1960—2020年京津冀高溫?zé)崂藭r空分布特征

張興山 ， 王娟懷 ， 趙 亮 ， 李 猛 ， 包永虎

1. 邯鄲市氣象局， 河北 邯鄲 0560012. 廣東省氣候中心， 廣東 廣州 5100803. 中國科學(xué)院大氣物理研究所 大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點實驗室， 北京 100029

0 引 言

IPCC第6次評估報告指出，人類影響造成的氣候變暖正以2000年以來前所未有的速度發(fā)生,在五個排放情景下，到本世紀中葉全球地表溫度都將繼續(xù)上升(李柏貞等,2016；Ting et al,2021)。在氣候變暖背景下，高溫?zé)崂税l(fā)生愈加頻繁，2015年歐洲遭遇500 a來最強的一次熱浪(邵勰等，2016)；2021年8月3日，希臘和土耳其一些地區(qū)的氣溫超過46 ℃，突破當(dāng)?shù)貧v史極值。高溫?zé)崂司哂懈哂绊懞透咧聻?zāi)性(陳正洪和楊桂芳，2012；吳紹洪等，2017)，現(xiàn)成為氣候變化研究的熱點問題(陳敏等，2013；陳升孛等，2013；葉殿秀等，2013；王麗偉等，2015；楊續(xù)超等，2015；祁新華等，2016)。國內(nèi)外學(xué)者對高溫及高溫?zé)崂艘查_展了大量研究。Green等(2016)指出近年來，英國高溫?zé)崂说陌l(fā)生頻次與強度均呈增多(強)趨勢，表現(xiàn)在高溫?zé)崂思皹O端最高氣溫和長時間熱浪更易發(fā)生。王倩云等(2016)發(fā)現(xiàn)歐洲大陸熱浪發(fā)生頻率在20世紀80年代以后呈明顯增多趨勢。賈佳和胡澤勇(2017)指出中國高溫?zé)崂税l(fā)生頻次同樣呈顯著的上升趨勢，沈皓俊等(2018)進一步研究發(fā)現(xiàn)1998年后全國高強度熱浪頻發(fā)。

京津冀(113°29′—119°58′E，36°01′—42°35′N)地處華北平原北部，西倚太行，北連蒙古高原，東瀕渤海。全境大體由高原、山地和平原三部分組成，并自西北向東南依次排列，形成西北高、東南低的地勢(圖1)。京津冀氣候?qū)儆跍貛О霛駶櫚敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，夏季炎熱潮濕，在盛夏人畜因高溫而死亡或間接死亡的事件時有發(fā)生。近幾十年，隨著京津冀一體化進程不斷加快，城市化過程舉世矚目，已有學(xué)者對京津冀的高溫?zé)崂诉^程進行了研究。施洪波(2011)分析1960—2008年京津冀地區(qū)夏季高溫日數(shù)時空變化特征，發(fā)現(xiàn)京津冀地區(qū)夏季高溫日數(shù)在空間上呈南多北少，且南減北增的變化趨勢；史印山等(2009)對京津冀高溫天氣時空分布和環(huán)流特征進行分析，指出京津冀地區(qū)高溫天氣與區(qū)域干旱具有高耦合性，北半球500 hPa環(huán)流異?？勺鳛楦邷靥鞖忸A(yù)測依據(jù)；李雙雙等(2015)對京津冀地區(qū)熱浪時空變化特征及影響因素，指出西太平洋副熱帶高壓和青藏高原反氣旋環(huán)流與京津冀地區(qū)熱浪異常關(guān)系最為顯著，對熱浪異常是一種穩(wěn)定且強烈的指示信號。以上研究雖然在京津冀地區(qū)氣候變化和高溫天氣事件認識取得了成效，但是所選用的資料時段均比較短，未能完全體現(xiàn)最近十多年來京津冀高溫頻發(fā)的特征。因此，考慮到京津冀長時間序列、全區(qū)域高溫及高溫?zé)崂丝臻g變化研究較少，文中選取京津冀地區(qū)作為研究對象，利用線性傾向率、突變檢驗、Morlet小波分析等方法，對1960—2020年京津冀高溫?zé)崂说目臻g特征、變化趨勢、突變和周期進行分析，揭示京津冀高溫?zé)崂税l(fā)生、發(fā)展和演變規(guī)律，以期為科學(xué)適應(yīng)和應(yīng)對氣候變化提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

文中選取河北省氣象局整編的1960—2020年京津冀地區(qū)83個地面氣象站夏季(6—8月)逐日最高氣溫數(shù)據(jù)，站點分布如圖1所示。

根據(jù)中國氣象局規(guī)定，日最高氣溫大于等于35 ℃為一個高溫日。文中定義高溫日連續(xù)3 d及以上為一次高溫?zé)崂诉^程。其中高溫?zé)崂巳諗?shù)為高溫?zé)崂似陂g的高溫日數(shù)；高溫?zé)崂祟l次為高溫?zé)崂税l(fā)生的次數(shù)；高溫有效積溫為高溫?zé)崂似陂g每日最高氣溫與35 ℃閾值之差的累積和，有效積溫越大炎熱程度越重。在計算地區(qū)平均時，參考高榮等(2008)的方法，去除氣候平均高溫?zé)崂巳諗?shù)小于1 d的站點，只對高溫?zé)崂巳諗?shù)大于等于1 d的站點的高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫進行平均。氣候變化趨勢為站點時間序列的線性回歸系數(shù)。

圖1 京津冀地形高程(單位：m)及氣象站點分布

2 空間分布特征

分析1960—2020年京津冀夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫的空間分布(圖2)可見，高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次分布形態(tài)較類似，整體呈現(xiàn)南多北少的分布特征，大值區(qū)均位于39°N以南，大值中心位于邢臺中東部地區(qū)。而高溫?zé)崂擞行Хe溫的空間分布，整體雖然呈南多北少特征，但大值中心向西北沿山一帶偏移，中心位于石家莊贊皇地區(qū)。

1960—2020年夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)空間變化較大(圖2a)，范圍為0(西北康寶等地)—9.3 d/a(邢臺南宮)，全省平均為4.3 d/a，39°N以南地區(qū)熱浪期間高溫日數(shù)基本在5 d/a以上，對高溫日數(shù)的貢獻率達到50%左右，尤其中南部平原地區(qū)貢獻率達到55.4%(邢臺冀州)，39°N以北地區(qū)分布較為分散，貢獻率為20%—40%，并向北遞減。

1960—2020年夏季平均每年高溫?zé)崂祟l次(圖2b)范圍為0(西北康寶等地)—2.3次(邢臺隆堯)，換言之，西北康寶等地在此期間沒有發(fā)生過高溫?zé)崂?，而邢臺隆堯地區(qū)年均出現(xiàn)2.3次高溫?zé)崂?，夏季全省平均每年?.1次。39°N以南地區(qū)基本在1次以上，83個臺站中有7站年均出現(xiàn)2次以上，1—2次的有38個站，1次以下的有31個站，沒有出現(xiàn)過高溫?zé)崂说挠?個站。

夏季高溫?zé)崂擞行Хe溫的空間分布(圖2c)則反映了京津冀夏季的炎熱程度及高溫危害程度，其范圍為0(西北康寶等地)—9.7 ℃/次(石家莊贊皇)，39°N以南地區(qū)平均有效積溫在7 ℃/次以上，以贊皇為中心向北、東、南方向遞減，大值中心相對高溫日數(shù)、高溫?zé)崂祟l次向西北沿山一帶偏移，其他地區(qū)分布形態(tài)與高溫日數(shù)、高溫?zé)崂祟l次等相似，即石家莊贊皇地區(qū)的高溫?zé)崂巳諗?shù)和頻次雖少于邢臺隆堯等地，但該地區(qū)的高溫危害程度卻高于邢臺隆堯，說明該地區(qū)高溫危害尤為嚴重；39°N以北地區(qū)同樣存在一個大值中心，位于承德西南部，中心值達到7.6 ℃，即北部地區(qū)雖然高溫?zé)崂祟l次和日數(shù)較南部少，但每次高溫?zé)崂诉^程的有效積溫也較高，進一步說明北部地區(qū)的熱浪過程的炎熱程度較重。

前人對出現(xiàn)以上空間分布特征的成因分析較多，比較常見的結(jié)論有西太平洋副熱帶高壓、青藏高原高空反氣旋環(huán)流對京津冀熱浪影響最為顯著(李雙雙等，2015)，太行山地形的影響使得強焚風(fēng)出現(xiàn)在太行山東側(cè)50 km內(nèi)，其分布范圍主要在保定、石家莊、邢臺和邯鄲西部，而弱焚風(fēng)則可到達太行山以東100 km范圍(王宗敏等，2012)，因此在大尺度環(huán)流和地形等多重因素的共同作用下，高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次呈現(xiàn)以中南部平原高值中心向四周減少的分布特征，強焚風(fēng)的影響使得高溫?zé)崂擞行Хe溫大值中心向西北方向偏移。

圖2 1960—2020年京津冀夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)(a，單位：d)、高溫?zé)崂祟l次(b)及高溫有效積溫(c，單位：℃)分布

3 趨勢變化特征

3.1 空間趨勢特征

分析京津冀地區(qū)夏季高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫氣候變化趨勢(圖3)發(fā)現(xiàn)，高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫氣候變化趨勢較為相似，中南部平原偏東地區(qū)及西部沿山地區(qū)、西北地區(qū)呈減小(減弱)趨勢，其他地區(qū)呈增多(增強)趨勢。其中，高溫?zé)崂巳諗?shù)和頻次增加趨勢較明顯的地區(qū)主要位于石家莊、天津和北京等地，天津地區(qū)的增加趨勢均通過信度0.01的顯著性檢驗，石家莊和北京地區(qū)高溫?zé)崂巳諗?shù)以及北京的熱浪頻次均通過信度0.05的顯著性檢驗。高溫?zé)崂巳諗?shù)和頻次減少趨勢較明顯的地區(qū)主要位于邢臺南宮地區(qū)(與圖2a、b大值區(qū)相對應(yīng))，但高溫?zé)崂祟l次的減小趨勢通過了信度0.05的顯著性檢驗。高溫?zé)崂擞行Хe溫增強趨勢較明顯的地區(qū)位于石家莊地區(qū)，通過信度0.01的顯著性檢驗(與圖2c高溫?zé)崂擞行Хe溫空間分布的大值區(qū)相對應(yīng))，說明該地區(qū)的炎熱程度進一步增強；減弱趨勢較明顯的地區(qū)位于邢臺南宮地區(qū)，且通過信度0.05的顯著性檢驗。

整體來看，京津冀地區(qū)的高溫及高溫?zé)崂俗兓厔輧H有少數(shù)站點通過顯著性檢驗，分析通過顯著性的站點發(fā)現(xiàn)，京津冀地區(qū)的高溫?zé)崂嗽诳臻g上呈現(xiàn)南北不同的變化特征，在高溫?zé)崂巳諗?shù)和頻次的多年平均大值區(qū)，高溫?zé)崂巳諗?shù)和頻次有減小的趨勢，而在有效積溫的多年平均大值區(qū)，有效積溫有增強的趨勢。

圖3 1960—2020年京津冀高溫?zé)崂巳諗?shù)(a，單位：10-2 d/a)、高溫?zé)崂祟l次(b，單位：10-2 a-1)及高溫有效積溫(c，單位：10-1 ℃/a)變化趨勢的空間分布

3.2 長期變化趨勢

圖4為1960—2020年京津冀夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)逐年變化，高溫?zé)崂祟l次、有效積溫的逐年變化(圖略)與高溫?zé)崂巳諗?shù)的變化極為相似，分析可見，三者主要表現(xiàn)為“多—少—多—少”的年代際變化特征。利用滑動t檢驗方法，兩個子序列長度取10，分別對這3個時間序列進行突變檢驗，研究時段內(nèi)3個時間序列均出現(xiàn)3個突變點，高溫?zé)崂巳諗?shù)的滑動t檢驗如圖4b，突變年份分別為1972年(通過信度0.05的顯著性檢驗，為負值)、1995年(通過信度0.01的顯著性檢驗，為正值)、2005年(通過信度0.1的顯著性檢驗，為負值)。以上說明京津冀夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫在1960—2020年出現(xiàn)了3次明顯突變，即在20世紀70年代初經(jīng)歷了由多到少的轉(zhuǎn)變，90年代中期經(jīng)歷由少到多的轉(zhuǎn)變，之后到21世紀00年代中期又經(jīng)歷了由多到少的轉(zhuǎn)變。

圖4 1960—2020年京津冀地區(qū)夏季高溫?zé)崂巳諗?shù)的逐年變化(a)和滑動t檢驗統(tǒng)計量曲線(b)(a.實心圓點實線代表實測值，藍色虛線段為分段平均值，紅實線為9 a滑動平均曲線；b.點虛線、短虛線、長虛線分別為0.01、0.05、0.1顯著性水平臨界值)

將3個突變年份視為時間節(jié)點，對4個振蕩期分別進行線性擬合，得到4個振蕩期的夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次和有效積溫變化趨勢。平均高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次和有效積溫均在1960—1972年、2005—2020年呈現(xiàn)線性增加趨勢，在1973—1995年、1996—2005年線性減少趨勢，但均未通過顯著性檢驗。從整個時段來看，1960—2020年呈現(xiàn)弱的線性增加趨勢，但并不顯著。

進一步對平均高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫的相鄰振蕩期利用t檢驗進行差異顯著性檢驗，經(jīng)計算，1960—1972年與1973—1995年、1973—1995年與1996—2005年t檢驗的P值均小于0.05，通過信度0.05的顯著性檢驗；1996—2005年與2005—2020年t檢驗的P值均大于0.1，差異不顯著。這也進一步說明第一次和第二次的突變較第三次明顯，表現(xiàn)特征與圖4b一致。

整體來看，高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫均表現(xiàn)為“多—少—多—少”的年代際變化特征，出現(xiàn)了3次明顯突變，4個振蕩期內(nèi)無顯著線性趨勢，在1972、1996年突變前后振蕩期差異有高度統(tǒng)計意義，2005年突變前后振蕩期差異無統(tǒng)計意義。

以上分析可見，高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫分別存在2個偏多、偏少集中期(表1)。1960—1972年和1966—2005年為偏多集中期，1973—1995年和2006—2020年為偏少集中期。這兩個偏多(少)集中期間的差異值得進一步研究，它可能一定程度上體現(xiàn)了人為活動導(dǎo)致的全球變化和自然變率導(dǎo)致的年代際振蕩作用的疊加效應(yīng)。兩個偏多集中期的對比表明，偏多集中期高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫從1960—1972年的6.9 d、1.7次、13.9 ℃增至1996—2005年的8.1 d、1.9次、17.0 ℃，增加了10%—20%；兩個偏少集中期的對比表明，偏少集中期高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫從1973—1995年的2.7 d、0.77次、4.6 ℃增至2006—2020年的5.4 d、1.3次、9.9℃，增加了70%—110%。

表1 1960—2020年京津冀夏季高溫?zé)崂巳諗?shù)、熱浪頻次、熱浪有效積溫的偏多、偏少集中期對比

因此，偏多(少)集中期的京津冀高溫?zé)崂顺誓甏H增加趨勢，偏少集中期的高溫?zé)崂四甏H增加幅度更明顯。

4 周期分析

進一步對高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次、有效積溫進行周期分析，發(fā)現(xiàn)三者表現(xiàn)極為相似，因此文中以高溫?zé)崂巳諗?shù)為代表進行詳細分析。圖5為1960—2020年京津冀地區(qū)平均高溫?zé)崂巳諗?shù)小波功率譜和小波頻譜，功率譜中紅色越深小波功率越大，影響錐外周期特征存在較大不確定性，不作分析。在影響錐內(nèi)分布較為相似，包圍區(qū)域?qū)?yīng)2—5 a的短周期振蕩，在1960—1980年前后存在準2—4 a周期，20世紀90年代后期變成2 a周期，2000年后轉(zhuǎn)為2—5 a的周期。分析小波頻譜圖可見看，2—5 a短周期通過了信度0.05的顯著性檢驗。

圖5 1960—2020年京津冀地區(qū)夏季高溫?zé)崂巳諗?shù)的連續(xù)Morlet小波功率譜(a)和小波頻譜(b)

5 年代際振蕩特征及不同集中期特征差異

以下以夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)3個突變年份(1972、1995、2005年)為節(jié)點，對京津冀夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)空間分布的年代際特征分時段分析。

從區(qū)域平均來看，1960—1972年夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)空間變化較大，范圍為0(西北康寶等地)—15.6 d/a(邢臺南宮)(圖6a)；1973—1995年夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)空間變化較小，范圍為0(西北康寶等地)—6.2 d/a(邢臺南宮)(圖6b)；1996—2005年夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)空間變化范圍為0(西北康寶等地)—13.3d/a(邢臺隆堯)(圖6c)；2006—2020年夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)空間變化范圍為0(西北康寶等地)—11.5 d/a(石家莊藁城)(圖6d)。1960—2020年京津冀夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)整體呈現(xiàn)“多—少—多—少”的年代際振蕩特征。

從1960—1972年的偏多集中期到1973—1995年的偏少集中期(圖6e)，高溫?zé)崂巳諗?shù)在空間分布上基本表現(xiàn)為區(qū)域性減少的特征，中南部地區(qū)減少幅度大于4 d以上，尤其在東部平原地區(qū)減少更為明顯，減少幅度達到8 d以上。從1996—2005年的偏多集中期到2006—2020年的偏少集中期(圖6f)，高溫?zé)崂巳諗?shù)差異在空間分布上同樣表現(xiàn)為區(qū)域性減少特征，減少4 d以上的區(qū)域在北京—滄州及邢臺一帶，減少8 d以上的區(qū)域主要分布在滄州一帶；同時相較于1960—1972年和1973—1995年有所差異，表現(xiàn)為高溫?zé)崂巳諗?shù)減少4 d以上的區(qū)域減小，且向北偏移。

兩個偏多集中期之間存在一定差異(圖6g)，1996—2005年相較于1960—1972年呈中北部地區(qū)增加、南部地區(qū)減少的特征，減少4 d以上的地區(qū)主要在邢臺和邯鄲東部，增加4 d以上的地區(qū)主要在北京、天津南部—滄州北部，整體增加4 d的站點增加了9.6%。兩個偏少集中期之間也存在差異(圖6h)，2006—2020年相較于1973—1995年，中南部大部分地區(qū)呈不同程度的增加趨勢，增加4 d以上的區(qū)域主要分布在邯鄲南部及石家莊和邢臺交界地區(qū)，整體增加4.0 d/a的站點增加了34.1%；相較于偏多集中期，增加4 d以上的區(qū)域位置偏南。

一方面，1960—2020年京津冀夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)在空間區(qū)域上整體呈現(xiàn)“多—少—多—少”的年代際振蕩特征；偏少集中期相較于前一個臨近偏多期，大部分地區(qū)表現(xiàn)為不同程度減少的特征，前一個減少的范圍和強度大于后一個。另一方面，兩個偏多(少)集中期之間存在差異：最近一個偏多集中期(1996—2005年)相對于上一個偏多期(1960—1972年)表現(xiàn)為北增南減的特征；最近一個偏少集中期(2006—2020年)相對于上一個偏少期(1973—1995年)表現(xiàn)為中南部整體增加的特點，且大于4 d的影響區(qū)域均呈擴大的趨勢。高溫?zé)崂祟l次和高溫有效積溫也表現(xiàn)出類似特征(圖略)。

6 結(jié) 論

采用線性傾向率、突變檢驗、Morlet小波分析等方法，對1960—2020年京津冀高溫?zé)崂说目臻g特征、變化趨勢、突變和周期進行分析，得到：

1) 京津冀高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次和有效積溫在空間上均呈現(xiàn)南多(強)北少(弱)的分布特征，大值區(qū)均位于39°N以南，大值中心位于邢臺中東部地區(qū)；高溫?zé)崂擞行Хe溫的空間分布同樣呈南多北少特征，但大值中心向西北沿山一帶偏移，中心位于石家莊贊皇地區(qū)。

圖6 京津冀夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)(單位：d)空間分布(a.1960—1972年,b.1973—1995年,c.1996—2005年,d.2006—2020年；e、f、g、h為夏季平均高溫?zé)崂巳諗?shù)差值，分別為b-a、d-c、c-a、d-b;五角星和圓點分別代表通過了信度0.01和0.05顯著性檢驗)

2) 京津冀高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次和有效積溫表現(xiàn)為“多—少—多—少”的年代際變化；1960—2020年出現(xiàn)3次明顯突變點。通過對3次突變前后的時段分別進行差異顯著性檢驗，發(fā)現(xiàn)第一次和第二次突變年份前后振蕩期差異具有高度顯著性，而第三次突變年份前后振蕩期差異則為通過顯著性檢驗。

3) 京津冀高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次和有效積溫存在兩次集中偏多期和2次集中偏少期。第二次偏多集中期(1996—2005年)相對于第一次(1960—1972年)表現(xiàn)為高溫?zé)崂巳諗?shù)北增南減的特征，第二次偏少集中期(2006—2020年)相對于第一次(1973—1995年)表現(xiàn)為中南部整體增加的特點，且高溫?zé)崂巳諗?shù)大于4 d的影響區(qū)域均呈擴大的態(tài)勢。

4) 京津冀高溫?zé)崂巳諗?shù)、頻次和有效積溫存在2—5 a的顯著振蕩周期。