1951—2016年武汉市极端气温指数特征

毛以伟，陈正洪，陈 茜，谢 萍

（1.武汉中心气象台，湖北 武汉430074；2.湖北省气象服务中心，湖北 武汉 430074）

因温室气体排放影响，人类赖以生存的地球正遭受前所未有的挑战。科学家们预计21世纪气候极端事件的出现次数、持续的时间和影响范围将增加[1]。中国科学家们对气候变化事实和相关影响进行了长期研究。丁一汇等[1-2]研究认为：人类排放的大量CO2等温室气体的增温效应是近50 a气候变暖的主要原因。中国地表气温近百年增温1.20℃。快速变暖从20世纪80年代开始，人类影响也从20世纪80年代中期明显增加。气候模式预估显示,到21世纪末,极端气候事件将增多,高温热浪增加明显。苏京志等[3]研究了近几年全球变暖趋缓现象，认为未来高温热浪出现的次数更多、持续时间也更长。韦志刚等[4]研究了青藏高原气温变化特征。曾小凡等[5]研究了长江流域3个变化敏感区域平均气温的变化特征。王凯等[6]分析了华中区域年平均最高、最低气温变化特征。罗启华等[7]认为江汉平原区域的年平均气温最近20 a来明显上升,1994年开始出现突变。张天宇等[8]认为三峡库区平均气温在1996年左右突变为增暖趋势。覃军等[9]对武汉近百年气温变化分析认为1915、1950、1990年前后的气温突变最明显。近20 a来，极端气温变化的研究逐渐多起来。刘学华等[10]认为中国1976—2000年极端气温指数表现为变暖趋势。翟盘茂等[11]认为20世纪90年代中期以后高温日数显著增多，日较差也明显的减小。秦秀丽[12]研究了山西省极端气温发生频率，认为极端高温事件增加，极端低温事件减少，存在突变和周期性振荡。朱歆炜等[13]研究了湖南省极端气温事件，认为其暖日、暖夜数普遍增多，冷日、冷夜多有减少，并发现了突变和周期性振荡。李焕[14]研究了阿勒泰地区最高气温及高温日数变化，认为其平均最高气温呈波动性上升，高温日数存在突变。武丽梅等[15]认为中国大陆整体为明显增温趋势，年极端高温、年极端低温的平均增温率分别为0.43℃/10 a、0.25℃/10 a。黄小燕等[16]认为中国沿海的极端最高温、极端最低温都呈上升趋势。夏日日数和热夜日数近30 a上升幅度分别为6.35 d/10 a、5.28 d/10 a。黄强等[17]认为广东省年极端气温具有倾向极端的趋势，6个极端气温指数突变时间集中在20世纪90年代和21世纪初期。杨晓静等[18]分析认为云南最高气温与最低气温均在20世纪80年代后呈现更为显著的增温趋势。马淑苗等[19]认为山西南部暖日和暖夜显著增加，极端最低气温、极端最高气温增率均为0.36℃/10 a,其突变多集中在20世纪80年代和90年代。张照玺等[20]认为黄河流域平均最高气温、平均最低气温、暖日阈值和冷夜阈值均呈现显著的上升趋势。

武汉市为长江沿岸的特大城市，是中部地区中心城市，因夏季炎热，一度被称为中国“四大火炉”之一。本文通过较长时间系列武汉极端气温指数（与炎热相关，下同）的统计分析,研究其在全球气候变化大背景下的主要变化特征，如武汉极端最高气温及相关指数20世纪80年代以来是一直增加的吗？还是存在下降的趋势呢？是否存在周期性变化情况？未来一段时间会是什么样的变化趋势？武汉真的退出了“四大火炉”吗？

1 资料与方法

文中武汉、重庆、福州、杭州、南昌、长沙、南京、合肥等城市选取的对应代表气象站信息见表1。武汉气温资料来源于“中国气象科学数据共享服务网”（http://cdc.cma.gov.cn）和湖北省气象局气象台站整编资料。重庆、福州、杭州、南昌、长沙、南京、合肥气温资料来源于“中国科学院资料环境科学数据中心”（http://www.resdc.cn/DataList.aspx）。

参照WMO发布的极端天气指数，结合武汉天气气候实际，选取了武汉气象站的3个极端气温指数来分析其变化趋势和突变情况。年极端最高气温：每年最高的日最高气温（℃）；年高温日数：每年内日最高气温≥ 35℃日数（d）；年热夜日数：每年内日最低气温≥ 27℃日数（d）。

采用多项式拟合和线性倾向估计方法分析极端气温指数的历史变化趋势。采用Morlet小波变换研究其周期性变化规律。运用累积距平方法结合M-K检验[23]（Mann-Kendall非参数检验方法）综合判定其历史突变情况。采用R/S分析方法（Hurst指数）分析极端气温指数的未来变化趋势。

Hurst指数（简称H）含义是：当0＜H＜0.5时，表明时间序列较前期具有相反的变化趋势，即序列在将来的升降趋势与过去相反，且H值越小，相反的升降趋势越明显；当H=0.5时，表明序列是随机的，没有规律；当0.5＜H＜1.0时，表明序列具有较长的记忆性，即序列在未来的升降趋势与过去的趋势相同，且H值越大，这种升降趋势越明显。

表1 重庆、福州、杭州、南昌、长沙、武汉、南京、合肥8个城市的代表气象站信息表

2 结果与分析

2.1 时间变化分析

分析武汉市年极端最高气温变化可以发现（图1a），超过39℃的有6 a，最高出现在2003年为39.6℃。多项式拟合曲线可知，1951—2016年，武汉极端最高气温年际变化存在2个上升区间和3个下降区间。下降区间为1951—1954、1968—1984、2004—2015年,下降幅度呈减弱趋势；上升区间为1955—1967、1985—2003年，上升幅度呈增强趋势。线性拟合显示年极端最高气温整体仍呈缓慢上升趋势，年极端最高气温以0.1℃/10 a的上升，通过了信度为90%的检验。计算1986—2003年的增率为0.8℃/10 a，显示2003年之前近18 a武汉极端最高气温呈显著的上升趋势。但近12 a，武汉市极端最高气温呈较明显下降趋势（图1a，多项式拟合，断线）。

分析武汉市年高温日数逐年变化特征可见（图1b），高温日数超过40 d的有4 a，最多为44 d。多项式拟合曲线可知，1951—2016年，高温日数年际变化存在2个波峰和3个波谷，1951—1954、1967—1987、2006—2015年为高温日数减少区间，其中2006—2015年高温日数减少幅度较大；1955—1966、1988—2005年为高温日数增多区间，1988—2005年高温日数持续了17 a的增长趋势。线性拟合可见，高温日数整体呈缓慢上升趋势，高温日数增率0.53 d/10 a。计算1986—2005年高温日数的增率为10.5 a/10 a，显示2005年之前近20 a武汉市高温日数为明显的增加趋势。但近11 a，武汉市高温日数呈显著减少趋势（图1b,多项式拟合，断线）。

图1 武汉市1951—2016年极端气温指数变化

从图1c年热夜日数年际变化图可知，年热夜日数最多为2005年的40 d。多项式拟合曲线可知，1951—2016年，热夜日数年际变化存在两个增加区间和两个减少区间。增多区间为1951—1959、1975—2005年，后者显示热夜日数持续了30 a的增长趋势；减少区间为1960—1974、2006—2016年，后一区间减少幅度较大。线性拟合可见，热夜日数整体呈上升趋势，热夜日数增率2.1 d/10 a，通过了信度为99.9%的检验。计算1975—2005年近31 a的热夜日数的增率为6.7 d/10 a，显示2005年之前近31 a武汉市热夜日数呈较明显增加趋势。但近11 a，武汉市热夜日数表现出较明显的递减趋势（图1c,多项式拟合，断线）。

图1a与图1b走势一致，计算年极端最高气温与年高温日数相关系数为0.80，通过了信度99.9%的检验，为显著性相关，说明年极端最高气温（年高温日数）偏高的年份，年高温日数（年极端最高气温）也多偏高，反之亦然。同理分析了另外两种相关性，年高温日数与年热夜日数相关系数0.62，年极端高温与年热夜日数相关系数0.48，也都为显著性相关（通过了信度为99.9%的检验）。

2.2 小波变换分析

图2为武汉市1951—2016年极端最高气温指数小波变换系数实部。图2a显示武汉市年极端最高气温在1951—1965年存在8～9 a的周期变化，在1966—1997年存在5～6 a的周期变化，在1970—2015年还存在10～11 a的周期变化，方差分析显示10～11 a的周期变化较为显著。图2b显示武汉市高温日数在1951—1970年存在8～9 a的周期变化，在1966—1997年存在准6 a的周期变化，在整个时间系列还存在15～16 a的变化周期，6 a的周期变化较为显著。图2c显示，武汉市热夜日数在1951—1980年存在准11 a的周期变化，在1981—2016年存在准14 a的周期变化，整个时间系列还存在23～24 a的周期变化，23～24 a的周期变化较为显著。

图2武汉市1951—2016年极端气温指数小波分析

2.3 突变分析

图3 a为武汉市年极端最高气温累积距平图，1951—1986年，整体呈极端最高气温累积距平负向扩大趋势，为减小趋势；1986—1991年累积距平负向有所减弱；1991—1998年呈累积距平负向扩大趋势；1998年以后整体呈累积距平正向扩大趋势，显示年极端最高气温为增高趋势。图3b为武汉市年极端最高气温M-K检验图，可见UF在2003—2016年整体超过了0.05显著水平临界线，即2003—2016年为出现突变时间区域（变化趋势显著区域）。UF与UB首次在临界线内相交的时间点为1986年左右；累积距平显示，1986年后，除1991—1998年有所波动外，累积距平整体呈上升趋势，为此，两者结合，可以认定1986年为突变开始时间，由前期下降趋势突变为波动性整体上升趋势。1951—2016年，武汉年极端最高气温平均值为37.5℃，突变前平均值为37.3℃,突变后平均值为37.7℃,上升了0.4℃。

图3 武汉市年极端最高气温突变检验

图4a为武汉市高温日数累积距平图，可见1951—1957年和1967—1997年为高温日数累积距平负方向发展阶段，呈减少趋势；1957—1967年和1997—2015年为高温日数累积距平正方向发展阶段，呈增多趋势。图4b为武汉市高温日数M-K检验图，可知与累积距平图相对应的，在1957年和1997年左右UF与UB也对应的出现了交点，表明武汉市高温日数在1957年和1997年前后出现了两次突变，两次突变均为由减少趋势突变为增加趋势。1951—2016年武汉市年均高温日数21.1 d。第一次突变是由1951—1957年的高温日数均值17.3 d突变增加到1958—1967年的27.9 d，较突变前增多61%，较多年平均增多32%。第二次是由1968—1997年的高温日数均值16.7 d突变增加到1998—2016年的25.8 d,较突变前增多54%,较多年平均偏多22%。

图4 武汉市年高温日数突变检验

图5a为武汉市热夜日数累积距平图。1951—1959年累积距平有正向发展趋势，但随后反转为较长时期的负向发展趋势,直到1993年,反转为较长时间的正向发展趋势。图5b为武汉市热夜日数M-K检验图。UB在1951—1983年超过了0.05显著水平临界线，UF在1998年以后也超过0.05显著水平临界线,可知1951—1983年武汉市热夜日数突变减少显著，1998年以后热夜日数突变增多显著。UF与UB首次在临界线内相交的时间点为1990年左右；累积距平显示，1989年后，武汉市热夜日数累积距平整体呈上升趋势；两者结合，可以确定1990年为武汉市热夜日数突变开始时间，由前期减少趋势突变为波动性整体增多趋势。1951—2016年，武汉市热夜日数平均值为18.7 d，1990年突变前平均值为14.2 d,较多年平均值偏少25%,突变后平均值为25.3 d,较突变前增多了78%，较多年平均偏多35%。

图5 武汉市年热夜日数突变检验

由上可知，1986年为武汉市年极端最高气温突变开始时间，武汉市高温日数在1957年和1997年前后出现了两次突变，1990年为武汉市热夜日数突变开始时间。文献[12]中认为山西省气温在20世纪90年代以来突变显著，中山西南部的极端气温事件突变时间多为20世纪80年代、90年代[19]。文献[13]认为湖南省暖日、暖夜和冷夜分别在2008、2003、1986年出现突变；阿勒泰的高温日数在1974前后发生了突变[14]。广东的极端气温事件的突变时间主要在20世纪90年代至21世纪初期[17]，云南的极端气温事件的突变时间为20世纪80年代[18]。可见，各地的极端气温事件突变时间有所不同，但主要集中在20世纪80年代、90年代。

2.4 R/S分析

利用R/S分析方法，计算武汉市历年极端最高气温、年高温日数和年热夜日数的R/S值（图6），并建立线性回归方程。

图6中横坐标为样本的时间系列n取对数，纵坐标为对应的R/S取对数。对散点图进行线性回归拟合，得到直线的方程，进而可求出H（Hurst指数），它与直线的斜率相同。

根据线性拟合方程，分别求得武汉市年极端最高气温、年高温日数和年热夜日数的R/S分析式：

年极端最高气温R/S分析方程：

年高温日数R/S分析方程：

年热夜日数R/S分析方程：

可知武汉市年极端最高气温、年高温日数和年热夜日数的R/S分析的Hurst指数H分别为0.646 9、0.778 6、0.976 8。显示都具有长记忆特性，保持原有随着时间增降的趋势。1951—2016年，武汉市年极端最高气温在总体上呈微上升趋势，其H值稍大于0.5，仍保持原有的微增长趋势。年高温日数也同样整体上呈较弱的增加趋势，其H值稍大于0.5，未来仍保持原有增加趋势。年热夜日数总体上为较强的增加趋势，H值最大，接近1，保持原有较明显增加趋势的可能性大。

2.5 对比分析

选取重庆（57516）、福州（58847）、杭州（58457）、南昌（58606）、长沙（57679）、南京（58238）、合肥（58321）7大炎热城市与武汉进行比较分析（表2～表4）。

图6 武汉市极端气温指数R/S分析

武汉极端最高气温值在8个炎热城市中最低，近30 a极端最高气温的均值和递增率较整体均值和递增率变大（表2）。极端最高气温整体均值、整体递增率和近30 a递增率皆列第七位，近30 a极端最高气温均值列第6位。极端最高气温5项指数综合排名（5项排名累加，下同）武汉列最后一位，其极端最高气温指数在8个城市中最低，其余7城市的极端高温指数综合排名为：重庆、杭州、福州、长沙、合肥、南京、南昌。

表2 武汉与重庆、福州、杭州、南昌、长沙、南京、合肥极端最高气温指数比较分析

武汉的高温日数极大值在8个站中排第7位，近30 a高温日数的均值和递增率较整体均值和递增率变大（表3）。高温日数整体均值和近30 a均值皆列第6位，整体递增率列第3位，近30 a递增率退至第5位,原因是其增加幅度低于长沙、南昌和杭州。高温日数5项指数综合排名武汉排名第6位，武汉高温日数指数在8个城市中居后。8个城市的高温日数综合排名为:重庆、福州与长沙（并列）、杭州、南昌、武汉、合肥、南京。

表3 武汉与重庆、福州、杭州、南昌、长沙、南京、合肥高温日数指数比较分析

武汉的热夜日数极大值、整体均值、近30 a均值和近30 a递增率在8个城市中均排名为末位,其整体递增率排在第2位，近30 a热夜日数递增率减小了0.06 d/a（表4）。热夜日数5项指数综合排名武汉列最后一位，其余7城市的热夜日数综合排名为：福州、南昌、杭州、重庆、长沙、合肥、南京。

表4 武汉与重庆、福州、杭州、南昌、长沙、南京、合肥热夜日数指数比较分析

极端最高气温、高温日数、热夜日数三类指数综合后，8城市排名为:福州、重庆、杭州、长沙、南昌、合肥、武汉、南京。武汉综合排名列第7位。近30 a在全球气候变化的大背景下,武汉极端气温指数总体上呈递增趋势，但其增幅低于其他多个城市，其炎热程度在8个城市中居后，显示武汉退出了“四大火炉”城市的行列。

3 小结与讨论

（1）武汉市年极端最高气温、年高温日数、年热夜日数时间变化呈波动型，都有阶段性上升和下降趋势。线性拟合显示,上述极端气温指数总体呈上升趋势。多项式拟合显示，年极端最高气温在2003年前近18 a、高温日数在2005年前近20 a、热夜日数在2005年前近31 a呈较明显上升或增加趋势，年极端最高气温在2003年后、高温日数与热夜日数在2005年后呈现较明显的下降趋势。

（2）武汉市年极端最高气温在1986年，年高温日数在1957年和1997年，年热夜日数在1990年出现了突变，由前期下降趋势突变为波动性整体上升趋势。年极端最高气温均值突变后上升了0.4℃，而年高温日数两次突变后均值分别增多61%和54%，年热夜日数突变后均值增多78%。

（3）武汉市极端最高气温、高温日数、热夜日数存在长短不同的振荡周期，极端高温存在5～6、8～9 a和10～11 a的周期变化，其中10～11 a的周期变化较为显著。武汉市高温日数存在6、8～9 a和15～16 a的周期变化，其中6 a的周期变化较为显著。武汉市热夜日数存在11、14 a和23～24 a的周期变化，以23～24 a的周期变化较为显著。武汉市年极端气温指数虽然近11 a为下降或递减趋势，R/S分析显示未来仍很可能出现上升或递增的趋势。

（4）武汉与重庆、福州、杭州、南昌、长沙、南京、合肥7城市比较分析显示，武汉年极端最高气温和年热夜日数指数综合排名居末位，年高温日数指数综合排名居第6位。年极端最高气温、年高温日数、年热夜日数三类指数整体综合排名武汉为第7位，其炎热程度在8城市中居后，显示武汉退出了“四大火炉”城市的行列。

由于文中选取的极端气温指数的代表性值得做进一步研究，数量上也稍显单薄。统计结论的代表性需在深入的研究中进行检验,建议与其他相关研究结合起来参考使用。