1960—2020年京津冀高溫熱浪時空分布特征

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. 中國科學院大氣物理研究所 大氣科學和地球流體力學數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上升(李柏貞等,2016；Ting et al,2021)。在氣候變暖背景下，高溫熱浪發生愈加頻繁，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的氣溫超過46 ℃，突破當地歷史極值。高溫熱浪具有高影響和高致災性(陳正洪和楊桂芳，2012；吳紹洪等，2017)，現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；楊續超等，2015；祁新華等，2016)。國內外學者對高溫及高溫熱浪也開展了大量研究。Green等(2016)指出近年來，英國高溫熱浪的發生頻次與強度均呈增多(強)趨勢，表現在高溫熱浪及極端最高氣溫和長時間熱浪更易發生。王倩云等(2016)發現歐洲大陸熱浪發生頻率在20世紀80年代以后呈明顯增多趨勢。賈佳和胡澤勇(2017)指出中國高溫熱浪發生頻次同樣呈顯著的上升趨勢，沈皓俊等(2018)進一步研究發現1998年后全國高強度熱浪頻發。

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)。京津冀氣候屬于溫帶半濕潤半干旱大陸性季風氣候，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，已有學者對京津冀的高溫熱浪過程進行了研究。施洪波(2011)分析1960—2008年京津冀地區夏季高溫日數時空變化特征，發現京津冀地區夏季高溫日數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流特征進行分析，指出京津冀地區高溫天氣與區域干旱具有高耦合性，北半球500 hPa環流異?？勺鳛楦邷靥鞖忸A測依據；李雙雙等(2015)對京津冀地區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流與京津冀地區熱浪異常關系最為顯著，對熱浪異常是一種穩定且強烈的指示信號。以上研究雖然在京津冀地區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，未能完全體現最近十多年來京津冀高溫頻發的特征。因此，考慮到京津冀長時間序列、全區域高溫及高溫熱浪空間變化研究較少，文中選取京津冀地區作為研究對象，利用線性傾向率、突變檢驗、Morlet小波分析等方法，對1960—2020年京津冀高溫熱浪的空間特征、變化趨勢、突變和周期進行分析，揭示京津冀高溫熱浪發生、發展和演變規律，以期為科學適應和應對氣候變化提供參考。

1 數據與方法

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

根據中國氣象局規定，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3 d及以上為一次高溫熱浪過程。其中高溫熱浪日數為高溫熱浪期間的高溫日數；高溫熱浪頻次為高溫熱浪發生的次數；高溫有效積溫為高溫熱浪期間每日最高氣溫與35 ℃閾值之差的累積和，有效積溫越大炎熱程度越重。在計算地區平均時，參考高榮等(2008)的方法，去除氣候平均高溫熱浪日數小于1 d的站點，只對高溫熱浪日數大于等于1 d的站點的高溫熱浪日數、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。

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熱浪日數、頻次、有效積溫的空間分布(圖2)可見，高溫熱浪日數、頻次分布形態較類似，整體呈現南多北少的分布特征，大值區均位于39°N以南，大值中心位于邢臺中東部地區。而高溫熱浪有效積溫的空間分布，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。

1960—2020年夏季平均高溫熱浪日數空間變化較大(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以南地區熱浪期間高溫日數基本在5 d/a以上，對高溫日數的貢獻率達到50%左右，尤其中南部平原地區貢獻率達到55.4%(邢臺冀州)，39°N以北地區分布較為分散，貢獻率為20%—40%，并向北遞減。

1960—2020年夏季平均每年高溫熱浪頻次(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生過高溫熱浪，而邢臺隆堯地區年均出現2.3次高溫熱浪，夏季全省平均每年為1.1次。39°N以南地區基本在1次以上，83個臺站中有7站年均出現2次以上，1—2次的有38個站，1次以下的有31個站，沒有出現過高溫熱浪的有7個站。

夏季高溫熱浪有效積溫的空間分布(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、高溫熱浪頻次向西北沿山一帶偏移，其他地區分布形態與高溫日數、高溫熱浪頻次等相似，即石家莊贊皇地區的高溫熱浪日數和頻次雖少于邢臺隆堯等地，但該地區的高溫危害程度卻高于邢臺隆堯，說明該地區高溫危害尤為嚴重；39°N以北地區同樣存在一個大值中心，位于承德西南部，中心值達到7.6 ℃，即北部地區雖然高溫熱浪頻次和日數較南部少，但每次高溫熱浪過程的有效積溫也較高，進一步說明北部地區的熱浪過程的炎熱程度較重。

前人對出現以上空間分布特征的成因分析較多，比較常見的結論有西太平洋副熱帶高壓、青藏高原高空反氣旋環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出現在太行山東側50 km內，其分布范圍主要在保定、石家莊、邢臺和邯鄲西部，而弱焚風則可到達太行山以東100 km范圍(王宗敏等，2012)，因此在大尺度環流和地形等多重因素的共同作用下，高溫熱浪日數、頻次呈現以中南部平原高值中心向四周減少的分布特征，強焚風的影響使得高溫熱浪有效積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熱浪日數(a，單位：d)、高溫熱浪頻次(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

分析京津冀地區夏季高溫熱浪日數、頻次、有效積溫氣候變化趨勢(圖3)發現，高溫熱浪日數、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及西部沿山地區、西北地區呈減小(減弱)趨勢，其他地區呈增多(增強)趨勢。其中，高溫熱浪日數和頻次增加趨勢較明顯的地區主要位于石家莊、天津和北京等地，天津地區的增加趨勢均通過信度0.01的顯著性檢驗，石家莊和北京地區高溫熱浪日數以及北京的熱浪頻次均通過信度0.05的顯著性檢驗。高溫熱浪日數和頻次減少趨勢較明顯的地區主要位于邢臺南宮地區(與圖2a、b大值區相對應)，但高溫熱浪頻次的減小趨勢通過了信度0.05的顯著性檢驗。高溫熱浪有效積溫增強趨勢較明顯的地區位于石家莊地區，通過信度0.01的顯著性檢驗(與圖2c高溫熱浪有效積溫空間分布的大值區相對應)，說明該地區的炎熱程度進一步增強；減弱趨勢較明顯的地區位于邢臺南宮地區，且通過信度0.05的顯著性檢驗。

整體來看，京津冀地區的高溫及高溫熱浪變化趨勢僅有少數站點通過顯著性檢驗，分析通過顯著性的站點發現，京津冀地區的高溫熱浪在空間上呈現南北不同的變化特征，在高溫熱浪日數和頻次的多年平均大值區，高溫熱浪日數和頻次有減小的趨勢，而在有效積溫的多年平均大值區，有效積溫有增強的趨勢。

圖3 1960—2020年京津冀高溫熱浪日數(a，單位：10-2 d/a)、高溫熱浪頻次(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熱浪日數逐年變化，高溫熱浪頻次、有效積溫的逐年變化(圖略)與高溫熱浪日數的變化極為相似，分析可見，三者主要表現為“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3個時間序列均出現3個突變點，高溫熱浪日數的滑動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熱浪日數、頻次、有效積溫在1960—2020年出現了3次明顯突變，即在20世紀70年代初經歷了由多到少的轉變，90年代中期經歷由少到多的轉變，之后到21世紀00年代中期又經歷了由多到少的轉變。

圖4 1960—2020年京津冀地區夏季高溫熱浪日數的逐年變化(a)和滑動t檢驗統計量曲線(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熱浪日數、頻次和有效積溫變化趨勢。平均高溫熱浪日數、頻次和有效積溫均在1960—1972年、2005—2020年呈現線性增加趨勢，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年呈現弱的線性增加趨勢，但并不顯著。

進一步對平均高溫熱浪日數、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，表現特征與圖4b一致。

整體來看，高溫熱浪日數、頻次、有效積溫均表現為“多—少—多—少”的年代際變化特征，出現了3次明顯突變，4個振蕩期內無顯著線性趨勢，在1972、1996年突變前后振蕩期差異有高度統計意義，2005年突變前后振蕩期差異無統計意義。

以上分析可見，高溫熱浪日數、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了人為活動導致的全球變化和自然變率導致的年代際振蕩作用的疊加效應。兩個偏多集中期的對比表明，偏多集中期高溫熱浪日數、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，偏少集中期高溫熱浪日數、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年京津冀夏季高溫熱浪日數、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熱浪呈年代際增加趨勢，偏少集中期的高溫熱浪年代際增加幅度更明顯。

4 周期分析

進一步對高溫熱浪日數、頻次、有效積溫進行周期分析，發現三者表現極為相似，因此文中以高溫熱浪日數為代表進行詳細分析。圖5為1960—2020年京津冀地區平均高溫熱浪日數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。在影響錐內分布較為相似，包圍區域對應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年京津冀地區夏季高溫熱浪日數的連續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熱浪日數3個突變年份(1972、1995、2005年)為節點，對京津冀夏季平均高溫熱浪日數空間分布的年代際特征分時段分析。

從區域平均來看，1960—1972年夏季平均高溫熱浪日數空間變化較大，范圍為0(西北康寶等地)—15.6 d/a(邢臺南宮)(圖6a)；1973—1995年夏季平均高溫熱浪日數空間變化較小，范圍為0(西北康寶等地)—6.2 d/a(邢臺南宮)(圖6b)；1996—2005年夏季平均高溫熱浪日數空間變化范圍為0(西北康寶等地)—13.3d/a(邢臺隆堯)(圖6c)；2006—2020年夏季平均高溫熱浪日數空間變化范圍為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熱浪日數整體呈現“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)，高溫熱浪日數在空間分布上基本表現為區域性減少的特征，中南部地區減少幅度大于4 d以上，尤其在東部平原地區減少更為明顯，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)，高溫熱浪日數差異在空間分布上同樣表現為區域性減少特征，減少4 d以上的區域在北京—滄州及邢臺一帶，減少8 d以上的區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，表現為高溫熱浪日數減少4 d以上的區域減小，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年呈中北部地區增加、南部地區減少的特征，減少4 d以上的地區主要在邢臺和邯鄲東部，增加4 d以上的地區主要在北京、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，中南部大部分地區呈不同程度的增加趨勢，增加4 d以上的區域主要分布在邯鄲南部及石家莊和邢臺交界地區，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以上的區域位置偏南。

一方面，1960—2020年京津冀夏季平均高溫熱浪日數在空間區域上整體呈現“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，大部分地區表現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)表現為中南部整體增加的特點，且大于4 d的影響區域均呈擴大的趨勢。高溫熱浪頻次和高溫有效積溫也表現出類似特征(圖略)。

6 結 論

采用線性傾向率、突變檢驗、Morlet小波分析等方法，對1960—2020年京津冀高溫熱浪的空間特征、變化趨勢、突變和周期進行分析，得到：

1) 京津冀高溫熱浪日數、頻次和有效積溫在空間上均呈現南多(強)北少(弱)的分布特征，大值區均位于39°N以南，大值中心位于邢臺中東部地區；高溫熱浪有效積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。

圖6 京津冀夏季平均高溫熱浪日數(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為夏季平均高溫熱浪日數差值，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) 京津冀高溫熱浪日數、頻次和有效積溫表現為“多—少—多—少”的年代際變化；1960—2020年出現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，發現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) 京津冀高溫熱浪日數、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)表現為高溫熱浪日數北增南減的特征，第二次偏少集中期(2006—2020年)相對于第一次(1973—1995年)表現為中南部整體增加的特點，且高溫熱浪日數大于4 d的影響區域均呈擴大的態勢。

4) 京津冀高溫熱浪日數、頻次和有效積溫存在2—5 a的顯著振蕩周期。