1960年—2012年長三角地區(qū)極端氣溫時空變化特征

周北平 李少魁 史建橋 游慶龍

摘要：利用1960年-2012年長三角地區(qū)34個氣象站逐日氣溫資料，采用趨勢分析、小波分析、Mann-Kendall檢驗(yàn)、樣條插值等方法，分析了長三角地區(qū)的極端氣溫時空變化特征。結(jié)果表明：近53年，冷指數(shù)均呈顯著上升趨勢，且均通過了0.01的信度檢驗(yàn)，氣候傾向率分別達(dá)-2.8 d/（10a）、-4.1 d/（10a）和0.45 ℃/（10a），暖指數(shù)雖也有上升趨勢但趨勢較為不顯著，僅有暖晝指數(shù)與極端最高氣溫通過了0.05的信度檢驗(yàn)?？臻g分布上，高溫日數(shù)和極端最高氣溫呈北低南高、東低西高、沿海低內(nèi)陸高的分布規(guī)律，低溫日數(shù)和極端最低氣溫與之相反。變化趨勢上，極端氣溫指數(shù)基本均表現(xiàn)為上升趨勢，其中極端低溫和極端高溫上升趨勢最明顯的地區(qū)為上海、南京、杭州等大城市及其周邊區(qū)域。

關(guān)鍵詞：長三角地區(qū)；極端氣溫；時空變化；張力樣條插值法；規(guī)則樣條插值法

中圖分類號：P457 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0042-06

Abstract：Base on the daily temperature data of 34 meteorological stations in the Yangtze River Delta region during 1960-2012，by using trend analysis，wavelet analysis，Mann-Kendall test，and spline interpolation method，the temporal and spatial variation characteristics of extreme temperature in Yangtze River Delta were analyzed.The results showed that：in recent 53 years，cold index showed a significantly upward trend，and passed the 0.01 reliability test，with the climate tendency rate of -2.8 d/（10a），-4.1 d/（10a） and 0.45 ℃/（10a），respectively.The warm index had a rising trend but the trend was not significant，only warm day index and the extreme maximum temperature passed the 0.05 reliability test.From a spatial distribution perspective，the number of high temperature days and the extreme maximum temperature showed the distribution rules of north low and south high，east low and west high，and coastal low and inland high.Low temperature days and extreme minimum temperature were contrary.From a change trend perspective，extreme temperature index showed a rising trend，and the most obvious upward trend areas of the extreme low and extreme high temperature were Shanghai，Nanjing，Hangzhou and other large cities and surrounding areas.

Key words：Yangtze River Delta region；extreme temperature；spatial and temporal variations；spline with tension；regularized spline

全球變暖的大背景下，極端天氣氣候事件的發(fā)生越來越頻繁。據(jù)估計(jì)[1]，1991年-2000年的10年里，全球每年受到氣象水文災(zāi)害影響的平均人數(shù)為2.11億，是因戰(zhàn)爭沖突受到影響人數(shù)的7倍。研究表明[2-13]，我國近百年來地面氣溫已明顯增暖，增溫速率約為0.08 ℃/（10a），與全球同期平均相當(dāng)或略強(qiáng)；近54年我國年地表平均溫度增溫速率0.25 ℃/（10a），明顯高于全球或北半球同期水平。

極端天氣氣候事件的研究受到了越來越多的關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者對極端氣溫變化趨勢特征也進(jìn)行了大量研究。如Klein等[14]采用極端氣候指數(shù)研究了歐洲日極端氣溫和降水的變化趨勢；高路等[15]研究指出，東北、青藏高原及西北地區(qū)為極端低溫的集聚區(qū)，其中青藏高原為全國極端高溫中的唯一冷中心，西北盆地為最熱中心；王剛等[16]分析了海河流域極端高溫和極端低溫的長期變化特征和流域整體增溫的氣候變化背景，得出極端低溫增幅明顯高于極端高溫，對平均氣溫上升的貢獻(xiàn)較大的結(jié)論；翟盤茂[17]等依據(jù)經(jīng)典氣候?qū)W定義，通過閾值分析的方法研究了中國北方近50年的溫度和降水極端事件變化，發(fā)現(xiàn)中國北方夜間溫度偏低日數(shù)顯著減少而白天溫度偏高日數(shù)趨于增加。王瓊[18]等采用WMO推薦的極端氣溫指數(shù)研究了近50年長江流域極端氣溫事件，結(jié)果顯示冷指數(shù)基本都呈現(xiàn)減少趨勢而熱指數(shù)呈現(xiàn)一定的上升趨勢，并且冷指數(shù)的上升速率較大。

長江三角洲地處我國東南沿海，是暴雨、夏季高溫等極端氣候事件經(jīng)常發(fā)生的地區(qū)之一，極端天氣氣候事件在該地區(qū)發(fā)生所造成的經(jīng)濟(jì)、財(cái)產(chǎn)損失和社會影響往往也是巨大的。鑒于目前國內(nèi)外專門研究長三角地區(qū)的極端氣溫時空變化特征的文獻(xiàn)很少，本文擬采用長三角地區(qū)34個氣象站1960年-2012年長時間序列逐日氣溫資料，揭示該地區(qū)極端氣溫事件的發(fā)生頻率、時間變化和區(qū)域分布特征，旨在于為區(qū)域氣候變化和城市氣候研究以及區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供可靠的依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

研究區(qū)為江蘇、浙江全省以及上海市和安徽省的合肥、蕪湖、滁州、馬鞍山和銅陵五地級市所轄區(qū)域。地面氣象觀測資料來自于國家氣象信息中心，共選取長江三角洲地區(qū)34個觀測站（圖1）的逐日氣溫資料，序列均一性都已經(jīng)過檢驗(yàn)。

由于各站點(diǎn)資料序列起始時間參差不齊以及資料序列中缺測情況不一，文章綜合考慮選取各站點(diǎn)資料序列的時間段為1960年1月1日至2012年10月31日共53年，其中浙江龍泉站由于資料不全選取的時間段為1960年1月1日到2008年12月31日。

1.2 樣條插值

本文采用樣條插值法對長三角地區(qū)極端氣溫空間分布特征進(jìn)行分析。樣條插值法從根本上屬于多項(xiàng)式插值，該方法主要是通過估計(jì)方差，利用一些特征節(jié)點(diǎn)，用多項(xiàng)式擬合的方法來產(chǎn)生平滑的插值曲線。這種方法適用于逐漸變化的表面，如溫度、高程、地下水位高度或污染濃度等。如果用ve表示待估計(jì)點(diǎn)的值，則有：

2 長三角地區(qū)極端氣溫時空變化特征

2.1 極端氣溫指數(shù)定義

本文選取世界氣象組織（WMO） 推薦的16 個極端氣溫指數(shù)中的6個指數(shù)（表1），從三個方面定義氣溫的極端變化，對于氣溫變化進(jìn)行細(xì)微地分析。

可以看出，這6個指數(shù)分別從相對、絕對和極值三個方面進(jìn)行了定義，實(shí)際上也可以把6個指數(shù)分為從冷和熱或者極端低溫和極端高溫兩個方面分別定義，其中冷指數(shù)（極端低溫指數(shù)）有3個，分別為冷夜指數(shù)、低溫日數(shù)、極端最低氣溫；暖指數(shù)（極端高溫指數(shù)）分為暖晝指數(shù)、高溫日數(shù)和極端最高氣溫。

2.2 極端氣溫變化趨勢

近50多年長三角地區(qū)6個極端氣溫指數(shù)的年代際變化見圖2。分析表明，冷夜指數(shù)和低溫日數(shù)均呈下降趨勢，其中20世紀(jì)60年代和2003年以后略有波動；暖晝指數(shù)和高溫日數(shù)伴隨著較大的波動而緩慢上升，極端最低氣溫和極端最高氣溫也呈穩(wěn)步上升趨勢。從6個指數(shù)的變化可以得出長三角地區(qū)的極端低溫和日最極端高溫都有所上升，極端低溫比低端高溫上升的更為明顯，是氣溫變暖的最主要特征。

從表2可以看出，冷夜指數(shù)、低溫日數(shù)的下降和極端最低氣溫的上升明顯而且穩(wěn)定，冷夜指數(shù)、低溫日數(shù)的變化速率分別為-2.8 d/（10a）和-4.1 d/（10a），并且兩者都通過了0.01的信度檢驗(yàn)，最低氣溫也以0.45 ℃/（10a）的速度上升且通過0.01的信度檢驗(yàn)?？梢?，近53年長三角地區(qū)的冬季氣候變暖異常顯著。

暖晝指數(shù)、高溫日數(shù)和極端最高氣溫也有上升的趨勢，而與冷指數(shù)相比，這三個暖指數(shù)波動較為劇烈且上升趨勢不顯著。其中，暖晝指數(shù)上升速率為1.7 d/（10a），通過了0.05的信度檢驗(yàn)，高溫日數(shù)上升速率為1.1 d/（10a）且沒有通過檢驗(yàn)，極端最高氣溫上升速率為0.21 ℃/（10a）通過了0.05的信度檢驗(yàn)。

總之，全球變暖的背景下長三角地區(qū)的冷指數(shù)顯著上升，相比夏天，冬天變暖更為明顯。過去53（1960年-2012年）年，長三角地區(qū)平均極端最低氣溫上升了2.3 ℃，低溫日數(shù)平均減少了21 d。

2.3 極端氣溫空間變化特征

2.3.1 極端氣溫區(qū)域分布特征

為得到極端氣溫區(qū)域分布特征，分別計(jì)算長三角地區(qū)的低溫日數(shù)、高溫日數(shù)、極端最低氣溫、極端最高氣溫的空間分布（圖3），分析可知如下結(jié)果。

（1）冷指數(shù)。低溫日數(shù)分布總體呈北高南低態(tài)勢，而且在浙江地區(qū)，東南沿海高于內(nèi)陸，而蘇、皖、浙三省交界處較同緯度的值相對較低。高值區(qū)為江蘇北部，最高為贛榆站達(dá)84 d，低值區(qū)為浙江東南沿海及島嶼，最低玉環(huán)站為5.9 d。極端最低氣溫分布為北低南高，最低為贛榆站達(dá)-11.2 ℃，最高為大陳島-2.3 ℃。上述空間分布是緯度、海陸分布和地形對低溫日數(shù)和極端最低氣溫共同影響的結(jié)果。

（2）暖指數(shù)。高溫日數(shù)的空間分布與極端最高氣溫的分布極為相似，兩者都呈現(xiàn)北低南高、東低西高、沿海低內(nèi)陸高的分布規(guī)律。其中高溫日數(shù)和極端最高氣溫的高值區(qū)分布在浙南中部地區(qū)，最高均為麗水站高溫日數(shù)和極端最高氣溫分別達(dá)45.1 d和39.6 ℃，低值區(qū)為浙江東南沿海的島嶼，最低為大陳島站高溫日數(shù)和極端最高氣溫分別為0 d和31.4 ℃。可以看出，浙江麗水地區(qū)為長三角夏季最為炎熱的地區(qū)，而浙江東南部島嶼如大陳島為長三角地區(qū)夏季最為涼爽的地區(qū)，浙江東南部夏季溫度梯度較大，主要體現(xiàn)了海陸分布和海陸風(fēng)對氣溫的影響。

2.3.2 極端氣溫變化趨勢空間分布

利用Mann-Kendall檢驗(yàn)，對冷夜指數(shù)、低溫日數(shù)、極端低溫和暖晝指數(shù)、高溫日數(shù)、極端高溫變化趨勢的空間分布（圖4）進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果。

（1）冷夜指數(shù)、低溫日數(shù)全為下降趨勢，極端最低氣溫全為上升趨勢，即均為變暖趨勢。各個指數(shù)通過驗(yàn)證的站點(diǎn)數(shù)目和通過驗(yàn)證率具體見表3，三個冷指數(shù)通過0.05信度檢驗(yàn)的站點(diǎn)數(shù)分別為32、32和29，占總站點(diǎn)的94 %、94 %和85 %，其中冷夜指數(shù)、低溫日數(shù)兩者通過0.01信度檢驗(yàn)的站點(diǎn)數(shù)均達(dá)85 %以上。三個冷指數(shù)趨勢大小分布較為相似，冷夜指數(shù)下降趨勢大值基本分布在南京以北和以上海、杭州、寧波為中心的三個片狀區(qū)域，傾向率最大為高郵站的4.2 d/（10a），小值區(qū)主要分布在浙東南沿海島嶼。低溫日數(shù)下降趨勢的大值區(qū)主要分布在除太湖區(qū)域外的整個江蘇地區(qū)以及上海、杭州、寧波等地方，傾向率最大仍然為高郵站的6.9 d/（10a），小值區(qū)仍然分布在浙江東南沿海島嶼。極端最低氣溫上升的大值區(qū)主要分布在以徐州、贛榆、南京、常州、洪家為中心的點(diǎn)狀區(qū)域，傾向率最大南京站的為0.78 ℃/（10a），小值區(qū)分布在浙江南部邊緣站點(diǎn)。

（2）暖晝指數(shù)、高溫日數(shù)、極端高溫3個暖指數(shù)的升高沒有冷指數(shù)的變暖明顯，但大部分站點(diǎn)呈上升趨勢。其中，上升趨勢最為明顯的地區(qū)基本為杭州灣以北及以南的沿海區(qū)域和杭州地區(qū)，而暖晝?nèi)諗?shù)上升的大值區(qū)向南延伸到浙江東南部沿海地區(qū)，極端最高氣溫上升的大值區(qū)向北延伸到江蘇蘇州、南通等地區(qū)，這些大值區(qū)站點(diǎn)的上升趨勢都通過了檢驗(yàn)，大部分站點(diǎn)通過了0.01的信度檢驗(yàn)。暖晝指數(shù)、高溫日數(shù)、極端最高氣溫上升傾向率最大值分別為洪家站的6.2 d/（10a）、鄞縣的5.4 d/（10a）、上海龍華站的0.66 ℃/（10a）。三者變化趨勢為負(fù)即為下降趨勢的站點(diǎn)基本分布在江蘇西北部。

從6個氣溫指數(shù)的變化總體來看，無論極端低溫（即冷指數(shù)，前文由日最低氣溫定義）還是極端高溫（即暖指數(shù)，前文由日最高氣溫定義），長三角地區(qū)大部分站點(diǎn)都表現(xiàn)為上升趨勢，而只有小部分站點(diǎn)的極端高溫呈微弱下降趨勢。極端低溫上升最為明顯的地區(qū)為蘇北以及南京、上海、杭州、寧波等大城市區(qū)域，極端高溫上升最為明顯的地區(qū)為江蘇南部及沿海、浙江東部沿海以及杭州地區(qū)。極端低溫和極端高溫全為上升趨勢且通過檢驗(yàn)的站點(diǎn)有8個，分別為高郵、南通、溧陽、龍華、杭州、平湖、鄞縣和洪家。

3 結(jié)論

（1）近53（1960年-2012年）年，冷夜指數(shù)、低溫日數(shù)、極端最低氣溫3個冷指數(shù)都呈顯著上升趨勢，且均通過了0.01的信度檢驗(yàn)，氣候傾向率分別達(dá)-2.8 d/（10a）、-4.1 d/（10a）和0.45 ℃/（10a），暖晝指數(shù)、高溫日數(shù)和極端最高氣溫3個暖指數(shù)雖也有上升趨勢但趨勢較為不顯著，僅有暖晝指數(shù)與極端最高氣溫通過了0.05的信度檢驗(yàn)。

（2）極端低溫主要體現(xiàn)為低緯地區(qū)高于高緯地區(qū)沿海地區(qū)高于內(nèi)陸地區(qū)，最低為蘇北徐州、贛榆等地區(qū)，最高為浙東南玉環(huán)等地區(qū)；極端高溫主要體現(xiàn)為沿海低于內(nèi)陸，當(dāng)然與緯度也有一定關(guān)系，其中最高為浙江金華、麗水地區(qū)，最低為浙東南玉環(huán)、大陳島等地區(qū)；相比夏天變暖，冬天變暖更為明顯，過去53（1960年-2012年）年，長三角地區(qū)平均極端最低氣溫上升了2.3 ℃，低溫日數(shù)平均減少了21 d。

（3） 極端氣溫指數(shù)變化趨勢均表現(xiàn)為上升趨勢，但各有差異，極端低溫表現(xiàn)為上升趨勢，且較極端高溫更為明顯，極端低溫上升趨勢較為明顯的地區(qū)為江蘇大部、上海和浙江少部分地區(qū)，最為明顯的是高郵、南京、上海、杭州、寧波等地區(qū)；極端高溫上升明顯的區(qū)域?yàn)樘K南、上海以及浙江東南部，最為明顯地區(qū)為南通上海一帶、杭州以及寧波等地區(qū)。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 丁裕國，鄭春雨，申紅艷.極端氣候變化的研究進(jìn)展[J].沙漠與綠洲氣象，2008，2（6）：1-5.（DING Yu-guo，ZHENG Chun-yu，SHEN Hong-yan.The research advance for extreme climate and its change[J].Desert and Oasis Meteorology，2008，2（6）：1-5.（in Chinese））

[2] 錢維宏，符嬌蘭，張瑋瑋，等.近40年中國平均氣候與極值氣候變化的概述[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2007，22（7）：673-684.（QIAN Wei-hong，F(xiàn)U Jiao-lan，ZHANG Wei-wei，et al.Changes in mean climate and extreme cliamte in China during the last 40 years[J].Advances in Earth Science，2007，22（7）：673-684.（in Chinese））

[3] 趙宗慈，王紹武，羅勇.IPCC成立以來對氣溫升高的評估與預(yù)估[J].氣候變化研究進(jìn)展，2007，3（3）：183-184.（ZHAO Zong-ci，WANG Shao-wu，LUO Yong.Assessments and projections of temperature rising since the establishment of IPCC[J].Advances in Climate Change Research，2007，3（3）：183-184.（in Chinese））

[4] 任國玉，初子瑩，周雅清，等.中國氣溫變化研究最新進(jìn)展[J].氣候與環(huán)境研究，2005，10（4）：701-716.（REN Guo-yu，CHU Zi-ying，ZHOU Ya-qing，et al.Recent progresses in studies of regional temperature changes in China[J].Climatic and Environmental Research，2005，10（4）：701-716.（in Chinese））

[5] 周雅清，任國玉.中國大陸1956-2008年極端氣溫事件變化特征分析[J].氣候與環(huán)境研究.2010，15 （4）：405-417.（ZHOU Ya-qing，REN Guo-yu.Variation characters of extreme temperature indices in mainland China during 1956-2008[J].Climatic and Environmental Research，2010，15 （4）：405-417.（in Chinese））

[6] 任福民，翟盤茂.1951-1990年中國極端氣溫變化分析[J].大氣科學(xué)，1998，22 （2）：217-227.（REN Fu-min，ZHAI Pan-mao.1951-1990 analysis of extreme temperature change in China[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences，1998，22 （2）：217-227.（in Chinese））

[7] 嚴(yán)中偉，楊赤.近幾十年我國極端氣候變化格局[J].氣候與環(huán)境研究，2000，5（3）：267-372.（YAN Zhong-wei，YANG Chi.Geographic patterns of extreme climate changes in China during 1951-1997[J].Climatic and Environmental Research，2000，5（3）：267-372.（in Chinese））

[8] 龔志強(qiáng)，王曉娟，支蓉，等.中國近58年溫度極端事件的區(qū)域特征及其與氣候突變的聯(lián)系[J].物理學(xué)報(bào)，2009，58 （6）：4342-4353.（GONG Zhi-qiang，WANG Xiao-juan，ZHI Rong，et al.Analysis of features of climate change of Huabei area and the global climate change based on heuristic segmentation algorithm[J].Acta Physica Sinica，2009，58 （6）：4342-4353.（in Chinese））

[9] 熊開國，封國林，王啟光，等.近46年來中國溫度破紀(jì)錄事件的時空分布特征分析[J].物理學(xué)報(bào)，2009，58（11）：8107-8115.（XIONG Kai-guo，F(xiàn)ENG Guo-lin，WANG Qi-guang，et al.Spatial-temporal characteristics of record-breaking temperature events over China in recent 46 years[J].Acta Physica Sinica，2009，58（11）：8107-8115.（in Chinese））

[10] [HJ1.7mm]張晶晶，陳爽，趙昕奕.近50年中國氣溫變化的區(qū)域差異及其與全球氣候變化聯(lián)系[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2006，20（4）：1-6.（ZHANG Jing-jing，CHEN Shuang，ZHAO Xin-yi.Spatial divergency of temperature change during 1951- 2000 in China and its correlation with global climate change[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2006，20（4）：1-6.（in Chinese））

[11] 秦大河.應(yīng)對全球氣候變化防御極端氣候?yàn)?zāi)害[J].求是，2007（8）：51-53.（QIN Da-he.Extreme weather disasters defense for global climate change[J].QStheory，2007，8：51-53.（in Chinese））

[12] 張寧，孫照渤，曾剛.1955-2005年中國極端氣溫的變化[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，31（1）：123-128.（ZHANG Ning，SUN Zhao-bo，ZENG Gang.Change of extreme temperatures in China during 1955-2005[J].Journal of Nanjing Institute of Meteorology，2008，31（1）：123-128.（in Chinese））

[13] 劉學(xué)華，季致建，吳洪寶，等.中國40年極端氣溫和降水的分布特征及年代際差異[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2006，22（6）：618-624.（LIU Xue-hua，Ji Zhi-jian，WU Hong-bao，et al.Distributing characteristics and interdecadal difference of daily temperature and precipitation extremes in China for latest 40 years[J].Journal of Tropical Meteorology，2006，22（6）：618-624.（in Chinese））

[14] Klein TankA.M.G.，Konnen G.P..Trends in Indices of Daily Temperature and Precipitation Extremes in Europe，1946-1999[J].Climate，2003，16：365-368.

[15] 高路，Karsten Schulz，陳興偉等.基于ERA-Interim再分析資料的中國極端氣溫分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，2（12）：75-78.（GAO Lu，Karsten Schulz，CHEN Xing-wei，et al.Analysis of extreme temperatures in China based on ERA-Interim reanalysis data[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2014，2（12）：75-78.（in Chinese））

[16] 王剛，嚴(yán)登華，張冬冬，等.海河流域1961年-2010年極端氣溫與降水變化趨勢分析[J].南水北調(diào)與水利科技，2014，12（1）：1-6.（WANG Gang，YAN Deng-hua，ZHANG Dong-dong，et al.Trend Analysis of variations in extreme precipitation and temperature in the Hai River Basin from 1961 to 2010[J].South-to-North Water Transfers and Water Science & Technology，2014，12（1）：1-6.（in Chinese））

[17] 翟盤茂，潘曉華.中國北方近50年溫度和降水極端事件變化[J].地理學(xué)報(bào)，2003，58 （增刊）：1-10.（ZHAI Pan-mao，PAN Xiao-hua.Change in Extreme temperature and precipitation over Northern China during the second half of the 20th Century[J].Acta Geographica Sinica，2003，58：1-10.（in Chinese））

[18] 王瓊，張明軍，王圣杰，等.1962-2011年長江流域極端氣溫事件分析[J].地理學(xué)報(bào)，2013，68（5）：611-625.（WANG Qiong，ZHANG Min-gjun，WANG Sheng-jie，et al.Extreme temperature events in Yangtze River Basin during 1962-2011[J].Acta Geographica Sinica，2013，68（5）：611-625.（in Chinese））

[19] Johnston K，ver Hoef J M，Krivoruchko K，et al.Using ArcGIS Spatial Analyst[M].CA：Environmental Systems Research Institute Inc.，2001，136-148.

[20] 李軍，游松財(cái)，黃敬峰.中國1961-2000年月平均氣溫空間插值方法和空間分布[J].生態(tài)環(huán)境，2006，15（1）：109-114.（LI Jun，YOU Song-cai，HUANG Jing-feng.Spatial interpolation method and spatial distribution characteristics of monthly mean temperature in China during 1961-2000[J].Ecology and Environment，2006，15（1）：109-114.（in Chinese））