山西省夏季極端高溫的時空變化及特征分析

張 寧，常 清，尹 紅，王 靖，李孟蔚，朱 杰

（1.山西省氣象信息中心，山西太原 030006；2.山西省氣候中心，山西太原 030006；3.中國氣象局國家氣候中心，北京 100081；4.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193；5.山西省氣象服務(wù)中心，山西太原 030002）

引言

全球氣候變暖已成事實［1］。氣候變暖背景下，極端高溫事件發(fā)生頻率大幅提高［2］，對社會經(jīng)濟和生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴重的危害和影響［3-4］。中國位于亞洲東部，屬于溫帶、暖溫帶大陸性氣候區(qū)，對氣候變化極為敏感，極端高溫天氣頻發(fā)，且主要發(fā)生在夏季6～8月，發(fā)生程度劇烈，影響范圍廣、危害巨大［5］。

氣候變暖背景下，極端高溫的特征規(guī)律及趨勢影響引起國際專家、組織的廣泛關(guān)注。Gruza等［6］在探析極端氣溫的趨勢特征時指出俄羅斯極端低溫減少日數(shù)以大于極端高溫增加日數(shù)的速率變化；尹紅等［7］研究表明中國2017年各極端氣溫指數(shù)的平均值均高于1961-1990年平均；馬柱國等［8］指出1993-2003年我國北方極端高溫發(fā)生頻率顯著增加，而極端低溫發(fā)生頻率顯著降低，這與俄羅斯極端氣溫變化規(guī)律一致。龔道溢等［9］研究結(jié)果表明1950 s中期-1997年以前我國北方農(nóng)牧交錯帶夏季極端溫度增加不顯著，而1997年以后則顯著升高。葉殿秀等［10］研究1961-2010年我國夏季極端高溫事件的變化趨勢時指出其頻次和強度均呈升高、增強態(tài)勢。唐恬等［11］分析了中國南方極端高溫天氣的變化，結(jié)果表明2013年我國夏季高溫具有群發(fā)性、高溫過程重現(xiàn)構(gòu)成具有持續(xù)性特征，且1961-2013年間極端高溫發(fā)生頻次最高時為2013年。

山西深處中國內(nèi)陸，南北跨度大、地勢復雜多變、氣候生態(tài)脆弱、極端氣候事件頻發(fā)［12］。尤其是近年來氣候變暖背景下，山西省夏季極端高溫發(fā)生頻率高、強度大、損失慘重［13］。因此，有必要對山西省不同區(qū)域夏季極端高溫強度和頻率的時空演變特征進行研究，揭示極端高溫的變化規(guī)律。氣象上常把日最高氣溫超過35oC作為極端高溫的標準［14］，但是一些區(qū)域雖然日最高氣溫低于35oC，但已嚴重偏離氣候平均態(tài)，這時統(tǒng)計學中也認為是極端事件，國際上將某一氣象要素95%（5%）作為極端閾值［15］。山西省南北跨度大，不同區(qū)域極端高溫閾值差異大，不同閾值條件下極端高溫強度和頻率不同，時空分布不同，直接影響極端高溫分布特征和政府決策。極端高溫與最高氣溫顯著相關(guān)，分析最高氣溫的變化特征有利于通過目前比較成熟的最高氣溫預報預測極端高溫的變化趨勢。

本文通過確定1971-2020年山西省不同區(qū)域夏季的極端高溫閾值，分析山西省不同區(qū)域夏季極端高溫強度和天數(shù)及最高氣溫的時空變化規(guī)律，為山西省應對未來氣候變化、充分利用氣候資源、規(guī)避極端高溫災害的不利影響提供依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料

依據(jù)行政及氣候特點，山西分為北、中、南3個區(qū)域，109個國家氣象站廣泛分布于各區(qū)域。由于建站時間不同，氣象數(shù)據(jù)觀測記錄起始時間不同，加之部分氣象臺站遷移，考慮到氣象數(shù)據(jù)均一性問題，本文研究數(shù)據(jù)為1971-2020年山西省有完整氣象記錄且未進行遷站的67個氣象站夏季6～8月逐日最高氣溫，來自山西省氣象信息中心數(shù)據(jù)庫（圖1）。

圖1 山西省各區(qū)域及研究站點分布Fig.1 Study area and distribution of study sites in Shanxi Province

1.2 方法

1.2.1 極端高溫事件及閾值、強度和頻數(shù)（天數(shù)）

極端高溫事件：日最高氣溫超過其閾值時的整個天氣過程稱為一次極端高溫事件。

極端高溫閾值：將67個臺站中各站1971-2020年各年夏季6～8月逐日最高氣溫升序排列，分別得到第95個最高氣溫百分位值，極端高溫閾值即為各站50年該百分位的平均值［16］。

極端高溫強度和頻數(shù)是在滿足極端高溫閾值的條件下，對極端高溫發(fā)生狀況描述的2個方面，頻數(shù)反映極端高溫發(fā)生的頻繁程度，強度反映極端高溫發(fā)生的劇烈程度。

1.2.2 變化趨勢和顯著性檢驗

Theil-Sen Median是一種穩(wěn)健的非參數(shù)趨勢統(tǒng)計方法，具有計算效率高、對于測量誤差和利群數(shù)據(jù)不敏感的優(yōu)點。其計算公式為：

式中，Median為取中值，β＞0，表明呈增加趨勢，β=0，表明變化趨勢不明顯，β＜0，表明呈下降趨勢。

1.2.3 空間插值

反距離權(quán)重（Inverse Distance Weight，IDW）、克里金（Kriging）、薄盤光滑樣條（Anusplin）是空間分析中3種常用的插值方法，第1種方法的特點是將與樣本點較近的插值點賦予較大權(quán)重，而與樣本點較遠的插值點賦予較小的權(quán)重［17］；第2種方法依據(jù)協(xié)方差函數(shù)對隨機過程進行空間建模和預測，應用于地理科學、環(huán)境科學、大氣科學等領(lǐng)域［18］；第3種插值法基于薄盤樣條函數(shù)，在氣溫、降水量等自變量基礎(chǔ)上引入海拔高度等協(xié)變量，從而減少誤差、提高插值精度［19］。3種方法插值原理不同，均可實現(xiàn)站點尺度向區(qū)域尺度轉(zhuǎn)化。

1.2.4 有效積溫及突變檢驗

（1）有效積溫（Effective Accumulated High Temperature，EAHT）原本用于確定作物生育期、評價作物生長發(fā)育情況，該指標也可用于評價高溫綜合強度，既考慮了高溫強度數(shù)值，也考慮了高溫發(fā)生日數(shù)，本文引入有效積溫作為表征極端高溫強度的綜合指標［20］：

式中：Ti和Tt分別為日最高氣溫和極端高溫閾值；EAHT，EAHTmax，EAHTmin和EAHTnorm分別為有效積溫、有效積溫的最大值、最小值和歸一值。

（2）滑動T檢驗常被用于確定均值突變點［21］，其計算公式為：

式中：時間序列x的樣本量為n，設(shè)基準點前后兩個子序列分別為x1和x2；n1和n2分別為其樣本量，平均值分別為方差分別為

1.2.5 突變檢驗

Mann-Kendall非參數(shù)檢驗法（MK）［22］用于判斷并確定氣候序列中突變及其出現(xiàn)時間，用于檢測降水、氣溫等頻次趨勢。具體方法如下：

對于時間序列x1，x2，...xn，構(gòu)造秩序列

式中：xi和xj為時間序列數(shù)據(jù)值；n為樣本總數(shù)；E（Sk）與var（Sk）分別為均值和方差。

（1）順時間序列為x1，x2，...xn，逆時間序列為xn，xn-1，...x1，分別計算順、逆時間序列的秩序列Sk及統(tǒng)計量UFk、UBk：

UF1=0，UB1=0，顯著性水平α=0.05，UBk=-UFk（k=n，n-1，...1），|UFk|＞Uα時變化顯著。

（2）制圖得到UFk線、UBk線、y=±1.96線。

UFk或UBk大于0，表明趨勢上升，UFk或UBk小于0，表明趨勢下降。當UFk與UBk線相交于y=±1.96線之間時，交點所對應點的橫坐標即為突變時間點。

2 結(jié)果分析

2.1 極端高溫閾值及其變化

將山西省67個研究站點1971-2020年夏季極端高溫事件閾值分別通過IDW、Kriging、Anuspline插值（圖2（a）～（c）），分析發(fā)現(xiàn)3種方法插值結(jié)果相似，反映了插值方法對山西省極端高溫閾值的變化形勢和空間特征影響不大。山西省極端高溫事件閾值變化范圍為29.4～37.7oC，自北向南升高，晉北的朔州西部、忻州西南部分地區(qū)最低，晉南的運城、臨汾南部最高。

圖2 基于IDW、Kriging、Anusplin三種方法的1971-2020年山西省夏季極端高溫閾值的空間分布Fig.2 Spatial distribution of extreme high temperature threshold through the method of IDW，Kriging，Anuspline in summer from 1971 to 2020 in Shanxi Province

2.2 極端高溫強度及其變化

分別通過IDW、Kriging、Anusplin 3種插值方法得到1971-2020年山西省極端高溫強度的空間變化特征（圖3（a）～（c）），3種方法共同反映了1971-2020年山西省夏季極端高溫強度的空間分布規(guī)律，結(jié)果表明1971-2020年山西省極端高溫強度變化范圍為30.2～38.4oC，空間上北低南高，與極端高溫閾值空間分布相似，其中晉北的朔州南部、忻州中西部部分地區(qū)最低，晉南的運城、臨汾南部最高。

圖3 基于IDW、Kriging、Anusplin三種方法的1971-2020年山西省夏季極端高溫強度的空間分布Fig.3 Spatial distribution of extreme high temperature strength through the method of IDW，Kriging，Anusplin in summer from 1971 to 2020 in Shanxi Province

2.3 極端高溫天數(shù)及其變化

1971-2020年山西省夏季極端高溫天數(shù)為289～401 d，西部多于東部、南部多于北部和中部（圖4（a）），年均5.8～8.0 d，平均每站為7.0 d·a-1。6～8月各月極端高溫天數(shù)空間分布差異較大，6月晉北南部、晉南南部較高（圖4（b）），平均發(fā)生天數(shù)為1.6～2.4 d，平均每站為2.1 d·a-1；7月晉中中西部、晉南西部較高（圖4（c）），平均發(fā)生天數(shù)為1.8～3.0 d，平均每站為2.4 d·a-1；8月晉北西南部、晉中中南部及晉南較高（圖4（d）），平均發(fā)生天數(shù)為2.0～3.1 d，平均每站為2.5 d·a-1。

圖4 1971-2020年山西省夏季極端高溫天數(shù)及其在6月、7月、8月的空間分布Fig.4 Spatial distribution of extreme high temperature days in summer，June，July and August from 1971 to 2020

2.4 極端高溫綜合強度評價

為直觀表示極端高溫的累積效應和綜合強度，引入有效積溫（EAHTnorm），得到近50年歸一化有效積溫隨時間的變化關(guān)系（圖5），并對其進行滑動T檢驗（b）。結(jié)果表明近50年來EAHTnorm在1997年和2011年發(fā)生了兩次突變，置信度均達到99%，1971-1997年和2011年前后EAHTnorm處于低溫震蕩，極端高溫綜合強度較弱，而1997-2011年前及2011年后至2020年EAHTnorm起伏變化幅度加大，極端高溫的極端性變化較大，整體增強。

圖5 1971-2020年山西省各年夏季歸一化有效積溫及突變檢驗Fig.5 Normalized effective accumulated high temperature and analysis of the abrupt change in Shanxi Province in summer from 1971 to 2020

2.5 最高氣溫變化趨勢

通過Theil-Sen法對最高氣溫隨時間的變化情況進行分析，得到1971-2020年夏季6～8月及各月平均最高氣溫的變化趨勢特征（圖6）。結(jié)果顯示，山西省平均最高氣溫除個別站點稍有下降外，大部分地區(qū)顯著上升，且平均上升幅度為0.3oC·10 a-1。6月上升幅度較大的地區(qū)主要在沿呂梁山以東、太行山以西一帶，平均上升幅度為0.2oC·10 a-1；相比6月，7月上升范圍增大、強度增強，平均上升幅度為0.3oC·10 a-1；8月上升范圍縮小、強度減弱，平均上升幅度為0.2oC·10 a-1。夏季及6～8月各月顯著升高的站點分別占研究站點總數(shù)的79.1%、37.3%、71.6%、35.8%。

圖6 基于IDW的1971-2020年山西省夏季最高氣溫及其在6月、7月、8月的空間分布Fig.6 Spatial distribution of the maximum temperature in summer，and in June，July and August from 1971 to 2020 in Shanxi Province through the method of IDW

2.6 各區(qū)域最高溫度突變檢驗

1971-2020年夏季山西省北、中、南各區(qū)域平均最高氣溫均呈上升趨勢，上升幅度分別為0.3oC·10 a-1、0.3oC·10 a-1和0.2oC·10 a-1（圖7）。通過MK對山西省各區(qū)域最高氣溫進行P＜0.05顯著水平的突變檢驗，結(jié)果表明晉北和晉中區(qū)域突變發(fā)生時間為20世紀90年代末，晉南為2000年前后。

圖7 1971-2020年山西省北部、中部和南部夏季最高氣溫變化趨勢及MK突變檢驗Fig.7 Change trend and Mann-Kendall test of the maximum temperature in the North，Centre and South of Shanxi Province in summer from1971 to 2020

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

1971-2020年山西省夏季極端高溫的閾值、強度分別為29.4～37.7oC和30.2～38.4oC，空間上自北向南遞增。極端高溫發(fā)生頻率平均為7.0 d·a-1，6～7月晉南西南部發(fā)生最多，晉北東南、晉中中東及晉南東部發(fā)生最少，8月晉北、晉中發(fā)生減少，而晉南增多，表明近50年來晉南氣候極端化程度更明顯。極端高溫綜合強度在1997年前及2011年前后較弱，而在1997-2011年前及2011年后-2020年振幅加大，極端性整體增強。

1971-2020年山西省大部分地區(qū)最高氣溫顯著升高，上升速率為0.3oC·10 a-1，區(qū)域上升速率自北向南依次為0.3oC·10 a-1、0.3oC·10 a-1和0.2oC·10 a-1，與全球變暖趨勢一致。從突變檢驗結(jié)果看，晉北和晉中夏季最高氣溫突變發(fā)生在20世紀90年代末，而晉南突變發(fā)生在2000年前后。

3.2 討論

1971-2020年山西省夏季最高氣溫上升強度較強的區(qū)域位于呂梁山以東、太行山以西，與當?shù)睾０胃叨?、地形走向相關(guān)［23］，因為該區(qū)位于東北-西南走向的呂梁山、太行山之間，是海拔的相對低值區(qū)，大氣密度濃厚，大氣保溫作用較強，氣溫較高，加之山地阻擋與外界的熱量交換，從而形成高溫中心，氣溫上升幅度較大。

1971-2020年山西省夏季最高氣溫升高趨勢與全球氣候變化狀況一致［24］，具體表現(xiàn)為：山西省各區(qū)域最高氣溫突變時間為20世紀90年代末-21世紀初，與全球［25］、中國［26］極端高溫突變發(fā)生時間吻合。

大尺度環(huán)流因子與1971-2020年山西省夏季極端高溫事件的發(fā)生關(guān)系密切。西太平洋副熱帶高壓周期性西伸北進、東退南移，控制范圍、影響強度與極端高溫密切相關(guān)。近幾十年來［27］夏季西太平洋副熱帶高壓范圍增大、強度增強、西脊點位置西移，副熱帶高壓強度與華北西部極端高溫為正相關(guān)，與華北東部極端高溫為負相關(guān)，極端高溫與脊線位置多呈正相關(guān)。黃淮海平原南部為偏北的脊線所控制時，6～7月極端高溫日數(shù)增多，而華北地區(qū)為偏北的脊線所控制時，8月極端高溫日數(shù)增多、強度增強。

1960-2018年華北地區(qū)高溫熱浪總體增多，傾向率為0.41oC·10 a-1［27］，與文中山西省夏季極端高溫傾向率數(shù)值相近，1990 s后華北熱浪天數(shù)增多，范圍擴大，主要發(fā)生在夏季，7月多于6月和8月［27］，與本文山西省夏季極端高溫發(fā)生一致，反映了華北一帶山西省近50年來氣候變暖水平和趨勢。1990 s后期華北地區(qū)極端高溫事件的發(fā)生愈加頻繁［28］，與山西各區(qū)域變化情況一致；年際波動幅度增大［28］，與山西省夏季極端高溫綜合指數(shù)變化吻合。