观测到的半度增温对高温热浪的影响

陈静宜

(福建省连江县气象局，福建 福州 350500)

0 引言

高温热浪主要指温度超过一定阈值并持续一段时间，且具有负面影响的天气过程。国内机构与学者一般用日最高温度、持续天数、温度阈值等单一指标来表征高温热浪。迄今为止，高温热浪的定义还未有明确标准，世界气象组织将高温热浪定义为日最高气温在32℃以上并持续3日或3日以上过程；而中国气象局则将日最高气温大于或等于35℃并持续3日以上天气过程称为高温热浪，同时规定省市区可依据当地天气及气候特征指定温度阈值[1]。中国幅员广阔，地区间气候条件差异大，因此在研究高温热浪发生频次、强度和持续时间的区域差异时，若采用一个温度阈值会造成南多北少的结果，因此使用相对阈值定义各地区高温热浪过程更为准确。

高温热浪主要发生在我国6—8月，目前，相关研究主要从高温发生频次、持续日数、影响面积和极端温度值等方面来反映区域之间的差异，分析高温热浪的产生与发展状况，其中包括两个方面：一是对历史事件的追溯和持续时间内高温热浪的演变过程与规律，例如依据中国历史气候所记载的气象资料，回顾1743年夏季华北地区高温极端气候事件[2]和青岛历史上2次极端高温过程[3]；二是总结当前高温热浪区域特征并预测未来趋势。研究发现，我国高温热浪发生趋势与全球气候变暖总体一致；在区域层面大多呈变暖趋势，包含华北[4]、华南[5]、宁夏[6]、河北[7]、江苏[8]、上海[9]、广州[10]、广东[11]、重庆[12]等地，结果表明，60年来高温热浪事件呈上升趋势。

近年来，高温热浪事件不仅出现在“火炉”城市，同时在全国其他地区也存在，日最高气温的历史记录一再被打破。如2001年5月19日，辽宁朝阳最高气温达到历史同期罕见的41.2℃[13]；2002年7月14日，北京市的最高气温达41.1℃，是自1951年以来的历史最高记录；2006年7月15日，济南和石家庄分别为42℃和42.9℃，均打破当地近60年来7月中旬的最高记录[14]。

目前，对高温热浪形成机制的研究成果较为有限，其不仅与全球变暖的大背景相关，还受厄尔尼诺现象、太阳活动、地形地貌及生态环境恶化等影响。大部分气象学者认为，高温热浪事件主要是由大气环流异常导致，其中最为显著的是西太平洋副热带高压对东部夏季高温热浪的影响，副热带高压面积指数和强度指数较高[15]，西太平洋副热带高压控制内的大范围下沉运动产生的绝热易引发长江中下游地区高温天气的出现[16]。

1 资料和方法

1.1 数据来源

采取GISS表面温度系列时间序列进行比较，使用1961—2017年中国国家日平均温度、最高温度和最低温度数据资料，经过质量控制，该数据集被认为是研究气候变化的最佳数据集。为保证足够的记录可用性，尽量减少潜在的不均匀性，需要对数据进行预处理。在充分考虑1961—2017年每年6—8月夏季观测中丢失或缺测的记录后，总共有602个站台满足后续研究的分析条件。

1.2 数据分析

高温热浪常规基本气象要素包括最高温度、最低温度、平均温度和相对湿度等。本文利用中国1961—2017年的平均温度、最高温度和最低温度数据，分析影响高温热浪的因素。

在气象学上，用平均数或算术均值来表示序列的均值，用标准差来表示序列均值的平均变化幅度。在一系列变量值差异较大的情况下，为避免极值对结果的影响，标准差和均值通常用中位数和四分位数代替，用于表征统计特征，如序列均值和扩散。将一组变量按照值的大小顺序排列后均分成四等，形成三个分割点，第二个分割点对应的变量值即为中位值，第三个与第一个分割点变量值的差值就是四分位差，同时引入两个极端数值之差，比较四分位差和极端数值之差的大小，以表示数列的变异程度。如果四分位差远小于极端数值之差，则数列变异程度大且均值代表性好，反之亦然。

为分析高温热浪的年变化特征，对1970—1989年与1998—2017年全球平均表面温度作差值。滑动t检验是气候变异检验的有效方法，但由于滑动窗口的选择是主观的，突变点会随着滑动窗口漂移，MK(Mann—Kendall)方法能大概明确时间序列中发生趋势突变的起始位置，为避免错误产生，需多配合其他检测方法使用[17]。因此，为客观确定突变点，本文同时采用滑动t检验与MK方法对高温热浪的突变进行对比检测。

受可靠观测记录长度限制，出现平均温度略高于0.5℃采用GISTEMP时间序列，对比两个20年时间段切片间的平均温度差异(见图1)，发现在这两个时间段上，温度差逐渐减小并有趋于零的趋势。特别的是，1970—1989年与1998—2017年的平均温度差值刚好是0.5℃。

图1 1961—1980年每20年滑动平均与1998—2017年平均的全球地表温度差异

分析两个时间段相差0.5℃下温度的响应特征(见图2)，东北、长江中下游和华南沿海地区气温升高1～1.5℃；华北北部地区(内蒙古、黑龙江)有1～1.5℃增温，甚至存在部分地区有1.5℃以上增温现象；华中有0～0.5℃增温，部分地区有降温现象；西北大部地区有1～1.5℃增温，个别地区有0.3～0.9℃降温现象；总体来说，全国平均温度呈上升趋势，温度差值大致呈东北向西南递减趋势。平均温度高值区在我国内蒙古北部和黑龙江西部一带，这些地区纬度较高，均以温带大陆性季风气候为主，春季低温易干旱，夏季温热多雨量，秋季易涝早霜冻，冬季寒冷且漫长；差值不明显区域(增温或降温值在0～0.5℃左右)为四川、重庆、湖南一带；而低值区则是在新疆西北部。

图2 我国区域平均温度对观测到的增温0.5℃(1998—2017年与1970—1989年)响应的空间分布

为从总体上讨论半度增温对我国温度变化影响，将所有站点的温度差进行空间聚合，基于核密度估计方法绘制温度空间概率分布图(见图3)，得峰值偏向0值右端，且增温站点数多于减温站点数，约有63.2%站点平均温度上升超过0.5℃，表明全球增温半度下，我国平均响应高于全球。

图3 观测到的增温0.5℃(1998—2017年与1970—1989年)下我国区域平均温度的概率分布

因观测空缺且大部分地区的年最高气温不足25℃等原因，本文分析未包括青藏高原西部地区。全球半度增温不仅会影响平均温度，对极端温度也会有明显影响。

白天最高温度(TXx)和夜间最高温度(TNx)定义如下，①TXx白天最高气温的年最大值：设TXx为k年白天最高气温，周期为j，则一年中白天最高气温为TXxkj=max(TXxkj)。②TNx夜晚最高气温的年最大值：设TNx为k年夜晚最高气温，周期为j，则一年中夜晚最高气温为TNxkx=max(TNxkj)。

如图4所示，TXx在内蒙古、黑龙江西北部、甘肃、青海、辽宁、浙江、四川西部和云南，气温上升1～1.5℃，个别地方甚至有1.5℃以上的增温现象；黑龙江西南部、吉林、江苏、湖南东北部、湖北西北部、广东、贵州气温升高0.5～1℃；黑龙江东部、福建、江西、湖南西南部、湖北东南部、广西有0～0.5℃增温；新疆东北部增温1～1.5℃，个别地区有0.2～0.6℃降温现象。

如图5所示，TNx在内蒙古、甘肃、青海、山西、陕西、辽宁、浙江、安徽、河南、湖北气温上升1～1.5℃，多数地区温度上升到1.5℃；福建、江西、黑龙江、山东、江苏、广东、四川有0.5～1℃增温；吉林、湖南、广西、重庆有0～0.5℃增温；新疆北部增温1～1.5℃，南部0.4～0.6降温现象。结合图4和图5来看，全国大部分地区白天和夜间最高气温正在上升，且华北北部(包含内蒙古、黑龙江)和华南北部(主要在浙江周围)增温幅度较为明显，西北个别地区有降温现象存在。

图4 我国区域白天最高温度(TXx)对观测到的增温0.5℃(1998—2017年与1970—1989年)响应的空间分布

图5 我国区域夜间最高温度(TNx)对观测到的增温0.5℃(1998—2017年与1970—1989年)响应的空间分布

由于全球半度增温现象，观测到的近60年来中国白天和夜间最高温度呈显著增长趋势(见图6)，约76.4%站点夜间增长0.5℃，18.9%站点夜间增长1.5℃；68.86%站点白天增长0.5℃，11.5%站点白天增长1.5℃。相比之下，夜晚高温较白天高温增长更多，且在空间上更不均匀。

图6 观测到的增温0.5℃(1998—2017年与1970—1989年)下我国区域白天最高温度(TXx)和夜间最高温度(TNx)概率分布

热浪指数是一年总共连续至少6天，当TX>90%的天数百分比，设TXij是周期j的日最高气温i，设TXin90是基于周期1971—2000年以五天为中心的90%，则将每个期间的天数求和，其中以至少连续6天为间隔：TXij>TXin90。

如图7所示，我国多数台站热浪指数正在增加，华北中心部分(甘肃、青海、内蒙古)和华南(广东、浙江)一带高温热浪指数增加较明显；东北(黑龙江南部、吉林)、西南(云南、贵州)部分地区，热浪指数为负值，表明热浪指数呈下降趋势。年热浪指数在全国大部分地区基本相同。从空间上来看，高温热浪影响范围在逐渐扩大，且南方地区较北方地区上升趋势更为明显。在城市化进程加速的大背景下，热岛效应已成为高温热浪事件的另一重要成因。对于大城市而言，城市化造成的热岛效应使得高温热浪事件发生频次增多。同时也证实了城市热岛现象对高温热浪事件造成的影响(见图7)，广东、浙江、甘肃、青海、内蒙古等城市的热浪指数均大于周边地区。研究发现，青藏高原大气热源减少时，长江中下游的高温反而会上升[18]；土壤水分减少时，副热带高压系统增强，高温热浪事件持续时间会延长[19]。

图7 我国区域热浪指数对观测到的增温0.5℃(1998—2017年与1970—1989年)响应的空间分布

图8为1998—2017年与1970—1989年热浪指数空间概率分布，由图8可见，峰值明显大于0，约78%站点WSDI增加，25.5%站点WSDI增加大于3天。总体而言，全国热浪持续时间在增加，反映近60年以来高温热浪事件发生频次增多，持续日数增加。

图8 观测到的增温0.5℃(1998—2017年与1970—1989年)下中国区域热浪指数概率分布

2 讨论与结论

目前，全球变暖对人类健康影响声明依然很少，参考现有人类健康记录，通过案例研究和长期统计来阐述极端热对健康影响，这0.5℃增温对不同地区发病率、死亡率是否有影响，并在多大程度上构成极端热风险，相关评估既可作为人类对未来严重气候变暖的推断，也可为地区适应和缓解类型导向战略提供信息。此外，超过热应激指数的临界阈值，发病率、死亡率急剧上升，可通过建立过热危险报警系统，简单预测每日的平均温度、最高温度和最低温度。

鉴于1℃全球变暖时代的逐步来临,只有0.5℃的空间可以实现1.5℃的宏伟目标，因此可从现有情况推断在1.5℃情况下我国出现高温热浪的风险。即使在观测到0.5℃引起的增长率之后，1.5℃全球变暖对我国来说也不是一个安全的选择。预计未来0.5℃暖化将对全国白天、夜晚最高温度的非对称增长产生影响，高温热浪事件会加速发展，届时将会到达一种新的极端温度状态，可能超出当地的适应能力。

本文利用我国602台站1970—1989年与1998—2017年逐日平均温度、最高气温和最低气温的数据对比，分析观测到半度增温对高温热浪的影响，得出以下结论：

①在过去的60年里，我国白天和夜间的平均气温、全天最高气温和最低气温都有明显升高现象，高温热浪事件发生频次、持续日数也呈增加、增长趋势。受高温热浪影响的区域也在扩大，但存在明显的区域变化差异：我国华北北部、华南中部、长江中下游及东南沿海等地区增强趋势显著，新疆西部、东北东部等地减弱趋势显著。然而，东北地区高温热浪的变化趋势可能是由于过去60年夏季气温略有下降趋势所致。总的来说，全国高温热浪强化范围明显大于弱化范围，表明在全球变暖背景下，我国高温热浪事件发生频率越来越高，时间越来越长，范围越来越广。

②我国年极端高温和极端低温均表现出明显增长趋势，北部地区变暖趋势比南部地区更大，极端低温的增温幅度明显大于极端高温的增幅，极端温度在白天和夜间都有增加趋势，尤其是夜间。

③WSDI的值增大表明我国热浪指数随时间延续而增大，反映近60年以来高温热浪事件发生频次增多、持续日数增加。线性分布趋势日增加范围明显大于减少范围，即高温热浪影响范围在逐渐扩大，其中热浪指数变率最大为浙江省。

本文基于1961—2017年全国逐日气温数据对中国地区高温热浪事件产生的影响进行分析，发现1970—1989年的平均温度与1998—2017年的平均温度差值刚好是0.5℃，进一步分析表明半度增温已经对我国大部分地区高温热浪事件发生造成一定影响，全球变暖严重的事件类型和区域存在显著差异。半度增温表现最明显的地方为极端低温值上升，夜间高温较白天高温增长更快，在我国华北和华南地区表现尤为明显。