仙桃市1958—2020年高溫天氣變化趨勢(shì)分析

彭福強(qiáng) 張祖潛 廖蕾艷潛 廖蕾艷

摘 要：本研究以1958—2020年仙桃市國(guó)家氣象觀測(cè)站測(cè)定的高溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用線性?xún)A向估計(jì)法、Mann-Kendall檢驗(yàn)法等分析方法，分析近63年來(lái)仙桃市高溫天氣的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明，仙桃市年平均最高氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，2003年發(fā)生突變;極端最高氣溫呈現(xiàn)相對(duì)不顯著的上升趨勢(shì)，歷史極端最高氣溫（39.3 ℃）出現(xiàn)在2003年;高溫日數(shù)整體呈先減后增的趨勢(shì)，進(jìn)入21世紀(jì)后，上升趨勢(shì)明顯。

關(guān)鍵詞：仙桃市;高溫;變化趨勢(shì);Mann-Kendall檢驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：P457文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）17-0138-03

Analysis on the Trend of High Temperature Weather in Xiantao

City from 1958 to 2020

PENG Fuqiang ZHANG Zuqian LIAO Leiyan

（Meteorological Bureau of Xiantao City，Xiantao Hubei 433000）

Abstract： Based on the high temperature data measured by the National Meteorological Observatory of Xiantao City from 1958 to 2020， this study uses analysis methods such as linear tendency estimation method and Mann-Kendall test method to analyze the trend of high temperature weather in Xiantao City in the past 63 years. The results showed that the annual average maximum temperature of Xiantao City showed a significant upward trend， and a sudden change occurred in 2003; the extreme maximum temperature showed a relatively insignificant upward trend， the historical extreme maximum temperature （39.3 ℃） appeared in 2003; the number of high-temperature days as a whole showed a trend of first decreasing and then increasing， after entering the 21st century， the rising trend was obvious.

Keywords： Xiantao City;high temperature;trend;Mann-Kendall test

隨著人類(lèi)生產(chǎn)力的發(fā)展，全球變暖問(wèn)題日益嚴(yán)峻。聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的報(bào)告指出，1880—2012年，全球地表溫度大約升高0.85 ℃，1983—2012年是過(guò)去1 400年以來(lái)最熱的30年[1]。丁一匯等研究指出，中國(guó)近100年平均地表氣溫明顯增加，近50年來(lái)，中國(guó)高溫日數(shù)呈現(xiàn)先下降后增加的趨勢(shì)，近20年上升比較明顯[2]。

高溫是湖北省常見(jiàn)的災(zāi)害性天氣之一，會(huì)對(duì)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民身體健康及水電供應(yīng)造成不利影響。賈佳等研究指出，我國(guó)年高溫?zé)崂颂鞖獬掷m(xù)時(shí)間呈上升趨勢(shì)，其中，華中地區(qū)在1997年后增長(zhǎng)最快[3]。靳艷秋等研究指出，1961—2017年，湖北省最高氣溫呈顯著上升趨勢(shì)[4]。仙桃市是湖北省直轄縣級(jí)市，地處江漢平原，是國(guó)家重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地，近年來(lái)，高溫?zé)崂艘殉蔀橛绊懴商沂屑Z食作物產(chǎn)量最主要的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害[5]。同時(shí)，高溫?zé)崂艘彩怯绊懢用窠】底顬橹匾臍庀鬄?zāi)害類(lèi)型之一[6]。目前，有關(guān)仙桃市高溫天氣變化的研究偏少。本文重點(diǎn)研究仙桃市近63年來(lái)高溫天氣變化趨勢(shì)，以期為仙桃市高溫決策服務(wù)及人民生產(chǎn)生活氣象服務(wù)提供更好的保障。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)

采用仙桃市國(guó)家氣象觀測(cè)站（簡(jiǎn)稱(chēng)仙桃站）1958—2020年的氣溫資料，統(tǒng)計(jì)平均最高氣溫、極端最高氣溫、高溫日數(shù)。根據(jù)中國(guó)氣象局發(fā)布的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，日極端高溫≥35 ℃的天氣被稱(chēng)為高溫天氣，因此將日最高氣溫≥35 ℃作為一個(gè)高溫日的判定依據(jù)。

1.2 方法

1.2.1 線性?xún)A向估計(jì)。線性?xún)A向估計(jì)的主要原理如下：用[xi]表示樣本為[n]的某一變量，用[ti]表示[xi]所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，建立[xi]與[ti]之間的一元線性回歸[7]。

式中：[a]為回歸常數(shù);[b]為回歸系數(shù)。

回歸系數(shù)[b]的正負(fù)表示變量[xi]的趨勢(shì)傾向。當(dāng)[b]>0時(shí)，隨著時(shí)間[ti ]的增加，[xi]呈上升趨勢(shì);而當(dāng)[b]<0時(shí)，隨著時(shí)間[ti ]的增加，[xi]呈下降趨勢(shì)。[b]值表示上升或下降的速率，即傾向度。

1.2.2 Mann-Kendall法趨勢(shì)檢驗(yàn)。在Mann-Kendall檢驗(yàn)中，設(shè)時(shí)間序列數(shù)據(jù)（[x1]，[x2]，…，[xn]）是獨(dú)立的隨機(jī)變量同分布的樣本。定義樣本序列變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量[S]為：

式中：[Sgnxi-xj]為符號(hào)函數(shù);[xi]、[xj]表示兩個(gè)不同樣本，[i≠j]，[i]≤[n]，[ j]≤[ n]。

該符號(hào)函數(shù)可以表示為：

[S]為正態(tài)分布，其均值為0，方差[VarS][=nn-1][2n-5/18]。當(dāng)樣本為長(zhǎng)序列（[n]>10）時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布變化趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)量[Z]的計(jì)算公式為：

在雙邊趨勢(shì)檢驗(yàn)中，在給定的顯著性水平[a]下，若|[Z]|≥[Z1-a/2]，即在置信水平[a]上，序列存在明顯的趨勢(shì)變化。

1.2.3 Mann-Kendall法突變檢驗(yàn)。在時(shí)間序列隨機(jī)獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量[UFk]為：

式中：[Sk]為累計(jì)數(shù);[ESk]、[VarSk]是[Sk]的均值和方差。

[UFk]服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，給定顯著性水平[a]，若|[UFk]|>[a]，表明序列存在明顯的趨勢(shì)變化。按逆序列（[k]=[n]，[n]-1，…，1）重復(fù)上述過(guò)程，令[UFk]=-[UBk]（[UBn]=0）。繪制[UFk]和[UBk]曲線，若[UFk]或[UBk]的值大于0，則序列呈上升趨勢(shì)，若[UFk]或[UBk]的值小于0，則呈下降趨勢(shì)。若它們超過(guò)臨界直線，表明變化趨勢(shì)顯著;若曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，則其為突變點(diǎn)。

2 結(jié)果分析

2.1 平均最高氣溫變化趨勢(shì)

分析仙桃站1958—2020年平均最高氣溫?cái)?shù)據(jù)（見(jiàn)圖1）可得，仙桃市平均最高氣溫呈顯著上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.19 ℃/10 a。仙桃市年平均最高氣溫均值為21.2 ℃，年平均最高氣溫的最大值為22.5 ℃（2013年），最小值為19.9 ℃（1989年）。變化區(qū)間主要體現(xiàn)為三次下降-上升過(guò)程，下降區(qū)間為1964—1972年、1979—1984年、2008—2012年;上升區(qū)間為1973—1978年、1985—2007年、2013—2020年。

對(duì)仙桃站平均最高氣溫進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，得[Z]=4.83，因|[Z]|≥2.32，表明仙桃市平均最高氣溫呈顯著的上升趨勢(shì)，通過(guò)了置信度99%的顯著性檢驗(yàn)。如圖2所示，在Mann-Kendall突變檢驗(yàn)中，仙桃市平均最高氣溫在1965—1996年表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，并在1972年通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)（-1.96），在1997年后表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，在2006年通過(guò)了0.05的顯著性檢驗(yàn)（+1.96），突變時(shí)間為2003年。

2.2 極端最高氣溫變化趨勢(shì)

仙桃站1958—2020年極端最高氣溫的最高值為39.3 ℃（2003年），最低為34.7 ℃（1986年）。分析仙桃站極端最高氣溫?cái)?shù)據(jù)可得，仙桃市極端最高氣溫呈上升趨勢(shì)，氣候傾向率為0.12 ℃/10 a。

對(duì)仙桃站極端最高氣溫進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，得[Z]=1.89，因|[Z]|≥1.64，表明仙桃市極端最高氣溫呈較明顯的上升趨勢(shì)，通過(guò)了置信度95%的顯著性檢驗(yàn)。在Mann-Kendall突變檢驗(yàn)中，仙桃市極端最高氣溫在1962—1969年表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，在2000年后表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，但未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)（±1.96），表明極端最高氣溫上升趨勢(shì)不顯著，突變點(diǎn)出現(xiàn)在2000年、2004年和2007年。

2.3 高溫日數(shù)變化趨勢(shì)

仙桃站1958—2020年高溫日數(shù)的均值為13.8 d，有26年高于均值，37年低于均值，最高為35 d（1959年），最低為0 d（1987年和1993年）。仙桃市高溫日主要集中在7—8月，占全部高溫日數(shù)的88.9%;最早出現(xiàn)在5月，最晚出現(xiàn)在10月。

對(duì)仙桃站高溫日數(shù)進(jìn)行Mann-Kendall趨勢(shì)檢驗(yàn)，得[Z]=2.24，又因|[Z]|≥1.64，表明仙桃市高溫日數(shù)呈上升趨勢(shì)，通過(guò)了置信度95%的顯著性檢驗(yàn)。如圖3所示，在Mann-Kendall突變檢驗(yàn)中，仙桃市高溫日數(shù)在1961—2005年表現(xiàn)為弱且不顯著的下降趨勢(shì)，在2006年后表現(xiàn)為上升趨勢(shì)，未通過(guò)0.05的顯著性檢驗(yàn)（±1.96），但較為接近，表明高溫日數(shù)上升趨勢(shì)較為顯著，突變點(diǎn)出現(xiàn)在2008年、2014年和2015年。

3 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)仙桃站1958—2020年的高溫天氣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論。仙桃市平均最高氣溫呈顯著的上升趨勢(shì)，主要突變時(shí)間是2000年左右;極端最高氣溫呈上升趨勢(shì)，但不顯著;高溫日數(shù)呈上升趨勢(shì)且相對(duì)顯著。1965年至20世紀(jì)末，仙桃市高溫天氣出現(xiàn)過(guò)下降趨勢(shì)，但進(jìn)入21世紀(jì)后，高溫天氣呈增長(zhǎng)趨勢(shì)且顯著，出現(xiàn)時(shí)間也在延長(zhǎng)，2019年甚至出現(xiàn)在10月。針對(duì)仙桃市高溫天氣的上升趨勢(shì)，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)高溫天氣的預(yù)報(bào)及預(yù)警發(fā)布，但預(yù)報(bào)極端高溫仍需要根據(jù)天氣實(shí)況進(jìn)行研判。同時(shí)，要大力開(kāi)展高溫天氣的科普活動(dòng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]IPCC.Climate Change 2013：The Physical Science Basis[M].Cambridge：Cambridge University Press，2013：15-16.

[2]丁一匯，任國(guó)玉，石廣玉.氣候變化國(guó)家評(píng)估報(bào)告（Ⅰ）：中國(guó)氣候變化的歷史和未來(lái)趨勢(shì)[J].氣候變化研究進(jìn)展，2007（1）：1-5.

[3]賈佳，胡澤勇.中國(guó)不同等級(jí)高溫?zé)崂说臅r(shí)空分布特征及趨勢(shì)[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2017（5）：546-559.

[4]靳艷秋，任永健，呂桅桅，等.1961—2017年湖北省氣溫變化特征分析[J].湖北氣象，2019（1）：28-33.

[5]張祖潛，廖蕾艷，葉燕平.仙桃市氣候變化及主要農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害分析[J].河南農(nóng)業(yè)，2019（11）：33-35.

[6]陳正洪，楊桂芳，扈海波.氣候變化背景下溫度對(duì)人體健康影響研究進(jìn)展[J].中國(guó)公共衛(wèi)生，2014（10）：1318-1321.

[7]魏鳳英.現(xiàn)代氣候統(tǒng)計(jì)診斷與預(yù)測(cè)技術(shù)[M].北京：氣象出版社，1999：80-81.