无锡极端气温事件的气候分析.docx

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无锡极端气温事件的气候分析

无锡极端气温事件的气候分析

摘要为了了解气候增暖情况下，无锡地区极端最高和最低气温的气候特征，用阈值检测方法对无锡市1959-2007年的日最高气温、日最低气温进行了研究，分析了极端事件的发生规律，得出主要结论：

1．从年代际看，不论是日最高气温或日最低气温，2000年代偏高事件最多，偏低事件最少。

2．最低气温从1980年代初开始稳定回升。

3．在3、5、7、12月比较容易出现异常的气温。

月内异常气温出现次数多少主要与季节更替和天气系统的转换有关。

4.日最低气温不论冬春夏秋，都是明显升高。

而日最高气温冬、春、秋季呈升高趋势，而夏季震荡加大。

即在夏季，日最高气温偏高的事件增多，日最高气温偏低的事件也增多。

关键词气温气候极端事件无锡

中图分类号P423.3+4文献标识码A

AclimaticanalysisofWuxi’sextremetemperatureevents

RuanWeilin1QianYongfu2

（1JiangyinMeteorologicalBureau，Wuxi214432）

（2DepartmentofAtmosphericSciences，NanjingUniversity，Nanjing210093）（3WuxiMeteorologicalBureau，Wuxi214011）

AbstractCheckingWuxi’sdailyhighandlowtemperaturewiththresholdvaluemethod,analyzingtherulesoftheeventoccurrence,severalresultsareconcluded.1Indecadedimension,the2000thcenturyhasthemosthigh-leaningeventsandtheleastlow-leaningevents.2Thelowtemperaturehadbeenrisingfromthe1980th.3Earlyorlateseasonalchangeandweathersystemchangemainlydecidethenumberoftheevent.4Insummer,thehigh-leaningeventnumberofthehightemperatureisincreasing,andthelow-leaningnumberofitisincreasingtoo.

KeywordsTemperatureClimateExtremeeventWuxi

引言

根据在2007年2月2日发表的IPCC第四份评估报告，20世纪中期以来的全球平均气温上升，极有可能是基于人为的温室气体浓度上升。

我国的气温上升趋势与全球大体一致，但是具有明显的季节变化特征和不同的地域特征[1-8]。

在气候增暖的背景下，极端最高或最低气温事件对人类的影响很大，我国有不少学者对极端事件进行了研究。

文献[8]分析了南京地区50a冬夏的气温特征，指出南京盛夏高温减少，冷冬几率降低。

文献[9]研究了1951年-1990年极端气温的区域分布和季节变化特征，指出长江流域极端最高温度在秋冬季具有较为明显的降温趋势。

文献[10]研究了江淮地区1961-2001年梅雨期最低气温场，分析了各区域最低气温的长期演变趋势，其中苏南地区年际变化呈明显的上升趋势。

这些文献对于了解江苏极端气温的变化特征具有重要意义。

但是，这些文章着重讨论了冬夏或部分时段的极端气温特征，对于气温在年内其它时段的异常情况没有分析。

无锡市地处江苏南部的苏锡常经济区中部，北临长江下游，南靠太湖，全年经济活跃。

经济总量大，因灾损失也大。

无锡市的极端气温变化特征值得研究。

本文利用无锡1959-2007年逐日气温资料，使用阈值检测方法检测全年极端事件的发生，以期深入了解全年极端事件的特征，并试图研究极端事件发生次数的年代、年、月、季的发生规律。

1资料和方法

现在气象台站评价极端事件时，用的是年度的异常年表。

如2003年的异常年表反映的是在1971年到2000年的基础上，2003年的异常事件。

这种检测异常事件的方法不能用于检测1971-2000年。

同时，当极端事件出现在1971-2000年期间时，无法再检出目前的极端事件。

其次，通常研究的高温和低温事件仅仅是研究冬夏的异常气温事件，其它季节的异常气温事件又有什么特点？

比如倒春寒、秋季低温等怎么来定义和描述？

所以需要研究全年的极端事件。

采用95%和5%阈值方法检测气候异常事件[11]可以解决这个问题。

用无锡市1959-2007年逐日气温资料，取其第95个百分位和第5个百分位值作为极端高（低）温日的阈值来检测极端冷暖事件。

用阈值对2003年日极端气温进行检测，可以发现，阈值可以有效检测全年各个时段的相对的高温和低温事件，在检测的时间域上更广。

设某个气象要素有n个值，将这n个值按升序排列，x1,x2,x3,…xn,然后按照Grammer分布计算第95个和第5个百分位值作为检测极端值的阈值。

通过计算1959年-2007年49年内，同一日49个值的95%和5%阈值，得到无锡市长度分别为366的极端最高气温的2个阈值序列、极端最低气温的2个阈值序列。

其中闰年有12年，2月29日的阈值用同样的方法得到。

检测某年的极端事件时，遇到闰年用366的阈值序列，遇到平年用365的序列。

为了滤去短波波动，以上阈值序列经过了滑动5天平滑。

本文所用资料为无锡市1959-2007年逐日最高气温和最低气温，所称月、季节、年、年代数据，均从逐日资料计算得到。

2用阈值序列检测2003年极端最高、最低气温事件

本节使用阈值检测方法检测了2003年的异常高温、低温事件，以期了解2003年异常高温、低温事件的细微特征。

用四个阈值序列检测2003年极端最高、最低事件。

图1a给出了无锡市2003年逐日最高气温和95%、5%阈值。

图1b是2003年无锡市逐日最低气温和95%阈值、5%阈值。

图1a2003年无锡市逐日最高气温（中）和95%阈值（上）、5%阈值（下）

Fig.1aDailyhightemperatureandthethresholdvalueof95%and5%

图1b2003年无锡市逐日最低气温（中）和95%阈值（上）、5%阈值（下）

Fig.1bDailylowtemperatureandthethresholdvalueof95%and5%

无锡市2003年气候最明显的特点是7月下旬到8月上旬的连续高温天气，并且8月1日出现了40.1℃的历史高温极值。

在无锡市2003年异常年表上，8月1日的最高气温更新了无锡建站以来8月的月极值和2003年的年极值。

此外，11月2日最高气温28.7℃,也更新了11月的月极值。

从图1a、图1b中可见，阈值曲线检出了7月下旬到8月上旬的日最高气温突破最高气温阈值的事件，同时也检出了7月下旬到8月上旬日最低气温高出最低气温阈值的事件。

就是说，不仅那几天最高气温特别高，早晨的最低气温也高，从而使得人感觉很不舒适。

一般认定夏季高温是用最高气温达到35℃的指标，没有关注到夏季日最低气温较高的事实。

此外，图1a中阈值曲线也检出了11月2日的最高气温突破阈值的事件。

从图1a、图1b中还可以看到，2003年日最高气温有多处突破阈值，有突破上限的，也有突破下限的；而日最低气温仅有突破阈值上限，没有突破下限的。

这一现象反映了2003年日最低气温在全年中都是明显上升的事实，与许多文章指出的近年来最低气温明显上升的事实相一致。

3用阈值序列检测1959-2007年的极端事件

用阈值检测方法对1959-2007年逐日最高和最低气温进行检测，试图了解在无锡气温增暖[6]的总趋势下，异常偏高和偏低事件的发生特点。

定义：

最高偏高事件：

日极端最高气温〉最高气温的95%阈值的事件

最高偏低事件：

日极端最高气温〈最高气温的5%阈值的事件

最低偏高事件：

日极端最低气温〉最低气温的95%阈值的事件

最低偏低事件：

日极端最低气温〈最低气温的5%阈值的事件

3.1四类事件发生数量的年代际变化和年际变化

表1各事件在各个年代发生次数的年平均

Table1Theyearlyaverageoffourkindsofeventsindecades

1960年代1970年代1980年代1990年代2000年代

最高偏高事件发生次数6.95.87.28.819.1

最高偏低事件发生次数10.411.810.38.04.1

最低偏高事件发生次数6.53.64.48.521.0

最低偏低事件发生次数16.814.06.43.61.0

表1是四类事件在各个年代发生次数的年平均，其中2000年代为7年平均，其它为10年平均。

由表1可看到，两类偏高事件呈增加的趋势，而两类偏低事件呈减少的趋势。

在1970年代，两类偏高事件都是最少，表明1970年代最高和最低气温维持在较低的水平，很少突破上限，气温偏低。

1960年代的最低气温偏高和偏低次数都比1970年代多，说明1960年代最低气温比1970年代振幅大。

2000年代，2类偏高事件大幅度增加，数量是1960-1980年代的3-5倍。

而两类偏低事件发生次数很少。

表明2000年代日最高气温和日最低气温偏高幅度大，整体气温水平抬高，以致很少触及最低5%阈值。

以上分析说明，从年代际看，1970年代的偏高事件最少，而1960年代的最低气温比1970年代振幅大。

不论是日最高气温或日最低气温，2000年代偏高事件最多，偏低事件最少。

为了了解年际变化趋势，本文计算了四类事件发生次数的年变化线性系数，四类事件的线性系数分别为：

0.24，-0.10，0.27，-0.39。

可见，气温偏高事件是增多的趋势，而气温偏低事件是减少的趋势。

其中，最低偏低事件发生次数的减少幅度最大，平均每年减少0.39次。

2002-2007年，每年最低偏低事件的发生次数仅0-1次。

也就是说，最低气温稳定上升了，且上升幅度最大。

这个结论和文献[6]的结论相一致。

从年际变化图上可以看到一些细微的特征。

图2a是1959-2007年两类最高气温事件出现次数的逐年变化曲线。

图2b是两类最低气温事件出现次数的逐年变化曲线。

a：

最高偏高事件（实线）和最高偏低事件（虚线）b：

最低偏高事件（实线）和最低偏低事件（虚线）

图21959-2007年四类事件出现次数的年变化

Fig.2Theyearlynumberoffoureventsfrom1959to2007

从图2a可以看到，两条曲线有三次出现稳定持续的上下分离，分别是1969-1976年、1980-1986年和2002-2007年。

其中前两次表明了最高气温偏低的状态；最后一次表现为最高气温偏高的状态，2003年正处于此偏高阶段，所以出现极端最高气温也就不足为奇。

图2b是两条最低气温异常事件的曲线，总体趋势表现为一条上升、一条下降，但是气温最低并不是出现在曲线开始的阶段。

而是出现在1965-1981年。

这一段最低气温偏高事件少、偏低事件多，最低气温维持较低的状态。

从1980年代初期开始，最低偏高事件次数稳定上升，偏低事件逐渐减少。

可以认为，最低气温从1980年代初开始稳定回升。

3.2月分布

日内最高、最低气温受太阳辐射和天气系统的影响比较大。

冬夏影响无锡的主要天气系统不一样，所以异常事件发生的特点也不一样。

在全年各个月份中，四类事件的发生次数的多少，表明太阳辐射和天气系统的强度和持续时间的异常程度。

事件发生的次数少，表明天气比较稳定，比较接近常年的平均状况。

为了了解哪个月发生的异常事件更多，本文计算了各月的异常事件发生次数的演变。

图3a、图3b是多年累计的各个事件的月分布。

横坐标为月，纵坐标为次数。

为便于比较，纵坐标都取为25-57次。

a:

最高偏高事件（实线）和最高偏低事件（虚线）b最低偏高事件（实线）和最低偏低事件（虚线）

图3多年累计的四类事件的月分布

Fig.3Themonthlydistributionofthefourevents

从图3a、图3b可以发现一些有价值的结论。

在最高偏高事件中，7月发生次数最多。

也就是说，在夏季的梅雨后的7月，容易发生日最高气温异常高的情况。

1月份最低偏高事件最少，表明隆冬时节最低气温比较稳定，不容易回暖超过阈值上限。

6月最低偏低事件最少，表明夏季6月，无锡主要受副热带高压影响，最低气温不容易大幅度下降低于阈值下限。

而3月最低偏低事件较多，表明冬春交替的3月，大多时候气温回升，但是也容易受到冷空气影响，出现倒春寒。

通过计算多年累计四类事件总和的月分布可以发现：

3、5、7、12月比较容易出现异常的气温，而2、6、8、11月异常事件相对比较少。

春季有两个月异常事件多，表明春季气温变动幅度大，冬-春、春-夏季节过渡的早迟常常引起气温异常高（低）。

7月是梅雨和高温结合的一个月份，在梅雨锋持续长时间影响无锡的年份，气温会维持在较低的水平；而如果梅雨期短，受副热带高压控制，高温也会持续；另外7月也是台风系统影响无锡较多的一个月份，台风可以使副高东退，弱冷空气侵入台风低压造成无锡大幅度降温。

初冬12月异常气温多，与季节进程早迟引起气温异常有关。

3.3各季节异常事件发生次数的多年变化

无锡气温总的线性趋势是上升的，其中冬季和夏季上升速度有不同[6]。

那么根据阈值检测出的异常高低温事件，在冬季和夏季的发生次数是否也有差异呢？

本文绘制了各个季节四类事件的49年变化曲线（图略），并计算了每条曲线的线性系数。

表2是四个季节异常事件发生次数年变化曲线的线性系数。

表2四季异常事件发生次数年变化曲线的线性系数

Table2Thelinearcoefficientoftheyearlycurveoffourevents

线性系数最高偏高最高偏低最低偏高最低偏低

冬季0.02-0.070.05-0.12

春季0.06-0.050.03-0.12

夏季0.100.020.09-0.03

秋季0.06-0.020.08-0.12

从表2可以看出，多年来，不论哪个季节，最高偏高事件数字都为正，即都呈增加的趋势，其中夏季最高偏高事件系数最大为0.10，表明夏季最高气温异常高的次数最多。

最高偏低事件的线性系数在冬、春、秋季都是负数，表明呈减少的趋势，而夏季却是正数，表示夏季最高气温偏低的事件增多。

也就是说，夏季的最高气温偏高的次数增多，偏低的次数也增多，即夏季最高气温有时高有时低。

最低偏高事件在四个季节都是正数，最低偏低事件在四个季节都是负数，表明最低气温稳定升高了，不容易发生异常低的情况。

可见最低气温在全年各个季节是普遍升高的。

可以认为，用阈值检测方法做出的气温变化趋势，日最低气温不论冬春夏秋，都是明显升高。

而日最高气温冬、春、秋季呈升高趋势，而夏季震荡加大。

4小结

对无锡1959-2007年的日最高、最低气温日资料，用阈值检测方法研究了全年最高最低气温偏高偏低的特点，得到的主要结论如下：

1．从年代际看，1970年代的偏高事件最少，而1960年代的最低气温比1970年代振幅大。

不论是日最高气温或日最低气温，2000年代偏高事件最多，偏低事件最少。

2．从年际变化看，最高、最低气温异常高的发生次数逐渐增多，而最高、最低气温异常低的发生次数逐渐减少。

其中最低气温异常低的发生次数下降最明显。

最低气温从1980年代初开始稳定回升。

3．3、5、7、12月比较容易出现异常的气温。

而2、6、8、11月异常事件相对比较少。

异常气温出现次数多主要与季节更替和影响无锡天气系统的转换有关。

4．日最低气温不论冬春夏秋，都是明显升高。

而日最高气温冬、春、秋季呈升高趋势，而夏季震荡加大。

即在夏季，日最高气温偏高的事件增多，日最高气温偏低的事件也增多。

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