粵港澳大灣區(qū)極端氣候時(shí)空演變及其驅(qū)動因子研究

郭 珊，張大偉，王亞迪

(廣州珠科院工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州 510611)

全球氣候變暖背景下，極端氣候時(shí)間頻率增加，強(qiáng)度加大，持續(xù)時(shí)間延長，影響范圍不斷擴(kuò)大[1-4]。全球增暖情況下，極端氣溫事件強(qiáng)度變化與全球增暖幅度呈正比，極端高溫發(fā)生頻次則與其呈非線性增長。全球每增溫1℃，極端日降水事件的強(qiáng)度將增強(qiáng)7%；全球升溫2℃時(shí)，100年一遇強(qiáng)降水時(shí)間發(fā)生頻率增加45%以上[5]。水文循環(huán)過程速度增加，造成水資源時(shí)空分布更為不均衡，極端氣候時(shí)間時(shí)空格局發(fā)生變化[6]。極端氣候事件的頻繁發(fā)生，對社會可持續(xù)發(fā)展、人類生命健康、生態(tài)系統(tǒng)安全等方面造成不可逆轉(zhuǎn)的嚴(yán)重破壞。1997—2016年期間，極端氣候事件造成全球52.4萬人喪生，3.16萬億美元的經(jīng)濟(jì)損失[7]。對于中國而言，氣象災(zāi)害損失占災(zāi)害經(jīng)濟(jì)損失的70%，而氣象災(zāi)害中約80%是由于極端氣候引起的[8]。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對極端氣候進(jìn)行了廣泛研究。Westra S等[9]根據(jù)全球8 326個(gè)陸基觀測站降水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2/3觀測站的1日最大降水量(RX1day)呈現(xiàn)增加趨勢。在過去50～100年間，中緯度地區(qū)強(qiáng)降水事件發(fā)生頻率普遍增加，特別是北美地區(qū)[10]。在意大利摩德納地區(qū)，極端降水事件的強(qiáng)度、頻率和持續(xù)時(shí)間均呈現(xiàn)出上升趨勢[11]。伊朗大部分地區(qū)的極端降水值、降水強(qiáng)度和降水頻率均呈現(xiàn)顯著上升趨勢[12]。根據(jù)中國693個(gè)陸基觀測站降水資料，1961—2016年期間，68%的觀測站極端降水量和日數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢，并集中在西部和東南沿海地區(qū)[13]。根據(jù)郎咸梅等[14]預(yù)測，在全球升溫2℃背景下，中國大部分地區(qū)5日最大降水量平均增加5.1 mm；強(qiáng)降水對總降水量的貢獻(xiàn)率增加值為6.6%。珠江流域強(qiáng)降水日數(shù)和降水相對指數(shù)增加，南盤江、北盤江流域連續(xù)濕潤日數(shù)(CDD)增加最顯著；東江流域特強(qiáng)降水量(R99p)增加最為明顯[15]。長江中下游極端降水量和極端降水強(qiáng)度均有所增加，高值主要分布在鄱陽湖流域，低值主要分布在漢江流域[16]。

Alexander等[17]研究結(jié)果顯示，全球超過70%的陸地極端高溫、極端低溫、暖夜日數(shù)增加，而冷夜日數(shù)減少。根據(jù)Sillmann等[18]模擬結(jié)果，全球極端氣溫事件發(fā)生的頻率和強(qiáng)度將會增加。對于整個(gè)南美洲，極端高溫、極端低溫、暖晝?nèi)諗?shù)、暖夜日數(shù)均呈現(xiàn)增加趨勢，而冷晝?nèi)諗?shù)、冷夜日數(shù)則呈現(xiàn)減少趨勢[19]。中亞地區(qū)極端高溫、極端低溫和平均日溫差均呈現(xiàn)增加趨勢，氣候傾斜率分別為0.36、0.19、0.16℃/10a[20]。章大全等[21]的研究結(jié)果表明，中國極端高溫發(fā)生頻率趨于增加，而極端低溫發(fā)生頻率則趨于降低。中國長江沿岸和長三角地區(qū)極端高溫增加趨勢最為顯著，珠三角城市群、長三角和京津冀地區(qū)極端低溫增加趨勢最為顯著[22]。黃土高原地區(qū)極端高溫為增加趨勢，其中部地區(qū)溫度最高；極端低溫為增加趨勢，朔州北部和門源地區(qū)溫度最低[23]。中國東部極端高溫事件強(qiáng)度主要為增加趨勢，黃淮地區(qū)除外，影響指數(shù)同樣呈現(xiàn)增強(qiáng)趨勢；極端低溫事件強(qiáng)度和影響指數(shù)均為下降趨勢[24]。各研究成果表明，頻繁發(fā)生的極端氣候事件對人類生活、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，但不同地區(qū)，其影響的方式、強(qiáng)度及穩(wěn)定性不同，表現(xiàn)出明顯的區(qū)域性差異。

粵港澳大灣區(qū)位于歐亞大陸南端，瀕鄰南海，處于對氣候變化敏感的南海季風(fēng)區(qū)，也屬于低緯度氣候系統(tǒng)脆弱區(qū)，其獨(dú)特的地理優(yōu)勢與氣候風(fēng)險(xiǎn)并存。近60年來，大灣區(qū)氣候呈現(xiàn)暖濕化趨勢，面臨短歷時(shí)降水強(qiáng)度大、登陸臺風(fēng)強(qiáng)度大、海平面上升明顯等影響，氣象災(zāi)情重、氣候風(fēng)險(xiǎn)大。面對防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)和氣候變化適應(yīng)的需求，有必要加強(qiáng)對極端氣候變化的重視，科學(xué)規(guī)劃應(yīng)對策略，減輕極端氣候引發(fā)的各項(xiàng)災(zāi)害。本文以1961—2016年降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究粵港澳大灣區(qū)極端氣候的時(shí)空分布和變化情況，分析極端氣候時(shí)空分布的平穩(wěn)性、趨勢性及分布變化特點(diǎn)，了解極端氣候的過程特征和演變規(guī)律，并探討驅(qū)動因子對研究區(qū)域極端氣候可能產(chǎn)生的影響。通過對極端氣候的變化規(guī)律和驅(qū)動力探究，從而提高對粵港澳大灣區(qū)極端氣候事件的預(yù)測能力，為防災(zāi)減災(zāi)，構(gòu)建韌性城市，推進(jìn)粵港澳大灣區(qū)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)和決策支撐。

1 研究區(qū)域與資料

1.1 研究區(qū)域

粵港澳大灣區(qū)(GBA，Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area)地處中國華南沿海地區(qū)，位于111°21′～114°53′E，21°28′～ 24°29′N，見圖1。大灣區(qū)主要包括香港、澳門、廣州、深圳及其他7座城市，總面積5.6萬km2，是中國最開放、經(jīng)濟(jì)活力最強(qiáng)的地區(qū)之一，在國家發(fā)展戰(zhàn)略中具有不可替代的重要地位。大灣區(qū)位于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，大陸性季風(fēng)和海洋性季風(fēng)影響下，氣候復(fù)雜多變。大灣區(qū)降水充沛，年降水量均值約為1 929.8 mm[25]；全年溫暖，年均氣溫22℃[26]；年平均日照時(shí)數(shù)1 500～2 300 h[27]。

圖1 粵港澳大灣區(qū)地理位置

1.2 研究資料

本文采用的日降水、日氣溫?cái)?shù)據(jù)，時(shí)間序列為1961—2016年，數(shù)據(jù)源自中國氣象數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)(http://data.cma.cn)。國家氣象信息中心根據(jù)中國地面2 472站降水、氣溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行匯編，所有數(shù)據(jù)均以0.5°×0.5°的水平分辨率進(jìn)行網(wǎng)格化，然后使用薄板樣條(TPS)進(jìn)行空間插值，交叉驗(yàn)證和誤差分析表明數(shù)據(jù)是高質(zhì)量的。

大尺度氣候因子主要包括太陽黑子、多元ENSO指數(shù)(MEI)和太平洋年代際振蕩(PDO)。其中，太陽黑子數(shù)據(jù)可以從比利時(shí)皇家天文臺世界數(shù)據(jù)中心(https://wwwbis.sidc.be/silso/datafiles)下載；MEI數(shù)據(jù)可以從http://www.esrl.noaa.gov/psd/enso/mei/table.html下載；PDO數(shù)據(jù)來自東京氣候中心(http://ds.data.jma.go.jp/tcc/tcc/products/elnino/decadal/annpdo.txt)。

2 研究方法

2.1 極端氣候指標(biāo)

在世界氣象組織(WMO)和氣候變化檢測指標(biāo)專家組(ETCCDI)推薦的27項(xiàng)極端氣候指標(biāo)中，本文選用8項(xiàng)極端降水指標(biāo)和6項(xiàng)極端氣溫指數(shù)對研究區(qū)極端氣候進(jìn)行研究。極端氣候指數(shù)的計(jì)算采用RClimDex1.0軟件( http://www.pcic.uvic.ca/tools-and-data/climdex) 。其中，極端降水指標(biāo)包括降水量(PRCPTOT)、降水強(qiáng)度(SDII)、干燥指數(shù)(CDD)、濕潤指數(shù)(CWD)、1日最大降水量(RX1day)、5日最大降水量(RX5day)、強(qiáng)降水量(R95p)和極強(qiáng)降水量(R99p)，指數(shù)定義見表1。

表1 極端降水指數(shù)定義

極端氣溫指標(biāo)包括平均日較差(DTR)、日最高氣溫極大值(TXx)、日最低氣溫極小值(TXn)、夏季日數(shù)(SU25)、暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)和暖夜日數(shù)(TN90p)，指數(shù)定義及描述見表2。

表2 極端氣溫指數(shù)定義

2.2 啟發(fā)式分割法

目前，在氣候變化研究中，檢測序列變異的方法有很多種，包括秩和測試、滑動t/F 測試、MK檢測等。在滑動t檢驗(yàn)的基礎(chǔ)上，Bernaola-Galvan和Ivannov[28]提出了啟發(fā)式分割方法，將非平穩(wěn)序列劃分為幾個(gè)固定序列，并得到廣泛應(yīng)用[29]。

(1)

T(i)中最大值Tm的統(tǒng)計(jì)顯著性P(Tm)：

(2)

由蒙特卡羅模擬可以得到，δ=0.40，η=4.19lnN-11.54，?=N-2,Ix(a，b)為不完全β函數(shù)。式中，N為xi的長度。設(shè)定一個(gè)臨界值P0(0.5≤P0≤0.95)，其置信水平為0.95，當(dāng)P(Tm)≥P0時(shí)，則認(rèn)為該點(diǎn)為變異點(diǎn)，并對新序列繼續(xù)進(jìn)行分割，直到子序列長度小于預(yù)設(shè)時(shí)間長度l0(l0≥25)。本文中l(wèi)0和P0的閾值分別設(shè)定為25和0.95。

2.3 Mann-Kendall趨勢檢測

Mann-Kendall(MK)趨勢測試法是世界氣象組織推薦的趨勢測試方法。對于時(shí)間序列xi，其統(tǒng)計(jì)變量S為[30]：

S=∑i

(3)

假設(shè)各變量獨(dú)立同分布,則統(tǒng)計(jì)量S近似服從正態(tài)分布，方差為[24]:

(4)

根據(jù)它與期望置信水平下標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量的關(guān)系，檢驗(yàn)時(shí)間序列的變化趨勢。當(dāng)Z為正數(shù)時(shí)，時(shí)間序列為增加趨勢；Z為負(fù)數(shù)時(shí)，時(shí)間序列為降低趨勢。本文中，Z0取值為1.96。

2.4 交叉小波

小波分析可以獲取時(shí)間序列的時(shí)間頻率特征，是目前分析時(shí)間序列的有效工具。與傅里葉變換相比，交叉小波變換具有很強(qiáng)的信號耦合和分辨能力，它可以很容易地描述時(shí)頻域中耦合信號的分布模式和相位關(guān)系[31-33]。為了克服交叉小波分析可能無法在時(shí)間上完全局部化的缺點(diǎn)，引入影響錐(COI)作為一個(gè)區(qū)域來克服這一缺陷[34]。

定義2個(gè)時(shí)間序列Xi和Yi的小波交叉譜為：

(5)

交叉小波能量譜能夠反映兩個(gè)序列經(jīng)過小波變換后的相同能量譜區(qū)域，從而揭示兩序列在不同時(shí)頻域上相互作用的顯著性[35]。相關(guān)代碼可從http://www.pol.ac.uk/home/research/waveletcoherence/獲取。

3 研究結(jié)果與討論

3.1 極端降水

3.1.1時(shí)空變化

a)非平穩(wěn)性分析。根據(jù)1961—2016年粵港澳大灣區(qū)極端降水指標(biāo)，本文采用啟發(fā)式分割法對研究區(qū)極端降水指標(biāo)序列非平穩(wěn)性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見圖2。根據(jù)結(jié)果，總降水量(PRCRTOT)檢測出Tm出現(xiàn)在2015年，但P值為0.93，小于閾值Po，因此認(rèn)為PRCRTOT序列具有平穩(wěn)性，未出現(xiàn)變異點(diǎn)。降水強(qiáng)度(SDII)、干燥指數(shù)(CDD)、濕潤指數(shù)(CWD)和1日最大降水量(RX1day)對應(yīng)的P值均小于Po，因此上述幾項(xiàng)指標(biāo)時(shí)間序列未檢測出突變點(diǎn)，具有平穩(wěn)性。5日最大降水量(RX5day)序列在2012年時(shí)T值最大，對應(yīng)的P值為0.98，大于閾值，并滿足進(jìn)行第二次分割的條件。在第二次分割中，Tm對應(yīng)的P值為0.77，小于Po，未檢測出突變點(diǎn)。強(qiáng)降水量(R95p)和極強(qiáng)降水量(R99p)的Tm對應(yīng)的P分別為0.39和0.91，認(rèn)為2項(xiàng)指標(biāo)不存在突變點(diǎn)，序列具有平穩(wěn)性。

圖2 粵港澳大灣區(qū)極端降水指標(biāo)非平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

b)趨勢性分析。研究期內(nèi)，粵港澳大灣區(qū)極端降水指數(shù)變化趨勢見表3?？偨邓?PRCPTOT)、降水強(qiáng)度(SDII)和干燥指數(shù)(CDD)序列Z值均為正值，呈現(xiàn)出上升趨勢，但變化趨勢并不顯著。濕潤指數(shù)(CWD)序列Z值為負(fù)值，呈現(xiàn)不顯著下降趨勢。1日最大降水量(RX1day)、5日最大降水量(RX5day)和強(qiáng)降水量(R95p)序列均為不顯著上升趨勢，而極強(qiáng)降水量(R99p)序列則為不顯著下降趨勢。

表3 粵港澳大灣區(qū)極端降水指標(biāo)變化趨勢

c)空間分布分析。1961—2016年期間，研究區(qū)極端降水指標(biāo)空間分布情況見圖3?？偨邓?PRCRTOT)在1 311～1 957 mm，整體呈現(xiàn)由西向東降水量逐漸增加的分布規(guī)律。同時(shí)，西南沿海地區(qū)降水量明顯高于其他地區(qū)，特別是深圳、香港地區(qū)。降水強(qiáng)度(SDII)在9～15 mm/d范圍內(nèi)變化，整體呈現(xiàn)西北—東南分布情況，西北地區(qū)降水強(qiáng)度較低，而東南地區(qū)則降水強(qiáng)度較高。值得注意的是，南部地區(qū)降水強(qiáng)度相對較高，而該地區(qū)緯度較小，高程較低。干燥指數(shù)(CDD)在27～46 d范圍內(nèi)變化，沿海地區(qū)干燥指數(shù)明顯高于內(nèi)陸地區(qū)。干燥指數(shù)最大值出現(xiàn)在南部地區(qū)，最小值則出現(xiàn)在西北部地區(qū)。濕潤指數(shù)(CWD)主要在14～19 d范圍內(nèi)分布，中部及西北部地區(qū)數(shù)值較小，東部地區(qū)數(shù)值較大。1日最大降水量(RX1day)、5日最大降水量(RX5day)空間分布情況相似，由西北向東南，降水量逐漸增大，而南部沿海地區(qū)降水量也較高。不過，前者數(shù)值范圍為70～137 mm，后者數(shù)值范圍為133～217 mm。強(qiáng)降水量(R95p)空間分布在330～597 mm；極強(qiáng)降水量(R99p)空間分布在101～193 mm。兩者空間分布特點(diǎn)相似，西部地區(qū)降水較少，南部及西南地區(qū)降水較多。

a)PRCPTOT

b)SDII

c)CDD

d)CWD

e)RX1day

f)RX5day

j)R95p h)R99p

d)空間變化分析。研究區(qū)1961—2016年，極端降水指標(biāo)氣候傾斜率分布情況見圖4。總降水量(PRCRTOT)氣候傾斜率在-3.60～30.43 mm/10a，東部地區(qū)呈現(xiàn)降水減少變化，而中部地區(qū)則呈現(xiàn)降水增加趨勢，特別是中南地區(qū)。降水強(qiáng)度(SDII)在0.05～0.26 mm/(d·10a)范圍內(nèi)變化，西部、中部和東部地區(qū)降水變化趨勢為減少、增加和減少。干燥指數(shù)(CDD)氣候傾斜率在-0.88～1.64 d/10a范圍內(nèi)變化，西北部地區(qū)天數(shù)增多，東部地區(qū)天數(shù)減少。濕潤指數(shù)(CWD)氣候傾斜率主要在-1.14～0.56 d/10a，東、西部地區(qū)變化相反，西部地區(qū)天數(shù)增加，東部地區(qū)天數(shù)減少。1日最大降水量(RX1day)、5日最大降水量(RX5day)氣候傾斜率分布情況相似，由北向南，降水量呈現(xiàn)增加-減少-增加的變化。不過，前者數(shù)值范圍為-5.18～4.84 mm/10a，后者數(shù)值范圍為-6.06～8.61 mm/10a。強(qiáng)降水量(R95p)氣候傾斜率在-3.67～30.72 mm；極強(qiáng)降水量(R99p)氣候傾斜率在-26.70～13.43 mm/10a。前者呈現(xiàn)北部地區(qū)增大，南部地區(qū)減少的變化情況；后者呈現(xiàn)中部和西北部地區(qū)增加，其他地區(qū)減少的變化情況。

a)PRCPTOT b)SDII

c)CDD d)CWD

e)RX1day f)RX5day

j)R95p h)R99p

3.1.2驅(qū)動因子

大尺度氣候因子與降水關(guān)系密切，大尺度氣候因子變化可能對年代際尺度上的極端降水形成與影響至關(guān)重要，選用的大尺度氣候因子，包括太陽黑子、多元ENSO指數(shù)(MEI)和太平洋年代際振蕩(PDO)。由于極端降水指標(biāo)眾多，本文主要從總降水量(PRCPTOT)、降水強(qiáng)度(SDII)、1日最大降水量(RX1day)和特強(qiáng)降水量(R99p)4項(xiàng)指標(biāo)來進(jìn)行研究。極端降水與大尺度氣候因子的計(jì)算結(jié)果見圖5。圖中箭頭方向反映兩者的相位關(guān)系，箭頭向右表示同相位，箭頭向左表示反相位，箭頭垂直向上或垂直向下表示兩者滯后或超前關(guān)系。黑色粗實(shí)線圈閉的值通過了95%置信水平的紅噪聲檢驗(yàn)，黑色細(xì)實(shí)線包絡(luò)區(qū)為影響錐，右側(cè)彩條表示小波能量。

圖5所示，總降水量(PRCPTOT)與太陽黑子具有顯著的相關(guān)性。在1973—2001年期間，兩者出現(xiàn)明顯共振，周期為7.49～13.29 a。1990年之前，箭頭近乎垂直向上，說明兩者存在滯后關(guān)系；1990年之后，箭頭向左，表示兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。1990—2001年，太陽黑子活動增強(qiáng)時(shí)，降水量可能降低；太陽活動減弱時(shí)，降水量可能增加。1961—2016年期間，PRCPTOT與MEI出現(xiàn)4次共振：1966—1968年，共振周期為3.58～4.05 a；1971—1973年，共振周期為2.40～2.93 a；1984—1996年，共振周期為11.02～12.52 a；1986—2003年，共振周期為3.44～5.75 a。1966—1968、1984—1996、1986—2003年，兩者主要為顯著正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)ENSO事件強(qiáng)度增大時(shí)，降水量增加；當(dāng)ENSO事件強(qiáng)度減弱時(shí)，降水量減少。PRCPTOT與PDO在1988—2011年，共振周期為3.93～5.40 a；2001—2003年，共振周期為5.99～6.45 a。值得注意的是，前者為顯著正相關(guān)關(guān)系，后者負(fù)相關(guān)關(guān)系明顯。

圖5所示，與其他氣候因子相比，降水強(qiáng)度(SDII)、1日最大降水量(RX1day)和特強(qiáng)降水量(R99p)與太陽黑子關(guān)系最為密切。SDII與太陽黑子關(guān)系較為復(fù)雜，共振周期小于8 a時(shí)，兩者前期為負(fù)相關(guān)，后期為正相關(guān)；共振周期大于8 a時(shí)，則主要體現(xiàn)出滯后性。RX1day和R99p與太陽黑子的關(guān)系較為相似，無論在共振出現(xiàn)時(shí)間、共振周期，還是相關(guān)性方面。MEI對降水強(qiáng)度的影響較大，并主要表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系；對1日最大降水量的影響存在超前性和正相關(guān)性；對特強(qiáng)降水量的影響集中在1992—2002年，兩者為正相關(guān)性。PDO與降水強(qiáng)度、1日最大降水量和特強(qiáng)降水量關(guān)系依次表現(xiàn)出正相關(guān)性、滯后性和負(fù)相關(guān)性。

圖5 極端降水與大尺度氣候因子的交叉小波功率譜

3.2 極端氣溫

3.2.1時(shí)空變化

a)非平穩(wěn)性分析。根據(jù)1961—2016年粵港澳大灣區(qū)極端氣溫指標(biāo)，本文采用啟發(fā)式分割法對研究區(qū)極端氣溫序列非平穩(wěn)性進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果見圖6。平均日較差(DTR)序列具有非平穩(wěn)性，共進(jìn)行了3次分割，檢測出2個(gè)變異點(diǎn)，分別出現(xiàn)在1972年和2011年。最高氣溫極大值(TXx)序列在2次分割中，檢測出1個(gè)突變點(diǎn)，出現(xiàn)在2002年，該序列具有非平穩(wěn)性。最低氣溫極小值(TXn)未檢測出突變點(diǎn)，序列平穩(wěn)。夏季日數(shù)(SU25)序列具有非平穩(wěn)性，突變點(diǎn)出現(xiàn)在1996年。暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)和暖夜日數(shù)(TN90p)序列均進(jìn)行了3次分割，變異點(diǎn)均出現(xiàn)在1986年和1997年，2項(xiàng)指數(shù)均為非平穩(wěn)序列。

圖6 粵港澳大灣區(qū)極端氣溫指標(biāo)非平穩(wěn)性計(jì)算結(jié)果

b)趨勢性分析。研究期內(nèi)，粵港澳大灣區(qū)極端氣溫指數(shù)變化趨勢見表4。平均日較差(DTR)序列Z值均為-2.35，呈現(xiàn)顯著下降趨勢。最高氣溫極大值(TXx)、夏季日數(shù)(SU25)、暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)和暖夜日數(shù)(TN90p)序列均呈現(xiàn)顯著上升趨勢；最低氣溫極小值(TXn)序列同樣呈現(xiàn)上升趨勢，但變化趨勢并不顯著。

表4 粵港澳大灣區(qū)極端氣溫指標(biāo)變化趨勢

c)空間分布分析。1961—2016年，研究區(qū)極端氣溫指標(biāo)空間分布情況見圖7。平均日較差(DTR)在6～9℃，整體呈現(xiàn)由南向北，溫度逐漸降低的分布。最高氣溫極大值(TXx)、最低氣溫極小值(TXn)分布情況相似，整體呈現(xiàn)由南向北，溫度逐漸升高的分布情況。不過，前者數(shù)值范圍為31～38℃，后者數(shù)值范圍為1～9℃。夏季日數(shù)(SU25)范圍為119～241 d，北部地區(qū)天數(shù)較少，東南地區(qū)天數(shù)較多。暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)范圍為18.92～19.18 d，中部、西北以及東部地區(qū)天數(shù)較多，而西部、中東以及南部地區(qū)天數(shù)較少。暖夜日數(shù)(TN90p)范圍為18.64～19.17 d，最大值出現(xiàn)在中南地區(qū)，最小值出現(xiàn)在東北地區(qū)。

d)空間變化分析。研究區(qū)1961—2016年期間，極端氣溫指標(biāo)氣候傾斜率分布情況見圖8。平均日較差(DTR)氣候傾斜率在-0.17～0.01℃/10a，中部地區(qū)DTR增大，而西北、西南和東部地區(qū)DTR減少。最高氣溫極大值(TXx)氣候傾斜率在0.07～0.37℃/10a，中南地區(qū)增幅較大，西北地區(qū)增幅較少。最低氣溫極小值(TXn)氣候傾斜率在0.06～0.25℃/10a，西部地區(qū)增幅較大，東部地區(qū)增幅較小。夏季日數(shù)(SU25)氣候傾斜率在1.58～5.62 d/10a，增幅最大區(qū)域出現(xiàn)在中南部，增幅最小區(qū)域出現(xiàn)在東北部。暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)氣候傾斜率在2.08～6.53 d/10a，增幅最大區(qū)域出現(xiàn)在中部，增幅最小區(qū)域出現(xiàn)在西北部。暖夜日數(shù)(TN90p)氣候傾斜率在3.52～7.29 d/10a，整體來看，由南向北，天數(shù)增幅逐漸增大。

圖7 粵港澳大灣區(qū)極端氣溫指標(biāo)空間分布情況

圖8 粵港澳大灣區(qū)極端氣溫指標(biāo)空間變化情況

3.2.2驅(qū)動因子

大尺度氣候因子可能對研究區(qū)極端氣溫有著重要的影響。本章主要從平均日較差(DTR)、最高氣溫極大值(TXx)、最低氣溫極小值(TXn)和暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)4個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行分析。如圖9，平均日較差(DTR)與太陽黑子相關(guān)性明顯。在1977—1997年，兩者共振周期為7.28～12.67 a，并隨著時(shí)間的推移，兩者相互關(guān)系從超前性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎嚓P(guān)性。特別是在1990年后，正相關(guān)性明顯。當(dāng)太陽黑子活動增強(qiáng)時(shí)，平均日較差增大；反之亦然。1969—1974年，平均日較差與MEI共振周期為2.27～3.42 a；1995—2002年，共振周期為3.22～4.39 a。第一次出現(xiàn)共振時(shí)，兩者體現(xiàn)出超前性關(guān)系；第二次共振時(shí)，兩者為正相關(guān)關(guān)系。1973—1977年，平均日較差與PDO為正相關(guān)關(guān)系，共振周期為2.30～3.21 a。當(dāng)PDO增強(qiáng)時(shí)，平均日較差隨之增大；當(dāng)PDO減弱時(shí)，平均日較差隨之減少。

圖9 極端氣溫與大尺度氣候因子的交叉小波功率譜

如圖9，最高氣溫極大值(TXx)、最低氣溫極小值(TXn)和暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)與太陽黑子關(guān)系更加密切。太陽黑子與上述3項(xiàng)指標(biāo)均為正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)太陽活動增強(qiáng)時(shí)，最高氣溫極大值、最低氣溫極小值均增大，暖晝?nèi)諗?shù)隨之增多。值得注意的是，TXx、TXn和TX90p與太陽黑子的共振周期雖然相似，但出現(xiàn)時(shí)期不盡相同。MEI與最高氣溫極大值存在超前和正相關(guān)關(guān)系；與最低氣溫極小值存在超前、正相關(guān)和負(fù)相關(guān)關(guān)系；與暖晝?nèi)諗?shù)主要為正相關(guān)關(guān)系。PDO與最高氣溫極大值主要為負(fù)相關(guān)關(guān)系，與最低氣溫極小值主要為正相關(guān)關(guān)系，與暖晝?nèi)諗?shù)則依次體現(xiàn)出正相關(guān)、負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.3 討論

從流域角度來看，珠江流域降水強(qiáng)度增加[36]，極端降水量級呈現(xiàn)上升趨勢[37]。從區(qū)位角度來看，中國華南地區(qū)極端降水時(shí)間主要呈現(xiàn)增加趨勢，但持續(xù)濕潤日數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢，且極端氣溫均存在空間差異[38]。該結(jié)論與本文主要結(jié)果相似。值得注意的是，該文極強(qiáng)降水量為增加趨勢，本文結(jié)果與之相反。出現(xiàn)這一不同結(jié)果，可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)和時(shí)間序列不完全相同。伍紅雨等[39]的研究中表明，大灣區(qū)年降水量呈現(xiàn)不顯著增加趨勢，與本文結(jié)果相似。在白盛楠的研究中，極強(qiáng)降水量則為不顯著下降趨勢，5日最大降水量增長趨勢不顯著，與本文結(jié)果相同[40]。

珠江流域平均氣溫呈現(xiàn)顯著上升趨勢[41]，最高氣溫極大值、最低氣溫極小值、暖晝?nèi)諗?shù)和暖夜日數(shù)均呈現(xiàn)增加趨勢[42]。華南地區(qū)平均氣溫同樣呈現(xiàn)增加趨勢[43-44]。華南地區(qū)除氣溫日較差呈現(xiàn)下降趨勢外，其余極端氣溫指標(biāo)呈現(xiàn)顯著增加趨勢，包括最高氣溫極大值、最低氣溫極小值、夏季日數(shù)、暖晝?nèi)諗?shù)和暖夜日數(shù)[45]。大灣區(qū)年平均氣溫增加趨勢顯著，升溫速率為0.22℃/10a[39]。大灣區(qū)熱夜指數(shù)、最高氣溫極大值、最低氣溫極小值均呈現(xiàn)增加趨勢[40]，與本文結(jié)果相同。

太陽黑子和大尺度氣候因子對全球氣候變化有著重要影響。太陽活動可以通過動力過程和熱力過程對全球氣候產(chǎn)生影響[46]。太陽輻射是氣候系統(tǒng)的主要能源和基本動力。太陽黑子的變化，意味著太陽輻射的改變，一方面導(dǎo)致大氣壓強(qiáng)和地表氣溫改變，造成氣壓梯度和溫度梯度變化，大氣活動異常；另一方面引起的水分蒸散發(fā)變化，大氣中水分含量改變[47]。在兩者的相互作用下，水文循環(huán)過程改變，引起降水異常[48]，最終影響極端降水的時(shí)空分布和變化趨勢。全球氣溫變化和與全球平均海面溫度異常(SSTA)均受到太陽活動的影響[49-51]。一方面，太陽活動可以增強(qiáng)地磁能量，進(jìn)而通過地?zé)崃鲗鉁刈兓斐捎绊慬52]；另一方面，太陽活動對地球磁場的影響會引起地球自轉(zhuǎn)速度變化，進(jìn)而影響全球氣溫[46]。太陽黑子在對全球氣溫產(chǎn)生作用的同時(shí)，對極端氣溫也會造成影響，而且在不同地區(qū)產(chǎn)生的影響可能存在不同[53]。

ENSO是由大規(guī)模海洋-大氣相互作用形成的，這些相互作用會引起全球氣候發(fā)生異常改變。作為全球海洋和大氣相互作用最強(qiáng)的信號，ENSO的發(fā)生和發(fā)展對全球不同緯度地區(qū)的氣候有著重要影響，特別是赤道和低緯度地區(qū)。ENSO是影響中國氣候變化的重要因子，它對東亞季風(fēng)環(huán)流、西太平洋副高和南亞季風(fēng)環(huán)流有著不容忽視的影響[54]。ENSO信號可以通過太平洋-東亞型遙相關(guān)傳播到亞洲，通過太平洋溫度和氣壓影響亞洲季風(fēng)，影響水汽輸送，造成降水異常[55-56]，進(jìn)而對極端降水產(chǎn)生影響[57]。天氣波動異常會對極端溫度事件造成影響[58-59]。大氣環(huán)流與氣溫變化關(guān)系密切，環(huán)流變化是極端氣溫事件發(fā)生的氣候背景。氣溫和對流層會受到遙相關(guān)作用的影響[60]，ENSO信號可以通過低緯度的太平洋-東亞型遙相關(guān)作用于東亞大氣環(huán)流[61]，影響亞洲熱量輸送[56]，進(jìn)而影響極端氣溫的分布與變化。

海溫是最主要大氣下墊面熱力強(qiáng)迫，可以引起上空熱源異常變化。太平洋年代際振蕩(PDO)是北太平洋的海溫異?，F(xiàn)象，對氣候自然變率起著調(diào)控作用[62]。熱量和水汽的輸送與配置是引發(fā)極端事件的根本原因[63]。PDO可以通過海氣相互作用，改變亞洲季風(fēng)區(qū)海平面氣壓，影響水汽輸送，引發(fā)降水變化，進(jìn)而對極端降水產(chǎn)生影響。例如，PDO對中國東部[24]、蒙古高原地區(qū)極端降水的影響得到驗(yàn)證[64]。近百年全球氣溫變化與PDO位相變化相關(guān)性顯著[62]。PDO處于正相位時(shí)，熱帶中東太平洋異常暖，阿留申低壓加強(qiáng)，赤道中東太平洋偏暖，改變大氣環(huán)流；反之亦然[65]。PDO對中國冬季極端低溫[66]、安徽省極端氣溫[67]的影響得到驗(yàn)證。值得注意的是，PDO對ENSO起著不容忽視的調(diào)制作用[68]，PDO對東亞季風(fēng)同樣有著重要影響[69]，進(jìn)而影響著極端降水和極端氣溫的產(chǎn)生與發(fā)展。

4 結(jié)論

對1961—2016年粵港澳大灣區(qū)極端氣候的時(shí)空演變特征進(jìn)行分析，并研究了太陽黑子和大尺度氣候因素對極端氣候可能產(chǎn)生的影響，主要結(jié)論如下。

a)在時(shí)間序列平穩(wěn)性方面，極端降水指數(shù)一致性良好，總降水量(PRCRTOT)、降水強(qiáng)度(SDII)、干燥指數(shù)(CDD)、濕潤指數(shù)(CWD)、1日最大降水量(RX1day)、強(qiáng)降水量(R95p)和極強(qiáng)降水量(R99p)序列具有平穩(wěn)性，而5日最大降水量(RX5day)具有非平穩(wěn)性，并在2012年發(fā)生突變。極端氣溫指數(shù)主要表現(xiàn)出非平穩(wěn)性，最低氣溫極小值(TXn)序列除外。平均日較差(DTR)、暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)和暖夜日數(shù)(TN90p)序列檢測出2個(gè)突變點(diǎn)，出現(xiàn)年份不同；最高氣溫極大值(TXx)和夏季日數(shù)(SU25)序列檢測出1個(gè)變異點(diǎn)，分別出現(xiàn)在2002年和1996年。

b)在變化趨勢方面，極端降水指數(shù)主要呈現(xiàn)增加趨勢，包括總降水量(PRCPTOT)、降水強(qiáng)度(SDII)和干燥指數(shù)(CDD)、1日最大降水量(RX1day)、5最大日降水量(RX5day)和強(qiáng)降水量(R95p)6項(xiàng)指數(shù)，但變化趨勢不顯著。而濕潤指數(shù)(CWD)和極強(qiáng)降水量(R99p)則為不顯著下降趨勢。極端氣溫指數(shù)變化趨勢不一致，平均日較差(DTR)序列呈現(xiàn)顯著下降趨勢；最高氣溫極大值(TXx)、夏季日數(shù)(SU25)、暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)和暖夜日數(shù)(TN90p)序列顯著上升；最低氣溫極小值(TXn)序列上升趨勢不顯著。

c)在空間分布上，極端降水指數(shù)空間分布存在異質(zhì)性，大部分指數(shù)整體呈現(xiàn)由南向北逐漸遞減的分布情況，濕潤指數(shù)(CWD)除外，但各項(xiàng)指數(shù)分布特點(diǎn)并不相同。極端氣溫指數(shù)空間分布同樣存在差異性，最高氣溫極大值(TXx)、最低氣溫極小值(TXn)、夏季日數(shù)(SU25)和暖夜日數(shù)(TN90p)呈現(xiàn)由北向南逐漸增大的分布趨勢，平均日較差(DTR)反之。

d)在空間變化方面，極端降水指標(biāo)空間變化特征存在差異，各項(xiàng)指標(biāo)氣候傾斜率正負(fù)值同在，降水強(qiáng)度(SDII)除外。氣候傾斜率變化幅度各有特點(diǎn)，極強(qiáng)降水量(R99p)變化幅度最大，降水強(qiáng)度(SDII)變化幅度最小。極端氣溫指標(biāo)空間變化特征不同，極端氣溫指標(biāo)氣候傾斜率主要為正值，平均日較差(DTR)除外。其中，暖晝?nèi)諗?shù)(TX90p)變幅最大，平均日較差(DTR)變幅最小。

e)太陽黑子和大尺度氣候因子可能對研究區(qū)極端氣候變化存在影響。太陽黑子的影響最大，與極端降水主要呈現(xiàn)正相關(guān)性，與極端氣溫主要呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，共振周期主要在8.16～11.59 a。多元ENSO指數(shù)(MEI)和太平洋年代際振蕩(PDO)對極端氣候的影響不完全相同，特別是在正負(fù)關(guān)系、共振出現(xiàn)時(shí)期和共振周期方面。

通過本文研究發(fā)現(xiàn)，極端降水和氣溫變化與自然界大尺度氣候振蕩存在潛在聯(lián)系。通過掌握極端天氣，尤其是極端高溫天氣的時(shí)空分布特征和變化規(guī)律,對及時(shí)、準(zhǔn)確地做出防災(zāi)減災(zāi)預(yù)報(bào)、預(yù)警具有重要意義。氣候變化對城市建設(shè)和發(fā)展將持續(xù)產(chǎn)生重大影響，在對粵港澳大灣區(qū)氣候變化的研究，需要關(guān)注珠江流域和典型區(qū)域氣候變化的影響評估。隨著極端天氣事件的增加，針對流域極端事件的研究尚不多見，需加強(qiáng)流域極端天氣發(fā)生機(jī)理、風(fēng)險(xiǎn)評估與對策研究，以期為大灣區(qū)應(yīng)對暴雨、洪澇、熱浪等極端氣候事件變化決策、防災(zāi)減災(zāi)、生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展等提供參考，減輕極端氣候事件帶來的危害。