石羊河流域中下游高温事件气候特征

陈 玲，杨晓玲，袁金梅，王润元

（1.永昌县气象局，甘肃 永昌733200；2.中国气象局兰州干旱气象研究所，甘肃 兰州730020；3.武威市气象局，甘肃 武威733099）

20世纪90年代以来，全球气候变化加剧，极端高温事件频繁发生[1-3]，呈现出强度强、频次高、范围广、持续时间长等特点，极端高温事件往往与特重干旱相伴而来，严重地威胁公众健康和生命财产，同时会增加能源消耗，对工农业安全生产造成一定的影响[4]。高温热浪引发的灾难甚至不亚于海啸、台风等突发性灾害。据统计，美国所有因极端天气气候灾害引起的人员死亡中，极端高温位居首位，1992—2001年美国因高温死亡人数达2190人，超过同期因洪涝、龙卷风、飓风造成的死亡人数。2003年夏季欧洲一次极端高温事件，造成35 000余人死亡。近年来，中国高温日数有所增多、高温强度有所增强，对人类活动、生命健康和工农业生产的影响正在加重。

近年来，各国学者从不同角度对全球高温事件多有研究：北大西洋地区高温事件频率增加，振幅无明显变化[5]；俄罗斯在过去几十年间极端最高温度日数显著增加[6]；中国大部分地区最高温度明显升高，温度极端偏高日数明显增多[7-11]。2004年中国气象局在《突发气象灾害预警信号发布业务规范》中已将高温事件列为重大气象灾害性天气，根据危害程度发布相应级别预警信号。在全球气候变暖的大背景下，石羊河流域高温事件发生了一定的变化，但目前已有研究仅限于天气标准高温事件[12-13]的分析，对平均标准的高温事件研究鲜有报道，因此，本文采用气象固定阈值和百分位阈值方法对石羊河流域最高气温和平均气温分别定义了高温事件，对高温事件强度、极值和日数变化特征进行了分析和研究，将会为高温事件的准确预报预警提供技术支持，同时对提高高温事件引发灾害的应对能力、降低气候变化带来的风险、有效防御气象灾害、合理利用气候资源和转变生产生活方式等方面提供科学决策依据。

1 研究区概况

石羊河流域是甘肃省河西走廊三大内陆河之一，位于祁连山东段与腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠南缘之间，地理位置在 36°29′～39°27′N，101°41′～104°16′E，流域全长约300 km，总面积约 4.16×105km2（图1）。地势西南高东北低，由西南向东北倾斜，地形地貌复杂。石羊河流域深居大陆腹地，属大陆性温带干旱、半干旱气候，辐射和蒸发强烈，日照充足，降水少，昼夜温差大。流域自南向北分为上游（古浪）南部祁连山区、中游（武威）中部走廊平原区、下游（民勤）北部荒漠区3大地貌单元和气候区[14]，上游南部祁连山为高寒半干旱、半湿润区，海拔高度2 000～5 000 m，年降水量 300～600 mm，年平均气温2～6℃；中游走廊平原为温凉干旱区，海拔高度1 500～2 000 m，年降水量 150～300 mm，年平均气温6～8℃；下游荒漠地带为温暖干旱区，海拔高度1 300～1500 m，年降水量＜150 mm，年平均气温＞8℃。

图1 石羊河流域地理分布

2 资料、指标与方法

2.1 资料与指标

资料均来源于石羊河流域中游（武威）、下游（民勤）2个气象站，资料种类为日最高气温与平均气温，时段为1960—2015年，共56 a。上游（古浪）气候温凉，56 a只出现了一次天气标准高温，所以未作分析。2个气象站56 a来均未曾迁移，资料完整性和连续性较好，时间序列长。

高温事件阈值的确定：①在气象业务上，用固定阈值法（天气标准）来判定高温事件[15]，将日最高气温≥35℃作为高温事件的阈值；②采用百分位阈值法[16-17]（平均标准）来判定高温事件，选取1960—2015年日平均气温时间序列逐年按照降序排列，第5%的值定义为该年高温事件阈值，逐年高温阈值的平均值定义为高温事件总阈值，中游为24℃，下游为25℃。年高温事件强度是指年内高温事件的平均值，年高温事件日数是指年内高温事件的总日数，年高温事件极值是指年内高温事件的最大值。

运用平均值（x）和均方差（σ）判断指标[18]对高温事件进行的异常性判别，若高温事件波动值在x±σ之间，为正常波动，若高温事件波动值在x±σ和x±2σ之间，为偏弱（少）或偏强（多）；若高温事件波动值在x±2σ之外，为特弱（少）或特强（多）。

2.2 方法

依据高温事件阈值，求得两种高温事件的强度、日数以及极值，分析年代、年和月高温事件变化及年极值变化特征。中、下游年平均高温事件为同一地点不同年份（n=56 a）平均。运用线性趋势估计法[19]分析年高温事件变化趋势，对气候趋势系数变化趋势进行显著性检验[20]。根据蒙特卡罗模拟方法[21-22]，通过σ=0.1、0.05、0.01显著性水平检验所对应的趋势系数临界值依次为0.305 8、0.365 3、0.443 0，分别对应着变化趋势较显著、显著、很显著。运用方差分析方法对高温事件进行周期分析，求F值进行显著性检验[23]。运用累计距平和信噪比法对高温事件进行突变分析，信噪比≥1.0时认为存在气候突变，即最大信噪比对应的年定义为气候突变年[24-25]。

3 结果与分析

3.1 高温事件年代变化

表1为石羊河流域中、下游逐年代高温事件强度和日数距平（均值为1960—2015年56 a平均）。中、下游两种天气标准的高温事件强度总体呈增强趋势，但逐年代变化不太一致，天气标准高温事件强度中游20世纪60年代略偏弱，70—80年代偏弱，90年代至21世纪前16 a偏强；下游20世纪60年代略偏强，70年代、90年代、21世纪00年代略偏弱，80年代持平，2010—2015年偏强。平均标准高温事件强度中游20世纪60年代持平，70年代和90年代偏弱，80年代略偏弱，21世纪00年代偏强，2010—2015年特强；下游20世纪60—70年代偏弱，80年代、21世纪00年代略偏强，90年代略偏弱，2010—2015年特强。中、下游两种天气标准的高温事件日数总体也呈增多趋势，逐年代变化也不太一致，天气标准高温事件日数中游20世纪60—70年代持平，80—90年代略偏少，21世纪00年代略偏多，2010—2015年偏多；下游20世纪60年代偏少，70年代持平，80年代至21世纪00年代略偏少，2010—2015年特多。平均标准高温事件日数中游20世纪60年代略偏少，70—90年代特少，21世纪前16 a特多；下游20世纪60—80年代特少，90年代持平，21世纪前16 a特多。

表1 石羊河流域中、下游逐年代高温事件距平

3.2 高温事件年变化

石羊河流域中、下游近56 a年高温事件强度呈增强趋势（除下游天气标准高温强度呈弱减弱趋势）、年高温事件日数呈增多趋势（图2），用线性趋势方法计算中、下游年高温事件强度和日数气候倾向率（表2）。高温事件强度气候倾向率：①天气标准为中游＞下游，根据蒙特卡罗模拟方法规定：中、下游增强趋势均不显著；②平均标准为下游＞中游，根据蒙特卡罗模拟方法规定，中游增强趋势较显著，下游增强趋势显著。高温事件日数气候倾向率：①天气标准为下游＞中游，根据蒙特卡罗模拟方法规定，中游增多趋势不显著，下游增多趋势较显著；②平均标准为中游＞下游，中、下游增强趋势均很显著。由此可知，在全球气候变暖的大背景下，石羊河流域中、下游年高温事件强度在增强，日数在增多，日数增多趋势比强度增强趋势更明显。

图2 石羊河流域中、下游年高温事件变化

表2 石羊河流域中、下游年高温事件气候倾向率、趋势系数及均值

石羊河流域中、下游两种标准高温事件强度和日数的年均值为下游＞中游（表2）。这主要由于下游被巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠包围，干旱少雨，蒸发和辐射强烈，沙漠气候明显，白天升温较中游绿洲平原区快，这可能是引起高温事件下游较中游强度强、日数多的原因。高温事件强度：天气标准中、下游最强分别为37.6℃（2009年）、37.3℃（1967年），次强分别为37.5℃（1997年）、36.8℃（1999年）；平均标准中、下游最强分别为26.7℃（2000年）、27.4℃（2010年），次强分别为26.4℃（2015年）、27.2℃（2015年）。高温事件日数：天气标准中、下游最多分别为8 d（2010年）、16 d（2010年、2011年），次多分别为 6 d（2008年）、13 d（2014年）；平均标准中、下游最多分别为 36 d（2011年）、43 d（2011年），次多分别为34 d（2010年、2013年）、37 d（2010年）。

3.3 高温事件年极值变化

石羊河流域中、下游高温事件极值总体上呈增强趋势（图3），且变化步调基本一致，天气标准强度中、下游气候倾向率分别为 0.211、0.162 ℃·（10 a）-1，平均标准强度中、下游气候倾向率分别为0.294、0.280 ℃·（10 a）-1。20世纪 60—90年代前期，中、下游高温强度相对较弱，变化幅度不大，其中，天气标准较强的年份有 1960、1967、1972、1978、1988 年；平均标准较强的年份有 1960、1967、1981、1982、1988年。1993年出现了明显的低点，1993年后呈增强趋势，90年代中期—21世纪前16 a高温强度总体较强，但变化幅度较大，其中，天气标准较强的年份有1997、1999、2000、2001、2009、2010 年，历年最强中游40.8℃（1997年7月22日），下游41.7℃（2010年7月30日）；平均标准较强的年份有1997、1999、2000、2001、2002、2013、2014、2015 年，历年最强中游30.8℃（2010年7月28日），下游32.7℃（2010年7月30日）。

3.4 高温事件月变化

由表3可知，石羊河流域中、下游高温事件出现在5—9月，中、下游两种标准高温事件强度最强、日数最多均在7月，依次向两端递减。中游天气标准高温事件只出现在6—8月，5月和9月未出现，平均标准高温事件出现在5—8月，9月未出现；下游两种标准高温事件5—9月均有出现。同时可看出，两种标准高温事件强度和日数均为下游＞中游，特别是高温事件日数下游远多于中游。说明闷热天气持续时间下游比中游更长。

3.5 高温事件的周期性和突变特征

石羊河流域中、下游天气标准的高温事件年强度和日数跳跃幅度较大，没有发现明显的周期性变化；平均标准高温事件强度和日数的变化步调相对一致，方差分析周期发现，中、下游强度和日数时间序列均有5～7 a的准周期，经F检验，均通过了α=0.05的显著性水平检验。累计距平和信噪比法对高温事件突变分析发现，中、下游天气标准强度和日数以及平均标准强度均没有发生气候突变，只出现了转折年份，平均标准日数发生了气候突变，突变时间中游在1997年、下游在1996年。

图3 石羊河流域中、下游年高温事件极值变化

表3 石羊河流域中、下游月高温事件

3.6 高温事件的异常特征

由表4可知，石羊河流域中、下游年高温事件强度、日数正常年份最多，依次向两端迅速递减。天气标准强度：中、下游正常年份概率分别为73.2%、71.4%，异常年份概率分别为26.8%、28.6%，其中，特弱分别为3.6%、5.4%，偏弱均为8.9%，偏强分别为10.7%、12.5%，特强分别为3.6%、1.8%；平均标准强度：中、下游正常年份概率均为67.9%，异常年份概率均为32.1%，其中，特弱均为1.8%，偏弱分别为12.5%、14.3%，偏强均为12.5%，特强分别为5.4%、3.6%；天气标准日数：中、下游正常年份概率均为58.9%，异常年份概率均为41.1%，其中，特弱均为0.0%，偏弱分别为19.6%、25.0%，偏强分别为16.1%、12.5%，特强分别为5.4%、3.6%；平均标准日数：中、下游正常年份概率分别为67.9%、71.4%，异常年份概率分别为32.1%、28.6%，其中，特弱均为0.0%，偏弱分别为12.5%、14.3%，偏强分别为14.3%、10.7%，特强分别为5.4%、3.6%。由以上分析可知，石羊河流域正常高温事件强度和日数的年份概率在58.9%～73.2%，强度偏强和特强年份的概率在14.3%～16.9%，日数偏多和特多年份的概率在14.3%～21.5%，出现概率虽小，但仍会对公众健康、生命财产以及工农业安全生产造成一定的危害。

4 结论与讨论

（1）石羊河流域中、下游年代、年高温事件强度总体呈增强趋势、日数呈显著增多趋势，2010—2015年高温事件强度增强和日数增多趋势明显，高温事件日数增多趋势比强度增强趋势更明显，中、下游高温事件极值总体上也呈增强趋势，这与全球气候变暖的大背景相一致。

（2）高温事件出现在5—9月，高温事件强度和日数的高峰值均在7月，依次向两端递减，高温事件强度和日数均为下游＞中游，说明闷热天气的持续时间下游比中游更长。

（3）中、下游天气标准高温事件强度和日数均没有明显的周期性，平均标准强度和日数均存在5～7 a的准周期变化。高温事件中、下游天气标准强度和日数以及平均标准强度没有发生气候突变，平均标准日数发生了气候突变，中游在1997年、下游在1996年。

表4 石羊河流域中、下游高温事件各强度出现年数及概率 a（%）

（4）年高温事件存在一定的异常性，正常高温事件强度和日数的年份概率在58.9%～73.2%，强度偏强和特强年份的概率在14.3%～16.9%，日数偏多和特多年份的概率在14.3%～21.4%，虽然出现概率较小，但仍会对公众健康、生命财产以及工农业安全生产造成一定的危害。

由于日最高气温表示的是某日某些瞬时气温的绝对极端状况，而日平均气温表示的是某日气温的总体状况。从石羊河流域已有的研究看，只对天气标准的高温事件进行了分析[12-13，26]，为了更全面的认识和了解当地高温事件，笔者对天气标准和天气标准高温事件进行了研究，探讨了高温事件的变化规律，为高温事件预报预警提供了技术支持，同时将为地方政府提供准确的决策依据，对区域经济发展和气候变化研究有重要意义。高温事件的形成机制和引起高温事件变化原因极其复杂，本研究对高温事件的形成机理和变化成因涉及较少，有待于进一步深入探究。