气候变暖背景下合肥机场极端气温变化特征分析

王 勇　(民航安徽空中交通管理分局，安徽合肥 230051)



气候变暖背景下合肥机场极端气温变化特征分析

王 勇(民航安徽空中交通管理分局，安徽合肥 230051)

极端气温及其伴随的高温对流、低温冰雪、霜冻等恶劣天气不仅制约人们的生产生活，对航空飞行活动的影响也尤为突出，气温是决定飞机起飞载重以及起飞滑跑距离的重要气象指标。随着我国民用航空事业的迅猛发展，航空货运需求逐年增加，提高飞机的货物运输量经济效益巨大，因此，在气候变暖背景下加强气温特别是极端气温变化研究，对货运繁忙条件下保证飞行安全和效益作用巨大。

针对极端气温在气候变暖背景下的变化特征，许多学者进行了研究，并取得了较多成果[1-5]。如程炳岩等[1]利用上海、南京、东台、徐州考察冬夏极端气温出现概率对全球气候变暖的敏感率，得出其概率分布敏感率呈现出方差变化影响大于均值变化影响；史军等[6]研究表明逐日最高地面气温和环流指数对极端气温时间动态变化和时间地域差异影响较大，城市化也增加了高温事件的发生；姚望玲等[7]利用武汉市1951~2007年间高温天气极端温度日数序列，采用格兰杰因果性检验法探讨气候变暖与极端温度事件关系，发现气候变暖下闷热天气增多，降水事件减少。基于对前人研究内容的学习了解，笔者在此利用1986~2013年间合肥机场逐日最高、最低气温资料，通过阈值分析法选出极端气温日数序列，采用累积距平和Morlet小波变换等方法分析了气候变暖背景下合肥机场极端温度的变化特征，以了解其时间变化特征及形成原因机制，为当代交通运输尤其是民航飞行提供智力支持。

1资料与方法

1.1资料来源利用合肥机场1986～2013年逐日温度极值资料通过阈值筛选将最高温度的5%作为极端高温，最低温度的5%作为极端低温[8]，将出现极端高温(低温)的那天定义为极端高温日(低温日)，并将筛选值进行气候学统计处理，分析合肥机场在气候变暖背景下极端气温日数的变化特征。季节划分原则为春季(3~5月)、夏季(6~8月)、秋季(9~11月)、冬季(12月~翌年2月)。

1.2研究方法

1.2.1气候倾向率。气候资料时序数据(x1,x2,…,xn)与表示年份顺序的自然数列(1,2,…,n)是一一对应的, 因此可以将降水量时间序数据看作自变量、将降水量数列看作因变量建立线性回归方程:xi=a+bti，其中,a为回归常数,b为回归系数,a和b可以用最小二乘法进行估计。将b×10称为气候倾向率，气候倾向率的符号表示气候变量x的趋势倾向,其值的大小反映上升或下降的速率的快慢[9]。

1.2.2M-K检验。采用Mann-Kendall突变检验(简称M-K检验)对极端气温进行突变检测。M-K检验的检测范围宽、定量化程度高,不需要样本遵从一定的分布,也不受少数异常值的干扰,更适用于类型变量和顺序变量[10-11]目前比较常用的趋势诊断方法。

1.2.3累积距平法。累积距平[12]一种常用的、由曲线直观判断变化趋势的方法, 同时通过对累积距平曲线的观察, 也可以划分变化的阶段性。对于时间序列，将n个时刻的累积距平值全部算出, 即可绘制累积距平曲线,进行趋势分析。

1.2.4小波变换方法。小波变换在时频域上均具有良好的局部性质,可以分析出气候量变化的局部特征, 能清楚地分析出气候变化的周期性特征，其中,Morlet小波是常用的复数形式的小波函数[13-17]。极端气温日数进行Morlet小波变换可以分析其时间变化特征。小波系数的实部包含给定时间和尺度下,相对于其他时间和尺度,信号的强度和位相两方面的信息。小波系数为正时,表示降水量相对偏多,用实线表示；小波系数为负时,表示相对偏少,用虚线表示；小波系数为0的地方则为突变点。Morlet小波功率谱检验图表示能量密度，可以把各种时间尺度的周期变化在时间域中的分布情况展示出来，小波功率谱值越大，表明所反应的时段和尺度的周期性越明显[13]，通过能量值的计算可以对小波功率谱进行给定置信水平的显著性检验。

2极端气温变化特征分析

图1　1986~2013年合肥机场最高气温(a)、最低气温(b)年变化

2.1最高、最低气温历年变化从图1可以看出，合肥机场区域最高气温、最低气温年极值变化明显，近28年来合肥机场最高温度多年平均值为38.0 ℃，极大值为40.4 ℃(2013年)，极小值为35.8 ℃(1993年)，最低温度多年平均值为-8.4 ℃，极大值为-4.9 ℃(2007年)，极小值为-13.5 ℃(1991年)；温度极值年变化线性趋势不显著，但从5年滑动平均看，波动变化特征明显，最高温度在20世纪90年代中后期、21世纪初期年极值较高，90年代初期、2010年前后极值较低；最低温度在1990年前后(1991年除外)、2010年前后(2008年除外)极值偏高，90年代后期~21世纪初期极值偏低；年温度极值波动范围较大，具有一定的不确定性。

2.2极端气温日数年变化特征合肥机场极端气温日数年变化较大，28年间极端高温日数多年平均值为19 d，1995年出现最多,达38 d，1987、1993年出现最少,仅为4 d；极端低温日数平均值为18 d，2008年出现最多,达39 d，1990年出现最少,仅为6 d。极端气温日数均有一定程度的增加趋势，其中极端低温日数增加趋势极为显著，气候倾向率为5.2 d/10a，但极端高温日数未通过0.05的显著性检验。

图2　1986~2013年合肥机场极端高温(a)和低温(b)日数距平及累积距平变化

距平及累积距平历年变化(图2)表明，极端高温日数在20世纪90年代之前偏少，90年代前期和中期偏多(1993年偏少),之后至21世纪前期负距平占主导地位，2010年以后明显偏多，极端高温日数呈现增加趋势；极端低温日数在2002年以前以负距平为主，之后正距平占据主导地位，累积距平在2002年也发生减少到增加的转变。M-K检验表明，极端高温日数没有明显突变现象，以波动变化为主，极端低温日数在2000年左右发生由偏少到偏多的突变。因此，进入21世纪后，在气候变暖背景下极端低温日数却明显增加。

2.3极端气温日数月、季变化特征由表1可见，近28年合肥机场极端气温的月、季分布相对集中，极端高温日数主要出现在7月份，其次是8、6月份，分别占全年极端高温日数的55.1%、32.3%、9.6%，夏季极端高温日数占全年的97.0%，极端低温日数主要出现在1月份，其次是12、2月份，分别占全年极端低温日数的50.2%、27.4%、18.5%，冬季极端低温日数占全年的96.1%。近28年来夏季极端高温日数有一定的增加，但未通过0.05的显著性检验，8月份极端高温日数增加趋势明显，气候倾向率为1.8 d/10a；冬季极端低温日数增加趋势极为显著，气候倾向率为5.6 d/10a，12和1月份极端低温日数增长对其贡献突出。

表1　1986~2013年合肥机场极端气温日数月、季分布特征

2.4极端气温日数周期特征由图3可见，近28年来合肥机场区域极端气温日数存在多尺度的周期震荡规律。极端高温日数年变化存在2~4、5~6、10年左右时间尺度的周期变化规律，其中2~4、5~6年时间尺度震荡能量较强，周期特征显著，合肥机场极端高温日数经历了“偏少-偏多-偏少-偏多”4个循环交替的阶段，到2013年小波系数等值线逐渐闭合表明极端高温日数偏多阶段正逐渐结束；极端低温日数变化存在3年左右、8~10年时间尺度的周期变化规律，其中3年左右时间尺度震荡能量强，周期特征显著，机场极端低温日数经历“偏少-偏多-偏少-偏多”4个循环交替的阶段，到2013年小波系数等值线逐渐闭合表明极端低温日数即将进入偏少期。

3可能原因分析

形成和制约气候变化的因子很多。其中大气环流是影响合肥地区极端气温日数发生变化的重要原因之一。在全球气候变暖的大背景下，大气环流系统也出现相应的变异和调整进而导致区域气候变化。我国处于东亚季风区，气候变化受东亚附近环流系统影响明显，近年来欧亚区域西风环流偏强，经向环流减弱，副高强度增加，造成合肥地区易出现高温天气，但由于合肥位于巢湖(全国第五大淡水湖)之滨，南北分别是长江、淮河两大水系，水汽含量充沛使得合肥地区变暖趋势受到一定的抑制，极端高温日数虽有所增加但不明显。全球变暖造成地面积累大量不稳定能量，蒸发加大，水循环速率加快，在增加大暴雨的同时暴风雪的强度和频率也有所增加，突发性极端冷事件出现随机性增大，所以全球变暖条件下低温概率虽然减少，但破坏巨大的极端低温事件却不降反升。

气候变化是气候系统内部和外部因子相互作用、相互影响的结果，人类活动对气候变化也有一定的影响。近年来合肥地区发展迅速，能源消耗大量增加，城市建设造成下垫面变化巨大，大量农田变成道路和楼房，以及人口的迅速扩张使得城市热岛效应逐渐突出，造成极端温度出现的频率和强度增加。

4对飞行活动的影响

气温是决定航空器起飞和着陆滑跑距离和载重的关键因素之一，气温高时空气密度小，发动机推力或螺旋桨拉力减小，航空器增速较慢，同时航空器升力减小，离地速度增大，造成航空器起飞滑跑距离延长，反之，气温低时滑跑距离缩短(若实际气温比标准气温低10 ℃，起飞滑跑距离缩短10%~11%)，这对相同滑跑距离条件下增加飞机载重提高飞行效益意义重大。

气温对仪表示度及精度变化影响很大，航空器上使用的空速表和高度表均是根据标准大气温度(15 ℃)设计的，当气温发生变化时，仪表就不能完全真实地反应实际空速和高度，温度偏离越大出现极端温度时仪表偏差最大，若未及时根据航线上的实际温度进行仪表示度订正则会带来较大的飞行安全隐患，因此，准确地掌握温度层分布以及温度变化有利于航空飞行的安全。

极端温度的出现还会影响飞机部件的使用。出现极端高温时，容易造成飞机轮胎等零部件老化，降低使用寿命，极端低温出现往往伴随积冰、霜冻等次生天气，较厚且粗糙的积冰会严重影响飞机的空气动力性能，影响部分机载电子设备性能，给安全维护带来一定影响。

5极端气温下的航空气象业务保障探讨

通过对合肥地区极端气温日数变化特征的分析，结合极端气温对航空飞行活动的影响，对今后航空气象保障中温度情报的提供和预报具有积极的指导意义：①在气候变暖背景下极端低温日数却有显著的增加趋势，鉴于极端气温的次生灾害，气象人员在晴朗的冬季尤其要注意，出现霜冻天气时及时向有关部门通报，预报应根据天气形势提前发布预警预报；②关注温度变化，及时提供服务，日出日落及雷暴前后是温度变化最为剧烈的时段，短时间内温度可能变化5 ℃以上，观测员应将温度变化及时提供，为飞机结合跑到长度装载适量的货物提供依据，减少飞行安全隐患；③预报员根据高空探测资料提供准确的温度层结资料，特别是0 ℃等温线附近高度，对于减少飞机遭遇雷击和积冰有重要作用。

6总结

利用合肥地区1986～2013年逐日气温极值资料，对极端气温日数出现的时间变化特征和相关原因进行了研究，并就其对航空飞行活动的影响及对航空气象服务的指导意义进行了分析，得出以下几点结论：

(1)合肥地区年温度极值以波动变化为主，线性趋势不明显，气候变暖背景下极端高温日数增加不明显，极端低温日数却有极显著的增加趋势。

(2)极端高温日数7月份出现最多，极端低温日数1月份出现最多， 8月份极端高温日数及12、1月份极端低温日数均有显著的增加趋势。

注：a1、b1为小波变换实部图；a2、b2为功率谱图；a3、b3为功率检验图。图3　1986~2013年合肥机场极端高温(a)和低温(b)日数Morlet小波变换

(3)合肥地区极端气温日数存在多尺度的周期震荡汇率，其中极端高温日数2~4、5~6年时间尺度周期震荡明显，极端低温日数3年左右周期特征显著。

(4)极端气温对飞行安全和效益影响较大，航空气象服务部门结合极端气温变化规律及用户需要准确、有效地提供预报、实况资料，对提高飞行质量有重要意义。

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摘要[目的]探讨合肥机场极端气温变化特征。[方法]利用合肥地区1986～2013年逐日气温极值资料，采用线性回归法、M-K检验法、累积距平法及小波变换等方法，对近28年来合肥地区极端气温的变化特征进行了分析。[结果]气候变暖背景下合肥地区年温度极值以波动变化为主，极端高温日数增加不明显，极端低温日数却有极显著的增加趋势；极端高温日数7月份出现最多，极端低温日数1月份出现最多，8月份极端高温日数及12、1月份极端低温日数均有显著的增加趋势；极端高温日数2～4、5～6年时间尺度周期震荡明显，极端低温日数3年左右周期特征显著。[结论]极端气温对飞行活动安全和效益影响较大，航空气象服务部门结合极端气温变化规律及用户需要准确、有效地提供预报、实况资料，对提高飞行质量有重要意义。

关键词气候变暖；合肥机场；极端气温；变化特征

Analysis on the Variation Characteristics of the Extreme Temperature of Hefei Airport

WANG Yong(Air Traffic Management of Anhui Civil Aviation,Heifei,Anhui 230051)

Abstract[Objective] The research aimed to discuss the variation characteristics of the extreme temperature of Hefei Airport.[Method]Based on daily temperature data of Hefei airport from 1986 to 2013, the variation characteristics of the extreme temperature in Hefei were analyzed by linear regression method,Mann-Kendall method,accumulative anomaly method and the wavelet transform method.[Result]Under the background of climate warming,the extreme value of the annual average temperature had fluctuation change characteristic in Hefei area.The extreme high temperature days increased insignificantly,but the extreme low temperature days had very significant increasing trend.The extreme high temperature days always appear in July,the extreme low temperature days always appear in January, the high temperature days in August and the low temperature days in December and January were increased obviously.For extreme high temperature days, the periodic oscillation was significant in period of 2-4 years and 5-6 years; for extreme low tempeature days, the period of 3 years showed distinctive characteristic.[Conclusion]The extreme temperature has great impact on the flight activities.It is important to improve the flight quality by providing accurate and effective information of forecast.

Key wordsClimate warming;Hefei airport; Extreme temperature;Variation characteristics

收稿日期2015-10-13

作者简介王勇(1968-)，男，安徽铜陵人，工程师，从事区域气候变化研究。

中图分类号S 16

文献标识码A

文章编号0517-6611(2015)32-366-04