1961—2017年四川省夏季高溫變化特征及區(qū)劃分析

甄英 季薇 李傳輝 鄭揚(yáng)

摘要 基于四川省38個氣象站點(diǎn)1961—2017年6—8月逐日氣溫?cái)?shù)據(jù)，分別統(tǒng)計(jì)高溫日數(shù)、一般高溫日數(shù)、重高溫日數(shù)、嚴(yán)重高溫日數(shù)的時(shí)空變化、周期變化和突變性特征，劃分不同高溫等級的影響區(qū)域。結(jié)果表明，近57年來四川省夏季高溫日數(shù)整體呈增加趨勢，其中增加幅度為重高溫日數(shù)>嚴(yán)重高溫日數(shù)>一般高溫日數(shù);受環(huán)流形勢及其所在地形的影響，以松潘—小金—康定—越西—雷波為界，高溫日數(shù)分布明顯呈西部向東部階梯狀遞增的趨勢。M-K檢驗(yàn)表明，四川省高溫日數(shù)分別在1972、1973、1975、2003、2005、2007年發(fā)生突變，2007年以后高溫日數(shù)和強(qiáng)度出現(xiàn)顯著上升，周期為35～57和 25～34年的低頻振蕩明顯，高溫期和低溫期交替出現(xiàn)。高溫區(qū)劃分布與高溫空間分布具有良好的一致性，高溫影響的極高區(qū)位于四川省東部地區(qū)。

關(guān)鍵詞 高溫日數(shù);變化特征;高溫區(qū)劃;M-K檢驗(yàn);Morlet小波變換;四川省

中圖分類號 P-461? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）22-0217-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.22.055

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Variation Characteristics and Regionalization of Summer High Temperature in Sichuan Province during 1961-2017

ZHEN Ying， JI Wei， LI Chuan-hui et al

（School of Geography & Resource Science， Neijiang Normal University， Neijiang，Sichuan 641199）

Abstract Based on the daily temperature data of 38 meteorological stations in Sichuan Province from June to August from 1961 to 2017， the spatio-temporal changes， periodic changes and abrupt characteristics of high temperature days， general high temperature days， heavy high temperature days and severe high temperature days were respectively counted， and the effects of different high temperature levels were divided area. The results showed that in the past 57 years， the number of summer high temperature days in Sichuan Province had shown an overall increasing trend， where the increase range was heavy high temperature days> severe high temperature days> general high temperature days;affected by the circulation situation and its location， with Songpan-Xiaojin-Kangding-Yuexi-Leibo as the boundary， the distribution of high temperature days was obviously increasing in a step-like manner from the west to the east.The M-K test showed that the number of high temperature days in Sichuan had abrupt changes in 197 ?197 ?197 ?200 ?2005 and 2007.After 2007， the number and intensity of high temperature had increased significantly. The low-frequency oscillations with periods of 35-57 and 25-34 years were obvious， and high-temperature periods and low-temperature periods alternately appeared.The division of high temperature zone had good consistency with the spatial distribution of high temperature. The extremely high temperature affected area was located in the eastern part of Sichuan Province.

Key words High temperature days;Variation characteristics;High temperature zoning;M-K test;Morlet wavelet transform;Sichuan Province

IPCC第五次評估報(bào)告指出，1880—2012年全球地表平均氣溫升高了0.85 ℃[1]，高溫天氣近年來席卷全球，2013和2015年夏季北半球和歐洲都出現(xiàn)了不同程度的持續(xù)性高溫天氣[2]。我國在1951—2017年地表平均氣溫每10 年升高0.24 ℃，升溫率高于同期全球平均水平[3-6]。高溫已成為一種較為常見的氣象災(zāi)害，頻發(fā)的高溫事件已給社會發(fā)展、人體健康和生態(tài)環(huán)境帶來了巨大挑戰(zhàn)。

在全球氣候變暖的背景下，高溫問題已被越來越多的學(xué)者關(guān)注。葉殿秀等[7]研究發(fā)現(xiàn)我國的高溫事件頻次、日數(shù)、強(qiáng)度高值區(qū)基本相同，均在江淮、江南大部和四川盆地東部等地。賈佳等[8]通過統(tǒng)計(jì)我國719個基準(zhǔn)站的氣溫?cái)?shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，我國區(qū)域整體平均高溫日數(shù)呈現(xiàn)顯著的先減后增的變化趨勢，且高溫日數(shù)變化趨勢存在顯著的區(qū)域差異，其中西南、華南地區(qū)高溫增速最快。邢佩等[9]通過分析華北地區(qū)85個氣象站逐日最高氣溫資料，發(fā)現(xiàn)華北地區(qū)年高溫日數(shù)整體呈增加趨勢，自20世紀(jì)90年代中期之后年均高溫日數(shù)明顯增多，且高溫多出現(xiàn)在華北地區(qū)的南部和西部。楊涵洧等[10]基于國家氣候中心提供的2 000站逐日地面氣溫資料，分析了長江三角洲地區(qū)夏季高溫時(shí)空演變，發(fā)現(xiàn)2000年后高溫日數(shù)呈明顯增加，以30°～31°N一帶增長最為顯著。劉曉冉等[11]分析了川渝地區(qū)夏季高溫日數(shù)時(shí)間演變特征及其異常年份的環(huán)流形勢，得出川渝地區(qū)高溫日數(shù)在20世紀(jì)50—70年代總體偏多，80年代高溫日數(shù)明顯偏少，90年代以后又有增多趨勢，酷暑年和涼夏年的環(huán)流形勢存在著明顯的差異。

氣候變化背景下，四川地區(qū)升溫明顯，是夏季高溫干旱的重災(zāi)區(qū)之一，2006年四川盆地出現(xiàn)新中國成立以來最為嚴(yán)重的高溫伏旱天氣，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)192.6億元[12]。2011年四川再次遭受嚴(yán)重的高溫干旱災(zāi)害，省內(nèi)多地最高氣溫均突破了有氣象記錄以來歷史極值，2016和2017年連續(xù)2年再次經(jīng)歷了高溫災(zāi)害，這給社會經(jīng)濟(jì)造成了嚴(yán)重影響。由此可見，了解四川省高溫演變機(jī)制對于防災(zāi)減災(zāi)有重要意義，但是目前對此研究卻較少[13-14]，尤其缺乏對高溫影響等級的劃分，因此筆者利用38個氣象站點(diǎn)資料，分析高溫日數(shù)時(shí)空變化特征并進(jìn)行高溫影響的區(qū)劃，研究結(jié)果將有助于進(jìn)一步認(rèn)識高溫變化的區(qū)域性特點(diǎn)，為四川地區(qū)的災(zāi)害防御工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

該研究資料來源于國家氣象中心提供的四川省逐日最高氣溫序列?？紤]到氣溫?cái)?shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性，選取了38個氣象站的1961—2017年6—8月資料進(jìn)行分析。

1.2 研究方法

1.2.1 Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)。

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗(yàn)（簡稱M-K檢驗(yàn)法）是一種廣泛應(yīng)用于氣溫、降水、徑流等水文現(xiàn)象的非參數(shù)統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)方法[15]。M-K檢驗(yàn)法能很好地揭示時(shí)間序列的趨勢變化及突變特征[16-17]。在時(shí)間序列為隨機(jī)的假設(shè)下，定義統(tǒng)計(jì)量[18]：

對于具有n個樣本的時(shí)間序列x，構(gòu)造一秩序列：

Sk=ni=1ri（k=? …，n）（1）

其中，ri=1Xi>Xj0其他（j=? …，n）

在時(shí)間序列獨(dú)立的假定下，定義統(tǒng)計(jì)量：

UFk=Sk-E（Sk）Var（Sk）（k=? …，n）（2）

E（Sk）=n（n+1）4

Var（Sk）=n（n-1）（2n+5）72

再按時(shí)間序列X的逆序重復(fù)上述過程，并且令UB1=0，UBk=UFk（k=n，n- …， 1）。

一般取顯著性水平α=0.0 那么臨界值U0.05=±1.96[18]。將UFk和UBk兩序列曲線和±1.96這2條直線均繪在一張圖上。若UFk和UBk的值大于0，則表明序列呈上升趨勢，小于0則表明呈下降趨勢。當(dāng)它們超過臨界直線時(shí)，表明上升或下降趨勢顯著，超過臨界線的范圍確定為出現(xiàn)突變的時(shí)間區(qū)域。如果UFk和UBk這2條曲線出現(xiàn)交點(diǎn)，且交點(diǎn)在臨界線之間，那么交點(diǎn)對應(yīng)的時(shí)刻便是突變開始的時(shí)間[18]。

1.2.2 小波變換。

對于給定的小波函數(shù)ψ（t），離散水文時(shí)間序列為f（kΔt）（k=? …，N;Δt為取樣時(shí)間間隔）的離散小波變換為[19]：

Wf（a，b）=|a|-12ΔtNk=1f（kΔt）（kΔt-ba）（3）

其中，Wf（a，b）為小波變換系數(shù);a為尺度因子;b為時(shí)間因子;（t）為小波函數(shù)ψ（t）的復(fù)共軛函數(shù)。該研究選用Morlet小波函數(shù)ψ（t）=eiω0tel2 其中ω0≥5為常數(shù)，取ω0=6。

1.2.3 高溫等級區(qū)劃。

高溫天氣分析通常以日最高氣溫≥35 ℃作為夏季炎熱程度的指標(biāo)[20]。該研究根據(jù)研究區(qū)近57年逐日最高溫度資料，以歷年日最高氣溫≥35 ℃稱為高溫日，其中，35 ℃≤日最高氣溫<37 ℃稱為一般高溫日，37 ℃≤日最高氣溫<40 ℃稱為重高溫日，日最高氣溫≥40 ℃稱為嚴(yán)重高溫日[21]。

該研究參照李娜等[22]的高溫影響等級劃分方法，對四川省進(jìn)行高溫區(qū)劃（表1）。定義溫度強(qiáng)度等級Qi（i=? 3），Q1等級為溫度[35 ℃，37 ℃）、Q2等級溫度在[37 ℃，40 ℃）、Q3等級溫度≥40 ℃，即Q1=1、Q2=2、Q3=3;高溫日數(shù)記為Tj（其中j=? 3），綜合考慮高溫強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間，構(gòu)建高溫區(qū)劃公式（4）：

F=3i=1Qi×3j=1Tj（4）

式中，F(xiàn)表示高溫影響等級。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算多年平均高溫影響等級M值，見公式（5）：

M=nk=1Fkn（5）

式中，F(xiàn)k為第k年的高溫影響等級，n為高溫?cái)?shù)據(jù)序列數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫天氣年代際分布特征

夏季高溫天氣往往導(dǎo)致干旱或是干旱加重，為此統(tǒng)計(jì)了日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)，其中8月出現(xiàn)日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)占夏季總高溫日數(shù)的50.51%，其次7月為40.08%，6月為9.41%。

為分析四川省夏季高溫日數(shù)長期變化趨勢，進(jìn)一步通過線性趨勢分析57年來日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)變化。從圖2可以看出，日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)整體以21.54 d/10 a的速率呈上升趨勢，2006年夏季高溫日數(shù)最多，高達(dá)496 d;從年代際來看，夏季日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)經(jīng)歷了20世紀(jì)60—70年代增多、70—80年代減少、1991—2017年持續(xù)增多。一般高溫日數(shù)整體以1.68 d/10 a的速率呈上升趨勢，1961和2013年夏季一般高溫日數(shù)最多，出現(xiàn)55 d;從年代際來看，一般高溫日數(shù)經(jīng)歷了20世紀(jì)60—70年代減少、1981—2017年整體增多的趨勢。重高溫日數(shù)57年來整體以10.57 d/10 a的速率呈上升趨勢，2006年夏季重高溫日數(shù)最多，高達(dá)195 d;從年代際來看，20世紀(jì)60—80年代減少、1991—2017年增多，2000年開始重高溫日數(shù)增多顯著。嚴(yán)重高溫日整體以9.28 d/10 a的速率呈上升趨勢，2006年夏季高溫時(shí)間最多，高達(dá)251 d;從年代際來看，夏季嚴(yán)重高溫日數(shù)經(jīng)歷了20世紀(jì)60—70年代增多、80年代減少，從90年代開始到2017年增多，特別是2010年后嚴(yán)重高溫日數(shù)增多顯著。

2.2 高溫天氣空間分布特征

從圖3a可以看出，1961—2017年四川省夏季日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)分布明顯呈東部向西部階梯狀遞減的趨勢;以松潘—小金—康定—越西—雷波為界，東部地區(qū)明顯高于西部地區(qū);東部地區(qū)有2個明顯高值區(qū)，分別位于東部的達(dá)州（1 292 d）和東南部的敘永（1 255 d）;西部地區(qū)高溫日數(shù)整體偏少，但巴塘相對偏多（85 d），這一結(jié)果與川渝地區(qū)[23]以及西南地區(qū)[24]夏季高溫日數(shù)的研究結(jié)論一致。一般高溫日數(shù)（圖3b）與高溫日數(shù)（圖3a）分布一致，均以松潘—小金—康定—越西—雷波為界，高值中心在東部達(dá)州（905 d）;西部巴塘地區(qū)也較為突出（76 d）。重高溫日數(shù)（圖3c）和嚴(yán)重高溫日數(shù)（圖3d）的分布范圍進(jìn)一步縮小，分別以松潘—綿陽—成都—樂山—雷波和綿陽—閬中—遂寧—樂山—雷波為界，高值中心均轉(zhuǎn)移到東南部的敘永，分別出現(xiàn)496和89 d。

總體來看，四川夏季高溫日數(shù)的分布特征與環(huán)流形勢及其所在的地形高度有密切關(guān)系。四川地勢西高東低，由西北向東南傾斜，以龍門山—大涼山一線為界，東部為四川盆地及盆緣山地，海拔較低，多盆地丘陵且右邊是多河谷地帶的重慶，高溫日數(shù)較多，再加之該地區(qū)夏季受副熱帶高壓控制，盛行下沉氣流，干旱少雨，高溫日數(shù)更為突出;西部為川西高山高原及川西南山地，屬于青藏高原東部橫斷山脈的一部分，有岷山、巴顏喀拉山、沙魯里山等主要山脈，海拔較高，氣溫較低，該地區(qū)夏季受高原季風(fēng)影響且又位于西太平洋副高邊緣，降水偏多，高溫日數(shù)較少。

2.3 突變與周期性變化

氣候突變是氣候系統(tǒng)中重要現(xiàn)象之一，是指氣候從一種穩(wěn)定態(tài)跳躍式轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定態(tài)的現(xiàn)象[25]?；贛-K檢驗(yàn)方法（圖4a），57年內(nèi)四川省夏季高溫日數(shù)UF曲線整體先降后升，UF曲線值從2009年開始均大于0，表明四川省高溫日數(shù)呈上升趨勢，進(jìn)一步觀察UF和UB曲線在±1.96臨界值間有6個突變點(diǎn)，分別為1972、1973、1975、2003、2005、2007年，則表明高溫日數(shù)數(shù)列在這些年份發(fā)生了突變。

對四川省夏季高溫日數(shù)數(shù)列標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行Morlet小波變換，繪出小波變換圖（圖4b）。Morlet小波變換圖可反映出數(shù)列不同時(shí)間尺度變化位相結(jié)構(gòu)和突變線分布：小波系數(shù)零等值線對應(yīng)于突變線，正的等值線（實(shí)線）表示高溫日數(shù)偏多，氣溫偏高;負(fù)的等值線（虛線）表示高溫日數(shù)偏少，氣溫偏低。由圖4b可知，研究區(qū)高溫?cái)?shù)列具有多時(shí)間尺度的變化特征，其中周期為35～57年的低頻振蕩在研究時(shí)段內(nèi)出現(xiàn)了2條突變線，第1條位于1969—1979年，第2條出現(xiàn)在1995—1998年，表明20世紀(jì)60、70年代及21世紀(jì)以來為高溫期、80年代為低溫時(shí)期;周期為25～34年的低頻振蕩中出現(xiàn)了4條突變線，分別出現(xiàn)在1961—1963、1978、1999和2017年，說明1963—1978、1999—2016年為高溫時(shí)期，1961—1963、2017年為低溫時(shí)期。周期小于25年的高頻振蕩的位相結(jié)構(gòu)和突變線分布更復(fù)雜，以突變線為分界線，高溫期與低溫期交替出現(xiàn)。

2.4 高溫天氣分區(qū)特征

利用四川省38個氣象站1961—2017年6—8月高溫資料，計(jì)算得出各站平均高溫影響等級M值，對四川進(jìn)行高溫區(qū)劃（圖5）。高溫影響等級M值越大，表示該站歷史上高溫對其影響程度也越大。由圖5可知，高溫區(qū)劃分布與前文得出的高溫空間分布具有良好的一致性，高溫影響從西向東呈遞增趨勢。整體以松潘—成都—峨眉山—雷波為界，西部為低影響區(qū)，綿陽—樂山一帶為較低影響區(qū)，閬中—宜賓一帶為中影響區(qū)，巴中—遂寧一帶為較高影響區(qū)，南充地區(qū)為主要的高影響區(qū)，高溫影響的極高區(qū)位于東部達(dá)州和敘永兩地。

對比分析高溫區(qū)劃分布與前文得出的高溫空間分布，不難發(fā)現(xiàn)兩者具有良好的區(qū)域分布一致性。高溫影響越大的區(qū)域高溫日數(shù)也越多，且高溫日數(shù)呈增加趨勢，表明高溫對區(qū)域的影響也將持續(xù)。

3 結(jié)論

利用對四川省38個氣象站點(diǎn)1961—2017年夏季日氣溫?cái)?shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析了高溫日數(shù)變化的時(shí)空特征、周期性和突變性特征，并根據(jù)高溫影響等級進(jìn)行了區(qū)劃，得到如下結(jié)論：

（1）1961—2017年四川省8月出現(xiàn)日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)占夏季總高溫日數(shù)的50.51%，7月為40.08%，6月為9.41%。夏季高溫日數(shù)整體呈增加趨勢，其中溫度增加幅度重高溫日數(shù)>嚴(yán)重高溫日數(shù)>一般高溫日數(shù)。

（2）由于四川省地勢西高東低，使得四川省夏季日最高氣溫≥35 ℃的高溫日數(shù)分布明顯呈西部向東部階梯狀遞增的趨勢。再加之東部地區(qū)夏季受副熱帶高壓控制，盛行下沉氣流，干旱少雨，高溫日數(shù)更為突出。

（3）M-K檢驗(yàn)中UF曲線值從2009年開始均大于0，四川省高溫日數(shù)呈上升趨勢，分別在1972、1973、1975、2003、2005、2007年發(fā)生了突變。研究區(qū)高溫?cái)?shù)列具有包括周期為35～57、25～34年的低頻振蕩和小于25年的高頻振蕩的多時(shí)間尺度的變化特征。

（4）高溫區(qū)劃分布與高溫空間分布具有良好的一致性，高溫影響從西向東仍呈遞增趨勢。以松潘—成都—峨眉山—雷波為界，西部為低影響區(qū)，高溫影響的極高區(qū)位于東部達(dá)州和敘永兩地。

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