東南平原區(qū)熱浪呈下降趨勢(shì)，北部生態(tài)涵養(yǎng)區(qū)呈增加趨勢(shì)。在區(qū)域尺度上，豐寧和北京重度熱浪和熱浪總頻次相關(guān)系數(shù)基本維持在0.90以上，兩者在宏觀變化趨勢(shì)上仍具有一致性，說明遷站對(duì)極端熱浪頻次影響較小，城市化主要影響以輕度和中度熱浪變化為主。

3) 從環(huán)流因子看，西太平洋副熱帶高壓北界、青藏高原高空反氣旋環(huán)流對(duì)京津冀熱浪異常影響最為顯著，無論原始序列，還是中長(zhǎng)期時(shí)間序列均呈顯著正相關(guān)(達(dá)到0.05顯著性水平)。當(dāng)青藏高原高空反氣旋環(huán)流異常偏強(qiáng)，西太平洋副熱帶高壓明顯偏北時(shí)，京津冀地區(qū)發(fā)生超級(jí)熱浪可能性較大。

關(guān)于京津冀熱浪時(shí)空變化和影響因素研究，未來尚有許多工作需要探索：定量城市化影響，不同氣候背景城市熱島效應(yīng)存在差異[32]，對(duì)比城區(qū)、近郊、遠(yuǎn)郊城市熱浪變化空間差異，分析快速城市化背景下人類活動(dòng)在城市尺度驅(qū)動(dòng)作用，嘗試定量化自然因素和人類活動(dòng)對(duì)京津冀地區(qū)熱浪變化的影響，評(píng)估京津冀地區(qū)社會(huì)脆弱性。2014年5月熱浪事件的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)低于2003夏季，但北京城市供水量卻持續(xù)高位運(yùn)行，甚至出現(xiàn)單日用水量接近百年極值。大規(guī)模人口流動(dòng)和快速經(jīng)濟(jì)發(fā)展，使京津冀地區(qū)災(zāi)害承載力變得極其脆弱，易形成小災(zāi)大害，如何有效評(píng)估京津冀地區(qū)社會(huì)脆弱性變化，是未來災(zāi)害管理研究的重要課題。

[1] IPCC.Climate change 2013:The Physical Science Basis,the Summary for Policymakers of the Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report.New York:Cambridge University Press,2013.

[2] 第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告編寫委員會(huì).第二次氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告.北京:科學(xué)出版社,2011.

[3] 周鑫,李清泉,孫秀博,等.BCC_CSM1.1模式對(duì)我國(guó)氣溫的模擬和預(yù)估.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2014,25(1):95-106.

[4] Coumou D,Robinson A,Rahmstorf S.Global increase in record-breaking monthly-mean temperatures.ClimaticChange,2013,118:771-782.

[5] Coumou D,Robinson A.Historic and future increase in the global land area affected by monthly heat extremes.EnvironmentalResearchLetters,2013,8:1-6.

[6] Barriopedro D,Fischer E M,Luterbacher J,et al.The hot summer of 2010:Redrawing the temperature record map of Europe.Science,2011,6026:220-224.

[7] Shaposhnikov D,Revich B,Bellander T,et al.Mortality related to air pollution with the Moscow heat wave and wildfire of 2010.Epidemiology,2014,3:359-364.

[8] Tang Q H,Zhang X J,Francis J A.Extreme summer weather in northern mid-latitudes linked to a vanishing cryosphere.NatureClimateChange,2014,4:45-50.

[9] Sun Y,Zhang X B,Zwlers F W,et al.Rapid increase in the risk of extreme summer heat in Eastern China.NatureClimateChange,2014,doi:10.1038/nclimate2410.

[10] IPCC.Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation: Special Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change.New York:Cambridge University Press,2012.

[11] 張勇,曹麗娟,許吟隆,等.未來我國(guó)極端溫度事件變化情景分析.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2008,19(6):655-660.

[12] 石英,高學(xué)杰,吳佳,等.華北地區(qū)未來氣候變化的高分辨率數(shù)值模擬,應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2010,21(5):580-589.

[13] 楊萍,劉偉東,王啟光,等.近40年我國(guó)極端溫度變化趨勢(shì)和季節(jié)特征.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2010,21(1):29-36.

[14] 劉金祥.可持續(xù)發(fā)展理念視角下的我國(guó)城市化.中國(guó)科學(xué)報(bào),2012-09-03(3).

[15] 饒沛.北京城區(qū)用水量超290萬方——逼近百年來極值.新京報(bào),2014-05-25.

[16] Wang M N,Yan X D,Liu J Y,et al.The contribution of urbanization to recent extreme heat events and a potential mitigation strategy in the Beijing-Tianjin-Hebei metropolitan area.TheoreticalandAppliedClimatology,2013,114(3):407-416.

[17] 張國(guó)華,張江濤,金曉青,等.京津冀城市高溫的氣候特征及城市化效應(yīng).生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2012,21(3):455-463.

[18] 施洪波.1960-2008年京津冀地區(qū)夏季高溫日數(shù)的變化趨勢(shì)分析.氣象,2011,37(10):1277-1282.

[19] 胡姝婧,胡德勇,李小娟,等.京津冀都市圈熱環(huán)境空間格局遙感分析.國(guó)土資源遙感,2009,12(3):94-99.

[20] 史印山,谷永利,林艷.京津冀高溫天氣的時(shí)空分布及環(huán)流特征分析.氣象,2009,35(6):63-69.

[21] 樊杰.京津冀都市圈區(qū)域綜合規(guī)劃研究.北京:科學(xué)出版社,2008.

[22] 蘇劍勤.河北氣候.北京:氣象出版社,1996.

[23] 黃卓,陳輝,田華.高溫?zé)崂酥笜?biāo)研究.氣象,2011,37(3):345-351.

[24] Tom E C,Bosen J R.The discomfort index.Wearherwise,1959,12:59-60.

[25] 葉殿秀,尹繼福,陳正洪,等.1961—2010 年我國(guó)夏季高溫?zé)崂说臅r(shí)空變化特征.氣候變化研究進(jìn)展,2013,9(1):15-20.

[26] 潘竟虎,韓文超.近20a中國(guó)省會(huì)及以上城市空間形態(tài)演.自然資源學(xué)報(bào),2013,28(3):470-478.

[27] 鄭祚芳,高華,王在文,等.城市化對(duì)北京夏季極端高溫影響的數(shù)值研究.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2012,21(10):1689-1694.

[28] 竇晶晶,王迎春,苗世光.北京城區(qū)近地面比濕和風(fēng)場(chǎng)時(shí)空分布特征.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2014,25(5):559-569.

[29] 嚴(yán)中偉,李珍,夏江江.氣候序列的均一化——定量評(píng)估氣候變化的基礎(chǔ).中國(guó)科學(xué):地球科學(xué),2014,44(10):2101-2111.

[30] 王佳麗,張人禾,王迎春.北京降水特征及北京市觀象臺(tái)降水資料代表性.應(yīng)用氣象學(xué)報(bào),2012,23(3):265-273.

[31] Wu G X,Duan A M,Liu Y M,et al.Tibetan plateau climate dynamics:Recent research progress and outlook.NationalScienceReview,2015,2:100-116.

[32] Zhao L,Lee X H,Smith R B,et al.Strong contributions of local background climate to urban heat islands.Nature,2014,511(7508):216-219.

Spatiotemporal Variability of Heat Waves in Beijing-Tianjin-Hebei Region and Influencing Factors in Recent 54 Years

Li Shuangshuang1)2)Yang Saini1)2)Zhang Donghai1)3)Liu Xianfeng1)3)

1)(StateKeyLaboratoryofEarthSurfaceProcessesandResourceEcology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875)2)(AcademyofDisasterReductionandEmergencyManagement,BeijingNormalUniversity,Beijing100875)3)(CollegeofResourceScienceandTechnology,BeijingNormalUniversity,Beijing100875)

It indicates that hot summers will become more frequent in eastern China in the future. The region will face a great risk in the absence of any adaptation measures taken towards reducing its vulnerability to effects of extreme heat. Beijing-Tianjin-Hebei Region is identified as the biggest metropolitan in northern China. Rapid urbanization and the recent frequent occurrence of hot summers in the region raises questions about influencing factors at the regional scale and the spatiotemporal variability of heat waves. Using the newly developed Heatwave Index (HI), a statistical analysis is conducted on the temporal and spatial distribution characteristics of heat waves in Beijing-Tianjin-Hebei Region over a period from 1960 to 2013. More specifically, based on the history of relocations, the heat wave trends between Beijing and Fengning is compared to investigate the influence of urbanization, and also analyse the relationship between atmospheric circulation anomalies and observed heat wave trends. It shows that based on variations in heat wave trends, two distinct phases are identified in Beijing-Tianjin-Hebei Region. Owing to some abrupt changes in the mid-1970s, the frequency of heat waves decrease from 1960 to 1973, and then increase from 1974 to 2013. Heat waves show a decreasing trend in the southern part and an increasing trend in the northern part of Beijing-Tianjin-Hebei Region. A significant increasing trend is found in the northern and western biological conservation area, and decreasing trend in south-eastern plains. At the regional scale, urbanization and relocations affect the occurrence of slight to moderate rather than extreme heat waves. In the period of global warming and rapid urbanization, the frequency of heat waves in Beijing is higher than that of Fengning. In recent global warming hiatus, the frequency of heat waves in Beijing is lower than Fengning. Driving factors behind temporal and spatial patterns are deemed complicated. The inter-decadal variations are significantly and closely related to the offsetting of western Pacific subtropical high (WPSH) ridge and the anomalous anticyclone over the Tibetan Plateau (TPAI) in summer. In other words, there is a positive correlation between the number of heat wave days and WPSH and TPAI. Furthermore, the probability of a summer with a mega-heat wave would increase with the anomalies in WPSH and TPAI.

Beijing-Tianjin-Hebei Region; heat waves; spatiotemporal patterns

10.11898/1001-7313.20150504

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2012CB955402)，北京師范大學(xué)地表過程模型與模擬創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金項(xiàng)目(41321001)

李雙雙,楊賽霓,張東海,等. 近54年京津冀地區(qū)熱浪時(shí)空變化特征及影響因素. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2015，26(5)：545-554.

2015-01-05收到， 2015-05-04收到再改稿。

* 通信作者， email: yangsaini@bnu.edu.cn