韶關(guān)市1965—2019 年高影響天氣變化特征分析

郭永婷 ，李曹明

（1.韶關(guān)市氣象局，廣東 韶關(guān) 512000；2.仁化縣氣象局，廣東 仁化 512300）

高影響天氣事件是指高影響天氣對社會、經(jīng)濟和環(huán)境產(chǎn)生重大影響的天氣現(xiàn)象與事件[1].高影響天氣事件的發(fā)生是小概率事件，但風(fēng)險很高，尤其對市政、交通、電力、通訊等城市生命線和人民生活質(zhì)量有直接影響[1-2].現(xiàn)有的國內(nèi)研究成果針對高影響天氣的發(fā)生發(fā)展特征做了分析，如席凱鵬等研究發(fā)現(xiàn)在霜凍發(fā)生年小麥穗粒數(shù)和經(jīng)濟系數(shù)顯著降低并減產(chǎn)6.8%～8.2%[3]；何遠發(fā)現(xiàn)低溫天氣對于水稻育苗的生長，特別是在幼苗時期具有重要的影響[4]；陳勝東等研究發(fā)現(xiàn)雷暴、閃電、降水、霧及結(jié)冰是瑞金機場高影響天氣[5]；于芳健等研究了朝陽地區(qū)冰雹、短時暴雨和雷雨大風(fēng)3 類高影響天氣，發(fā)現(xiàn)3 類天氣主要集中時段均為午后至傍晚，日變化特征明顯[6]；彭京備等指出高溫酷熱天氣影響人們?nèi)粘Ｉ?，?dǎo)致需水量和用電量增加，并會加重旱情發(fā)展，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來很大危害[7]；還有其他學(xué)者也對高影響天氣的風(fēng)廓線雷達、影響因子建模等其他方面進行了深入研究[8-9].

筆者分析韶關(guān)市1965—2019 年國家氣象站資料，篩選出本地高影響天氣氣候事件，并對各類高影響天氣變化特征進行分析，供政府部門及農(nóng)業(yè)、交通、電力等相關(guān)部門參考，為制定防災(zāi)對策和經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提供參考[10].

1 資料與方法

筆者選取廣東省韶關(guān)市8 個國家氣象站中1965—2019 年逐日最高氣溫、最低氣溫與降水量以及霜（冰）凍日數(shù)的數(shù)據(jù)，并對這8 個氣象站的均值進行分析.霜（冰）凍日數(shù)指國家氣象站觀測員人工觀測到站內(nèi)有霜（冰）凍的日數(shù)；高溫日數(shù)指日最高氣溫≥35 ℃的日數(shù)；低溫日數(shù)指日最低氣溫≤5 ℃的日數(shù)；暴雨日數(shù)指日雨量≥50.0 mm 的日數(shù)；降雨日數(shù)指日雨量≥0.1 mm 的日數(shù).

對于1965—2019 年韶關(guān)市5 類高影響天氣，首先利用線性趨勢法對高影響天氣的年代際和年際變化趨勢進行了分析[11]；然后利用Mann-Kendall 方法作突變檢驗[12]；最后應(yīng)用Morlet 小波分析進行周期分析[13].

Morlet 小波由正玄和余弦波的振幅被高斯函數(shù)調(diào)節(jié)產(chǎn)生，是應(yīng)用于數(shù)學(xué)和工程學(xué)科的強有力統(tǒng)計工具，在各種氣象因子、水文過程、以及生態(tài)系統(tǒng)與大氣之間的物質(zhì)交換過程中可看作隨時間有周期性變化的信號[14-15].

2 高影響天氣演變特征

2.1 年代際變化

1965—2019 年韶關(guān)市霜（冰）凍日數(shù)、高溫日數(shù)、低溫日數(shù)、暴雨日數(shù)和降雨日數(shù)年代際變化見表1.霜（冰）凍日數(shù)除了在20 世紀70 年代有減少趨勢之外，其他年代均處于增多趨勢中，其中20 世紀80年代有顯著增多的趨勢.高溫日數(shù)除了在20 世紀60 年代略有減少趨勢之外，其他年代均處于增多趨勢中，21 世紀00—10 年代呈顯著增多的趨勢.低溫日數(shù)在20 世紀60 年代和21 世紀00 年代略有增多趨勢，其他年代為減少趨勢，其中21 世紀10 年代減少趨勢顯著；暴雨日數(shù)年代際變化不顯著，除20 世紀90 和21 世紀10 年代略有增加趨勢外，其余年代為減少趨勢.降雨日數(shù)在20 世紀80 年代有顯著增多的趨勢；20 世紀60 年代有較明顯的減少趨勢；20 世紀70、20 世紀90 年代和21 世紀00—10 年代則變化不大.

表1 韶關(guān)市1965—2019 年各年代高影響天氣日數(shù)傾向率和相關(guān)系數(shù)

2.2 年際變化

韶關(guān)市1965—2019 年多年平均霜（冰）凍日數(shù)為3.04 d，年霜（冰）凍日數(shù)以0.23 d/10a 的傾向率減少，趨勢系數(shù)0.39 沒有通過0.05 的顯著性水平檢驗（見圖2）.多年平均高溫日數(shù)為25.97 d，年高溫日數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢，以3.25 d/10a 的傾向率顯著性增多，且趨勢系數(shù)0.58 通過0.05 的顯著性水平檢驗.多年平均低溫日數(shù)為39.33 d，年低溫日數(shù)呈現(xiàn)減少趨勢，以2.2 d/10a 的傾向率減少，趨勢系數(shù)0.36 沒有通過0.05 的顯著性水平檢驗.總體來看，韶關(guān)地區(qū)霜（冰）凍日數(shù)、低溫日數(shù)在逐年減少，高溫日數(shù)逐年快速增加，這與全球溫室效應(yīng)密切相關(guān).

圖2 韶關(guān)市1965—2019 年高影響天氣日數(shù)年際變化及線性趨勢

多年平均暴雨日數(shù)為5.29 d，年暴雨日數(shù)呈現(xiàn)增多趨勢，以0.22 d/10a 的傾向率增多，趨勢系數(shù)0.22沒有通過0.05 的顯著性水平檢驗.多年平均降雨日數(shù)為164.1 d，以3.17 d/10a 的傾向率減少，相關(guān)系數(shù)0.32 沒有通過0.05 的顯著性水平檢驗.從暴雨日和降雨日數(shù)變化來看，在降雨日數(shù)逐年減少的前提下，暴雨日數(shù)卻有增加的趨勢，說明韶關(guān)地區(qū)降水在總體減少的情況下，暴雨量級的極端性強降水事件趨于頻發(fā).綜上，在全球增暖大背景下，大范圍氣候災(zāi)害和突發(fā)性強烈天氣災(zāi)害有更為頻發(fā)的可能.

2.3 月際變化

分析月際變化數(shù)據(jù)可知，1965—2019 年韶關(guān)市霜（冰）凍、低溫天氣都僅在1—3 月和11—12 月出現(xiàn)，其中霜（冰）凍日數(shù)1 月和12 月最多，均有0.9 d，低溫日數(shù)1 月最多，達11 d（見圖3）.高溫日數(shù)僅出現(xiàn)在5—10 月，其中7 月最多，達10.6 d，8 月高溫日數(shù)排第二，為9.3 d.暴雨和降雨日數(shù)全年各月均有出現(xiàn)，其中暴雨最多出現(xiàn)在5、6 月，均有1.2 d；而降雨日數(shù)全年各月均達到7 d 以上，其中3—6 月最頻繁，均超過18 d.

圖3 韶關(guān)市1965—2019 年高影響天氣日數(shù)月際變化

從季節(jié)來看，霜（冰）凍和低溫天氣出現(xiàn)在冬季和春季，高溫天氣出現(xiàn)在夏季，與南方四季氣溫變化相符.雨天和暴雨天氣全年均可出現(xiàn)，雨天在冬、春、夏季出現(xiàn)頻率高，秋季出現(xiàn)頻率低，與秋季干燥、天氣穩(wěn)定的氣候特點相符，而暴雨在春、夏季較頻發(fā)，與春、夏季弱冷空氣和低緯度槽脊活躍等天氣系統(tǒng)有關(guān).

2.4 突變特征

對1965—2019 年韶關(guān)市霜（冰）凍日數(shù)、高溫日數(shù)、低溫日數(shù)、暴雨日數(shù)和降雨日數(shù)進行Mann-Kendall 突變分析（見圖4）.圖4 中實線代表UF 值，虛線代表UB 值，若UF 或UB 的值大于0，則表示日數(shù)變化趨勢呈增加特征，反之表示呈減少特征；本文設(shè)定閾值水平為1.96，空心線為閾值線，當UF 或UB 超過臨界直線變化趨勢檢驗值，說明局部變化趨勢顯著；UF 和UB 曲線的焦點表示突變點.

韶關(guān)市霜（冰）凍日數(shù)（圖4（a））UF 曲線在1970 年以后小于0，且1979 年以后UF 線曲線超過0.05趨勢線，表明韶關(guān)市霜（冰）凍日數(shù)從20 世紀70 年代初期以后有減少趨勢，且在20 世紀70 年代末至今，減少趨勢十分顯著；UF 與UB 交叉點位于1966、1967 年并處于臨界線內(nèi)，可判斷韶關(guān)市年霜（冰）凍日數(shù)在1966、1967 年發(fā)生突變.

韶關(guān)市高溫日數(shù)（圖4（b））UF 曲線在1971—1980 年、1996—1997 年小于0，表明高溫日數(shù)此時段內(nèi)有減少趨勢；1965—1971 年、1983—1996、2000 年至今UF 曲線大于0，表明高溫日數(shù)這幾個時段內(nèi)有增多趨勢.2009 年以后UF 線曲線超過0.05 趨勢線，表明21 世紀00 年代末至今，韶關(guān)市高溫日數(shù)呈顯著增多趨勢.UF 與UB 交叉點位于2006 年并處于臨界線內(nèi)，可判斷韶關(guān)市年高溫日數(shù)在2006 年發(fā)生突變.

韶關(guān)市低溫日數(shù)（見圖4（c））UF 曲線多小于0，僅在部分年份大于0 ，所以韶關(guān)市低溫日數(shù)整體呈減少趨勢.UF 曲線在1989 年以后穩(wěn)定地小于0，表明低溫日數(shù)20 世紀80 年代末以后呈減少趨勢.UF 線在1998 年以后大致超過0.05 趨勢線，表明20 世紀90 年代末低溫日數(shù)呈顯著性減少趨勢；UF 與UB 交叉點位于1989 年并處于臨界線內(nèi)，可判斷韶關(guān)市年低溫日數(shù)在1989 年發(fā)生突變.

韶關(guān)市暴雨日數(shù)（圖4（d））UF 曲線多大于0，僅在個別年份小于0 ，所以韶關(guān)市暴雨日數(shù)整體呈增多趨勢.但UF 和UB 曲線多次出現(xiàn)交叉點，說明從暴雨日數(shù)長期變化來看，它們的增加趨勢更多地表現(xiàn)出明顯的漸變特征，而不是突變特征，這與伍紅雨分析華南暴雨的氣候特征及變化的結(jié)論一致[16].

韶關(guān)市降雨日數(shù)（圖4（e））UF 曲線在1972—1987 年大于0，表明降雨日數(shù)在此時段內(nèi)有增加趨勢；1965—1970 年和1988 年至今UF 曲線小于0，表明降雨日數(shù)這幾個時段內(nèi)有減少趨勢，且2007 年以后UF線曲線超過0.05 趨勢線，表明21 世紀00 年代后期至今，韶關(guān)市降雨日數(shù)減少趨勢十分顯著. UF 與UB 交叉點位于1994 年并處于臨界線內(nèi)，可判斷韶關(guān)市年降雨日數(shù)在1994 年發(fā)生突變.

圖4 韶關(guān)市1965—2019 年高影響天氣日數(shù)M-K 檢驗統(tǒng)計量

3 周期變化

通過Morlet 小波對霜（冰）凍日數(shù)、高溫日數(shù)、低溫日數(shù)、暴雨日數(shù)和降雨日數(shù)的氣象因子分析發(fā)現(xiàn)，各要素周期震蕩頻率低，以周期短為主，其中霜（冰）凍日數(shù)1993 年前后存在1～4 年顯著性周期震蕩（見圖5（a））；高溫日數(shù)在2000 年前后、2010 年前后存在1～2 年較弱周期震蕩（圖5（b））；低溫日數(shù)在1972 年前后、2019 年前后存在1～2 年顯著性周期震蕩（圖5（c））；暴雨日數(shù)在20 世紀80 年代存在8～12年顯著性周期震蕩，2011 年后存在2～4 年周期震蕩（圖5（d））；降雨日數(shù)在20 世紀70 年代存在1～3 年顯著性周期震蕩，1995 年前后、2010 年前后分別存在4 年、1～2 年周期震蕩（見圖5（e））.

圖5 韶關(guān)市1965—2019 年高影響天氣日數(shù)連續(xù)小波變換功率譜

4 結(jié)論

隨著時間推移，韶關(guān)整體氣溫呈現(xiàn)升高趨勢，主要表現(xiàn)在霜（冰）凍日數(shù)和低溫日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，高溫日數(shù)呈現(xiàn)明顯增多趨勢；韶關(guān)暴雨及暴雨日數(shù)變化趨勢總體平穩(wěn)，但近幾年突發(fā)性、極端性暴雨頻發(fā)；霜（冰）凍日數(shù)、高溫日數(shù)、低溫日數(shù)、降雨日數(shù)分別在1966—1967 年、2006 年、1989 年、1994 年發(fā)生突變；通過Morlet 小波對霜（冰）凍日數(shù)、高溫日數(shù)、低溫日數(shù)、暴雨日數(shù)和降雨日數(shù)的氣象因子分析發(fā)現(xiàn)，各要素周期震蕩頻率低，以周期短為主.