1951—2016年武漢市極端氣溫指數(shù)特征

毛以偉，陳正洪，陳 茜，謝 萍

（1.武漢中心氣象臺，湖北 武漢430074；2.湖北省氣象服務(wù)中心，湖北 武漢 430074）

因溫室氣體排放影響，人類賴以生存的地球正遭受前所未有的挑戰(zhàn)。科學(xué)家們預(yù)計21世紀(jì)氣候極端事件的出現(xiàn)次數(shù)、持續(xù)的時間和影響范圍將增加[1]。中國科學(xué)家們對氣候變化事實和相關(guān)影響進(jìn)行了長期研究。丁一匯等[1-2]研究認(rèn)為：人類排放的大量CO2等溫室氣體的增溫效應(yīng)是近50 a氣候變暖的主要原因。中國地表氣溫近百年增溫1.20℃?？焖僮兣瘡?0世紀(jì)80年代開始，人類影響也從20世紀(jì)80年代中期明顯增加。氣候模式預(yù)估顯示,到21世紀(jì)末,極端氣候事件將增多,高溫?zé)崂嗽黾用黠@。蘇京志等[3]研究了近幾年全球變暖趨緩現(xiàn)象，認(rèn)為未來高溫?zé)崂顺霈F(xiàn)的次數(shù)更多、持續(xù)時間也更長。韋志剛等[4]研究了青藏高原氣溫變化特征。曾小凡等[5]研究了長江流域3個變化敏感區(qū)域平均氣溫的變化特征。王凱等[6]分析了華中區(qū)域年平均最高、最低氣溫變化特征。羅啟華等[7]認(rèn)為江漢平原區(qū)域的年平均氣溫最近20 a來明顯上升,1994年開始出現(xiàn)突變。張?zhí)煊畹萚8]認(rèn)為三峽庫區(qū)平均氣溫在1996年左右突變?yōu)樵雠厔?。覃軍等[9]對武漢近百年氣溫變化分析認(rèn)為1915、1950、1990年前后的氣溫突變最明顯。近20 a來，極端氣溫變化的研究逐漸多起來。劉學(xué)華等[10]認(rèn)為中國1976—2000年極端氣溫指數(shù)表現(xiàn)為變暖趨勢。翟盤茂等[11]認(rèn)為20世紀(jì)90年代中期以后高溫日數(shù)顯著增多，日較差也明顯的減小。秦秀麗[12]研究了山西省極端氣溫發(fā)生頻率，認(rèn)為極端高溫事件增加，極端低溫事件減少，存在突變和周期性振蕩。朱歆煒等[13]研究了湖南省極端氣溫事件，認(rèn)為其暖日、暖夜數(shù)普遍增多，冷日、冷夜多有減少，并發(fā)現(xiàn)了突變和周期性振蕩。李煥[14]研究了阿勒泰地區(qū)最高氣溫及高溫日數(shù)變化，認(rèn)為其平均最高氣溫呈波動性上升，高溫日數(shù)存在突變。武麗梅等[15]認(rèn)為中國大陸整體為明顯增溫趨勢，年極端高溫、年極端低溫的平均增溫率分別為0.43℃/10 a、0.25℃/10 a。黃小燕等[16]認(rèn)為中國沿海的極端最高溫、極端最低溫都呈上升趨勢。夏日日數(shù)和熱夜日數(shù)近30 a上升幅度分別為6.35 d/10 a、5.28 d/10 a。黃強(qiáng)等[17]認(rèn)為廣東省年極端氣溫具有傾向極端的趨勢，6個極端氣溫指數(shù)突變時間集中在20世紀(jì)90年代和21世紀(jì)初期。楊曉靜等[18]分析認(rèn)為云南最高氣溫與最低氣溫均在20世紀(jì)80年代后呈現(xiàn)更為顯著的增溫趨勢。馬淑苗等[19]認(rèn)為山西南部暖日和暖夜顯著增加，極端最低氣溫、極端最高氣溫增率均為0.36℃/10 a,其突變多集中在20世紀(jì)80年代和90年代。張照璽等[20]認(rèn)為黃河流域平均最高氣溫、平均最低氣溫、暖日閾值和冷夜閾值均呈現(xiàn)顯著的上升趨勢。

武漢市為長江沿岸的特大城市，是中部地區(qū)中心城市，因夏季炎熱，一度被稱為中國“四大火爐”之一。本文通過較長時間系列武漢極端氣溫指數(shù)（與炎熱相關(guān)，下同）的統(tǒng)計分析,研究其在全球氣候變化大背景下的主要變化特征，如武漢極端最高氣溫及相關(guān)指數(shù)20世紀(jì)80年代以來是一直增加的嗎？還是存在下降的趨勢呢？是否存在周期性變化情況？未來一段時間會是什么樣的變化趨勢？武漢真的退出了“四大火爐”嗎？

1 資料與方法

文中武漢、重慶、福州、杭州、南昌、長沙、南京、合肥等城市選取的對應(yīng)代表氣象站信息見表1。武漢氣溫資料來源于“中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”（http://cdc.cma.gov.cn）和湖北省氣象局氣象臺站整編資料。重慶、福州、杭州、南昌、長沙、南京、合肥氣溫資料來源于“中國科學(xué)院資料環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心”（http://www.resdc.cn/DataList.aspx）。

參照WMO發(fā)布的極端天氣指數(shù)，結(jié)合武漢天氣氣候?qū)嶋H，選取了武漢氣象站的3個極端氣溫指數(shù)來分析其變化趨勢和突變情況。年極端最高氣溫：每年最高的日最高氣溫（℃）；年高溫日數(shù)：每年內(nèi)日最高氣溫≥ 35℃日數(shù)（d）；年熱夜日數(shù)：每年內(nèi)日最低氣溫≥ 27℃日數(shù)（d）。

采用多項式擬合和線性傾向估計方法分析極端氣溫指數(shù)的歷史變化趨勢。采用Morlet小波變換研究其周期性變化規(guī)律。運用累積距平方法結(jié)合M-K檢驗[23]（Mann-Kendall非參數(shù)檢驗方法）綜合判定其歷史突變情況。采用R/S分析方法（Hurst指數(shù)）分析極端氣溫指數(shù)的未來變化趨勢。

Hurst指數(shù)（簡稱H）含義是：當(dāng)0＜H＜0.5時，表明時間序列較前期具有相反的變化趨勢，即序列在將來的升降趨勢與過去相反，且H值越小，相反的升降趨勢越明顯；當(dāng)H=0.5時，表明序列是隨機(jī)的，沒有規(guī)律；當(dāng)0.5＜H＜1.0時，表明序列具有較長的記憶性，即序列在未來的升降趨勢與過去的趨勢相同，且H值越大，這種升降趨勢越明顯。

表1 重慶、福州、杭州、南昌、長沙、武漢、南京、合肥8個城市的代表氣象站信息表

2 結(jié)果與分析

2.1 時間變化分析

分析武漢市年極端最高氣溫變化可以發(fā)現(xiàn)（圖1a），超過39℃的有6 a，最高出現(xiàn)在2003年為39.6℃。多項式擬合曲線可知，1951—2016年，武漢極端最高氣溫年際變化存在2個上升區(qū)間和3個下降區(qū)間。下降區(qū)間為1951—1954、1968—1984、2004—2015年,下降幅度呈減弱趨勢；上升區(qū)間為1955—1967、1985—2003年，上升幅度呈增強(qiáng)趨勢。線性擬合顯示年極端最高氣溫整體仍呈緩慢上升趨勢，年極端最高氣溫以0.1℃/10 a的上升，通過了信度為90%的檢驗。計算1986—2003年的增率為0.8℃/10 a，顯示2003年之前近18 a武漢極端最高氣溫呈顯著的上升趨勢。但近12 a，武漢市極端最高氣溫呈較明顯下降趨勢（圖1a，多項式擬合，斷線）。

分析武漢市年高溫日數(shù)逐年變化特征可見（圖1b），高溫日數(shù)超過40 d的有4 a，最多為44 d。多項式擬合曲線可知，1951—2016年，高溫日數(shù)年際變化存在2個波峰和3個波谷，1951—1954、1967—1987、2006—2015年為高溫日數(shù)減少區(qū)間，其中2006—2015年高溫日數(shù)減少幅度較大；1955—1966、1988—2005年為高溫日數(shù)增多區(qū)間，1988—2005年高溫日數(shù)持續(xù)了17 a的增長趨勢。線性擬合可見，高溫日數(shù)整體呈緩慢上升趨勢，高溫日數(shù)增率0.53 d/10 a。計算1986—2005年高溫日數(shù)的增率為10.5 a/10 a，顯示2005年之前近20 a武漢市高溫日數(shù)為明顯的增加趨勢。但近11 a，武漢市高溫日數(shù)呈顯著減少趨勢（圖1b,多項式擬合，斷線）。

圖1 武漢市1951—2016年極端氣溫指數(shù)變化

從圖1c年熱夜日數(shù)年際變化圖可知，年熱夜日數(shù)最多為2005年的40 d。多項式擬合曲線可知，1951—2016年，熱夜日數(shù)年際變化存在兩個增加區(qū)間和兩個減少區(qū)間。增多區(qū)間為1951—1959、1975—2005年，后者顯示熱夜日數(shù)持續(xù)了30 a的增長趨勢；減少區(qū)間為1960—1974、2006—2016年，后一區(qū)間減少幅度較大。線性擬合可見，熱夜日數(shù)整體呈上升趨勢，熱夜日數(shù)增率2.1 d/10 a，通過了信度為99.9%的檢驗。計算1975—2005年近31 a的熱夜日數(shù)的增率為6.7 d/10 a，顯示2005年之前近31 a武漢市熱夜日數(shù)呈較明顯增加趨勢。但近11 a，武漢市熱夜日數(shù)表現(xiàn)出較明顯的遞減趨勢（圖1c,多項式擬合，斷線）。

圖1a與圖1b走勢一致，計算年極端最高氣溫與年高溫日數(shù)相關(guān)系數(shù)為0.80，通過了信度99.9%的檢驗，為顯著性相關(guān)，說明年極端最高氣溫（年高溫日數(shù)）偏高的年份，年高溫日數(shù)（年極端最高氣溫）也多偏高，反之亦然。同理分析了另外兩種相關(guān)性，年高溫日數(shù)與年熱夜日數(shù)相關(guān)系數(shù)0.62，年極端高溫與年熱夜日數(shù)相關(guān)系數(shù)0.48，也都為顯著性相關(guān)（通過了信度為99.9%的檢驗）。

2.2 小波變換分析

圖2為武漢市1951—2016年極端最高氣溫指數(shù)小波變換系數(shù)實部。圖2a顯示武漢市年極端最高氣溫在1951—1965年存在8～9 a的周期變化，在1966—1997年存在5～6 a的周期變化，在1970—2015年還存在10～11 a的周期變化，方差分析顯示10～11 a的周期變化較為顯著。圖2b顯示武漢市高溫日數(shù)在1951—1970年存在8～9 a的周期變化，在1966—1997年存在準(zhǔn)6 a的周期變化，在整個時間系列還存在15～16 a的變化周期，6 a的周期變化較為顯著。圖2c顯示，武漢市熱夜日數(shù)在1951—1980年存在準(zhǔn)11 a的周期變化，在1981—2016年存在準(zhǔn)14 a的周期變化，整個時間系列還存在23～24 a的周期變化，23～24 a的周期變化較為顯著。

圖2武漢市1951—2016年極端氣溫指數(shù)小波分析

2.3 突變分析

圖3 a為武漢市年極端最高氣溫累積距平圖，1951—1986年，整體呈極端最高氣溫累積距平負(fù)向擴(kuò)大趨勢，為減小趨勢；1986—1991年累積距平負(fù)向有所減弱；1991—1998年呈累積距平負(fù)向擴(kuò)大趨勢；1998年以后整體呈累積距平正向擴(kuò)大趨勢，顯示年極端最高氣溫為增高趨勢。圖3b為武漢市年極端最高氣溫M-K檢驗圖，可見UF在2003—2016年整體超過了0.05顯著水平臨界線，即2003—2016年為出現(xiàn)突變時間區(qū)域（變化趨勢顯著區(qū)域）。UF與UB首次在臨界線內(nèi)相交的時間點為1986年左右；累積距平顯示，1986年后，除1991—1998年有所波動外，累積距平整體呈上升趨勢，為此，兩者結(jié)合，可以認(rèn)定1986年為突變開始時間，由前期下降趨勢突變?yōu)椴▌有哉w上升趨勢。1951—2016年，武漢年極端最高氣溫平均值為37.5℃，突變前平均值為37.3℃,突變后平均值為37.7℃,上升了0.4℃。

圖3 武漢市年極端最高氣溫突變檢驗

圖4a為武漢市高溫日數(shù)累積距平圖，可見1951—1957年和1967—1997年為高溫日數(shù)累積距平負(fù)方向發(fā)展階段，呈減少趨勢；1957—1967年和1997—2015年為高溫日數(shù)累積距平正方向發(fā)展階段，呈增多趨勢。圖4b為武漢市高溫日數(shù)M-K檢驗圖，可知與累積距平圖相對應(yīng)的，在1957年和1997年左右UF與UB也對應(yīng)的出現(xiàn)了交點，表明武漢市高溫日數(shù)在1957年和1997年前后出現(xiàn)了兩次突變，兩次突變均為由減少趨勢突變?yōu)樵黾于厔荨?951—2016年武漢市年均高溫日數(shù)21.1 d。第一次突變是由1951—1957年的高溫日數(shù)均值17.3 d突變增加到1958—1967年的27.9 d，較突變前增多61%，較多年平均增多32%。第二次是由1968—1997年的高溫日數(shù)均值16.7 d突變增加到1998—2016年的25.8 d,較突變前增多54%,較多年平均偏多22%。

圖4 武漢市年高溫日數(shù)突變檢驗

圖5a為武漢市熱夜日數(shù)累積距平圖。1951—1959年累積距平有正向發(fā)展趨勢，但隨后反轉(zhuǎn)為較長時期的負(fù)向發(fā)展趨勢,直到1993年,反轉(zhuǎn)為較長時間的正向發(fā)展趨勢。圖5b為武漢市熱夜日數(shù)M-K檢驗圖。UB在1951—1983年超過了0.05顯著水平臨界線，UF在1998年以后也超過0.05顯著水平臨界線,可知1951—1983年武漢市熱夜日數(shù)突變減少顯著，1998年以后熱夜日數(shù)突變增多顯著。UF與UB首次在臨界線內(nèi)相交的時間點為1990年左右；累積距平顯示，1989年后，武漢市熱夜日數(shù)累積距平整體呈上升趨勢；兩者結(jié)合，可以確定1990年為武漢市熱夜日數(shù)突變開始時間，由前期減少趨勢突變?yōu)椴▌有哉w增多趨勢。1951—2016年，武漢市熱夜日數(shù)平均值為18.7 d，1990年突變前平均值為14.2 d,較多年平均值偏少25%,突變后平均值為25.3 d,較突變前增多了78%，較多年平均偏多35%。

圖5 武漢市年熱夜日數(shù)突變檢驗

由上可知，1986年為武漢市年極端最高氣溫突變開始時間，武漢市高溫日數(shù)在1957年和1997年前后出現(xiàn)了兩次突變，1990年為武漢市熱夜日數(shù)突變開始時間。文獻(xiàn)[12]中認(rèn)為山西省氣溫在20世紀(jì)90年代以來突變顯著，中山西南部的極端氣溫事件突變時間多為20世紀(jì)80年代、90年代[19]。文獻(xiàn)[13]認(rèn)為湖南省暖日、暖夜和冷夜分別在2008、2003、1986年出現(xiàn)突變；阿勒泰的高溫日數(shù)在1974前后發(fā)生了突變[14]。廣東的極端氣溫事件的突變時間主要在20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初期[17]，云南的極端氣溫事件的突變時間為20世紀(jì)80年代[18]。可見，各地的極端氣溫事件突變時間有所不同，但主要集中在20世紀(jì)80年代、90年代。

2.4 R/S分析

利用R/S分析方法，計算武漢市歷年極端最高氣溫、年高溫日數(shù)和年熱夜日數(shù)的R/S值（圖6），并建立線性回歸方程。

圖6中橫坐標(biāo)為樣本的時間系列n取對數(shù)，縱坐標(biāo)為對應(yīng)的R/S取對數(shù)。對散點圖進(jìn)行線性回歸擬合，得到直線的方程，進(jìn)而可求出H（Hurst指數(shù)），它與直線的斜率相同。

根據(jù)線性擬合方程，分別求得武漢市年極端最高氣溫、年高溫日數(shù)和年熱夜日數(shù)的R/S分析式：

年極端最高氣溫R/S分析方程：

年高溫日數(shù)R/S分析方程：

年熱夜日數(shù)R/S分析方程：

可知武漢市年極端最高氣溫、年高溫日數(shù)和年熱夜日數(shù)的R/S分析的Hurst指數(shù)H分別為0.646 9、0.778 6、0.976 8。顯示都具有長記憶特性，保持原有隨著時間增降的趨勢。1951—2016年，武漢市年極端最高氣溫在總體上呈微上升趨勢，其H值稍大于0.5，仍保持原有的微增長趨勢。年高溫日數(shù)也同樣整體上呈較弱的增加趨勢，其H值稍大于0.5，未來仍保持原有增加趨勢。年熱夜日數(shù)總體上為較強(qiáng)的增加趨勢，H值最大，接近1，保持原有較明顯增加趨勢的可能性大。

2.5 對比分析

選取重慶（57516）、福州（58847）、杭州（58457）、南昌（58606）、長沙（57679）、南京（58238）、合肥（58321）7大炎熱城市與武漢進(jìn)行比較分析（表2～表4）。

圖6 武漢市極端氣溫指數(shù)R/S分析

武漢極端最高氣溫值在8個炎熱城市中最低，近30 a極端最高氣溫的均值和遞增率較整體均值和遞增率變大（表2）。極端最高氣溫整體均值、整體遞增率和近30 a遞增率皆列第七位，近30 a極端最高氣溫均值列第6位。極端最高氣溫5項指數(shù)綜合排名（5項排名累加，下同）武漢列最后一位，其極端最高氣溫指數(shù)在8個城市中最低，其余7城市的極端高溫指數(shù)綜合排名為：重慶、杭州、福州、長沙、合肥、南京、南昌。

表2 武漢與重慶、福州、杭州、南昌、長沙、南京、合肥極端最高氣溫指數(shù)比較分析

武漢的高溫日數(shù)極大值在8個站中排第7位，近30 a高溫日數(shù)的均值和遞增率較整體均值和遞增率變大（表3）。高溫日數(shù)整體均值和近30 a均值皆列第6位，整體遞增率列第3位，近30 a遞增率退至第5位,原因是其增加幅度低于長沙、南昌和杭州。高溫日數(shù)5項指數(shù)綜合排名武漢排名第6位，武漢高溫日數(shù)指數(shù)在8個城市中居后。8個城市的高溫日數(shù)綜合排名為:重慶、福州與長沙（并列）、杭州、南昌、武漢、合肥、南京。

表3 武漢與重慶、福州、杭州、南昌、長沙、南京、合肥高溫日數(shù)指數(shù)比較分析

武漢的熱夜日數(shù)極大值、整體均值、近30 a均值和近30 a遞增率在8個城市中均排名為末位,其整體遞增率排在第2位，近30 a熱夜日數(shù)遞增率減小了0.06 d/a（表4）。熱夜日數(shù)5項指數(shù)綜合排名武漢列最后一位，其余7城市的熱夜日數(shù)綜合排名為：福州、南昌、杭州、重慶、長沙、合肥、南京。

表4 武漢與重慶、福州、杭州、南昌、長沙、南京、合肥熱夜日數(shù)指數(shù)比較分析

極端最高氣溫、高溫日數(shù)、熱夜日數(shù)三類指數(shù)綜合后，8城市排名為:福州、重慶、杭州、長沙、南昌、合肥、武漢、南京。武漢綜合排名列第7位。近30 a在全球氣候變化的大背景下,武漢極端氣溫指數(shù)總體上呈遞增趨勢，但其增幅低于其他多個城市，其炎熱程度在8個城市中居后，顯示武漢退出了“四大火爐”城市的行列。

3 小結(jié)與討論

（1）武漢市年極端最高氣溫、年高溫日數(shù)、年熱夜日數(shù)時間變化呈波動型，都有階段性上升和下降趨勢。線性擬合顯示,上述極端氣溫指數(shù)總體呈上升趨勢。多項式擬合顯示，年極端最高氣溫在2003年前近18 a、高溫日數(shù)在2005年前近20 a、熱夜日數(shù)在2005年前近31 a呈較明顯上升或增加趨勢，年極端最高氣溫在2003年后、高溫日數(shù)與熱夜日數(shù)在2005年后呈現(xiàn)較明顯的下降趨勢。

（2）武漢市年極端最高氣溫在1986年，年高溫日數(shù)在1957年和1997年，年熱夜日數(shù)在1990年出現(xiàn)了突變，由前期下降趨勢突變?yōu)椴▌有哉w上升趨勢。年極端最高氣溫均值突變后上升了0.4℃，而年高溫日數(shù)兩次突變后均值分別增多61%和54%，年熱夜日數(shù)突變后均值增多78%。

（3）武漢市極端最高氣溫、高溫日數(shù)、熱夜日數(shù)存在長短不同的振蕩周期，極端高溫存在5～6、8～9 a和10～11 a的周期變化，其中10～11 a的周期變化較為顯著。武漢市高溫日數(shù)存在6、8～9 a和15～16 a的周期變化，其中6 a的周期變化較為顯著。武漢市熱夜日數(shù)存在11、14 a和23～24 a的周期變化，以23～24 a的周期變化較為顯著。武漢市年極端氣溫指數(shù)雖然近11 a為下降或遞減趨勢，R/S分析顯示未來仍很可能出現(xiàn)上升或遞增的趨勢。

（4）武漢與重慶、福州、杭州、南昌、長沙、南京、合肥7城市比較分析顯示，武漢年極端最高氣溫和年熱夜日數(shù)指數(shù)綜合排名居末位，年高溫日數(shù)指數(shù)綜合排名居第6位。年極端最高氣溫、年高溫日數(shù)、年熱夜日數(shù)三類指數(shù)整體綜合排名武漢為第7位，其炎熱程度在8城市中居后，顯示武漢退出了“四大火爐”城市的行列。

由于文中選取的極端氣溫指數(shù)的代表性值得做進(jìn)一步研究，數(shù)量上也稍顯單薄。統(tǒng)計結(jié)論的代表性需在深入的研究中進(jìn)行檢驗,建議與其他相關(guān)研究結(jié)合起來參考使用。