IPCC第五次报告[1]指出, 1880— 2012年全球平均已升温约0.85 ℃, 温室气体排放已导致全球平均地表气温持续升高。随着全球平均气温的升高, 极端高温发生的频率增加, 且强度不断增加[2~4]。例如, 2003年欧洲爆发的高温热浪, 造成18个国家近22 000人死于这场灾难, 仅法国就有1万多人遇难, 经济损失高达13亿美元[5]; 近年来中国各地也遭遇严重的高温热浪天气, 2003年上海高温日数高达42 d, 为近50年来高温日数之最[6]。2006年夏季四川和重庆地区遭遇严重的高温热浪天气, 伴随着高温的出现, 川渝地区发生了50年不遇的干旱[7]; 2013年中国东部地区遭遇史无前例的极端高温天气[8]。高温热浪的频发已对全球经济和生态环境造成严重威胁[9~12]。

研究表明, 全球大部分地区高温热浪发生频次均呈上升趋势[13~16]。Habeeb等[17]利用美国1961— 2010年50个气象站的观测资料分析表明, 美国高温热浪的频次、强度及持续时间都在增加; 叶殿秀等[18]对中国近50年的高温热浪时空变化特征进行分析, 结果发现中国大部分地区的高温热浪在发生频次、强度、持续时间上虽存在阶段性变化特征, 但总体呈上升趋势, 且高温热浪出现的范围不断扩大。还有研究指出, 发生在春末夏初的高温热浪会比发生在盛夏的高温热浪造成更高的死亡率[19, 20], 因为在春末夏初之际温度普遍较低, 突然爆发的高温热浪, 使动植物及人体不能快速做出反应并及时调节来适应突发的高温环境而导致疾病。此外, 高温热浪的持续时间越长, 其造成的危害也越严重[21]。也有一些研究从极端温度的角度给出了高温变化的特征[22~24]。

目前针对中国高温热浪进行了分级研究[25, 26], 即分别将气温大于等于35 ℃的日数大于3 d, 5 d和7 d定义为弱高温热浪、中强高温热浪、强高温热浪, 但这些研究主要针对个别省份, 而对全中国不同等级强度高温热浪分布特征的系统研究及区域之间的对比分析还较少。此外, 在全球增暖背景下, 对中国区域不同等级高温热浪开始、结束日期的变化趋势及其区域间差异还不甚清楚。为此, 本文基于气温观测数据, 利用百分位定义法计算各站点的高温阈值, 并以高温热浪持续时间为依据将高温热浪进行分级, 通过系统研究中国区域不同等级高温热浪的时空分布特征及变化趋势, 探讨近几十年来中国高温热浪分布演变特征及区域差异。

本文所使用的观测数据为中国气象局整编的中国区域719个基准站1961— 2013年逐日温度数据, 站点分布如图1所示。

高温热浪是指持续一段时间的异常高温天气过程, 目前尚没有统一的判定标准[27, 28]。IPCC将连续多日日最高气温高于90%分位数的天气过程定义为高温热浪; 中国气象局将日最高气温大于等于35 ℃作为判定高温日的阈值, 同时规定各省市区可以根据本地天气气候特征规定界限温度值[29]。中国幅员辽阔, 地区间气候条件差异大, 在研究高温热浪发生频次、持续时间等特征的区域差异时, 若采用同一温度阈值会造成南多北少的结果, 因此, 相比绝对阈值, 利用百分位方法定义阈值能客观对比区域之间高温热浪分布特征的差异[30]。利用相对阈值定义时各地均存在高温热浪过程, 因此, 本文所研究的高温热浪是各地相比气候平均态气温异常高的天气过程。

IPCC将高温日的标准定为日最高温度大于90%分位数, 本文采用比90%更严苛的定义标准, 即95%分位数作为高温阈值, 以筛选出相对于各地气候平均态更加极端的高温天气。具体方法为将每个站点1961— 2013年的逐日最高温度数据进行排序, 并取第95%分位数为各站点高温阈值, 当某一站点日最高温度超过该站高温阈值时记为一个高温日, 然后利用高温日持续时间的长短确定高温热浪等级, 高温日持续3 d及以上但不足5 d时, 记为一次弱高温热浪过程; 高温日持续5 d及以上但不足7 d时, 记为一次中强高温热浪过程; 高温日持续7 d及以上, 记为一次强高温热浪过程。

由于高温热浪的分布具有明显的区域特征, 本文参考第二次气候变化国家评估报告[31], 将中国地区分为7个子区域(图1), 分别为:西北[分区1:(38° ~46° N, 82° ~92° E)]、东北[分区2:(42.5° ~50° N, 120° ~130° E)]、华北[分区3:(36° ~43° N, 111° ~119° E)]、华中[分区4:(28° ~36° N, 106° ~115° E)]、华东[分区5:(28° ~36° N, 116° ~122° E)]、西南[分区6:(21° ~28° N, 98° ~106° E)]、华南[分区7:(20° ~27° N, 107.5° ~120° E)]。

为了分析高温热浪的年代际变化特征, 文中对7个区域高温日数及3种强度高温过程进行了9年滑动。滑动t检验是气候突变检验的有效方法, 但由于滑动窗口的选取具有主观性, 突变点会随滑动窗口漂移; Mann-Kendall(MK)方法能大致确定时间序列中趋势突变发生的起始位置, 但多需配合其他突变检测方法使用以避免错误的产生[32]。因此, 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, 目的是较客观地确定突变点。

随着全球变暖, 中国区域气温逐年上升, 高温日数也日益增多[33~35], 但过去的研究缺乏对中国区域高温热浪变化趋势的系统分析, 区域间的差异还不甚清楚。因此, 本节将重点分析1961— 2013年中国区域平均高温日数的变化趋势及区域差异。

图2是中国区域平均的年高温日数及距平变化。由图2a 可以看出, 1961— 2013年中国区域平均高温日数呈先减少后上升的趋势, 在1993年达到最小值 8 d, 而2013年高温日数达峰值29 d, 较1993年多出21 d。将1961— 2013年高温日数距平值做9年滑动平均, 得到图2b。从图2b可以看出, 整个中国区域平均高温日数的距平变化呈现显著的年代际变化特征, 其中1965— 1996年为高温日数偏少的时段(距平为负), 1997年之后, 高温日数转为正距平。为深入分析中国高温日数的区域差异, 本节将系统分析7个子区域高温日数变化特征, 讨论区域间变化趋势的差异。

图3为7个子区域平均高温日数的变化。不难看出, 7个子区域的高温日数普遍存在一个上升趋势(图3)。由图3a可以看出, 1961— 2013年西北地区高温日数整体呈上升趋势并通过95%显著性检验。进一步利用滑动t检验和MK方法分析发现, 西北地区高温日数在1996年发生突变(表1)。东北和华北地区高温日数的变化特征与西北具有相似的特征, 即在1996年以后高温日数突然增多, 所不同的是华北在1996年达到一个最高值, 之后, 高温日数呈现明显的下降趋势。

注:* 表示趋势系数通过0.05的显著性检验

南方地区(图3d~g, 华中、华东、西南和华南)与北方地区(图3a~c, 西北、东北和华北)的年代际变化特征具有显著差异, 其中华中、华东两地区高温日数均呈先下降后增长趋势, 在1981年达最小值。西南地区高温日数呈显著增加趋势, 其趋势系数达0.22并通过95%显著性检验。值得注意的是, 西南地区高温日数在2004年之后迅速增加。华南地区2001年之前平均高温日数仅为16.9 d, 之后高温日数呈显著的增长趋势, 2001— 2013年平均高温日数达25.9 d。西南地区在2000年后高温热浪日数急剧增加, 而华南地区的转折点从1996年开始, 高温热浪日数由减少转为增加的趋势。对比南北方的特征可知, 高温热浪日数突然增加的时间北方早于南方5~6年, 尤其是西南和华南2个地区与北方这种差异更为明显。

过去尽管对高温热浪问题进行了大量的研究[36, 37], 但缺乏对不同等级强度热浪的系统分析和区域间差异的比较。本节将重点分析不同等级高温热浪的发生频率分布特征、变化趋势及区域差异。

这里以高温热浪过程持续时间为判据把高温热浪分为3个强度等级, 高温日持续3 d及以上但不足5 d时, 记为一次弱高温热浪; 持续5 d及以上但不足7 d时, 记为一次中强高温热浪; 持续7 d及以上, 记为一次强高温热浪, 依据此等级划分分析中国区域不同等级高温热浪的时空分布特征及其区域差异的比较。

图4为中国区域平均1961— 2013年弱、中强、强3种等级高温热浪发生频次的变化。由图4a可以看出, 不同等级高温热浪在这53年间均呈上升趋势, 趋势系数分别为0.1, 0.05和0.05, 且均通过99%显著性检验; 在1997年之后, 3种高温热浪发生频次均显著增长, 其中弱高温热浪发生频次增长最多, 由1961— 1996年的平均13.3次/10a, 增长到1997— 2013年的平均18.7次/10a。高温热浪发生频次及高温日数不仅存在着显著的年际变化, 而且还具有显著的年代际变化特征(图4b)。1961— 2013年中国区域3种等级高温热浪平均发生频次以及平均高温日数均呈先下降后上升的趋势, 均在1980s达最低值。自2000s以来, 中国区域高温热浪发生频次达到最大值, 弱、中、强高温热浪过程的发生频次分别达1 347.6次/a、515次/a和380次/a, 较1980s分别增长了51.1%, 87.6%和95.8%, 较1960s分别增长了23.6%, 55.1%和55.2%。

前面对中国区域不同等级高温热浪的发生频次和高温日数的年际和年代际变化进行了分析, 进一步对不同等级高温热浪发生频次的空间分布特征进行分析。图5给出了不同等级高温热浪发生频次的空间分布及其变化趋势。由图5a, c, e可知, 1961— 2013年, 中国所有区域弱高温热浪发生最频繁, 其发生频次为15次/10a; 中强高温热浪发生频次为4.9次/10a, 而强高温热浪发生频次最少, 为3.8次/10a。3种等级高温热浪平均发生次数存在显著地理差异(图5a, c, e), 弱高温热浪在西北、华中地区发生频次最多, 而中强、强高温热浪主要分布在华南、西南以及西北南部地区。3种等级高温热浪发生频次在全国大部分地区均呈增长趋势, 但华中部分地区中强和强高温热浪发生频次却呈减少趋势。下面对3种高温热浪发生频次进行分区域讨论并比较区域差异。

如表2所示, 强高温热浪过程主要发生在华东地区, 达5.8次/10a; 在华北地区, 其平均发生频次仅为2.7/10a, 为华东地区的46.5%; 中强高温热浪发生频次在7个区域间差异较小; 弱高温热浪在华东地区发生次数最少, 为13.0次/10a, 而在西北地区发生最多, 达19.1次/10a, 显著高于其余6个区域。近53年7个区域3种等级高温热浪过程均呈上升趋势, 但不同区域增长速率显著不同。强高温热浪过程在华北地区增长趋势最显著且通过99%显著性检验, 中强高温热浪过程在华北和华南地区增长最快, 且均通过99%的显著性检验, 弱高温热浪在西南、华南两地区显著增长。

对于全国大部分地区而言, 弱高温热浪发生的频次大于中强高温热浪, 且大于强高温热浪, 值得注意的是, 华东地区强高温热浪发生频次却多于中强高温热浪, 强高温热浪的发生频次为5.8次/10a, 是中强高温热浪发生频次的1.2倍。

注:* , * * 分别表示趋势系数通过0.05和0.01的显著性检验

不同地区3种等级高温热浪占该地区高温热浪发生总数的比例也存在较大差异。西北、华北、东北3个地区发生的高温热浪事件中, 弱高温热浪所占比例均最大, 分别为69.6%, 66.1%和68.2%; 其次为西南和华南地区, 弱高温热浪所占比例分别为66.0%和61.7%; 中强高温热浪占高温热浪总数的比例在7个区域间差异较少, 各区域均占20%左右, 而强高温热浪所占高温热浪总数比例的最大值出现在华东地区, 达24.5%, 最小值出现在西北地区, 仅为10.8%, 最大值与最小值相差近2.3倍。

综上所述, 在中国北部弱高温热浪所占比例最大, 平均为68.0%, 强高温热浪所占比例最小, 平均为11.9%。而中国中部、东部地区强高温热浪过程所占比例大于其余地区, 平均为21.3%, 为北部的1.8倍, 而中部、东部地区弱高温热浪发生频次占高温热浪总频次的比例相比其他区域偏小, 仅为51.5%。

相同强度高温热浪出现的时间不同, 其带来的危害也不同, 发生在春末夏初的高温热浪将会比发生在盛夏的高温热浪造成更高的死亡率, 这是因为在春末夏初之际温度普遍较低, 突然爆发高温热浪过程, 使人体不能迅速地做出反应并及时调节热量平衡来适应突发的高温环境, 导致人体和动植物遭受更严重的危害。因此, 有必要对不同等级高温热浪每年首次发生日期的时空分布特征进行分析。

图6为中国区域不同等级强度高温热浪的平均开始和结束日期的时间变化趋势。中国区域3种等级高温热浪以弱高温热浪的开始日期最早, 平均开始于7月3日, 而中强、强高温热浪开始时间相近, 分别为7月13日和7月14日。近50年, 弱高温热浪开始时间平均比中强、强高温热浪早8.7 d和7.2 d。弱、中强、强高温热浪存在明显的年代际变化, 1961— 2013年3种等级高温热浪开始日期均呈先推后再提前的趋势。弱高温热浪在1981— 1990年开始日期最晚, 大致在7月8日前后。中强高温热浪在1971— 1980年开始日期最晚, 大约在7月17日, 而在2001— 2010年提前了1周, 约在7月10日。

1961— 2013年3种等级高温热浪结束日期的年代际变化趋势与开始时间相反, 呈先提前再推后的趋势。弱高温热浪推迟时间最显著, 在1981— 1990年平均结束日期为7月27日, 而在2001— 2010年平均结束日期为8月2日, 比1981— 1990年晚了1周。

将719个站点1961— 2013年高温开始日期和结束日期求平均值后得到图7。比较可知, 3种等级高温热浪的开始日期具有显著的区域差异。3种等级高温热浪均最早在西南爆发(表3), 该地区弱、中强、强高温热浪过程平均开始日期分别为5月26日、5月27日和5月21日。随后, 3种等级高温热浪过程在华北地区爆发, 发生日期约在6月下旬。东北地区中强、强高温热浪的爆发比弱高温热浪晚近10 d。西北地区弱、中强高温热浪以及中强、强高温热浪的爆发时间均相差1周左右。华中地区3种等级高温热浪发生时间约在7月中上旬, 其中弱、中强高温热浪发生日期相近, 而强高温热浪比其余2种热浪晚近1周。华南地区3种强度高温热浪的开始日期均最晚, 且3种等级高温热浪发生时间相近, 分别为7月16日、7月23日和7月22日, 比西南地区晚了近2个月。

由图7可知, 高温热浪发生日期越早的地方, 其结束日期也相对较早。西南地区3种等级高温结束最早, 该地区弱高温热浪结束日期最晚, 比中强高温热浪晚了近2周。随后东北、华北3种等级高温热浪在7月下旬结束, 其中华北地区的中强高温热浪过程结束最早, 其结束日期为7月13日, 比弱、强高温热浪过程提前近1周。最后, 西北、华中、华东、华南地区3种等级高温热浪在8月初结束, 其中在西北、华中、华南地区弱高温热浪结束最晚。通常情况下, 弱高温热浪结束最晚, 而在华东地区, 强高温热浪结束最晚, 比该地区弱高温热浪结束日期晚了近20 d, 在华南地区, 中强高温热浪结束最晚, 相比其余2种高温热浪结束日期晚了5 d。

3种等级高温热浪开始、结束日期的变化趋势具有明显的区域差异(图8)。结合表4可以看出对于弱高温热浪开始日期而言, 仅华北弱高温热浪的开始日期呈推迟趋势, 在其余6个地区中, 提前趋势最显著地区为西北和华东两地, 趋势系数均为-2.4。7个地区中强高温热浪开始时间均呈提前趋势, 除华北地区外, 其余6个地区趋势系数均较大, 提前日数均达1.2 d/10a以上, 其中华东地区提前趋势最显著, 约每10 a提前3 d。强高温热浪开始日期趋势存在显著区域差异, 华北地区强高温热浪开始日期的趋势系数达-10.3, 而西南地区高温开始日期显著推后, 约每10 a推后15 d。华中、华东两地区3种等级高温热浪结束时间均呈提前趋势, 且中强高温热浪提前趋势最大, 趋势系数分别达-3和-2.9。西南地区3种等级高温热浪结束时间均呈推后趋势, 且推后趋势远大于其余6个地区, 该地区弱、中强、强3种等级高温热浪结束日期的趋势系数分别为5.8, 5和16。西北地区弱高温热浪结束日期在推迟, 而中强、强高温热浪却呈提前趋势, 且强高温热浪提前趋势更显著, 达-5.6 d/10a。

计算各区域3种高温热浪最晚结束日期与最早开始日期的差值的变化趋势, 得到图9, 由图9可以看出, 7个区域每年高温热浪持续时间均呈上升趋势, 其中西北、华北、东北、华中、华东、华南地区高温持续时间均在1997年前后发生突变, 其中华中地区高温热浪持续时间增长最多, 该地区1997— 2013年平均持续时间为37.4 d, 高出1961— 1996年13 d, 而华北地区高温热浪持续时间增长最少, 该地区1997— 2013年平均持续时间比1961— 1996年高出近7 d。西南地区高温热浪持续时间在2001年发生突变, 在2001年之后, 该地区高温热浪平均持续时间高达72.7 d, 远高于其余6个地区。

本文利用1961— 2013年中国区域719个基准站逐日气温数据, 对比分析3种等级高温热浪发生频次的时空分布特征, 并在此基础上进一步分析了3种等级高温热浪开始、结束日期的变化趋势, 得出以下主要结论:

(1) 1961— 2013年中国区域区域平均高温日数呈先减少后增趋势和年代际特征。高温日数的长期变化趋势存在明显区域差异, 其中西南、华南地区高温日数的增长最快, 趋势系数分别达2.2和2.1, 且均通过95%显著性检验; 在1965— 1996年, 9年滑动平均的高温日数距平值始终为负值, 而1997年以后, 高温日数始终大于近50年平均值, 存在明显的年代际变化特征。

(2) 在分析时段, 中国区域3种等级的高温热浪发生频次均呈显著的上升趋势且3种等级的高温热浪发生的区域存在较大差异。弱高温热浪主要发生在中国西北、华中地区, 而在华中地区增长最快, 且通过95%显著性检验, 而强高温热浪主要分布在华南、西南地区。对于不同地区, 各等级高温热浪所占比例差异较大。西北、华北、东北3个地区发生的高温热浪事件中, 弱高温热浪比例最大, 分别为69.6%, 66.1%和68.2%, 中强高温热浪占高温热浪总数的比例在7个区域间差异较少, 均为20%左右, 而强高温热浪所占高温热浪总数比例在华东地区达到最大值, 达24.5%, 而西北地区最小, 仅为10.8%。

(4) 弱高温热浪开始日期最早, 全国平均约开始于7月3日, 而中强、强高温热浪开始时间相近, 分别为7月13日和7月14日。3种等级高温热浪均最早在西南爆发, 而西北、华中、华东、西南、华南地区爆发的最晚。在中国大部分地区, 3种高温热浪开始日期均呈提前趋势。

(5) 1961— 2013年3种等级高温热浪结束日期均呈先提前, 再推后的趋势, 其中弱高温热浪结束日期最晚, 而中强高温热浪结束最早。高温开始日期较早的地区, 其结束日期也相对较早。3种高温热浪结束日期的变化趋势均存在南北差异, 南方3种高温热浪结束日期均呈推后趋势, 而北方地区则相反。

(6) 7个子区域每年高温热浪持续时间均呈上升趋势, 且大部分地区1997年前后增加迅速, 其中华中地区的高温热浪持续时间在1997年之后增长最快, 而西南地区的急剧增加发生在2001年之后, 高温热浪持续时间达72.7 d, 远高于其余6个地区。

本文基于观测的气温数据对中国地区高温热浪发生的时空变化特征、不同等级高温热浪的时空变化特征及起始和结束时间的变化趋势进行了分析, 揭示了中国区域高温热浪发生的一些新的事实。但结果仅限于观测事实的分析研究, 并未涉及高温热浪发生机理的研究, 这将是今后进一步要研究的重点。

The authors have declared that no competing interests exist.